鄭宇，趙俊華，董朝陽，王德志，潘振寧，李正佳

（1.南方電網(wǎng)科學(xué)研究院，廣州510080；2.蘇州華天國(guó)科電力科技有限公司，江蘇蘇州215000）

0 引 言

隨著世界能源的不斷消耗，傳統(tǒng)的石油能源十分緊缺，同時(shí)伴隨著各類新能源的開發(fā)和信息技術(shù)的發(fā)展，全球的能源格局正在從以往的單一能源供應(yīng)走向分布式小能源與集中式大能源共同供應(yīng)的能源互聯(lián)網(wǎng)模式。在這種模式下，電力網(wǎng)、天然氣網(wǎng)絡(luò)等能源網(wǎng)是能源互聯(lián)網(wǎng)的重要組成部分，通過多能流的互相融合使用，能夠使得能量管理變得更為可靠和靈活［1-2］。

在能源互聯(lián)網(wǎng)下的需求側(cè)，工商業(yè)用戶是電力消費(fèi)的重要成分。工商業(yè)負(fù)荷具有總量大，用電規(guī)律和具有十分可觀的需求響應(yīng)潛力的特點(diǎn)。研究工商業(yè)的能量管理，能夠?qū)⒛茉磦?cè)與需求側(cè)結(jié)合起來，通過工商業(yè)負(fù)荷的需求響應(yīng)，不僅能夠有效優(yōu)化電網(wǎng)的負(fù)荷曲線，達(dá)到削峰填谷的效果，而且能夠給予工商業(yè)用戶一定的補(bǔ)貼，減輕其在能源方面的費(fèi)用支出。

由于商業(yè)負(fù)荷多為大量集中的照明負(fù)荷、空調(diào)負(fù)荷等，在不影響商業(yè)運(yùn)營(yíng)的前提下，集中式的控制手段與調(diào)節(jié)方式更為靈活多樣，還能夠減少對(duì)電網(wǎng)造成的沖擊，是需求響應(yīng)實(shí)施的理想用戶［3］。而工業(yè)用戶由于其生產(chǎn)線及相關(guān)生產(chǎn)設(shè)備不能頻繁開關(guān)，從而其可調(diào)性不如商業(yè)用戶來得靈活。商業(yè)負(fù)荷是區(qū)域用電負(fù)荷的重要組成部分，由于商業(yè)用戶的高度集中，使得商業(yè)負(fù)荷呈現(xiàn)高密度的特點(diǎn)，相比于分散的社區(qū)與家庭負(fù)荷，商業(yè)負(fù)荷能夠?qū)崿F(xiàn)集中的控制與調(diào)節(jié)，基于電價(jià)與激勵(lì)報(bào)酬的需求側(cè)響應(yīng)更容易實(shí)現(xiàn)，經(jīng)濟(jì)效益更為客觀［4-5］。因此，本文以綜合商業(yè)樓宇負(fù)荷與多種能源為研究對(duì)象，考慮多能源融合的能源供應(yīng)模式，建立商業(yè)樓宇能量管理（commercial building energymanagement，CBEM）優(yōu)化模型，以商業(yè)樓宇的舒適度和經(jīng)濟(jì)性為目標(biāo)函數(shù)，同時(shí)考慮在分時(shí)電價(jià)機(jī)制下其主動(dòng)通過儲(chǔ)能裝置來進(jìn)行負(fù)荷轉(zhuǎn)移抑制負(fù)荷曲線波動(dòng)［6-7］。最后利用灰狼優(yōu)化算法［8］（grey wolf optimizer，GWS）對(duì)某市某綜合商業(yè)樓宇的模型進(jìn)行求解仿真。

1 CBEM模型

在CBEM模型中，綜合商業(yè)樓宇用電主要包括制冷系統(tǒng)、供熱系統(tǒng)、照明系統(tǒng)、動(dòng)力系統(tǒng)、辦公設(shè)備及其他用電。其中照明系統(tǒng)、動(dòng)力系統(tǒng)、辦公設(shè)備及其他用電與季節(jié)沒有太大相關(guān)性，因此認(rèn)為其電負(fù)荷全年基本穩(wěn)定，但空調(diào)系統(tǒng)和供熱系統(tǒng)作為與人體舒適度相關(guān)的重要設(shè)備，其負(fù)荷與季節(jié)和溫度有十分緊密的聯(lián)系。在本文所提的綜合商業(yè)樓宇中，還包括了儲(chǔ)能系統(tǒng)和冷熱電聯(lián)產(chǎn)（combined cool、heat and power，CCHP）系統(tǒng)，其中CCHP與儲(chǔ)能裝置作為電力生產(chǎn)與儲(chǔ)存的裝置，與電網(wǎng)配合供電；熱能供給系統(tǒng)主要由CCHP的余熱供給。因此，本文的CBEM是一個(gè)多能源融合的能量管理模型，其框架圖如圖1所示。

圖1 CBEM框架圖Fig.1 Framwork of CBEM

本文所提的CCHP的工作原則是以熱定電，根據(jù)當(dāng)前時(shí)刻的商業(yè)樓宇所需熱負(fù)荷，通過燃?xì)獍l(fā)電機(jī)與熱回收裝置來提供所需的熱能與一定比例的電能［1］?；谠摲N工作模式，樓宇所需的電負(fù)荷由電網(wǎng)、CCHP與儲(chǔ)能系統(tǒng)協(xié)調(diào)配合供給，其基本原則為：樓宇電負(fù)荷優(yōu)先由CCHP提供的電能滿足，不足的電量則通過電網(wǎng)供電；若CCHP提供的電能有所富余，則通過儲(chǔ)能裝置進(jìn)行存儲(chǔ)電能；儲(chǔ)能系統(tǒng)則根據(jù)CCHP的工作狀態(tài)與當(dāng)前總負(fù)荷量與電價(jià)信息，確定其充放電狀態(tài)。儲(chǔ)能系統(tǒng)在商業(yè)樓宇能量管理系統(tǒng)中起到了轉(zhuǎn)移負(fù)荷的作用。

2 CBEM組件模型

本文的CBEM模型由基本負(fù)荷、室溫調(diào)節(jié)負(fù)荷、熱水負(fù)荷以及儲(chǔ)能系統(tǒng)與燃?xì)獍l(fā)電機(jī)等組件組成。其中基本負(fù)荷由照明系統(tǒng)、動(dòng)力系統(tǒng)、辦公設(shè)備及其他電負(fù)荷基本穩(wěn)定的部分組成，在考慮電價(jià)激勵(lì)的管理策略下，其基本不受電價(jià)波動(dòng)影響。

2.1 室溫調(diào)節(jié)負(fù)荷模型

商業(yè)樓宇的室溫調(diào)節(jié)負(fù)荷需將室內(nèi)溫度控制在滿足用戶舒適度的范圍內(nèi)。根據(jù)能量守恒定理可知，單位時(shí)間內(nèi)室內(nèi)空氣從室外吸收的熱量為：

式中Qt為t時(shí)刻室內(nèi)從室外吸收的熱量；和分別為t時(shí)刻室外和室內(nèi)的溫度；R為房屋熱阻。

在制冷機(jī)工作時(shí)，其從室內(nèi)吸收熱量從而降低室內(nèi)溫度，室內(nèi)的溫度變化為：

其離散化表達(dá)式為［9］：

在供暖時(shí)，由CCHP提供熱量，室內(nèi)的溫度變化為：

其離散化表達(dá)式為：

2.2 熱水負(fù)荷模型

熱水負(fù)荷考慮為儲(chǔ)水箱，其主要為了使水箱儲(chǔ)存的熱水隨時(shí)能夠處于用戶可接受的溫度范圍內(nèi)，并假設(shè)當(dāng)熱水被消耗后，會(huì)立即有等量冷水注入。根據(jù)熱力學(xué)第二定律，可得到水溫的表達(dá)式為［10］：

2.3 儲(chǔ)能模型

本文考慮的儲(chǔ)能模型為蓄電池組，并假設(shè)其△t時(shí)段內(nèi)充放電功率恒定，以其荷電狀態(tài)（state of charge，SOC）作為評(píng)估變量，其充放電模型數(shù)學(xué)表達(dá)式為［11］：

式中SOCt為t時(shí)刻的蓄電池荷電狀態(tài)；和為蓄電池t時(shí)刻的充放電功率；δch和δdch分別為充放電效率；Bbatt為蓄電池容量。

同時(shí)，考慮蓄電池不工作時(shí)，會(huì)產(chǎn)生一定的靜態(tài)損耗，本文考慮1%／小時(shí)的靜態(tài)損耗。

2.4 CCHP模型

CCHP集成了發(fā)電、制熱、制冷等功能，其輸出的電功率和熱功率滿足［1］：

3 多目標(biāo)CBEM優(yōu)化模型

3.1 目標(biāo)函數(shù)

CBEM優(yōu)化模型以商業(yè)樓宇的舒適度及支出費(fèi)用成本作為目標(biāo)函數(shù)。其中舒適度目標(biāo)即樓宇的室內(nèi)溫度能夠控制在人體可接受范圍內(nèi)，本文以實(shí)際溫度與人體最舒適溫度的差值最小為舒適度目標(biāo)函數(shù)；而支出費(fèi)用成本函數(shù)則包括了電網(wǎng)購(gòu)電費(fèi)用及天然氣消耗費(fèi)用，本文以兩者費(fèi)用之和最小為經(jīng)濟(jì)性目標(biāo)函數(shù)，兩個(gè)目標(biāo)函數(shù)可表達(dá)如下：

3.2 約束條件

（1）電力有功功率平衡

電力能量交換需滿足能量守恒定律，即：

式中Pe為電負(fù)荷功率之和。

（2）室溫調(diào)節(jié)負(fù)荷和熱水負(fù)荷約束

室溫調(diào)節(jié)系統(tǒng)與儲(chǔ)水箱需分別滿足功率約束與舒適度約束如下：

（3）儲(chǔ)能充放電功率約束

考慮到安全因素，蓄電池充放電功率須時(shí)刻控制在安全范圍之內(nèi)，并且其SOC不能低于一定的值：

（4）CCHP運(yùn)行約束：

當(dāng)室溫調(diào)節(jié)系統(tǒng)處于制熱時(shí)，CCHP除了為儲(chǔ)水箱提供熱功率外，還為室內(nèi)供暖提供了熱功率其需要滿足能量守恒定律，即：

此外，CCHP工作與以熱定電模式，其輸出的電功率與熱功率還需滿足以下關(guān)系：

4 CBEM模型求解算法

本文采用GWO算法來求解上述CBEM優(yōu)化模型。GWO算法是Seyedali Mirjalili等人受狼群社會(huì)組織和捕獵策略行為啟發(fā)而提出的群搜索智能算法。該算法將每個(gè)解視作一匹狼，最優(yōu)解視作“獵物”，以“狼群”為依托對(duì)獵物進(jìn)行搜索捕食，借鑒狼群社會(huì)的等級(jí)制度對(duì)各解進(jìn)行分級(jí)，參照狼群捕食時(shí)的包圍策略和進(jìn)攻策略確定各解的位置和搜索方向，從而得到最優(yōu)解。GWO算法中，每一個(gè)解視作一匹狼，將每輪迭代適應(yīng)度最好的解設(shè)為α狼，次優(yōu)和第三優(yōu)的解分別設(shè)為β狼和δ狼，其余解皆為ω狼。α、β和δ共同領(lǐng)導(dǎo)狼群的行進(jìn)方向并找出最優(yōu)解。GWO算法流程圖如圖2所示。

圖2 灰狼優(yōu)化算法流程圖Fig.2 Framwork of CBEM

5 算例分析

5.1 仿真參數(shù)設(shè)置

對(duì)南方某市某棟綜合商業(yè)樓宇在夏季與冬季的典型日進(jìn)行仿真分析。假設(shè)該市商業(yè)電價(jià)采用分時(shí)電價(jià)機(jī)制，其電價(jià)曲線如圖3所示。天然氣價(jià)格為3.6元／m3。儲(chǔ)水箱及室溫調(diào)節(jié)系統(tǒng)的相關(guān)參數(shù)設(shè)置如表1所示，CCHP的相關(guān)參數(shù)設(shè)置如表2所示，儲(chǔ)能系統(tǒng)的相關(guān)參數(shù)設(shè)置如表3所示。本文優(yōu)化時(shí)間尺度為Δt＝1 h，仿真時(shí)間一天24小時(shí)。

圖3 商業(yè)分時(shí)電價(jià)曲線Fig.3 Commercial TOU curve

表1 儲(chǔ)水箱及室溫調(diào)節(jié)系統(tǒng)的相關(guān)參數(shù)設(shè)置Tab.1 Parameter setting ofwater tank and room temperature regulation system

表2 CCHP相關(guān)參數(shù)設(shè)置Tab.2 CCHP related parameter settings

表3 儲(chǔ)能系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)設(shè)置Tab.3 Parameter setting of energy storage system

5.2 仿真結(jié)果比較分析

在夏季典型日中，綜合商業(yè)樓宇中供暖系統(tǒng)不會(huì)啟用，故CCHP產(chǎn)生的熱功率僅供熱水負(fù)荷使用。由圖4可知，一天24小時(shí)內(nèi)，該樓宇的室內(nèi)溫度基本能夠維持在23℃上下，而熱水溫度則由于熱水的使用，冷熱水混合而導(dǎo)致其溫度在45℃上下波動(dòng)。兩者均能夠滿足式（13）、式（14）的溫度約束條件。由圖5可知，樓宇的電負(fù)荷主要由基本負(fù)荷與制冷負(fù)荷組成，其電能來源包括CCHP出力、儲(chǔ)能出力與網(wǎng)購(gòu)電。由于樓宇的電負(fù)荷量大，而CCHP與儲(chǔ)能裝置由于其出力及容量限制，大部分電負(fù)荷還是需要由網(wǎng)購(gòu)電來滿足，但由于CCHP與儲(chǔ)能裝置的配合，從圖5中可以看出，樓宇電負(fù)荷曲線能夠有效的進(jìn)行負(fù)荷轉(zhuǎn)移，尤其是在分時(shí)電價(jià)的激勵(lì)下，儲(chǔ)能裝置能夠有效地通過高電價(jià)放電、低電價(jià)充電的方式來降低整體電費(fèi)支出，假如所有電負(fù)荷及熱負(fù)荷均有電網(wǎng)供電，其電費(fèi)支出需20 628元，而在當(dāng)前條件下，由表4可知，電費(fèi)加燃?xì)赓M(fèi)總共為19 295元，從而使得樓宇的能源費(fèi)用支出減少。由表4可以看出，夏季總負(fù)荷曲線標(biāo)準(zhǔn)差值為383.28 kW，而電網(wǎng)供電曲線標(biāo)準(zhǔn)差值為319.66 kW，由此可以看出，由于CCHP與儲(chǔ)能裝置的加入，使得電網(wǎng)的負(fù)荷曲線波動(dòng)程度得到一定的抑制。圖6是CCHP的熱功率、電功率及天然氣消耗速率曲線，由于夏天無暖氣需求，該熱功率全部用來加熱熱水，并由于CCHP工作于“以熱定電”的模式，從而其電功率曲線與天然氣消耗曲線與熱功率曲線一致。CCHP的加入使得天然氣燃燒產(chǎn)生的熱能得以利用，在一定程度上實(shí)現(xiàn)了電氣轉(zhuǎn)化的效果。

圖4 熱水溫度及室內(nèi)外溫度曲線（夏季）Fig.4 Hotwater temperature and indoor and outdoor temperature curves（Summer）

圖5 負(fù)荷及出力曲線（夏季）Fig.5 Load and output curve（Summer）

在冬季典型日中，由于室外氣溫相對(duì)較低，因此綜合商業(yè)樓宇啟用供暖系統(tǒng)，與此同時(shí)制冷系統(tǒng)關(guān)閉，且供暖系統(tǒng)所需的熱功率和熱水負(fù)荷均有CCHP產(chǎn)生的熱功率提供。由圖7可知，冬季由于室外溫度較低，室內(nèi)溫度基本能夠維持在22℃上下；而由于冬季熱水使用量較大較頻繁，熱水溫度維持在相對(duì)較低的水平，在41℃上下波動(dòng)，但也能夠滿足式（14）的溫度約束條件。從圖8可以看出，相比于夏季，CCHP的熱負(fù)荷出力增長(zhǎng)了2～3倍，并且其電能出力及天然氣消耗速率也相對(duì)提高了2～3倍。從圖9可以看出，冬季與夏季的基本負(fù)荷相同，這是因?yàn)樵摬糠钟秒娫O(shè)備的使用與季節(jié)基本無關(guān)，因此其負(fù)荷曲線在本文中假設(shè)不變。同時(shí)，由表5可知，冬季的電網(wǎng)負(fù)荷曲線與樓宇負(fù)荷曲線相比，其標(biāo)準(zhǔn)差降低了約40 kW。

圖6 CCHP輸出熱功率、電功率及天然氣消耗速率曲線（夏季）Fig.6 CCHP output thermal power，electrical power and natural gas consumption rate curve（Summer）

圖7 熱水溫度及室內(nèi)外溫度曲線（冬季）Fig.7 Hotwater temperature and indoor and outdoor temperature curves（Winter）

為了比較本文所用GWO優(yōu)化算法的效果，加入了遺傳算法（Genetic Algorithm，GA）［12］與粒子群算法（Particle Swarm Optimization，PSO）［13］兩種典型優(yōu)化算法進(jìn)行比較，其比較結(jié)果如表4和表5所示。從兩個(gè)表格中可以看出，GWO的優(yōu)化結(jié)果，商業(yè)樓宇的電費(fèi)與燃?xì)饪傊С龅陀贕A與PSO的優(yōu)化結(jié)果。而在通過負(fù)荷轉(zhuǎn)移來抑制負(fù)荷曲線波動(dòng)的效果上，GWO同樣具有一定的優(yōu)勢(shì)。綜上所述，本文所選GWO優(yōu)化算法對(duì)于求解CBEM模型具有良好的效果。

圖8 CCHP輸出熱功率、電功率及天然氣消耗速率曲線（冬季）Fig.8 CCHP output thermal power，electrical power and natural gas consumption rate curve（Winter）

圖9 負(fù)荷及出力曲線（冬季）Fig.9 Load and output curve（Winter）

表4 算法效果對(duì)比（夏季）Tab.4 Comparison of algorithm results（Summer）

表5 算法效果對(duì)比（冬季）Tab.5 Comparison of algorithm results（Winter）

6 結(jié)束語

在能源互聯(lián)網(wǎng)的背景下，提出了一種商業(yè)樓宇能量管理優(yōu)化模型，該模型具有多能源融合的特點(diǎn)，并考慮了在分時(shí)電價(jià)機(jī)制下，CCHP與儲(chǔ)能裝置的協(xié)調(diào)配合策略。由GWO求解CBEM模型的仿真結(jié)果可知，該模型能夠有效滿足樓宇舒適度的需求，同時(shí)能夠降低商業(yè)樓宇在能源費(fèi)用的支出。