吳福保, 劉曉峰, 孫誼媊, 陳　寧, 袁鐵江, 高丙團

(1. 新能源與儲能運行控制國家重點實驗室(中國電力科學(xué)研究院有限公司), 江蘇省南京市 210003;2. 東南大學(xué)電氣工程學(xué)院, 江蘇省南京市 210096; 3. 國網(wǎng)新疆電力有限公司電力科學(xué)研究院, 新疆維吾爾自治區(qū)烏魯木齊市 830011;4. 大連理工大學(xué)電氣工程學(xué)院, 遼寧省大連市 116024)

0　引言

隨著社會的發(fā)展和能源需求的增長,化石能源緊缺和環(huán)境污染問題已成為當(dāng)今世界各國高度關(guān)注的重大戰(zhàn)略問題[1]。現(xiàn)階段,社會用電需求主要由化石能源發(fā)電供應(yīng),雖然常規(guī)發(fā)電技術(shù)成熟、運行穩(wěn)定性高,但能源利用率不高、污染嚴重等缺點嚴重制約了它的進一步發(fā)展[2]。因此,為了滿足日益增長的能源需求、提高能源利用率、改善生態(tài)環(huán)境,以冷熱電聯(lián)供(combined cooling heating and power,CCHP)為核心單元的綜合能源系統(tǒng)已成為未來能源技術(shù)發(fā)展的一個重要趨勢,以及電力能源行業(yè)的研究熱點[3-5]。

CCHP系統(tǒng)主要包括發(fā)電機組、制熱設(shè)備及制冷設(shè)備等,集發(fā)電、供熱和制冷于一體,可實現(xiàn)多種能源互補和階梯利用[6-7]。該系統(tǒng)所消耗能源通常以天然氣、燃油為主,通過發(fā)電機組發(fā)電為電負荷提供電能,并利用余熱回收設(shè)備、燃氣鍋爐及制冷機為冷熱負荷提供能量來源。相關(guān)研究表明,CCHP系統(tǒng)不僅可使能源利用率達到70%甚至超過90%,還可大幅減少NOx和CO2等氣體的排放[8]。

近年來,國內(nèi)外關(guān)于CCHP的研究已有不少報道。文獻[9]針對微網(wǎng)CCHP系統(tǒng),提出了一種通用建模方式,分別對系統(tǒng)中電氣設(shè)備進行建模,進而對系統(tǒng)進行日前經(jīng)濟調(diào)度優(yōu)化。文獻[10]將能源消耗最小作為目標函數(shù),建立了CCHP系統(tǒng)線性模型,并給出不同能源需求下的優(yōu)化運行策略。文獻[11]基于場景分析法對可再生能源隨機性進行建模,并建立了包含新能源、儲能及CCHP系統(tǒng)的區(qū)域綜合能源系統(tǒng)聯(lián)合調(diào)度模型。文獻[12-13]則從CCHP系統(tǒng)不同層面進行分析,其中,文獻[12]以經(jīng)濟性和環(huán)保性為目標,建立了CCHP系統(tǒng)優(yōu)化模型,并將發(fā)電機組和吸收式制冷機的容量作為決策變量進行了優(yōu)化;文獻[13]提出了一種基于CCHP系統(tǒng)的三級協(xié)同整體優(yōu)化方法,分別以一次能源利用率最高、CO2排放量最少、運行成本最低為目標,對設(shè)備選型、設(shè)備容量、運行參數(shù)進行了優(yōu)化。

上述研究均是以單個微網(wǎng)或園區(qū)作為研究對象,對于多區(qū)域CCHP系統(tǒng)的研究相對較少。目前,針對多區(qū)域聯(lián)供系統(tǒng)的研究主要是從熱網(wǎng)互聯(lián)入手,研究各區(qū)域間熱能協(xié)同消納及系統(tǒng)容量優(yōu)化配置等問題[14-15]。鑒于微網(wǎng)、園區(qū)CCHP系統(tǒng)一般無法完全滿足自身能源需求,各微網(wǎng)(園區(qū))在用能高峰需要通過大電網(wǎng)購電來維持正常運轉(zhuǎn)。然而,在動態(tài)電價機制下,電價高低受電網(wǎng)負荷影響[16-17],微網(wǎng)(園區(qū))購電費用不僅取決于自身用電量,還和電網(wǎng)總負荷有關(guān),即不同微網(wǎng)(園區(qū))從大電網(wǎng)購電時存在博弈關(guān)系。在上述背景下,本文引入基于CCHP的多園區(qū)博弈優(yōu)化機制,充分利用不同園區(qū)間的負荷峰谷特性進行園區(qū)能量優(yōu)化管理,從而降低園區(qū)運行成本,減小電網(wǎng)負荷峰谷差。首先,基于園區(qū)CCHP系統(tǒng)、新能源發(fā)電、儲能等設(shè)備出力模型建立其成本模型;其次,建立基于非合作博弈的多園區(qū)博弈模型;最后,通過算例仿真驗證所提方法的可行性和有益性。

1　含CCHP系統(tǒng)的多園區(qū)博弈架構(gòu)設(shè)計

本文研究的含CCHP系統(tǒng)的多園區(qū)博弈架構(gòu)如圖1所示。假設(shè)某區(qū)域電網(wǎng)中共有N個園區(qū),某園區(qū)n(n=1,2,…,N)可通過大電網(wǎng)和燃氣管道獲得持續(xù)的能量供應(yīng),園區(qū)內(nèi)部配有CCHP系統(tǒng)、儲能及分布式電源等設(shè)備。由于園區(qū)購電費用和電網(wǎng)總負荷有關(guān),所以其在制定購電策略時,不僅需要合理安排自身用電,還要考慮其他園區(qū)購電策略對電價產(chǎn)生的影響。也就是說,在制定購電和購氣策略時,各園區(qū)為了日運行成本最小化會和其他園區(qū)在制定購電量策略上進行博弈,直至所有園區(qū)的購電量達到均衡狀態(tài)。因此,為了在博弈中最大限度地降低運行成本,園區(qū)會通過優(yōu)化協(xié)調(diào)CCHP、儲能及分布式電源運行模式來制定最優(yōu)策略。另外,本文僅假設(shè)園區(qū)購電價格與電網(wǎng)負荷相關(guān),而購氣價格不受燃氣量的影響,視為定值。

圖1　含CCHP系統(tǒng)的多園區(qū)博弈架構(gòu)Fig.1　Game structure among multiple parks with CCHP system

由圖1可見,用戶負荷分為電、熱、冷負荷。為增加系統(tǒng)用能靈活性,園區(qū)還配有電制冷和電制熱設(shè)備,可利用電能為熱、冷負荷提供能量。當(dāng)用電高峰電價較高時,園區(qū)通過增加燃氣輪機出力為電負荷提供電能,同時燃燒產(chǎn)生的余熱可提供給熱、冷負荷,余熱不足時可向燃氣鍋爐補充燃氣提供額外熱量用于供熱和供冷。當(dāng)用電低谷電價較低時,園區(qū)主要以從電網(wǎng)購電的方式來滿足園區(qū)各類負荷,還可通過電制熱設(shè)備將電能轉(zhuǎn)化為熱能并由儲熱設(shè)備進行存儲。同時,園區(qū)配備的分布式電源也可作為園區(qū)電能來源的重要途徑之一,既可為電負荷供電,又可由電儲能設(shè)備進行存儲,進而可為其他時段提供能量。

2　園區(qū)系統(tǒng)出力和成本分析

園區(qū)涉及能量生產(chǎn)和轉(zhuǎn)換的設(shè)備主要有燃氣輪機、燃氣鍋爐、分布式電源、吸收式制冷機和電制熱(冷)設(shè)備。

2.1　CCHP設(shè)備出力模型

1)燃氣輪機。燃氣輪機是CCHP系統(tǒng)重要的能量輸出設(shè)備,燃料燃燒釋放的高溫?zé)崮芙?jīng)燃氣輪機發(fā)電后,余熱由余熱鍋爐進行回收再利用[18]。該設(shè)備輸出的電功率及回收的熱功率可以表示為[19]:

(1)

2)燃氣鍋爐。當(dāng)用戶熱負荷需求較大時,燃氣輪機提供的回收熱量無法滿足用戶,此時需向燃氣鍋爐添加額外燃氣提供熱能,其熱功率輸出為[20]:

(2)

3)能量轉(zhuǎn)換設(shè)備。園區(qū)CCHP涉及電、熱和冷三種能量轉(zhuǎn)換的設(shè)備包括吸收式制冷機、電制熱(冷)設(shè)備。上述設(shè)備用于不同能量轉(zhuǎn)換時可認為只與轉(zhuǎn)換效率有關(guān),即

(3)

2.2　園區(qū)運轉(zhuǎn)成本模型

本文所考慮的園區(qū)運轉(zhuǎn)成本僅涉及各類設(shè)備的運行維護成本,并不考慮園區(qū)新建各類設(shè)備的固定投資成本。

1)分布式電源成本。園區(qū)配有光伏和風(fēng)力發(fā)電設(shè)備,其運行維護成本由發(fā)電出力決定[21],即光伏和風(fēng)力發(fā)電設(shè)備t時段的成本為:

(4)

2)儲能成本。園區(qū)配有電、熱儲能設(shè)備,由于熱儲能多以水作為儲熱介質(zhì),其運行維護成本相對于電儲能較小,因此本文不予考慮。電儲能在t時段的運行維護成本為:

(5)

3)CCHP設(shè)備成本。CCHP系統(tǒng)涉及燃氣輪機、燃氣鍋爐、吸收式制冷機、電制熱設(shè)備、電制冷設(shè)備。假設(shè)該類設(shè)備運行維護成本均與其能量出力呈線性關(guān)系[22],即

(6)

4)燃氣成本。燃氣成本主要來源于燃氣輪機和燃氣鍋爐,其成本可表示為:

(7)

式中:cgas為天然氣價格。

5)電能成本。園區(qū)購電主要用來滿足用戶電負荷,也可以給熱負荷和冷負荷提供能量來源。本文規(guī)定各園區(qū)從大電網(wǎng)購電采用動態(tài)電價機制[17],即

(8)

因此,園區(qū)n的購電費用為:

(9)

3　多園區(qū)非合作博弈策略分析

3.1　園區(qū)經(jīng)濟調(diào)度模型

結(jié)合各單元成本模型,含CCHP系統(tǒng)的園區(qū)協(xié)調(diào)優(yōu)化的目標是在滿足系統(tǒng)運行約束條件下使得園區(qū)日運轉(zhuǎn)成本最小。目標函數(shù)可表示為:

(10)

式中:T為一日調(diào)度總時段數(shù)。

目標函數(shù)式(10)約束條件主要為能量守恒約束、各單元出力約束、儲能設(shè)備約束,具體如下。

1)能量守恒約束，包括電負荷功率守恒、熱負荷功率守恒和冷負荷功率守恒:

(11)

(12)

(13)

2)出力約束:

(14)

3)儲能設(shè)備約束:

(15)

3.2　園區(qū)非合作博弈模型

鑒于園區(qū)購電價格cele(t)由區(qū)域電網(wǎng)所有園區(qū)購電量決定,所以園區(qū)n的日運轉(zhuǎn)成本不僅取決于自身對購電量和購氣量策略的安排,還與其他參與者的策略有關(guān),即園區(qū)決策會受其他園區(qū)決策行為的影響,因此各園區(qū)參與的能源購置策略優(yōu)化過程屬于典型的非合作博弈。在所述非合作博弈中,園區(qū)參與博弈的決策變量為各時段購電量,但由于各時段購氣量、儲能設(shè)備充放電量等決策變量均和購電策略緊密相關(guān),一旦購電策略發(fā)生變化,其他決策均會發(fā)生變化。因此,本文所建立的博弈模型將園區(qū)購氣量等決策變量也視為博弈決策變量,共同參與到非合作博弈中?；谀繕撕瘮?shù)式(10),園區(qū)之間的非合作博弈可以建立為如下形式[23-24]。①參與者:所有園區(qū)n=1,2,…,N;②策略集:園區(qū)所有決策變量;③收益函數(shù):園區(qū)n的收益函數(shù)定義為

(16)

任一園區(qū)參與博弈的目的都是希望通過優(yōu)化策略集實現(xiàn)自身利益最大化。一旦所有園區(qū)利益都達到最大后,并且沒有園區(qū)再會改變自身策略,則該均衡狀態(tài)就是Nash均衡,即

(17)

對于上述N個園區(qū)之間的非合作博弈,其Nash均衡的求解步驟如下。

步驟1:初始化參數(shù)。

步驟4:與步驟3類似,將優(yōu)化對象以外園區(qū)策

4　算例仿真分析

4.1　算例數(shù)據(jù)及假設(shè)

圖2　園區(qū)1的負荷、光伏和風(fēng)力發(fā)電出力Fig.2　Load, photovoltaic and wind power output of park 1

基于以上數(shù)據(jù),本文所提方法在Intel(R) Core(TM) i7-7700 CPU @ 3.60 GHz,8 GB內(nèi)存的計算機上對算例進行了仿真。

4.2　算例結(jié)果分析

圖3所示分別為園區(qū)1,2,3的熱系統(tǒng)優(yōu)化結(jié)果,其中,“鍋爐+余熱”表示向燃氣鍋爐添加額外燃氣提供的熱能和余熱鍋爐提供的熱能兩者之和,“總熱負荷”包括園區(qū)自身熱負荷及熱制冷所需的熱負荷,熱儲設(shè)備中的負值表示處于充熱狀態(tài),正值表示處于放熱狀態(tài)。從圖中可以看出,在峰時段和平時段,園區(qū)的熱負荷基本由CCHP和儲能提供;而在谷時段,熱負荷基本由電能提供。這是因為峰、平時段電價較高,園區(qū)為了降低購電費用選擇利用CCHP系統(tǒng)向園區(qū)供電,并利用余熱提供熱能,余熱不足時再利用燃氣鍋爐提供熱能;而谷時段電價較低，分布式電源發(fā)電過剩,通過分布式發(fā)電及電網(wǎng)購電再由電制熱的供熱方式比CCHP直接供熱方式的費用更低。另外,對比三個園區(qū)優(yōu)化結(jié)果可以看出,由于園區(qū)3熱負荷需求量較大,儲熱設(shè)備在谷時段通過電熱轉(zhuǎn)換存儲了較多能量,以便在晚高峰時段為園區(qū)提供熱能,從而可以減少供熱費用,也可以促進分布式發(fā)電的消納。

圖3　園區(qū)熱系統(tǒng)優(yōu)化結(jié)果Fig.3　Optimized results for heating system of parks

圖4所示分別為園區(qū)1,2,3的電系統(tǒng)優(yōu)化結(jié)果,其中,“總電負荷”包括園區(qū)自身電負荷及電制冷、電制熱所需的電負荷。從圖中可以看出,各園區(qū)在谷時段通過分布式電源和大電網(wǎng)對儲電設(shè)備進行充電,并在峰時段為園區(qū)提供電能,從而既可以降低園區(qū)能源費用,又可以進一步消納分布式發(fā)電所發(fā)電能。CCHP系統(tǒng)在平時段9～10開始啟用,隨后在時段10～22系統(tǒng)電出力跟隨總電負荷和分布式電源出力波動,其間在時段11～12,19出力達到峰值,因此CCHP系統(tǒng)可以有效降低峰、平時段購電量,從而達到降低能源費用的目的。另外,從各園區(qū)各時段購電量可以看出,經(jīng)過園區(qū)博弈優(yōu)化后,峰時段負荷需求被大大削減,負荷需求峰谷差減小,從而有利于大電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行。

圖4　園區(qū)電系統(tǒng)優(yōu)化結(jié)果Fig.4　Optimized results for electric system of parks

同理可得園區(qū)冷系統(tǒng)優(yōu)化結(jié)果,由于冷系統(tǒng)供能方式較為簡單,在此不再贅述。

4.3　討論分析

本節(jié)首先針對園區(qū)在冷熱電聯(lián)合供能方式和冷熱電獨立供能方式下的日運轉(zhuǎn)成本進行了討論分析。然后,針對本文開展的多園區(qū)非合作博弈優(yōu)化和單園區(qū)優(yōu)化進行了對比分析。

假設(shè)冷熱電獨立供能方式下的園區(qū)配有分布式電源和電儲能設(shè)備,各類負荷僅由電能提供能量,并且獨立供能方式下也采用多園區(qū)非合作博弈優(yōu)化機制。表1所示為園區(qū)兩種供能方式下的日運轉(zhuǎn)成本對比結(jié)果。從表中可以看出,和冷熱電獨立供能方式相比,在本文所提優(yōu)化模型下,冷熱電三種能流緊密聯(lián)系在一起,根據(jù)不同園區(qū)負荷特性合理調(diào)節(jié)CCHP系統(tǒng)冷熱電功率出力,實現(xiàn)了能源的階梯利用,從而使得園區(qū)日運轉(zhuǎn)成本顯著降低,其中,園區(qū)1成本下降了27.3%,園區(qū)2成本下降了20.9%,園區(qū)3成本下降了14.2%。從各園區(qū)成本下降趨勢可以看出,由于聯(lián)供方式下園區(qū)在用電高峰時段可以減少從大電網(wǎng)購電需求,所以對于電負荷需求較大的園區(qū)而言,采用聯(lián)供方式可以獲益更多。

表1　冷熱電聯(lián)合和獨立供能方式下的日運轉(zhuǎn)成本對比Table 1　Daily operation cost comparison between modes of CCHP and individual power supply

在本文所開展的多園區(qū)非合作博弈優(yōu)化模型中,園區(qū)在優(yōu)化分配冷熱電能量來源時需要考慮其他園區(qū)策略安排對自身的影響,需要根據(jù)對手策略不斷調(diào)節(jié)自己的策略。在對比算例中,假設(shè)園區(qū)采用CCHP方式供能,但園區(qū)之間不進行博弈,各園區(qū)獨立優(yōu)化,每個園區(qū)在決策時不考慮其他園區(qū)的影響。表2所示為CCHP方式下,園區(qū)在未優(yōu)化、單園區(qū)優(yōu)化,以及多園區(qū)博弈優(yōu)化時的日運轉(zhuǎn)成本。從表中可以看出,未優(yōu)化時各園區(qū)日運轉(zhuǎn)成本高于有優(yōu)化時的成本,并且當(dāng)園區(qū)采用本文所提博弈優(yōu)化模型時,園區(qū)的成本會進一步降低。因此,園區(qū)為了降低日運轉(zhuǎn)成本愿意參與到博弈優(yōu)化中。

表2　CCHP方式下各算例日運轉(zhuǎn)成本Table 2　Daily operation cost for different cases with CCHP mode

5　結(jié)語

本文基于含分布式電源和CCHP的園區(qū)用能系統(tǒng),建立了一種多園區(qū)多能流協(xié)同優(yōu)化非合作博弈模型,并通過算例分析對所提模型進行了驗證,研究結(jié)論如下。

1)采用CCHP方式為園區(qū)供能實現(xiàn)了能源的階梯利用,不僅可以降低園區(qū)日運轉(zhuǎn)成本,還可以促進園區(qū)分布式發(fā)電的消納。

2)園區(qū)在負荷需求高峰時段采用電網(wǎng)和CCHP聯(lián)合供能,可以減小電網(wǎng)負荷峰谷差,從而有利于電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行。

3)基于園區(qū)非合作博弈的多能協(xié)同調(diào)度優(yōu)化算法和園區(qū)不參與博弈的優(yōu)化算法相比,園區(qū)日運轉(zhuǎn)成本降低幅度更大。

本文所建立的博弈模型中僅考慮電價受需求的影響,并未考慮氣價和市場需求之間的關(guān)系,因此在考慮電價、氣價均受市場影響情況下,園區(qū)如何協(xié)調(diào)用能將會是下一步的研究方向。另外,園區(qū)各類負荷在文中均被視為不可轉(zhuǎn)移負荷,實際上園區(qū)也有大量可轉(zhuǎn)移負荷,因此在CCHP方式下對園區(qū)可轉(zhuǎn)移負荷優(yōu)化調(diào)度值得進一步研究。其次,本文所述非合作博弈需要假設(shè)博弈參與者必須完全理性,然而現(xiàn)實中的參與者多為有限理性,因此基于有限理性的演化博弈在園區(qū)用能方面的協(xié)調(diào)優(yōu)化也值得進一步研究。最后,園區(qū)一次能源包含了新能源和化石能源,從中近期來看能源系統(tǒng)以新能源為主,但從長期來看新能源是未來CCHP系統(tǒng)一次能源的唯一能源來源,一次能源來源及其構(gòu)成比例對CCHP系統(tǒng)的效率有重要影響,需要進一步研究。