徐雨田, 廖清芬, 劉滌塵, 田園園, 陳 懿, 陳 煒

(1. 武漢大學(xué)電氣工程學(xué)院, 湖北省武漢市 430072; 2. 國網(wǎng)經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院有限公司, 北京市 100052)

0 引言

隨著社會經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展,傳統(tǒng)化石燃料能源的日益枯竭,實現(xiàn)可再生能源(renewable energy,RE)的高效運(yùn)行被認(rèn)為是全球的主要挑戰(zhàn)[1-2]。傳統(tǒng)上,能源服務(wù)網(wǎng)絡(luò),即電氣和天然氣基礎(chǔ)設(shè)施是單獨規(guī)劃和運(yùn)行的。然而,單獨運(yùn)營這些能源載體的策略可能不是最佳的綜合能源運(yùn)行方式。將電氣和天然氣網(wǎng)絡(luò)結(jié)合起來,建立綜合能源市場協(xié)調(diào)各種能源網(wǎng)絡(luò)的供需問題,提出充分的激勵措施來加強(qiáng)能源服務(wù)網(wǎng)絡(luò),是提高能源利用率等問題的有前景的手段之一。

目前,針對能源載體之間的互動,專家學(xué)者提出了能源中心(energy hub,EH)的概念[3-4]。能源中心提供了一個建?？蚣?不僅僅只適用于特定能量載體組合,而是可以分析和優(yōu)化任意組合的能量系統(tǒng)內(nèi)能量的傳輸與轉(zhuǎn)換關(guān)系。而考慮能源載體的規(guī)劃,相關(guān)專家學(xué)者已有一定的研究。文獻(xiàn)[5]在包含電力網(wǎng)和天然氣網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)內(nèi),通過考慮運(yùn)營成本、功率損耗、網(wǎng)絡(luò)可靠性和電壓損失等,建立了熱電聯(lián)產(chǎn)(combined heat and power,CHP)裝置的選址定容規(guī)劃模型,但只涉及天然氣至電能的單向轉(zhuǎn)化而不能實現(xiàn)兩種能源的互補(bǔ)。文獻(xiàn)[6-7]提出了一種基于可靠性的能源中心與多個能源基礎(chǔ)設(shè)施互聯(lián)的最優(yōu)規(guī)劃模型,但未考慮傳輸線路和天然氣管道的物理限制。文獻(xiàn)[8]在考慮對RE的激勵政策的前提下,規(guī)劃能源中心內(nèi)裝置的容量,包括RE、CHP、鍋爐、吸收式制冷機(jī)、壓縮式制冷機(jī)等裝置,但未實現(xiàn)能源市場對用戶用能的各種調(diào)控作用。并且上述文獻(xiàn)均未考慮配電網(wǎng)對RE出力的主動管理,不能體現(xiàn)高滲透RE接入下配電網(wǎng)的特征,也不能解決高滲透RE接入配電網(wǎng)所帶來的問題。

綜合以上分析,本文建立了包含兩大主體——區(qū)域能源供應(yīng)商和綜合能源管理中心的綜合能源市場模型,區(qū)域能源供應(yīng)商通過建設(shè)和運(yùn)營綜合能源單元獲取收益,綜合能源管理中心協(xié)同管理和優(yōu)化配電網(wǎng)及天然氣網(wǎng)絡(luò)。在考慮RE出力控制、無功補(bǔ)償?shù)耐肚小⒂休d變壓器的調(diào)節(jié)3種主動管理措施后,提出一種雙主體的雙層規(guī)劃模型。上層以區(qū)域能源供應(yīng)商的售電、熱收益、綜合能源單元的建設(shè)成本、運(yùn)行維護(hù)成本、向上級購電購氣成本，以及單元內(nèi)RE主動管理成本的綜合收益最大為目標(biāo)函數(shù);下層規(guī)劃以綜合能源管理中心的售電、氣收益,購電、氣成本，以及配電網(wǎng)和天然氣網(wǎng)傳輸損耗的總收益最大為目標(biāo)函數(shù)。采用貓群優(yōu)化(cat swarm optimization,CSO)算法和改進(jìn)的遺傳算法(genetic algorithm,GA)分別對上下層模型進(jìn)行求解,并通過IEEE 33節(jié)點配電系統(tǒng)驗證了所提模型的合理性。

1 綜合能源系統(tǒng)

為了充分消納RE的出力,減少“棄風(fēng)”“棄光”現(xiàn)象的發(fā)生,以電力網(wǎng)為載體融合天然氣、熱能等多種能源轉(zhuǎn)換和傳輸?shù)木C合能源系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生。圖1所示的綜合能源系統(tǒng)由3個綜合能源單元和相關(guān)傳輸通道構(gòu)成,體現(xiàn)了能源基礎(chǔ)設(shè)施之間相互作用的環(huán)境。

圖1 綜合能源網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of integrated energy network

圖1中的綜合能源單元分別對應(yīng)小區(qū)、醫(yī)院和學(xué)校3個不同場所,每個單元根據(jù)用戶對能源的需求安裝能源轉(zhuǎn)換裝置,在實際生活中可以以物業(yè)管理的形式實現(xiàn)。在本文中,綜合能源系統(tǒng)與傳統(tǒng)能量系統(tǒng)之間的根本區(qū)別在于,單元內(nèi)的負(fù)載可由多種能源相互轉(zhuǎn)化提供,以最大限度地降低總成本。

1.1 綜合能源單元模型

一般來說,綜合能源單元實現(xiàn)了能源生產(chǎn)者、能量傳輸網(wǎng)絡(luò)和消費(fèi)者之間的聯(lián)系[9]。從能量系統(tǒng)的角度來看,每個綜合能源單元都包含許多不同的能源載體作為輸入和輸出,如電力、天然氣、風(fēng)力發(fā)電和太陽能等RE。這些載體通過單元內(nèi)的各種裝置實現(xiàn)相互轉(zhuǎn)化,如CHP、電轉(zhuǎn)氣(power to gas,P2G)、燃?xì)忮仩t(gas furnace,GF)、風(fēng)力發(fā)電機(jī)、太陽能電池等[10],如附錄A圖A1所示。

綜合能源單元內(nèi)的RE出力和單元向上級電網(wǎng)購買的電能通過分配系數(shù)ve,一部分直接用于滿足電負(fù)荷,另一部分分配給P2G生產(chǎn)天然氣;P2G產(chǎn)生的天然氣又與單元向上級天然氣網(wǎng)絡(luò)購買的天然氣通過分配系數(shù)vg,一部分通過GF產(chǎn)生熱能,另一部分通過CHP產(chǎn)生熱能和電能供給用戶。

綜合能源單元的規(guī)?？赡芤?qū)嶋H場所不同而有所區(qū)別,但其能源輸入和輸出均可以用式(1)中定義的耦合矩陣來表示。

(1)

式中:綜合能源單元的各能源的輸入和輸出分別用E=[Eα,Eβ,…,Eγ]和L=[Lα,Lβ,…,Lγ]表示[11]；矩陣C為描述從輸入到輸出的能量轉(zhuǎn)換的正向耦合矩陣,耦合矩陣的元素是耦合因子,表示轉(zhuǎn)換器效率和綜合能源中心內(nèi)部拓?fù)洹?/p>

本文重點介紹電能、天然氣和熱能之間的轉(zhuǎn)化[12],如式(2)至式(6)所示。

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

可以預(yù)見的是,綜合能源單元還可以隨著技術(shù)的發(fā)展逐步添加其他能源載體和設(shè)備。例如,燃料電池或儲熱設(shè)備可以通過添加相應(yīng)的方程(類似于本文中用于天然氣和電能的方法)補(bǔ)充到本文所建立的模型中。

1.2 綜合能源市場主體

在本文所提的綜合能源系統(tǒng)中,區(qū)域能源供應(yīng)商經(jīng)營的這些綜合能源單元,可以通過在電力高峰負(fù)荷期間將RE的出力全部用于供給負(fù)荷及使用CHP將更多天然氣轉(zhuǎn)換為電能[5],而不是直接從電網(wǎng)購買全部電能;或是在熱負(fù)荷高峰期間將RE的出力和從配電網(wǎng)的購電通過P2G轉(zhuǎn)化為天然氣,再通過CHP和GF將天然氣轉(zhuǎn)換為熱能[13-14],從而積極參與需求響應(yīng)計劃。

同樣在電負(fù)荷的低谷期,RE供給用戶后的多余出力可以賣給配電網(wǎng),使得區(qū)域能源供應(yīng)商在綜合能源市場內(nèi)參與電力交易成為可能。隨著售能業(yè)務(wù)的豐富和放開,區(qū)域能源供應(yīng)商在市場內(nèi)會逐漸成為競爭主體。

綜合能源市場競爭包括多種能源集中的交易過程,因此需要一個高效、有力的機(jī)構(gòu)對相關(guān)交易進(jìn)行管控。綜合能源管理中心整合配電網(wǎng)和天然氣網(wǎng)的資源,通過發(fā)布電價和氣價調(diào)控區(qū)域能源供應(yīng)商對相關(guān)能源的采購和售賣。此時,對于綜合能源系統(tǒng)來說,參與需求響應(yīng)計劃的對象實質(zhì)上從用戶轉(zhuǎn)變?yōu)閰^(qū)域能源供應(yīng)商。

現(xiàn)有文獻(xiàn)通?？紤]用戶直接參與的需求響應(yīng)措施[3]。該措施通過電價對用戶用電行為進(jìn)行調(diào)控,激勵用戶在系統(tǒng)峰荷情況下依據(jù)與電網(wǎng)公司達(dá)成的協(xié)議中斷或轉(zhuǎn)移負(fù)荷,以犧牲用戶舒適性和方便性為代價,同時配電公司需要對用戶進(jìn)行一定的經(jīng)濟(jì)補(bǔ)償。用戶因此修改自己的最佳用能行為,生活行為受到一定的限制和影響。

而在本文提出的綜合能源系統(tǒng)中,從綜合能源管理中心的角度看,某種能源需求的高峰時段的負(fù)荷減少。但從用戶的角度來看,用能行為并沒有改變,僅僅只是能量供需的來源發(fā)生了變化,滿足了用戶對美好、自由、便捷的未來生活的期待。

因此,在對綜合能源系統(tǒng)進(jìn)行規(guī)劃時,主體不再只局限于傳統(tǒng)的配電網(wǎng)或天然氣網(wǎng),而是可以站在綜合能源管理中心的立場考慮,也可以從為用戶提供多種能源的區(qū)域能源供應(yīng)商的角度出發(fā)。

1.3 主動管理模式

高滲透RE接入配電網(wǎng),如不對其出力進(jìn)行管理會導(dǎo)致接入節(jié)點的電壓升高甚至電壓越限的現(xiàn)象出現(xiàn),這是限制RE接入配電網(wǎng)容量的重要因素。主動管理主要是調(diào)整配電網(wǎng)系統(tǒng)參數(shù),使潮流分布得到改善并滿足各項電氣約束,從而避免和減少RE出力的切除?；诖?安裝RE的區(qū)域能源供應(yīng)商需要向綜合能源管理中心支付一定的費(fèi)用,以實現(xiàn)RE被更大程度地接納。

綜合能源管理中心采用以下3種主動管理措施來調(diào)控綜合能源單元內(nèi)安裝的RE[15]:①RE出力控制，即通過控制RE出力調(diào)整接入RE節(jié)點的電壓,從而改善潮流分布；②無功補(bǔ)償?shù)耐肚?，即通過在RE接入節(jié)點投切無功補(bǔ)償設(shè)備來滿足配電網(wǎng)運(yùn)行對無功的需求；③有載變壓器的調(diào)節(jié)，即通過調(diào)節(jié)變壓器一次側(cè)的可變抽頭,保證配電網(wǎng)的電壓在規(guī)定范圍內(nèi)。

(7)

(8)

(9)

式中:Ω為綜合能源單元集合;Δt為單位時段時長；T為時段t的集合。

可得到目標(biāo)函數(shù)的優(yōu)化解為:

(10)

式中:ce′(·)表示ce(·)的一階導(dǎo)數(shù)。式(10)表示配電網(wǎng)根據(jù)主動管理的邊際成本設(shè)定主動管理價格。

2 雙層規(guī)劃數(shù)學(xué)模型

作為面臨高滲透率RE接入配電網(wǎng)的解決方案,本文的規(guī)劃模型涉及兩個利益主體:區(qū)域能源供應(yīng)商和綜合能源管理中心。雖然在行政等級上,綜合能源管理中心處于上級,區(qū)域能源供應(yīng)商處于下級，但在綜合能源系統(tǒng)中,區(qū)域能源供應(yīng)商作為規(guī)劃主體,迫切希望通過安裝綜合能源單元獲得收益,具有主導(dǎo)地位，如附錄A圖A2所示。

區(qū)域能源供應(yīng)商作為雙層規(guī)劃的上層主體,以綜合能源單元內(nèi)的各裝置容量方案、單元內(nèi)電能和天然氣的分配系數(shù)為決策變量,綜合能源管理中心在上述信息的基礎(chǔ)上確定從主網(wǎng)的購電、氣量和主動管理價格,以滿足電網(wǎng)和天然氣網(wǎng)的最優(yōu)運(yùn)行,從而實現(xiàn)成本最低。

2.1 上層規(guī)劃模型

上層規(guī)劃模型以區(qū)域能源供應(yīng)商凈收益最大為目標(biāo),如式(11)所示。

max{Csale-(Ccoe+Cope+Cb+CAM)}

(11)

具體表達(dá)式如下。

1)售電、熱收益Csale

(12)

2)建設(shè)成本Ccoe

(13)

(14)

式中:s為折現(xiàn)率,一般為8%;n為經(jīng)濟(jì)使用年限,取為20。

3)運(yùn)行成本Cope

(15)

式中:cchp,cp2g,cgf,cw,cpv分別為單位容量CHP,P2G,GF,風(fēng)機(jī)和光伏發(fā)電的運(yùn)行維護(hù)成本。

4)購電、氣成本Cb

(16)

5)RE年主動管理成本CAM

(17)

約束條件如下。

1)RE的安裝容量約束

(18)

式中:mi,max為綜合能源單元i位于的節(jié)點處所允許安裝的RE的最大容量。

2)單元內(nèi)各能量轉(zhuǎn)換裝置的安裝容量約束

(19)

3)單元內(nèi)各能量轉(zhuǎn)換裝置的出力約束

(20)

4)單元內(nèi)負(fù)荷平衡約束

(21)

5)能源中心分配系數(shù)約束

(22)

2.2 下層規(guī)劃模型

下層規(guī)劃以綜合能源管理中心總收益最大為目標(biāo)函數(shù),如式(23)所示。

max{Bs-(Bb+Bloss)}

(23)

具體表達(dá)式如下。

1)售電、氣收益Bs

(24)

2)購電、氣成本Bb

(25)

3)電能和天然氣傳輸損耗Bloss

(26)

約束條件如下。

1)電力節(jié)點功率平衡約束

(27)

式中:Ui和Uj分別為節(jié)點i和節(jié)點j的電壓幅值;j∈i表示節(jié)點j與節(jié)點i相連;Gij和Bij分別為節(jié)點導(dǎo)納矩陣的實部和虛部;θij為節(jié)點i與節(jié)點j之間的相角差;Pi和Qi分別為電力網(wǎng)節(jié)點i處的有功和無功功率。

2)天然氣節(jié)點功率平衡

(28)

3)電力線路容量約束

(29)

4)天然氣管道容量約束

(30)

式中:Pg,max和Pg,min分別為天然氣管道傳輸容量的上、下限。

5)節(jié)點氣壓約束

(31)

式中:πi,max和πi,min分別為天然氣網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點i處氣壓的上、下限。

6)主動管理約束

主動管理措施能夠在不違反電壓約束的條件下提高RE的安裝容量和出力,滿足電網(wǎng)對無功功率的需求及優(yōu)化系統(tǒng)潮流。

①RE出力約束

將其轉(zhuǎn)化為節(jié)點電壓約束,即

(32)

式中:Ui,max和Ui,min分別為電力網(wǎng)中節(jié)點i處電壓的上、下限。

②無功補(bǔ)償裝置投切量約束

Qc,min≤Qc≤Qc,max

(33)

式中:Qc,max和Qc,min分別為無功補(bǔ)償裝置容量的上、下限。將其轉(zhuǎn)化為功率因數(shù)的限制,即

φi,min≤φi≤φi,maxi∈Ωq

(34)

式中:φi為電力網(wǎng)中節(jié)點i的功率因數(shù),維持在0.9超前～0.9滯后,且無功補(bǔ)償量不超過負(fù)荷無功總量,φi,max和φi,min分別為其上、下限;Ωq為電力網(wǎng)中裝有無功補(bǔ)償裝置的節(jié)點集合。

③有載調(diào)壓變壓器(on-load tap changer,OLTC)的運(yùn)行約束

kmin≤kt≤kmax

(35)

式中:kt為t時刻OLTC觸頭的位置;kmax和kmin分別為OLTC觸頭調(diào)節(jié)的上、下限。

3 規(guī)劃模型的求解

本文提出的雙層規(guī)劃模型是一個混合離散和連續(xù)決策變量的非線性問題,無法通過單一算法求得理想解。本文選擇通過優(yōu)化CSO算法解決上層模型,該算法由Chu,Tsai和Pan共同在2006年提出,具有能在短時間內(nèi)快速搜索到全局最優(yōu)解的優(yōu)點;采用改進(jìn)的GA對下層模型進(jìn)行求解,方便用程序?qū)崿F(xiàn)及求解非線性、多模型問題的優(yōu)異性使得GA成為最常用的現(xiàn)代優(yōu)化算法之一。

3.1 上層模型求解算法

CSO算法原理來源于觀察貓科動物的生活習(xí)性,具有搜索和追蹤兩種動作模式。算法中一只貓代表待求解問題的一個潛在解[17],其中一部分貓執(zhí)行搜索動作,其余的貓執(zhí)行跟蹤動作,兩種模式通過分組率(mixture ratio,MR)進(jìn)行交互。算法的具體流程如下。

步驟1:將貓群初始化,給定CSO算法的參數(shù)。

步驟2:挑選目前貓群里適應(yīng)度值最大的貓。

步驟3:根據(jù)MR將貓群內(nèi)的貓分類,一部分通過搜索動作尋優(yōu),剩余貓通過跟蹤動作尋優(yōu)。

步驟4:記錄通過兩種尋優(yōu)模式后種群內(nèi)找到的最優(yōu)解,并判斷該解是否滿足結(jié)束條件。

步驟5:若滿足則輸出最優(yōu)解,若不滿足則繼續(xù)循環(huán)步驟3和步驟4,直到得到滿足結(jié)束條件的最優(yōu)解。

3.2 下層模型求解算法

GA來源于生物進(jìn)化過程。在確定初始種群后,根據(jù)達(dá)爾文進(jìn)化論適者生存理論,通過種群內(nèi)部不斷的變異和交叉,逐漸進(jìn)化出越來越好的可行解。

在基礎(chǔ)遺傳算法中,選擇再生個體的概率由個體的適應(yīng)值決定,如式(36)所示。

(36)

式中:fit(xi)為個體xi適應(yīng)值;NP為種群個體數(shù)。

當(dāng)某個個體的適應(yīng)度為0時,這個個體將不能保存下來,不再產(chǎn)生后代。這將有可能導(dǎo)致在進(jìn)化的過程中遺漏一些解甚至錯失最優(yōu)解。本文根據(jù)文獻(xiàn)[18],采用順序選擇策略將選擇再生個體的概率確定下來,流程如下:①將個體按照適應(yīng)值從大至小排序;②將排在首位的再生個體概率定為q,則隊列中排在第j位個體的概率則為:

(37)

這樣就能保證每個個體都能被保留,且都有可能產(chǎn)生再生個體。

3.3 模型求解流程

采用CSO算法結(jié)合改進(jìn)的GA求解雙層規(guī)劃模型的詳細(xì)流程如附錄A圖A3所示。

4 算例分析

4.1 算例和參數(shù)設(shè)置

本文根據(jù)文獻(xiàn)[5]以包含電氣和天然氣網(wǎng)絡(luò)的33節(jié)點系統(tǒng)為例來對綜合能源規(guī)劃模型進(jìn)行分析,其具體結(jié)構(gòu)如附錄A圖A4所示。節(jié)點電壓允許范圍為0.95～1.05(標(biāo)幺值),節(jié)點氣壓約束范圍為380～460 kPa。每個節(jié)點的電負(fù)荷和熱負(fù)荷如附錄A表A1所示。

每個綜合能源單元相同裝置除了安裝容量不同,工作效率都相同。根據(jù)文獻(xiàn)[16]和文獻(xiàn)[19]給出綜合能源單元內(nèi)各裝置安裝及運(yùn)行的各項參數(shù),如附錄A表A2所示。根據(jù)文獻(xiàn)[8]給出不同買賣方能源價格,如附錄A表A3所示。

分析附錄A表A1中每個節(jié)點的電負(fù)荷和熱負(fù)荷,可以明顯看出負(fù)荷較大的電力節(jié)點和負(fù)荷較大的天然氣節(jié)點通常重合,共同組成重要負(fù)荷節(jié)點。基于此,本文在系統(tǒng)中選擇12個重要負(fù)荷節(jié)點處建設(shè)綜合能源單元,各單元的負(fù)荷參數(shù)如附錄A表A4所示。

附錄A表A3內(nèi)節(jié)點負(fù)荷表示的是日最大負(fù)荷。隨著季節(jié)的變化,用戶對電能和熱能的需求會有不同程度的波動,同時風(fēng)機(jī)和光伏出力也具有一定的時序特性[19],因此給出每個季節(jié)的日負(fù)荷波動(電和熱)如附錄A圖A5所示,每個季節(jié)的風(fēng)機(jī)和光伏出力波動如附錄A圖A6所示。一年內(nèi)4個季節(jié)春夏秋冬的持續(xù)時間分別為92,92,91,90 d。

4.2 結(jié)果分析

為了表明所提綜合能源單元及綜合能源市場的引入對RE規(guī)劃帶來的影響,本文設(shè)置以下兩種方案對規(guī)劃結(jié)果進(jìn)行比較。方案1:將電網(wǎng)和天然氣網(wǎng)獨立,此時綜合能源單元內(nèi)只裝設(shè)RE及GF裝置。用戶電負(fù)荷由RE出力和從配電網(wǎng)購電滿足,熱負(fù)荷由GF燃燒從天然氣網(wǎng)所購天然氣產(chǎn)生的熱量供給。方案2:考慮多種能源相互轉(zhuǎn)化的綜合能源單元規(guī)劃。

方案1中選擇將50%的高峰期中斷負(fù)荷轉(zhuǎn)移到低谷期實現(xiàn)。在規(guī)劃模型下層目標(biāo)函數(shù)中考慮需求響應(yīng)成本如下式所示:

(38)

式中:nDSM為可中斷負(fù)荷用戶數(shù);PDSM,i和TDSM,i分別為第i個可中斷用戶的履約中斷負(fù)荷及中斷時間;cpi為可中斷負(fù)荷的單位補(bǔ)償費(fèi)用。

在這兩種方案下,各綜合能源單元內(nèi)風(fēng)電和光伏的規(guī)劃配置結(jié)果如附錄A圖A7所示。對比圖中兩種規(guī)劃方案的結(jié)果,方案1將電能和天然氣獨立考慮得到的RE規(guī)劃總?cè)萘啃∮诜桨?。這是由于方案2考慮了電、氣、熱3種能源形式的相互轉(zhuǎn)化,使得RE的出力有了用戶使用、轉(zhuǎn)化為天然氣和賣給配電網(wǎng)3種出口,提高了RE的利用率,降低了RE出力被放棄的可能,從而大大增強(qiáng)了配電網(wǎng)對RE的消納能力。同時分析單個單元內(nèi)RE的規(guī)劃容量可以看出,各點規(guī)劃容量的比例都較為一致,都與該處電負(fù)荷的大小成正比。

兩種方案的上層規(guī)劃目標(biāo)函數(shù)值如表1所示。

表1 上層目標(biāo)函數(shù)值Table 1 Upper objective function values 萬美元

分析表1中數(shù)據(jù)可知,在安裝綜合能源單元時,不僅RE的安裝容量增大,而且綜合能源單元內(nèi)安裝了P2G,CHP和電轉(zhuǎn)氣裝置,建設(shè)成本和運(yùn)行成本分別增加35.2萬美元和20.7萬美元。RE的出力增大使得區(qū)域能源供應(yīng)商的售電、熱收益增加了43.53%,同樣由于對綜合能源中心售電增加,導(dǎo)致主動管理的費(fèi)用增加了25.7萬美元。然而綜合能源單元能夠協(xié)調(diào)電、氣之間的供能需求,通過相互替代來實現(xiàn)低價采購能源,因此方案2較方案1的購電、氣成本降低了17.7萬美元。綜合來看,區(qū)域能源供應(yīng)商的凈收益方案2較方案1增加了68.8萬美元。

兩種方案的下層規(guī)劃目標(biāo)函數(shù)值如表2所示。

表2 下層目標(biāo)函數(shù)值Table 2 Lower objective function values 萬美元

表2中數(shù)據(jù)表明,在安裝綜合能源單元后,綜合能源管理中心向區(qū)域能源供應(yīng)商總體出售能源減少,向上級網(wǎng)絡(luò)采購能源的總量也減少,購電、氣成本降低23.76%。由于對區(qū)域能源供應(yīng)商內(nèi)RE的出力進(jìn)行了主動管理,協(xié)調(diào)了網(wǎng)絡(luò)參數(shù),優(yōu)化了網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的潮流分布,使得傳輸損耗降低,所以綜合能源管理中心內(nèi)的傳輸損耗也降低了32.35%。同時方案2相比方案1減少了需求響應(yīng)的補(bǔ)償費(fèi)用,綜合以上,方案2較方案1綜合能源管理中心的總收益增加了12.3萬美元。

以夏季為例,兩種方案下向綜合能源管理中心購電、氣的功率變化如圖2所示。

圖2 兩種方案下區(qū)域能源供應(yīng)商向綜合能源管理中心購電、氣功率波動曲線Fig.2 Curves of purchasing electric power and gas from integrated energy management center to regional energy suppliers under two schemes

從圖2(a)中可以看出,在方案1下,區(qū)域能源供應(yīng)商向配電網(wǎng)購電功率的高峰時段為8～20,其峰值為6.35 MW。通過運(yùn)營綜合能源單元,方案2內(nèi)區(qū)域能源供應(yīng)商在該時段內(nèi)向配電網(wǎng)的購電功率大大減小,其峰值為3.77 MW,較方案1減少約41%。而圖2(b)中,在時段8～20內(nèi),方案2的購氣功率較方案1大幅增加,峰值功率從2.46 MW増至3.30 MW,增加約34%。這是由于方案2中,在配電網(wǎng)售電的高峰時段電價也相對較高,區(qū)域能源供應(yīng)商采取減少向配電網(wǎng)購電、增加向天然氣網(wǎng)絡(luò)購氣的策略,在滿足用戶需求的同時降低了自身成本、提高了收益。

兩種方案下用戶側(cè)消耗的電力和熱功率分別如圖3所示。

圖3 兩種方案下用戶側(cè)消耗電、熱功率波動曲線Fig.3 Curves of electric and heat power consumed at user side under two schemes

圖3(a)中方案2的用戶用電功率曲線與附錄A圖A5中夏季用戶電負(fù)荷波動曲線保持一致,而在方案1中,用戶在配電網(wǎng)售電高價時段8～20的用電功率降低,在售電低價時段0～8和20～24的用電功率較方案2增加。同樣,圖3(b)中兩種方案下用戶用熱功率曲線也有相似規(guī)律。這是由于在方案2下,用戶不需要將負(fù)載需求從高峰時段轉(zhuǎn)移到低谷時段,也無需降低自身對電能的需求,基本可以完全尊重用戶的用能意愿。

在方案2中,綜合能源管理中心向區(qū)域能源供應(yīng)商收取的主動管理價格變化曲線如圖4所示。

圖4 主動管理價格變化曲線Fig.4 Curve of active management price variation

可見,在綜合能源管理中心售電高價時段8～20,區(qū)域能源供應(yīng)商減少從配電網(wǎng)的購電量,通過RE出力和CHP轉(zhuǎn)換天然氣供給用戶。此時RE出力就地消納,得到充分利用,綜合能源管理中心無須過多采用措施來管理RE出力,主動管理價格較低,最低為0.27美元/(kW·h)。而在售電低價時段0～8和20～24,用戶對電能需求降低,區(qū)域能源供應(yīng)商將部分RE出力售給綜合能源管理中心。綜合能源管理中心采取主動管理措施對系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)整,在不違反電網(wǎng)約束的前提下接納RE出力。此時,主動管理價格較高。

5 結(jié)語

本文考慮高滲透RE接入配電網(wǎng)情況,建立了以電力網(wǎng)為載體融合天然氣、熱能等多種能源的綜合能源市場模型,提出了以綜合能源市場兩大主體——區(qū)域能源供應(yīng)商和綜合能源管理中心利益最大化為目標(biāo)函數(shù)的雙層配電網(wǎng)規(guī)劃方法。利用CSO算法和改進(jìn)的GA相結(jié)合對其進(jìn)行求解,得到結(jié)論如下。

1)綜合能源市場的建立能夠改善電能和天然氣的供需結(jié)構(gòu),充分發(fā)揮市場交易的靈活性,實現(xiàn)市場各項能源的優(yōu)化配置。

2)通過綜合能源單元實現(xiàn)電能、天然氣和熱能之間的供給轉(zhuǎn)化,能在滿足用戶能源需求、不改變用戶用能意愿的前提下,降低能源采購成本,實現(xiàn)區(qū)域能源供應(yīng)商和綜合能源管理中心雙方的利益最大化。

3)對RE采用主動管理措施引入主動管理費(fèi)用后,能顯著提高配電網(wǎng)對RE出力的接納能力,減少網(wǎng)絡(luò)損耗,促進(jìn)RE的進(jìn)一步發(fā)展。

以上述的綜合能源系統(tǒng)為基礎(chǔ)的規(guī)劃方案目前仍處于理論階段,如何在實際網(wǎng)絡(luò)中開展小型綜合能源系統(tǒng)試點研究,以及在系統(tǒng)中引入儲能裝置以促進(jìn)能源的相互融合,都是值得下一步著重研究的方向。

附錄見本刊網(wǎng)絡(luò)版(http://www.aeps-info.com/aeps/ch/index.aspx)。