崔 瓊,黃 磊,3,舒 杰?,王 浩,吳昌宏
(1.中國科學院廣州能源研究所,廣州 510640;2.中國科學院可再生能源重點實驗室,廣州 510640;3.中國科學院大學,北京 100049)
能源問題是近年來眾多學者探討的熱點。探究如何在減少環(huán)境污染的前提下實現(xiàn)多能源綜合統(tǒng)籌,更大程度地提高能源綜合利用效率,是國內(nèi)外學者共同關(guān)注的主要問題[1-2]。能源互聯(lián)網(wǎng)[3]、新一代能源系統(tǒng)[4]等概念的提出以及我國近期對“互聯(lián)網(wǎng) + 智慧能源”理念的推行促進了能源改革[5]。能源系統(tǒng)形態(tài)發(fā)展趨勢由集中式轉(zhuǎn)向分布式,單一能源轉(zhuǎn)為多能互補,可再生能源占比逐步提高,智能電網(wǎng)與能源網(wǎng)的互聯(lián)互動程度進一步加強[6]。多能互補分布式能源系統(tǒng)是在傳統(tǒng)分布式能源系統(tǒng)基礎(chǔ)上的衍生和擴展,它將電力、燃氣、太陽能、風能、生物質(zhì)能、海洋能等多種能源交互耦合,經(jīng)協(xié)同優(yōu)化,最終以較高的綜合能源利用率向用能單元提供冷熱電。分布式能源系統(tǒng)是一種具有多供能形式以及多運送模式的區(qū)域能源互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)[7],可以發(fā)揮不同能源的優(yōu)勢和潛能,是能源變革的發(fā)展趨勢及推動能源可持續(xù)發(fā)展的重要手段[8]。
多能互補分布式能源系統(tǒng)是能源互聯(lián)網(wǎng)的重要物理載體[9],也被作為能源互聯(lián)網(wǎng)的原型和基礎(chǔ)[10-11],主要關(guān)注不同能源間的協(xié)同優(yōu)化等物理層面的技術(shù)。能源互聯(lián)網(wǎng)則是在多能互補分布式能源系統(tǒng)的基礎(chǔ)上,結(jié)合先進信息通訊、互聯(lián)網(wǎng)等技術(shù),強調(diào)能源網(wǎng)絡(luò)的“互聯(lián)”,即信息與物理系統(tǒng)間的深度融合。多能互補分布式能源系統(tǒng)是探究不同能源內(nèi)部運行機理及推廣能源先進技術(shù),具有重要的研究意義。鑒于多能互補分布式能源系統(tǒng)在能源系統(tǒng)轉(zhuǎn)型中的特殊地位,如何實現(xiàn)多能互補分布式能源系統(tǒng)科學合理的容量配置以及優(yōu)化運行,以滿足冷熱電用能需求,并取得最大的經(jīng)濟、節(jié)能、減排等綜合效益尤為重要。因此,本文以多能互補分布式能源系統(tǒng)為研究對象,重點圍繞多能互補分布式能源系統(tǒng)的容量配置與優(yōu)化運行的相關(guān)研究內(nèi)容,進行詳細梳理。
近年來,分布式能源在全球廣泛應(yīng)用,行業(yè)發(fā)展迅速且發(fā)展空間廣闊[12]。2015-2017年全球分布式能源新增裝機容量分別為 136.4GW、140.2GW 和132.4GW,2026年裝機容量預計為528.4GW。
美國是世界上最早應(yīng)用分布式能源系統(tǒng)及分布式能源技術(shù)最成熟國家之一,并計劃至2020年將有50%以上的新建辦公或商用建筑采用冷熱電聯(lián)供(combined cooling heating and power,CCHP)系統(tǒng)供能模式[13]。英國政府制定“能源效率最佳方案計劃”,在過去20年中,已安裝超過1 000個分布式能源系統(tǒng)。日本把能源高效利用當作其能源利用的工作重心。據(jù)報道,日本分布式能源系統(tǒng)計劃2020年裝機規(guī)模為800萬kW以及2030年裝機規(guī)模為1 100萬kW的目標[14]。我國各地在多個領(lǐng)域進行了分布式能源的開發(fā)與應(yīng)用,大多采用的是潔凈高效、以小型分散為主要特征的“冷熱電三聯(lián)供技術(shù)”[15],可以實現(xiàn)80%以上的綜合能源利用效率。國內(nèi)外典型工程概況分別見表1和表2。
表1 國內(nèi)典型分布式能源工程概況Table 1 Typical distributed energy projects in China
表2 國外典型分布式能源工程概況Table 2 Typical distributed energy projects abroad
多能互補分布式能源系統(tǒng)的優(yōu)化配置問題比僅含化石能源的傳統(tǒng)分布式能源系統(tǒng)更為復雜,系統(tǒng)容量優(yōu)化配置建模主要包含約束條件、優(yōu)化指標、優(yōu)化目標、優(yōu)化算法四個方面。這四個方面在優(yōu)化過程中相互關(guān)聯(lián),相互制約。本文首先分析了能源互聯(lián)網(wǎng)大趨勢下,分布式能源系統(tǒng)的集成優(yōu)化配置研究現(xiàn)狀,然后主要從優(yōu)化指標、目標函數(shù)及優(yōu)化算法的角度進行歸納和總結(jié),最后詳述了商用優(yōu)化配置軟件的適用系統(tǒng)以及需要考慮的具體優(yōu)化指標,為解決系統(tǒng)容量合理配置方案提供參考依據(jù)。
分布式能源系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化應(yīng)用成為能源互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)背景下分布式能源系統(tǒng)利用的新思路、新模式。分布式能源系統(tǒng)設(shè)備配置與區(qū)域供熱供冷管網(wǎng)的集成優(yōu)化成為了學者共同關(guān)注的熱點。該研究涉及工程熱物理、傳熱學、動力學、環(huán)境經(jīng)濟學、可再生能源技術(shù)、電力學、系統(tǒng)設(shè)計集成等多個學科的理論知識體系,近年來各國學者針對該方向開展了初步研究[16]。WEBER等[17]研究了分布式能源規(guī)劃與區(qū)域供熱供冷管網(wǎng)布局的優(yōu)化,但忽略了分布式能源系統(tǒng)之間的關(guān)聯(lián)互動。AKOMENO等[18]提出分布式能源網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化配置模型,仍然對子系統(tǒng)之間的互動沒有深入研究。任洪波等[19]以互聯(lián)網(wǎng)思維為導向,提出了“分布式能源互聯(lián)網(wǎng)”的理念,指明了“分布式能源互聯(lián)網(wǎng)”相對于常規(guī)分布式能源系統(tǒng)的優(yōu)勢。蔡博等[20]提出了基于天然氣分布式能源系統(tǒng)智能建筑能源物聯(lián)網(wǎng)(building energy smart grid based on natural gas based distributed energy system,NDES-SG)的理念,系統(tǒng)計算結(jié)果表明,與常規(guī)供能系統(tǒng)相比,NDES-SG實現(xiàn)節(jié)能率達22.2%。綜上所述,對于分布式能源系統(tǒng)的集成,目前國內(nèi)外相關(guān)研究大部分處于概念框架設(shè)想階段,關(guān)于優(yōu)化配置也僅僅是在集成系統(tǒng)整體層面,對于參與集成的各系統(tǒng)之間的融合互動分析尚缺乏深入研究。
分布式能源系統(tǒng)優(yōu)化配置指標主要包括經(jīng)濟性、環(huán)保性、可靠性等優(yōu)化指標。其中經(jīng)濟性是最重要的優(yōu)化目標,體現(xiàn)該系統(tǒng)的投資成本和收益的大小。通過經(jīng)濟性優(yōu)化使系統(tǒng)全生命周期內(nèi)的原始成本、運行成本、更換成本、維護成本的總成本最小。學者們提出了多種指標[21-25]來評價系統(tǒng)的經(jīng)濟性,常見的指標主要有年平均成本、生命周期成本、能源標準化成本、凈現(xiàn)值、凈現(xiàn)成本、內(nèi)部收益率和投資回收期等。其中,前三個指標只考慮了系統(tǒng)的成本因素,后四個指標同時考慮了成本和收益這兩個因素。
進行系統(tǒng)容量優(yōu)化配置時,除了考慮系統(tǒng)的投資運行成本,環(huán)保性也是一個主要的優(yōu)化目標。環(huán)保性優(yōu)化一般作為懲罰費用加入到總費用中建立單目標經(jīng)濟性優(yōu)化,考慮到將環(huán)保性指標的經(jīng)濟性折算方法隨時空變化較大,因此也可采用經(jīng)濟性和環(huán)保性多目標優(yōu)化對系統(tǒng)容量進行優(yōu)化求解。環(huán)保性指標包括CO2排放量、蘊藏能量和生命周期評估等。此外,也可使用可再生能源滲透率和可再生能源利用率作為指標。CO2排放量是對設(shè)備運行和維護時對環(huán)境的影響進行評估;蘊藏能量是對設(shè)備生產(chǎn)銷售時對環(huán)境的影響進行評估;生命周期評估是對整個系統(tǒng)和設(shè)備從生產(chǎn)到報廢整個生命周期對環(huán)境的影響進行全面的評估。
可靠性指標中目前最常用的是供電不足概率[24],表示系統(tǒng)供電不能滿足用電需求的概率,也可以用供電不足時間除以系統(tǒng)總運行時間來表示。其他可靠性指標[26-27]還包括電量不足期望值、負荷缺失概率、強制中斷率等。
目前,大多數(shù)文獻將可靠性指標作為約束條件,以經(jīng)濟性、環(huán)保性等量化指標為目標函數(shù)對系統(tǒng)組成部分進行優(yōu)化配置。PELET等[28]綜合考慮了資源、需求、能源、排放、成本的因素,將系統(tǒng)優(yōu)化配置問題轉(zhuǎn)化為多目標優(yōu)化問題,并進行仿真。結(jié)果表明,新的配置方案顯著降低了成本和二氧化碳排放。BOROWY等[29]使用某個地區(qū)30年的風速和太陽輻射的數(shù)據(jù),計算風力發(fā)電機和光伏電池在每月一個典型天中每小時的平均發(fā)電功率,用馬薩諸塞州的一個典型房子的負荷特征作為混合發(fā)電系統(tǒng)的負荷特征,在給定的負荷水平和要求的供電不足概率下,計算出使系統(tǒng)成本最低的最優(yōu)儲能電池數(shù)量和光伏發(fā)電模組數(shù)量。荊有印等[30]從環(huán)保性的碳排放和經(jīng)濟性的投資回收期角度,對含光伏發(fā)電的分布式能源系統(tǒng)的容量設(shè)計進行了優(yōu)化。JAYASEKARA等[31]以年總成本最小為優(yōu)化目標,研究設(shè)備最佳容量配置的兩階段粒子群優(yōu)化算法。
綜上所述,設(shè)置目標函數(shù)進行的系統(tǒng)容量優(yōu)化主要集中在供給側(cè)分布式能源設(shè)備的配置方面,而未能充分考慮源-荷在時空上的匹配以及能量平衡。
目前,國內(nèi)外已開發(fā)出一些分布式能源系統(tǒng)優(yōu)化配置的商用軟件,如美國國家可再生能源室研發(fā)的HOMER軟件、美國馬薩諸塞大學的新能源研究室研發(fā)的 HYBRID2軟件、西班牙薩拉戈薩大學電氣工程系研發(fā)的HOGA軟件、美國威斯康星大學和科羅拉多大學研發(fā)的TRNSYS軟件、挪威能源技術(shù)研究所研發(fā)的基于TRNSYS的HYDROGEMS庫文件等。現(xiàn)有優(yōu)化配置軟件的適用系統(tǒng)和涉及指標見表3。
表3 商用優(yōu)化配置軟件總結(jié)Table 3 Summary of commercial optimized configuration software
如何對分布式能源系統(tǒng)進行運行優(yōu)化,是發(fā)展分布式能源面臨的重大問題。分布式能源系統(tǒng)的主要應(yīng)用形式是 CCHP系統(tǒng)[32],其典型結(jié)構(gòu)如圖1所示。CCHP系統(tǒng)的運行策略研究一般可以分為基本運行策略和優(yōu)化運行策略[33]。CCHP系統(tǒng)和微網(wǎng)有效結(jié)合成為CCHP型微網(wǎng),是一種采用分布式能源優(yōu)化管理形式的系統(tǒng),可以更好地發(fā)揮可再生能源的優(yōu)勢,提高能源利用率,調(diào)節(jié)峰谷用能差,提升系統(tǒng)安全性和可靠性,是能源結(jié)構(gòu)中不可或缺的補充[34]。CCHP型微網(wǎng)的復雜性主要體現(xiàn)在多能量耦合、多個優(yōu)化目標以及多時間尺度三個方面,而傳統(tǒng)微網(wǎng)的優(yōu)化調(diào)度方法不再適合CCHP型微網(wǎng),因此在實際運行條件下制定出最佳優(yōu)化調(diào)度策略存在一定的難度?;诖耍疚闹攸c歸納總結(jié)了CCHP型微網(wǎng)的優(yōu)化調(diào)度策略。
圖1 CCHP系統(tǒng)典型結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Typical structure diagram of CCHP system
目前,根據(jù)優(yōu)先滿足電負荷或熱(冷)負荷需求,冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)的基本運行模式可以分為“以電定熱”與“以熱定電”兩種[35]。在“以電定熱”模式下,系統(tǒng)發(fā)電量跟隨電負荷的變化,而“以熱定電”模式則要求機組產(chǎn)生的總余熱量與系統(tǒng)的熱(冷)負荷相匹配,針對這兩種模式[33,36]的相關(guān)分析已有不少學者進行了研究。FANG等[37]依據(jù)多變負荷情況確立聯(lián)供系統(tǒng)運行的約束條件,根據(jù)邊界條件將運行空間劃分了不同區(qū)域,各區(qū)域分別采用“以電定熱”或者“以熱定電”的基本運行方式以實現(xiàn)系統(tǒng)運行性能最優(yōu)。另外,還有3種常見的運行模式[38-39]:(1)連續(xù)運行模式。系統(tǒng)在規(guī)定時間內(nèi)以最大功率運行,僅適用于對燃氣輪機的效率有高要求,不允許其在部分負載下運行的情況;(2)減小峰值功率模式。用電峰值時,降低從大電網(wǎng)購買的峰值功率;(3)基本負載運行模式。適用于燃氣輪機動態(tài)性能較差時。
CCHP系統(tǒng)的運行策略僅從負荷側(cè)考慮,沒有從系統(tǒng)源—網(wǎng)—荷—儲整體層面上考慮總體的經(jīng)濟性、環(huán)保性、節(jié)能率,并且大多仍未計及系統(tǒng)內(nèi)部能量耦合與運行性能之間的關(guān)系,使系統(tǒng)難達到最佳性能。因此,為了更好地降低一次能源消耗,減少污染物排放以及提高能源利用率,將CCHP系統(tǒng)與微網(wǎng)結(jié)合組成CCHP型微網(wǎng),可將CCHP系統(tǒng)與各種負荷、可再生能源、儲能系統(tǒng)等結(jié)合在一起,滿足用戶冷、熱、電的需求。目前CCHP型微網(wǎng)的應(yīng)用剛剛起步,其相關(guān)優(yōu)化調(diào)度文獻也不多見,基于此,本文針對現(xiàn)有的CCHP型微網(wǎng)優(yōu)化調(diào)度策略,從不同的優(yōu)化調(diào)度角度進行綜述。
CCHP型微網(wǎng)優(yōu)化調(diào)度的主要目標是首先滿足冷熱電負荷,然后根據(jù)各單元不同的特性設(shè)計最優(yōu)的調(diào)度策略,最終提高系統(tǒng)綜合性能。
3.2.1 以提高系統(tǒng)經(jīng)濟性為目的優(yōu)化調(diào)度
目前CCHP型微網(wǎng)系統(tǒng)的優(yōu)化運行策略研究主要考慮經(jīng)濟性、環(huán)保性、節(jié)能性等性能評價指標[34]。駱釗[40]以運行費用為優(yōu)化目標,提出一種基于區(qū)間優(yōu)化的CCHP型微網(wǎng)區(qū)間經(jīng)濟調(diào)度策略。許東[41]建立了系統(tǒng)經(jīng)濟成本最優(yōu)的數(shù)學優(yōu)化調(diào)度模型,采用遺傳算法對模型進行求解分析,提出系統(tǒng)的多種能量管理運行策略。JU等[42]設(shè)計了含太陽能和風能等可再生能源的CCHP系統(tǒng),并提出了包含經(jīng)濟成本和CO2排放等多目標的優(yōu)化運行策略。孫作瀟[43]針對CCHP型微網(wǎng)提出了一種“以商定量,以余定度”的方法確定系統(tǒng)負荷平移策略,對CCHP型微網(wǎng)進行日前優(yōu)化調(diào)度,結(jié)果表明系統(tǒng)的運行費用得到了一定程度降低。環(huán)境污染問題越來越受到重視,因此環(huán)境成本也是經(jīng)濟性優(yōu)化指標中十分重要的一項。目前關(guān)于環(huán)境成本問題的描述主要有:①以二氧化碳等污染氣體的排放量為約束條件,以運行成本最優(yōu)為目的,進行單目標優(yōu)化;②設(shè)置考慮運行成本以及環(huán)境成本的多目標函數(shù),即多目標優(yōu)化。對于多目標優(yōu)化函數(shù)的處理,多數(shù)研究通過線性加權(quán)法將其轉(zhuǎn)成單目標優(yōu)化求解,且優(yōu)化結(jié)果與各目標的權(quán)重系數(shù)組合息息相關(guān)。
3.2.2 考慮不確定性因素的優(yōu)化調(diào)度
CCHP型微網(wǎng)優(yōu)化調(diào)度面臨的難題是隨機參數(shù)(風力、太陽輻射和負載)的不確定性,因此,電力系統(tǒng)普遍應(yīng)用的確定性模型不再適用。當前大多數(shù)研究學者處理該問題的方法是利用預測值簡單表達隨機性,出現(xiàn)較大預測誤差時會導致結(jié)果的準確度低[44]。含太陽能、風能等多種能源的CCHP型微網(wǎng)是一個具有不確定性、多時間尺度和多耦合關(guān)系的復雜系統(tǒng)。因此,CCHP型微網(wǎng)的優(yōu)化調(diào)度十分有難度。目前已有學者提出不少方法來減少不確定性給系統(tǒng)帶來的影響。HU等[45]設(shè)計了一種考慮負荷不確定性的多目標協(xié)調(diào)運行模型,并加入了可靠性約束條件,同時針對提出經(jīng)濟評價模型用以評估系統(tǒng)節(jié)能收益。LIU等[46]針對一種具有混合制冷模式的CCHP系統(tǒng),通過實時調(diào)整不同制冷模式的制冷比來匹配負荷變化,設(shè)計系統(tǒng)最優(yōu)運行策略。WU等[47]設(shè)計基于小型CCHP系統(tǒng)的混合整數(shù)非線性規(guī)劃模型,進行包含能源節(jié)約率和運行成本兩種指標的多目標運行優(yōu)化,并進行了負荷變化與能源價格對運行策略的敏感性分析。FACCI等[48]考慮了冷熱電負荷以及能源價格變動,估算燃機的日最優(yōu)工況,相比“以熱定電”和“以電定熱”兩種基本運行模式,更加有效地降低了系統(tǒng)經(jīng)濟成本。BYUN等[49]設(shè)計了一種考慮用戶能耗模式和能耗預測的多能源調(diào)度管理系統(tǒng)。OLIVARES等[50]考慮多時間尺度設(shè)計冷熱電多能協(xié)調(diào)的調(diào)度策略以降低負荷和可再生能源出力不確定性帶來的影響,設(shè)計了CCHP型微網(wǎng)的兩階段優(yōu)化調(diào)度策略。
綜上,當前研究大多從調(diào)整可再生能源發(fā)電、冷熱電負荷的角度出發(fā),較少考慮需求側(cè)可平移負荷。
CCHP型微網(wǎng)的優(yōu)化調(diào)度與優(yōu)化配置均屬于混合整數(shù)規(guī)劃問題,其模型的求解通常采用數(shù)學規(guī)劃方法和智能優(yōu)化算法。由于存在目標函數(shù)以及約束條件的差異,因此模型可以描述為線性規(guī)劃[51-52]、和非線性規(guī)劃[53]問題。對于混合整數(shù)線性規(guī)劃模型,可以通過采用商用求解軟件調(diào)用其相應(yīng)的解法器進行求取。CPLEX是常用的求解軟件,包括單一優(yōu)化程序、界限優(yōu)化程序和混合整數(shù)優(yōu)化程序,可根據(jù)實際需求進行優(yōu)化選擇,可以高效快速地找到魯棒性更好的解,已得到廣泛的應(yīng)用。對于混合整數(shù)非線性規(guī)劃問題,商用軟件求取全局最優(yōu)解的可靠性比較低。由于智能算法[54-55]具有并行高效性、通用性以及很強的魯棒性,且實現(xiàn)過程簡單,因此廣泛應(yīng)用于CCHP型微網(wǎng)優(yōu)化調(diào)度非線性規(guī)劃問題。典型的智能算法包括粒子群算法、模糊算法、遺傳算法以及在遺傳算法的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的多目標進化算法,如多目標遺傳算法(multi-objective genetic algorithm,MOGA)等。
能源是社會發(fā)展的關(guān)鍵要素,能源互聯(lián)網(wǎng)概念的提出促進了能源發(fā)展理念的革新。在此背景下,分析了分布式能源系統(tǒng)與能源互聯(lián)網(wǎng)之間的關(guān)系,闡述了分布式能源系統(tǒng)國內(nèi)外應(yīng)用發(fā)展現(xiàn)狀。在此基礎(chǔ)上,圍繞分布式能源系統(tǒng)的容量配置與優(yōu)化運行的相關(guān)研究內(nèi)容進行全面梳理,明確了其研究現(xiàn)狀。內(nèi)容包括圍繞分布式能源系統(tǒng)多能互補集成優(yōu)化配置研究,歸納總結(jié)系統(tǒng)容量配置建模所涉及的優(yōu)化指標、目標函數(shù),并對商用優(yōu)化配置軟件的適用系統(tǒng)和優(yōu)化指標進行了詳述;圍繞分布式能源系統(tǒng)優(yōu)化運行研究現(xiàn)狀,分析多能互補分布式能源系統(tǒng)的主要應(yīng)用形式——冷熱電聯(lián)供(CCHP)系統(tǒng),分別從經(jīng)濟性和不確定性兩方面詳述CCHP型微網(wǎng)的優(yōu)化調(diào)度策略研究現(xiàn)狀,進一步總結(jié)CCHP型微網(wǎng)優(yōu)化調(diào)度和優(yōu)化配置模型的現(xiàn)有求解方法。
多分布式能源系統(tǒng)的協(xié)調(diào)運作,是整合能源互聯(lián)網(wǎng)框架下多個分布式能源模塊的核心技術(shù)。通過全面考慮分布式發(fā)電、儲能和電動汽車等源側(cè)和荷側(cè)能量單元,協(xié)調(diào)分布式能源系統(tǒng)內(nèi)以及多分布式能源系統(tǒng)之間的能量多向流動,研究分布式能源系統(tǒng)的合理配置和最優(yōu)運行方式以及多分布式能源系統(tǒng)的協(xié)同運作將是未來的重點研究方向。
另外,考慮需求側(cè)響應(yīng)可以在一定程度上降低可再生能源不確定性影響,但需求側(cè)可平移負荷的轉(zhuǎn)移也會影響用戶用能滿意度。如何在多分布式能源系統(tǒng)中協(xié)調(diào)多分布式能源系統(tǒng)的不確定性因素、需求側(cè)響應(yīng)以及用戶滿意度三者之間的關(guān)系,以更好地評估以及解決各類不確定因素對系統(tǒng)的整體影響,是系統(tǒng)優(yōu)化配置和優(yōu)化運行中至關(guān)重要的問題。
綜上,以多能源互補、多能源網(wǎng)互聯(lián)、多用戶互動為基本立足點,進行源-網(wǎng)-荷-儲一體的多系統(tǒng)集成優(yōu)化配置與運行,實現(xiàn)能源互聯(lián)網(wǎng)理念在多分布式能源系統(tǒng)互聯(lián)層面的具象化是目前研究趨勢。