梁作放，潘 華，何 輝，尹茗曉

（1.國網(wǎng)山東省電力公司菏澤供電公司，山東 菏澤 274012；2.上海電力大學經(jīng)濟與管理學院，上海 200090；3.國網(wǎng)山東省電力公司檢修公司，山東 濟南 250118）

0 引言

近年來，化石能源日益匱乏，霧霾等環(huán)境污染問題愈發(fā)嚴峻，促進了風、光等可再生能源的迅速發(fā)展，新一輪能源革命悄然興起。如何推動新一輪能源生產(chǎn)和消費革命、建立安全清潔高效可持續(xù)的能源系統(tǒng)亟待研究［1-4］。以電-氣-熱等多種能源組合而成的區(qū)域綜合能源系統(tǒng)（Regional Integrated Energy System，RIES），能夠?qū)崿F(xiàn)多能源的相互轉(zhuǎn)化與耦合互補，充分消納可再生能源，提高能源利用效率，對構(gòu)建清潔低碳高效的能源系統(tǒng)具有重要意義［5-7］。

文獻［5］建立了以電為核心的區(qū)域綜合能源系統(tǒng)調(diào)度模型，并采用粒子群優(yōu)化算法進行求解，得到了具有經(jīng)濟性與環(huán)保性的調(diào)度方案。文獻［8］以成本及污染氣體量最小為目標，并考慮新能源與負荷不確定性帶來的影響，采用NSGA-Ⅱ算法對區(qū)域綜合能源系統(tǒng)內(nèi)的配電、配氣系統(tǒng)及能量中心進行經(jīng)濟調(diào)度。文獻［9］構(gòu)建了以電力與天然氣系統(tǒng)為主的、包含風電等可再生能源的綜合能源系統(tǒng)日前調(diào)度模型，并采用二階錐規(guī)劃與點估計法進行求解，在實際算例中的應用證明了算法與模型的正確性和有效性。文獻［10］在滿足客戶多種能源需求的基礎上，建立了以能源采購成本最小為目標建立了優(yōu)化模型，并采用程序驗證了模型的正確性。文獻［11］基于機會約束規(guī)劃，建立了以運行成本最小為目標的區(qū)域綜合能源經(jīng)濟調(diào)度模型，為平衡在區(qū)域綜合能源系統(tǒng)的經(jīng)濟性和可靠性提供了參考。文獻［12］提出了一種微型熱電聯(lián)產(chǎn)經(jīng)濟優(yōu)化模型，通過遺傳算法進行求解分析，結(jié)果表明熱電聯(lián)產(chǎn)效益大于單獨發(fā)電或單獨供熱效益。文獻［13］在滿足系統(tǒng)經(jīng)濟運行與用戶體感舒適雙重要求的基礎上，構(gòu)建了區(qū)域綜合能源系統(tǒng)日前經(jīng)濟調(diào)度模型，并采用LINGO 求解。為了有效減少碳排放量，發(fā)展低碳經(jīng)濟的能源系統(tǒng)，有必要將碳排放引入到區(qū)域綜合能源系統(tǒng)中。文獻［14］在電-氣互聯(lián)的能源系統(tǒng)中引入了碳交易機制，將燃氣輪機的碳排放量與碳排放額表示為與其有功功率成一定比例的量，對區(qū)域綜合能源系統(tǒng)的碳交易具有一定的指導意義，但所構(gòu)建的模型中僅包含天然氣、燃氣輪機與火電機組等，調(diào)度模型較為簡單。文獻［15］構(gòu)建了以能源中心為基礎含電力網(wǎng)絡、熱力網(wǎng)絡及天然氣網(wǎng)絡在內(nèi)的區(qū)域綜合能源系統(tǒng)經(jīng)濟調(diào)度模型，并考慮了碳排放成本，但是未計及風電等可再生能源。國內(nèi)外研究人員在區(qū)域綜合能源系統(tǒng)經(jīng)濟調(diào)度上取得了一定的成績，構(gòu)建了多種模型，并嘗試采用多種方法進行求解，也有學者在區(qū)域綜合能源系統(tǒng)中考慮碳交易機制，但尚不完善，仍需進行相關(guān)研究。

以系統(tǒng)總成本最低為目標函數(shù)，在考慮碳交易的基礎上，構(gòu)建了含光伏、風電、微型燃氣輪機、儲能設備、配電網(wǎng)等聯(lián)合供電、供熱／冷的區(qū)域綜合能源系統(tǒng)經(jīng)濟調(diào)度模型，并將光伏、風電及負荷預測的誤差表示成均值為0 的正態(tài)分布，采用布谷鳥搜索算法對4 種情況進行求解分析。

1 建立區(qū)域綜合能源運行成本

1.1 區(qū)域綜合能源系統(tǒng)

區(qū)域綜合能源系統(tǒng)作為能源互聯(lián)網(wǎng)的重要載體，集電力、供熱（冷）及天然氣等多個系統(tǒng)為一體，其通過能源之間的耦合互補、階梯利用以及先進的信息技術(shù)等，對多種能源進行統(tǒng)一管理、輸送與經(jīng)濟調(diào)度，能夠?qū)崿F(xiàn)不同能源之間的轉(zhuǎn)換，提高能源利用效率，促進可再生能源消納，優(yōu)化能源消費結(jié)構(gòu)［16-18］。構(gòu)建的區(qū)域綜合能源系統(tǒng)包含微型燃氣輪機、風力發(fā)電設備、光伏發(fā)電設備及余熱回收系統(tǒng)等部分，并通過管道、變壓器、輸電線等與天然氣管網(wǎng)、配電網(wǎng)相連，如圖1 所示。其中區(qū)域綜合能源系統(tǒng)中的余熱回收系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對煙氣等余熱的有效回收，能夠?qū)崿F(xiàn)資源再利用，降低能耗，節(jié)約能源，具有良好的經(jīng)濟效益與環(huán)保效益［19］。

圖1 區(qū)域綜合能源系統(tǒng)

1.2 微型燃氣輪機

微型燃氣輪機的發(fā)電成本及其排煙所產(chǎn)生的余熱與有功出力之間的關(guān)系，可以分別近似為一次函數(shù)、二次函數(shù)［20-21］：

1.3 吸收式制冷機

夏季時，采用吸收式制冷機供應冷負荷，其能量來源假設僅為微型燃氣輪機的煙氣余熱，因此只計其運行維護費用為

式中：λx為吸收式制冷機輸入單位功率的運維花費；為t 時段輸入吸收式制冷機中煙氣余熱的功率。

式中：μx為吸收式制冷機的制冷能效比。

1.4 光伏、風電及負荷預測誤差成本

國內(nèi)外學者已經(jīng)對光伏、風電及負荷預測做了一定的研究，目前一些文獻通常將光伏、風電及負荷的預測誤差e1、e2、e3表示為服從均值為0，標準差為σ 的正態(tài)分布［22-24］。光伏、風電及負荷預測的標準差分別為［25-27］：

則光伏、風電及負荷在t 時段的預測誤差成本分別為：

1.5 碳交易模型

碳交易即為將碳排放量當作商品在市場上進行交易的行為。政府為了控制碳排放總量，向各排放含碳氣體的單位分配排放額度，如果單位的碳排放量低于排放額度，則可將剩余額度進行出售；反之，當排放量大于排放額度時，需向其他單位進行購買排放額度，否則不予排放。

僅考慮微型燃氣輪機發(fā)電時產(chǎn)生的碳排放，忽略天然氣、儲能設備、光伏電池板與風力發(fā)電機在生產(chǎn)、運輸過程中的碳排放。微型燃氣輪機的碳排放量與其有功出力存在函數(shù)關(guān)系［28-29］，為

式中：δ 為微型燃氣輪機的碳排放強度。

發(fā)電機的碳排放額度與其有功出力成一定的比例，為

式中：η 為發(fā)電機單位功率的碳排放。

碳交易成本（收益）為

式中：λg為碳交易價格；當為正數(shù)時，表示該發(fā)電機需要購買額度，會增加發(fā)電成本；當為負數(shù)時，則增加收益，降低發(fā)電成本。

1.6 儲能設備

區(qū)域綜合能源系統(tǒng)中的儲能裝置不僅用來處理光伏、風電等出力的不確定性，還可以利用峰谷電價增加系統(tǒng)收益。儲能設備的充放電成本為

式中：λs為儲能設備的成本系數(shù)為儲能設備的充放電功率。

2 區(qū)域綜合能源系統(tǒng)經(jīng)濟調(diào)度模型及求解

2.1 目標函數(shù)

RIES 系統(tǒng)經(jīng)濟調(diào)度的目標是在滿足約束條件的基礎上，使系統(tǒng)運行總成本最小，為

式中：T 為調(diào)度周期。

2.2 約束條件

本文中的區(qū)域綜合能源系統(tǒng)與配電網(wǎng)之間的交換功率遠小于配電網(wǎng)容量，且認為二者之間的線路能夠輸送該功率，因此不考慮配電網(wǎng)與系統(tǒng)交換功率約束。

2.2.1 供用電平衡

RIES 系統(tǒng)從配電網(wǎng)購入（出售）的電能、系統(tǒng)各單元產(chǎn)生的電能與系統(tǒng)內(nèi)用電功率保持平衡，為

2.2.2 供熱約束

系統(tǒng)產(chǎn)生的熱量與所需的熱負荷應保持平衡，為

2.2.3 供冷約束

系統(tǒng)內(nèi)的制冷量與冷負荷應保持平衡，為

2.2.4 微型燃氣輪機出力約束

微型燃氣輪機發(fā)電時要保持在一定區(qū)間范圍內(nèi)，或者不進行發(fā)電，為

2.2.5 儲能設備約束

在RIES 系統(tǒng)中加入儲能設備有利于系統(tǒng)的安全穩(wěn)定。儲能設備剩余電量計算公式為

式中：St為儲能設備t 時段的電量；St-1為儲能設備t-1 時段的電量；ηc、ηd分別為電池的充、放電效率；為t-1 時段儲能設備與外部交換的功率。

儲能設備過度充、放電對其使用有一定影響，因此儲能設備的剩余電量需要維持在一定區(qū)間內(nèi)。儲能設備剩余電量的約束條件為

式中：Smax、Smin分別為儲能電池電量的上下限。

為保障儲能電池的使用壽命，儲能電池的充放電功率需要保持在一定的范圍內(nèi)。儲能電池的充放電功率約束為

2.3 布谷鳥搜索算法

區(qū)域綜合能源系統(tǒng)的經(jīng)濟調(diào)度問題是一種高維、非線性且多約束的優(yōu)化問題。布谷鳥搜索算法（Cuckoo Search，CS）簡單靈活，具有良好的全局收斂性，全局搜索能力強，設置參數(shù)較少，通用性好，魯棒性較強，不需要為特殊問題重新匹配參數(shù)，求解效果較好，目前已在求解電力系統(tǒng)經(jīng)濟調(diào)度問題中得到了一定的應用［30-31］，比較適合本文所建立的經(jīng)濟調(diào)度模型，因此選擇布谷鳥搜索算法進行。布谷鳥搜索算法主要是通過模擬布谷鳥借巢產(chǎn)卵的生殖行為，并結(jié)合鳥類的萊維飛行來求解最優(yōu)化問題，該算法模擬3 個理想條件：

1）對單目標最優(yōu)化問題，每只布谷鳥每次只產(chǎn)一枚卵，并隨機放置在其他鳥巢中；

2）最好的鳥巢將保留到下一代；

3）可以放置鳥蛋的鳥巢數(shù)量n 是固定不變的，巢主鳥發(fā)現(xiàn)布谷鳥蛋的概率是pa，且pa∈［0，1）。如果巢主鳥發(fā)現(xiàn)該枚卵，其會選擇將該卵丟棄或拋棄整個鳥窩，在另一位置重新建立鳥巢，而布谷鳥則會重新鳥巢下蛋。

CS 算法流程如圖2 所示。

圖2 布谷鳥搜索算法流程

3 算例分析

3.1 算例數(shù)據(jù)

本文所采用的設備為：額定功率為60 kW、200 kW 的微型燃氣輪機各1 臺；額定功率為100 kW的風電機組1 臺；額定功率為100 kW 的光伏機組1 組。各設備具體參數(shù)及微型燃氣輪機的碳排放量計算系數(shù)［20，28，32-34］如表1—表3 所示。單位功率 碳排放份額取0.798 kg／kWh。碳交易價格取0.268 元／kg。當電網(wǎng)向區(qū)域綜合能源系統(tǒng)送電時采用分時電價，如圖3 所示。RIES 系統(tǒng)向配電網(wǎng)售電的電價為0.498 3 元／kWh。

表1 微型燃氣輪機、風電機組及光伏機組設備參數(shù)

表2 微型燃氣輪機余熱函數(shù)與碳排放的參數(shù)

表4 儲能電站參數(shù)信息

圖3 分時電價

采用“以熱定電”模式運行區(qū)域綜合能源系統(tǒng)，且設置兩種情形分別進行求解分析：情形Ⅰ為冬季，區(qū)域內(nèi)的熱負荷由余熱回收系統(tǒng)供應，光伏、風電及負荷預測功率如圖4 所示；情形Ⅱ為夏季，區(qū)域內(nèi)的冷負荷由吸收式制冷機供應，光伏、風電及負荷預測功率如圖5 所示。

3.2 優(yōu)化調(diào)度結(jié)果

采用布谷鳥搜索算法對模型進行求解，算法中的鳥窩個數(shù)取n=25，而布谷鳥蛋被發(fā)現(xiàn)概率取pa=0.25。調(diào)度周期開始時，儲能電池剩余電量取其下限。冬季供熱時，微型燃氣輪機及電網(wǎng)出力如圖6 所示，儲能電池出力及剩余電量如圖7 所示。

圖4 情形Ⅰ光伏、風電出力預測及熱電負荷預測

圖5 情形Ⅱ光伏、風電出力預測及冷電負荷

圖6 冬季微型燃氣輪機與電網(wǎng)出力

圖7 供熱時儲能設備出力及剩余電量

夏季供冷時，微型燃氣輪機及電網(wǎng)出力如圖8所示，儲能電池及剩余電量如圖9 所示。

圖8 冬季微型燃氣輪機與電網(wǎng)出力

圖9 供冷時儲能設備出力及剩余電量

當不包含儲能設備時，冬季與夏季微型燃氣輪機及電網(wǎng)出力如圖10—圖11 所示。

圖10 冬季微型燃氣輪機與電網(wǎng)出力（不包含儲能）

圖11 夏季微型燃氣輪機與電網(wǎng)出力（不包含儲能）

由圖6、圖8、圖10 與圖11 可知，微型燃氣輪機的出力波動相對較小，調(diào)節(jié)峰谷差的能力有限。區(qū)域綜合能源系統(tǒng)中，在微型燃氣輪機及儲能設備出力大于系統(tǒng)內(nèi)電負荷需求時，區(qū)域綜合能源系統(tǒng)則將剩余有功功率向電網(wǎng)輸送；當其出力小于系統(tǒng)內(nèi)電負荷需求時，電網(wǎng)向系統(tǒng)輸送電能；且可再生能源有功出力由于自然環(huán)境等因素容易發(fā)生波動，此時一般以電網(wǎng)出力進行調(diào)節(jié)為主，因此電網(wǎng)出力波動較大。儲能裝置除應對可再生能源波動性，還會根據(jù)調(diào)度周期內(nèi)的不同電價進行充放電，以保證系統(tǒng)收益更大。

在文中約束條件等模型不變的情況下，去除目標函數(shù)中的碳交易成本，以系統(tǒng)其他成本最小為目標函數(shù)進行求解。兩種情形下的調(diào)度結(jié)果如表5所示。

表5 運行結(jié)果對比

由表5 可知，將碳交易成本包含在目標函數(shù)與否對碳排放有著較大的影響，目標函數(shù)中包含碳交易成本時，系統(tǒng)的碳排放量較低。因此所建模型能夠在降低碳排放量的同時，還能滿足區(qū)域綜合能源系統(tǒng)的經(jīng)濟性要求。

4 結(jié)語

以區(qū)域綜合能源系統(tǒng)總成本最小為目標函數(shù)，電能平衡、熱／冷能平衡及微型燃氣輪機運行條件等為約束，構(gòu)建了考慮碳交易的區(qū)域綜合能源經(jīng)濟調(diào)度模型，并采用布谷鳥搜索算法進行求解。通過對比分析發(fā)現(xiàn)，所建模型在降低碳排放量同時，仍能滿足區(qū)域綜合能源系統(tǒng)的經(jīng)濟性要求。