陳 華, 黃海曄

(國(guó)網(wǎng)上海市電力公司閘北發(fā)電廠, 上海 200438)

電能是人類生存和發(fā)展必不可缺的能源。隨著人們生活水平的不斷提高,用電負(fù)荷迅速增長(zhǎng),造成負(fù)荷的峰谷現(xiàn)象明顯,對(duì)電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性產(chǎn)生一定的不利影響[1]。由于化石燃料造成的環(huán)境污染問(wèn)題以及能源危機(jī),使得綜合能源系統(tǒng)得到了大力的發(fā)展。住宅社區(qū)作為社會(huì)的基本單元、人民生活用電的主要場(chǎng)所,其用電量尤為集中,迫切需要調(diào)整、優(yōu)化能源的資源配置。社區(qū)級(jí)綜合能源系統(tǒng)(Community-level Integrated Energy System,CIES)可以有效地保證電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行,提高能源利用率和電網(wǎng)運(yùn)行效率[2]。

CIES利用物聯(lián)網(wǎng)信息通信技術(shù)和能源技術(shù)對(duì)社區(qū)的能源資源配置進(jìn)行感知、監(jiān)測(cè)、分析和控制。通過(guò)調(diào)整系統(tǒng)內(nèi)的資源配置和分布式設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài),滿足社區(qū)內(nèi)用戶的能源需求,并能夠在電力市場(chǎng)背景下,實(shí)現(xiàn)對(duì)電價(jià)和用戶負(fù)荷需求量的合理優(yōu)化,以保證電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行[3]。

CIES的主要作用體現(xiàn)在3個(gè)方面:一是充分利用可再生能源,通過(guò)調(diào)整、優(yōu)化系統(tǒng)內(nèi)風(fēng)光發(fā)電機(jī)組和儲(chǔ)能設(shè)備的運(yùn)行策略,提高新能源的消納水平,實(shí)現(xiàn)新能源發(fā)電的就地消納;二是降低污染物排放,通過(guò)增加風(fēng)光發(fā)電等清潔能源發(fā)電機(jī)組,減少火力發(fā)電機(jī)組出力,從而降低化石能源的消耗及污染物的排放;三是大力推動(dòng)管理節(jié)能和綠色用能,通過(guò)技術(shù)和管理手段,在保證安全穩(wěn)定供電的前提下,優(yōu)化系統(tǒng)內(nèi)部各種設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)和用戶的用能策略,實(shí)現(xiàn)削峰填谷。

目前,國(guó)內(nèi)外已有眾多學(xué)者對(duì)CIES進(jìn)行了研究。文獻(xiàn)[4]分析了兩種市場(chǎng)運(yùn)行機(jī)制,提出了一種基于CPU分層控制的能源管理策略。文獻(xiàn)[5]提出了一種以系統(tǒng)總運(yùn)行成本最小為目標(biāo),考慮用戶柔性負(fù)荷參與調(diào)節(jié)的CIES日前調(diào)度模型。文獻(xiàn)[6]針對(duì)分布式設(shè)備的用戶側(cè),提出了一種以分布式發(fā)電的安裝和運(yùn)行成本最小為目標(biāo)函數(shù)的優(yōu)化模型,并與電網(wǎng)側(cè)供電費(fèi)用相結(jié)合,討論了最優(yōu)投資問(wèn)題。文獻(xiàn)[7]考慮了電網(wǎng)公司、新增實(shí)體供電方和用戶三方的利益,建立了靜態(tài)非合作博弈模型,并采用粒子群算法求得了博弈的均衡解;文獻(xiàn)[8]基于綜合能源銷售商、冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)商和用戶側(cè)三方的利益,采用主從博弈模型,提出了一種CIES運(yùn)行策略的協(xié)同優(yōu)化方法。但上述文獻(xiàn)大多集中于單一經(jīng)濟(jì)性問(wèn)題的優(yōu)化,但針對(duì)碳排放問(wèn)題的研究較少。

本文在現(xiàn)有研究的基礎(chǔ)上,提出了考慮碳排放的CIES優(yōu)化運(yùn)行模型。介紹了CIES的基本結(jié)構(gòu),提出了CIES優(yōu)化運(yùn)行的具體控制策略?？紤]系統(tǒng)運(yùn)行的直接成本和碳成本,以及相關(guān)約束條件,建立了以CIES運(yùn)行綜合成本最低為目標(biāo)的函數(shù),并通過(guò)仿真試驗(yàn)驗(yàn)證了本文所提模型的可靠性和有效性。

1 CIES的基本結(jié)構(gòu)和運(yùn)行策略

1.1 CIES的基本結(jié)構(gòu)

本文搭建的CIES主要功能包括:采集系統(tǒng)內(nèi)的各種信息(如負(fù)荷和可再生能源預(yù)測(cè)信息、能源市場(chǎng)信息、基于實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)采集的電網(wǎng)信息);優(yōu)化各發(fā)電裝置、能源轉(zhuǎn)換裝置、儲(chǔ)能裝置和用戶用能裝置之間的功率分配;實(shí)現(xiàn)分布式設(shè)備在多工作模式之間的靈活投切;實(shí)現(xiàn)微電網(wǎng)在孤島運(yùn)行與并網(wǎng)運(yùn)行模式間的平滑切換;保證敏感負(fù)荷的可靠供電,實(shí)現(xiàn)微電網(wǎng)安全、經(jīng)濟(jì)、穩(wěn)定運(yùn)行[9]。其網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 CIES的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

CIES的管理平臺(tái)架構(gòu)如圖2所示。由圖2可以看出,系統(tǒng)的能源管理平臺(tái)向上與上級(jí)供電公司進(jìn)行信息交互,接收上級(jí)電網(wǎng)下發(fā)的控制指令,包括實(shí)時(shí)電價(jià)信息和社區(qū)電能調(diào)度指令;向下接收家庭能源管理系統(tǒng)和社區(qū)公共設(shè)施能量管理系統(tǒng)上傳的可控設(shè)備和可控負(fù)荷信息,實(shí)現(xiàn)社區(qū)能源的優(yōu)化管理。通過(guò)數(shù)據(jù)信息的交互,CIES對(duì)購(gòu)電電量、系統(tǒng)內(nèi)各種設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行調(diào)整,同時(shí)為用戶提供詳盡的用能結(jié)果分析報(bào)告,使得社區(qū)居民用戶的用能更加高效化、合理化,實(shí)現(xiàn)新能源消納的最大化。

圖2 CIES的管理平臺(tái)架構(gòu)

1.2 CIES的運(yùn)行策略

本文建立的CIES系統(tǒng)包含了風(fēng)力發(fā)電、光伏發(fā)電、燃料電池、柴油發(fā)電機(jī)及儲(chǔ)能裝置。并網(wǎng)方式下的優(yōu)化運(yùn)行是指系統(tǒng)在滿足用戶負(fù)荷需求、保證供電可靠性的前提下,降低運(yùn)行成本,減少有害氣體排放量,從而實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的目的。CIES運(yùn)行策略的制訂主要考慮兩個(gè)方面:一是CIES內(nèi)部各種分布式設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)和分布式設(shè)備之間的能源協(xié)調(diào);二是CIES與大電網(wǎng)之間的電能交易。CIES根據(jù)負(fù)荷需求預(yù)測(cè)及電力公司發(fā)布的電價(jià)等因素,經(jīng)濟(jì)調(diào)度分布式設(shè)備和儲(chǔ)能單元的出力,以及與外部電網(wǎng)之間的電量交易。

CIES優(yōu)化運(yùn)行的具體控制策略如下。

(1) 優(yōu)先利用可再生能源(如風(fēng)力發(fā)電、光伏發(fā)電)的出力。

(2) 通過(guò)短期負(fù)荷預(yù)測(cè),當(dāng)機(jī)組出力無(wú)法滿足用戶負(fù)荷需求時(shí),儲(chǔ)能裝置工作。在電價(jià)低谷期從電網(wǎng)購(gòu)電,存儲(chǔ)電能;在電價(jià)高峰時(shí)儲(chǔ)能裝置優(yōu)先放電,減少?gòu)碾娋W(wǎng)購(gòu)電電量,從而達(dá)到削峰填谷的目的。

(3) 當(dāng)風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電的出力能夠滿足社區(qū)居民用戶負(fù)荷的總需求且仍有剩余時(shí),若儲(chǔ)能裝置的荷電狀態(tài)小于0.9,則優(yōu)先對(duì)儲(chǔ)能裝置充電,若儲(chǔ)能裝置達(dá)到最大容量還有多余電量,則向配電網(wǎng)售電。

(4) 當(dāng)風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電的出力無(wú)法滿足CIES電負(fù)荷需求時(shí),若儲(chǔ)能裝置的荷電狀態(tài)大于0.5,則儲(chǔ)能裝置進(jìn)行放電工作,同時(shí)監(jiān)測(cè)儲(chǔ)能裝置的充放電狀態(tài)。當(dāng)儲(chǔ)能裝置的荷電狀態(tài)達(dá)到最低荷電狀態(tài)時(shí),停止工作。

(5) 若在儲(chǔ)能裝置允許放電的范圍內(nèi)仍無(wú)法滿足用戶負(fù)荷需求時(shí),燃料電池和柴油發(fā)電機(jī)工作,釋放電能,系統(tǒng)按照經(jīng)濟(jì)運(yùn)行和低碳綜合效益最大化的優(yōu)化策略,調(diào)度燃料電池和柴油發(fā)電機(jī)的出力來(lái)滿足剩余負(fù)荷需求。

2 考慮碳排放的CIES優(yōu)化模型

2.1 目標(biāo)函數(shù)

以CIES運(yùn)行綜合成本最低為目標(biāo),其目標(biāo)函數(shù)為

minC=Ceco+Ccbn

(1)

式中:C——CIES運(yùn)行綜合成本;

Ceco——CIES運(yùn)行的直接成本;

Ccbn——CIES的綜合碳成本。

CIES運(yùn)行的直接成本可表示為

Ceco=CG+COM+CGrid+CDP

(2)

(3)

(4)

CGrid=CptCgpt-CstCspt

(5)

(6)

ADCCi=Icost×CFR

(7)

(8)

式中:CG——發(fā)電燃料消耗成本;

COM——運(yùn)行管理成本;

CGrid——CIES與大電網(wǎng)交互成本;

CDP——發(fā)電設(shè)備的折舊成本;

i——發(fā)電設(shè)備的編號(hào);

Ci——第i臺(tái)發(fā)電設(shè)備的燃料消耗成本;

Pit——第i臺(tái)發(fā)電設(shè)備在t時(shí)刻的輸出功率;

Cpt——t時(shí)刻CIES向大電網(wǎng)購(gòu)電的電價(jià);

Cgpt——t時(shí)刻CIES向大電網(wǎng)購(gòu)電的電量;

Cst——t時(shí)刻CIES向大電網(wǎng)售電的電價(jià);

Cspt——t時(shí)刻CIES向大電網(wǎng)售電的電量;

ADCCi——第i臺(tái)發(fā)電設(shè)備的年均折舊成本;

Pfci——第i臺(tái)發(fā)電設(shè)備的最大輸出功率;

c——容量因素;

Icost——發(fā)電設(shè)備單位容量安裝成本;

CFR——資金回收系數(shù);

d——利率,一般取9%～13%;

L——發(fā)電設(shè)備壽命。

綜合碳成本Ccbn可表示為

Ccbn=EDηtT-EMGηTP

(9)

ED=EWT+EPV+EFC+EDE+ESB

(10)

EMG=ED+EN

(11)

式中:ED——系統(tǒng)發(fā)電時(shí)的CO2排放量;

ηt——碳稅的征收比例系數(shù);

T——單位碳排放下所需繳的稅額;

EMG——CIES發(fā)電的CO2排放量和從電網(wǎng)購(gòu)電造成的CO2排放量之和;

ηT——CO2減排量占排放總量的比例;

P——交易價(jià)格;

EWT,EPV,EFC——風(fēng)力發(fā)電、光伏發(fā)電、燃料電池發(fā)電造成的CO2排放量;

EDE,ESB——柴油發(fā)電機(jī)、儲(chǔ)能裝置發(fā)電造成的CO2排放量[10];

EN——從電網(wǎng)購(gòu)電造成的CO2排放量。

按照碳匯理論[11],CIES從電網(wǎng)購(gòu)買電能,其發(fā)電的源頭也會(huì)產(chǎn)生CO2,且排放量為購(gòu)電量的函數(shù)。這部分碳稅成本實(shí)際上是包含在所支付的電價(jià)中。

綜上所述,CIES用電產(chǎn)生的CO2排放量EN為

(12)

PDSG=PWT+PPV+PFC+PDE

(13)

式中:LN——CIES內(nèi)的負(fù)荷總需求;

PSB——儲(chǔ)能裝置的發(fā)電出力;

sgn——符號(hào)函數(shù);

PDSG——除儲(chǔ)能裝置外,各分布式設(shè)備的發(fā)電出力總和;

DN——購(gòu)電總量;

PWT,PPV——風(fēng)力發(fā)電、光伏發(fā)電的出力;

PFC,PDE——燃料電池和柴油發(fā)電機(jī)的出力。

2.2 約束條件

CIES優(yōu)化模型需滿足的約束條件主要有:功率平衡約束;發(fā)電設(shè)備出力限制約束;聯(lián)絡(luò)線傳輸功率約束;儲(chǔ)能裝置容量約束;儲(chǔ)能裝置充放電約束。

各機(jī)組出力必須滿足的等式約束條件為

(14)

式中:PLoad——CIES的所有負(fù)荷;

PDN——大電網(wǎng)供電量;

PGN,i——第i臺(tái)發(fā)電設(shè)備在某時(shí)刻的輸出功率。

各發(fā)電設(shè)備出力需滿足機(jī)組容量限制,表達(dá)式為

(15)

CIES與大電網(wǎng)交互的聯(lián)絡(luò)線傳輸功率需滿足

Pline,min≤Pline≤Pline,max

(16)

式中:Pline——某時(shí)刻CIES與大電網(wǎng)的傳輸功率;

Pline,min,Pline,max——CIES與大電網(wǎng)之間聯(lián)絡(luò)線上的最小和最大安全傳輸功率。

對(duì)于儲(chǔ)能裝置來(lái)說(shuō),必須滿足荷電狀態(tài)約束

SOC,min≤SOC≤SOC,max

(17)

式中:SOC——某時(shí)刻儲(chǔ)能裝置的荷電狀態(tài);

SOC,min,SOC,max——儲(chǔ)能裝置的最小和最大荷電狀態(tài)。

儲(chǔ)能裝置的壽命會(huì)受到充放電次數(shù)的影響。充放電次數(shù)過(guò)多將縮短其使用壽命,且每小時(shí)的充放電容量不能超過(guò)其最大容量的20%。

設(shè)Δt為充放電時(shí)間,則需滿足

(18)

式中:P+,P-——儲(chǔ)能裝置的充電功率和放電功率;

Vsys——直流母線電壓;

Cbatt——儲(chǔ)能裝置的額定容量,假設(shè)儲(chǔ)能裝置的初始荷電狀態(tài)為100%的額定容量。

3 算例仿真

本文以分布式設(shè)備組成的小型系統(tǒng)為例進(jìn)行仿真分析。系統(tǒng)中主要包含的分布式電源為風(fēng)力發(fā)電、光伏發(fā)電、燃料電池、柴油發(fā)電機(jī)及儲(chǔ)能裝置。將一日的24 h根據(jù)用戶負(fù)荷需求分為峰、谷、平3個(gè)時(shí)期,共計(jì)6個(gè)時(shí)段:時(shí)段1為23:00—07:00;時(shí)段2為07:00—10:00;時(shí)段3為10:00—15:00;時(shí)段4為15:00—18:00;時(shí)段5為18:00—21:00;時(shí)段6為21:00—23:00。其中,時(shí)段3和時(shí)段5為負(fù)荷集中期,稱為峰時(shí)段;時(shí)段1為負(fù)荷使用低谷期,稱為谷時(shí)段;時(shí)段2、時(shí)段4和時(shí)段6稱為平時(shí)段。本文采用峰、谷、平分時(shí)電價(jià)進(jìn)行計(jì)算,購(gòu)電和售電價(jià)格如表1所示。各時(shí)段的負(fù)荷需求如表2所示。分布式電源的具體參數(shù)如表3所示。

表1 系統(tǒng)各時(shí)段的購(gòu)、售電價(jià)格 單位:元/kWh

表2 一天內(nèi)6個(gè)時(shí)段的負(fù)荷需求 單位:kWh

表3 分布式電源的參數(shù)

本文中取風(fēng)力發(fā)電、光伏發(fā)電、燃料電池和柴油發(fā)電機(jī)的單位發(fā)電成本分別為0.44元/kWh,0.51元/kWh,0.30元/kWh,0.55元/kWh;CO2排放強(qiáng)度分別為0,0,0.448 kg/kWh,0.648 kg/kWh;電網(wǎng)發(fā)電側(cè)的平均CO2排放強(qiáng)度為0.79 kg/kWh;低碳排放激勵(lì)為0.05元/kWh;CO2的排放稅為50元/t;納稅比例系數(shù)為100%。由于網(wǎng)絡(luò)損耗較小,故可忽略不計(jì)。

圖3為某一典型日24 h內(nèi)風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電的出力預(yù)測(cè)及負(fù)荷需求預(yù)測(cè)結(jié)果。

圖3 典型日內(nèi)風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電的出力預(yù)測(cè)及負(fù)荷需求預(yù)測(cè)結(jié)果

根據(jù)上述數(shù)據(jù),利用遺傳算法計(jì)算得到各分布式設(shè)備的日前調(diào)度優(yōu)化結(jié)果如表4所示。其中,儲(chǔ)能裝置出力正值表示儲(chǔ)能設(shè)備放電,負(fù)值表示充電。

表4 日前調(diào)度優(yōu)化結(jié)果 單位:kWh

由表4可以看出,風(fēng)光發(fā)電的出力受環(huán)境因素的影響較大,各時(shí)段出力差異較為明顯。由于夜間凌晨時(shí)的風(fēng)速較高,往往達(dá)到一日中的最大值,所以風(fēng)力發(fā)電在時(shí)段1的出力值較大。相反,夜間至清晨的光照薄弱,光伏發(fā)電出力幾乎為零。由于燃料電池的CO2排放強(qiáng)度相對(duì)較低,因此也成為主要的發(fā)電設(shè)備。在谷時(shí)段期間,由于負(fù)荷需求量較小,系統(tǒng)購(gòu)電價(jià)格較低,因此儲(chǔ)能裝置進(jìn)行充電,向大電網(wǎng)的購(gòu)電量增大;而在峰時(shí)段期間,負(fù)荷需求量較大,分布式設(shè)備出力不足,購(gòu)電電價(jià)高,因此儲(chǔ)能裝置進(jìn)行放電。儲(chǔ)能裝置的壽命與其充放電次數(shù)密切相關(guān),按照分時(shí)電價(jià)劃分時(shí)段后,很好地控制了儲(chǔ)能裝置的充放電次數(shù),對(duì)提高系統(tǒng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性也非常有益。

根據(jù)式(2)～式(13),各時(shí)段分布式電源直接經(jīng)濟(jì)成本、CO2排放值、綜合碳成本如表5所示。

表5 各時(shí)段分布式設(shè)備的經(jīng)濟(jì)性參數(shù)值

由表5可以看出,由于CIES中加入了碳交易機(jī)制,清潔能源的優(yōu)勢(shì)凸顯,可在碳交易市場(chǎng)中獲利,從而使得各時(shí)段的低碳綜合成本低于直接經(jīng)濟(jì)成本,發(fā)電CO2排放也低于用電CO2排放,環(huán)保效益得到提升。

由上述結(jié)果可知,系統(tǒng)一日內(nèi)總的綜合碳成本為1 220.75元,直接經(jīng)濟(jì)成本為1 355.3元,分布式設(shè)備的發(fā)電量及從電網(wǎng)購(gòu)電的電量總和為6 990.25 kWh,發(fā)電造成的CO2排放量為2.48 t,單位發(fā)電排碳量為0.35 kg/kWh;用電造成的CO2排放量為3.77 t,單位用電的排碳量為0.54 kg/kWh;發(fā)、用電的CO2排放率均小于傳統(tǒng)電網(wǎng)發(fā)電側(cè)的排放強(qiáng)度0.79 kg/kWh。系統(tǒng)的低碳效益顯而易見(jiàn),證明了CIES優(yōu)化模型的可靠性和有效性。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文針對(duì)住宅社區(qū)用電集中、峰谷差較大而對(duì)電網(wǎng)不利的現(xiàn)象,就如何提高社區(qū)內(nèi)部資源有序配置問(wèn)題展開(kāi)了研究。首先,提出了一種含風(fēng)力發(fā)電、光伏發(fā)電、燃料電池、柴油發(fā)電機(jī)及儲(chǔ)能裝置的CIES模型,以及系統(tǒng)優(yōu)化運(yùn)行的具體控制策略;然后,在滿足系統(tǒng)負(fù)荷需求和可靠性的前提下,使系統(tǒng)運(yùn)行成本最小、污染氣體排放最少,建立了優(yōu)化模型,模型以CIES運(yùn)行綜合成本最低為目標(biāo),考慮了相關(guān)的約束條件,并采用遺傳算法進(jìn)行了求解;最后,通過(guò)仿真驗(yàn)證了該模型能夠有效降低系統(tǒng)運(yùn)行的直接成本,并且低碳效益十分顯著。本文忽略了用戶的滿意程度,并且沒(méi)有考慮機(jī)組的啟停成本,因此今后需要在這些問(wèn)題上展開(kāi)更進(jìn)一步的研究。