尹碩，郭興五*，燕景，楊欽臣，張鵬

0 引言

2020 年9 月22 日，中國(guó)政府在第七十五屆聯(lián)合國(guó)大會(huì)提出：“中國(guó)將提高國(guó)家自主貢獻(xiàn)力度，采取更加有力的政策和措施，二氧化碳排放力爭(zhēng)于2030年前達(dá)到峰值，努力爭(zhēng)取2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和?！本C合能源系統(tǒng)的構(gòu)建是促進(jìn)清潔能源消納、增強(qiáng)能源梯級(jí)利用、提高能源使用效率、實(shí)現(xiàn)多種形式能源協(xié)調(diào)運(yùn)行的重要途徑。綜合能源規(guī)劃技術(shù)作為綜合能源系統(tǒng)建設(shè)、運(yùn)行的基礎(chǔ)［1-2］，是解決這一問(wèn)題的重要途徑，部分專家學(xué)者已經(jīng)取得了初步成果：文獻(xiàn)［3］提出一種多能系統(tǒng)協(xié)調(diào)優(yōu)化規(guī)劃的框架，指出了多能系統(tǒng)優(yōu)化規(guī)劃的目標(biāo)函數(shù)及約束條件需考慮的因素；文獻(xiàn)［4］針對(duì)綜合能源系統(tǒng)需求進(jìn)行深入分析，基于多場(chǎng)景規(guī)劃的理念，設(shè)計(jì)了針對(duì)區(qū)域級(jí)綜合能源系統(tǒng)的規(guī)劃方法；文獻(xiàn)［5］提出了一種基于改進(jìn)型Kriging 模型的綜合能源系統(tǒng)規(guī)劃方法。目前，綜合能源系統(tǒng)存在能源利用率低、高效優(yōu)勢(shì)無(wú)法發(fā)揮、運(yùn)營(yíng)受限和費(fèi)用高等問(wèn)題，主要原因是用戶能量品質(zhì)需求與能源供應(yīng)之間不匹配、不均衡［6-8］。本文考慮電網(wǎng)中的分布式電源容量達(dá)到較高比例（即高滲透率）和碳排放約束的園區(qū)綜合能源系統(tǒng)優(yōu)化運(yùn)行方式，具體分為日內(nèi)滾動(dòng)優(yōu)化和日前調(diào)度運(yùn)行，其中日內(nèi)滾動(dòng)優(yōu)化運(yùn)行依據(jù)能源的各自特性分為快、中間和慢3個(gè)控制子層；進(jìn)而建立考慮需求側(cè)響應(yīng)的多時(shí)間尺度優(yōu)化模型，以經(jīng)濟(jì)性和碳排放約束為目標(biāo)函數(shù)，以各種負(fù)荷供需平衡和耦合設(shè)備運(yùn)行限制為約束，引入多種儲(chǔ)能系統(tǒng)，搭建出考慮高滲透率和碳排放約束的園區(qū)綜合能源系統(tǒng)優(yōu)化運(yùn)行模型。

1 優(yōu)化控制策略邏輯框架

本文在綜合能源系統(tǒng)中充分考慮儲(chǔ)能系統(tǒng)的作用，建立包含小型燃?xì)廨啓C(jī)、電轉(zhuǎn)氣系統(tǒng)、風(fēng)機(jī)、蓄電池和蓄熱電鍋爐的綜合能源系統(tǒng)優(yōu)化運(yùn)行模型。通過(guò)分層調(diào)控機(jī)制實(shí)現(xiàn)對(duì)綜合能源系統(tǒng)冷、熱、電、氣多能流的優(yōu)化控制，上層為優(yōu)化調(diào)度層，中間層為協(xié)調(diào)控制層，底層為實(shí)時(shí)控制層。優(yōu)化調(diào)度層以運(yùn)行成本最小為目標(biāo)，結(jié)合冷、熱、電負(fù)荷需求變化，在系統(tǒng)運(yùn)行約束邊界條件內(nèi)進(jìn)行計(jì)劃優(yōu)化；協(xié)調(diào)控制層結(jié)合系統(tǒng)當(dāng)前運(yùn)行情況，根據(jù)優(yōu)化調(diào)度層得到的負(fù)荷計(jì)劃，制定冷、熱、電實(shí)時(shí)在線負(fù)荷指令，通過(guò)實(shí)時(shí)控制層下發(fā)給綜合能源系統(tǒng)相關(guān)設(shè)備的自動(dòng)控制系統(tǒng)。多能互補(bǔ)綜合能源系統(tǒng)通過(guò)整合選定區(qū)域內(nèi)的供能資源，實(shí)現(xiàn)冷、熱、電、氣多能協(xié)調(diào)供應(yīng)，以達(dá)到經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)、能源利用效率有效提高的目標(biāo)［9-12］。

分層調(diào)控機(jī)制的系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。實(shí)時(shí)控制層的協(xié)調(diào)控制器I/O 單元與綜合能源系統(tǒng)各子系統(tǒng)的控制系統(tǒng)雙向連接，采集該系統(tǒng)的設(shè)備運(yùn)行參數(shù)，由協(xié)調(diào)控制器對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行匯集；協(xié)調(diào)控制層設(shè)一對(duì)冗余的協(xié)調(diào)控制器，進(jìn)行實(shí)時(shí)在線負(fù)荷指令的運(yùn)算與控制；優(yōu)化調(diào)度層服務(wù)器與協(xié)調(diào)控制器進(jìn)行通信，獲取協(xié)調(diào)控制器采集的系統(tǒng)設(shè)備運(yùn)行參數(shù)，同時(shí)進(jìn)行冷、熱、電、氣負(fù)荷的優(yōu)化模型計(jì)算［13-14］。

2 碳源分析和排放量核算方法

2.1 碳源分析方法

本項(xiàng)目采用政府間氣候變化專門委員會(huì)（IPCC）推薦的方法研究碳源，即從能源利用和開(kāi)發(fā)的層面關(guān)注碳源，從能源的角度來(lái)考慮碳排放［15-18］。

圖1 優(yōu)化控制策略邏輯框架Fig.1 Logical framework of optimization control strategy

為實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)，我國(guó)在《2006 年IPCC 國(guó)家溫室氣體清單指南》的基本框架下，又制定了《省級(jí)溫室氣體清單編制指南》進(jìn)行補(bǔ)充說(shuō)明，對(duì)溫室氣體的來(lái)源分類和計(jì)算方法進(jìn)行了詳細(xì)解釋。根據(jù)該指南，綜合能源系統(tǒng)中CO2等溫室氣體的排放源主要有2大類：工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程和化石能源消耗。

2.2 碳排放量核算方法

常用的碳排放計(jì)算基本方法為：排放量等于排放因子和活動(dòng)水平的乘積，其中，排放因子的選擇范圍包括國(guó)家排放因子和IPCC缺省排放因子，工具模型或其他復(fù)雜測(cè)量方法。

2.2.1 化石能源燃燒

平均排放因子和化石燃料消耗量對(duì)CO2的排放量有直接影響，《2006 年IPCC 國(guó)家溫室氣體清單指南》給出了溫室氣體排放量計(jì)算方法：消耗化石燃料所產(chǎn)生的CO2排放量等于CO2排放系數(shù)和化石燃料消耗量的乘積，其中CO2排放系數(shù)為碳排放因子、碳轉(zhuǎn)換系數(shù)、碳氧化率以及低位發(fā)熱量之積。

式中：mf，ij為微源i 單位功率出力時(shí)排放的第j 項(xiàng)污染物的質(zhì)量；cf為化石能源消耗量；λf為化石能源燃燒的碳排放因子。

此方法的原理是首先將化石燃料消耗總量折算成標(biāo)準(zhǔn)煤消耗量，再乘以國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)煤的碳排放系數(shù)。GB/T 2589—2020《綜合能耗計(jì)算通則》中注明了不同能源與標(biāo)準(zhǔn)煤之間的折算參考系數(shù)，同時(shí)統(tǒng)計(jì)年鑒中可以查詢到相關(guān)能耗量。

2.2.2 工業(yè)生產(chǎn)

工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中同樣也伴隨著大量的CO2產(chǎn)生，具體研究顯示，工業(yè)生產(chǎn)的碳排放量占我國(guó)所有碳排放量的80%以上［19］。工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中碳排放較高的行業(yè)主要有采礦業(yè)、化工業(yè)、金屬制品業(yè)、電子設(shè)制造業(yè)等，工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中溫室氣體排放量的90%以上是電石、生鐵、鋼鐵尤其是水泥生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的。

式中：mp，ij為工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中的碳排放量；cp為工業(yè)生產(chǎn)消耗的能源量；λp為工業(yè)生產(chǎn)碳排放因子。

因此，工業(yè)生產(chǎn)可僅考慮水泥、電石、鋼鐵、生鐵等行業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的碳排放。根據(jù)IPCC 的建議，水泥生產(chǎn)所產(chǎn)生的碳排量=熟料排放因子×熟料產(chǎn)量，其他工業(yè)產(chǎn)品所產(chǎn)生的碳排量=排放因子×工業(yè)產(chǎn)品產(chǎn)量。

3 優(yōu)化運(yùn)行系統(tǒng)日前調(diào)度

3.1 目標(biāo)函數(shù)

3.1.1 經(jīng)濟(jì)性

日前調(diào)度以調(diào)度成本最小為目標(biāo)函數(shù)制定下一日調(diào)度計(jì)劃。

式中：Ce，Cg，Cp分別為調(diào)度時(shí)段內(nèi)購(gòu)電成本、天然氣購(gòu)買成本和設(shè)備維護(hù)成本。

購(gòu)電成本

運(yùn)行過(guò)程中各設(shè)備維護(hù)成本

式中：Wtb為設(shè)備b 的出力；Cb為設(shè)備b 的單位出力維護(hù)費(fèi)用；N為設(shè)備數(shù)量。

3.1.2 環(huán)保性

綜合能源系統(tǒng)排放的污染物考慮CO2，SO2，NOx目標(biāo)函數(shù)

式中：Pi(t)為微源i 的單位功率；T 為單位時(shí)間上限；Jej為第j 項(xiàng)污染物單位質(zhì)量排放的環(huán)境價(jià)值，元/kg；Jfj為第j 項(xiàng)污染物單位質(zhì)量排放罰款，元/kg；mij為微源i 單位功率出力時(shí)排放的第j 項(xiàng)污染物的質(zhì)量，g/（kW·h），mij= mf，ij+ mp，ij。

即目標(biāo)函數(shù)為

3.2 約束條件

（1）電能約束。

（6）綜合能源系統(tǒng)與電/天然氣網(wǎng)的交互功率約束。

式中：PGE，GSE分別為與電網(wǎng)和天然氣網(wǎng)的功率轉(zhuǎn)化值；上標(biāo)max，min分別代表上、下限值［22］。

（7）儲(chǔ)能約束。

4 優(yōu)化運(yùn)行系統(tǒng)日內(nèi)滾動(dòng)優(yōu)化調(diào)度

日內(nèi)滾動(dòng)優(yōu)化調(diào)度分為快、中間和慢3 個(gè)控制子層，根據(jù)能源調(diào)度特性的不同選擇不同的控制子層進(jìn)行優(yōu)化。調(diào)度響應(yīng)快的電能由快控制子層優(yōu)化，電能調(diào)度時(shí)長(zhǎng)為30 min，控制時(shí)長(zhǎng)為5 min；調(diào)度響應(yīng)較快的天然氣能由中間控制子層優(yōu)化，天然氣能調(diào)度時(shí)長(zhǎng)為1 h，控制時(shí)長(zhǎng)為30 min；調(diào)度響應(yīng)較慢的冷、熱能由慢控制子層優(yōu)化，冷、熱能調(diào)度時(shí)長(zhǎng)為2 h，控制時(shí)長(zhǎng)為1 h。

如圖2 所示，t0時(shí)刻，調(diào)整t0+ k1至t0+ 2k1時(shí)段電能功率和t0+ k1至t0+ 1+ k1時(shí)段的預(yù)測(cè)；調(diào)整t0+ k2至t0+ 1 時(shí)段天然氣能功率和t0+ k2至t0+1+ k2時(shí)段的預(yù)測(cè)；調(diào)整t0+ 1 至t0+ 2 時(shí)段冷、熱能功率和t0+ 1 至t0+ 3 時(shí)段的預(yù)測(cè)。由于調(diào)度時(shí)段的差異，優(yōu)先調(diào)度響應(yīng)較慢的冷、熱能，其次是天然氣能，最后調(diào)度響應(yīng)快的電能。

圖2 日內(nèi)電、氣、冷、熱能滾動(dòng)優(yōu)化調(diào)度Fig.2 Intra-day rolling optimized dispatch of electricity，natural gas，cold and heat

4.1 快控制子層調(diào)度模型

根據(jù)t 時(shí)段新能源波動(dòng)及需求側(cè)和以上2 個(gè)子層的功率變化，對(duì)日前調(diào)度進(jìn)行修正。

（1）目標(biāo)函數(shù)。

電能供需平衡約束見(jiàn)式（9），與電網(wǎng)交互功率約束見(jiàn)式（14）。

4.2 中間控制子層調(diào)度模型

各單元根據(jù)t時(shí)段天然氣負(fù)荷變化調(diào)整出力。

（1）目標(biāo)函數(shù)。

天然氣供需平衡約束見(jiàn)式（10），與天然氣網(wǎng)轉(zhuǎn)化功率約束見(jiàn)式（15）。

4.3 慢控制子層調(diào)度模型

各單元根據(jù)t時(shí)段冷、熱負(fù)荷變化調(diào)整出力。

（1）目標(biāo)函數(shù)。

冷、熱能供需平衡約束見(jiàn)式（11）、式（12），相關(guān)耦合設(shè)備約束見(jiàn)式（13）。

5 算例分析

5.1 算例模型

本項(xiàng)目選取某區(qū)域綜合能源系統(tǒng)進(jìn)行分析，天然氣價(jià)格為3.50 元/m3，折合成單位熱值價(jià)格為0.35 元（/kW·h）；與電網(wǎng)交互功率的上下限值為60，-60 kW。算例中綜合能源系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)見(jiàn)表1（表中Pmin，Pmax分別為輸出功率的最小值和最大值），峰谷分時(shí)電價(jià)見(jiàn)表2，儲(chǔ)能系統(tǒng)中βmin為0.1，βmax為0.8，和均為0.25，負(fù)荷及風(fēng)光預(yù)測(cè)曲線如圖3所示。

表1 綜合能源系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)Tab.1 Operational parameters of the integrated energy system kW

表2 峰谷分時(shí)電價(jià)Tab.2 Peak-valley time-of-use price 元（/kW·h）

5.2 多種調(diào)度模型對(duì)比

模型1：僅考慮日前調(diào)度計(jì)劃。

模型2：考慮日前調(diào)度計(jì)劃，其中日內(nèi)調(diào)度計(jì)劃模型沒(méi)有將冷、熱、電、氣能分層優(yōu)化。

圖3 負(fù)荷預(yù)測(cè)及風(fēng)光出力曲線Fig.3 Forecasted load and output curve of the wind-PV system

模型3（本文模型）：考慮日前和日內(nèi)調(diào)度計(jì)劃，日內(nèi)調(diào)度計(jì)劃模型將冷、熱、電、氣能分層優(yōu)化。

調(diào)度模型運(yùn)行成本對(duì)比見(jiàn)表3，由表3 可以見(jiàn)，模型3的運(yùn)行成本優(yōu)于模型1和模型2。

表3 調(diào)度模型運(yùn)行成本對(duì)比Tab.3 Operation cost of the dispatch model

5.3 日前調(diào)度和日內(nèi)調(diào)度優(yōu)化分析

與電網(wǎng)交互功率曲線隨著電價(jià)的變化發(fā)生波動(dòng)，高峰時(shí)段購(gòu)電量明顯減少，以達(dá)到更優(yōu)的經(jīng)濟(jì)性。對(duì)于調(diào)度時(shí)間比電能長(zhǎng)的天然氣，電價(jià)高時(shí)驅(qū)動(dòng)燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電，以保持系統(tǒng)的供需平衡，而當(dāng)天然氣價(jià)高時(shí)，減少燃?xì)廨啓C(jī)的出力。而調(diào)度時(shí)間尺度為小時(shí)的冷、熱能日內(nèi)優(yōu)化更為準(zhǔn)確，設(shè)備的出力也會(huì)有所變動(dòng)。

為充分分析日內(nèi)優(yōu)化調(diào)度結(jié)果，分別選取電價(jià)低谷段、平時(shí)段和高峰段03：00，09：00，21：00 的日內(nèi)調(diào)度結(jié)果進(jìn)行分析，見(jiàn)表4。

由表4可以看出，3個(gè)時(shí)刻的購(gòu)電在日內(nèi)調(diào)度中均有所下降，光伏和風(fēng)電的出力有所增加。其中，03：00 日前、日內(nèi)調(diào)度結(jié)果中光伏出力和燃?xì)廨啓C(jī)出力均為0，風(fēng)電出力有所增加。09：00的日內(nèi)調(diào)度光伏出力為19 kW，而日前調(diào)度光伏出力為16 kW，說(shuō)明通過(guò)日內(nèi)調(diào)度優(yōu)化，光伏出力得到充分利用；21：00 日內(nèi)調(diào)度的蓄電池出力明顯高于日前調(diào)度，說(shuō)明日內(nèi)調(diào)度能夠根據(jù)日前調(diào)度結(jié)果，結(jié)合當(dāng)前蓄電池設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，對(duì)當(dāng)前時(shí)段儲(chǔ)能設(shè)備出力進(jìn)行修正，從而提高了儲(chǔ)能設(shè)備的利用率。

表4 日內(nèi)優(yōu)化調(diào)度結(jié)果Tab.4 Intra-day optimized dispatch results kW

6 結(jié)束語(yǔ)

為實(shí)現(xiàn)降低碳排放目標(biāo)，本文根據(jù)《國(guó)家溫室氣體清單》《省級(jí)溫室氣體清單編制指南》等重點(diǎn)政策文件對(duì)溫室氣體的來(lái)源分類和計(jì)算過(guò)程進(jìn)行了詳細(xì)解釋。本文在綜合能源系統(tǒng)中充分考慮儲(chǔ)能系統(tǒng)的作用，建立了包含小型燃?xì)廨啓C(jī)、電轉(zhuǎn)氣系統(tǒng)、風(fēng)機(jī)、蓄電池和蓄熱電鍋爐的綜合能源系統(tǒng)優(yōu)化運(yùn)行模型，并將碳排放約束考慮在內(nèi)。

以經(jīng)濟(jì)性和環(huán)保性為目標(biāo)函數(shù)，以各種負(fù)荷供需平衡和耦合設(shè)備運(yùn)行限制為約束，統(tǒng)籌考慮需求側(cè)響應(yīng)的多時(shí)間尺度，搭建優(yōu)化控制層+協(xié)調(diào)控制層+實(shí)時(shí)控制層的3 層聯(lián)動(dòng)園區(qū)綜合能源協(xié)同控制優(yōu)化運(yùn)行模型，為面向高滲透率和碳排放約束的園區(qū)綜合能源系統(tǒng)優(yōu)化運(yùn)行提供技術(shù)支撐。 最后依據(jù)搭建的系統(tǒng)模型進(jìn)行計(jì)算分析，分析結(jié)果表明，本模型可以降低綜合能源系統(tǒng)的運(yùn)行成本，提高能源的利用率，消除可再生能源和負(fù)荷的隨機(jī)性和波動(dòng)性，提高儲(chǔ)能設(shè)備的利用效率，保證系統(tǒng)安全、穩(wěn)定運(yùn)行。