郭文鑄，王海偉，丁亮，余佩遙，李怡瑾，唐昊

（1.國(guó)網(wǎng)安徽省電力有限公司合肥供電公司，安徽省合肥市230000；2.合肥工業(yè)大學(xué)電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院，安徽省合肥市230000）

0 引言

隨著可再生能源滲透率的提高，微電網(wǎng)作為大電網(wǎng)的有效補(bǔ)充形式以及可再生能源的有效利用形式將越來(lái)越普及[1-2]。微電（能）網(wǎng)的概念最早由美國(guó)提出，由于有助于實(shí)現(xiàn)多種能源形式的高可靠供給，世界各國(guó)紛紛對(duì)微電（能）網(wǎng)展開(kāi)研究。微電網(wǎng)建設(shè)的規(guī)劃設(shè)計(jì)直接影響其投資成本、運(yùn)行可靠性和經(jīng)濟(jì)性，需研究不同類(lèi)型能量間的優(yōu)化調(diào)度來(lái)更準(zhǔn)確地描述微網(wǎng)建設(shè)中的運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性，進(jìn)而更準(zhǔn)確地刻畫(huà)微網(wǎng)建設(shè)經(jīng)濟(jì)性。

冷熱電聯(lián)供微網(wǎng)是一種能同時(shí)滿(mǎn)足用戶(hù)冷熱電綜合能源需求的復(fù)雜微網(wǎng)系統(tǒng)，針對(duì)冷熱電微網(wǎng)內(nèi)部設(shè)備種類(lèi)和容量的規(guī)劃問(wèn)題，文獻(xiàn)[3]給出了2種方法：一種是將待優(yōu)化的設(shè)備容量統(tǒng)一到一個(gè)目標(biāo)函數(shù)下進(jìn)行一階段優(yōu)化；另一種是將優(yōu)化過(guò)程分為2個(gè)階段，第一階段確定設(shè)備類(lèi)型及容量，第二階段確定系統(tǒng)的運(yùn)行策略等。文獻(xiàn)[4]提出了包括最大化投資收益率、最大化供電可靠性、最小化污染物排放量等多種評(píng)價(jià)指標(biāo)。在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，既可以考慮采用單一目標(biāo)函數(shù)，也可以綜合考慮多種目標(biāo)。文獻(xiàn)[5]針對(duì)冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)容量配置問(wèn)題，提出基于粒子群算法的三級(jí)協(xié)同整體優(yōu)化方法，第一級(jí)求解最優(yōu)設(shè)備選型問(wèn)題，第二級(jí)求解設(shè)備最優(yōu)容量問(wèn)題，第三級(jí)求解最優(yōu)運(yùn)行參數(shù)問(wèn)題。文獻(xiàn)[6]基于以熱定電、以電定熱、多目標(biāo)綜合效益3種運(yùn)行模式分析了冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)的優(yōu)化配置問(wèn)題。

以上文獻(xiàn)雖然針對(duì)冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)(combined cooling heating and power system，CCHP)優(yōu)化容量配置問(wèn)題進(jìn)行了研究，但這些研究未充分考慮儲(chǔ)能的作用。作為能量的時(shí)間轉(zhuǎn)換裝置，儲(chǔ)能裝置在微網(wǎng)系統(tǒng)中可提高能源利用效率和經(jīng)濟(jì)性。在針對(duì)含電儲(chǔ)能的微網(wǎng)系統(tǒng)中，文獻(xiàn)[7]針對(duì)電池儲(chǔ)能系統(tǒng)，將多目標(biāo)優(yōu)化問(wèn)題轉(zhuǎn)換為單目標(biāo)優(yōu)化問(wèn)題，并采用動(dòng)態(tài)規(guī)劃的方法求解儲(chǔ)能最優(yōu)容量。文獻(xiàn)[8]在給定運(yùn)行策略下，提出了使用遺傳算法針對(duì)獨(dú)立風(fēng)光柴儲(chǔ)系統(tǒng)的容量進(jìn)行優(yōu)化配置。在針對(duì)含熱儲(chǔ)能的微網(wǎng)系統(tǒng)中，文獻(xiàn)[9]提出了含儲(chǔ)熱的電力系統(tǒng)電熱綜合調(diào)度模型，相比傳統(tǒng)模型增加了系統(tǒng)熱平衡約束，熱電機(jī)組的熱電耦合約束等，采用了供電及供熱總煤耗最低的目標(biāo)函數(shù)。文獻(xiàn)[10]將日前調(diào)度策略作為上層目標(biāo)函數(shù)，儲(chǔ)能配置容量作為下層約束，建立了規(guī)劃?調(diào)度雙層模型。以上文獻(xiàn)對(duì)含儲(chǔ)能微網(wǎng)系統(tǒng)的配置優(yōu)化問(wèn)題進(jìn)行了研究，但在調(diào)度策略的選擇上多采用經(jīng)驗(yàn)策略，即當(dāng)供能過(guò)剩時(shí)儲(chǔ)能裝置充能，供能出現(xiàn)缺額時(shí)儲(chǔ)能裝置放能，運(yùn)行策略相對(duì)固定，針對(duì)電熱儲(chǔ)能在多能源形式微網(wǎng)下的互補(bǔ)協(xié)同運(yùn)行的調(diào)度缺乏根據(jù)負(fù)荷變化進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整的靈活性，因此，有必要展開(kāi)含儲(chǔ)能的微網(wǎng)在最優(yōu)調(diào)度下的容量配置問(wèn)題。

此外，目前微網(wǎng)的建設(shè)方案主要包括電能替代、水源熱泵三聯(lián)供、綜合能源等方案。其中電能替代方案主要倡導(dǎo)“以電代煤、以電代油”的新型能源消費(fèi)模式[11]；水源熱泵三聯(lián)供方案以冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)為主要供能設(shè)備，水源熱泵作為輔助能源設(shè)備，可滿(mǎn)足系統(tǒng)內(nèi)多元化用能需求，對(duì)不同形式的能源進(jìn)行協(xié)同優(yōu)化，有效提升能源利用效率[12-13]；考慮光伏發(fā)電已經(jīng)發(fā)展成為一項(xiàng)重要且成熟的分布式能源技術(shù)[14]，因此在綜合能源方案中，將光伏發(fā)電作為一項(xiàng)新增可再生能源，與水源熱泵三聯(lián)供系統(tǒng)進(jìn)行配合建設(shè)，并配置一定的熱儲(chǔ)能及電儲(chǔ)能是一種可行的方案。除了微網(wǎng)建設(shè)方案之外，能源設(shè)備是否高效協(xié)同運(yùn)行也至關(guān)重要，其與容量配置共同決定系統(tǒng)總體經(jīng)濟(jì)性。隨著智能電網(wǎng)的普及，人工智能技術(shù)成為解決多能源協(xié)同調(diào)度問(wèn)題的重點(diǎn)研究方案[15-16]。文獻(xiàn)[17]提出可以使用強(qiáng)化學(xué)習(xí)來(lái)解決微網(wǎng)能量調(diào)度問(wèn)題。文獻(xiàn)[18]分析了強(qiáng)化學(xué)習(xí)算法相比于基于模型的傳統(tǒng)調(diào)度算法的優(yōu)勢(shì)，并驗(yàn)證了強(qiáng)化學(xué)習(xí)在處理微網(wǎng)中儲(chǔ)能調(diào)度問(wèn)題能夠獲得比傳統(tǒng)控制更好的效果。文獻(xiàn)[19]利用Q學(xué)習(xí)算法對(duì)含光伏及儲(chǔ)能的冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)進(jìn)行運(yùn)行策略的優(yōu)化，并驗(yàn)證了所得策略的最優(yōu)性。現(xiàn)階段在復(fù)雜微網(wǎng)容量規(guī)劃中，由于系統(tǒng)控制變量多，狀態(tài)變量復(fù)雜，導(dǎo)致Q學(xué)習(xí)方法可能受到維數(shù)災(zāi)難問(wèn)題。

針對(duì)上述研究的不足，本文采用深度強(qiáng)化學(xué)習(xí)算法對(duì)系統(tǒng)中多類(lèi)能源裝置以及儲(chǔ)能的優(yōu)化策略進(jìn)行求解，對(duì)電能替代、熱泵三聯(lián)供、綜合能源3類(lèi)方案進(jìn)行比較，通過(guò)比較各方案和相應(yīng)配置下系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)，給出微網(wǎng)建設(shè)建議，為微網(wǎng)建設(shè)提供參考。

1 商業(yè)建筑的負(fù)荷特性描述

商業(yè)區(qū)域是微網(wǎng)建設(shè)的重要對(duì)象之一，其對(duì)多種類(lèi)型負(fù)荷的需求與其營(yíng)業(yè)時(shí)間緊密相關(guān)。商業(yè)建筑全年?duì)I業(yè)時(shí)間受節(jié)假日影響較小，營(yíng)業(yè)時(shí)間一般集中在08:00—22:00，日營(yíng)業(yè)時(shí)間約為14h。此外，商業(yè)建筑占地面積大，人流量密集，為了保證環(huán)境的舒適性，通常營(yíng)業(yè)時(shí)間內(nèi)商業(yè)建筑的冷負(fù)荷較大，且用冷時(shí)段集中于下午及傍晚時(shí)段，熱電負(fù)荷變化趨勢(shì)與冷負(fù)荷大致相同；而營(yíng)業(yè)時(shí)間外的日冷熱電負(fù)荷則維持在一個(gè)較低水平。由于系統(tǒng)中負(fù)荷特性比單一能源形式復(fù)雜，會(huì)對(duì)建設(shè)方案的選擇與運(yùn)行策略的優(yōu)化產(chǎn)生影響，因此本文針對(duì)商業(yè)區(qū)域的負(fù)荷特點(diǎn)，提出如下3種微網(wǎng)建設(shè)方案。

2 微網(wǎng)建設(shè)方案

2.1 電能替代方案

電能替代主要通過(guò)將滿(mǎn)足冷熱負(fù)荷需求的設(shè)備調(diào)整為電制冷、電加熱設(shè)備，該方案下微網(wǎng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，其主要能源形式有：

圖1 電能替代方案下微網(wǎng)結(jié)構(gòu)Fig.1 Microgrid structure under electric power alternative plan

1）離心式水冷機(jī)組。

離心式水冷機(jī)組依靠離心式壓縮機(jī)中高速旋轉(zhuǎn)的葉輪所產(chǎn)生的離心力進(jìn)行制冷，其制冷功率為

2）電鍋爐。

電鍋爐采用金屬管狀電加熱器，通過(guò)加熱水使電能直接轉(zhuǎn)化為熱能，其制熱功率為

式中：Theb(t)為 電鍋爐制熱功率；peb(t)為電鍋爐輸入電功率；為電鍋爐制熱效率。

電能替代方案下系統(tǒng)能流平衡關(guān)系為：

式中：pcool(t)為系統(tǒng)的冷負(fù)荷；pth(t)為系統(tǒng)的熱負(fù)荷；pele(t)為 系統(tǒng)的電負(fù)荷；pgrid(t)為系統(tǒng)與大電網(wǎng)的交互功率。

系統(tǒng)從時(shí)刻T運(yùn)行至?xí)r刻T+Δt過(guò)程中的運(yùn)行代價(jià)為

式 中fgrid(t)為t時(shí)刻電價(jià)。

2.2 水源熱泵三聯(lián)供方案

本方案以三聯(lián)供機(jī)組實(shí)現(xiàn)冷熱電聯(lián)產(chǎn)為主要供能方式，水源熱泵作為輔助供冷制熱設(shè)備，離心式水冷機(jī)組作為供冷補(bǔ)充，電鍋爐作為供熱補(bǔ)充，該方案微網(wǎng)結(jié)構(gòu)如圖2所示，其主要能源形式為：

圖2 水源熱泵三聯(lián)供方案微網(wǎng)結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of CCHP plan with water source heat pump

1）燃?xì)馊?lián)供機(jī)組。

燃?xì)馊?lián)供的主要優(yōu)勢(shì)是可利用燃?xì)廨啓C(jī)組產(chǎn)生廢熱煙氣回收實(shí)現(xiàn)冷熱電聯(lián)產(chǎn)，燃?xì)廨啓C(jī)組由多臺(tái)燃?xì)廨啓C(jī)并聯(lián)組成，設(shè)燃?xì)廨啓C(jī)總數(shù)為Nmt，熱電比為βmt， 投入運(yùn)行的燃?xì)馀_(tái)數(shù)為nmt；燃?xì)廨啓C(jī)組總共提供電功率為p(t)，有功功率平均分配給每一臺(tái)燃?xì)廨啓C(jī)，則pmt(t)=p(t)/nmt，同時(shí)熱功率Thmt(t)=pmt(t)βmt，且pmt(t)應(yīng)滿(mǎn)足：

2）再生水源熱泵機(jī)組。

再生水源熱泵機(jī)組通過(guò)回收污水廠外排水低溫余熱，再生水吸取機(jī)組冷凝熱或向機(jī)組蒸發(fā)器釋放熱量，從而實(shí)現(xiàn)供冷供熱，再生水源熱泵機(jī)組的輸入電功率pwp(t)應(yīng)滿(mǎn)足：

式中：分別表示水源熱泵的最小輸入電功率和最大輸入電功率。

再生水源熱泵制冷功率、制熱功率為：

水源熱泵三聯(lián)供方案系統(tǒng)下能流平衡關(guān)系為：

系統(tǒng)從時(shí)刻T運(yùn)行至?xí)r刻T+Δt過(guò)程中的運(yùn)行代價(jià)為：

式中：cst為機(jī)組啟停代價(jià)；cpr為機(jī)組運(yùn)行代價(jià)，

2.3 綜合能源方案

本方案在水源熱泵三聯(lián)供方案的基礎(chǔ)上以光伏發(fā)電作為新增新能源形式，配置一定的熱儲(chǔ)能及電儲(chǔ)能，其微網(wǎng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 綜合能源方案微網(wǎng)結(jié)構(gòu)Fig.3 Microgrid structure of integrated energy plan

光伏出力與氣象條件密切相關(guān)，將光照強(qiáng)度等因素對(duì)應(yīng)為不同的氣象系數(shù)，光伏出力為光伏裝機(jī)容量pvbase與氣象系數(shù)α(t)的乘積，即

電儲(chǔ)能裝置的充放電功率pes(t)可在其約束范圍內(nèi)進(jìn)行充放，即

電儲(chǔ)能充放電過(guò)程中的能量損耗代價(jià)ces為

式中：βes為 代價(jià)系數(shù)；ηes為 電儲(chǔ)能效率；表示電儲(chǔ)能與其外部的交換功率。

熱儲(chǔ)能在充放過(guò)程中存在能量損耗代價(jià)cths，并設(shè)熱能流失代價(jià)cthw，其與cths可表示為：

式中：βths為熱儲(chǔ)能充放損耗代價(jià)系數(shù)；ηths為熱儲(chǔ)能效率；表示熱儲(chǔ)能裝置與其外部的熱交換功率； βthw為流失熱代價(jià)系數(shù)。

綜合能源方案下系統(tǒng)能流平衡關(guān)系為：

式中：Thths(t)為 時(shí)刻熱儲(chǔ)能功率；ppv(t)為時(shí)刻光伏出力；pes為時(shí)刻電儲(chǔ)能功率。

綜上所述，系統(tǒng)從時(shí)刻T運(yùn)行至?xí)r刻T+Δt過(guò)程中的運(yùn)行代價(jià)為

3 調(diào)度優(yōu)化模型及方法

由于本節(jié)考慮的是有限時(shí)段內(nèi)的調(diào)度優(yōu)化問(wèn)題，因此將一天等分為K個(gè)決策周期，其中第k個(gè)決策周期對(duì)應(yīng)時(shí)段為[tk,tk+1)，tk為該周期決策時(shí)刻。定義系統(tǒng)狀態(tài)向量為s。

在電能替代方案下s表示為

在水源熱泵三聯(lián)供方案下s表示為

在綜合能源方案下s表示為

系統(tǒng)的行動(dòng)包括燃?xì)鈾C(jī)組的起停，電儲(chǔ)能、熱儲(chǔ)能的充放，定義系統(tǒng)行動(dòng)集D=Dmt×Des×Dths，a=(amt,aes,aths)∈D表示系統(tǒng)行動(dòng)向量，其中aes表 示電儲(chǔ)能充放電行動(dòng)；aths表示熱儲(chǔ)能充放行動(dòng)；amt表示燃?xì)鈾C(jī)組開(kāi)啟臺(tái)數(shù)。

當(dāng)前決策時(shí)刻為tk時(shí)，在系統(tǒng)狀態(tài)sk下選擇行動(dòng)ak，經(jīng)過(guò)一個(gè)決策周期T，系統(tǒng)狀態(tài)轉(zhuǎn)移到sk+1，得到一個(gè)狀態(tài)轉(zhuǎn)移過(guò)程為系統(tǒng)運(yùn)行代價(jià)c在第k個(gè)決策周期所對(duì)應(yīng)的值。

定義系統(tǒng)在策略π下從初始狀態(tài)s0開(kāi)始運(yùn)行，優(yōu)化性能準(zhǔn)則Vπ(s0)如下：

系統(tǒng)能量調(diào)度優(yōu)化目標(biāo)是在與環(huán)境交互的學(xué)習(xí)過(guò)程中，從策略集Ω中找到最優(yōu)策略π?，使系統(tǒng)的平均運(yùn)行代價(jià)最低，即使得優(yōu)化性能準(zhǔn)則最小化。

針對(duì)優(yōu)化策略的求解，深度強(qiáng)化學(xué)習(xí)（deepQ-network，DQN）算法在處理大規(guī)模復(fù)雜優(yōu)化問(wèn)題上相比傳統(tǒng)的優(yōu)化方法具有顯著優(yōu)勢(shì)，但在求解目標(biāo)函數(shù)過(guò)程中存在過(guò)估計(jì)問(wèn)題，因此，本文采用結(jié)構(gòu)如圖4所示雙網(wǎng)絡(luò)深度Q學(xué)習(xí)算法（double deepQ-network，DDQN），通過(guò)利用2個(gè)結(jié)構(gòu)相同但值函數(shù)不同的網(wǎng)絡(luò)分別實(shí)現(xiàn)動(dòng)作的選擇和動(dòng)作的評(píng)估，從而解決過(guò)估計(jì)問(wèn)題[20]。

圖4 DDQN算法結(jié)構(gòu)Fig.4 Structure of DDQN algorithm

算法的具體流程如下：

步驟1：定義系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)，如決策周期ΔT，經(jīng)驗(yàn)池容量M，學(xué)習(xí)步數(shù)Sstep等。

步驟2：初始化網(wǎng)絡(luò)1和網(wǎng)絡(luò)2層數(shù)和每層神經(jīng)元個(gè)數(shù)，初始化網(wǎng)絡(luò)參數(shù)θ1和 θ2；設(shè)定樣本池容量和樣本批次容量。

步驟3：初始化系統(tǒng)狀態(tài)s0，在當(dāng)前狀態(tài)下選擇行動(dòng)a，經(jīng)過(guò)一個(gè)運(yùn)行周期獲得下一狀態(tài)s′和運(yùn)行代價(jià)c，將存入樣本池，重復(fù)至樣本池滿(mǎn)。

步驟4：重復(fù)以下步驟①到⑥，直到Sstep=Ntrain步。

①?gòu)臉颖境刂须S機(jī)選擇一個(gè)樣本批次的樣本，并對(duì)樣本進(jìn)行歸一化處理，得到②將s?輸入網(wǎng)絡(luò)1獲得該狀態(tài)下所有行動(dòng)對(duì)應(yīng)的Q值，即 網(wǎng) 絡(luò) 輸 出：Q1(s,·)。③將分 別 輸 入網(wǎng) 絡(luò)1和 網(wǎng) 絡(luò)2，獲 得Q1(s′,·)和Q2(s′,·)，選 擇從 而 得 到根 據(jù) 公 式Qtarget=c+γQ2(s′,a?)計(jì) 算 獲 得④根 據(jù)Qtarget(s,·)和網(wǎng)絡(luò)1輸出，計(jì)算損失函數(shù)并利用梯度下降算法更新網(wǎng)絡(luò)1參數(shù)θ1。⑤每經(jīng)過(guò)Nupdate步更新網(wǎng)絡(luò)1參數(shù)賦值給網(wǎng)絡(luò)2。⑥產(chǎn)生新樣本并替換樣本池中樣本，更新樣本池。

4 結(jié)果分析

以合肥市濱湖區(qū)某建筑區(qū)域?yàn)槔?，?duì)上述3種微網(wǎng)建設(shè)方案進(jìn)行仿真分析，該區(qū)域光伏及冷熱電負(fù)荷曲線如圖5所示。

圖5 光伏與多種類(lèi)負(fù)荷曲線Fig.5 Curves of PV and multi-type loads

微網(wǎng)向電網(wǎng)購(gòu)電的價(jià)格參考合肥市現(xiàn)行分時(shí)電價(jià)的標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)定08:00至22:00共14 h實(shí)行高峰電價(jià)，電價(jià)為0.5653元/(kW·h)；規(guī)定22:00至次日08:00共10 h實(shí)行低谷電價(jià)，電價(jià)為0.3153元/(kW·h)；向電網(wǎng)售電時(shí)，參考安徽省發(fā)電企業(yè)的上網(wǎng)電價(jià)，上網(wǎng)電價(jià)為0.398元/(kW·h)；三聯(lián)供系統(tǒng)采用天然氣發(fā)電時(shí)參考合肥市天然氣氣價(jià)為2.72元/m3。

4.1 電能替代方案

電能替代方案下能源配置以滿(mǎn)足峰值冷、熱負(fù)荷為目標(biāo)，能源配置情況為制冷量3516 kW的離心式水冷機(jī)組3臺(tái)，制熱功率2100 kW的CWDR2.1電熱鍋爐3臺(tái)，投資成本為1104萬(wàn)元。

電能替代方案由市電直接供電，離心式水冷機(jī)組直接供冷，電熱鍋爐直接供熱，不需要進(jìn)行運(yùn)行策略?xún)?yōu)化，其年運(yùn)行成本為548.01萬(wàn)元，日內(nèi)各時(shí)段系統(tǒng)與市電交互功率見(jiàn)圖6。電能替代方案中能源結(jié)構(gòu)較為單一，夏季大量冷負(fù)荷需求和冬季大量熱負(fù)荷需求造成整體用電量大大增加。供冷季和供暖季單一的供能方式缺少能源互補(bǔ)的優(yōu)勢(shì)，導(dǎo)致運(yùn)行成本增大。電熱鍋爐和離心式水冷機(jī)組只在對(duì)應(yīng)的季節(jié)工作，其余時(shí)段閑置，設(shè)備利用率低，產(chǎn)生資源浪費(fèi)。推進(jìn)電能替代主要效益體現(xiàn)在系統(tǒng)建設(shè)難度小，減少區(qū)域環(huán)境污染，但會(huì)提高建設(shè)支出及運(yùn)行成本。

圖6 電能替代方案下市電交互功率Fig.6 Exchange power with grid of electric power alternative plan

4.2 水源熱泵三聯(lián)供方案

考慮該地區(qū)現(xiàn)有一座再生水廠，水源熱泵所需的可再生能源供給充足，因此以燃?xì)馊?lián)供為主要供能設(shè)備，以水源熱泵，離心冷水機(jī)組及電加熱鍋爐作為供能補(bǔ)充，考慮不同水源熱泵滲透率下的水源熱泵三聯(lián)供方案對(duì)比，不同滲透率下能源配置及系統(tǒng)投資成本見(jiàn)表1。

表1 不同水源熱泵滲透率下能源配置及投資成本Table 1 Energy configuration and investment cost under water source heat pump permeability

根據(jù)不同滲透率下所得最優(yōu)運(yùn)行策略，得到不同滲透率下水源熱泵三聯(lián)供方案的年運(yùn)行成本，然后以電能替代方案為基準(zhǔn)，計(jì)算出不同水源熱泵滲透率下微網(wǎng)系統(tǒng)的投資收益率及投資回收期，所得結(jié)果見(jiàn)表2。

以上電能替代方案下僅采用離心式水冷機(jī)組和電加熱鍋爐導(dǎo)致設(shè)備在不同季節(jié)會(huì)閑置。再生水源熱泵和三聯(lián)供系統(tǒng)會(huì)增加系統(tǒng)建設(shè)的初始投資，但其全年均能供冷供熱，設(shè)備利用率高。表2中水源熱泵滲透率越高，經(jīng)濟(jì)效益越好，但考慮設(shè)備維護(hù)難度、可行性等因素，水源熱泵容量不易過(guò)大。結(jié)合該地區(qū)再生水廠供能條件，采用水源熱泵三聯(lián)供方案進(jìn)行微網(wǎng)建設(shè)時(shí)，可選擇水源熱泵滲透率為18.07%的能源配置方案，該方案下學(xué)習(xí)優(yōu)化曲線見(jiàn)圖7，經(jīng)驗(yàn)策略下年運(yùn)行成本為434.04萬(wàn)元，優(yōu)化策略下年運(yùn)行成本為397.60萬(wàn)元。

表2 不同水源熱泵滲透率下的經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)Table 2 Economic indicators under various water source heat pump permeability

圖7 水源熱泵滲透率為18.07%的優(yōu)化曲線Fig.7 Optimal curve when the water source heat pump permeability is equal to 18.07%

優(yōu)化策略下該方案經(jīng)濟(jì)性如圖8虛線框所示，投資收益率為10.97%，投資回收期9.12 a。該方案能源配置為單臺(tái)電功率1400 kW的C1400 N5C燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組3臺(tái)，制冷量1912 kW、制熱量1923 kW的DRSW-555-2AF再生水源熱泵1臺(tái)，制冷量3918 kW的開(kāi)利19XR5051385CQS離心式水冷機(jī)組1臺(tái)，制熱量700 kW的CWDR0.7電熱鍋爐1臺(tái)，投資成本1370萬(wàn)元。

圖8 水源熱泵滲透率對(duì)經(jīng)濟(jì)性的影響Fig.8 Influence of different water source heat pump permeability on economy performance

上述能源配置方案下優(yōu)化運(yùn)行策略仿真得出年運(yùn)行成本397.60萬(wàn)元，日內(nèi)各時(shí)段系統(tǒng)與市電交互功率見(jiàn)圖9，燃?xì)馊?lián)供機(jī)組同時(shí)提供多種能源，降低系統(tǒng)總體購(gòu)電量，負(fù)荷高峰時(shí)段從市電購(gòu)電為主，日均購(gòu)電量為13.441 MW，夜間基本實(shí)現(xiàn)供能自給自足，與電能替代方案相比，大幅降低了其余時(shí)段從市電購(gòu)電量，電負(fù)荷低谷時(shí)段還能實(shí)現(xiàn)向市電售電，日均總售電量為2.603 MW。

圖9 水源熱泵三聯(lián)供方案下市電交互量Fig.9 Power exchange with main supply under CCHP plan with water source heat pump

4.3 綜合能源方案

綜合能源方案在水源熱泵三聯(lián)供所建議方案的基礎(chǔ)上，新增光伏發(fā)電1.2 MW，新增全釩液流電池儲(chǔ)能裝置，新增相變儲(chǔ)熱裝置，表3為不同的儲(chǔ)能容量配置下的投資成本。

表3 不同儲(chǔ)能容量下系統(tǒng)的投資成本Table 3 Investment cost of the system under different energy storage capacities

根據(jù)不同儲(chǔ)能容量配置下所得最優(yōu)運(yùn)行策略，得到不同儲(chǔ)能容量下綜合能源方案對(duì)應(yīng)的年運(yùn)行成本，同樣以電能替代方案為基準(zhǔn)，計(jì)算出不同儲(chǔ)能配比下微網(wǎng)系統(tǒng)的投資收益率及投資回收期，對(duì)應(yīng)結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 不同儲(chǔ)能容量下的經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)Table 4 Economic index under different energy storage capacities

圖10 為儲(chǔ)能容量與經(jīng)濟(jì)性的關(guān)系，可以看出，電儲(chǔ)能容量為3 MW·h及熱儲(chǔ)能容量為2.5 MW·h能夠在有效降低年運(yùn)行成本的同時(shí)獲得最大投資收益率，繼續(xù)增大儲(chǔ)能裝置容量帶來(lái)的收益將降低。

圖10 儲(chǔ)能容量配比對(duì)經(jīng)濟(jì)性的影響Fig.10 Influence of energy-storage capacity on economy

以經(jīng)濟(jì)性為主要評(píng)價(jià)指標(biāo)，結(jié)合建設(shè)可行性和維護(hù)難度，該地區(qū)以綜合能源方案進(jìn)行微網(wǎng)建設(shè)時(shí)，新增光伏發(fā)電1.2 MW，新增全釩液流電池儲(chǔ)能裝置3 MW·h，新增相變儲(chǔ)熱裝置2.5 MW·h，該方案經(jīng)濟(jì)性如圖11虛線框所示，投資收益率為11.37%，投資回收期為8.79 a。新增設(shè)備使年運(yùn)行成本顯著降低，比電能替代場(chǎng)景降低36.47%，降低199.89萬(wàn)元，比水源熱泵三聯(lián)供方案降低12.44%，降低49.47萬(wàn)元。

圖11 綜合能源方案優(yōu)化曲線Fig.11 Optimal curve of integrated energy plan

電儲(chǔ)能容量為3MW·h及熱儲(chǔ)能容量為2.5 MW·h方案下學(xué)習(xí)優(yōu)化曲線如圖11所示，經(jīng)驗(yàn)策略下年運(yùn)行成本為390.67萬(wàn)元，優(yōu)化策略下年運(yùn)行成本為348.12萬(wàn)元。經(jīng)驗(yàn)策略與優(yōu)化策略下日內(nèi)各時(shí)段儲(chǔ)能荷電狀態(tài)如圖12所示，在高負(fù)荷區(qū)間(13:00—22:00時(shí)間段)，相比于經(jīng)驗(yàn)策略的固定充放模式，優(yōu)化策略根據(jù)負(fù)荷情況對(duì)儲(chǔ)能充放電動(dòng)作進(jìn)行合理調(diào)節(jié)，以降低后續(xù)負(fù)荷高峰的供電壓力。優(yōu)化策略下，日內(nèi)各時(shí)段系統(tǒng)與市電交互功率如圖13所示。在優(yōu)化策略下，引入的新能源和儲(chǔ)能裝置有效緩解了市電供電的壓力，負(fù)荷高峰時(shí)段從市電日均購(gòu)電量有所降低，總計(jì)購(gòu)電6.984 MW，相比水源熱泵三聯(lián)供方案減少了6.457 MW，在用電低谷時(shí)段向市電日均購(gòu)電量為1.891 MW，將低電價(jià)電能以及三聯(lián)供設(shè)備富余電能儲(chǔ)存，在用電高峰時(shí)段釋放，通過(guò)電能的轉(zhuǎn)移能夠降低運(yùn)行成本，同時(shí)還能有效平滑大電網(wǎng)供電需求。

圖12 綜合能源方案儲(chǔ)能荷電狀態(tài)Fig.12 Electricity state of charge under integrated energy plan

圖13 綜合能源方案下市電交互量Fig.13 Power exchange with main supply under integrated energy plan

4.4 方案對(duì)比與建議

按照合肥市光儲(chǔ)產(chǎn)業(yè)補(bǔ)貼政策[21]，光伏補(bǔ)貼為0.15元/kW，儲(chǔ)能設(shè)備補(bǔ)貼設(shè)備投資額10%的一次性補(bǔ)貼，假設(shè)項(xiàng)目全壽命周期為20 a，光伏和儲(chǔ)能的補(bǔ)貼政策持續(xù)5 a，儲(chǔ)能壽命為10 a，各方案經(jīng)濟(jì)性對(duì)比見(jiàn)表5。

表5 3種方案投資經(jīng)濟(jì)性對(duì)比Table 5 Investment economy comparison of three plans

電能替代方案投資成本較少，能夠降低建設(shè)難度，但運(yùn)行成本最高，從經(jīng)濟(jì)性角度上不建議采用電能替代。以電能替代為參照方案，采用水源熱泵三聯(lián)供方案投資成本適中，年運(yùn)行成本可接受，相比電能替代方案每年節(jié)約150.42萬(wàn)元運(yùn)行費(fèi)用，投資回收期為9.11a，內(nèi)部收益率9.04%。綜合能源方案可獲得一次性?xún)?chǔ)能補(bǔ)貼約38.75萬(wàn)元，每年獲得光伏補(bǔ)貼約6.57萬(wàn)元，項(xiàng)目運(yùn)行10 a后需對(duì)儲(chǔ)能裝置換新。綜合能源方案投資成本較高，采用了多種能源相互協(xié)同供能，新增新能源發(fā)電及儲(chǔ)能裝置，其年運(yùn)行成本相較于電能替代方案降低199.89萬(wàn)元，投資回收期比水源熱泵三聯(lián)供方案增加0.06 a，內(nèi)部收益率略有下降，總體經(jīng)濟(jì)性較好，新增光儲(chǔ)設(shè)備后的難點(diǎn)在于能源設(shè)備眾多，維護(hù)難度大。

綜上，綜合能源方案中多種能源設(shè)備協(xié)同供應(yīng)，光伏和儲(chǔ)能裝置在緩解大電網(wǎng)供電壓力的同時(shí)，能夠降低系統(tǒng)運(yùn)行成本，起到新能源發(fā)電項(xiàng)目的示范效果，考慮微網(wǎng)建設(shè)與運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性與環(huán)境效益，投資回收期到來(lái)后，每年可帶來(lái)凈利潤(rùn)199.89萬(wàn)元。

隨著儲(chǔ)能技術(shù)愈加成熟，儲(chǔ)能裝置價(jià)格必將逐漸降低，因此本文考慮了儲(chǔ)能裝置價(jià)格對(duì)綜合能源方案內(nèi)部收益率的影響，見(jiàn)圖14，圖中虛線為水源熱泵三聯(lián)供方案內(nèi)部收益率。

圖14 儲(chǔ)能價(jià)格對(duì)內(nèi)部收益率的影響Fig.14 Influence of energy storage price on IRR

從圖14可以看出如果10年期更換儲(chǔ)能裝置時(shí)儲(chǔ)能價(jià)格降低14.16%，綜合能源方案的內(nèi)部收益率與水源熱泵三聯(lián)供方案持平，因此在儲(chǔ)能價(jià)格有望大幅下降的未來(lái)，采用綜合能源方案帶來(lái)的收益是可期的。

5 結(jié)論

電能替代方式優(yōu)勢(shì)在于系統(tǒng)建設(shè)難度低，但其經(jīng)濟(jì)性較差，如果有政府實(shí)行相關(guān)補(bǔ)貼政策，可提高電能替代模式的吸引力；水源熱泵三聯(lián)供方案有效結(jié)合地區(qū)可再生資源，實(shí)現(xiàn)較好的經(jīng)濟(jì)性；綜合能源方案增加光伏儲(chǔ)能裝置后經(jīng)濟(jì)性與水源熱泵三聯(lián)供方案基本持平，但隨著儲(chǔ)能價(jià)格的降低，其經(jīng)濟(jì)效益將大大提高。因此，在儲(chǔ)能價(jià)格有望降低的未來(lái)，采用綜合能源方案能在充分利用可再生資源實(shí)現(xiàn)綠色環(huán)保的同時(shí)，帶來(lái)可觀的經(jīng)濟(jì)效益。

能源設(shè)備種類(lèi)根據(jù)建設(shè)區(qū)域可利用資源確定，后續(xù)針對(duì)具有不同資源的區(qū)域進(jìn)行微網(wǎng)建設(shè)分析時(shí)，可考慮更加多元的能源設(shè)備之間的運(yùn)作關(guān)系；同時(shí)不同的電價(jià)、氣價(jià)機(jī)制對(duì)三聯(lián)供的經(jīng)濟(jì)性效益的影響值得進(jìn)一步研究；隨著新能源滲透率的擴(kuò)大，未來(lái)新能源補(bǔ)貼政策的走勢(shì)也將對(duì)微網(wǎng)建設(shè)經(jīng)濟(jì)性產(chǎn)生影響，因此對(duì)未來(lái)市場(chǎng)機(jī)制及政策研究也是有意義的研究方向。