任洪波，李 通，李琦芬，吳 瓊*，楊涌文，趙鵬翔

(1.上海電力大學能源與機械工程學院，上海 200090；2.國網(wǎng)綜合能源服務集團有限公司, 北京 100052)

作為能源互聯(lián)網(wǎng)的物理載體，綜合能源系統(tǒng)的提出打破了冷、熱、電、氣等多元能源形式獨立規(guī)劃、獨立設計、單獨運行的固有模式，確立了以多能互補、供需互動為本質特征的新一代能源技術架構[1-2]。綜合能源系統(tǒng)是能源生產和消費革命大背景下，積極應對國際國內能源、經(jīng)濟和環(huán)境三難困境，著力構建清潔低碳、安全高效現(xiàn)代能源體系的有效手段，必將成為未來中國能源基礎設施的主要承載形式。

在綜合能源系統(tǒng)構建過程中，安全、可靠是前提和基礎，是綜合能源系統(tǒng)應用與推廣的先決條件。然而，正是由于其“綜合”特性，使得其對系統(tǒng)可靠性的影響呈現(xiàn)兩面性。一方面，綜合能源系統(tǒng)中，多類型異質能源設備耦合集成，多元能源網(wǎng)絡雙向互動，單元設備、單段網(wǎng)絡故障可能引起連鎖反應和級聯(lián)失效，從而影響系統(tǒng)整體供能可靠性[3]；另一方面，綜合能源系統(tǒng)多元能源、網(wǎng)絡、負荷彼此協(xié)調配合，互為補充、互為備份，在提高系統(tǒng)靈活性和自由度的同時，亦會有效增強整體供能可靠性與自愈能力[4]。

自綜合能源概念提出以來，其可靠性分析便引起了中外學者的廣泛關注[5-6]。張弛等[7]以能源集線器為基本架構，提出了基于粒子群-內點混合優(yōu)化算法的綜合能源系統(tǒng)可靠性評估算法，并探討了可再生能源滲透率對系統(tǒng)可靠性的影響。胡梟等[8]立足于需求側能源轉換設備的轉供能力，構建了綜合能源系統(tǒng)的可靠性評價指標，并借助序貫蒙特卡洛模擬法進行評估。倪偉等[9]提出了基于馬爾可夫過程蒙特卡洛法的綜合能源系統(tǒng)可靠性評估方法，重點探討了不同能量轉換設備對系統(tǒng)可靠性的貢獻度。Jiang等[10]構建了基于冷熱電三聯(lián)供的綜合能源系統(tǒng)可靠性評估模型，并探討了冗余設計對系統(tǒng)可靠性與經(jīng)濟性的影響。Liu等[11]分析了儲能系統(tǒng)對增強醫(yī)療中心供能可靠性的效果。Recalde等[12]則從網(wǎng)側層面探討了涵蓋風電、光伏和潮汐發(fā)電的綜合能源系統(tǒng)的可靠性布局。

總體而言，目前中外針對綜合能源系統(tǒng)的可靠性研究已滲透源、網(wǎng)、荷、儲諸環(huán)節(jié)，但既有研究大多集中于可靠性評估領域，提出了一系列創(chuàng)新性評估指標和評估方法，極大提升了對綜合能源系統(tǒng)可靠性的認識深度。在綜合能源系統(tǒng)中，多元異質能源技術的組合、配置是影響其可靠性的關鍵要因；為此，有必要在系統(tǒng)初期規(guī)劃設計階段，將可靠性因素納入整體考量框架，從源頭解決其可靠性問題。然而，既有綜合能源系統(tǒng)規(guī)劃相關研究大多著眼于經(jīng)濟性[13]、節(jié)能性[14]、環(huán)境性[15]等規(guī)劃目標，對可靠性的考慮尚不夠充分。

針對上述中外研究現(xiàn)狀，在常規(guī)綜合能源系統(tǒng)經(jīng)濟性優(yōu)化配置模型的基礎上，引入可靠性約束，形成兼顧經(jīng)濟性與可靠性的綜合能源系統(tǒng)優(yōu)化規(guī)劃框架，并引入相應可靠性評價指標對優(yōu)化結果進行評估分析。

1 考慮可靠性的系統(tǒng)經(jīng)濟性優(yōu)化配置模型

1.1 綜合能源系統(tǒng)物理結構

所謂綜合能源系統(tǒng)，是指在常規(guī)外購能源基礎上，綜合運用燃氣內燃機、燃氣輪機、光伏等分布式發(fā)電裝置，燃氣鍋爐、吸收式制冷機、熱泵等冷熱源設備，兼顧蓄電、蓄冷、蓄熱等儲能設備，以滿足特定用戶的冷、熱、電等多元負荷需求。文中所考慮的綜合能源系統(tǒng)結構如圖1所示。熱電聯(lián)產機組(文中采用燃氣內燃機)、光伏和外網(wǎng)購電共同滿足電負荷，并引入儲能裝置進行調節(jié)；電制冷機和吸收式制冷機共同滿足冷負荷；熱負荷則由燃氣內燃機余熱供應，不足部分由燃氣鍋爐補足。此外，系統(tǒng)采用并網(wǎng)不上網(wǎng)模式，本地發(fā)電不允許上網(wǎng)。

圖1 綜合能源系統(tǒng)結構

1.2 優(yōu)化模型目標函數(shù)

以經(jīng)濟性作為綜合能源系統(tǒng)優(yōu)化設計的主導目標，而可靠性則通過后續(xù)約束條件予以體現(xiàn)。為此，模型目標函數(shù)設為系統(tǒng)年總費用最小，包括年化投資費、年運維費和外部能源購置費用表示為

minC=Cinv+Com+Cbuy

(1)

式(1)中:C為綜合能源系統(tǒng)年總費用，元；Cinv為年化投資費，元；Com為年運維費，元；Cbuy為年購電購氣費，元。

1.2.1 年化投資費

Cinv=FchpPchp,mrchp+FgbPgb,mrgb+FPVPPV,mrPV+

FeesPees,mrees+FabPab,mrab+

FecoolPecool,mrecool

(2)

式(2)中:Fchp、Fgb、FPV、Fees、Fab、Fecool分別為熱電聯(lián)產機組、燃氣鍋爐、光伏設備、蓄電設備、吸收式制冷機、電制冷機的單位投資成本，元/kW；Pchp,m、Pgb,m、PPV,m、Pees,m、Pab,m、Pecool,m分別為上述各機組的裝機容量，kW；rchp、rgb、rpv、rees、rab、recool分別為各機組的資金回收系數(shù)。

以熱電聯(lián)產機組為例，其資金回收系數(shù)表示為

(3)

式(3)中:i為貼現(xiàn)率；n為熱電聯(lián)產的使用年限。

1.2.2 運行維護費用

簡單起見，主要考慮熱電聯(lián)產機組的運維費，其計算公式為

(4)

式(4)中:Com,chp為熱電聯(lián)產機組的單位運維成本，元/(kW·h)；Pchp,self為熱電聯(lián)產的逐時發(fā)電自用量；Pchp,sto為熱電聯(lián)產的逐時售電量，kW。

1.2.3 外部能源購置費用

系統(tǒng)外部能源購置主要包括電和天然氣兩部分，計算公式為

(5)

式(5)中:Cum為容量單價，元/kW；Pum電網(wǎng)合同容量，kW；i為月份，i=1,2,…,12;θ為超合同量懲罰費用，元；Cu為分時電價，元/(kW·h)；Pu為逐時購電功率，kW；τ為天然氣低位發(fā)熱量，kW·h/m3；ηe為熱電聯(lián)產機組發(fā)電效率；Cchp為熱電聯(lián)產機組用氣價，元/m3；Cgb為燃氣鍋爐用氣價，元/m3;Qgb為燃氣鍋爐逐時熱功率，kW。

針對電費計算，采用兩部制分時電價機制，分別計算基本電費和電度電費；天然氣消費則包括熱電聯(lián)產機組用氣和鍋爐用氣，并且考慮了針對燃氣分布式能源的優(yōu)惠氣價。

1.3 優(yōu)化模型約束條件

優(yōu)化模型的約束條件主要由三部分組成，分別為確保供需實時平衡的能量平衡約束、設備相關技術約束，以及系統(tǒng)可靠性約束。

1.3.1 能量平衡約束

根據(jù)前述綜合能源系統(tǒng)結構圖，文中能量平衡需兼顧考慮冷、熱、電三種能源形式的實時平衡。

(1)電平衡約束。就需求而言，電負荷除直接電力需求外，還包括由電制冷引發(fā)的間接需求；供給側則有熱電聯(lián)產機組、光伏發(fā)電、蓄電池放電以及大網(wǎng)電力共同滿足，表達式為

Pchp，self(t)+PPV,self(t)+Pdisees(t)+Pu(t)=

Pd(t)+Pecool(t)

(6)

式(6)中:PPV為光伏發(fā)電自用量，kW；Pdisees為蓄電裝置逐時放電功率，kW；Pd為逐時電負荷，kW；Pecool為制冷機逐時耗電功率，kW。

(2)熱平衡約束。

Qgb(t)+Qchp，h(t)≥Qd(t)

(7)

式(7)中:Qgb為燃氣鍋爐逐時熱出力，kW；Qchp,h為熱電聯(lián)產機組余熱供熱量，kW；Qd為逐時熱負荷，kW。

(3)冷平衡約束。

Pecool(t)COP，ecool+Qchp,c(t)COP，ab≥Qc(t)

(8)

式(8)中:COP，ecool為電制冷機性能系數(shù)；Pecool為電制冷機逐時出力，kW；Qchp,c為熱電聯(lián)產機組余熱供冷量，kW；COP，ab為吸收式制冷機組的性能系數(shù)；Qc為逐時熱負荷，kW。

1.3.2 設備約束

設備約束主要是指針對熱電聯(lián)產機組、電制冷機、吸收式制冷機、光伏發(fā)電裝置、燃氣鍋爐、蓄電裝置等設備的技術約束。

(1)熱電聯(lián)產機組。對于熱電聯(lián)產機組，一方面，其發(fā)電量受制于裝機容量；同時，余熱回收量與發(fā)電量成線性關系，表達式分別為

Pchp,self(t)+Pchp,sto(t)≤Pchp,m

(9)

Qchp,c(t)+Qchp,h(t)=Pchp(t)ηh/ηe

(10)

式中:Pchp,m為熱電聯(lián)產機組額定容量，kW；ηh為熱電聯(lián)產機組余熱回收效率。

(2)電制冷機和吸收式制冷機。電制冷機和吸收式制冷機逐時制冷量受制于其額定容量，表達式分別為。

0≤Pecool(t)COP,ecool≤Qecool,m

(11)

0≤Qchp,c(t)COP,ab≤Qab,m

(12)

式中:Qecool,m為電制冷機額定容量，kW；Qab,m為吸收式制冷機額定容量，kW。

(3)燃氣鍋爐。針對燃氣鍋爐，同樣，其逐時熱出力不能超過其額定容量，表達式為

0≤Qgb(t)≤Qgb,m

(13)

式(13)中:Qgb,m為燃氣鍋爐的額定容量，kW。

(4)光伏發(fā)電裝置。光伏發(fā)電裝置出力主要取決于本地太陽輻射量和可安裝面積，表示為

G(t)Aλ=PPV,self(t)+PPV,sto(t)

(14)

0≤A≤Amax

(15)

式中:G為逐時太陽輻射，kW/m2；A為太陽能光伏板面積，m2；λ為光伏組件發(fā)電效率；PPV,sto為光伏發(fā)電儲能量，kW。Amax為光伏電池板最大安裝面積，m2。

(5)蓄電裝置。蓄電裝置作為電力供需間的緩沖單元，在任意時間段，其蓄電量等于前一時刻蓄電量與本時間段充放電差值之和，具體約束為

Pees(t+1)=(1-ε)Pees(t)+

(16)

0≤Pess(t)≤Pess,m

(17)

Pess(0)=0

(18)

Pdisess(0)=0

(19)

式中:Pees為蓄電池蓄電量，kW；ε為自放電率；Pees,m為蓄電池額定容量，kW；Pchees和Pdisees分別為蓄電池的充、放電功率，kW；μch和μdis分別為蓄電池的充放電效率。

此外，為避免蓄電池同時充放電，需增加如下約束條件，即

0≤Pchess(t)≤Mfin

(20)

0≤Pdiscees(t)≤Mfout

(21)

fin+fout≤1

(22)

式中:fin、fout為0-1變量，表示充放電狀態(tài)；M為一足夠大正整數(shù)。

1.3.3 供電可靠性約束

本文中，供電可靠性通過本地可控發(fā)電裝機容量與電網(wǎng)合同容量予以約束，即

Pchp,m+Pum≥max[pd(t)+Pecool(t)]α

(23)

式(23)中:α為比例設定值。

2 綜合能源系統(tǒng)可靠性評價指標

綜合能源系統(tǒng)的可靠性即為能源系統(tǒng)在規(guī)定時間和規(guī)定條件下滿足特定供能需求的概率。以供能側設備或系統(tǒng)故障率為切入點，側重于探討綜合能源系統(tǒng)中引入可控分布式電源設備(如熱電聯(lián)產機組)后系統(tǒng)的供電可靠性。在并網(wǎng)運行的綜合能源系統(tǒng)中，根據(jù)電力負荷、分布式電源容量和電網(wǎng)合同需量間的關系，可確定系統(tǒng)可靠供電概率[16]，公式為

(24)

式(24)中:K為系統(tǒng)可靠供電概率；M為公共電網(wǎng)的故障率；N為單體分布式電源設備故障率。

簡單起見，本文中假設只有一臺分布式電源設備。

3 算例分析

3.1 研究對象及負荷分析

以上海某醫(yī)院為研究對象，基于所構建模型對綜合能源系統(tǒng)進行優(yōu)化配置分析。圖2為該醫(yī)院全年各月典型日逐時冷熱電負荷。全年電負荷相對平穩(wěn)，負荷峰值為418 kW；冷負荷需求集中在4—10月，最大冷負荷約2 044 kW；熱負荷主要用于生活用水和供暖需求，峰值為1 266 kW。

圖2 醫(yī)院典型日逐時能源負荷

3.2 技術和經(jīng)濟參數(shù)設定

作為綜合能源系統(tǒng)優(yōu)化配置模型的主要輸入條件，用戶所采用能源價格和相關能源設備技術特性的設定至關重要，將對最終設備選型配置產生很大影響。針對所選定研究對象，其電價采用一般工商業(yè)兩部制分時電價，需量電價為37.8元/kW，電度電價有夏季和非夏季之分，如圖3所示。天然氣價格則根據(jù)用氣設備具有一定的差異性，分布式熱電聯(lián)產機組享受優(yōu)惠氣價，為2.7元/m3，燃氣鍋爐用氣價格為3.87元/m3。

圖3 上海一般工商業(yè)分時電價

表1所示為本文中所考慮各供能和儲能設備的技術參數(shù)[17-20]，表2則為各設備的投資和運維費用[18-20]。

表1 設備技術參數(shù)

表2 設備投資與運維費用

3.3 場景設定

為進行對比分析，設定3個典型場景。場景1為常規(guī)能源系統(tǒng)，即全部電力需求由電網(wǎng)供應，冷、熱負荷分別由電制冷機和燃氣鍋爐滿足；場景2考慮熱電聯(lián)產機組和光伏兩種分布式電源設備；場景3在場景2的基礎上，增加蓄電裝置。

3.4 結果與討論

3.4.1 優(yōu)化配置結果

基于前述參數(shù)設定，應用本文所構建的優(yōu)化模型，確立三個場景下系統(tǒng)設備配置如表3所示。總體而言，可靠性約束的引入使得燃氣內燃機裝機容量也相對較高，在場景2和場景3中，其裝機均高于電力負荷峰值(圖2)。此外，在場景3中，由于考慮了儲能設備，相比于場景2，燃氣內燃機、吸收式制冷機和燃氣鍋爐容量均有所下降，而光伏發(fā)電裝置容量則提升了50%以上。由此可見，蓄電池的引入可以促進可再生能源的滲透率提升。另一方面，燃氣內燃機、光伏發(fā)電等分布式發(fā)電系統(tǒng)的配置可以顯著降低用戶與電網(wǎng)的合同需量，但蓄電池的導入則提高了合同需量。

表3 設備優(yōu)化配置結果

基于上述系統(tǒng)配置，系統(tǒng)年化成本和可靠性指標均可確定，如表4所示。

表4 系統(tǒng)經(jīng)濟性與可靠性結果

總體而言，與常規(guī)供能系統(tǒng)(場景1)相比，綜合能源系統(tǒng)兼具良好的經(jīng)濟性與可靠性。通過系統(tǒng)優(yōu)化配置，場景2和場景3的年總費用分別降低16.6% 和17.3%；雖然本地發(fā)電裝置的導入增加了系統(tǒng)初投資和運維費用，但外部購能費用(特別是電費)大幅減少使得系統(tǒng)整體經(jīng)濟性提升。另一方面，根據(jù)本文引入的可靠性評估指標，由于多種供能模塊間的相互補充和備份，系統(tǒng)平均供電可靠率也得到了一定程度提升。特別是儲能裝置的引入，通過緩和供需平衡矛盾，進一步提升了綜合能源系統(tǒng)的經(jīng)濟性與可靠性。

3.4.2 優(yōu)化運行策略

圖4為場景3中典型日電、冷、熱負荷逐時平衡圖。對于電負荷需求而言，09：00—17：00時間段太陽能輻射條件更好，主要由光伏設備供能。而22:00—05:00時間段電價較低，主要從大電網(wǎng)購電以滿足用電需求；在其他時間段，燃氣內燃機在發(fā)揮了較大作用，蓄電池則作為補充。由于所配置燃氣內燃機容量相對較小，冬季熱負荷主要由燃氣鍋爐提供，占比近80%。就冷負荷而言，同樣，利用內燃機余熱的吸收式制冷機只在白天提供了部分冷量，超過88%的夏季冷負荷由電制冷機提供。

圖4 典型日冷熱電負荷平衡圖

3.4.3 可靠性約束的影響分析

本文中，系統(tǒng)可靠性約束主要考量的是本地可控發(fā)電裝機容量與電網(wǎng)合同容量滿足峰值負荷的能力。由表5可以看出，引入可靠性約束使得系統(tǒng)總費用有所增加。此外，系統(tǒng)的容量配置也會受到影響。引入可靠性約束后，間隙性、不可控的光伏裝機有所下降，而相可控的燃氣內燃機容量則提升了約15%；此外，儲能設備容量以及電網(wǎng)合同需量均有較有較大幅度提高。由此可見，對綜合能源系統(tǒng)而言，可靠性與經(jīng)濟性是一對矛盾的統(tǒng)一體，可靠性的提升可能會是一定的經(jīng)濟利益為代價；而大電網(wǎng)、可控分布式電源、儲能設備均是提升系統(tǒng)可靠性的重要元素。

表5 可靠性約束對優(yōu)化配置的影響

3.4.4 基本電價改革效果分析

如前所示，本文中所探討案例采用了兩部制分時電價結構，其基本電費一直以來均按變壓器容量或合同最大需量計算。2018年以來，國家發(fā)改委出臺了降低一般工商業(yè)電價的一系列措施，其中一項即為兩部制電價用戶可按實際最大需量繳納基本電費。本文中探討了上述兩部制電價制度調整對綜合能源系統(tǒng)設備配置及其效果的影響，結果如表6所示?？傮w而言，將基本電費的結算依據(jù)改為實際需量后，年總供能費用降低了約2%。就設備配置而言，調整后，光伏發(fā)電和儲能容量均得到大幅提升，分別增加了約17%和34%；相反，燃氣內燃機的裝機容量則減少了約20%。

表6 基本電價改革措施對優(yōu)化配置的影響

由此可見，兩部制電價制度改革可以在一定程度上降低用戶用能成本。如圖5所示，由于配置了本地分布式電源，全年除7—10月外，其他月份的實際需量均低于原合同需量，從而有效降低了基本電費。特別是冬季，由于供暖需求較高，燃氣內燃機等分布式電源出力較高，使得實際需量得到大幅降低；2月和3月實際需量甚至將為0，即本地發(fā)電完全可以自給自足。

圖5 不同電價制度下電網(wǎng)逐月需求量變化

4 結論

良好的經(jīng)濟性與可靠性是綜合能源系統(tǒng)應用與推廣的前提與基礎。在常規(guī)經(jīng)濟性分析的基礎上，將可靠性約束引入綜合能源系統(tǒng)的優(yōu)化設計框架，構建了兼顧經(jīng)濟性與可靠性的綜合能源系統(tǒng)優(yōu)化配置模型，并提出了基于設備故障率的系統(tǒng)可靠性評估指標。通過典型案例的仿真分析，可獲得以下結論。

(1)在綜合能源系統(tǒng)中，通過源側多元互補，系統(tǒng)供能可靠性得到一定程度提升，特別是儲能裝置的引入可進一步提升系統(tǒng)經(jīng)濟性與可靠性。

(2)綜合能源系統(tǒng)可靠性的提升可能會犧牲部分經(jīng)濟效益，在實際規(guī)劃設計過程中需要權衡考慮。

(3)近期出臺的兩部制電價改革方案可以有效降低用戶整體用能成本，并在一定程度上促進了可再生能源的滲透。