張承鑫,白尚旻,趙冠雄,馬群凱
(1.東北電力大學(xué),吉林 吉林 132012;2.國網(wǎng)吉林供電公司,吉林 吉林 132012;3. 國網(wǎng)長春供電公司,長春 130021)
冷熱電聯(lián)供(combined cooling,heating and power,CCHP)型微電網(wǎng)具有運(yùn)行模式多樣性,較高的能源利用率,將制冷、制熱、供電的微源設(shè)備相結(jié)合可實(shí)現(xiàn)能源的梯級(jí)利用,減少環(huán)境污染[1-3]。
目前對(duì)于微電網(wǎng)的研究大多針對(duì)經(jīng)濟(jì)調(diào)度方面,鮮有文獻(xiàn)考慮CCHP型微電網(wǎng)污染氣體排放的問題,文獻(xiàn)[4]以運(yùn)行成本最低為目標(biāo)建立含儲(chǔ)能的CCHP優(yōu)化調(diào)度模型,解耦以熱定電約束;文獻(xiàn)[5]建立考慮儲(chǔ)能電站的CCHP型微電網(wǎng)的優(yōu)化經(jīng)濟(jì)調(diào)度模型。然而,CCHP型微電網(wǎng)運(yùn)行過程中會(huì)產(chǎn)生污染氣體,隨著各國對(duì)污染氣體排放問題的關(guān)注,以經(jīng)濟(jì)調(diào)度為單目標(biāo)的優(yōu)化結(jié)果具有局限性。因此將兩者結(jié)合的多目標(biāo)優(yōu)化具有重要意義。
此外電轉(zhuǎn)氣(power to gas,P2G)技術(shù)近年來日益成熟,通過轉(zhuǎn)換生成的甲烷屬于清潔能源,燃燒過程不會(huì)產(chǎn)生污染氣體,利于環(huán)境的保護(hù),電能的轉(zhuǎn)換也會(huì)為風(fēng)電的消納提供新的思路[6]?,F(xiàn)有針對(duì)P2G的研究主要集中在P2G的優(yōu)化配置方面,文獻(xiàn)[7]將P2G視為第二類靈活資源,優(yōu)化配置風(fēng)光機(jī)組及第三類靈活性資源的容量;文獻(xiàn)[8]將風(fēng)電-氫儲(chǔ)能(wind-hydrogen energy storage,W-HES)與火電整合,表明配置一定容量的P2G有利于提高系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性。然而目前針對(duì)于P2G對(duì)CCHP型微電網(wǎng)調(diào)度影響鮮有研究,P2G配合燃?xì)廨啓C(jī)實(shí)現(xiàn)了電力和天然氣系統(tǒng)的雙向流動(dòng),對(duì)CCHP型微電網(wǎng)的運(yùn)行和調(diào)度有著顯著的影響,因此考慮CCHP和P2G聯(lián)合運(yùn)行具有較強(qiáng)現(xiàn)實(shí)意義。
綜上所述,本文考慮運(yùn)行成本和污染氣體排放成本建立了含P2G的CCHP型微電網(wǎng)多目標(biāo)優(yōu)化調(diào)度模型,采用帕累托(Pareto)最優(yōu)解的多目標(biāo)粒子群(multi-objective particle sware optimization,MOPSO)算法對(duì)模型求解,通過算例仿真對(duì)含P2G的CCHP型微電網(wǎng)運(yùn)行系統(tǒng)的棄風(fēng)消納、微電源出力、經(jīng)濟(jì)環(huán)境效益進(jìn)行分析。
本文研究的CCHP系統(tǒng)主要包含風(fēng)機(jī)(wind turbine,WT)、燃?xì)廨啓C(jī)(gas turbine,GT)、儲(chǔ)電裝置(energy storage,ES)、燃?xì)忮仩t(gas boiler,GB)、余熱鍋爐(waste heat boiler,WHB)、換熱器(heat exchanger,HE)、吸收式制冷機(jī)(absorption refri-gerator,AR)、電制冷機(jī)(electrical conditioning,EC)。含P2G的CCHP型微電網(wǎng)(MG)結(jié)構(gòu)示意圖見圖1。
圖1 含P2G的CCHP型微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)示意圖
WHB、HE、AR模型參見文獻(xiàn)[9],限于篇幅有限,此處不再贅述。
燃?xì)廨啓C(jī)是CCHP系統(tǒng)常用的供能設(shè)備。發(fā)電的同時(shí)將燃燒產(chǎn)生的余熱經(jīng)吸收式制冷機(jī)和余熱鍋爐供冷、供熱。忽略GT燃燒天然氣網(wǎng)中混合氣體與燃燒P2G產(chǎn)生的純甲烷氣體輸出相同功率消耗然氣量不同的影響。該微源耗氣量模型如下:
(1)
式中:PGT,i,t為第i臺(tái)GT在t時(shí)刻發(fā)出電功率;ai,bi,ci為GT能量轉(zhuǎn)換系數(shù)[10];QGT,i,t為第i臺(tái)GT在t時(shí)刻耗氣量,包括天然氣網(wǎng)中注入的氣體和P2G制得的甲烷。
EC通過消耗電能制冷,消耗電能與產(chǎn)生冷能關(guān)系如下:
QEC,t=PEC,t(1-ηEC,l)ηECCEC
(2)
式中:QEC,t表示t時(shí)刻EC制冷量,ηEC,l、ηEC為EC能量損失系數(shù)和制冷效率;CEC為EC制冷能效比。
GB通過消耗天然氣實(shí)現(xiàn)供熱,耗氣量如下:
(3)
式中:QGB,i,t為第i臺(tái)GB在t的產(chǎn)熱功率;FGB,i,t為第i臺(tái)GB在t時(shí)刻耗氣量;ηGB為GB的熱效率;LNG為天然氣熱值,一般為9.7 kW·h/m3[9]。
(4)
式中:ξP2G為P2G轉(zhuǎn)換效率;HQ為天然氣熱值;PP2G,t為時(shí)t刻P2G轉(zhuǎn)換過程耗電量;QP2G,t為t時(shí)刻P2G轉(zhuǎn)換后產(chǎn)生的天然氣,儲(chǔ)存在天然氣儲(chǔ)存罐中。
本文所提含P2G的CCHP型微電網(wǎng)優(yōu)化調(diào)度模型以全系統(tǒng)運(yùn)行成本和污染氣體排放治理成本為目標(biāo)。系統(tǒng)運(yùn)行成本包括GT燃燒天然氣消耗成本、從配電網(wǎng)購電成本、棄風(fēng)懲罰成本、電轉(zhuǎn)氣運(yùn)行成本。污染氣體排放成本主要考慮天然氣燃燒產(chǎn)生SO2、NO等污染氣體治理成本。
本文旨在使系統(tǒng)運(yùn)行成本最低和環(huán)境治理成本最低作為系統(tǒng)優(yōu)化的2個(gè)目標(biāo),目標(biāo)函數(shù)表示如下:
(5)
式中:F1表示系統(tǒng)運(yùn)行成本;F2表示環(huán)境成本。
2.1.1 目標(biāo)1:運(yùn)行成本
F1=fgas+fgrid+fWT+fP2G
(6)
式中:fgas為GT和GB燃燒天然氣成本;fgrid為從配電網(wǎng)購電成本;fWT為棄風(fēng)懲罰成本;fP2G為P2G運(yùn)行成本。
2.1.1.1 燃?xì)獬杀?/p>
(7)
式中:T為調(diào)度周期總時(shí)段;NGT為GT總數(shù);NGB為GB總數(shù);cgas為天然氣購氣價(jià)格,取2.2元/m3。
2.1.1.2 購電成本
(8)
式中:ρt為t時(shí)刻CCHP系統(tǒng)從配電網(wǎng)購電價(jià)格[5];Pgrid,b,t為t時(shí)刻CCHP系統(tǒng)從配電網(wǎng)購電功率。
2.1.1.3 棄風(fēng)懲罰成本
(9)
2.1.1.4 P2G運(yùn)行成本
當(dāng)風(fēng)電出力有剩余時(shí),多余的風(fēng)電通過P2G轉(zhuǎn)化為天然氣消納,P2G運(yùn)行成本如下:
(10)
式中cP2G為P2G的運(yùn)行成本系數(shù)。
2.1.2 目標(biāo)2:環(huán)境成本
污染氣體排放治理成本如下:
(11)
式中:Npg為污染物種類,包括SO2、NO、CO氣體;σi為第i種污染物單位排放治理成本系數(shù);Qpg,i為第i種污染物排放量。
2.2.1 等式約束
等式約束包括冷熱電負(fù)荷平衡約束,儲(chǔ)能裝置運(yùn)行狀態(tài)約束。
2.2.1.1 電負(fù)荷平衡約束
Pload(t)=PWT(t)+PGT(t)+PES,d(t)+
Pgrid,b(t)-PP2G(t)-PES,c(t)-PEC(t)
(12)
式中:PWT(t)為t時(shí)刻風(fēng)電計(jì)劃接納功率;PGT(t)為t時(shí)刻GT輸出功率;PES,d(t)為t時(shí)刻ES放電功率;Pgrid,b(t)為t時(shí)刻從配電網(wǎng)購電功率;PES,c(t)為t時(shí)刻ES充電功率;PEC(t)為t時(shí)刻EC耗電量;Pload(t)為t微電網(wǎng)t時(shí)刻電負(fù)荷。
2.2.1.2 熱負(fù)荷平衡約束
Pheat(t)=PGB(t)+PHE(t)
(13)
式中:PGB(t)為GB在t時(shí)刻制熱功率;PHE(t)為HE在t時(shí)刻制熱功率;Pheat(t)為微電網(wǎng)t時(shí)刻熱負(fù)荷。
2.2.1.3 冷負(fù)荷平衡約束
Pcool(t)=PAR(t)+QEC(t)
(14)
式中:PAR(t)為AR在t時(shí)刻制冷功率;QEC(t)為EC在t時(shí)刻制冷功率;Pcool(t)為微電網(wǎng)t時(shí)刻冷負(fù)荷。
2.2.1.4 儲(chǔ)電裝置荷電狀態(tài)約束
S(t)=S(t-1)(1-σES)+[ηES,cPES,c(t)-
PES,d(t)/ηES,d]Δt
(15)
式中:S(t)為ES在t時(shí)刻的存儲(chǔ)能量;σES為ES自損耗系數(shù);ηES,c為ES充能效率;ηES,d為ES放能效率;Δt為調(diào)度時(shí)段步長。
2.2.2 不等式約束
2.2.2.1 第k個(gè)微電源出力上下限約束
Pk,min≤Pk(t)≤Pk,max
(16)
式中:Pk,min和Pk,max分別表示微電網(wǎng)中各微源系統(tǒng)出力最小和最大功率。
2.2.2.2 儲(chǔ)電裝置充放電功率約束及容量約束
(17)
式中:Smin、Smax分別為ES容量上、下限;PES,min、PES,max分別為ES最小、最大充放電功率;考慮到儲(chǔ)能裝置在同一時(shí)刻不能同時(shí)充放電,設(shè)置ES充放電狀態(tài)變量UES,c、UES,d。
結(jié)合本研究采用基于帕累托最優(yōu)解的MOPSO算法求解多目標(biāo)問題,具體步驟如下。
步驟1:輸入含P2G的CCHP型微電網(wǎng)各微電源運(yùn)行參數(shù)、費(fèi)用參數(shù),確定種群規(guī)模,設(shè)定慣性權(quán)值以及迭代次數(shù);
步驟2:初始化粒子位置X,即各微電源如GT、GB、EC在每個(gè)時(shí)段功率,生成粒子初始速度v,形成1個(gè)粒子,以初始位置作為粒子個(gè)體最佳位置;
步驟3:分別計(jì)算目標(biāo)函數(shù)F1(以系統(tǒng)運(yùn)行成本最低)的優(yōu)化調(diào)度模型和目標(biāo)函數(shù)F2(以環(huán)境治理成本最低)的優(yōu)化調(diào)度模型,得到每個(gè)個(gè)體的目標(biāo)函數(shù)值,基于帕累托支配關(guān)系排序,計(jì)算個(gè)體的排擠距離篩選非劣解,優(yōu)先選擇擁擠度大的粒子,選取全局最優(yōu)解;
步驟4:更新粒子速度和位置;
步驟5:計(jì)算目標(biāo)函數(shù)F1、F2,更新非劣解集和個(gè)體最優(yōu)解以及全局最優(yōu)解;
步驟6:判斷是否滿足最大迭代次數(shù),滿足則執(zhí)行步驟7,不滿足則執(zhí)行步驟4;
步驟7:輸出帕累托最優(yōu)解集。
本文選取包含P2G設(shè)備的冷熱電聯(lián)供型微電網(wǎng)作為仿真對(duì)象,天然氣價(jià)格為2.2元/m3,優(yōu)化周期為T=24 h,調(diào)度時(shí)長Δt為1 h。以夏季為例,通過可再生能源最大出力預(yù)測(cè)和負(fù)荷預(yù)測(cè)得到夏季典型日功率和負(fù)荷曲線(見圖2)。為了對(duì)比分析P2G對(duì)冷熱電聯(lián)供型微電網(wǎng)各微源出力影響,分為以下兩種場(chǎng)景分析:
圖2 夏季典型日負(fù)荷及風(fēng)電功率曲線
場(chǎng)景1:傳統(tǒng)冷熱電聯(lián)供型微電網(wǎng)優(yōu)化運(yùn)行;
場(chǎng)景2:在場(chǎng)景1運(yùn)行方式的基礎(chǔ)上加入P2G。
圖3、圖4分別為場(chǎng)景1、2的帕累托最優(yōu)解集散點(diǎn)圖。
圖3 場(chǎng)景1的帕累托最優(yōu)解集散點(diǎn)圖
圖4 場(chǎng)景2的帕累托最優(yōu)解集散點(diǎn)圖
選取帕累托前沿最左邊的一個(gè)點(diǎn),即運(yùn)行成本最低,環(huán)境成本最高點(diǎn)進(jìn)行分析。
4.1.1 不同場(chǎng)景下系統(tǒng)對(duì)風(fēng)電使用情況
圖5為兩種場(chǎng)景下棄風(fēng)功率。由于風(fēng)電功率部分時(shí)段遠(yuǎn)超負(fù)荷功率,導(dǎo)致場(chǎng)景1存在在大量時(shí)段風(fēng)電功率無法上網(wǎng),產(chǎn)生棄風(fēng)現(xiàn)象。場(chǎng)景2中當(dāng)P2G加入到CCHP行為微電網(wǎng)后,多余的風(fēng)電通過P2G轉(zhuǎn)化成天然氣注入天然氣網(wǎng)消納,使系統(tǒng)風(fēng)電完全消納,增加了系統(tǒng)風(fēng)電接納能力,相比場(chǎng)景1棄風(fēng)率減少9.53%。同時(shí)由于P2G加入系統(tǒng),相當(dāng)于增加了系統(tǒng)的電負(fù)荷,起到了對(duì)負(fù)荷“填谷”的作用。
圖5 兩種場(chǎng)景下系統(tǒng)棄風(fēng)功率
4.1.2 不同場(chǎng)景下對(duì)系統(tǒng)微電源出力影響
場(chǎng)景1:該運(yùn)行方式下,CCHP型微電網(wǎng)獨(dú)立運(yùn)
行,不包含P2G,各微電源出力見圖6。系統(tǒng)冷負(fù)荷由EC和GT提供,熱負(fù)荷由GB和GT提供。系統(tǒng)存在時(shí)段風(fēng)電功率大于電負(fù)荷需求,此時(shí)為降低系統(tǒng)運(yùn)行成本,部分時(shí)段ES儲(chǔ)能功率提高,在電負(fù)荷功率超過風(fēng)功率時(shí),ES放電供電負(fù)荷使用,降低系統(tǒng)運(yùn)行成本。
圖6 不含P2G的CCHP型微電網(wǎng)微電源出力
場(chǎng)景2:對(duì)比場(chǎng)景1,該運(yùn)行方式下,P2G投入到CCHP型微電網(wǎng)聯(lián)合運(yùn)行,各微電源出力見圖7。ES儲(chǔ)能充放電次數(shù)減小,是因?yàn)镻2G盡可能將微電網(wǎng)中消納不掉的風(fēng)電轉(zhuǎn)換成天然氣供GT使用,降低系統(tǒng)運(yùn)行成本,這就造成了ES充放電次數(shù)降低,同時(shí)由于P2G產(chǎn)生的甲烷直接供GT使用,使得部分時(shí)刻GT出力增加(如9:00—14:00),GB和AC出力降低。
圖7 含P2G的CCHP型微電網(wǎng)各微電源出力
不同場(chǎng)景下系統(tǒng)運(yùn)行成本和環(huán)境成本見表1。
表1 不同場(chǎng)景下夏季典型日系統(tǒng)運(yùn)行成本 元
從經(jīng)濟(jì)性角度,場(chǎng)景2相較于場(chǎng)景1系統(tǒng)運(yùn)行成本下降明顯,原因是場(chǎng)景2中P2G使棄風(fēng)電量完全消納,減少了棄風(fēng)懲罰成本,同時(shí)P2G將轉(zhuǎn)化后的天然氣存儲(chǔ)起來直接供各GT,減少了GT從天然氣網(wǎng)的購氣成本,綜合可得場(chǎng)景2運(yùn)行成本更低。
從環(huán)境保護(hù)角度,P2G轉(zhuǎn)化過程會(huì)消耗CO2,同時(shí)轉(zhuǎn)化后產(chǎn)生的甲烷屬于純凈燃料,燃?xì)廨啓C(jī)燃燒不會(huì)產(chǎn)生NO、SO2等污染氣體,因此P2G投入到CCHP型微電網(wǎng)使環(huán)境成本降低。
本文將P2G與CCHP型微電網(wǎng)相結(jié)合,建立了考慮運(yùn)行成本和環(huán)境成本的多目標(biāo)優(yōu)化調(diào)度模型,采用帕累托最優(yōu)解的MOPSO算法對(duì)模型求解。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,P2G的投入使CCHP系統(tǒng)的風(fēng)電消納能力大大提高,P2G聯(lián)合CCHP型微電網(wǎng)運(yùn)行減少了ES充放電功率及次數(shù),進(jìn)而可減小ES容量。棄風(fēng)懲罰成本降低使運(yùn)行成本大大降低,同時(shí)P2G產(chǎn)生甲烷直接供給GT不會(huì)產(chǎn)生污染氣體,使的環(huán)境治理成本降低,環(huán)境價(jià)值轉(zhuǎn)化為經(jīng)濟(jì)效益,進(jìn)一步降低了系統(tǒng)運(yùn)行成本。綜合分析,P2G的投入使CCHP型微電網(wǎng)具有良好經(jīng)濟(jì)性和環(huán)保性,在未來的能源發(fā)展中具有廣闊的應(yīng)用場(chǎng)景。