趙政嘉，滕振山，王志光，張 超，左 高，譚 瑤

（南瑞集團(tuán)有限公司（國(guó)網(wǎng)電力科學(xué)研究院有限公司）,江蘇省南京市 211106）

0 引言

微能源網(wǎng)通過多能互補(bǔ)的方式實(shí)現(xiàn)能源綜合利用,是提升系統(tǒng)整體能效的重要手段［1-3］。國(guó)內(nèi)外以微能源網(wǎng)展開的工程實(shí)踐以園區(qū)、商業(yè)樓宇、醫(yī)院等場(chǎng)景為主［4-6］,而規(guī)劃優(yōu)化方法主要圍繞設(shè)備建模、多能流耦合約束、設(shè)備容量?jī)?yōu)化配置以及系統(tǒng)運(yùn)行調(diào)度等相關(guān)內(nèi)容展開［6-9］。其中針對(duì)工程設(shè)備進(jìn)行的優(yōu)化配置與多方面因素密切相關(guān),理論與實(shí)踐結(jié)合較強(qiáng),成為相關(guān)研究的基礎(chǔ)與重點(diǎn)。

在系統(tǒng)規(guī)劃優(yōu)化目標(biāo)與評(píng)價(jià)指標(biāo)方面,多以經(jīng)濟(jì)性［10-11］、可靠性與能效性等［12-16］作為主要優(yōu)化目標(biāo)；在優(yōu)化策略及求解算法上,有以線性規(guī)劃為核心的方法進(jìn)行求解［17］,也有以粒子群為代表的智能優(yōu)化算法［18］；在考慮項(xiàng)目建設(shè)與系統(tǒng)長(zhǎng)期運(yùn)行問題上,有研究提出分段規(guī)劃與交替優(yōu)化等方法［19-20］,也有以時(shí)序?yàn)橹髡归_的多時(shí)段規(guī)劃等方法［21］；針對(duì)工程設(shè)備差異性展開的討論較少,有研究以冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)為主要研究對(duì)象［22］,將內(nèi)燃機(jī)的參數(shù)曲線分段線性化,并引入多品牌設(shè)備,細(xì)化待優(yōu)化變量。但其優(yōu)化規(guī)模較為有限,設(shè)備選型階段設(shè)置的變量數(shù)實(shí)際上為品牌數(shù)的整數(shù)倍,即選擇某一品牌,并確定該品牌設(shè)備的容量,最終優(yōu)化得到的容量本質(zhì)上仍為連續(xù)型變量。除此之外,也有研究采取設(shè)備參數(shù)連續(xù)與離散相結(jié)合的方式進(jìn)行優(yōu)化配置［17］。現(xiàn)有研究以設(shè)備獨(dú)立臺(tái)套的數(shù)量為優(yōu)化變量開展討論時(shí),普遍存在設(shè)備技術(shù)類型較為單一、設(shè)備待選型庫(kù)不夠完善等問題,沒有充分考慮到工程設(shè)備的差異性。隨著設(shè)備制造水平的不斷升級(jí),可選擇設(shè)備將不斷補(bǔ)充至數(shù)據(jù)庫(kù),大量的離散型變量增加了計(jì)算成本,如何對(duì)設(shè)備進(jìn)行篩選值得進(jìn)一步討論。

目前微能源網(wǎng)設(shè)備的優(yōu)化配置仍有以下幾方面需要改進(jìn)：優(yōu)化變量選取方面,以各型號(hào)設(shè)備的數(shù)量作為優(yōu)化變量時(shí),優(yōu)化模型包含大量離散型變量,考慮到求解難度與計(jì)算成本,一方面需要構(gòu)建完備的待選型設(shè)備庫(kù),另一方面需要從中篩選關(guān)鍵設(shè)備,簡(jiǎn)化運(yùn)算；運(yùn)行約束方面,需要充分考慮設(shè)備之間的工程差異性,增加設(shè)備獨(dú)立運(yùn)行約束與多設(shè)備協(xié)同運(yùn)行約束,提高設(shè)備配置的可行性；場(chǎng)景選擇方面,不同場(chǎng)景下環(huán)境各異,對(duì)設(shè)備類型的選取也會(huì)產(chǎn)生較大影響,應(yīng)因地制宜地開展微能源網(wǎng)規(guī)劃工作。

針對(duì)上述問題,本文以微能源網(wǎng)為研究對(duì)象,考慮不同設(shè)備關(guān)鍵參數(shù)的差異性,構(gòu)建待選型設(shè)備庫(kù)；以設(shè)備配置數(shù)量為離散型變量,結(jié)合相關(guān)約束,搭建混合整數(shù)規(guī)劃模型,并對(duì)微能源網(wǎng)的設(shè)備配置與運(yùn)行方式進(jìn)行優(yōu)化；最后基于不同區(qū)域典型場(chǎng)景進(jìn)行設(shè)備配置與經(jīng)濟(jì)性分析,討論不同規(guī)劃場(chǎng)景下的設(shè)備適用邊界。

1 微能源網(wǎng)結(jié)構(gòu)及組成設(shè)備

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本文所述微能源網(wǎng)為電-熱-冷-氣多能耦合系統(tǒng),其中多種供能和用能設(shè)備之間的能量耦合方式如附錄A 圖A1 所示。將用能負(fù)荷分為電、冷、熱三類,待配置設(shè)備包括：光伏（photovoltaic,PV）、電儲(chǔ) 能（energy storage,ES）、風(fēng) 機(jī)（wind turbine,WT）、水蓄能（water storage,WS）、冷熱電三聯(lián)供（combined cooling,heat and power,CCHP）機(jī)組、地源熱泵（ground source heat pump,GSHP）、空氣源熱泵（air source heat pump,ASHP）、電鍋爐（electric boiler,EB）、燃?xì)忮仩t（gas boiler,GB）、冷水機(jī)組（water cooled chiller,WCC）、直 燃 機(jī)（direct fired absorption chiller,DFAC）和 變 壓 器（transformer,TRN）。

1.2 設(shè)備技術(shù)類型及編碼方式

設(shè)備之間的差異性體現(xiàn)在工程參數(shù)的各個(gè)方面,參照部分文獻(xiàn)［23-24］以及相關(guān)數(shù)據(jù),本文在附錄A圖A2 中展示了部分設(shè)備技術(shù)類型之間的差異。對(duì)設(shè)備庫(kù)中的各類設(shè)備按照額定容量從小到大的順序進(jìn)行排序,并在對(duì)設(shè)備進(jìn)行編碼時(shí)分為3 個(gè)層級(jí),遞進(jìn)關(guān)系為類別-技術(shù)類型-編號(hào)。類別為i、技術(shù)類型為j、編號(hào)為k的設(shè)備的數(shù)量表示為ni,j,k。

2 多設(shè)備協(xié)同運(yùn)行模型及優(yōu)化配置方法

2.1 優(yōu)化目標(biāo)

本文以微能源網(wǎng)年均總成本Ctotal最小為目標(biāo)展開討論,具體如式（1）所示。

式中：Cdevice為設(shè)備購(gòu)置成本；Com為年運(yùn)行維護(hù)成本；Cenergy為年能源交易成本；Csub為新能源年均發(fā)電補(bǔ)貼。

各項(xiàng)成本的表達(dá)式分別為：

式中：ΩD、ΩD,i和ΩD,i,j分別為待配置設(shè)備D的類別集合、待配置設(shè)備D中類別為i的設(shè)備集合和待配置設(shè)備D中類別為i、技術(shù)類型為j的設(shè)備集合；Ci,j,k,inv、Ci,j,k,om分別為待配置設(shè)備中類別為i、技術(shù)類型為j、編號(hào)為k的設(shè)備對(duì)應(yīng)的購(gòu)置費(fèi)用和年運(yùn)維費(fèi)用；z為運(yùn)營(yíng)期內(nèi)設(shè)備平均使用壽命；r為基準(zhǔn)折現(xiàn)率；ΔT、dn分別為調(diào)度時(shí)間間隔和第n個(gè)典型日的持續(xù)天數(shù)；pbuy(t)、gbuy(t)分別為時(shí)刻t購(gòu)電和購(gòu)氣量；ξe(t)、ξg(t)和ξsub分別為時(shí)刻t的購(gòu)電、購(gòu)氣費(fèi)用和補(bǔ)貼收入；pi,j,k(t)為設(shè)備類別為i、技術(shù)類型為j、編號(hào)為k的設(shè)備在時(shí)刻t的出力。

2.2 微能源網(wǎng)系統(tǒng)運(yùn)行方式及約束條件

2.2.1 設(shè)備數(shù)量與安裝容量

待配置設(shè)備的數(shù)量組合矩陣n可表示為n=[npv,nes,nhes,ncchp,ngshp,nashp,neb,ngb,ncw,ndfac,ntrn],其 中npv、nes、nhes、ncchp、ngshp、nashp、neb、ngb、ncw、ndfac和ntrn分別為光伏、電儲(chǔ)能、水蓄能、冷熱電三聯(lián)供、地源熱泵、空氣源熱泵、電鍋爐、燃?xì)忮仩t、冷水機(jī)組、直燃機(jī)和變壓器的數(shù)量矩陣,不同設(shè)備的數(shù)量存在一定限制,有

式中：ni、ni,max和nmax分別為i類設(shè)備的數(shù)量、i類設(shè)備的數(shù)量最大值和微能源網(wǎng)設(shè)備數(shù)量最大值。

待選設(shè)備庫(kù)的完整度直接影響優(yōu)化配置結(jié)果,本文優(yōu)先考慮一類設(shè)備下相同技術(shù)類型設(shè)備的組合,并允許同技術(shù)類型下同型號(hào)多臺(tái)配置和不同型號(hào)聯(lián)合配置。考慮到設(shè)備并列運(yùn)行時(shí)的可靠性,組合方案中最大額定功率與最小額定功率之間的差值或容量的比值λc不宜過大。為簡(jiǎn)化運(yùn)算,結(jié)合數(shù)據(jù)庫(kù)中容量遞增原則,對(duì)任意兩型號(hào)的設(shè)備設(shè)置比值約束,并借助較大常數(shù)M進(jìn)行線性化表示：

式中：pi,j,k,n、pi,j,k′,n分別為i類設(shè)備中技術(shù)類型為j、編號(hào)為k和k′的設(shè)備對(duì)應(yīng)的額定功率；ωi,j,k、ωi,j,k′分別為i類設(shè)備中技術(shù)類型為j、編號(hào)為k和k′的設(shè)備是否配置的0-1 變量,其中k≠k′且k′＞k。

在設(shè)備配置過程中,為了簡(jiǎn)化冷熱電三聯(lián)供的組合方式,關(guān)聯(lián)設(shè)備的數(shù)量始終保持一致,其數(shù)量一致的等式約束如式（5）所示。

式中：Ωeout、Ωein分別為供電和用電的設(shè)備集合；Ωeout,i、Ωein,i分別為供電和用電設(shè)備中類別為i的設(shè)備集合；Ωeout,i,j、Ωein,i,j分別為供電和用電設(shè)備中類別為i、技術(shù)類型為j的設(shè)備集合；pi,j,k,out(t)、pi,j,k,in(t)分別為類別為i、技術(shù)類型為j、編號(hào)為k的設(shè)備在時(shí)刻t的供電功率與用電功率；pload(t)、ploss(t)分別為時(shí)刻t的負(fù)荷功率和電功率損耗。

2）熱功率平衡

式中：Ωhout、Ωhin分別為供熱和耗熱設(shè)備的類別集合；Ωhout,i、Ωhin,i分別為供熱和耗熱設(shè)備中類別為i的設(shè)備集合；Ωhout,i,j、Ωhin,i,j分別為供熱和耗熱設(shè)備中類別為i、技術(shù) 類型為j的設(shè)備 集合；hi,j,k,out(t)、hi,j,k,in(t)分別為類別為i、技術(shù)類型為j、編號(hào)為k的設(shè)備時(shí)刻t的供熱功率與耗熱功率；hload(t)、hbuy(t)和hloss(t)分別為時(shí)刻t的熱負(fù)荷功率、集中供暖購(gòu)熱功率和熱功率損耗。

3）冷功率平衡

式中：Ωcout、Ωcin分別為供冷和耗冷設(shè)備的類別集合；Ωcout,i、Ωcin,i分別為供冷和耗冷設(shè)備中類別為i的設(shè)備集合；Ωcout,i,j、Ωcin,i,j分別為供冷和耗冷設(shè)備中類別為i、技術(shù)類型為j的設(shè)備集合；ci,j,k,in(t)、ci,j,k,out(t)分別為類別為i、技術(shù)類型為j、編號(hào)為k的設(shè)備時(shí)刻t的供冷功率與耗冷功率；cload(t)、closs(t)分別為時(shí)刻t的冷負(fù)荷功率和冷功率損耗。

4）電氣轉(zhuǎn)換

電功率與天然氣耗量之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系可表示為下式。

式中：ηi,j,k、gi,j,k(t)分別為類別為i、技術(shù)類型為j、編號(hào)為k的設(shè)備對(duì)應(yīng)的能量轉(zhuǎn)換效率和時(shí)刻t的耗氣量；χgas為天然氣熱值。

2.2.3 設(shè)備配置與運(yùn)行

本文考慮設(shè)備的供能形式將設(shè)備分為4 類。

1）模塊型供能設(shè)備

此類設(shè)備包括光伏、風(fēng)機(jī)、電儲(chǔ)能和水蓄能,多采取單一型號(hào)多數(shù)量組合的配置方式,在約束中不考慮設(shè)備間容量的差異。對(duì)光伏而言,配置一個(gè)相對(duì)獨(dú)立的光伏發(fā)電單元,主要采取同一型號(hào)多塊光伏板組合的方式；針對(duì)電儲(chǔ)能與水蓄能,設(shè)備總?cè)萘窟B續(xù)性較強(qiáng),通過設(shè)置最小規(guī)劃單位,以組合模塊的形式對(duì)數(shù)量進(jìn)行優(yōu)化。

2）獨(dú)立型單能源供能設(shè)備

此類設(shè)備中,電鍋爐與燃?xì)忮仩t盡管能源輸入形式不同,但均為僅能供熱的設(shè)備,冷水機(jī)組僅能供冷。

3）獨(dú)立型多能源供能設(shè)備

相較于單一能源供應(yīng)設(shè)備,此類設(shè)備既可供冷又可供熱。多能供應(yīng)使得設(shè)備可以多季運(yùn)行,提高設(shè)備利用率。

4）冷熱電三聯(lián)供設(shè)備

考慮到冷熱電三聯(lián)供機(jī)組可視為兩設(shè)備聯(lián)合運(yùn)行,組合復(fù)雜。內(nèi)燃機(jī)與溴化鋰機(jī)組的優(yōu)化配置不僅要滿足系統(tǒng)供用能需求,更要符合冷熱電三聯(lián)供機(jī)組內(nèi)部的協(xié)同運(yùn)行邏輯。以內(nèi)燃機(jī)為研究對(duì)象時(shí),一臺(tái)型號(hào)內(nèi)燃機(jī)固定搭配一臺(tái)溴化鋰機(jī)組。本文在規(guī)劃冷熱電三聯(lián)供容量前,依據(jù)工程情況整理了冷熱電三聯(lián)供設(shè)備內(nèi)在關(guān)聯(lián)表,依此進(jìn)行優(yōu)化配置。

本文將設(shè)備配置與運(yùn)行過程中存在的約束條件分為通用約束與特有約束兩類,通用約束即所有設(shè)備均需考慮的基本條件,主要為如式（3）所示的安裝數(shù)量約束和式（10）所示的出力上下限約束。

式中：pi,j,k,out,max、pi,j,k,out,min分別為供能類設(shè)備中類別i、技術(shù)類型j、編號(hào)為k的設(shè)備對(duì)應(yīng)的最大、最小功率。

針對(duì)設(shè)備各自運(yùn)行特性的特有約束如式（11）至式（14）所示。

光伏設(shè)備運(yùn)行約束可表示為：

式中：Ωpv為光伏設(shè)備集合；Ωpv,j為光伏中技術(shù)類型為j的 設(shè) 備集 合；npv,j,k、Spv,j,k和ppv,j,k,n分別 為 光 伏技術(shù)類型為j、編號(hào)為k的設(shè)備相應(yīng)的數(shù)量、面積和額定發(fā)電功率；Spv,max為光伏最大有效安裝面積；pload,max為最大電負(fù)荷；ηpv為光伏最大接入比例,本文對(duì)ηpv的定義為光伏額定配置功率與最大電負(fù)荷的比值,這一比例系數(shù)的設(shè)定參考了光伏電站的相關(guān)規(guī)定［25］。

電儲(chǔ)能與水蓄能同屬于蓄能類設(shè)備,針對(duì)蓄能類設(shè)備的相關(guān)運(yùn)行約束如式（12）所示。

式中：Ωes,hes為蓄能類設(shè)備集合；Ωes,hes,j為蓄能類設(shè)備中 技 術(shù) 類 型 為j的 設(shè) 備 集 合；pi,j,k,dis(t)、pi,j,k,ch(t)、Qi,j,k(t)和Qi,j,k(t?1)分別為類別為i、技術(shù)類型為j、編號(hào)為k的設(shè)備在時(shí)刻t的放能功率、充能功率、容 量 和 在 時(shí) 刻t?1 的 容 量；pi,j,k,dis,max、pi,j,k,ch,max、ηi,j,k,ch、ηi,j,k,dis、Qi,j,k,max、Qi,j,k,min和ξi,j,k分別為類別為i、技術(shù)類型為j、編號(hào)為k的設(shè)備所對(duì)應(yīng)的最大充能功率、最大放能功率、充能效率、放能效率、最大容量、最小容量和放能深度；vi,j,k,ch(t)、vi,j,k,dis(t)分別為類別為i、技術(shù)類型為j、編號(hào)為k的設(shè)備在時(shí)刻t的充能標(biāo)志位和放能標(biāo)志位；ts、te分別為調(diào)度周期的初始時(shí)刻和結(jié)束時(shí)刻,要求設(shè)備容量在這兩個(gè)時(shí)刻相等。

除了基本的功率平衡約束,地源熱泵還需要補(bǔ)充調(diào)度期內(nèi)的冷熱平衡約束,如式（13）所示。

式中：Ωcchp為冷熱電三聯(lián)供設(shè)備集合；Ωcchp,j為冷熱電三聯(lián)供中技術(shù)類型為j的設(shè)備集合；ncchp,j,k、pcchp,j,k,out(t)、hcchp,j,k,out(t)與ccchp,j,k,out(t)分別為冷熱電三聯(lián)供機(jī)組中技術(shù)類型為j、編號(hào)為k的設(shè)備數(shù)量、在時(shí)刻t的發(fā)電功率、供熱功率和供冷功率；γc、γh分別為余熱回收過程中冷、熱能量轉(zhuǎn)換效率。

2.3 待選型設(shè)備庫(kù)的構(gòu)建

設(shè)備庫(kù)的構(gòu)建是優(yōu)化配置的首要步驟,但考慮到這一過程涉及的大量參數(shù)需要結(jié)合前文中的定義,且與部分約束密切相關(guān),故在目標(biāo)與約束后引出。依據(jù)工程建設(shè)需求,通過收集不同廠家品牌的各類別、各型號(hào)的設(shè)備數(shù)據(jù),可以初步確定工程建設(shè)所要選取設(shè)備的范圍。本文所描述的模型是混合整數(shù)規(guī)劃模型,將全部型號(hào)的設(shè)備均設(shè)置為離散變量使得求解更加復(fù)雜。現(xiàn)有較為成熟的規(guī)劃類軟件HOMER 采用窮舉遍歷法來形成設(shè)備組合方案,將各設(shè)備視為獨(dú)立的整數(shù)變量參與優(yōu)化,這也直接導(dǎo)致其可優(yōu)化規(guī)模受到一定限制［26］。如何在優(yōu)化前期合理地縮減整體變量、提取有效信息,是提升大規(guī)模求解速度的關(guān)鍵。對(duì)此,本文構(gòu)建待選型設(shè)備庫(kù)的主要步驟為：數(shù)據(jù)準(zhǔn)備；功率排序；結(jié)合相關(guān)約束進(jìn)行數(shù)據(jù)篩選,通過前期對(duì)設(shè)備數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理來降低求解難度。

數(shù)據(jù)篩選為上述流程的核心部分,主要基于兩個(gè)約束：設(shè)備數(shù)量約束與最大負(fù)荷約束。當(dāng)式（3）所述設(shè)備數(shù)量約束有效時(shí),該約束對(duì)每種型號(hào)設(shè)備的數(shù)量均有效,即

同時(shí),可以得到設(shè)備額定功率總累加值與規(guī)劃區(qū)域最大負(fù)荷之間的比值約束：

式中：pi,j,k,n、pi,j,k,total分別為設(shè)備類別為i、技術(shù)類型為j、編號(hào)為k的設(shè)備對(duì)應(yīng)的額定功率和所配置的總功率；pi,total為i類 設(shè)備 的 總功 率；pload,max為 負(fù)荷 最 大 功率；ηi,load,max為i類設(shè)備總功率與負(fù)荷最大功率的比值。

當(dāng)ni,max=1 時(shí),pi,j,k,total取 為pi,j,k,n；當(dāng)ni,max＞1時(shí),需要對(duì)與額定功率為pi,j,k,n的設(shè)備進(jìn)行組合的設(shè)備進(jìn)行考察,考慮到設(shè)備數(shù)量限制,并結(jié)合比值λc,所組合的編號(hào)為k′的設(shè)備的額定功率應(yīng)滿足：

式中：k′＞k,且由此可以進(jìn)一步得到各類設(shè)備所能配置的總?cè)萘?如式（18）所示。

結(jié)合上述設(shè)備約束,可以篩除部分不符合要求的設(shè)備,使得設(shè)備庫(kù)得到一定程度的縮減。待選型設(shè)備庫(kù)的構(gòu)建流程如圖1 所示。

圖1 待選型設(shè)備庫(kù)構(gòu)建流程圖Fig.1 Flow chart of constructing library of equipment to be selected

2.4 求解方法

基于上述模型與相應(yīng)的約束條件,本文以整體運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性為優(yōu)化目標(biāo),利用CPLEX12.9 求解該混合整數(shù)線性規(guī)劃模型。

3 算例分析

3.1 算例系統(tǒng)說明

本文的3 種不同用能形式的微能源網(wǎng)模型,分別選取中國(guó)寒冷、炎熱和溫和區(qū)域的3 種不同氣候類型進(jìn)行比較,并依據(jù)冷熱需求情況劃分為供冷、供熱和過渡季,分別對(duì)應(yīng)選取一個(gè)典型日,不同典型日一年中持續(xù)時(shí)間如表1 所示。典型日的冷、熱、電負(fù)荷和相關(guān)的溫度、光照統(tǒng)計(jì)可見附錄A 圖A3 至圖A6?？紤]到風(fēng)機(jī)在微能源網(wǎng)場(chǎng)景下進(jìn)行設(shè)備配置時(shí),單位成本、安全運(yùn)行等方面尚需進(jìn)一步考證,因此算例中未考慮配置風(fēng)機(jī)。

表1 不同典型日持續(xù)天數(shù)Table 1 Duration of different typical days

針對(duì)不同地區(qū)的用能需求,本文以相同的建筑參數(shù)進(jìn)行仿真得到不同區(qū)域?qū)?yīng)的負(fù)荷曲線。按照2.2.3 節(jié)中對(duì)光伏最大接入比例的定義,本文將這一比例初值設(shè)為35%,并在后續(xù)分析中針對(duì)最大接入比例變化展開討論。

3.2 微能源網(wǎng)優(yōu)化配置結(jié)果分析

3.2.1 3 種氣候區(qū)域?qū)Ρ?/p>

算例系統(tǒng)中采用的能源價(jià)格與設(shè)備信息等相關(guān)參數(shù)可見附錄A 表A1 至表A13,其中設(shè)備型號(hào)采取“技術(shù)類型簡(jiǎn)稱_設(shè)備編號(hào)”的命名方式,各設(shè)備所包含的技術(shù)類型和對(duì)應(yīng)的簡(jiǎn)稱如表2 所示。

表2 各類設(shè)備所包含的技術(shù)類型及簡(jiǎn)稱Table 2 Technical types and abbreviations of different types of equipment

以光伏為例,mono_7 表示技術(shù)類型為單晶硅、編號(hào)為7 的光伏設(shè)備。

按算例系統(tǒng)設(shè)置,采用前文所述設(shè)備庫(kù)構(gòu)建方法與建模求解方法,得到3 種場(chǎng)景下的設(shè)備配置方案和相應(yīng)的經(jīng)濟(jì)性分析如表3 和表4 所示,不同場(chǎng)景下設(shè)備運(yùn)行情況見附錄B 圖B1 至圖B5。

表3 不同氣候區(qū)域設(shè)備配置表Table 3 Equipment configuration table of different climate regions

表4 不同配置結(jié)果經(jīng)濟(jì)性分析Table 4 Economy analysis of different configuration results

由表3 和表4 可知,3 種場(chǎng)景均配置了光伏、電儲(chǔ)能、水蓄能與冷熱電三聯(lián)供機(jī)組,其中部分設(shè)備采取了相同的配置。針對(duì)區(qū)域各自的特殊情況,寒冷地區(qū)配置燃?xì)忮仩t來滿足冬天較長(zhǎng)時(shí)間的熱負(fù)荷需求,夏季冷負(fù)荷由冷熱電三聯(lián)供機(jī)組與水蓄能裝置協(xié)同運(yùn)行來滿足,過渡季主要通過并網(wǎng)購(gòu)電與電儲(chǔ)能相結(jié)合實(shí)現(xiàn)功率平衡。在炎熱地區(qū),配置冷水機(jī)組滿足供冷季較高的冷負(fù)荷需求,由于過渡季冷熱電三聯(lián)供機(jī)組不出力且相較于其他兩種情況具有較長(zhǎng)的過渡季,炎熱地區(qū)在本文所述模型中購(gòu)電費(fèi)用較高。在溫和地區(qū),配置一臺(tái)空氣源熱泵,在供冷、供熱季與水蓄能裝置協(xié)同利用可以實(shí)現(xiàn)兩季供能。

3.2.2 設(shè)備庫(kù)型號(hào)完整性對(duì)配置結(jié)果的影響

在上述3 種應(yīng)用場(chǎng)景中,冷熱電三聯(lián)供機(jī)組在供冷、供熱季承擔(dān)了較為重要的供能任務(wù),為了進(jìn)一步體現(xiàn)設(shè)備庫(kù)構(gòu)建完備性對(duì)優(yōu)化配置結(jié)果的影響,在溫和區(qū)域場(chǎng)景下,更換現(xiàn)有內(nèi)燃機(jī)配置方式,假設(shè)chp_12 型號(hào)內(nèi)燃機(jī)未錄入待選設(shè)備庫(kù),其余設(shè)備不變,重新進(jìn)行優(yōu)化配置得到新的設(shè)備組合方案。重新優(yōu)化后,內(nèi)燃機(jī)更換為一臺(tái)390 kW 的chp_5,協(xié)同配置的溴化鋰機(jī)組仍為一臺(tái)libr_4,其余設(shè)備優(yōu)化結(jié)果相同。2 種配置均滿足整體運(yùn)行要求,其中經(jīng)濟(jì)性對(duì)比結(jié)果如圖2 所示。

圖2 不同內(nèi)燃機(jī)配置方案經(jīng)濟(jì)性對(duì)比Fig.2 Economy comparison of different schemes of internal combustion engine configuration

現(xiàn)有設(shè)備庫(kù)中與chp_12 較為接近但額定功率稍 小 于400 kW 的 有390 kW 的chp_5、357 kW 的chp_4 和330 kW 的chp_8,容量稍大的有600 kW 的chp_13 和636 kW 的chp_9,考慮到現(xiàn)有變壓器容量具備一定裕度,空氣源熱泵也未處于滿載運(yùn)行狀態(tài),因此在新的配置方案中主要供能設(shè)備沒有做增大的調(diào)整。相較于400 kW 的chp_12,390 kW 的設(shè)備購(gòu)置費(fèi)用更低,但由此導(dǎo)致能源購(gòu)置成本、年總運(yùn)行成本增加。由此可知,盡管待配置設(shè)備額定容量相差值不大,但由此得到的配置方案供能方式產(chǎn)生了一定變化,對(duì)經(jīng)濟(jì)性影響也較為明顯,這也反映了構(gòu)建設(shè)備庫(kù)時(shí)完整收集設(shè)備資料的重要性。

3.2.3 分布式光伏最大接入比例及出力波動(dòng)性對(duì)配置結(jié)果的影響

1）光伏最大接入比例

與冷熱電三聯(lián)供機(jī)組的配置相對(duì)應(yīng),分布式光伏的安裝容量對(duì)整體配置也具有一定的影響,在現(xiàn)有約束為最大接入比例為35%的基礎(chǔ)上分別調(diào)整該約束為10%、60%、85%、110%并重新優(yōu)化,得到的配置結(jié)果及經(jīng)濟(jì)性對(duì)比分別如表5 和圖3 所示。

表5 不同光伏最大接入比例下配置結(jié)果Table 5 Configuration results with different PV maximum access ratios

圖3 不同光伏最大接入比例下配置方案經(jīng)濟(jì)性對(duì)比Fig.3 Economy comparison of configuration schemes with different maximum access ratios of PV

隨著光伏最大接入比例的增加,內(nèi)燃機(jī)配置容量不斷減小,冷熱電三聯(lián)供機(jī)組供冷和供熱能力有所下降,而與其搭配供能的設(shè)備也由空氣源熱泵逐漸調(diào)整為地源熱泵。盡管年總運(yùn)行費(fèi)用有所下降,但需要注意的是,光伏出力在客觀上具有較大的不確定性。本文通過場(chǎng)景選擇的方法,利用3 個(gè)典型日來代表全年3 類負(fù)荷,并對(duì)應(yīng)選取了3 條輻照強(qiáng)度曲線,在一定程度上忽略了極端天氣下光伏出力嚴(yán)重不足的情況。在多能互補(bǔ)系統(tǒng)中,光伏前期配置容量越大,意味在滿足同等電負(fù)荷需求時(shí),其余供電設(shè)備的出力有所降低,這也直接影響了對(duì)該設(shè)備額定容量的配置,使得系統(tǒng)在極端條件下無法可靠運(yùn)行。

從表5 中可以看出,光伏最大接入比例增加,內(nèi)燃機(jī)容量逐漸減小,但變壓器的配置并沒有發(fā)生變化。這不僅與設(shè)備庫(kù)中變壓器的成本參數(shù)相關(guān),還與許多其他因素相關(guān)。本文考慮到冷熱電三聯(lián)供機(jī)組的實(shí)際運(yùn)行狀況,要求其僅在供冷和供熱季開機(jī),而過渡季做停機(jī)處理,這一要求是希望最大化冷熱電三聯(lián)供機(jī)組的整體運(yùn)行效率,充分利用余熱。因此在過渡季,為了滿足電負(fù)荷需求,從電網(wǎng)購(gòu)電仍然占據(jù)主導(dǎo)作用,不能直接降低變壓器的額定容量。另一方面,光伏額定配置功率增加,最大出力隨之增加,但部分典型日中輻照條件較差,光伏出力仍較為有限,仍要其他設(shè)備承擔(dān)發(fā)電任務(wù)。

2）光伏出力波動(dòng)性

為進(jìn)一步驗(yàn)證變壓器與內(nèi)燃機(jī)的組合配置方案能否在光伏出力為零時(shí)繼續(xù)支撐系統(tǒng)正常運(yùn)行,在光伏最大接入比例為35%和110%兩種情況下進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。保持其余設(shè)備運(yùn)行方式不變,在原有光伏出力時(shí)刻,首先在內(nèi)燃機(jī)允許范圍內(nèi)增大出力至額定功率,不足的部分進(jìn)一步增加變壓器出力至額定值,此時(shí)統(tǒng)計(jì)是否出現(xiàn)供能不足的情況。

在光伏最大接入比例為35%時(shí),在過渡季13時(shí)、14 時(shí)出現(xiàn)功率不足的情況,差值分別為132.08 kW、109.49 kW,而最大接入比例為110%時(shí),在過渡季14 時(shí)出現(xiàn)功率不足,差值為19.52 kW。仔細(xì)分析上述供能差值可以發(fā)現(xiàn),發(fā)生不足的主要原因是在上述時(shí)刻儲(chǔ)能均處于充電狀態(tài),產(chǎn)生了大小不同的功率缺額。盡管本文所述配置方案能夠在光伏出力嚴(yán)重不足時(shí)通過其他方法對(duì)負(fù)荷繼續(xù)供能,但可再生能源出力不確定性對(duì)規(guī)劃方法的影響仍值得進(jìn)一步討論,在極端條件下各類設(shè)備的調(diào)度方式也應(yīng)及時(shí)進(jìn)行調(diào)整。

4 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)微能源網(wǎng)多種設(shè)備協(xié)同運(yùn)行與優(yōu)化配置相關(guān)問題,建立了基于設(shè)備參數(shù)差異性的離散型混合整數(shù)規(guī)劃模型。針對(duì)3 種不同場(chǎng)景結(jié)合設(shè)備的基本參數(shù)以及設(shè)備運(yùn)行相關(guān)約束開展了配置方案的經(jīng)濟(jì)性分析,主要得出了以下結(jié)論。

1）在以設(shè)備數(shù)量為變量進(jìn)行的優(yōu)化配置中,需要結(jié)合負(fù)荷需求建立待選型設(shè)備庫(kù),不同類型設(shè)備的關(guān)鍵參數(shù)選取要綜合考慮建模要求與參數(shù)收集難度。

2）環(huán)境因素對(duì)配置結(jié)果具有明顯影響,微能源網(wǎng)的優(yōu)化配置要結(jié)合用戶實(shí)際情況,加強(qiáng)各類約束條件在規(guī)劃過程中的實(shí)際作用。

針對(duì)設(shè)備參數(shù)的差異性開展微能源網(wǎng)優(yōu)化配置,能夠更為客觀地反映設(shè)備各項(xiàng)費(fèi)用對(duì)整體運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性的影響,利于在規(guī)劃前期指導(dǎo)設(shè)備的參數(shù)收集。同時(shí),結(jié)合待選型設(shè)備庫(kù),將設(shè)備數(shù)量作為離散型變量進(jìn)行優(yōu)化,有助于體現(xiàn)多種設(shè)備協(xié)同運(yùn)行特點(diǎn),對(duì)設(shè)備選型與相關(guān)決策具有積極意義。

本文在建模過程中僅考慮電、冷、熱三種負(fù)荷類型,未考慮熱水與蒸汽負(fù)荷,隨著用戶實(shí)際需求不斷變化,下一步將完善負(fù)荷類型,并考慮可再生能源與負(fù)荷的不確定性對(duì)整體優(yōu)化配置的影響。

本文的研究得到國(guó)電南瑞科技股份有限公司科技項(xiàng)目(524608210022)資助，特此感謝！

附錄見本刊網(wǎng)絡(luò)版（http：//www.aeps-info.com/aeps/ch/index.aspx），掃英文摘要后二維碼可以閱讀網(wǎng)絡(luò)全文。