趙明哲，劉亞麗，張國慶

(1.光大環(huán)保能源(濟(jì)南)有限公司，山東 濟(jì)南 250000；2.北京市煤氣熱力工程設(shè)計(jì)院有限公司山東分院，山東 濟(jì)南 250000；3.華北電力大學(xué)動(dòng)力工程系，河北 保定 071000)

0 引言

由于能源供應(yīng)短缺和環(huán)境污染問題的發(fā)生，可再生能源的高效利用受到廣泛關(guān)注[1]。將各種能源綜合輸入利用的分布式能源系統(tǒng)被認(rèn)為是提高能源利用效率、減少環(huán)境污染、緩解氣候變化的有效途徑[2]。目前，能源體系正在向著互聯(lián)互通、協(xié)調(diào)兼容[3]的能源互聯(lián)網(wǎng)方向發(fā)展。能源互聯(lián)網(wǎng)作為一種新型的能源利用體系[4]，將互聯(lián)網(wǎng)信息技術(shù)和新能源技術(shù)融入其中，突破行業(yè)原有的弊端，實(shí)現(xiàn)能源的開放共享。中國提出的“互聯(lián)網(wǎng)+”智慧能源的計(jì)劃[5]，設(shè)定了明確的能源互聯(lián)目標(biāo)，強(qiáng)調(diào)要建設(shè)多能協(xié)同的能源網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)行能源結(jié)構(gòu)的變革和轉(zhuǎn)型。建設(shè)能源互聯(lián)網(wǎng)，加快推進(jìn)電能替代、清潔替代是實(shí)現(xiàn)能源轉(zhuǎn)型的根本途徑[6]，分布式能源系統(tǒng)在能源轉(zhuǎn)型[7]過程中起到關(guān)鍵作用。

由于單體式分布式能源系統(tǒng)易受到供需波動(dòng)和外部因素變化的影響，無法保證系統(tǒng)的高效運(yùn)行實(shí)時(shí)滿足用戶需求，需同其它分布式系統(tǒng)互聯(lián)[8]，進(jìn)而朝著分布式能源系統(tǒng)互聯(lián)的方向轉(zhuǎn)變[9]。區(qū)域分布式能源網(wǎng)絡(luò)通過分布式能源技術(shù)將天然氣和各種清潔能源連接到終端用戶，實(shí)現(xiàn)多元能源產(chǎn)品供求之間的雙向互動(dòng)，從而形成高效的能源網(wǎng)絡(luò)[10]。然而，多個(gè)分布式能源系統(tǒng)協(xié)同運(yùn)行的能量耦合關(guān)系復(fù)雜多變，優(yōu)化問題對(duì)整個(gè)能源網(wǎng)絡(luò)的性能提升至關(guān)重要。

目前針對(duì)多個(gè)分布式能源系統(tǒng)及其區(qū)域供能網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化主要集中在系統(tǒng)集成和運(yùn)行管理方面。在系統(tǒng)集成方面，設(shè)備容量的配置優(yōu)化是主要內(nèi)容，如能源網(wǎng)絡(luò)各組分的容量優(yōu)化[11]或綜合能源系統(tǒng)的科學(xué)配置[12]。在運(yùn)行調(diào)度管理方面，多目標(biāo)滾動(dòng)優(yōu)化[13]可以充分利用各種清潔能源，實(shí)現(xiàn)良好的系統(tǒng)調(diào)度。結(jié)合區(qū)域能源網(wǎng)分布式能源供應(yīng)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，對(duì)設(shè)備布局和運(yùn)行策略進(jìn)行的優(yōu)化[14]，多目標(biāo)優(yōu)化模型確定了儲(chǔ)能裝置的尺寸和位置[15]，取得了明顯的環(huán)境效益和經(jīng)濟(jì)效益。在能源管理方面，對(duì)各種儲(chǔ)能技術(shù)的運(yùn)行策略進(jìn)行了優(yōu)化[16]，提高了能源樞紐運(yùn)行的靈活性和經(jīng)濟(jì)性。葛海麟[17]等人基于能量網(wǎng)絡(luò)理論對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化分析來提高節(jié)能潛力。

Zhang等[18]通過求解多目標(biāo)協(xié)同優(yōu)化模型，獲得了區(qū)域分布式能源網(wǎng)絡(luò)的最佳系統(tǒng)集成方案，提高了可再生能源的利用率。但是，其模型中的優(yōu)化目標(biāo)只考慮了經(jīng)濟(jì)和能效方面對(duì)系統(tǒng)的影響，沒有考慮系統(tǒng)運(yùn)行靈活以及安全可靠等方面的影響。Dai等[19]提出了多個(gè)區(qū)域建筑的供能系統(tǒng)之間的協(xié)同運(yùn)行策略，結(jié)果表明協(xié)同優(yōu)化策略可以大幅降低能源利用的成本，碳排放量和一次能源消耗。文獻(xiàn)[20]中的研究學(xué)者通過優(yōu)化結(jié)果發(fā)現(xiàn)，盡管獨(dú)立優(yōu)化每個(gè)系統(tǒng)可以降低其運(yùn)行的成本，但是獨(dú)立優(yōu)化所集成的系統(tǒng)方案配置，對(duì)整個(gè)能源網(wǎng)絡(luò)的節(jié)能減排的積極性影響甚小。Zheng等[21]則發(fā)現(xiàn)協(xié)同優(yōu)化策略有助于提高系統(tǒng)的安全性和可靠性。Wang等[22]提出了一個(gè)區(qū)域能源供應(yīng)網(wǎng)絡(luò)，該區(qū)域能源供應(yīng)網(wǎng)絡(luò)僅考慮了單個(gè)熱力融通網(wǎng)絡(luò)的互換，連接多個(gè)終端用戶和能源輸入，從而實(shí)現(xiàn)了低碳，高效和經(jīng)濟(jì)的能源規(guī)劃。Wakui等[23]優(yōu)化了基于熱能和電力共享的住宅能源供應(yīng)網(wǎng)絡(luò)，研究發(fā)現(xiàn)熱能和電力共享的能源供應(yīng)網(wǎng)絡(luò)協(xié)同運(yùn)行比單元獨(dú)立運(yùn)行消耗更少的能量，但是該研究只進(jìn)行了能效性指標(biāo)的優(yōu)化研究。

目前，分布式能源網(wǎng)絡(luò)在系統(tǒng)集成[24]、設(shè)備配置[25]、熱力分析[26]、運(yùn)行策略[27]等方面已有大量的優(yōu)化研究，但研究內(nèi)容側(cè)重以經(jīng)濟(jì)性、能效性、環(huán)保性為指標(biāo)下的研究。然而，在相對(duì)完備的優(yōu)化目標(biāo)下，對(duì)分布式能源網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行協(xié)同優(yōu)化的研究相對(duì)較少。本文在能源互聯(lián)網(wǎng)概念的基礎(chǔ)上，建立了多目標(biāo)協(xié)同優(yōu)化模型，旨在提升分布式供能網(wǎng)絡(luò)的經(jīng)濟(jì)性、能效性、減排性、靈活性和安全性。

1 分布式供能網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

1.1 集成方案

分布式能源網(wǎng)絡(luò)初步的集成方案如圖1所示。電力來源包括風(fēng)力發(fā)電、光伏發(fā)電、燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電以及從電網(wǎng)購電量，電力負(fù)荷包括用戶的用電需求和地源熱泵壓縮機(jī)耗電。熱力來源包括太陽能集熱器和燃?xì)廨啓C(jī)余熱，用以驅(qū)動(dòng)吸收式冷熱水機(jī)組制熱或供冷，通過換熱器產(chǎn)出用戶需求的低品位生活熱水。當(dāng)吸收式冷熱水機(jī)組的驅(qū)動(dòng)熱源不足時(shí)，一部分天然氣將進(jìn)入機(jī)組直接燃燒提供熱源，驅(qū)動(dòng)制冷(熱)循環(huán)。地源熱泵機(jī)組消耗電能和利用地?zé)崮埽_(dá)到制熱或制冷的目的。蓄電池和蓄熱水箱作為能源調(diào)控的有效方式，在能量供應(yīng)不足時(shí)釋放能量滿足部分負(fù)荷，在能量過剩時(shí)儲(chǔ)存能量。

圖1 基于能量樞紐的分布式能源網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)架構(gòu)

1.2 設(shè)備建模

本節(jié)考慮設(shè)備運(yùn)行的非線性特性，建立了系統(tǒng)組件在運(yùn)行時(shí)長下的全工況動(dòng)態(tài)出力模型，用以表征多種形式的能量流動(dòng)在不同能源載體之間的轉(zhuǎn)換和儲(chǔ)存的關(guān)系，將模型方程列在了表1中。

表1中各模型方程，其中E和Q代表電量和熱量，單位為kW；gt，sc，wst，pv，shc，hp，abs，wt，分別為燃?xì)廨啓C(jī)，蓄電池，蓄熱水箱，光伏平板，太陽能集熱器，熱泵機(jī)組，吸收式機(jī)組和風(fēng)力發(fā)電機(jī)；gas和grid代表天然氣和電網(wǎng)；r和t分別為設(shè)備所處的負(fù)荷率水平以及運(yùn)行時(shí)刻；i，ci，re，co分別代表了風(fēng)速v(m/s)的實(shí)時(shí)，切入，額定和切出狀態(tài)；I代表了光照強(qiáng)度，單位為W/m2，T代表太陽能組件表面的溫度，單位為℃。

表1 分布式能源網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的動(dòng)態(tài)能量模型[18]

1.3 運(yùn)行策略

能源網(wǎng)絡(luò)的最優(yōu)運(yùn)行策略是使新能源裝機(jī)工作在最大出力點(diǎn)，優(yōu)先利用可再生能源滿足負(fù)荷。燃?xì)廨啓C(jī)和吸收式機(jī)組作為熱電比調(diào)節(jié)的主要設(shè)備。系統(tǒng)內(nèi)部采用以電定熱的策略，多個(gè)系統(tǒng)之間采用熱電互聯(lián)的策略，即過剩的電和熱優(yōu)先傳輸?shù)狡渌茉聪到y(tǒng)。具體策略主要包括以下四種情況。

1)當(dāng)某個(gè)能源站系統(tǒng)電力和熱力供大于求，該系統(tǒng)進(jìn)行熱電融出，若此時(shí)還剩余電力，剩余電力則上網(wǎng)售電；如果此時(shí)還剩余余熱，剩余熱力則與環(huán)境換熱。

2)當(dāng)某個(gè)能源站系統(tǒng)電力和熱力供不應(yīng)求，該系統(tǒng)進(jìn)行熱電融入，若此時(shí)存在不足的電力需求，則從電網(wǎng)購電；若此時(shí)存在不足的熱力需求，則通過吸收式機(jī)組燃燒補(bǔ)充。

3)當(dāng)某個(gè)能源站系統(tǒng)電力供大于求，該系統(tǒng)進(jìn)行電力融出和熱力融入，若此時(shí)還剩余電力，剩余電力則上網(wǎng)售電；若此時(shí)存在不足的熱力需求，則通過吸收式機(jī)組燃燒補(bǔ)充。

4)當(dāng)某個(gè)能源站系統(tǒng)電力供不應(yīng)求，該系統(tǒng)進(jìn)行電力融入和熱力融出，若存在不足的電力需求，則從電網(wǎng)購電；若此時(shí)還剩余余熱，剩余熱力則與環(huán)境換熱。

2 多目標(biāo)優(yōu)化模型

2.1 決策變量

供能網(wǎng)絡(luò)協(xié)同優(yōu)化所涉及的三個(gè)能源站的有關(guān)決策變量如矩陣X所示：

X=[Ngt,Nsc,Nwst,Npv,Nshc,Norc,Nwt,ω,α]

(1)

其中N(kW或kWh)為設(shè)備組件的容量；ω為過剩能源的分配系數(shù)，表征系統(tǒng)向其他兩個(gè)能源站系統(tǒng)進(jìn)行能源融通時(shí)的能量分配情況；α表示為不同電價(jià)時(shí)段下，地源熱泵出力在總熱(冷)出力中的比值[28]。

2.2 優(yōu)化目標(biāo)

由于相對(duì)指標(biāo)所表示的目標(biāo)函數(shù)可以更加直觀反映不同系統(tǒng)集成方案的性能差異，因此本文從能效性、經(jīng)濟(jì)性、環(huán)境性、靈活性以及安全性等五個(gè)方面考慮來作為優(yōu)化的目標(biāo)函數(shù)。

1)一次能源節(jié)約率(primaryenergy saving ratio, PESR)

本文提到的一次能源消耗是指從電網(wǎng)購買電力和與天然氣燃燒相關(guān)的能源消耗。一次能源節(jié)能率是多能互補(bǔ)分布式供能系統(tǒng)相對(duì)于參考系統(tǒng)的節(jié)能率，PESR可以表示為：

(2)

其中FDES和Fref(kw)分別是分布式供能系統(tǒng)和參考系統(tǒng)的一次能源消耗量，i為能源站系統(tǒng)的數(shù)量，T為運(yùn)行時(shí)長。

2)二氧化碳減排率(arbon dioxide emission reduction ratio, CDERR)

環(huán)境方面的評(píng)價(jià)指標(biāo)主要包含碳排放和氮排放指標(biāo)，其中碳排放占據(jù)了污染物元素含量的絕大部分。因此，選取二氧化碳減排量用作評(píng)價(jià)系統(tǒng)的環(huán)境性的函數(shù)，其中二氧化碳排放量主要來自電網(wǎng)電力和市政燃?xì)獾奶寂欧帕?，CDERR可計(jì)算為：

(3)

3)年總費(fèi)用節(jié)約率(annual total cost saving ratio, ATCSR)

ATCSR是能源站中分布式供能系統(tǒng)相對(duì)于參考系統(tǒng)的成本費(fèi)用節(jié)省比率。

(4)

4)電網(wǎng)購電水平(power purchase level of grid, PPL)

供能網(wǎng)絡(luò)生產(chǎn)的電力不足以滿足電負(fù)荷需求時(shí)，會(huì)主動(dòng)向電網(wǎng)購電。但是，過度依賴于電網(wǎng)補(bǔ)電量會(huì)降低系統(tǒng)本身的靈活性，減少系統(tǒng)孤網(wǎng)運(yùn)行的可能性。電網(wǎng)購電水平[29]可以評(píng)價(jià)系統(tǒng)運(yùn)行調(diào)度的靈活可調(diào)性：

(5)

5)電網(wǎng)交互水平(grid interaction level, GIL)

電負(fù)荷大于供給電力時(shí)，供能網(wǎng)絡(luò)向電網(wǎng)購電；電負(fù)荷小于供給電力時(shí)，供能網(wǎng)絡(luò)向電網(wǎng)售電。系統(tǒng)與電網(wǎng)頻繁的交互行為影響著電網(wǎng)的穩(wěn)定性，給電網(wǎng)帶來沖擊。用電網(wǎng)交互水平[29]可以評(píng)價(jià)系統(tǒng)行為對(duì)電網(wǎng)的不利影響：

(6)

綜合上述評(píng)價(jià)指標(biāo)可知，本文優(yōu)化問題的目標(biāo)函數(shù)可統(tǒng)一表示為：

2.3 約束條件

多目標(biāo)協(xié)同優(yōu)化模型除滿足必要的動(dòng)態(tài)能量輸出模型和功率限制外，還需考慮能量供需之間的動(dòng)態(tài)平衡，以及能源互聯(lián)的約束條件。其中電力、熱力互聯(lián)的能量約束條件[18]分別為：

2.4 優(yōu)化算法

本文選擇的求解最優(yōu)結(jié)果的智能算法是改進(jìn)的多目標(biāo)遺傳算法[30]，它是基于帕累托最優(yōu)解的多目標(biāo)優(yōu)化求解算法。遺傳算法具有全局搜索能力，算法自帶的精英策略和變異操作，是實(shí)現(xiàn)群體多樣性，跳出局部最優(yōu)，面向全局尋優(yōu)的重要保證。

優(yōu)化計(jì)算流程如圖2所示，主要的流程如下：

流程1：輸入優(yōu)化模型相關(guān)的初始化數(shù)據(jù)，并設(shè)置求解算法的初始參數(shù)。

流程2：隨機(jī)生成初始種群，計(jì)算種群個(gè)體的適應(yīng)度函數(shù)，經(jīng)過非支配排序后，進(jìn)行選擇，交叉和突變等三種基本遺傳算子操作后，獲得了第一代種群。

流程3：從第二代開始，將父代種群和子代種群合成為一個(gè)種群，計(jì)算種群個(gè)體的適應(yīng)度函數(shù)并進(jìn)行非支配排序。根據(jù)排序和擁擠程度情況，經(jīng)過遺傳算子操作后，選擇合適的個(gè)體形成新的父代種群。

流程4：重復(fù)計(jì)算步驟2并進(jìn)行循環(huán)計(jì)算，直至滿足程序結(jié)束條件中的最大進(jìn)化代數(shù)，輸出系統(tǒng)調(diào)度和設(shè)備容量在內(nèi)的帕累托最優(yōu)解集方案。

3 案例研究

研究案例是以上海某區(qū)域?yàn)橹黧w，當(dāng)?shù)赜脩糌?fù)荷類型多樣，可再生資源豐富，適宜構(gòu)建分布式能源網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行多元負(fù)荷的供給。本文利用MATLAB軟件編程，對(duì)多個(gè)分布式供能系統(tǒng)構(gòu)成的能源網(wǎng)絡(luò)開展建模與優(yōu)化研究。為驗(yàn)證不同優(yōu)化目標(biāo)對(duì)網(wǎng)絡(luò)經(jīng)濟(jì)性、能效、環(huán)保型、靈活性以及對(duì)電網(wǎng)穩(wěn)定性的影響，以及不同優(yōu)化方式對(duì)綜合性能的影響，本文設(shè)置了以下三種優(yōu)化方案：

方案1：以PESR，ATCSR，CDERR，PPL，GIL為優(yōu)化目標(biāo)，基于熱力、電力互聯(lián)共享的三個(gè)分布式能源系統(tǒng)進(jìn)行協(xié)同優(yōu)化。

圖2 基于遺傳算法的多目標(biāo)協(xié)同優(yōu)化流程

方案2：以PESR，ATCSR，CDERR為優(yōu)化目標(biāo)，基于熱力、電力互聯(lián)共享的三個(gè)分布式能源系統(tǒng)進(jìn)行協(xié)同優(yōu)化；

方案3：以PESR，ATCSR，CDERR為優(yōu)化目標(biāo)，三個(gè)分布式能源系統(tǒng)進(jìn)行獨(dú)立優(yōu)化。

3.1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

不同建筑類型和用戶組成的區(qū)域負(fù)荷由DeST軟件模擬預(yù)測(cè)得出，太陽光照強(qiáng)度，風(fēng)資源水平，室外溫度等氣象參數(shù)則借助DeST軟件中的Medpha單元模擬得出。

選取三個(gè)區(qū)域全年中的典型日負(fù)荷數(shù)據(jù)如圖3所示，全年逐時(shí)氣象參數(shù)的相關(guān)數(shù)據(jù)如圖4所示。

系統(tǒng)中設(shè)備的關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)[31]列在了表2中；單位容量下的設(shè)備初始投資成本與運(yùn)行維護(hù)成本[14]列在了表3中。

表2 設(shè)備組件的關(guān)鍵性能參數(shù)

表3 設(shè)備投資與維護(hù)成本 元/kW

表4列出了天然氣的燃料價(jià)格以及上海地區(qū)電力峰谷時(shí)段的價(jià)格[32；表5列出了與求解算法相關(guān)的初始設(shè)置參數(shù)。

表4 天然氣價(jià)格和電網(wǎng)峰谷價(jià)格

表5 遺傳算法和求解程序的初始參數(shù)設(shè)置

圖3 三個(gè)子區(qū)域內(nèi)冷、熱、電及生活熱水負(fù)荷的典型日變化曲線

圖4 可再生資源的全年分布情況

3.2 優(yōu)化結(jié)果

分別運(yùn)行三種優(yōu)化方案的計(jì)算程序，求解得到了三種方案的最優(yōu)帕累托前沿解集，將其分別展示在圖5中。在優(yōu)化方案1中，ATCSR指標(biāo)變化范圍為8.7%至30.9%，PESR指標(biāo)變化范圍為10.7%至37.0%，CDERR指標(biāo)變化范圍34.9%至50.5%，PPL指標(biāo)的變化范圍在4.4%至25.3%，GIL指標(biāo)的變化范圍為4.8%至26.5%。

在優(yōu)化方案2中，ATCSR指標(biāo)的變化范圍為23.6%至30.1%，PESR指標(biāo)的變化范圍為20.9%至35.1%，CDERR指標(biāo)變化范圍37.4%至50.1%。

在方案3中，其ATCSR指標(biāo)在7.7%到24.2%之間變化，PESR指標(biāo)在15.1%至31.0%之間變化，CDERR指標(biāo)從33.4%到46.7%之間變化。

優(yōu)化方案的結(jié)果表明，協(xié)同優(yōu)化得到的方案在節(jié)能、減排、能效等方面的平均性能表現(xiàn)均優(yōu)于獨(dú)立優(yōu)化得到的方案。

考慮年總成本節(jié)省率，一次能源節(jié)能率，二氧化碳減排率，電網(wǎng)購電水平，電網(wǎng)交互水平在各優(yōu)化方案中具有同等重要的權(quán)重，根據(jù)正向指標(biāo)與負(fù)向指標(biāo)之和最大化的原則，選取最優(yōu)解對(duì)應(yīng)的方案如表6所示。

表6 三種優(yōu)化方案下系統(tǒng)配置的優(yōu)化結(jié)果

協(xié)同優(yōu)化(方案1和2)與獨(dú)立優(yōu)化(方案3)相比，分別增加了新能源機(jī)組48.9%和51.9%的裝機(jī)容量，當(dāng)?shù)乜稍偕Y源得到充分開發(fā)和利用。區(qū)域分布式供能網(wǎng)絡(luò)協(xié)同優(yōu)化的本質(zhì)機(jī)理是基于多個(gè)能源站之間能量融通和多種能源互補(bǔ)進(jìn)行的優(yōu)化，三個(gè)能源站系統(tǒng)借助區(qū)域之間的能源共享實(shí)現(xiàn)了互聯(lián)，使得設(shè)備組件的資源配置更加合理。

圖5 多目標(biāo)優(yōu)化下的最優(yōu)帕累托前沿解集

3.3 討論分析

3.3.1 優(yōu)化方案分析

方案1和方案2對(duì)應(yīng)的最優(yōu)解，其一年內(nèi)的能源生產(chǎn)和能源消耗結(jié)構(gòu)如圖6所示。與方案2相比，方案1中供能網(wǎng)絡(luò)的電網(wǎng)購電量從13.40%減少到8.10%，表明系統(tǒng)的靈活性和獨(dú)立性大大增加。極端情況下，系統(tǒng)可以不依賴于電網(wǎng)電力，滿足大部分的區(qū)域建筑和區(qū)域用戶的電力負(fù)荷。但是，隨著系統(tǒng)獨(dú)立性水平的增加，其節(jié)能減排的效益往往會(huì)下降，廢熱量從22.43%上漲到28.08%，致使過剩能源量的產(chǎn)生。

方案1中系統(tǒng)從電網(wǎng)購電和向電網(wǎng)售電之和共減少6.03%，表明系統(tǒng)在全年運(yùn)行時(shí)長下，減少了同電網(wǎng)的電力交互行為，確保系統(tǒng)運(yùn)行可靠性的同時(shí)，增加了對(duì)電網(wǎng)安全性的保護(hù)。與方案2相比，方案1中的電力融入量從4.03%下降到2.59%，電力融出量從2.59%下降到2.57%。優(yōu)化結(jié)果表明三目標(biāo)協(xié)同優(yōu)化的方案使得區(qū)域分布式供能網(wǎng)絡(luò)整體同電網(wǎng)交互水平提高的同時(shí)，也增加了網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部各個(gè)子系統(tǒng)之間運(yùn)行的互聯(lián)互通，使得過剩的電力和熱力被有效地共享利用，通過能源互聯(lián)的網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)運(yùn)行的高效性。

圖6 分布式能源網(wǎng)絡(luò)全年運(yùn)行的能源生產(chǎn)和能源消耗結(jié)構(gòu)

3.3.2 性能指標(biāo)分析

三種方案目標(biāo)函數(shù)的優(yōu)化結(jié)果如圖7所示。方案2與方案3相比，指標(biāo)ATCSR，PESR，CDERR分別增加了3.43%，21.73%，19.84%，表明多個(gè)分布式能源系統(tǒng)經(jīng)過協(xié)同優(yōu)化后的綜合性能得到了提升，系統(tǒng)及其所在網(wǎng)絡(luò)的整體經(jīng)濟(jì)性、能效性和環(huán)保性表現(xiàn)更佳。

方案1與方案2相比，雖然指標(biāo)ATCSR，PESR，CDERR分別下降了7.59%，8.70%，2.67%，但是以PPL和GIL為子優(yōu)化目標(biāo)的方案1，其PPL和GIL指標(biāo)分別降低了14.36%和18.36%，表明系統(tǒng)的靈活性更強(qiáng)，對(duì)電網(wǎng)的安全性更高。

圖7 三種優(yōu)化方案下的多目標(biāo)評(píng)價(jià)函數(shù)值

綜上所述，方案2在經(jīng)濟(jì)性能，環(huán)保性能以及節(jié)能性等方面的綜合性能表現(xiàn)最好；方案1在系統(tǒng)靈活性以及對(duì)電網(wǎng)的保護(hù)性方面表現(xiàn)最好；協(xié)同優(yōu)化方案在各方面的性能表現(xiàn)均優(yōu)于獨(dú)立優(yōu)化的方案。

3.3.3 出力調(diào)度分析

圖8展示了協(xié)同優(yōu)化(方案2)下分布式能源網(wǎng)絡(luò)整體的電力調(diào)度情況。在冬季典型日的一天中，燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電量、光伏發(fā)電量、風(fēng)機(jī)發(fā)電量滿足了大部分的電負(fù)荷需求，電網(wǎng)電力作為電負(fù)荷不足的補(bǔ)充，占電力來源的12.9%。以電力互聯(lián)的能源利用形式共享的電量占總發(fā)電量的16.0%，共享電力對(duì)分布式能源網(wǎng)絡(luò)的電力調(diào)度起到了積極的調(diào)控作用，在燃?xì)廨啓C(jī)停止運(yùn)行的0∶00至8∶00時(shí)間段內(nèi)，配置了風(fēng)力發(fā)電的2號(hào)能源站將富余的電力融入到其他兩個(gè)能源站，提高了新能源的發(fā)電量，其中可再生能源發(fā)電量占總發(fā)電量的55.2%。

由于地源熱泵運(yùn)行需消耗電力，熱泵機(jī)組一般在夜間電網(wǎng)電價(jià)較低時(shí)運(yùn)行。蓄電池則在用戶電負(fù)荷低谷時(shí)開始儲(chǔ)存電力，并在用戶電負(fù)荷急劇上升的時(shí)間段將儲(chǔ)存的電能釋放，滿足部分電力需求。

能源網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部的熱力調(diào)度如圖9所示。選取夏季典型日協(xié)同優(yōu)化的數(shù)據(jù)結(jié)果，熱力負(fù)荷需求包括冷需求和生活熱水需求，燃?xì)廨啓C(jī)的熱量滿足了大部分的熱力需求，驅(qū)動(dòng)吸收式冷熱水機(jī)組產(chǎn)出相應(yīng)能源產(chǎn)品。能源站富余的熱力，通過熱力共享形式融入到其他能源站系統(tǒng)，大大減少了各個(gè)能源站熱量的剩余，使能源生產(chǎn)和消耗的結(jié)構(gòu)更加合理有序，減少了廢熱的產(chǎn)生和余熱量的浪費(fèi)。當(dāng)燃?xì)廨啓C(jī)余熱或集熱器的熱量不足時(shí)，例如在7∶00至8∶00時(shí)間段和22∶00至24∶00時(shí)間段，天然氣則會(huì)進(jìn)入吸收式機(jī)組中直接燃燒來補(bǔ)充熱力的需求。

圖8 基于電共享的分布式能源網(wǎng)絡(luò)的電力調(diào)度

圖9 基于熱共享的分布式能源網(wǎng)絡(luò)的熱力調(diào)度

4 結(jié)論

(1)從多能互補(bǔ)的分布式供能系統(tǒng)到多站協(xié)同的區(qū)域分布式供能網(wǎng)絡(luò)，協(xié)同優(yōu)化是通過優(yōu)化設(shè)計(jì)和調(diào)度管理獲得收益的有效方法。與獨(dú)立優(yōu)化相比，區(qū)域分布式能源網(wǎng)絡(luò)的協(xié)同優(yōu)化分別使ATCSR增加3.43%，PSER增加21.73%和CDERR增加19.84%，這為基于能源互聯(lián)的供能網(wǎng)絡(luò)協(xié)同優(yōu)化模型的應(yīng)用提供了理論基礎(chǔ)。

(2)同以三個(gè)指標(biāo)為優(yōu)化目標(biāo)的方案2相比，以五個(gè)指標(biāo)為優(yōu)化目標(biāo)的方案2的PPL和GIL評(píng)價(jià)指標(biāo)分別降低了14.36%和18.36%，表明系統(tǒng)自身的運(yùn)行靈活性更強(qiáng)，對(duì)電力網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行安全性更高。

(3)通過電力和熱力融通，分布式能源網(wǎng)絡(luò)中設(shè)備組件的發(fā)電和產(chǎn)熱，能量的存儲(chǔ)和釋放，電力的購買和熱量的補(bǔ)充等形式相互協(xié)調(diào)，使得過剩電降低1.31%，廢棄熱減少19.47%，實(shí)現(xiàn)了科學(xué)的多能量調(diào)度，表明協(xié)同優(yōu)化使能源生產(chǎn)和能源消耗的結(jié)構(gòu)更加合理。