王 洲，張中丹，李 媛，王 濤，廖小群

(1.國網(wǎng)甘肅省電力公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，甘肅 蘭州 730050； 2.西安科技大學(xué) 通信與信息工程學(xué)院，陜西 西安 710054)

現(xiàn)階段，社會(huì)生產(chǎn)規(guī)模的擴(kuò)大和人們對生活質(zhì)量要求的提高，能源需求量日益增加，不可再生能源消耗速度加劇。不可再生能源具有分布不均、儲(chǔ)量有限的特點(diǎn)，不僅利用率較低，還會(huì)排放有害物質(zhì)。這使得能源供給面臨資源耗竭、環(huán)境污染雙重考驗(yàn)[1-2]。在上述背景下，能源生產(chǎn)和轉(zhuǎn)換等環(huán)節(jié)發(fā)生很大改變，清潔能源的可持續(xù)開發(fā)趨勢越發(fā)明顯。當(dāng)前已被開發(fā)的可再生能源主要有風(fēng)能、潮汐能等形式，能源體系呈現(xiàn)出低碳、高效的特點(diǎn)。因此，建立多能互補(bǔ)的綜合能源供給側(cè)具有重要意義[3-4]。

目前，國內(nèi)綜合能源調(diào)度的相關(guān)研究已取得較大進(jìn)展，將需求響作為維持多元能源供需平衡的重要決策，劃分需求響應(yīng)為價(jià)格和激勵(lì)。針對激勵(lì)需求響應(yīng)，通過直接負(fù)荷控制，補(bǔ)償具有儲(chǔ)能效果的負(fù)荷，針對價(jià)格需求響應(yīng)，計(jì)算各個(gè)調(diào)度時(shí)間段的生產(chǎn)成本，最小化電力調(diào)度的耗費(fèi)成本[5]。此外，相關(guān)學(xué)者充分考慮了風(fēng)力放電以及光伏出力過程的波動(dòng)性，構(gòu)建了能源調(diào)度的非線性概念模型，再利用整數(shù)線性規(guī)劃確定模型的最優(yōu)解[6]。還有學(xué)者針對多能靈活性的綜合能源，建立多能靈活性狀態(tài)方程，控制電力調(diào)度的各個(gè)時(shí)間尺度，最小化日運(yùn)行成本，修正能源日調(diào)度計(jì)劃[7]。

結(jié)合以上理論，本文提出了多能互補(bǔ)環(huán)境下綜合能源供給側(cè)協(xié)調(diào)調(diào)度方法，建立綜合能源供給側(cè)協(xié)調(diào)調(diào)度模型。通過求解模型獲得最佳調(diào)度策略，互補(bǔ)不同種類能源的優(yōu)勢。

1 方法設(shè)計(jì)

1.1 構(gòu)建綜合能源供給側(cè)協(xié)調(diào)調(diào)度模型

基礎(chǔ)的綜合能源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 基礎(chǔ)的綜合能源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 Basic integrated energy system structure

首先分析供給側(cè)多元負(fù)荷控制特性，在綜合能源供給側(cè)接入互補(bǔ)能源，通過整合多種形式的能源來提供熱負(fù)荷、氣負(fù)荷、電負(fù)荷等多元負(fù)荷。根據(jù)可利用能源結(jié)構(gòu)以及負(fù)荷側(cè)所需能源種類，選取供給側(cè)的能源轉(zhuǎn)換設(shè)備種類，共同供給電負(fù)荷和熱負(fù)荷，通過供氣網(wǎng)絡(luò)配置儲(chǔ)氣裝置，供給氣負(fù)荷，實(shí)現(xiàn)電—熱—?dú)怦詈蟍8]。當(dāng)能源供給側(cè)對負(fù)荷側(cè)的多能互補(bǔ)需求，產(chǎn)生響應(yīng)時(shí)，令直接負(fù)荷控制參與需求響應(yīng)，分析直接負(fù)荷控制對電—熱—?dú)怦詈系挠绊?，增加?fù)荷側(cè)的彈性。在此基礎(chǔ)上，構(gòu)建如下的協(xié)調(diào)調(diào)度模型。

1.1.1 構(gòu)建綜合能源供給側(cè)調(diào)度目標(biāo)函數(shù)

根據(jù)綜合能源供給側(cè)的多能互補(bǔ)調(diào)度目標(biāo)，計(jì)算目標(biāo)函數(shù)。將綜合能源微網(wǎng)運(yùn)行成本最小化，作為供給側(cè)調(diào)度多元負(fù)荷的目標(biāo)。由于儲(chǔ)熱裝置和儲(chǔ)氣裝置運(yùn)行成本固定，為此忽略不計(jì)這2項(xiàng)成本。計(jì)算常規(guī)發(fā)電機(jī)組運(yùn)行成本C1：

(1)

式中，ai、bi、ci為發(fā)電過程的成本系數(shù)；N1為機(jī)組數(shù)量；P1為發(fā)電機(jī)組的有功出力[9]。

計(jì)算燃?xì)鈾C(jī)組運(yùn)行成本C2：

(2)

式中，ei為第i臺(tái)燃?xì)鈾C(jī)組成本系數(shù)；A為天然氣低熱值；di為第i臺(tái)燃?xì)鈾C(jī)組的產(chǎn)氣量；hi為第i臺(tái)機(jī)組轉(zhuǎn)化效率；N2為燃?xì)鈾C(jī)組數(shù)量。

結(jié)合光伏發(fā)電實(shí)際出力，計(jì)算光伏發(fā)電運(yùn)行成本C3：

(3)

式中，fi為第i個(gè)光伏電源成本系數(shù)；gi為溫度系數(shù)；T1、T2分別為測試溫度和實(shí)際工作溫度；K1、K2分別為測試輻射強(qiáng)度和實(shí)際輻射強(qiáng)度；N3為光伏電源數(shù)量[10-11]。

根據(jù)風(fēng)力發(fā)電實(shí)際出力，計(jì)算風(fēng)力發(fā)電運(yùn)行成本C4：

(4)

式中，N4為風(fēng)電機(jī)組數(shù)量；Li為額定功率，v1、v2、v3分別為實(shí)際、切入和額定的風(fēng)速；ki為第i臺(tái)風(fēng)機(jī)成本系數(shù)。

根據(jù)電鍋爐用電功率計(jì)算電鍋爐運(yùn)行成本C5：

(5)

式中，N5為電鍋爐數(shù)量；Z為鍋爐產(chǎn)熱量；Mi為電鍋爐成本系數(shù)；Bi為電鍋爐的能源轉(zhuǎn)換率[12]。

熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組運(yùn)行成本C6為：

(6)

式中，N6為熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組數(shù)量；l1為散熱損失率；l2為回收率；zi為制熱系數(shù)；Fi為機(jī)組額定制熱功率；j為燃?xì)鈾C(jī)組發(fā)電效率；Ji為熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組成本系數(shù)。

將上述得到的各項(xiàng)運(yùn)行成本疊加，可以得到綜合能源微網(wǎng)運(yùn)行成本。至此完成對綜合能源供給側(cè)調(diào)度目標(biāo)函數(shù)的計(jì)算。

1.1.2 設(shè)計(jì)綜合能源供給側(cè)調(diào)度約束條件

通過設(shè)計(jì)調(diào)度約束條件使供給側(cè)根據(jù)目標(biāo)函數(shù)調(diào)度能源時(shí)，達(dá)到熱量平衡、天然氣平衡、電力平衡。確定電力平衡約束條件，使耗電量和購電量達(dá)到平衡，表達(dá)式為：

P1(t)+P2(t)+P3(t)+P4(t)+P5(t)=

F1(t)+F2(t)+F3(t)

(7)

式中，P1(t)為t時(shí)刻的常規(guī)機(jī)組發(fā)電功率；P2(t)為t時(shí)刻光伏出力；P3(t)為風(fēng)力發(fā)電功率；P4(t)為燃?xì)鈾C(jī)組發(fā)電功率；P5(t)為熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)發(fā)電功率；F1(t)為t時(shí)刻負(fù)荷側(cè)的實(shí)際供電負(fù)荷；F2(t)為電鍋爐用電功率；F3(t)為設(shè)備用電功率[13-14]。

確定熱量平衡約束條件，使能源轉(zhuǎn)換設(shè)備產(chǎn)生的熱量，與儲(chǔ)氣裝置供給熱負(fù)荷相平衡，表達(dá)式為：

(8)

式中，G1(t)為熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組的制熱功率；G2(t)為電鍋爐的制熱功率；G3(t)為儲(chǔ)熱裝置的存儲(chǔ)熱量，；G4(t)為t時(shí)刻的實(shí)際供熱負(fù)荷；I1為供熱網(wǎng)絡(luò)熱能利用比例；I2為儲(chǔ)熱裝置儲(chǔ)放熱效率[15-16]。

確定天然氣平衡約束條件，實(shí)現(xiàn)機(jī)組用氣量和氣網(wǎng)購氣量之間的平衡，表達(dá)式為：

(9)

式中，O1(t)為t時(shí)刻的熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組耗氣量；O2(t)為燃?xì)鈾C(jī)組耗氣量；O3(t)為儲(chǔ)放氣量；O4(t)為氣網(wǎng)購氣量；q為儲(chǔ)放氣效率。

供需平衡約束完畢后，假設(shè)機(jī)組運(yùn)行時(shí)間的下限值為p1、停機(jī)時(shí)間的下限值為p2，令設(shè)備的運(yùn)行時(shí)間大于下限值[17]，對機(jī)組啟停時(shí)間進(jìn)行約束，表達(dá)式為：

(10)

1.2 求解綜合能源供給側(cè)協(xié)調(diào)調(diào)度最優(yōu)解

求解模型，獲得綜合能源供給側(cè)協(xié)調(diào)調(diào)度最優(yōu)解。由章節(jié)1.1內(nèi)容可知，目標(biāo)函數(shù)為線性函數(shù)加權(quán)組成，其權(quán)值和函數(shù)項(xiàng)系數(shù)均為正值，限制目標(biāo)函數(shù)中的整數(shù)參量，再采用分支定界法，反復(fù)分割模型全部解空間，得到關(guān)于模型解的不同子集[19]。設(shè)定每個(gè)子集的下界和上界，刪除無法達(dá)到子集下界、或超出子集上界的可行解[20]。迭代更新子集的上界和下界，根據(jù)迭代次數(shù)，改變阻尼系數(shù)這一迭代參數(shù)，計(jì)算公式為：

(11)

式中，r為上界和下界的迭代次數(shù)；y1、y2分別為收斂誤差最大值、最小值；x為阻尼項(xiàng)的均衡因子。

在此基礎(chǔ)上，繼續(xù)分割模型解空間，不斷篩選可行解，直至獲得解空間中的全局最優(yōu)解，該最優(yōu)解下的目標(biāo)函數(shù)決策變量，即為能夠?qū)崿F(xiàn)綜合能源微網(wǎng)運(yùn)行成本最小化的最優(yōu)調(diào)度參數(shù)，獲得能源供給側(cè)最優(yōu)調(diào)度策略。

至此完成綜合能源供給側(cè)協(xié)調(diào)調(diào)度最優(yōu)解的求解，實(shí)現(xiàn)了基于多能互補(bǔ)的綜合能源供給側(cè)協(xié)調(diào)調(diào)度方法設(shè)計(jì)，該方法的具體實(shí)現(xiàn)流程如圖2所示。

圖2 綜合能源供給側(cè)協(xié)調(diào)調(diào)度實(shí)現(xiàn)流程Fig.2 Flow chart of integrated energy supply side coordinated dispatching

2 實(shí)例分析

為驗(yàn)證上述設(shè)計(jì)的多能互補(bǔ)環(huán)境下綜合能源供給側(cè)協(xié)調(diào)調(diào)度方法的有效性，設(shè)計(jì)如下實(shí)驗(yàn)。

2.1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

以某工業(yè)園區(qū)為研究對象，綜合能源包括上級(jí)能源接入、供給側(cè)、負(fù)荷側(cè)3部分，上級(jí)能源接入包括2組光伏電池、電網(wǎng)、氣網(wǎng)、1臺(tái)風(fēng)力發(fā)電機(jī)，供給側(cè)為能源轉(zhuǎn)換設(shè)備，其中光伏發(fā)電轉(zhuǎn)換效率為16%，儲(chǔ)能裝置和儲(chǔ)氣裝置的充放電損耗率分別為0.04、0.02，負(fù)荷側(cè)有電、熱、氣3種能源需求。園區(qū)中各機(jī)組運(yùn)行參數(shù)見表1。

表1 能源轉(zhuǎn)換設(shè)備運(yùn)行參數(shù)Tab.1 Operating parameters of energy conversion equipment

園區(qū)儲(chǔ)能電站容量為60 MW，電鍋爐初始狀態(tài)為開機(jī)半滿發(fā)狀態(tài)，常規(guī)發(fā)電機(jī)組、燃?xì)鈾C(jī)組、熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組初始狀態(tài)為停機(jī)狀態(tài)，根據(jù)用戶實(shí)際負(fù)荷和園區(qū)地理位置的自然條件，可得到24 h內(nèi)用于平衡約束的負(fù)荷需求量，如圖3所示。

圖3 園區(qū)多元負(fù)荷需求量Fig.3 Multiple load demand of park

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.2.1 多能互補(bǔ)情況測試

調(diào)度工業(yè)園區(qū)綜合能源供給側(cè)，測試園區(qū)電負(fù)荷、熱負(fù)荷、氣負(fù)荷的多能互補(bǔ)情況。電力、熱量、天然氣平衡及多能互補(bǔ)情況如圖4所示。其中，正值為產(chǎn)電功率、產(chǎn)熱功率、產(chǎn)氣量，負(fù)值為耗電功率、耗熱功率、耗氣量。

圖4 電力、熱量、天然氣平衡及多能互補(bǔ)情況Fig.4 Electricity balance，heat balance，natural gas balance and multi-energy complementarity

由上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，在應(yīng)用本文方法后，綜合能源供給側(cè)調(diào)度完畢后，各能源轉(zhuǎn)換設(shè)備與儲(chǔ)能裝置相匹配。耗電功率與園區(qū)電負(fù)荷需求量之和幾乎等于產(chǎn)電功率、耗熱功率與園區(qū)熱負(fù)荷需求量之和，幾乎等于產(chǎn)熱功率、耗氣量與園區(qū)天然氣需求量之和，也幾乎等于產(chǎn)氣量。由此可知產(chǎn)電功率和耗電功率、產(chǎn)熱功率和耗熱功率、產(chǎn)氣量和耗氣量互補(bǔ)平衡，充分滿足了園區(qū)對多元負(fù)荷的需求量。

2.2.2 調(diào)度成本測試

測試應(yīng)用本文方法調(diào)度后能源供給側(cè)的運(yùn)行成本，24 h內(nèi)園區(qū)的購電量、售電量、購氣量如圖5所示。

圖5 園區(qū)購電量、售電量、購氣量Fig.5 Purchase of electric quantity，sold electric quantity and purchased gas in park

已知園區(qū)峰時(shí)段的電價(jià)為1.24元/kWh、氣價(jià)為2.65元/m3；平時(shí)段電價(jià)為0.68元/kWh、氣價(jià)為2.41元/m3；谷時(shí)段電價(jià)為0.33元/kWh、氣價(jià)為2.02元/m3。由圖5可知，園區(qū)各時(shí)段的購電量、售電量、購氣量，將24 h內(nèi)總的購電量、售電量與電價(jià)相乘，總購氣量與氣價(jià)相乘，可得購電成本、購氣成本、售電成本分別為1 039.4、1 209.3、35.9元，結(jié)合設(shè)備開停機(jī)費(fèi)用25.3元，可以得到最終調(diào)度成本為2 238.1元，符合能源調(diào)度運(yùn)行成本的預(yù)期要求。

3 結(jié)語

研究設(shè)計(jì)了一種多能互補(bǔ)環(huán)境下綜合能源供給側(cè)協(xié)調(diào)調(diào)度方法。應(yīng)用該方法后，電能、熱能、天然氣的生產(chǎn)和消耗達(dá)到平衡，消納了太陽能、風(fēng)能，充分滿足了居民負(fù)荷需求，且能源調(diào)度成本較低。但此次研究仍存在一定不足，在今后的研究中，會(huì)對棄風(fēng)和棄光增加懲罰費(fèi)用，進(jìn)一步提高風(fēng)力發(fā)電和光伏出力。