左明樂，李培強(qiáng)

(福建工程學(xué)院 電子電氣與物理學(xué)院，福建 福州 350118)

綜合能源系統(tǒng)(integrated energy system, IES)可利用一定區(qū)域內(nèi)的電能、風(fēng)能、光能等多種能源，實(shí)現(xiàn)能量階梯利用，以滿足該區(qū)域?qū)﹄娔?、熱能和冷能的?fù)荷需求。IES接入了分布式儲(chǔ)能設(shè)備(energy storage system，ESS)，增加了系統(tǒng)運(yùn)行靈活性和用戶的用電靈活性。在當(dāng)前“雙碳”背景下，引進(jìn)IES對(duì)電力系統(tǒng)減少二氧化碳排放、實(shí)現(xiàn)碳排放目標(biāo)具有明顯的促進(jìn)作用。

目前國內(nèi)學(xué)者針對(duì)IES開展了很多研究。文獻(xiàn)[3-4]研究了分布式發(fā)電系統(tǒng)的能源、環(huán)境效益和IES的低碳經(jīng)濟(jì)調(diào)度，建立低碳調(diào)度模型，提高IES的經(jīng)濟(jì)性；文獻(xiàn)[5]提出了共享儲(chǔ)能電站的架構(gòu)，能夠節(jié)約儲(chǔ)能費(fèi)用，實(shí)現(xiàn)用戶與儲(chǔ)能服務(wù)商的合作共贏；文獻(xiàn)[6]提出了可轉(zhuǎn)移可中斷電和不可中斷電負(fù)荷、冷負(fù)荷和熱負(fù)荷等多種負(fù)荷的綜合響應(yīng)的模型，同時(shí)優(yōu)化多個(gè)用戶之間統(tǒng)一定價(jià)和多個(gè)微網(wǎng)內(nèi)的各種能源耦合設(shè)備的輸出；文獻(xiàn)[7]建立了冷熱電系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)，以經(jīng)濟(jì)性和環(huán)境治理費(fèi)用為目標(biāo)函數(shù)，構(gòu)建的IES在經(jīng)濟(jì)、環(huán)保和能效這3個(gè)方面的優(yōu)化程度都比單供和“以熱定電”的冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)高。文獻(xiàn)[8]加入了能源集線器，對(duì)IES進(jìn)行建模，引入了儲(chǔ)熱因子作為描述儲(chǔ)能系統(tǒng)狀態(tài)的參數(shù)，并建立了一種分層調(diào)度策略。文獻(xiàn)[9]以電價(jià)激勵(lì)型需求響應(yīng)和二氧化碳排放最小兩個(gè)目標(biāo)函數(shù)對(duì)并網(wǎng)型IES建立雙目標(biāo)優(yōu)化模型，對(duì)于IES的容量配置和年規(guī)劃成本及二氧化碳排放等環(huán)境效益完成分析評(píng)價(jià)。文獻(xiàn)[10]提出描述綜合能源聯(lián)供系統(tǒng)的組成和結(jié)構(gòu)，根據(jù)該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)了微電網(wǎng)的調(diào)度模型，并建立IES的0-1混合整數(shù)線性規(guī)劃的日前經(jīng)濟(jì)調(diào)度模型。

本研究以低碳排放為目標(biāo)，搭建一個(gè)IES的結(jié)構(gòu)模型，并優(yōu)化各時(shí)段的IES與主網(wǎng)之間的交換功率，利用改進(jìn)的粒子群算法，針對(duì)典型天氣情況下的負(fù)荷變化進(jìn)行調(diào)度。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型

1.1 系統(tǒng)構(gòu)成

IES一般是在某區(qū)域內(nèi)由分布式電源(光伏陣列、風(fēng)電機(jī)組等)、儲(chǔ)能電站和綜合能源負(fù)荷(供熱負(fù)荷、空調(diào)負(fù)荷等)通過電力傳輸線連接組成[11-14]。IES往往在建筑物屋頂裝設(shè)光伏陣列，光伏發(fā)電優(yōu)先滿足用電需求，如果有剩余電量，可以售給大電網(wǎng)。由于風(fēng)電和光伏發(fā)電有波動(dòng)性和隨機(jī)性，IES為了系統(tǒng)穩(wěn)定必須和電網(wǎng)連接。當(dāng)系統(tǒng)內(nèi)負(fù)荷處于低谷時(shí)，若風(fēng)能、光能較為充足，則相應(yīng)的燃?xì)廨啓C(jī)的出力減小，同時(shí)P2G機(jī)組(power to gas)和蓄電池開始工作；當(dāng)負(fù)荷處于峰值階段，若風(fēng)力和光伏發(fā)電不足，則燃?xì)廨啓C(jī)加大出力，儲(chǔ)能系統(tǒng)同時(shí)放電支援，系統(tǒng)光能和風(fēng)能若有剩余，可并入電網(wǎng)，充電到儲(chǔ)能系統(tǒng)。

1.2 光伏發(fā)電模型

光伏發(fā)電機(jī)組的輸出功率為：

(1)

式中，PPV(t)、G(t)和T(t)為光伏機(jī)組在當(dāng)前條件下的輸出功率、光照強(qiáng)度和溫度；TSTC為標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件下的溫度(25°C)；PSTC，GSTC為標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件下最大輸出功率和光照強(qiáng)度，k為溫度系數(shù)。

1.3 風(fēng)力發(fā)電模型

風(fēng)力發(fā)電模型為：

(2)

式中，PWT(t)為風(fēng)電的實(shí)時(shí)出力；v、vin、vout和v0分別為風(fēng)電機(jī)組的實(shí)時(shí)、切入、切出和額定風(fēng)速，Pe為風(fēng)電機(jī)組的額定輸出功率，K1、K2和K3為出力參數(shù)，風(fēng)電機(jī)組的輸出功率滿足上述函數(shù)。

1.4 微型燃?xì)廨啓C(jī)

微型燃?xì)廨啓C(jī)機(jī)(micro turbine，MT)的出力模型為：

(3)

式中，QMT(t)、PMT(t)分別為燃機(jī)的余熱量和輸出功率；ηMT(t)、ηL為t時(shí)段燃?xì)廨啓C(jī)的出力效率和散熱損失率。

微型燃?xì)廨啓C(jī)的發(fā)電成本為：

(4)

式中，CMT(t)為燃?xì)廨啓C(jī)的天然氣單位時(shí)間成本；CCH4為天然氣的單價(jià)；LHV為低熱值。

1.5 儲(chǔ)能系統(tǒng)模型

儲(chǔ)能裝置是IES的重要組成部分，能夠平抑風(fēng)電和光伏出力的波動(dòng)性，同時(shí)利用峰谷電價(jià)套利降低IES的運(yùn)行成本。鉛酸蓄電池的技術(shù)成熟，成本更低，所以采用鉛酸蓄電池作為儲(chǔ)能裝置。t時(shí)刻儲(chǔ)能裝置的充放電公式為：

(5)

式中，E(t)為電池的剩余電量；δdis為自放電系數(shù)；Pch、Pdis為電池充電放電功率；ηch、ηdis分別為電池的充電、放電效率。

荷電狀態(tài)(SOC)是蓄電池的主要的評(píng)定參數(shù)，它能準(zhǔn)確的顯示蓄電池的剩余容量，荷電狀態(tài)的數(shù)學(xué)模型為：

(6)

式中，SOC0為初始荷電狀態(tài)，C為額定容量，Ib、Iloss是電池充放電電流和損耗反應(yīng)電流，dτ為電池充放電時(shí)間。

2 IES低碳經(jīng)濟(jì)調(diào)度模型

2.1 碳排放分析

以碳排放效益為依據(jù)，分析系統(tǒng)是否低碳運(yùn)行。碳排放來源包括電網(wǎng)購電、燃?xì)鈾C(jī)組和系統(tǒng)運(yùn)行的耗能。IES的碳排放量包括各分布式設(shè)備的碳排放量以及耦合設(shè)備的間接碳排放量，各機(jī)組碳排放量與其出力的大小呈線性關(guān)系。

實(shí)際碳排放量計(jì)算公式為：

(7)

2.2 目標(biāo)函數(shù)

根據(jù)第1節(jié)的單元模型，建立含儲(chǔ)能電站的IES優(yōu)化調(diào)度模型，不僅考慮系統(tǒng)成本費(fèi)用最低，還要考慮低碳環(huán)保，系統(tǒng)將多目標(biāo)轉(zhuǎn)換為單目標(biāo)，目標(biāo)函數(shù)包括經(jīng)濟(jì)性與環(huán)保性兩方面，目標(biāo)函數(shù)為：

minC=CE+CG+CRUN+CCO2

(8)

式中，CE為從電網(wǎng)購電費(fèi)用；CG為購氣費(fèi)用；CRUN為系統(tǒng)運(yùn)行費(fèi)用；CCO2為系統(tǒng)排放二氧化碳產(chǎn)生的環(huán)保費(fèi)用。

系統(tǒng)從電網(wǎng)購電費(fèi)用CE為：

(9)

購氣費(fèi)用CG為：

(10)

系統(tǒng)運(yùn)行費(fèi)用CRUN為：

(11)

式中，cm、Pm分別為系統(tǒng)內(nèi)第m個(gè)設(shè)備的運(yùn)行單位成本和出力大小。

環(huán)保費(fèi)用CCO2為：

(12)

2.3 約束條件

功率平衡約束為：

Pgrid+Ppv+Pwt+Pmt=Pload-Pbess

(13)

式中，Pgrid為主網(wǎng)對(duì)系統(tǒng)的輸入功率，Pload為用戶負(fù)荷功率，Pbess為儲(chǔ)能設(shè)備出力。

傳輸線交換功率約束為：

-Pline.max≤Pgrid≤Pline.max

(14)

式中，Pline.max為傳輸線允許的最大交換功率。

設(shè)備出力約束為：

(15)

蓄電池容量和充電次數(shù)約束：

SOCmin≤SOC≤SOCmax

(16)

(17)

式中，SOC為蓄電池的荷電狀態(tài)，λ表示儲(chǔ)能電站的充放電次數(shù)。

3 求解算法

針對(duì)式(8)～式(17)，采用粒子群算法對(duì)IES進(jìn)行優(yōu)化。粒子群算法是一種通過群體中個(gè)體之間的交流和合作來搜索最優(yōu)解，標(biāo)準(zhǔn)公式為：

(18)

(19)

慣性權(quán)重公式為：

(20)

學(xué)習(xí)因子公式為：

(21)

式中，N為迭代次數(shù)，N=500；Nk為目前的迭代次數(shù)；cs、ce分別為c1的起始值和終止值，c2s、c2e為c2的起始值和終止值。

4 算例分析

4.1 系統(tǒng)參數(shù)

本例將IES規(guī)劃應(yīng)用到某北方城市街區(qū)，系統(tǒng)為該街區(qū)火車站和周圍酒店提供冷、熱和電負(fù)荷，該系統(tǒng)只能從大電網(wǎng)購電，不能向外輸送。

基于中國當(dāng)前發(fā)電結(jié)構(gòu)下碳排放強(qiáng)度的平均水平，風(fēng)力或光伏每發(fā)出1 kW·h電能，平均可減少的CO2排放量為0.872 kg，減少的SO2排放量為0.026 3 kg。

以冬季典型以例，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化調(diào)度，系統(tǒng)只含熱、電負(fù)荷，購電單價(jià)采用分時(shí)電價(jià)，電價(jià)參數(shù)如表1所示。

表1 電價(jià)參數(shù)

4.2 場(chǎng)景設(shè)置及調(diào)度分析

圖1為該系統(tǒng)冬季典型日24 h內(nèi)的各類負(fù)荷需求和風(fēng)力、光伏出力預(yù)測(cè)結(jié)果。

圖1 冬季負(fù)荷需求和光伏、風(fēng)電出力預(yù)測(cè)

分析系統(tǒng)在冬季典型日的電熱負(fù)荷預(yù)測(cè)圖，由于冬季多以取暖用熱為主，熱負(fù)荷變化較為平緩，中午10:00～14:00系統(tǒng)的用熱需求較小，其余時(shí)段熱負(fù)荷會(huì)略有增加。

本研究設(shè)置3種場(chǎng)景分析不同設(shè)備對(duì)系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性和環(huán)保性：

(1)場(chǎng)景一：未加P2G和儲(chǔ)能設(shè)備，以系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性為目標(biāo)；

(2)場(chǎng)景二：未加P2G和儲(chǔ)能設(shè)備，以系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)環(huán)保最優(yōu)為目標(biāo)；

(3)場(chǎng)景三：加入P2G設(shè)備和儲(chǔ)能設(shè)備后，以系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)環(huán)保最優(yōu)為目標(biāo)。

利用上節(jié)優(yōu)化算法求解IES的調(diào)度優(yōu)化結(jié)果如圖2所示。

圖2 不同場(chǎng)景調(diào)度結(jié)果

4.2.1 調(diào)度結(jié)果分析

(1)在未加入P2G機(jī)組和儲(chǔ)能設(shè)備時(shí)，光伏和風(fēng)電的輸出功率在不同時(shí)段差異明顯，燃?xì)廨啓C(jī)的出力穩(wěn)定。由于當(dāng)?shù)匾归g風(fēng)速較大，所以夜間時(shí)段風(fēng)力機(jī)組出力達(dá)到所有時(shí)段的最大值，而光伏機(jī)組不出力。通過對(duì)不含P2G機(jī)組和儲(chǔ)能設(shè)備的系統(tǒng)調(diào)度分析發(fā)現(xiàn)，系統(tǒng)因缺少P2G機(jī)組和儲(chǔ)能設(shè)備的削峰填谷作用，在夜間和白天都不同程度上造成了棄風(fēng)棄光現(xiàn)象。

(2)加入P2G機(jī)組和儲(chǔ)能設(shè)備后，在負(fù)荷低谷時(shí)段，由于負(fù)荷需求量較小，且系統(tǒng)購電價(jià)格較低，當(dāng)風(fēng)能、光能滿足用戶負(fù)荷時(shí)，由P2G機(jī)組優(yōu)先出力，將電能轉(zhuǎn)換成天然氣儲(chǔ)存;若P2G機(jī)組仍不能消納多余電量，則由蓄電池將剩余電能儲(chǔ)存起來。在用電高峰期，由于負(fù)荷需求急劇上升，燃機(jī)的出力不能滿足需求，從大電網(wǎng)購電的費(fèi)用較高，此時(shí)儲(chǔ)能設(shè)備開始出力。

(3)燃機(jī)的出力與電網(wǎng)電價(jià)的波動(dòng)有明顯的相關(guān)性，當(dāng)購電價(jià)格達(dá)到一天內(nèi)最高時(shí)( 15:00～16:00、20:00～21:00) 由燃機(jī)盡可能多出力，電價(jià)較低時(shí)(17:00～19:00、22:00～23:00)燃機(jī)可減少出力。電網(wǎng)電價(jià)在 00:00達(dá)到一天內(nèi)最低時(shí)，燃機(jī)停止出力。由調(diào)度結(jié)果可知，在凌晨時(shí)，全部從電網(wǎng)購電以滿足用電負(fù)荷；在白天，光伏、風(fēng)電機(jī)組優(yōu)先出力，如果風(fēng)電和光伏出力無法滿足電負(fù)荷，才由燃機(jī)出力。

4.2.2 環(huán)境效益分析

表2為各時(shí)段的碳排放分析結(jié)果，根據(jù)分時(shí)電價(jià)表將一天分為6個(gè)時(shí)段。

表 2 各時(shí)段不同場(chǎng)景的CO2排放量

與場(chǎng)景一相比，場(chǎng)景二、場(chǎng)景三的污染治理費(fèi)用均大幅度下降，證明了所構(gòu)建模型的環(huán)保性；其中場(chǎng)景二和場(chǎng)景三引入了碳排放評(píng)價(jià)指標(biāo)和P2G機(jī)組及儲(chǔ)能設(shè)備，沒有造成棄風(fēng)棄光現(xiàn)象，所以CO2排放量下降明顯，說明引入儲(chǔ)能設(shè)備配合清潔能源能使系統(tǒng)具有更佳的低碳性。因?yàn)閮?chǔ)電的運(yùn)行成本更高，且多次轉(zhuǎn)化能量的儲(chǔ)存形式存在能量浪費(fèi)，所以優(yōu)先運(yùn)行P2G機(jī)組，蓄電池暫停運(yùn)行。綜合考慮系統(tǒng)運(yùn)行成本和低碳效益，通過儲(chǔ)能設(shè)備平衡不同時(shí)段的電價(jià)峰谷差，可提高系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性和環(huán)保性。

由于調(diào)度過程中也要考慮電儲(chǔ)能的碳排放，所以要減少儲(chǔ)能設(shè)備的工作時(shí)間，避免消耗更多的電能，減少電能向另一種能量轉(zhuǎn)化過程中的損耗。場(chǎng)景三與場(chǎng)景一相比，為了降低超過負(fù)荷需求的電能浪費(fèi)，在用電低谷時(shí)避免儲(chǔ)能設(shè)備工作，所以，燃機(jī)在夜間的出力達(dá)到了一天的最大值。而燃?xì)忮仩t的碳排放量比燃?xì)廨啓C(jī)更大，所以燃機(jī)和電鍋爐優(yōu)先出力更加清潔，碳排放量快速下降。場(chǎng)景三考慮電儲(chǔ)能設(shè)備的碳排放，當(dāng)燃機(jī)的出力增加時(shí)，優(yōu)先由P2G機(jī)組出力，風(fēng)電和光伏的優(yōu)勢(shì)明顯，因此在風(fēng)電和光伏出力的各時(shí)段，環(huán)保成本更低。

5 結(jié)語

本研究基于IES結(jié)構(gòu)，分析了P2G、儲(chǔ)氣和儲(chǔ)能電池構(gòu)成的電氣轉(zhuǎn)換儲(chǔ)能系統(tǒng)的適用性，構(gòu)建了包含風(fēng)電機(jī)組、光伏、和蓄電池的IES模型，建立了IES的經(jīng)濟(jì)優(yōu)化調(diào)度模型，通過具體算例，對(duì)3種不同場(chǎng)景下系統(tǒng)的調(diào)度進(jìn)行研究。結(jié)果表明：相對(duì)于系統(tǒng)中不含儲(chǔ)能設(shè)備來說，在IES中同時(shí)采用P2G機(jī)組和蓄電池進(jìn)行儲(chǔ)能的調(diào)度方案在經(jīng)濟(jì)成本和環(huán)境保護(hù)方面均具有優(yōu)勢(shì)，能提高風(fēng)電消納，避免風(fēng)能光能的浪費(fèi)。加入碳排放的環(huán)境指標(biāo)后，系統(tǒng)內(nèi)的經(jīng)濟(jì)效益略有降低，但是碳排放量明顯減低。