劉赫川，周孝信，楊小煜，李亞樓，李雄

(1. 中國電力科學(xué)研究院有限公司 國家電網(wǎng)仿真中心，北京 100192；2. 華北電力大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院，北京 102206)

0 引言

社會發(fā)展伴隨著不斷增加的能源需求，大量化石能源消耗帶來了溫室氣體排放過度和環(huán)境污染，因此需要一場能源革命從根本上改變?nèi)鐣挠媚芊绞剑瑢?shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展[1-2]。2012年華北地區(qū)冬季多次出現(xiàn)大范圍長時間霧霾現(xiàn)象后，多部門聯(lián)合開展冬季供暖“煤改電、煤改氣”專項(xiàng)行動[3-5]。“煤改電”中冬季供熱電負(fù)荷增幅較大，重點(diǎn)區(qū)域的燃煤電廠逐步關(guān)?；蜻M(jìn)行了燃?xì)飧脑欤烊粴獍l(fā)電量顯著增加?！懊焊臍狻敝刑烊粴馓娲济汗┡购臍饬看蠓仙Ｉ鲜龃胧p少污染物排放同時增加了能源系統(tǒng)中的電氣耦合程度。

能源消耗中天然氣占比逐漸增加，其消耗和存儲有明顯的季節(jié)性變化，因此在評估電氣耦合綜合能源系統(tǒng)供應(yīng)能力時應(yīng)對其進(jìn)行年度仿真。綜合能源系統(tǒng)生產(chǎn)模擬是研究綜合能源系統(tǒng)優(yōu)化運(yùn)行、規(guī)劃的有效工具，其研究方法以多階段時序分析方法為主，在考慮若干時段內(nèi)各種能源與用能負(fù)荷功率以及能量平衡的基礎(chǔ)上，計算綜合能源系統(tǒng)的生產(chǎn)費(fèi)用等經(jīng)濟(jì)、環(huán)境指標(biāo)，確定一次能源的消耗、安排設(shè)備的運(yùn)行方式，得到系統(tǒng)的最優(yōu)運(yùn)行策略，同時比較不同方案的生產(chǎn)費(fèi)用、能效、溫室氣體排放等指標(biāo)。該方法考慮了負(fù)荷和設(shè)備運(yùn)行過程中的時序約束，是一種確定性時序分析方法。

綜合能源系統(tǒng)近年來取得了豐富的研究成果。文獻(xiàn)[6]概括了國內(nèi)外關(guān)于綜合能源系統(tǒng)建模方法、優(yōu)化模型方面的研究進(jìn)展，重點(diǎn)提出了綜合能源系統(tǒng)在優(yōu)化運(yùn)行方面的現(xiàn)存問題以及研究方向。文獻(xiàn)[7]以電氣熱耦合的典型能源系統(tǒng)為背景，提出了一種基于能源集線器（energy hub，EH）的研究思路，對多能互補(bǔ)的綜合能源系統(tǒng)規(guī)劃、能量流優(yōu)化等穩(wěn)態(tài)問題提供了建議。EH通過能源轉(zhuǎn)換耦合矩陣，以端口的形式簡明的描述綜合能源系統(tǒng)中能量的轉(zhuǎn)化、傳輸以及存儲[8]。文獻(xiàn)[9]介紹了EH的基本概念以及建模方法，并對EH的優(yōu)化求解方法進(jìn)行了概括。包含大量分布式供能設(shè)備的園區(qū)級綜合能源系統(tǒng)受到廣泛關(guān)注，文獻(xiàn)[10]列出了以分布式冷熱聯(lián)供站為核心的綜合能源系統(tǒng)中包括分布式可再生能源、冷熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組（combined cooling heating and power，CCHP）用于規(guī)劃、優(yōu)化運(yùn)行的詳盡模型，并對綜合能源系統(tǒng)在運(yùn)行中的多目標(biāo)優(yōu)化及決策進(jìn)行了研究。文獻(xiàn)[11]則研究了包含電氣熱冷的園區(qū)綜合能源系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)優(yōu)化調(diào)度問題，比較子系統(tǒng)獨(dú)立運(yùn)行與多能互補(bǔ)協(xié)同運(yùn)行在運(yùn)行費(fèi)用上的差異，展示多能互補(bǔ)運(yùn)行方式的經(jīng)濟(jì)性。

當(dāng)前在求解綜合能源系統(tǒng)優(yōu)化問題時主要用到現(xiàn)代數(shù)學(xué)規(guī)劃以及啟發(fā)式算法兩類方法。數(shù)學(xué)規(guī)劃以混合整數(shù)非線性規(guī)劃為主，包含了設(shè)備部分負(fù)荷特性[12]、設(shè)備啟停二進(jìn)制輔助變量[13]等非線性因素。通常將上述模型轉(zhuǎn)換成混合整數(shù)線性規(guī)劃（mixed integer linear programming，MILP）問題，應(yīng)用商業(yè)求解器進(jìn)行求解。啟發(fā)式算法處理非線性、非凸優(yōu)化等問題具很強(qiáng)的參考價值，常見的算法包括遺傳算法[14]、粒子群算法[15]等。

在輸電網(wǎng)層面的電氣耦合網(wǎng)絡(luò)也受到大量關(guān)注，文獻(xiàn)[16]以英國National Grid電氣聯(lián)營網(wǎng)絡(luò)為背景，研究了以燃?xì)廨啓C(jī)為耦合元件的電氣網(wǎng)絡(luò)拓展規(guī)劃問題。文獻(xiàn)[17]研究了電氣耦合系統(tǒng)需求響應(yīng)，通過算例驗(yàn)證所提出的需求響應(yīng)策略對系統(tǒng)削峰填谷和提升運(yùn)行效率的積極影響。近年來CCHP技術(shù)的發(fā)展為電氣耦合系統(tǒng)增添了新的能量轉(zhuǎn)換途徑。上述文獻(xiàn)中的綜合能源系統(tǒng)算例多涉及CCHP，目前大部分機(jī)組以天然氣為燃料，服務(wù)于綜合能源園區(qū)，在國內(nèi)外已有多項(xiàng)示范工程投入運(yùn)行[18]，增加了電網(wǎng)與天然氣網(wǎng)耦合程度。文獻(xiàn)[19]研究了CCHP、電鍋爐、儲熱裝置協(xié)同運(yùn)行解決棄風(fēng)問題，服務(wù)于可再生能源消納。文獻(xiàn)[20]構(gòu)建了風(fēng)光氣儲互補(bǔ)發(fā)電的冷熱電聯(lián)供優(yōu)化模型，采用典型日方法考慮費(fèi)率結(jié)構(gòu)等季節(jié)性因素，平抑可再生能源波動。上述文獻(xiàn)涉及電、熱的存儲，對天然氣存儲的考慮不足。

電氣耦合綜合能源系統(tǒng)在運(yùn)行方式優(yōu)化方面多以天、周為仿真時長。對于長時間尺度（一年）的場景研究，文獻(xiàn)中多通過采用典型日（周）方法，將多個短時間尺度生產(chǎn)模擬問題進(jìn)行循環(huán)累加予以實(shí)現(xiàn)。典型日（周）方法在綜合能源系統(tǒng)規(guī)劃運(yùn)行方面應(yīng)用較廣且效果較好[21]，但采用典型日方法無法考慮長時間尺度的約束條件，無法滿足對天然氣季節(jié)性儲氣裝置的模擬要求。文獻(xiàn)[22]實(shí)現(xiàn)了對氫氣年度存儲裝置的模擬，但其中描述年度存儲裝置的約束仍是要求存儲裝置的存儲量實(shí)現(xiàn)日（周）內(nèi)平衡。電力系統(tǒng)生產(chǎn)模擬分層優(yōu)化的方法，在綜合能源系統(tǒng)中運(yùn)用時存在一定不足之處。文獻(xiàn)[23]中分層優(yōu)化先解決中長期時間尺度上的約束條件如發(fā)電機(jī)組檢修計劃，然后將中長期計算結(jié)果代入到短期（日、周）的生產(chǎn)模擬中。電力系統(tǒng)中能源形式比較單一，該方法能很好地考慮出力長時間尺度約束條件。而綜合能源系統(tǒng)包含了多種形式的能源，能源之間還可以通過相互轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)優(yōu)化，該方法將負(fù)荷曲線作為輸入條件在中長期時間尺度進(jìn)行求解，不同負(fù)荷間的轉(zhuǎn)換沒有進(jìn)行優(yōu)化。對于當(dāng)前天然氣跨季節(jié)存儲規(guī)模逐漸增大的電氣耦合系統(tǒng)運(yùn)行優(yōu)化來說，需要一種有效的仿真手段考慮不同時間尺度的約束條件。

CCHP在冬季供暖之外還提供夏季供冷模式，提高了燃?xì)廨啓C(jī)、管網(wǎng)的利用率，具備很好的經(jīng)濟(jì)性，其裝機(jī)容量在系統(tǒng)中不斷升高，加深了電、氣、冷熱網(wǎng)絡(luò)的耦合程度。因此有必要研究CCHP對電氣耦合系統(tǒng)的影響、CCHP與儲氣裝置的互動等因素。在電氣耦合系統(tǒng)的年度仿真中，CCHP作為重要的耦合元件不可或缺。

本文采用一種多時間尺度分層優(yōu)化的綜合能源系統(tǒng)生產(chǎn)模擬方法，研究電氣耦合系統(tǒng)的年度優(yōu)化運(yùn)行，通過結(jié)合短期與長期的綜合能源系統(tǒng)生產(chǎn)模擬，將冷熱電氣負(fù)荷、天然氣大規(guī)模存儲等季節(jié)性因素考慮在優(yōu)化之中。同時應(yīng)用此方法對CCHP裝機(jī)大幅增加的綜合能源系統(tǒng)年度運(yùn)行方式進(jìn)行評估。

1 電氣耦合的綜合能源系統(tǒng)模型

本節(jié)介紹綜合能源系統(tǒng)中各種關(guān)鍵設(shè)備用于生產(chǎn)模擬的模型，包括CCHP、燃?xì)廨啓C(jī)和燃?xì)忮仩t等電氣耦合裝置，以及其他關(guān)鍵的能量轉(zhuǎn)換、存儲設(shè)備。

1.1 燃?xì)廨啓C(jī)

燃?xì)廨啓C(jī)以天然氣作為燃料，是電氣耦合綜合能源系統(tǒng)中的核心設(shè)備。在生產(chǎn)模擬計算中燃?xì)廨啓C(jī)的模型重點(diǎn)關(guān)注能量轉(zhuǎn)換效率、出力、經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)等約束條件。

1.3 冷熱電聯(lián)供機(jī)組

近年來冷熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組受到廣泛關(guān)注，通過消耗天然氣滿足冷熱電負(fù)荷，提供了一條減少燃煤、緩解污染的途徑。圖1為常見的CCHP裝置結(jié)構(gòu)，燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電后將余熱收集，通過余熱鍋爐以及溴化鋰吸收式制冷裝置提供熱和冷的輸出功率。

圖1 冷熱電聯(lián)產(chǎn)裝置結(jié)構(gòu)Fig. 1 Structure of CCHP

1.4 天然氣存儲裝置

1.5 能量平衡

生產(chǎn)模擬計算中除了上述關(guān)于能量轉(zhuǎn)換、存儲設(shè)備的約束條件外，還有表示能量平衡的約束條件。式(38)表示系統(tǒng)中電能供需的功率平衡，其中電負(fù)荷等于燃?xì)廨啓C(jī)、CCHP發(fā)電以及與外電網(wǎng)交互功率之和；式(39)表示熱能供需平衡，其中熱負(fù)荷等于燃?xì)忮仩t與CCHP熱輸出功率之和；式(40)表示冷負(fù)荷的供需平衡；式(41)表示系統(tǒng)中天然氣供需的平衡，其中燃?xì)廨啓C(jī)、燃?xì)忮仩t、CCHP的燃?xì)庀墓β省⑻烊粴獯鎯ρb置的儲氣功率以及氣負(fù)荷之和等于系統(tǒng)該時段天然氣供應(yīng)量加上天然氣存儲裝置的天然氣釋放功率。

式中：I、B、C、S、Le、Lc、Lh和 Lg分別為燃?xì)廨啓C(jī)、鍋爐、CCHP、儲氣裝置以及電、冷、熱、氣負(fù)荷的數(shù)量；St為時段t天然氣供應(yīng)量；、、、分別為電、熱、冷、氣負(fù)荷。

2 綜合能源系統(tǒng)多時間尺度生產(chǎn)模擬方法

為了對天然氣季節(jié)性大規(guī)模存儲問題進(jìn)行基于能量平衡的研究，需要對電氣耦合的綜合能源系統(tǒng)進(jìn)行年度生產(chǎn)模擬計算。由于綜合能源系統(tǒng)的生產(chǎn)模擬問題是一個混合整數(shù)線性規(guī)劃問題，計算尋優(yōu)空間隨算例規(guī)模增長呈指數(shù)級增長，其計算時間也相應(yīng)增長，因此當(dāng)前的計算能力還無法直接對8 760小時的年度生產(chǎn)模擬計算問題進(jìn)行統(tǒng)一求解，故當(dāng)前的研究中生產(chǎn)模擬計算大多數(shù)以小時為步長，以日（24小時）或周（168小時）為仿真時長。

本文提出一種多時間尺度的綜合能源系統(tǒng)生產(chǎn)模擬方法，選取周與年兩個時間尺度，采用分層優(yōu)化的方法處理生產(chǎn)模擬計算中的MILP問題，同時將天然氣年度存儲因素納入綜合能源系統(tǒng)的研究之中，流程如圖2所示。

圖2 多時間尺度分層優(yōu)化計算流程Fig. 2 Calculation flow of multiple time scale layered optimization

首先以周為仿真時長、小時為計算步長，根據(jù)上一章節(jié)的約束條件對全年52周逐個進(jìn)行生產(chǎn)模擬計算，得到綜合能源系統(tǒng)能量轉(zhuǎn)換設(shè)備每周、每小時的工況。在此環(huán)節(jié)不考慮系統(tǒng)中年度約束條件，如天然氣年度總量約束等。這一層級優(yōu)化中的約束條件在上一章節(jié)進(jìn)行了介紹，包括燃?xì)廨啓C(jī)（式（1）～（8））、燃?xì)忮仩t（式（13）～（15））、CCHP（式（19）～（28））、小型周平衡天然氣存儲裝置（式（32）～（36））以及能量平衡約束（式（38）～（41））。優(yōu)化的目標(biāo)函數(shù)為整個系統(tǒng)的運(yùn)行費(fèi)用最小，由上一章節(jié)中各設(shè)備運(yùn)行費(fèi)用累加得到，如（42）所示，在這一層級仿真時長為168小時，即T為168。

第二層根據(jù)第一層的優(yōu)化結(jié)果（每周天然氣消耗量等），對天然氣季節(jié)性存儲裝置的工況進(jìn)行以年為仿真時長、周為計算步長的優(yōu)化計算，并檢查收斂性。若代入第一層結(jié)果后不收斂即不滿足天然氣年度供應(yīng)量限制的約束條件，則返回第一層，對與天然氣相關(guān)的設(shè)備進(jìn)行參數(shù)修正。第二層優(yōu)化計算收斂后得到大型季節(jié)性天然氣存儲設(shè)備的全年中各周的運(yùn)行工況。在這一層級上考慮儲能裝置、年度天然氣總量等年度約束。其中天然氣年度存儲相關(guān)的約束條件如儲氣速度等仍為式（32）～（36），但此處仿真步長為周，時長為一年，T改為Tw，取值52。在能量平衡上的約束條件主要是天然氣負(fù)荷與供應(yīng)的平衡，即

將上述結(jié)果帶入第三層中，重新對52周依次進(jìn)行以小時為步長、周為時長的生產(chǎn)模擬計算，最后將52周結(jié)果疊加在一起，得出計及天然氣年度存儲的電氣耦合系統(tǒng)年度運(yùn)行方式。在這一層級的約束條件以及目標(biāo)函數(shù)與第一層級基本相同，所不同的是將第二層中計算得到的每周大型儲氣裝置的充、放氣量加入氣供需功率平衡約束（41）中，即

3 算例介紹

本節(jié)搭建電氣耦合的綜合能源系統(tǒng)算例，并在其中應(yīng)用多時間尺度的綜合能源系統(tǒng)生產(chǎn)模擬方法，驗(yàn)證該方法的有效性，同時對系統(tǒng)中關(guān)鍵設(shè)備進(jìn)行分析。

3.1 算例系統(tǒng)

為驗(yàn)證方法有效性，本節(jié)在已有文獻(xiàn)中電氣耦合系統(tǒng)基礎(chǔ)上[24]搭建了包含6節(jié)點(diǎn)電力系統(tǒng)、7節(jié)點(diǎn)天然氣系統(tǒng)、3節(jié)點(diǎn)熱系統(tǒng)以及3節(jié)點(diǎn)冷系統(tǒng)的綜合能源系統(tǒng)算例，如圖3所示。

圖3 冷熱電氣耦合系統(tǒng)算例示意Fig. 3 Simulation case of coupled cooling, heating,electricity, and natural gas system

本文利用分層優(yōu)化方法對天然氣季節(jié)性存儲進(jìn)行年度生產(chǎn)模擬計算，在算例中對于年度生產(chǎn)模擬計算影響不大的模型進(jìn)行了簡化。電、氣、熱、冷系統(tǒng)中的網(wǎng)絡(luò)約束僅考慮能量傳輸容量約束，不涉及電壓、氣壓等約束條件。對上述模型的簡化主要是基于仿真場景以及計算難度上的考慮。首先生產(chǎn)模擬問題研究在仿真時段內(nèi)的運(yùn)行優(yōu)化問題，仿真時間步長一般為時段（周、小時、分鐘），而電壓、氣壓等約束條件多應(yīng)用于系統(tǒng)安全性、穩(wěn)定性分析，與生產(chǎn)模擬研究多能互補(bǔ)、能量分配的內(nèi)容不同。另一方面，電壓、氣壓等潮流計算方面的約束條件將引入大量微分方程，給生產(chǎn)模擬中應(yīng)用商業(yè)求解器求解MILP問題帶來線性化等額外困難，降低計算效率；且實(shí)際生產(chǎn)中天然氣、熱力等流體管網(wǎng)系統(tǒng)壓強(qiáng)允許波動范圍很大，基本不會觸及安全約束，故在本文的生產(chǎn)模擬中可以對上述網(wǎng)絡(luò)約束進(jìn)行簡化。

算例關(guān)于電氣網(wǎng)絡(luò)的相關(guān)參數(shù)詳見文獻(xiàn)[23]，冷熱網(wǎng)絡(luò)中設(shè)備的相關(guān)參數(shù)詳見文獻(xiàn)[24]，算例中的單位統(tǒng)一轉(zhuǎn)換成電力系統(tǒng)常用單位，功率單位采用MW，能量單位采用MW·h。仿真采用便攜式計算機(jī)，處理器為 intel core i7，主頻 2.5 GHz，優(yōu)化計算調(diào)用商業(yè)求解器。

3.2 對比方案描述

本文在上述耦合算例系統(tǒng)中對所提算法進(jìn)行驗(yàn)證。首先將所提多時間尺度分層優(yōu)化方法與典型周（不計年度約束條件）累加方法進(jìn)行對比，驗(yàn)證所提算法的正確性和必要性。其次應(yīng)用所提算法對天然氣季節(jié)性存儲裝置存儲量占比不同的幾個場景進(jìn)行生產(chǎn)模擬計算，對季節(jié)性儲氣裝置的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行分析。最后對系統(tǒng)加裝CCHP前后的年度運(yùn)行方式進(jìn)行對比分析，研究CCHP對儲氣裝置運(yùn)行方式帶來的影響。

4 結(jié)果與分析

4.1 典型周累加方法

采用典型周的方法在不考慮天然氣相關(guān)年度約束條件（季節(jié)性存儲、總量約束）的情況下對上述綜合能源系統(tǒng)進(jìn)行生產(chǎn)模擬計算。文中算例選取春夏秋冬4個典型周，其冷、熱、電、氣負(fù)荷如圖4中a)～d)所示。

圖4 四季典型周負(fù)荷功率Fig. 4 Load power in four typical weeks of four seasons

根據(jù)上述數(shù)據(jù)進(jìn)行生產(chǎn)模擬計算，其年度總用氣量折算為3.07×107MW·h。此處計算得到的天然氣消耗量沒有考慮天然氣的年度供應(yīng)量上限的約束條件，為理想化結(jié)果，在實(shí)際系統(tǒng)中可能出現(xiàn)天然氣供應(yīng)量不足的情況。

4.2 多時間尺度分層優(yōu)化方法

采用本文所提方法的算例，考慮天然氣年度存儲及相關(guān)約束。算例中參考典型周方法中4個典型周數(shù)據(jù)，確保生成的全年52周數(shù)據(jù)中負(fù)荷的周平均值與4.1中的負(fù)荷平均值相同。本節(jié)算例中設(shè)置天然氣年度供應(yīng)上限為3.00×107MW·h，季節(jié)性天然氣存儲裝置的存儲量參設(shè)定為年度用氣量的8%、10%、13%三個等級，觀察季節(jié)性天然氣存儲裝置對綜合能源系統(tǒng)的年度運(yùn)行方式影響。上述各等級依據(jù)中國的天然氣存儲現(xiàn)狀進(jìn)行選取，中國現(xiàn)階段天然氣季節(jié)性可調(diào)峰儲氣量與全年用氣總量相比占比不高，僅為6%左右，與世界平均水平的差距頗大（12%～14%）。根據(jù)現(xiàn)有規(guī)劃，預(yù)計2025年儲氣庫儲量達(dá)到8%，而未來要求的全年的儲氣規(guī)模占比要達(dá)到15%以上才能保障中國能源安全。

4.2.1 與典型周累加方法對比

一是突出“黨味”。支部主題黨日的內(nèi)涵在“黨味”，重點(diǎn)在“黨性”，關(guān)鍵在推動黨的事業(yè)，最終還是要落腳于“強(qiáng)化黨員黨性觀念和宗旨意識”上來。推行支部主題黨日活動，一定要在增強(qiáng)凝聚力上下功夫，不斷強(qiáng)化支部主題黨日的政治功能和思想教育功能，使主題黨日真正成為政治學(xué)習(xí)的陣地、思想交流的平臺、黨性鍛煉的熔爐，同時要在增強(qiáng)吸引力上下功夫，推動基層組織建設(shè)和黨員隊(duì)伍建設(shè)取得新的提升。

與4.1中不計及天然氣季節(jié)性存儲的典型周方法生產(chǎn)模擬進(jìn)行比較，多時間尺度分層優(yōu)化的生產(chǎn)模擬方法將天然氣系統(tǒng)年度的約束條件考慮進(jìn)去。以儲氣量站年度消費(fèi)總量13%的場景為例，進(jìn)行生產(chǎn)模擬計算，得出的全年燃?xì)庀牧空鬯愫笥?3.07×107MW·h降至 2.90×107MW·h，小于設(shè)定的3.00×107MW·h的年供應(yīng)上限。與典型周累加方法相比耗氣量有所不同的原因是在第二層優(yōu)化計算中，上一層計算得到的天然氣消耗量不滿足年度總量約束條件，因此返回上一層對天然氣消耗進(jìn)行了修正，減小了燃?xì)獍l(fā)電、供熱的年度消耗量。對于因天然氣總量限制而產(chǎn)生的供熱、供電不足，本算例由外接電網(wǎng)購電、電供暖滿足。在冬季取暖負(fù)荷較大時，通過外電網(wǎng)購電，利用電制熱裝置滿足一部分熱負(fù)荷，降低燃?xì)忮仩t分擔(dān)的熱負(fù)荷，減少天然氣消耗。

4.2.2 天然氣儲氣量占比不同場景對比

圖5a)、b)、c)分別為季節(jié)性天然氣存儲量占年度總用氣量的8%、10%、13%三種情況下儲氣裝置一年52周的運(yùn)行方式。由于天然氣源年度總量以及周供應(yīng)量的約束，季節(jié)性存儲裝置的存儲量越大，其儲滿所需時間越長，因此全年52周中的工作時間越長。

圖5 季節(jié)性天然氣存儲裝置年度運(yùn)行方式Fig. 5 Annual operation mode of seasonal natural gas storage device

以季節(jié)性天然氣存儲裝置存儲量占比為13%的情況為例，圖6中a)、b)分別展示了天然氣用氣高峰周、用氣低谷周的168小時季節(jié)性存儲裝置的工作情況。每一周的存儲、釋放天然氣的總量由第二層的優(yōu)化計算得出，經(jīng)過168小時完成該周天然氣的消耗或存儲目標(biāo)。

圖6 季節(jié)性天然氣存儲裝置用氣高峰、低谷周工作方式Fig. 6 Operation mode of seasonal natural gas storage device in weeks of gas consumption peaks and troughs

4.2.3 CCHP投運(yùn)前后場景對比

在天然氣季節(jié)性存儲量容量固定為年度總用氣量13%的情況下配置一定量的CCHP，研究其投入運(yùn)行后對電氣耦合系統(tǒng)年度運(yùn)行方式的影響。算例中的CCHP裝機(jī)容量選取實(shí)際工程應(yīng)用中的常用數(shù)據(jù)，由2臺78 MW燃?xì)廨啓C(jī)和溴化鋰制冷設(shè)備組成CCHP[17]。圖7為初始無CCHP算例與配置CCHP后的天然氣存儲裝置運(yùn)行狀態(tài)對比。

圖7 天然氣存儲裝置年度運(yùn)行方式對比Fig. 7 Annual operation mode comparison of natural gas storage device

結(jié)果表明：配置CCHP后，天然氣存儲裝置的燃?xì)獯鎯α糠逯敌∮跊]有配置CCHP的情況，同時在存儲裝置全年的工作（存儲、釋放）時間也少于初始狀態(tài)。造成這種結(jié)果的主要原因是CCHP的運(yùn)行在年度上減少了天然氣的消耗量。這部分減少的原因是供冷季CCHP以天然氣為原料通過熱泵制冷的效率要高于燃?xì)獍l(fā)電電制冷的效率，在相同制冷負(fù)荷的情況下所消耗的天然氣比較少。

5 結(jié)論

本文首先介紹了因天然氣消耗增加而形成了電氣耦合逐漸加深的綜合能源系統(tǒng)，并說明了綜合能源系統(tǒng)年度仿真計及季節(jié)性天然氣存儲裝置的必要性。進(jìn)而提出了一種多層級多時間尺度的綜合能源系統(tǒng)生產(chǎn)模擬方法，考慮有關(guān)負(fù)荷波動、天然氣季節(jié)性存儲裝置等年度約束。通過搭建冷熱電氣耦合系統(tǒng)算例將傳統(tǒng)的典型周生產(chǎn)模擬方法與多時間尺度分層優(yōu)化的生產(chǎn)模擬方法進(jìn)行對比。結(jié)果表明，上述分層優(yōu)化的方法能有效評估天然氣資源總量、大型天然氣存儲裝置等年度約束條件對綜合能源系統(tǒng)年度運(yùn)行方式的影響。算例中典型周方法的天然氣消耗量大于年度天然氣總量，分層優(yōu)化方法中則通過對燃?xì)庀倪M(jìn)行修正，將天然氣年度消耗降至天然氣總量限制之下，證明了該方法的必要性。此外，算例對CCHP裝機(jī)日益增加的情況進(jìn)行分析，評估了CCHP裝機(jī)對電氣耦合系統(tǒng)的年度運(yùn)行方式影響。這種影響通過大型季節(jié)性天然氣存儲裝置全年工況的先后變化對比來體現(xiàn)，天然氣年度消耗的減少導(dǎo)致季節(jié)性存儲裝置的存儲量峰值降低以及全年中工作時間的減少。