劉雪飛，龐凝，王云佳，姚伯巖，魏子強，溫鵬，高立艾

(1.國網河北省電力有限公司經濟技術研究院，石家莊市 050021；2. 河北農業(yè)大學機電工程學院，河北省保定市 071000)

0 引 言

傳統(tǒng)的火力發(fā)電對環(huán)境影響嚴重，長期使用造成了嚴重的環(huán)境危機。我國計劃在2030年前碳排放達到峰值，并于2060年實現碳中和，由此以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)的構建得到了廣泛的重視[1-7]。發(fā)展農村綜合能源可促進風力(wind turbine，WT)、光伏(photovoltaic，PV)、沼氣發(fā)電機組(biogas generation，BG)等分布式清潔能源聯合供能，適合農村新能源發(fā)展，有利于WT、PV等分布式清潔能源的就地消納[8]。特別是在北方農村地區(qū)落實煤改電政策后，為進一步解決北方農村地區(qū)供暖供冷問題提供了新的解決思路。但隨著農村綜合能源系統(tǒng)分布式設備的增加，各設備之間如何協(xié)調出力[9]，以及在保證配電網安全穩(wěn)定運行的前提下，提高用戶用能的經濟性成為了一個關鍵性問題。

近年來在農村綜合能源方面，文獻[10]對鄉(xiāng)鎮(zhèn)綜合能源系統(tǒng)的未來發(fā)展方向進行了展望。文獻[11-12]分別就建立農業(yè)園區(qū)化的綜合能源服務模式，以及如何實現微電網群節(jié)省成本的公平分配等問題進行了研究。以上文獻研究農村綜合能源系統(tǒng)未來發(fā)展方向、服務模式以及收益分配，對于適用典型農村場景的綜合能源系統(tǒng)優(yōu)化運行方法并未涉及。

與城市相比，農村地區(qū)地理范圍更加廣袤，且具有豐富的生物質資源，有利于生物質發(fā)電的推廣與應用。但農村供能和用能端均具有較大的分散性，不利于綜合能源系統(tǒng)的集中調度，而分層優(yōu)化是一種有效的解決方案，而目前分層優(yōu)化方法多以兩層優(yōu)化方法較為常見。如文獻[13-15]分別針對區(qū)域綜合能源系統(tǒng)規(guī)劃與運行，家庭能量的優(yōu)化調度，多源多層次區(qū)域能源互聯網系統(tǒng)等問題進行了兩層優(yōu)化模型研究。

本文針對農村地區(qū)特色場景，考慮農村地區(qū)源荷的分散性，為增加用戶用能的經濟性，同時促進分布式清潔能源的就地消納，將農村綜合能源系統(tǒng)分為3個層級實現協(xié)調優(yōu)化。并基于已有的研究成果，考慮農村地區(qū)供用能特點，提出一種考慮BG機組余熱回收利用的農村綜合能源系統(tǒng)多層協(xié)同優(yōu)化運行方法，通過優(yōu)化算法逐級優(yōu)化，得到各分布式電源(distributed generation，DG)以及供熱、供冷設備的最優(yōu)出力。

1 農村綜合能源系統(tǒng)多層協(xié)同優(yōu)化運行框架

農村綜合能源系統(tǒng)中隨著分布式設備數量的劇增，對傳統(tǒng)配電網的集中調度提出了新的要求。根據不同的用電層級將農村綜合能源系統(tǒng)劃分為用戶級(user- level integrated energy system，UIES)-村級(village-level integrated energy system，VIES)-鄉(xiāng)鎮(zhèn)級(township-level integrated energy system，TIES)三個層級(UIES-VIES-TIES)，以進行協(xié)同優(yōu)化調度。具體協(xié)同優(yōu)化運行框架如圖1所示。

圖1 三級分層協(xié)同優(yōu)化運行系統(tǒng)框架Fig.1 Three-level hierarchical framework of collaborative optimization system

UIES具有WT、PV、BG等多種DG，以及儲能電池(battery energy storage system，BESS)、空氣源熱泵(air source heat pump，ASHP)等設備，系統(tǒng)內DG采用“自發(fā)自用，余電上網”并網方式，促進了清潔能源就地消納的同時提高了系統(tǒng)運行的經濟性。

VIES具有若干互聯綜合能源系統(tǒng)，其主要功能是規(guī)劃綜合能源系統(tǒng)中各個DG協(xié)同出力，實現區(qū)域能量自治。通過三級自律優(yōu)化策略使系統(tǒng)運行的經濟性達到最優(yōu)，具體如圖2所示。

圖2 村級農村綜合能源系統(tǒng)Fig.2 VIES rural integrated energy system

TIES的主要功能為協(xié)調各個村級電能的調度以及與上級配電網的交互，對電能交易進行選擇，在購電成本低于運行成本時選擇購電，反之則進行售電，從而提高系統(tǒng)整體運行狀態(tài)的經濟性。

2 農村綜合能源系統(tǒng)分層協(xié)同優(yōu)化運行調度模型

由于農村綜合能源系統(tǒng)多層協(xié)同運行框架中各層級所考慮的變量以及約束條件等具有差異性，故分別對TIES、VIES、UIES構建優(yōu)化調度模型。

2.1 TIES優(yōu)化調度模型

2.1.1 TIES目標函數

TIES優(yōu)化調度模型以鄉(xiāng)鎮(zhèn)區(qū)域綜合能源系統(tǒng)運行成本最小為目標，綜合考慮區(qū)域內各DG運行成本以及與配電網交換功率成本。具體目標函數如下：

(1)

式中：minCTIES為TIES的最小運行成本；t為一天中某個時段；T為一天總時段數，取值為24；N為VIES個數；Pn(t)為TIES內第n個VIES的發(fā)電總功率；Pexc,n(t)為第n個VIES與配電網的交換功率[15]；f[Pn(t)]為第n個VIES的發(fā)電成本；f[Pexc,n(t)]為第n個VIES的交換功率成本。

(2)

(3)

式中：xn、yn、zn分別為村級發(fā)電成本系數；wn為傳遞成本系數；v(t)為實時電價[15]。將每一個VIES等效為一個發(fā)電單元，其發(fā)電成本與鄉(xiāng)級總發(fā)電功率是二次函數關系。

2.1.2 TIES約束條件

TIES運行優(yōu)化約束條件需考慮功率平衡、綜合能源系統(tǒng)運行出力上下限以及電網聯絡線功率[16]。

1)功率平衡約束：

(4)

2)TIES發(fā)電受其內部DG的影響，其發(fā)電功率上下限如下：

(5)

3)聯絡線功率約束：

(6)

2.2 VIES優(yōu)化調度模型

VIES優(yōu)化調度模型考慮對BG機組的余熱進行回收，結合溴化鋰制冷機(lithium bromide refrigerator，LBR)對村級區(qū)域內供冷、供熱，以提高能源利用率，降低系統(tǒng)運行成本，并滿足用戶多種能源需求。由于冷能、熱能遠距離傳輸損耗較大，故冷能、熱能的優(yōu)化只在村級區(qū)域內部進行。

2.2.1 VIES目標函數

構建VIES優(yōu)化調度模型，模型以各村級區(qū)域綜合能源系統(tǒng)運行成本最小為目標，綜合考慮區(qū)域內各DG運行成本、儲能成本、輔助供熱供冷設備運行成本。具體目標函數如下：

(7)

式中：minCVIES為VIES的最小運行成本；M為VIES中用戶的個數；CWT,t為WT機組發(fā)電成本；CPV,t為PV機組發(fā)電成本；CBIO,t為BG機組發(fā)電成本；CBESS,t為BESS設備充放電成本；CAST,t為ASHP運行成本；CLiBr,t為LBR的運行成本。

1)WT機組和PV機組運行需分別考慮各自運維成本：

CWT,t=PWT,t·δWT

(8)

CPV,t=PPV,t·δPV

(9)

式中：PWT,t、PPV,t分別為t時段WT機組和PV機組的出力；δWT、δPV為WT機組和PV機組的運行維護成本系數。

2)BG機組出力大小與沼氣量和沼氣中甲烷濃度等因素相關，綜合考慮BG機組規(guī)模、沼氣產量以及BG機組的運行維護費用等，建立BG成本模型：

CBIO,t=PBIO,t·δBIO

(10)

(11)

式中：PBIO,t為t時段BG機組出力；δBIO為BG機組運行維護成本系數；a0為常數項系數；a1、a2分別為沼氣壓強和沼氣消耗量的線性項系數；a3為沼氣壓強的二次項系數；FP,t、FBIO,t分別為t時段沼氣壓強和沼氣消耗量。

3)BESS的充放電成本。由于BESS充放電次數有限，考慮BESS的衰減，其成本如下所示：

CBESS,t=PDIS,t·δDIS+PCH,t·δCH

(12)

式中：PCH,t、PDIS,t分別為t時段BESS充放電功率；δCH、δDIS為BESS充放電的成本系數。

4)ASHP運行過程中，綜合考慮ASHP熱損、設備運行維護以及熱負荷環(huán)境因素，折算為經濟成本系數，其成本如下所示：

CAST,t=PAST,t·δAST

(13)

式中：PAST,t為t時段ASHP消耗的電功率；δAST為ASHP經濟成本系數。

5)LBR成本計算公式如下：

CLiBr,t=PLiBr,t·δLiBr

(14)

式中：PLiBr,t為t時段LBR消耗的電功率；δLiBr為LBR經濟成本系數。

2.2.2 VIES約束條件

1)冷、熱、電功率平衡約束如下：

電功率平衡約束：

PELE,t=PWT,t+PPV,t+PBIO,t+
PDIS,t-PCH,t-PAST,t

(15)

式中：PELE,t為t時段綜合能源系統(tǒng)電負荷。

熱功率平衡約束：

PHOT,t=PBIO,t·λ+PAST,t·θ-PLoss

(16)

PLoss=η·L

(17)

式中：PHOT,t為t時段綜合能源系統(tǒng)熱負荷；λ為BG機組余熱回收折算系數；θ為ASHP電熱轉換系數；PLoss為綜合能源系統(tǒng)中熱功率損失；η為單位距離傳輸熱損系數，取30 W/m[17]；L為供熱水管長度。

冷功率平衡約束：

PCOLD,t=PLiBr,t+PAST,t

(18)

式中：PCOLD,t為t時段綜合能源系統(tǒng)冷負荷。

2)WT機組、PV機組出力約束：

(19)

3)BG機組出力約束：

(20)

沼氣日產量約束：

(21)

4)BESS充放電約束：

充放電限制約束：

(22)

(23)

2.3 UIES優(yōu)化調度模型

2.3.1 UIES目標函數

構建UIES優(yōu)化調度模型，模型以各用戶區(qū)域綜合能源系統(tǒng)運行成本最小為目標，綜合考慮區(qū)域內各DG運行成本、用戶間交易電量成本[18]、可中斷負荷補償成本[19]。具體目標函數如下：

(24)

式中：minCUIES為UIES最小運行成本；CDeal為用戶間交易電量成本；CIload,t為可中斷負荷成本。

CDeal,t=τ·PDeal,t

(25)

CIload,t=ρ·PIload,t

(26)

式中：PDeal,t為t時段交易電功率；τ為用戶間交易實時電價；PIload,t為t時段的可中斷負荷；ρ為用戶補償系數。

2.3.2 UIES約束條件

1)電功率平衡約束：

PELE,t=PWT,t+PPV,t+PBIO,t+PDIS,t-PCH,t+
PIload,t+PPP,t-PSE,t

(27)

式中：PPP,t、PSE,t分別為在t時段用戶級綜合能源系統(tǒng)購電與售電量。

2)可中斷負荷約束：

(28)

3)用戶間交易電量約束：

(29)

2.4 農村綜合能源系統(tǒng)分層協(xié)同優(yōu)化運行調度流程

2.4.1 各層級模型間的交互方式

首先TIES根據區(qū)域內分布式能源最大出力與負荷日前預測結果進行判斷，若區(qū)域內DG出力功率在滿足區(qū)域內負荷的前提下仍有余量，可向大電網交易電量，以獲取收益并降低系統(tǒng)運行成本。若區(qū)域內DG出力功率無法滿足區(qū)域內負荷需求，則向大電網購電，以保證系統(tǒng)供電穩(wěn)定性。之后，TIES以區(qū)域內綜合能源運行成本最小為目標得到各DG的最佳出力功率，并將各DG出力功率下發(fā)至各VIES。

VIES根據TIES下發(fā)各DG出力功率，并考慮村級區(qū)域內供熱、供冷需求，以區(qū)域內綜合能源運行成本最小為目標繼續(xù)優(yōu)化得到該區(qū)域內各DG的最佳出力，并將各DG出力功率下發(fā)至各UIES。

UIES根據VIES下發(fā)各DG出力功率，并考慮UIES區(qū)域內可中斷負荷，以區(qū)域內綜合能源運行成本最小為目標繼續(xù)優(yōu)化得到該區(qū)域內各DG的最佳出力，并將各DG出力功率下發(fā)至各UIES。同時計算UIES區(qū)域內各DG的成本系數，并反饋至上級綜合能源模型。

當各層級間DG出力功率與成本系數停止更新后，系統(tǒng)優(yōu)化結束，UIES將各DG與供熱、供冷設備調度指令下發(fā)，各設備相應調度。具體交互方式如圖3所示。

圖3 各層級模型間的交互方式Fig.3 Interactions between models at various levels

2.4.2 系統(tǒng)優(yōu)化調度流程

1)開始初始化數據，其中包括區(qū)域內各DG出力預測，各DG成本系數，區(qū)域內冷、熱、電負荷需求，以及儲能設備的狀態(tài)等。

2)對TIES進行優(yōu)化，得到區(qū)域內各DG總發(fā)電功率以及與配電網的交易電量，并將各DG發(fā)電功率下發(fā)至VIES。

3)按照TIES下發(fā)的發(fā)電功率，考慮冷、熱、電負荷，對VIES進行優(yōu)化，并將各DG發(fā)電功率優(yōu)化結果進一步下發(fā)至UIES。

4)按照VIES下發(fā)的發(fā)電功率，考慮可中斷負荷，對UIES進行優(yōu)化，并計算各DG的邊際成本系數。

5)判斷各DG的成本系數是否需要進行更新，若DG的成本系數需要更新，則回到最高級優(yōu)化模型重新求解；若DG的成本系數不需要更新，或達到最大迭代次數則優(yōu)化過程結束，跳轉至下一步。

6)輸出所得的最優(yōu)結果，UIES將各DG與供熱、供冷設備調度指令下發(fā)，各設備相應調度，優(yōu)化調度結束。

三級協(xié)同優(yōu)化調度具體流程如圖4所示。

圖4 三級協(xié)同優(yōu)化調度流程Fig.4 Flow chart of three-level collaborative optimization scheduling

3 算例分析

3.1 算例參數

算例模型中包含WT、PV、BG等DG，其中WT受季節(jié)性影響，圖5為WT四季典型日出力預測。冬季WT出力偏多，夏季較少，春秋適中。

圖5 典型日WT功率曲線Fig.5 Typical daily power curve of WT

PV也受到季節(jié)性影響，圖6為PV四季典型日的出力預測。夏季PV出力最高，冬季最少，春秋適中。

圖6 典型日PV功率曲線Fig.6 Typical daily power curve of photovoltaic power generation

電價以河北南網分時電價為例，具體電價如表1所示。平時段為06:00—08:00、12:00—16:00、20:00—22:00；高峰時段為08:00—12:00、16:00—20:00)；低谷時段為22:00—次日06:00。

表1 河北電網分時電價Table 1 Time-of-use electricity price of Hebei power grid

算例模型包含鄉(xiāng)鎮(zhèn)、農村、用戶三種層級的負荷，模型中鄉(xiāng)鎮(zhèn)包含13個村莊。圖7為其中3個村莊的VIES結構圖。圖8為某一個村莊28戶位置分布與熱網拓撲圖，每戶占地面積約為114 m2。每村配有BG機組的余熱回收系統(tǒng)和100 kW的LBR，對用戶進行供熱供冷。經濟富裕的農戶還可配備一額定功率為3.675 kW的ASHP，當熱能冷能供應不足時，由ASHP進行補充供熱供冷。

圖7 三個VIES的系統(tǒng)結構Fig.7 System structure diagram of 3 VIES

圖8 農村居民住戶分布與熱網拓撲Fig.8 Rural household distribution and heat network topology

算例使用遺傳算法，通過MATLAB R2017a編寫程序，對該農村綜合能源系統(tǒng)算例進行優(yōu)化驗證。

3.2 TIES優(yōu)化結果分析

TIES冬季、夏季典型日優(yōu)化結果分別如圖9、圖10所示，圖中負值表明該TIES向電網售電。TIES優(yōu)化模型中，在與大電網進行電量交易時，優(yōu)化結果顯示模型對交易電價敏感。在交易電價高于整個系統(tǒng)運行成本時，模型傾向于在滿足系統(tǒng)內負荷供電的基礎上再進行售電；而當交易電價低于整個系統(tǒng)運行成本時，模型傾向于購電。

圖9 TIES冬季典型日優(yōu)化結果Fig.9 Optimization results of typical winter days at TIES

圖10 TIES夏季典型日優(yōu)化結果Fig.10 Optimization results of a typical day in summer at TIES

3.3 VIES優(yōu)化結果分析

3.3.1 VIES內部優(yōu)化結果

VIES冬季典型日含供熱設備的協(xié)調優(yōu)化結果如圖11所示，圖中負值表明BESS進行充電。VIES供熱依靠BG機組的余熱回收和ASHP的協(xié)同出力。BG機組在發(fā)電的同時可產生大量余熱，對其進行余熱回收成本較低。因此供熱段由BG機組的余熱回收為主要出力，剩余不足的熱量由ASHP進行補足。低成本的供能端優(yōu)先出力，保證了用戶的供熱經濟性。

圖11 VIES冬季典型日含供熱設備的協(xié)調優(yōu)化結果Fig.11 Coordination and optimization results of a typical day of heating equipment in winter at VIES

VIES夏季典型日含供冷設備的協(xié)調優(yōu)化結果如圖12所示。VIES供熱依靠對BG機組的余熱回收為LBR提供熱能，由ASHP和LBR協(xié)同出力對用戶端進行供冷。由于夏季少風多光，故PV出力居多，為用戶供給電能。

圖12 VIES夏季典型日含供冷設備的協(xié)調優(yōu)化結果Fig.12 Coordination and optimization results of a typical day of cooling equipment in summer at VIES

VIES冬、夏典型日優(yōu)化前后成本如圖13所示。優(yōu)化后大部分時段成本均有下降。由于VIES對BG機組余熱進行了回收，并對VIES內部進行集中供熱。在不增加能源消耗的前提下，提高了能源利用效率和農村用戶用能的經濟性。

圖13 VIES冬季和夏季典型日優(yōu)化前后成本Fig.13 Costs before and after optimization of typical winter and summer days at VIES

3.3.2 各VIES之間優(yōu)化結果

冷、熱能優(yōu)化只在VIES內部進行，各VIES之間僅考慮電量平衡。對圖7所示的含3個VIES系統(tǒng)進行優(yōu)化，具體優(yōu)化結果如圖14—16所示，圖中負值表明該VIES向其他VIES進行供電。

圖14 VIES-1優(yōu)化結果Fig.14 The optimization results of VIES-1

圖15 VIES-2優(yōu)化結果Fig.15 The optimization results of VIES-2

以時段8為例，此時VIES-1的DG出力較多，VIES-2和VIES-3的DG出力較少。VIES-1在滿足自身負荷以及儲能需求的前提下，向VIES-2和VIES-3提供電能，以滿足VIES-2和VIES-3的電負荷需求。

圖16 VIES-3優(yōu)化結果Fig.16 The optimization results of VIES-3

3.4 UIES優(yōu)化結果分析

UIES冬、夏季典型日優(yōu)化結果分別如圖17、圖18所示，圖中BESS、可中斷負荷、交易電量負值分別表明BESS充電、負荷中斷節(jié)省的電能、向其他用戶供電。UIES主要依靠PV、BESS與用戶間的電量互補對自身進行供電，考慮系統(tǒng)內的可中斷負荷進行優(yōu)化，從而使用戶的用電成本降至最低。

圖17 UIES冬季典型日優(yōu)化結果Fig.17 Optimization results of UIES of a typical day in winter

圖18 UIES夏季典型日優(yōu)化結果Fig.18 Optimization results of UIES of a typical day in summer

4 結 論

農村地區(qū)地域廣袤，且分布式清潔能源相對分散，本文針對含多個DG的農村綜合能源系統(tǒng)，提出了一種UIES-VIES-TIES的綜合能源系統(tǒng)分層協(xié)同優(yōu)化運行方法。TIES負責協(xié)調各VIES的優(yōu)化以及與上級配電網的交互；VIES負責優(yōu)化各分布式設備出力；UIES負責響應上級的電能調度并對剩余電能進行合理調配。通過算例分析得到以下結論：

1)三級農村綜合能源分層協(xié)同優(yōu)化框架對農村綜合能源系統(tǒng)中大規(guī)模的決策變量處理提供了有效解決方案。

2)在VIES內部優(yōu)化運行時，通過BG機組的余熱回收以及ASHP、LBR等設備，實現了冷、熱、電多能源互補；在VIES間優(yōu)化運行時，實現了各VIES間的電能互濟；多種能源的互補互濟可有效提高農村居民多元化用能經濟性。

3)本文提出的農村綜合能源系統(tǒng)多層協(xié)調優(yōu)化運行方法，對農村綜合能源系統(tǒng)中各分布式清潔能源設備進行有效管控，促進可再生清潔能源的就地消納。

針對一般含PV、WT、BG等DG的農村綜合能源系統(tǒng)，本文所提方法具有一定的通用性，可為以后農村綜合能源系統(tǒng)的相關研究提供參考。