許 樂

(淮南電力檢修有限責任公司，淮南 232000)

0 引 言

為建設資源節(jié)約、環(huán)境友好社會，可再生能源利用的受關注程度不斷提升，有機耦合多種能源的多能互補綜合能源系統(tǒng)便屬于各界關注焦點，該系統(tǒng)在能源利用效率等方面優(yōu)勢顯著，但對實時控制、不確定性應對、反饋校正的要求較高。為更好利用各類可再生能源，正是本文圍繞系統(tǒng)優(yōu)化調控開展研究的原因所在。

1 優(yōu)化調控框架搭建

本文研究對象為全可再生能源熱電氣儲耦合供能系統(tǒng)(簡稱耦合供能系統(tǒng))，圖1為耦合供能系統(tǒng)的典型組成，其輸入能源涵蓋熱能、風能、太陽能、生物質能，依托風機、內燃機、集熱器、光伏電池板等設備，即可完成向二次能源的轉化，具體涉及熱能、冷能、電能，進而滿足終端用戶需要，為實現(xiàn)對電力負荷波動的平衡，系統(tǒng)配置有電儲能。

結合圖1進行分析可以發(fā)現(xiàn)，自然條件會對可再生能源帶來一定制約，光能、風能出力受此影響會出現(xiàn)不確定性特征，進而導致耦合在轉換能源過程中產生，存在顯著區(qū)別的能源負荷響應尺度帶來的影響也需要得到重視，如發(fā)電設備、生物質氣化存在分鐘級負荷響應，光伏、風電存在秒級的負荷響應，因此調控系統(tǒng)需要同時關注能源多時間尺度響應、供能形式分配及相關波動和隨機問題，這直接影響系統(tǒng)運行經濟性和安全性，因此本文提出圖2所示優(yōu)化調控框架，該框架的內、外部擾動基于時間顆粒度細分為快、較快、較慢、慢擾動，這類波動應對采用的多時間尺度協(xié)調優(yōu)化機制涉及秒級、分鐘級、小時級優(yōu)化，包括實時控制、日內優(yōu)化、日前優(yōu)化。秒級優(yōu)化需要閉環(huán)調節(jié)工藝參數(shù)，具體以最佳負荷指令為依據(jù)。分鐘級優(yōu)化需要以小時級優(yōu)化為基礎開展閉環(huán)優(yōu)化，反饋校正用戶負荷與可再生能源出力的隨機性波動，進行得到最佳負荷指令。小時級優(yōu)化需要聚焦內燃機組、氣化爐等設備的儲能充放及運行方式，進而實現(xiàn)對應基點負荷指令確定。在小時級優(yōu)化和分鐘級優(yōu)化支持下，系統(tǒng)能夠最終實現(xiàn)實時控制[1]。

圖1 系統(tǒng)構成

圖2 優(yōu)化調控框架

2 優(yōu)化調控模型

為實現(xiàn)對耦合供能系統(tǒng)的優(yōu)化調控，本節(jié)將針對性建設優(yōu)化調控模型，具體涉及小時級優(yōu)化模型、分鐘級優(yōu)化模型，在兩種模型支持下，可最終實現(xiàn)耦合供能系統(tǒng)的實時控制，充分發(fā)揮其性能優(yōu)勢。

2.1 小時級優(yōu)化模型

考慮到圖1所示系統(tǒng)缺乏穩(wěn)定供能設備，如電制冷機組、燃煤機組，為保證系統(tǒng)安全、穩(wěn)定運行，小時級優(yōu)化模型需要考慮存在不確定性的用戶負荷和可再生能源出力預測，因此本文研究的小時級優(yōu)化模型參照魯棒優(yōu)化建設，模型建設目標為最低成本，具體可得到：

(1)

(2)

(3)

2.2 分鐘級優(yōu)化模型

由于系統(tǒng)運行過程中隨機性波動同時存在于負荷側與能源側，因此需要設法動態(tài)調整小時級優(yōu)化結果，因此本文設計的分鐘級優(yōu)化模型采用模型預測控制方法，該方法能夠基于預測模型和當前狀態(tài)對未來的被控系統(tǒng)動態(tài)行為進行預測，以此得到的先驗知識能夠較好滿足優(yōu)化控制需要，對于運行過程中的被控制對象來說，考慮到其存在不確定的系統(tǒng)狀態(tài)、較大干擾等特性，可基于持續(xù)開展的滾動優(yōu)化，最大程度控制建模誤差、外部干擾等因素造成的不良影響，系統(tǒng)最優(yōu)化控制方案可最終順利獲取，因此建立圖3所示的分鐘級優(yōu)化模型。

圖3 分鐘級優(yōu)化模型

結合圖3進行分析可以發(fā)現(xiàn)，該模型能夠對冷熱電負荷和可再生能源出力進行預測，模型中的M、K分別為優(yōu)化計算周期、時刻，各設備在耦合供能系統(tǒng)中的最優(yōu)負荷指令增量可通過計算求得，通過重復滾動優(yōu)化，在實際測量信息和優(yōu)化得到的最優(yōu)負荷指令支持下，調度計劃能夠在所有時段逐步生成，圖3所示模型可以表示為：

(4)

3 仿真分析

結合圖1開展仿真，其中光熱、風電、光伏、內燃機、熱泵裝機容量分別為500、1 200、1 000、600、1 200 kW，儲能配置規(guī)格為50 kW，結合上文模型，可得到小時級模式優(yōu)化結果，同時應用多時間尺度優(yōu)化模型，可針對性得到熱負荷與電負荷優(yōu)化調度，具體結果如圖4所示。

圖4 熱負荷(左)與電負荷(右)優(yōu)化調度結果

結合圖3進行分析可以發(fā)現(xiàn)，本文研究的優(yōu)化調控模型能夠保證可再生能源100%服務于圖1所示系統(tǒng)的正常運行。圖4(左)中內燃機需要啟動于上午八點，這會導致棄風率在上午九點出現(xiàn)，但存在不確定性的風電預測影響能夠由此消除，電儲能調節(jié)可有序開展，低谷風電在凌晨一點至四點開展儲能，釋放于下午四點、晚間八點，以此調峰。圖4(右)充分考慮了發(fā)電負荷帶來的約束，對于同時產生兩種負荷的內燃機，這種約束能夠較好合理分配多種能源。本文研究的優(yōu)化調控模型在穩(wěn)定性方面優(yōu)勢明顯，這能夠彌補耦合功能系統(tǒng)存在的最大短板。如每天熱負荷、電負荷分別為800、1 000 kW，基于優(yōu)化調控模型的耦合功能系統(tǒng)每天可實現(xiàn)8 t煤炭節(jié)約。

4 結束語

綜上所述，耦合功能系統(tǒng)的實用性較高。在此基礎上，本文涉及的小時級優(yōu)化模型、分鐘級優(yōu)化模型、仿真分析等內容，則提供了可行性較高的耦合功能系統(tǒng)優(yōu)化調控路徑。為更好推廣耦合功能系統(tǒng)，系統(tǒng)與綠色建筑的融合、新型算法應用同樣需要得到重視。