韋湘林

(佛山市經(jīng)科清潔生產(chǎn)促進(jìn)中心，廣東 佛山 528000)

1 引言

合理、高效地開(kāi)發(fā)利用新能源，是實(shí)現(xiàn)社會(huì)經(jīng)濟(jì)、工業(yè)產(chǎn)能可持續(xù)發(fā)展的根本前提[1]。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)工業(yè)產(chǎn)能能源過(guò)度依賴煤炭、石油等不可再生資源，造成區(qū)域生態(tài)環(huán)境嚴(yán)重污染，生物多樣持續(xù)降低。隨著國(guó)內(nèi)“雙碳”目標(biāo)的提出，工業(yè)生產(chǎn)逐步確定以可再生綠色能源(風(fēng)能、太陽(yáng)能等)為主體目標(biāo)，在實(shí)現(xiàn)低碳污染排放合理管理的同時(shí)，最大限度地提升社會(huì)經(jīng)濟(jì)、工業(yè)價(jià)值[2～4]。相比較當(dāng)前，傳統(tǒng)工業(yè)清潔能源調(diào)度優(yōu)化多采用確定性隨機(jī)組合方法，多以分析工業(yè)機(jī)組最優(yōu)動(dòng)能，實(shí)現(xiàn)工業(yè)設(shè)備運(yùn)行成本、污染排放量?jī)?yōu)化的目標(biāo)，如賈學(xué)法等[5]為解決清潔能源裝機(jī)容量不足、消納困難等一系列問(wèn)題，提出了源網(wǎng)荷儲(chǔ),互補(bǔ)互動(dòng)，科學(xué)管控“源—網(wǎng)—荷—儲(chǔ)”互動(dòng)運(yùn)行,電源、電網(wǎng)、負(fù)荷和儲(chǔ)能之間源源互通性，同時(shí)強(qiáng)化新能源智慧模塊管理，實(shí)現(xiàn)清潔能源運(yùn)行動(dòng)態(tài)，優(yōu)化可控的方式；在優(yōu)化調(diào)度方式提出背景下，包育德[6]、辛禾[7]、潘嵩[8]等學(xué)者在能源“雙碳”背景下，進(jìn)一步綜合考慮能源互補(bǔ)特性，提出分布式能源調(diào)度優(yōu)化方式，一方面優(yōu)化能源調(diào)度模型預(yù)測(cè)真實(shí)性，提升區(qū)域調(diào)度決策精準(zhǔn)性，另一方面從多維度分析清潔能源耦合效益，優(yōu)化工業(yè)棄能成本和經(jīng)濟(jì)效益；在上述基礎(chǔ)上，為更近一步提升清潔能源分布式調(diào)度優(yōu)化效果，劉洋等[9]提出大數(shù)據(jù)技術(shù)與粒子群算法協(xié)同優(yōu)化調(diào)度方法，降低模型不穩(wěn)定性，同時(shí)采用粒子群算法求解模型，得到最佳清潔能源協(xié)同優(yōu)化調(diào)度方案，實(shí)現(xiàn)最大效益和最低成本的優(yōu)化。上述學(xué)者們的優(yōu)化調(diào)度方式效果顯著，但在實(shí)際調(diào)度與模擬最優(yōu)調(diào)度中仍易出現(xiàn)數(shù)據(jù)偏差[10]。在此背景下，為提升工業(yè)清潔能源調(diào)度決策精度，實(shí)現(xiàn)工業(yè)生態(tài)綠色、安全，本文在上述傳統(tǒng)調(diào)度優(yōu)化基礎(chǔ)上，首先，通過(guò)約束概率降低實(shí)際偏差，以篩選清潔能源調(diào)度決策組合，構(gòu)建預(yù)測(cè)模型分析工業(yè)清潔能源調(diào)度優(yōu)化結(jié)果；其次，通過(guò)效益評(píng)估分析，選取“雙碳”目標(biāo)下最優(yōu)清潔能源調(diào)度決策組合[11]；最終，以預(yù)測(cè)模型精度，制定合理的排放管理措施，實(shí)現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)區(qū)域生態(tài)環(huán)境綠色、安全。

2 工業(yè)清潔能源現(xiàn)狀及問(wèn)題

2.1 工業(yè)清潔能源重要性分析

根據(jù)國(guó)內(nèi)能源部門(mén)相關(guān)數(shù)據(jù)表明[12]，當(dāng)前，社會(huì)經(jīng)濟(jì)，工業(yè)、建筑業(yè)等行業(yè)能源需求量日漸增加，但受限于不可再生資源儲(chǔ)量，導(dǎo)致能源可用總量逐年降低，同時(shí)各區(qū)域內(nèi)不可再生資源揮霍嚴(yán)重，造成全球范圍內(nèi)CO2量劇增，生態(tài)環(huán)境問(wèn)題、經(jīng)濟(jì)問(wèn)題、健康安全等問(wèn)題逐步顯現(xiàn)，為此，以資源為核心生產(chǎn)力的工業(yè)企業(yè)必將進(jìn)行新能源系統(tǒng)革命。相比不可再生能源，清潔能源資源具備可再生、適用范圍廣泛、無(wú)污染、高效、綠色環(huán)保等特性[13]，在“雙碳”目標(biāo)提出后，其逐步成為能源優(yōu)化調(diào)度的重要目標(biāo)和未來(lái)能源發(fā)展、利用和開(kāi)發(fā)的主體目標(biāo)。

2.2 現(xiàn)狀分析

根據(jù)2013～2019年國(guó)內(nèi)能源統(tǒng)計(jì)分析[14]，工業(yè)生產(chǎn)企業(yè)能源消費(fèi)總量呈逐年上升態(tài)勢(shì)，清潔能源占能源消費(fèi)23.4%，呈穩(wěn)步上升趨勢(shì)，其中，風(fēng)電能源同比增長(zhǎng)14%，太陽(yáng)能能源同比增長(zhǎng)17.4%，表明近年來(lái)工業(yè)清潔能源使用量增加，一方面有效地落實(shí)了國(guó)家“雙碳”戰(zhàn)略目標(biāo)，但另一方面工業(yè)清潔能源使用仍舊存在持續(xù)性不足等客觀問(wèn)題，為此，本文通過(guò)能源約束概率，以相關(guān)調(diào)度優(yōu)化模型智能預(yù)判數(shù)據(jù)態(tài)勢(shì)，進(jìn)而制定綠色、智慧、高效、安全的工業(yè)清潔能源指揮調(diào)度、管理模式[15]。

2.3 基本問(wèn)題探索

為進(jìn)一步科學(xué)地分析工業(yè)清潔能源所存客觀問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)清潔能源調(diào)度優(yōu)化，本文以組合預(yù)測(cè)模型和協(xié)同調(diào)度進(jìn)行系統(tǒng)分析：

(1)工業(yè)清潔能源中太陽(yáng)能動(dòng)能轉(zhuǎn)化不足，致使工業(yè)產(chǎn)能降低，進(jìn)而需通過(guò)目標(biāo)預(yù)測(cè)模型協(xié)同策略，使能源互補(bǔ)集成，優(yōu)化調(diào)度能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)，綠色節(jié)能減排目標(biāo)。

(2)工業(yè)清潔能源單一使用協(xié)調(diào)性差、穩(wěn)步定性不足、工業(yè)產(chǎn)能效率低下，需實(shí)現(xiàn)工業(yè)清潔能源有機(jī)結(jié)合，使能源一體化調(diào)度，以實(shí)現(xiàn)智能化管理模式優(yōu)化、生態(tài)綠色管控和工業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)工業(yè)能源低污染，高經(jīng)濟(jì)性。

3 工業(yè)清潔能源優(yōu)化策略

3.1 清潔儲(chǔ)能約束概率條件

工業(yè)清潔能源調(diào)度預(yù)測(cè)模型在分析中多以概率密度函數(shù)形式輸出預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)，故其模型預(yù)測(cè)值隨機(jī)性難以避免，在此基礎(chǔ)下，本文通過(guò)優(yōu)化調(diào)度(平衡)可能出現(xiàn)的誤差，以分析模型預(yù)測(cè)誤差不確定性，提升清潔能源模型評(píng)估精準(zhǔn)度和可靠性[16]。

在清潔能源約束概率條件下，由于工業(yè)能源不確定性在不同生產(chǎn)運(yùn)行時(shí)間內(nèi)表現(xiàn)不一，因此在預(yù)測(cè)過(guò)程中需規(guī)定風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)(ε)安全閾值，便于能源約束概率對(duì)工業(yè)運(yùn)行能源功率進(jìn)行量化；其次能源功率量化后，以ε指標(biāo)評(píng)估清潔能源調(diào)度優(yōu)化系統(tǒng)可靠性。清潔能源約束概率風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)如式(1)所示：

ε=P[r(a)≤Δd(a)]

(1)

式(1)中：f(x)表示需求誤差的概率密度函數(shù)的近似函數(shù)；φ(r(a))表示調(diào)度子間隔t的累積分布函數(shù)；r(a)表示清潔能源需求。

3.2 清潔能源調(diào)度優(yōu)化組合確定

3.2.1 多尺度協(xié)同調(diào)度結(jié)果分析

基于能源約束概率風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)下，本文為研判模型預(yù)測(cè)誤差不確定性，探索最優(yōu)清潔能源調(diào)度優(yōu)化組合，以多尺度協(xié)同調(diào)度分析清潔能源需求響應(yīng)后負(fù)荷概率預(yù)測(cè)值，調(diào)度優(yōu)化流程(圖1)。通過(guò)圖1可知，當(dāng)響應(yīng)后負(fù)荷和分布式低碳數(shù)據(jù)經(jīng)優(yōu)化調(diào)度VPP中心，分別以生產(chǎn)預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)和能源調(diào)度方式實(shí)現(xiàn)綠色調(diào)度和效益最優(yōu)目標(biāo)，并通過(guò)調(diào)度優(yōu)化使清潔能源風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)達(dá)到閾值，以約束概率及多尺度協(xié)同降低誤差不確定性，最終分析調(diào)度最優(yōu)方式和最佳經(jīng)濟(jì)效益特征值分析。

多尺度協(xié)同調(diào)度特征值分析后，為使預(yù)測(cè)目標(biāo)更接近真實(shí)值，同時(shí)為滿足調(diào)度系統(tǒng)最優(yōu)經(jīng)濟(jì)效益，本文模擬工業(yè)電力清潔能源協(xié)同優(yōu)化進(jìn)行相關(guān)結(jié)果分析，其目標(biāo)函數(shù)如下所示：

(2)

(3)

(4)

通過(guò)調(diào)度優(yōu)化函數(shù)可知，當(dāng)工業(yè)機(jī)組熱啟動(dòng)、最小允許停機(jī)時(shí)間均為最小時(shí)，機(jī)組的啟停成本達(dá)到最優(yōu)調(diào)度特征值；而當(dāng)機(jī)組冷啟動(dòng)同程序停機(jī)時(shí)間為最大時(shí)，機(jī)組排放效益及經(jīng)濟(jì)效益達(dá)到最優(yōu)調(diào)度特征值，表明當(dāng)機(jī)組功率達(dá)到額定閾值，啟動(dòng)機(jī)組成本最優(yōu)時(shí)，多尺度協(xié)同調(diào)度特征結(jié)果最佳。

3.2.2 清潔能源調(diào)度組合模型構(gòu)建

經(jīng)約束概率限定、多尺度協(xié)同調(diào)度優(yōu)化下，本文以構(gòu)建多尺度互補(bǔ)的清潔能源調(diào)度優(yōu)化模型(見(jiàn)式(5))，該調(diào)度組合模型一方面解決了單一能源調(diào)度協(xié)調(diào)穩(wěn)步性不足和效率低下的問(wèn)題，另一方面提升了清潔能源系統(tǒng)運(yùn)行安全性和整體經(jīng)濟(jì)效益性，同時(shí)有助于最大經(jīng)濟(jì)效益、碳排放效益的優(yōu)化管理及清潔能源損耗監(jiān)督調(diào)度等[17]。

圖1 多尺度下清潔能源協(xié)同優(yōu)化示意結(jié)果

工業(yè)清潔能源調(diào)度組合模型由多尺度互補(bǔ)系統(tǒng)組成，進(jìn)而在運(yùn)行過(guò)程時(shí)，調(diào)度優(yōu)化模型需滿足供需平衡約束調(diào)條件，如下以清潔電力能源為例：

(5)

式(5)中：φw、φpv、φgct分別表示wpp、pv、cgt的電量損耗率；ggc,t表示 MEHS系統(tǒng)購(gòu)電量。

通過(guò)式(5)可知，多尺度模型構(gòu)建時(shí)，需滿足各模型單元約束概率閾值，及在調(diào)度運(yùn)行過(guò)程時(shí)滿足模型供需平衡，保證清潔能源需求響應(yīng)后負(fù)荷、碳排放量?jī)?yōu)化調(diào)控(滿足“雙碳”目標(biāo))的最佳經(jīng)濟(jì)效益和生態(tài)環(huán)境效益。

在調(diào)度組合模型清潔能源供需平衡前提下，為優(yōu)化調(diào)整調(diào)度決策模型運(yùn)行參數(shù)、運(yùn)行節(jié)點(diǎn)及清潔能源優(yōu)化調(diào)度策略制定，本文嘗試擬應(yīng)用大數(shù)據(jù)處理清潔能源運(yùn)行數(shù)據(jù)，結(jié)果表明，當(dāng)模型調(diào)度優(yōu)化后，其相關(guān)參數(shù)和調(diào)度指標(biāo)、工業(yè)運(yùn)行狀態(tài)等參數(shù)偏差均降低，多尺度模型數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)值更能接近真實(shí)值，其優(yōu)化模型系統(tǒng)見(jiàn)式(6)：

(6)

式(6)中：da表示清潔能源的相關(guān)運(yùn)行參數(shù);dc(t)表示運(yùn)行節(jié)點(diǎn)的延遲調(diào)度策略;dc表示清潔能源數(shù)據(jù)遷移；dt表示清潔能源執(zhí)行代價(jià)；β(t)表示執(zhí)行終止時(shí)間;da和dη分別表示計(jì)算時(shí)間和等待時(shí)間。

4 “雙碳”目標(biāo)下清潔能源優(yōu)化效益評(píng)價(jià)

4.1 工業(yè)清潔能源優(yōu)化效益評(píng)價(jià)體系

為系統(tǒng)、科學(xué)的實(shí)現(xiàn)多尺度清潔能源優(yōu)化調(diào)度和區(qū)域生態(tài)環(huán)境安全管理，本文通過(guò)評(píng)價(jià)各尺度工業(yè)清潔能源指標(biāo)數(shù)據(jù)構(gòu)建效益評(píng)價(jià)體系。該評(píng)價(jià)體系著重以CO2排放特征值、經(jīng)濟(jì)效益(最大運(yùn)營(yíng)效益、最低棄能成本)和“雙碳”目標(biāo)下生態(tài)環(huán)境效益3個(gè)一級(jí)能源調(diào)度優(yōu)化指標(biāo)，并依據(jù)各指標(biāo)特性定性和定量相結(jié)合原則進(jìn)行分析，論證多尺度工業(yè)清潔能源耦合系統(tǒng)優(yōu)化后的調(diào)度策略[18]。

4.2 效益綜合評(píng)估方法

基于工業(yè)清潔能源調(diào)度優(yōu)化評(píng)價(jià)體系，本文合理地構(gòu)建了清潔能源分布式優(yōu)化調(diào)度模型，能源調(diào)度優(yōu)化目標(biāo)以最大運(yùn)營(yíng)效益和最低棄能成本為主。

4.2.1 最大運(yùn)營(yíng)效益

本文工業(yè)清潔能源最大運(yùn)營(yíng)效益由4部分(Ca、Cb、Cc、Ce)共同組成，最大運(yùn)營(yíng)效益以各調(diào)度優(yōu)化能源指標(biāo)最優(yōu)值相加，具體max目標(biāo)函數(shù)如式(7)所示：

(7)

式(7)中：maxA表示最大運(yùn)營(yíng)效益。

4.2.2 最低棄能成本

由于工業(yè)清潔能源運(yùn)行過(guò)程具有波動(dòng)性特征，故工業(yè)安全生產(chǎn)系統(tǒng)穩(wěn)定性不足，成本性增加，極易危害工業(yè)生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)收益，為此，本文針對(duì)棄能成本函數(shù)進(jìn)行調(diào)度優(yōu)化，其優(yōu)化表達(dá)式如(8)所示：

(8)

式(8)中：minB表示最小棄能成本；Ca、Cb、Cd、Ce分別表示機(jī)組效益、工業(yè)太陽(yáng)能生成效益、蓄水能產(chǎn)生運(yùn)行效益以及工業(yè)汽輪機(jī)所產(chǎn)生的電力效益。

綜上，通過(guò)最大運(yùn)營(yíng)效益和最低棄能成本2個(gè)優(yōu)化目標(biāo)為基礎(chǔ)，組建工業(yè)清潔能源協(xié)同優(yōu)化調(diào)度效益模型，該模型約束條件及目標(biāo)函數(shù)如式(9)所示：

(9)

由式(9)可知，當(dāng)工業(yè)清潔能源運(yùn)營(yíng)效益最大，棄能成本最低時(shí)，清潔能源優(yōu)化調(diào)度模型結(jié)果最優(yōu)，產(chǎn)能效益最佳。同時(shí)本文按權(quán)重比例劃分運(yùn)營(yíng)效益、棄能成本，分析能源運(yùn)營(yíng)效益及棄能成本最優(yōu)解。

5 排放安全管理措施分析

5.1 推廣“大數(shù)據(jù)”智慧管理措施

為優(yōu)化管理工業(yè)清潔能源運(yùn)營(yíng)效益、棄能成本、穩(wěn)定性及負(fù)荷帶來(lái)的系列性問(wèn)題，以落實(shí)國(guó)家“雙碳”戰(zhàn)略目標(biāo)，優(yōu)化工業(yè)區(qū)域、社會(huì)區(qū)域生態(tài)環(huán)境[19]，本文首先通過(guò)智慧管理模式實(shí)現(xiàn)分布式能源互補(bǔ)、網(wǎng)荷互動(dòng)等協(xié)同交互形式，以協(xié)調(diào)不同類(lèi)型清潔能特性，進(jìn)而以大數(shù)據(jù)分析實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)、安全的工業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)功率平衡，提升清潔能源利用效率；其次，應(yīng)用“大數(shù)據(jù)”傳感感知技術(shù)實(shí)現(xiàn)清潔能源約束概率閾值管理、生產(chǎn)設(shè)備安全預(yù)警、清潔能源周期管理和多尺度能源協(xié)調(diào)經(jīng)濟(jì)控制等功能，以系統(tǒng)、科學(xué)、多層次特性分析評(píng)估工業(yè)生產(chǎn)中清潔能源最低棄能成本和最佳運(yùn)營(yíng)效益[20]。

5.2 優(yōu)化清潔能源方法結(jié)構(gòu)，樹(shù)立綠色減排理念

為積極落實(shí)國(guó)家“雙碳”綠色儲(chǔ)能目標(biāo)，樹(shù)立工企業(yè)綠色減排生態(tài)安全理念[21]，本文設(shè)計(jì)優(yōu)化能源方法結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)清潔能源運(yùn)營(yíng)效益最大化和棄能成本最小化(圖2)。由圖2可知，多尺度能源經(jīng)能源方法優(yōu)化和能源平衡約束后，降低了工業(yè)碳排放效益；其次，優(yōu)化技術(shù)特征、碳排放效益及經(jīng)濟(jì)效益經(jīng)數(shù)據(jù)經(jīng)建模分析，有助于優(yōu)化能源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，提高目標(biāo)函數(shù)判定精準(zhǔn)性，合理制定清潔能源排放管理策略，落實(shí)“雙碳”目標(biāo)。

圖2 工業(yè)能源優(yōu)化方法結(jié)構(gòu)

6 結(jié)論

本文通過(guò)工業(yè)清潔能源調(diào)度優(yōu)化3個(gè)階段，實(shí)現(xiàn)了安全、高效的工業(yè)能源調(diào)度和排放管理措施設(shè)計(jì)，落實(shí)了國(guó)家“雙碳”戰(zhàn)略目標(biāo)并保障了工業(yè)社會(huì)區(qū)域生態(tài)環(huán)境安全，得到以下相關(guān)結(jié)論：通過(guò)儲(chǔ)能約束概率降低能源調(diào)度隨機(jī)性誤差；多尺度清潔能源系統(tǒng)建模后，各類(lèi)型能源源源互補(bǔ)、源網(wǎng)協(xié)調(diào)，調(diào)度評(píng)估結(jié)果及經(jīng)濟(jì)效益優(yōu)質(zhì)；調(diào)度優(yōu)化模型預(yù)測(cè)分析下，當(dāng)清潔能源最大運(yùn)營(yíng)效益和最低棄能成本成反比，工業(yè)生產(chǎn)能源效益最佳，數(shù)據(jù)偏差最低。