俞發(fā)強(qiáng), 張名捷, 程 語， 陳達(dá)偉, 楊函煜, 黎燦兵

(1. 廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司清遠(yuǎn)供電局，廣東 清遠(yuǎn) 511500； 2. 上海交通大學(xué) 電力傳輸與功率變換控制教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200240； 3. 南京工業(yè)大學(xué) 電氣工程與控制科學(xué)學(xué)院，南京 211816)

生物質(zhì)能作為一種可再生能源，其集成水平相較于風(fēng)能、光能、氫能仍較為落后[1-2].在我國廣袤的農(nóng)村地區(qū)，生物質(zhì)能源豐富，農(nóng)作物秸稈、禽畜糞便等均可通過發(fā)酵產(chǎn)生沼氣，在減輕農(nóng)村環(huán)境壓力的同時為戶主提供能源[3].我國的沼氣發(fā)展始于20世紀(jì)六七十年代，全國各地興建700多萬處戶用沼氣池[4].然而，沼氣產(chǎn)量與溫度密切相關(guān)，多數(shù)沼氣池由于難以越冬、缺乏維護(hù)而廢棄.此外，沼氣池能源形式單一，主要用作生火、照明，因此投資回報(bào)低，主要靠國家補(bǔ)貼[5].

盡管如此，沼氣具有與天然氣相似的物理特性，可以作為氣體燃料通過熱電聯(lián)產(chǎn)(CHP)燃?xì)鈾C(jī)組轉(zhuǎn)化為電能和熱能，與其他可再生能源集成于微能源網(wǎng)中，滿足用戶熱、電、冷、氣等多種負(fù)荷需求.這一優(yōu)良性質(zhì)引起了學(xué)者的關(guān)注，開展了一系列關(guān)于多能互補(bǔ)的微能源網(wǎng)研究.通過混合多種能源，如光伏、風(fēng)力發(fā)電(簡稱風(fēng)電)、柴油發(fā)電等，充分挖掘不同能源間的互補(bǔ)特性，可實(shí)現(xiàn)波動性可再生能源的消納以及穩(wěn)定的電力供應(yīng)[6].例如，文獻(xiàn)[7]評估了當(dāng)?shù)厣镔|(zhì)資源的分布情況，提出了“風(fēng)-光-沼-儲”的微電網(wǎng)，研究發(fā)現(xiàn)沼氣發(fā)電與傳統(tǒng)的柴油發(fā)電相比，可減少經(jīng)濟(jì)成本20%和CO2年排放量 48 t；文獻(xiàn)[8]提出一種考慮失電率的“風(fēng)-光-沼-儲”微電網(wǎng)，系統(tǒng)主要依賴沼氣發(fā)電為用戶供電；文獻(xiàn)[9]提出利用太陽能沼氣發(fā)電滿足農(nóng)村地區(qū)的炊事、照明等基本生活需求.

通過引入需求側(cè)響應(yīng)來增強(qiáng)微能源網(wǎng)的靈活性，可進(jìn)一步提高其經(jīng)濟(jì)性.例如，文獻(xiàn)[10]通過建立轉(zhuǎn)移、轉(zhuǎn)換和可削減模型的需求響應(yīng)機(jī)制，對含天然氣和儲能的微能源網(wǎng)進(jìn)行優(yōu)化調(diào)度，有效降低了系統(tǒng)的運(yùn)行成本；文獻(xiàn)[11-12]充分考慮用戶舒適度，并將其作為需求側(cè)響應(yīng)的約束條件，進(jìn)行微能源網(wǎng)優(yōu)化運(yùn)行調(diào)度；文獻(xiàn)[13]對儲電、蓄冷、儲熱3種儲能裝置進(jìn)行建模，實(shí)現(xiàn)了電、熱、冷多能源優(yōu)化調(diào)度.上述文獻(xiàn)均通過電力存儲或熱力存儲，配合可調(diào)度負(fù)載進(jìn)行需求側(cè)響應(yīng)規(guī)劃，其儲能裝置的成本較高.

沼氣適合大量儲存，實(shí)際上，是一種優(yōu)良的儲能介質(zhì).通過電加熱或熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組可以對發(fā)酵池進(jìn)行增溫，提高沼氣產(chǎn)量，相當(dāng)于將多余能量轉(zhuǎn)化為沼氣儲存.自2012年以來，我國沼氣產(chǎn)業(yè)已經(jīng)基本告別家用微型沼氣池的階段，開始朝規(guī)?；?、集中化、專業(yè)化方面發(fā)展.中、大型養(yǎng)殖場受到環(huán)保部門的嚴(yán)格把控，需要投資建設(shè)大規(guī)模沼氣工程作為其污染物排放的處理手段[14].此外，養(yǎng)殖場中具有大量可調(diào)節(jié)的負(fù)荷，如飼料攪拌機(jī)、廠棚增溫設(shè)備、加工設(shè)備等，為園區(qū)微能源網(wǎng)的優(yōu)化配置、調(diào)度提供了基本場景[15-16].

總體來說，國內(nèi)外對含沼氣的混合可再生微能源網(wǎng)的研究更側(cè)重于利用農(nóng)林生物質(zhì)原料實(shí)現(xiàn)沼氣發(fā)電或熱電聯(lián)產(chǎn)，減少對化石燃料的依賴以及環(huán)境排放，沼氣在微網(wǎng)中的功能模式相對比較單一[17-19].此外，利用沼氣發(fā)電或熱電聯(lián)產(chǎn)的發(fā)電量和產(chǎn)熱量極大程度上受到沼氣產(chǎn)量的影響[20-22]，而目前對于沼氣發(fā)酵速率和產(chǎn)量的精細(xì)化建模并未被充分考慮在現(xiàn)有的微能源網(wǎng)規(guī)劃研究中.與此同時，沼氣易儲存的類儲能特性使其具有成為低成本儲能介質(zhì)的潛力，加以充分利用養(yǎng)殖場園區(qū)內(nèi)大量可調(diào)節(jié)負(fù)荷參與需求響應(yīng)，含沼氣的微能源網(wǎng)將擁有較大優(yōu)化空間，具有一定研究價值.

本文提出一種并網(wǎng)型風(fēng)能-太陽能-沼氣多能互補(bǔ)微能源網(wǎng)優(yōu)化配置方法.根據(jù)微生物發(fā)酵動力學(xué)模型和沼氣發(fā)酵的溫敏特性，提出沼氣的類儲能特性，對沼氣與電能之間的“電能-化學(xué)能(氣體)-電能”的能量變換機(jī)制所涉及的產(chǎn)氣、儲氣、用氣過程進(jìn)行差異化、精細(xì)化建模.同時考慮需求側(cè)響應(yīng)，進(jìn)一步增加系統(tǒng)靈活性，利用分時電價節(jié)省購電成本，從而將投資成本和年度運(yùn)行成本降至最低.通過對全年的12個典型場景進(jìn)行仿真，驗(yàn)證所提微能源網(wǎng)模型的有效性.

1 風(fēng)-光-沼微能源網(wǎng)模型

1.1 目標(biāo)函數(shù)

作為并網(wǎng)的微能源網(wǎng)，需求側(cè)管理(DSM)是最小化發(fā)電和負(fù)載之間不平衡的必要解決方案.根據(jù)負(fù)荷靈活性可分為關(guān)鍵、可時移和可調(diào)負(fù)荷.關(guān)鍵負(fù)荷，例如電梯和照明負(fù)載，與人員生命安全息息相關(guān)，應(yīng)當(dāng)優(yōu)先保障電力供應(yīng)；可時移負(fù)荷則指在時間上可以進(jìn)行平移的電力需求，例如空調(diào)的使用；可調(diào)負(fù)荷是在可接受范圍內(nèi)功率需求可調(diào)的負(fù)荷.

本模型的最終目標(biāo)是最小化并網(wǎng)型風(fēng)-光-沼微能源網(wǎng)(見圖1)的年度總成本，包括初始投資成本和運(yùn)營成本.其中，運(yùn)營成本包括維護(hù)成本、從電網(wǎng)公司銷售/購買能源的成本和需求側(cè)管理成本.因此，優(yōu)化模型可由下式描述：

圖1 風(fēng)-光-沼微能源網(wǎng)Fig.1 Integrated energy system of wind-solar-biogas

minCtotal=CINV+CM+CGrid+Cd

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

1.2 發(fā)酵池建模

沼氣發(fā)酵池作為光-沼微網(wǎng)的關(guān)鍵組件，運(yùn)行階段應(yīng)充分考慮AD蓄熱與溫度特性.由于用戶級光-沼微網(wǎng)多以規(guī)模較小的地埋式AD為主，可假設(shè)：在厭氧消化過程中，放熱能量很小，并且微生物產(chǎn)生熱量可被忽略；沼池周圍的環(huán)境溫度和周圍土壤溫度分布均勻；原料所帶入的熱量可忽略.由此，根據(jù)能量守恒原理，AD的傳熱過程及發(fā)酵溫度的變化可通過下式約束表示：

Td(τ+1,s)=Td(τ,s)+

(6)

(7)

(8)

沼氣產(chǎn)量由原料類型、進(jìn)水揮發(fā)性固體濃度、發(fā)酵池容量、發(fā)酵溫度等多種因素決定.為了表示沼氣發(fā)酵過程中的溫度敏感性，提出一種基于微生物反應(yīng)動力學(xué)的沼氣產(chǎn)量預(yù)測模型:

(11)

所產(chǎn)生的沼氣將被直接儲存在儲氣罐中用于沼氣機(jī)組發(fā)電.由此，儲氣罐中的儲氣量可用下式描述：

(12)

(13)

發(fā)酵所產(chǎn)生的沼氣送往CHP機(jī)組進(jìn)行發(fā)電，發(fā)電量與耗氣量的關(guān)系由下式表示：

(14)

式中：ηu為能量轉(zhuǎn)化效率系數(shù).

1.3 約束條件

容量約束.包括太陽能、風(fēng)電、沼氣發(fā)電和儲氣罐的容量：

(15)

(1) 波動性新能源出力約束：微能源網(wǎng)內(nèi)各新能源出力應(yīng)受限于對應(yīng)的規(guī)劃容量，同時與當(dāng)?shù)貧夂驐l件相關(guān).因此，在對微能源網(wǎng)進(jìn)行優(yōu)化配置時，需根據(jù)風(fēng)能、光照輻射的預(yù)測數(shù)據(jù)確定風(fēng)電、光伏出力上下限：

(16)

(17)

(2) 其他常規(guī)約束：

(24)

2 模型線性化處理

由于約束式(6)～(11)是非線性的，不能直接求解，所以首先對模型中存在的非線性約束分段線性化.

在所提出的沼氣發(fā)酵動力學(xué)模型中，當(dāng)模型只考慮發(fā)酵溫度對厭氧發(fā)酵速率影響時，其他環(huán)境因素可視作模型參數(shù)，則根據(jù)約束式(6)～(8)的函數(shù)關(guān)系，發(fā)酵溫度對單位容積沼氣發(fā)酵速率的影響最終可通過非線性一元函數(shù)Gt=f(Tt)表示，如圖2所示.

圖2 溫度與發(fā)酵速率的函數(shù)關(guān)系Fig.2 Fermentation rate versus temperature

針對Gt=f(Tt)非線性問題，采用分段線性化方法處理非線性約束.分段線性化方法如下：對于任意t時刻，在發(fā)酵溫度Tts的取值范圍[Tt0,TtS]，即溫度范圍15～60 ℃內(nèi)，依次確定S個分段點(diǎn)Tt0，Tt1，…，TtS，引入0-1變量qts和特殊序列2(SOS2)變量組zts，其中約束表示SOS2變量組中，有且只有相鄰的兩個0-1變量不為0.最終Gt=f(Tt)滿足如下約束.

(29)

3 模型驗(yàn)證

最終該模型以式(1)～(5)為目標(biāo)函數(shù)，包括傳熱約束式(6)～(8)、發(fā)酵約束式(9)～(11)、沼氣與電能轉(zhuǎn)化約束模型式(12)～(13)、儲氣罐約束模型式(14)～(17)、有功平衡及功率限制約束式(18)～(24)，形成混合整數(shù)線性規(guī)劃(MILP)問題，可通過GAMS軟件中的Cplex求解器直接求解.

考慮到需求負(fù)荷的不確定性、太陽輻射帶來的優(yōu)化結(jié)果的變化，采用基于典型場景的方法，選擇一年的12個場景來模擬各種新能源和負(fù)荷的組合情況，如圖3所示.其中，風(fēng)速和太陽能采用標(biāo)幺值表示，基準(zhǔn)值為年最大出力值.成本投資組成如表1所示.

表1 系統(tǒng)各部分成本組成Tab.1 Economic specifications of system components

圖3 各場景中電力負(fù)荷與新能源波動Fig.3 Electrical and renewables profiles in each scenario

在負(fù)荷需求響應(yīng)中，考慮到一些負(fù)載具有可切換或時移的特性，其允許的最大移出/移入需求在冬季為50 kW，在夏季為200 kW.如表2所示的分時電價用于引導(dǎo)用戶進(jìn)行負(fù)荷需求響應(yīng)，以實(shí)現(xiàn)優(yōu)化運(yùn)行.

表2 分時電價Tab.2 Time-of-use electricity price 元/(kW·h)

考慮負(fù)荷需求響應(yīng)的微能源網(wǎng)優(yōu)化配置結(jié)果如表3所示.可以看出，總成本與發(fā)酵池的最大容量成負(fù)相關(guān).發(fā)酵池的容量增加，總成本就會降低，這表明沼氣發(fā)酵系統(tǒng)可以有效降低系統(tǒng)成本.其中，主要原因是沼氣發(fā)電更為靈活、可調(diào)度性強(qiáng)，利用高峰電價向電網(wǎng)提供功率支撐是其收入的重要來源.此外，增加沼氣發(fā)電使得微能源網(wǎng)對于風(fēng)電、光伏以及的投資更低.不具備負(fù)荷需求響應(yīng)的微能源網(wǎng)優(yōu)化結(jié)果如表4所示.對比表3和表4，當(dāng)負(fù)荷參與需求響應(yīng)后，系統(tǒng)總成本可降低3%～9%，年收益增加127%～240%.

表3 考慮負(fù)荷需求響應(yīng)的系統(tǒng)優(yōu)化配置結(jié)果Tab.3 Optimal sizing results for system considering DSM

表4 不考慮負(fù)荷需求響應(yīng)的系統(tǒng)優(yōu)化配置結(jié)果Tab.4 Optimal sizing results for system without considering DSM

圖4給出了一個典型場景中的每日最優(yōu)調(diào)度來說明微能源網(wǎng)與負(fù)荷需求響應(yīng)的性能.可以觀察到光伏和風(fēng)電的輸出主要分布在白天，而夜間負(fù)荷較低，并且此時可低價從電網(wǎng)購電維持本地負(fù)荷，并使用廉價電力進(jìn)行增溫，提高沼氣產(chǎn)量并儲存在儲氣罐中，從而實(shí)現(xiàn)電能轉(zhuǎn)化為易儲存的生物質(zhì)能.由于風(fēng)電的間歇性，沼氣發(fā)電成為白天負(fù)荷的主要承擔(dān)者，并在高峰電價階段向電網(wǎng)售電.因此，間歇性的新能源與沼氣發(fā)電具有互補(bǔ)特性，充分利用沼氣的易儲存特性可大大降低系統(tǒng)成本.

圖4 典型場景中風(fēng)光出力曲線及最優(yōu)沼氣發(fā)電曲線Fig.4 Operation of solar and wind generation, and optimal generation of BES

儲氣罐中的沼氣儲量如圖5所示.夜間通過廉價電力對發(fā)酵池進(jìn)行增溫，并提高沼氣產(chǎn)量.在中午12時左右，沼氣儲量超過80%，并且屬于高峰電價時段.因此，沼氣發(fā)電在12—13時出力增加，并向電網(wǎng)售電，獲取額外利潤.在12—16時，儲氣罐中的沼氣儲量進(jìn)一步增加并達(dá)到峰值.在接下來的4 h中，沼氣發(fā)電成為系統(tǒng)負(fù)荷的主要承擔(dān)者，并且向電網(wǎng)售電以獲取利潤.至24時，沼氣量仍接近50%，可以確保次日的沼氣供應(yīng).值得注意的是，圖4與圖5為12個典型場景之一，每個場景結(jié)束后，其剩余沼氣儲量并不一定為50%，但在連續(xù)的12個場景中，沼氣儲量是連續(xù)供應(yīng)、不間斷的，因此其供電可靠性為100%.

圖5 1 d內(nèi)沼氣儲量變化趨勢Fig.5 Variation of biogas storage in a day

4 結(jié)語

提出一種風(fēng)-光-沼微能源網(wǎng)，可通過電加熱提高沼氣發(fā)酵溫度，從而將電能轉(zhuǎn)化為生物質(zhì)能儲存，而沼氣可通過熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組發(fā)電，實(shí)現(xiàn)多種能量流的耦合.將需求側(cè)響應(yīng)機(jī)制應(yīng)用于并網(wǎng)微能源網(wǎng)，使得投資成本降低3%～9%的情況下，年收益增加127%～240%.在日常優(yōu)化調(diào)度中，夜間多余的電能轉(zhuǎn)化為沼氣儲存在儲氣罐中，在白天可以穩(wěn)定連續(xù)地滿足客戶需求.通過對比研究，顯示該微能源系統(tǒng)在經(jīng)濟(jì)性方面具有較大優(yōu)勢.然而，基于生物質(zhì)的設(shè)施受到周圍生物質(zhì)能源可用性的限制，未來工作將考慮生物質(zhì)可利用性的約束以及與其他可再生能源的協(xié)同規(guī)劃.