基于標準化矩陣模型的綜合能源系統優化方法

徐思雨 應雨龍 陳云龍雨

1.上海電力學院能源與機械工程學院；2.上海電機學院電子信息學院

關鍵字：綜合能源系統；設計優化；結構優化；運行優化

0 引言

在PPP和新電改條件下，區域能源互聯網的實質是在多能互補基礎上的綜合能源服務[1]。傳統能源系統規劃通常僅面對單一能源系統（如冷、熱、電、天燃氣），不能優化配置各個能源系統的資源，因此，整體能源資源利用效率較低。針對這一問題，在解決分布式清潔能源的背景下，研究人員提出了綜合能源系統協同規劃的概念，即將冷、熱、電、熱水、天燃氣等多種能源耦合，形成一個多種能源綜合轉換利用的物理系統，以充分發揮不同形式能源的互補與協同效應，在更大范圍內實現各個能源系統的資源優化配置，提高系統運行靈活性的同時，提高分布式清潔能源消納能力和系統綜合能效與可靠性。國內外許多研究機構、能源企業已經開展了相關的項目探索，如歐盟ELECTRA示范項目[2-3]、歐盟E-De-Ma項目、英國曼徹斯特示范工程[4-5]、德國朗根費爾德示范工程、日本柏葉智慧城市[6]和加拿大耶洛奈夫鎮示范項目[7]等與國內的延慶縣示范工程[8]、上海迪士尼度假區示范[9]、崇明島示范工程[10]等。

1 綜合能源系統優化方法

能源綜合服務系統的優化決策是一個復雜的系統問題，很大程度上取決于決策者偏好及其所確立的優化目標。從時間尺度上，能源綜合服務系統的優化可以分為長期戰略優化（戰略規劃）、中期戰術優化（戰術規劃）和短期運行優化（運行規劃）三個層次,如圖1所示。任一層次均需實現該層次所規定的特定目標，同時該層次的決策將成為低層次的約束條件。

圖1 能源綜合系統的優化決策過程

孔祥強等[11]采用模式搜索和懲罰函數兩種方法，以年運行費用最小為目標函數，對分布式熱電聯產系統的運行策略進行了優化分析。Bischi等[12]基于混合整數線性規劃理論，以日運行費用最小為目標函數，考慮能源價格、運維費用、啟停損耗、外界溫度等相關因素，構建了分布式熱電聯產系統的運行規劃模型。Facci等[13]分析了分布式熱電聯產系統常規“以熱定電”和“以電定熱”的模式，提出了系統運行優化的動態規劃模型。黃子碩等[14]分析了多能互補分布式能源系統綜合能效的影響因素，并以夏季工況為例給出了幾種典型配置下的綜合能效水平。任洪波等[15]論述了分布式熱電聯產系統設計優化研究進展，提出了由結構優化、設計優化和運行優化所構成的系統優化的層次型框架體系。相比于分布式熱電聯產系統，由于綜合能源系統固有的多元性與復雜性，其系統優化研究將是當前及未來能源系統工程研究的主要課題之一。此外，盡管大量文章討論了分布式熱電聯產系統的設計優化與運行優化研究，但很少有論文研究其標準化建模方法。基于調度系數，Chicco等[16]提出了一種為小規模冷、熱、電三聯供系統自動生成耦合矩陣的建模技術。由于涉及調度因子，所建立的綜合能源系統規劃模型是非線性的，該方法對于大型的綜合能源系統而言太過復雜。Almassalkhi等[17]提出了一種能量“輸入-存儲-轉換-存儲-輸出”結構的綜合能源系統線性建模方法。然而，該建模方法只能處理固定結構形式的綜合能源系統。當前，研究一種適用于各種結構形式的，且靈活自動的綜合能源系統計算機標準化建模方法和適用于面向結構、設計和運行的綜合優化方法具有重要意義。

采用傳統綜合能源系統規劃方法所建立的綜合能源系統規劃模型是非線性的，對于大型的綜合能源系統而言太過復雜，計算耗時長。為了解決上述技術問題，提出一種基于標準化矩陣模型的綜合能源系統優化方法，包括以下步驟：

步驟1：以綜合能源系統優化研究為目標，提出一種綜合能源系統標準化矩陣建模方法。從系統工程的視角出發，以能源轉換設備之間的能量流作為狀態變量來處理引入調度因子所導致的非線性問題，構建了綜合能源系統線性規劃模型。基于所提出的綜合能源系統標準化矩陣模型，可用于開展包括結構、設計和運行的綜合能源系統的綜合優化。

步驟2：綜合能源系統結構優化的目的是決定系統組成單元及其相互聯系(能流結構和設備類型)。以系統年綜合能效為優化目標，基于粒子群優化算法，構建了可用于開展區域綜合能源系統最優結構規劃的數學模型。

步驟3：綜合能源系統設計優化，決定系統組成單元的技術特性(機型、容量和臺數)。為提高綜合能源系統供能可靠性，設計成區域型分布式能源互聯網絡形式，在滿足區域用戶的總冷、熱、電量需求基礎上，對于同類型能源轉換設備，選擇2臺或2臺以上設備并聯運行，以此進一步提高系統綜合能效與供能可靠性，實現區域綜合能源系統的最優設計規劃。

步驟4：綜合能源系統的運行優化決定系統組成單元的逐時運行策略。以區域綜合能源系統運行優化研究為目標，并以最小化運維成本為優化目標函數，構建可用于開展區域綜合能源系統的最優運行規劃的數學模型，為指導綜合能源系統各設備單元最優的逐時運行策略提供理論依據。

1.1 綜合能源系統標準化矩陣建模

綜合能源系統是一種集成多種能源輸入、多種能源輸出以及多種能源轉換設備的系統。綜合能源系統是以堅強智能電網為基礎的區域能源互聯網，如圖2所示。

圖2 綜合能源系統示意圖

從系統工程的視角看，綜合能源系統可由以下四個子系統組成：

①外部能源供應子系統：外部能源供應子系統支撐著整個綜合能源系統的運行，供應整個系統運行需求的一次能源（天然氣、燃油、煤）和二次能源（主網架供電），為整個系統運行提供能源保障。

②能源轉換子系統：第一類是包括光伏發電、小型風力和小水力發電等的小規模可再生能源發電系統；第二類是以內燃機、燃氣輪機、微燃機、燃料電池、斯特林發動機等為原動機的熱電聯產或冷、熱、電三聯產系統。第三類是輔助型能源轉換系統，如燃氣/油鍋爐、儲能設備等。通過各種方式將一次能源和二次能源高效轉化成終端用戶需要的多種能源形式。

③能源輸送網絡：能源輸送網絡將各個能源轉換子系統產生的能源高效合理地傳輸到每個需要不同形式能源的終端用戶，包括電網、熱網和冷網等。

④用戶終端子系統：用戶終端子系統最終將能源轉換子系統產生的能源消耗的系統。在需求側，將多個不同類型用戶(如居民用戶、工廠、商場、寫字樓、醫院等)融入同一供能體系，通過用戶間互補、互動實現負荷平均化。

電力系統計算機標準化建模是電力系統自動化的重要基礎，同樣，綜合能源系統計算機標準化建模是未來多能源系統自動化的重要基礎。

圖3 綜合能源系統的標準化矩陣建模方法

其中耦合矩陣C用以描述不同類型能源轉換設備本身的轉換特性。

1.1.1能源轉換設備模型

各種能源轉換設備的轉換特性如下：

以內燃機、燃氣輪機、微型燃機、燃料電池、斯特林發動機等為原動機的熱電聯產(CHP)系統：

燃氣/油鍋爐：

電制冷設備：

電制熱設備：

吸收式制冷設備：

儲能(Energy Storage)除了充放能行為外，還包括內部儲能狀態(state of charge,SOC)的變化：

儲能設備第t時刻的儲能狀態為：

1.1.2綜合能源系統線性規劃模型

綜合能源系統的能源輸送網絡包括電網、熱網、冷網和天然氣網等，如圖2所示。本發明提出的標準化矩陣建模方法通過以能源轉換設備之間的能量流作為狀態變量來處理引入調度因子所導致的非線性問題。由于任意兩個能量流之間的關系是線性的，因此不需要引入調度因子作為決策變量，如圖4所示。

圖4 綜合能源系統線性規劃模型的物理結構

1.2 綜合能源系統優化

1.2.1綜合能源系統結構優化

綜合能源系統結構優化的目的是決定系統組成單元及其相互聯系(能流結構和設備類型)。以系統年綜合能效為優化目標，構建了可用于開展區域綜合能源系統最優結構規劃的數學模型。

選取經濟性、節能性和環保性三類指標作為優化目標。

1）經濟性

選用系統年供熱、冷、電總量作為經濟性評價指標。

2）節能性

選取系統年一次能源消耗總量作為節能性評價指標。

3）環保性

綜合能源系統的年CO2排放量包括從天然氣中CO2的排放量和系統電力的CO2排放量，計算式為：

因此，綜合考慮經濟性、節能性和環境性指標，采用系統年綜合能效作為優化目標：

設通過電制冷設備提供的冷量與總冷量需求之比：

設通過電制熱設備（包括電加熱和各種形式的電驅動熱泵）提供的熱量與總熱量需求之比：

設系統中燃氣/燃油鍋爐與CHP設備消耗燃料量的比值：

設系統總冷量需求與總電力需求的比值：

設系統總熱量需求與總電力需求的比值：

設系統當地生物質、光伏、風電能源折合當量標準煤后與系統總電力需求的比值：

此時，可以得到無量綱化的系統年綜合能效表達式：

表示通過CHP設備消耗的燃料量與系統總電力需求的比值。

最終，以系統年綜合能效為優化目標的優化函數為：

綜合能源系統結構優化的目的是為了確定系統組成單元及其相互聯系（能流結構和設備類型），如圖5所示。

圖5 綜合能源系統結構優化示意圖

其中優化算法可以選取粒子群優化算法、遺傳算法等全局優化算法。

1.2.2綜合能源系統設計優化

綜合能源系統設計優化的目的是決定系統組成單元的技術特性(機型、容量和臺數)。為提高綜合能源系統供能可靠性，可以設計成區域型分布式能源互聯網絡形式(如圖6所示)，并且在滿足區域用戶的總冷、熱、電量需求基礎上，對于同類型能源轉換設備，建議選擇2臺或2臺以上設備并聯運行，以此進一步提高系統綜合能效與供能可靠性，實現區域綜合能源系統的最優設計規劃。

圖6 區域型分布式能源互聯網絡形式

1.2.3綜合能源系統運行優化

綜合能源系統運行優化的目的是決定系統組成單元的逐時運行策略。以區域綜合能源系統運行優化研究為目標，并以最小化運維成本為優化目標函數，構建了可用于開展區域綜合能源系統的最優運行規劃的數學模型，來為指導綜合能源系統各設備單元最優的逐時運行策略提供理論依據，如圖7所示。

圖7 綜合能源系統運行優化示意圖

優化目標：最小化區域綜合能源系統的運維成本，如式(26)。

2 綜合能源系統優化結果與分析

2.1 結構優化案例研究

綜合能源系統優化規劃與設計的關鍵是根據用戶的總冷、熱、電量需求確定具有長期經濟性、節能性、環保性的設備類型和構成，構建高能效系統，在實施系統優化設計之前，做如下假設：

③由式(24)可知，當地可再生能源利用與綜合能效的關系比較確定，且當地可再生能源利用情況通常受本地自然環境資源和能源政策條件限制，這里假設取；

④當前能源轉換設備技術水平見表1；

表1 典型CHP系統發電與產熱參數

表2 PSO算法和GA算法的相關參數

由表3可知，相比GA算法，PSO算法可以在同樣種群規模和進化代數下更有效地搜索到最優目標結果。當區域用戶冷/熱/電需求、可再生能源資源利用情況和能源轉換設備技術水平確定（如上述假設條件所述）時，綜合能源服務系統配置方案為使用燃料電池為原動機的熱電聯產系統和吸收式制冷設備來供能，不使用電制冷/電制熱設備、燃氣/燃油鍋爐時系統年綜合能效最優，綜合能效達83．5%。

基于區域用戶側冷熱電需求變化情況，結合系統綜合能效，綜合能源系統結構優化計算結果如圖8、圖9、圖10所示。

圖8 系統最佳綜合能效隨區域總冷量需求與總電力需求的比值y的變化情況

圖9 系統最佳綜合能效隨區域總熱量需求與總電力需求的比值z的變化情況

表3 系統優化結果

圖10 系統最優綜合能效隨區域總熱/冷量需求與總電力需求的比值的變化情況

由圖8所示，為當u=0．15，z=0．1，y從0到1時，系統最優綜合能效隨區域總冷量需求與總電力需求的比值y的變化情況；圖9所示，為當u=0．15，y=0．1，z從0到1時，系統最優綜合能效隨區域總熱量需求與總電力需求的比值z的變化情況；圖10所示，為當u=0．15，y與z同時從0到1時，系統最優綜合能效隨區域總熱/冷量需求與總電力需求的比值的變化情況。由上述三圖可知，隨著區域用戶總冷量和/或總熱量需求與總電力需求的比值增大，系統最優綜合能效趨勢為逐漸增大。

2.2 運行優化案例研究

采用某一區域典型冷、熱、電三聯供系統的應用案例來闡述。該系統由一個背壓運行的CHP設備，一個輔助鍋爐(AB)，一個吸收式制冷設備(CERG)，及一個電制冷設備(WARG)構成。采用本發明所提出的建模方法，其系統標準化矩陣模型的物理結構描述如圖11所示。該系統各設備單元的轉換特性如表4所示。

圖11 某一區域典型冷、熱、電三聯供系統

表4 系統各設備單元的轉換特性

此時，綜合能源系統線性規劃矩陣模型(式(10))可縮放為：

其中，該區域終端用戶冷、熱、電等逐時需求如圖12所示。

圖12 區域終端用戶冷、熱、電等逐時需求

另外，天然氣的氣價為40 Euro/MWh且恒定。外購電的逐時電價如圖13所示。

圖13 外購電的逐時電價

區域能源供需平衡約束條件如下：

各設備單元轉換特性約束條件如下：

采用Matlab自帶的fmincon求解函數對該區域綜合能源系統線性規劃模型進行求解，得到如圖14所示的系統各設備單元的最優逐時運行策略。

圖14為提出的綜合能源系統運行優化方法得到的區域系統各設備單元在24小時內的最優逐時運行策略。在0∶00～6∶00小時階段，由于電價較低，區域終端用戶的電需求全部由外購電供應。此后，由于電價高于天然氣價，且為滿足區域終端用戶的冷、熱、電需求，CHP設備、輔助鍋爐(AB)、吸收式制冷設備(CERG)、電制冷設備(WARG)及外購電方式協同運行。在21∶00～24∶00小時階段，區域終端用戶只有電需求，且電價回落，該區域終端用戶的用電需求全部由外購電供應。最終得到的最小化區域系統的運維成本為377．7725Euro，計算總耗時0．367053s(采用4．0 GHz雙處理器的筆記本電腦)。

圖14 區域系統各設備單元的最優逐時運行策略

3 結論

對綜合能源系統進行優化設計,首先要以能量轉換裝置之間的能量流為狀態變量，對引入調度因子引起的非線性問題進行處理，提出了集成能量系統的標準化矩陣建模方法。綜合能源系統的總體優化，即在提出的綜合能源系統標準化矩陣模型的基礎上，進一步對綜合能源系統進行結構優化、設計優化和運行優化。

綜合能源系統結構優化的目的是確定系統組件及其相互連接（即，能量流結構和設備類型）。以綜合能源效率為目標函數，建立了系統結構優化的數學模型，并對區域綜合能源系統進行了優化結構規劃。設計優化的目的是確定系統部件，為提高綜合能源系統的能源供應可靠性和效率，建議將其設計為區域分布式能源互聯網絡，并在滿足區域用戶的總冷、熱、電量需求基礎上，對于同類型能源轉換設備，建議選擇2臺或2臺以上設備并聯運行。綜合能源系統運行優化的目的是決定系統組成單元的逐時運行策略。以區域綜合能源系統運行優化研究為目標，并以最小化運維成本為優化目標函數，構建了可用于開展區域綜合能源系統的最優運行規劃之數學模型，來為指導綜合能源系統各設備單元最優的逐時運行策略提供理論依據。

實例研究表明，所提出的綜合能源系統標準化矩陣建模方法和優化方法簡單有效，該方法能根據不同綜合能源系統應用場景，通過縮放綜合能源系統標準化矩陣，快速建立相應的優化規劃模型，在確保計算準確性的同時克服了以往非線性規劃模型計算耗時長的缺點。有效地確定了系統組件及其相互連接，實現系統組件的技術特性和日常運行策略。