含電動汽車的區(qū)域綜合能源系統(tǒng)日前調(diào)度優(yōu)化

(四川大學(xué)電氣工程學(xué)院，四川 成都 610065)

0 引 言

為解決化石能源日益枯竭以及人類對能源需求日益增長的問題，各國大力發(fā)展具有清潔、易于獲取、資源覆蓋面廣等特點的可再生能源[1]。在此基礎(chǔ)上，優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)，從化石能源結(jié)構(gòu)向可再生能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型成為必然趨勢。為提高用能效率并綜合協(xié)調(diào)管理，能源互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)運而生。與傳統(tǒng)的單一微電網(wǎng)系統(tǒng)相較，區(qū)域綜合能源系統(tǒng)[2-7]將中低壓配電網(wǎng)、配氣網(wǎng)、冷/熱網(wǎng)等不同形式的網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行緊密耦合，不同能源間高效的互補互濟(jì)提高了系統(tǒng)整體調(diào)度靈活性。但多能協(xié)調(diào)管理和轉(zhuǎn)化機(jī)制也會帶來新的挑戰(zhàn)。

目前，在區(qū)域綜合能源系統(tǒng)調(diào)度層面已有許多研究。文獻(xiàn)[8]針對區(qū)域綜合能源系統(tǒng)面臨災(zāi)害的彈性恢復(fù)能力和系統(tǒng)運行經(jīng)濟(jì)性之間的矛盾問題,提出多目標(biāo)加權(quán)模糊規(guī)劃的優(yōu)化方法。文獻(xiàn)[9]針對含電轉(zhuǎn)氣技術(shù)的綜合能源系統(tǒng)，面向供給側(cè)儲能/儲氣設(shè)備和需求側(cè)暖通空調(diào)等，提出了一種基于李雅普諾夫的事件觸發(fā)型在線能量優(yōu)化方法。文獻(xiàn)[10]針對冷熱負(fù)荷存在慣性，提出多元儲能技術(shù)，構(gòu)成多元儲能系統(tǒng)對區(qū)域綜合能源系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化。上述文獻(xiàn)從不同方面考慮了如何對區(qū)域綜合能源系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化并相應(yīng)提出優(yōu)化方法；但針對的都是傳統(tǒng)的電氣元件進(jìn)行建模優(yōu)化仿真，缺乏針對迅速普及的電動汽車[11-12]對區(qū)域綜合能源系統(tǒng)優(yōu)化運行影響的研究。

下面針對此問題，將電動汽車視為園區(qū)內(nèi)可調(diào)度的調(diào)峰資源，建立了一種含電動汽車和多種分布式電源[13]的熱電聯(lián)供[14-16]的區(qū)域綜合能源優(yōu)化模型，并使用具有求解線性規(guī)劃問題功能的Python進(jìn)行仿真求解。

1 區(qū)域綜合能源系統(tǒng)模型

1.1 模型設(shè)定

設(shè)定區(qū)域綜合能源系統(tǒng)具有一個可以對電動汽車進(jìn)行有效調(diào)度運行的EV聚合商、風(fēng)光分布式電源、微型燃?xì)獍l(fā)電設(shè)備、鍋爐以及外部接入的電網(wǎng)等，如圖1所示。通過先進(jìn)的物聯(lián)網(wǎng)、通信技術(shù)將上述系統(tǒng)組成聯(lián)系到一起，配合各類儲能設(shè)備以及電動汽車的輔助，使不同種類能源互補互濟(jì)、優(yōu)化運行，提高能源利用率以及清潔能源的使用量，同時使購買能源的費用達(dá)到最低。

圖1 系統(tǒng)模型

1.2 目標(biāo)函數(shù)

建立區(qū)域綜合能源系統(tǒng)優(yōu)化模型的目的是通過能源之間的協(xié)調(diào)運作，降低能源的使用成本(購電購氣成本減去區(qū)域內(nèi)發(fā)電并網(wǎng)收入)，提高經(jīng)濟(jì)性。以此為目的建立如下目標(biāo)函數(shù)。

C=min(Ce+Cgas+CEV)

(1)

1.3 系統(tǒng)模型

1)微型燃?xì)廨啓C(jī)機(jī)組模型

(2)

2)燃?xì)忮仩t模型

(3)

3)吸收式制冷機(jī)組模型

Qchi,t=Hc,t·ηc

(4)

式中：Hc,t和Qc,t分別為第t個時段吸收式制冷機(jī)的輸入熱功率和輸出冷功率；ηc為吸收式制冷機(jī)組熱轉(zhuǎn)冷效率。

4)電鍋爐

(5)

5)電制冷機(jī)組模型

QAC,t=PAC,tηAC

(6)

1.4 約束條件

1)電功率平衡約束

Pe.t+Pgas.t+Pclean.t=PLD.t+PEV.t+Ph.t+Pc.t

(7)

式中：Pclean.t為第t個時間段風(fēng)光分布式電源產(chǎn)生的電能；PLD.t為第t個時間段的區(qū)域用戶用電負(fù)荷(電動汽車負(fù)荷除外)；Ph.t為第t個時間段的電鍋爐輸入電功率；Pc.t為第t個時間段的電制冷機(jī)輸入電功率。

2)熱、冷功率平衡

(8)

3)風(fēng)光發(fā)電約束

0≤Pclean.t≤Pclean.max

(9)

根據(jù)區(qū)域所在的地理位置與歷史風(fēng)光發(fā)電信息對風(fēng)光分布式電源進(jìn)行發(fā)電預(yù)測，預(yù)測出每個時間段的發(fā)電最大值Pclean.max，各個時刻清潔能源的使用量不能高于Pclean.max。

4)EV約束

考慮到用戶用車的習(xí)慣，同時電動汽車使用和充電不能同時進(jìn)行，在用戶不使用電動汽車時，將電動汽車當(dāng)做儲能資源使用，EV聚合商相應(yīng)的給予用戶價格補償或者使用其他激勵機(jī)制激勵用戶將電動汽車作為儲能資源，EV聚合商在協(xié)商好的時間段可以任意對電動汽車進(jìn)行充放電操作。

(10)

式中：β為單位時間電動汽車儲能電池充入或放出的最大電能；W為電動汽車的日最大充放電容量。在第t個時間段內(nèi)存儲的能量與前面儲存的能量累加值不能超出電動汽車存儲的最大限度或者為負(fù)值，同時每個時間段充放的電能也不能超過單位時間所能充入的能量最大值。

2 算例分析

2.1 算例描述

選某一區(qū)域綜合能源系統(tǒng)為研究對象，圖2為某區(qū)域夏季某一日的電負(fù)荷、熱負(fù)荷、冷負(fù)荷以及風(fēng)光功率預(yù)測曲線。

本算例中存在電轉(zhuǎn)熱、電轉(zhuǎn)冷、氣轉(zhuǎn)電、氣轉(zhuǎn)熱等能量轉(zhuǎn)化過程，具體能量轉(zhuǎn)化效率如表1所示。

本算例中，電網(wǎng)電價高峰時段為7:00—11:00、19:00—23:00，低谷時段為23:00至次日7:00，平段為11:00—19:00。該區(qū)域內(nèi)平段電價為0.6元/kWh，按照峰谷分時浮動電價以高峰時段上調(diào)50%，低谷時段下降50%標(biāo)準(zhǔn)，高峰時段該區(qū)域電價0.9元/kWh，低谷時段該區(qū)域電價0.4元/kWh。

圖2 夏季某日負(fù)荷曲線

表1 能量轉(zhuǎn)化效率

天然氣按照2元/m3計算，1 m3天然氣與10 kWh電的能量相等，同時按照各種能量的轉(zhuǎn)化效率，定制以下發(fā)電、制冷、制熱成本：

根據(jù)各種類型產(chǎn)生能量的成本大小，基于成本最低的目的，規(guī)定只考慮利用余熱制冷，而不進(jìn)行鍋爐燃?xì)庵挥糜谥评涞倪\行；其次，考慮到平段谷段電網(wǎng)電價較低，所以平段谷段不使用鍋爐產(chǎn)熱。除此之外，為電動汽車用戶提供的價格補償為每充放1 kWh電補償0.4元，清潔能源發(fā)電成本為0。在此基礎(chǔ)上，鑒于本算例的電網(wǎng)電價機(jī)制，電動汽車在電網(wǎng)電價谷段充電，在平段不參與充放電，而在峰段放電，使清潔能源全部投入使用。

本算例中電動汽車儲存能量在時刻1的初始值設(shè)為0，每個小時的最大充放電量為2 MWh。

2.2 算例仿真

基于以上的算例說明使用Python對模型進(jìn)行優(yōu)化仿真并求解。仿真結(jié)果見圖3至圖5。

如圖3所示，在電價低谷時間段內(nèi)，系統(tǒng)從電網(wǎng)獲取大量電能。隨著時間的推移，電價升高，電能的供應(yīng)形式從電網(wǎng)供電慢慢過渡到由燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)行供電。除此之外，從圖中電動汽車的充放電情況中可以看出，電動汽車在低谷時段充電、用電高峰期放電，不僅降低用電成本，而且參與調(diào)峰，同時為電動汽車用戶帶來經(jīng)濟(jì)效益。

圖3 優(yōu)化后電功率負(fù)荷供給來源曲線

圖4中分別為燃?xì)庥酂峁峁β孰S時間變化仿真曲線、電能轉(zhuǎn)化的熱能功率隨時間變化仿真曲線、鍋爐產(chǎn)生的熱功率隨時間變化仿真曲線。

圖4 優(yōu)化后熱功率負(fù)荷供給來源曲線

如圖4所示，燃?xì)廨啓C(jī)除了在平段和峰段產(chǎn)生電能，還同時利用余熱產(chǎn)生大量熱能滿足熱負(fù)荷需求。在仿真圖中可以看到，當(dāng)夏季熱負(fù)荷需求較少時，余熱可以供應(yīng)大部分熱負(fù)荷。其余部分的熱負(fù)荷，在谷段由電能轉(zhuǎn)化為熱能，在用電高峰段由鍋爐產(chǎn)熱供應(yīng)熱負(fù)荷。

圖5中給出了吸收式制冷機(jī)組利用燃?xì)庥酂岷湾仩t產(chǎn)生的余熱制冷功率隨時間變化仿真曲線、電能轉(zhuǎn)化為冷功率隨時間變化仿真曲線。

如圖5所示，吸收式制冷機(jī)組在谷段和平段吸收余熱提供大量冷能，顯著地實現(xiàn)了能量的梯級利用。其余冷能幾乎由平段和谷段的低電價電網(wǎng)電能提供。

圖5 優(yōu)化后冷功率負(fù)荷供給來源曲線

2.3 對比分析

為進(jìn)一步研究電動汽車在區(qū)域綜合能源系統(tǒng)起到的優(yōu)化作用，改變系統(tǒng)中的可用于充當(dāng)儲能資源的電動汽車數(shù)量和每個小時的充放電量，并進(jìn)行仿真對比分析。

將電動汽車每個小時的最大充放電量從0分別提高到5 MWh、10 MWh、20 MWh、25 MWh,電動汽車充放電隨時間變化仿真曲線如圖6所示。燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電量隨時間變化仿真曲線如圖7所示。

圖6 電動汽車充放電功率

如圖6和圖7可以看出，隨著電動汽車每個小時的最大充放電量不斷提高，電動汽車在谷價時段的實際充電量也相應(yīng)提高，并在高峰時段放出，替代相對成本更高的燃?xì)廨啓C(jī)。

對不同充放電量約束條件(假設(shè)有足夠的電動汽車)下的系統(tǒng)運行總成本進(jìn)行仿真計算，結(jié)果如表2所示。

圖7 燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電功率

表2 仿真數(shù)據(jù)

如表2所示，當(dāng)每個小時電動汽車的最大充放量變大并且有足夠的電動汽車可供調(diào)用時，系統(tǒng)使用能量的總成本不斷下降，經(jīng)濟(jì)性不斷提高。

3 結(jié) 語

以系統(tǒng)能源成本為目標(biāo)建立了含有電動汽車的區(qū)域綜合能源系統(tǒng)模型。仿真結(jié)果表明：

1)基于區(qū)域內(nèi)的負(fù)荷特性對電網(wǎng)電能、天然氣、清潔能源發(fā)電的使用進(jìn)行優(yōu)化，有效消納了區(qū)域內(nèi)風(fēng)光能源；冷熱電的梯級利用，大幅提高了能源利用率；通過對天然氣與電網(wǎng)電能的交替配合使用既滿足能源需求、有效調(diào)峰，又達(dá)到成本最小化的經(jīng)濟(jì)效果。

2)隨著可控的電動汽車數(shù)量變多、EV聚合商的規(guī)模變大，能將其作為調(diào)度資源參與調(diào)峰并降低成本。系統(tǒng)不需要額外的建設(shè)費用，同時電動汽車用戶也可以得到相應(yīng)的經(jīng)濟(jì)收入，相較于高成本的儲能蓄電池，其潛力更大。