園區綜合能源系統優化調度研究與實踐

黃源烽，施燁，郝飛，陳根軍，王歡，胡榕

(1.南京南瑞繼保電氣有限公司， 江蘇 南京 211102；2.中節能國機聯合電力(寧夏)有限公司， 寧夏 銀川 750001)

0 引 言

為了協調經濟發展與能源利用、環境保護之間的平衡關系，以綜合能源協同規劃為理念，整合電、汽、熱等能源類型，構建綜合能源系統以實現不同能源形式的互補特性和協同效應這一課題受到業界人士的普遍關注。以園區為代表的區域級綜合能源系統呈現用能密度大、負荷利用小時數高、可再生能源比例增加、產用能形式多樣化等特點，是促進可再生能源大規模就地消納，提高能源綜合利用效率，實現節能減排目標的有效實施途徑[1]。目前，多數園區的能源監控不到位，能源調度手段單一，用能管理方式粗放是導致能源利用效率低下、“多而不補”的根本原因。

綜合能源系統打破了傳統能源供給相互獨立的藩籬，而與之適配的優化調度是保證系統資源優化配置，提升系統靈活性和綜合能效的關鍵。在政策、市場、技術等多重因素作用下，實現園區綜合能源系統的優化調度正由概念導入、項目孵化邁向市場驗證階段。從這一角度出發，文獻[2]圍繞綜合能源耦合系統，針對其關鍵特征變量的差異性與關聯性，結合多場景運行模式，搭建了區域綜合能源系統優化模型并進行了綜合分析。文獻[3]提出了一種兩階段日內優化調度策略，將博弈方法融入需求響應策略中，以實現區域綜合能源系統內不同能源介質的制約平衡和聯合優化。文獻[4]針對工業園區綜合能源系統開發出專門的規劃設計軟件，可結合規劃要求進行仿真計算，從而實現項目評估和風險管控。文獻[5]針對孤島型微能源網基于能源集線器架構提出了計及多類型需求響應的孤島型微能源網優化調度模型，最終求解得到各能源設備的最優出力及運行成本。

目前，以文獻[6-9]為代表的針對園區綜合能源系統優化運行研究在基礎理論方面的研究已取得初步進展，工程實際應用也取得了一定的成果，但仍存在以下主要問題：

1)能源信息采集系統不成熟，缺少整體規劃，自動化水平低；

2)能量管理欠佳，多能源介質間的調度互動匱乏，運行效率低，無法充分挖掘綜合能源潛力；

3)研究集中于應用實施的宏觀層面，偏向復雜系統的精確建模與優化算法的先進建設，忽略了優化模型本身與算法參數的合理性與可落地性。

本文以園區綜合能源系統為研究對象，針對其信息感知薄弱、協調優化欠佳等主要問題，通過采集、處理和分析各個能源子系統的泛在信息[10]，基于對可調度設備的實時監測數據和對新能源設備出力以及用戶側負荷的預測數據，建立起綜合能源系統的等效模型，從經濟運行、高效運維、節能環保等多個維度綜合優化系統的運行方式，依托綜合能效指導區域能源的優化控制和運行管理，促進調度決策落地，從而提升系統的可靠性和經濟性。

1 綜合能源系統設備模型

園區綜合能源系統在能源結構優化的基礎上，對園區內部的電力、燃氣、蒸汽、供熱、儲能等多種能源設備進行調度設計、運行監控以及優化控制，實現系統的運行規劃和調度彈性提升，進一步提高園區內綜合能源系統的運行安全水平和能源利用效率。一個典型的園區級綜合能源系統如圖1所示，其中包含燃氣輪機、余熱鍋爐、燃氣鍋爐、光熱鍋爐、光伏、風機、水源熱泵、汽水換熱器、蓄電池、儲汽罐、熱水罐等能源設備。

圖1 典型園區的綜合能源系統

1.1 CHP系統

考慮熱電聯產機組[11](combined heat and power，CHP)系統中燃氣輪機(gas turbine，GT)的全工況特性以及環境溫度對余熱鍋爐(heat recovery steam generator，HRSG)性能的影響，建立燃機熱力模型：

(1)

式中：FGT(t)，PGT(t)和SHRSG(t)—t時刻CHP系統的燃氣消耗速率、輸出電功率和輸出熱功率；

VL—燃氣低位發熱量；

ηGT，ξGT和ηREC—CHP系統燃氣輪機的發電效率、散熱損失系數以及余熱回收效率；

copHRSG—制熱系數；

T1，T2和T0—余熱煙氣進出余熱鍋爐的溫度以及環境溫度。

1.2 燃氣鍋爐

燃氣鍋爐(gas boiler，GB)以燃氣為燃料，其數學模型建立為

SGB(t)=FGB(t)×VL×ηGB

(2)

式中：FGB(t)，SGB(t)—t時刻燃氣鍋爐的燃氣消耗速率和輸出熱功率；

ηGB—燃氣鍋爐的熱效率。

1.3 水源熱泵

水源熱泵(heat pump，HP)通過輸入一定高品質電量來驅動壓縮機，其性能系數較高，且受負荷變化的影響較小。對熱泵機組建立如下熱力模型：

HHP(t)=copHP×PHP(t)

(3)

式中：PHP(t)，HHP(t)—t時刻水源熱泵消耗的電功率與制熱功率；

copHP—水源熱泵的制熱系數。

1.4 汽-水換熱設備

汽-水換熱設備(steam-water heat exchanger，SW)利用園區內燃氣鍋爐、余熱鍋爐等設備產生的大量蒸汽作為熱源加熱給水，為園區集中供暖提供所需的熱水，完成不同品質能量間的轉化，其數學模型表示為

HSW(t)=SSW(t)×ηSW

(4)

式中：SSW(t)，HSW(t)—t時刻汽-水換熱設備的輸入、輸出熱功率；

ηSW—汽-水換熱設備的換熱系數。

1.5 電、汽、熱儲能設備

儲能設備作為能源網絡不可或缺的一部分，是解決能量供需關系中存在的時間差異矛盾和局部差異問題的重要途徑。對于園區綜合能源系統而言，儲能包括電力、蒸汽與熱水的存儲，對應的儲能設備通常表現為蓄電池、儲汽罐和熱水罐。對于任一種儲能設備，均需要滿足儲能廣義動態模型所表征的能量充放與實時容量間的關系式[12]，如式(5)所示：

Ces,j(t)=(1-ξes,j)Ces,j(t-1)+

(5)

式中：Ces,j(t)，Ces,j(t-1)—第j種儲能設備在t時刻與t-1時刻儲能設備的儲能容量；

ξes,j—第j種儲能設備的能量損失系數；

1.6 可再生能源及電汽熱負荷

對于風力發電系統(wind turbine，WT)、光伏發電系統(photovoltaic，PV)以及太陽光熱鍋爐(photothermal boiler，PB)這類不可控能源的輸出功率和電、汽、熱負荷均采用歷史數據對未來數值進行預測。

2 綜合能源系統優化模型

2.1 目標函數

系統的綜合成本包括經濟成本、運行成本、維護成本和環境成本，其目標函數F為

F=α1F1+α2F2+α3F3

(6)

式中：F1，F2，F3—系統的經濟成本、運維成本和環境成本；

α1，α2，α3—對應各成本的權重系數。

通過調整權重系數的大小，可以調節系統內各可控設備對于平衡源荷資源變化的參與度。

1) 經濟成本包括燃氣設備消耗的燃氣費用以及系統通過聯絡線從電網購買的電量費用，其計算模型如下：

(7)

式中：F1—成本效益；

cgrid(t)，cgas—t時刻的分時電價與天然氣價格；

Pgrid(t)—t時刻向外部電網購電功率，若符號為負則為售電功率；

FCHP(t)，FGB(t)—t時刻CHP系統和燃氣鍋爐的天然氣消耗量。

2) 運維成本包括設備在運行過程中由于啟停狀態、出力變化以及設備損耗、維修、人工巡檢等造成的費用，其計算模型如下：

(8)

式中：F2—運維成本；

c0,i，ci，cd,i和cn,i—第i種設備的啟始成本、單位維護成本、出力變化成本和啟停成本；

Ui(t)，Zi(t)，ΔZi(t)和Oi(t)—第i種設備在t時刻的啟停狀態(啟動為1，停止為0)、實際出力，相對于t-1時刻的出力變化量和啟停狀態變化(發生啟停狀態變化為1，否則為0)；

I—設備總數；

ces,j—第j種儲能設備的單位維護成本；

J—儲能設備種類總數。

3) 環境成本涉及設備運行過程中由于排放污染物所引發的治理費用，其計算模型如下：

(9)

式中：F3—環境效益；

λCHP,k，PCHP,k—CHP系統第k種污染物的排放系數與單位排放成本；

λGB,k，PGB,k—燃氣鍋爐系統第k種污染物的排放系數與單位排放成本；

K—污染物種類，包括CO2，NOx，SO2，CO。

2.2 約束條件

優化求解算法的約束條件分為等式約束與不等式約束，其中等式約束條件主要用于表述系統的能量平衡關系，如電能供需平衡和熱能供需平衡；不等式約束條件用于限定系統內設備的運行狀態，如設備的功率限值約束。

2.2.1 功率平衡約束

式中：Pi(t)，Hi(t)，Si(t)—供電、供熱、供汽設備的實時出力；

Pload(t)，Hload(t)，Sload(t)—總的電負荷、熱負荷與汽負荷。

2.2.2 設備出力約束

不同能源類型的供能設備均需滿足出力約束以及出力變化約束。

(11)

式中：Zi,min，Zi,max—第i種設備的允許最小、最大出力；

ΔZi,max—第i種設備允許的最大出力變化速率。

2.2.3 儲能裝置約束

(12)

Ces,j(0)，Ces,j(T)—優化調度起訖時刻儲能裝置的實時容量。

3 綜合能源系統優化運行

3.1 優化策略

園區綜合能源系統的優化調度按照日前時間、日內時間和實時時間這一多時間尺度[13]的模式完成決策與實施，實際過程按照時間尺度由長到短的順序遞進執行。多時間尺度優化調度策略的執行流程如圖2所示。

圖2 多時間尺度優化調度策略

三種優化調度的關系描述如下：

1) 日前優化調度以日前短期源荷預測、次日運行計劃(涉及能源結構與設備檢修)為輸入數據，每天運行1次，生成次日24 h 96個點(15 min間隔)的可調度設備出力計劃；

2) 日內滾動優化以超短期源荷預測、日前優化調度計劃、系統日內運行方式、設備投入狀態等為輸入數據，每隔15 min運行1次，生成未來4 h 16個點的可調度設備出力計劃；

3) 實時優化以超超短期源荷預測、日內滾動的優化調度計劃、系統實時運行方式、設備投入狀態等為輸入數據，每隔5 min運行1次，生成未來30 min 6個點的可調度設備出力計劃，并將計劃輸出到能源管控平臺的監控畫面進行展示和實時控制。

多時間尺度優化調度策略按照日前優化→日內優化→實時優化的順序梯次進行，從而減小預測誤差對調度計劃的影響。

3.2 優化算法

三種時間尺度的優化調度策略均基于混合整數線性規劃算法[14]進行求解。算法的約束條件如2.2所示的等式與不等式約束。優化調度所表示的數學意義在于在運行約束條件下，使得系統的綜合成本最小，并使得系統的綜合能效達到一個較優的狀態。系統綜合能效反映的是綜合能源系統由于多能耦合帶來的互補互濟和協同優化的作用成果，其計算模型如下：

(13)

式中：η—綜合能源效率；

W1，W2—系統購電量和系統輸出電量；

Bx，VL,x—第x種燃料的系統消耗量與低位發熱量;

X—燃料類型總數；

Qy—第y種以熱形式供應的負荷量，包括供汽量、供熱量等;

Y—負荷類型總數。

4 應用分析

選擇寧夏銀川市某工業園區作為分析對象進行優化調度的應用研究。銀川市屬典型的中溫帶大陸性氣候，干燥、風大、沙多，年平均風速為2.6 m/s，最大風速可達18 m/s；太陽輻射充足，年平均日照時數可達2 800～3 000 h，具有良好的風光資源。該工業園區內的能源需求主要為電、汽、熱，用能對象多為工廠、倉儲或辦公樓，有較大的供能需求。

工業園區1個典型日內的風機、光伏出力以及電、熱、汽負荷如圖3、圖4所示。

圖3 典型日工業園區光伏、風機及光熱鍋爐出力曲線

圖4 工業園區典型日各負荷曲線

園區內新能源供能設備的出力受到所在地氣象條件的制約：在典型日內，當風資源充足時，風機發電功率整體趨勢較為平穩，在小范圍內波動，滿發功率為0.8 MW；光伏、光熱鍋爐在日照強度達到啟機條件后開始出力，隨著日照強度的增強，逐漸達到最大出力，最大提供2 MW的電功率和1.86 t/h的蒸汽量；之后隨著日照強度的減弱其出力逐漸減小，最終在日落后停機。

4.1 算例場景及系統參數

目前園區內配置的主要供能設施包括熱電聯產機組、燃氣鍋爐、水源熱泵、光伏、風機、汽-水換熱設備及電、汽、熱儲能設備等。園區電力系統采用自發自用、并網不上網的原則和電網交換電力，通過與大電網建立購電售電協議，以此調節園區內電力系統的不足和富余狀態。

表1 產能設備參數1

表2 產能設備參數2

表3 儲能設備參數

表4 設備污染物排放系數及環境價值

4.2 優化結果分析

結合上述數據，利用前文建立的綜合能源系統等效模型，基于第2節的目標函數和約束條件，利用混合整數線性規劃算法進行求解，在綜合成本最低的目標情況下，得到可調度設備(燃氣輪機、余熱鍋爐、燃氣鍋爐、水源熱泵、汽-水換熱設備、蓄電池、高溫儲汽與低溫儲熱設備)的計劃出力值，以滿足負荷需求。各設備的計劃出力曲線如圖5—圖7所示。

圖5 電負荷平衡優化調度設備出力曲線

圖6 汽負荷平衡優化調度設備出力曲線

圖7 熱負荷平衡優化調度設備出力曲線

相較于調度人員手動制定計劃出力的運行結果，該優化調度策略充分挖掘并利用了多能互補系統中不同能源介質的耦合性與交互性，實現了供能的靈活性、高效性與協調性。

表5給出了系統在優化前后的日運行成本和綜合能效。對比表中內容可以看出，優化調度策略通過協調優化綜合能源系統內不同能源介質設備的出力和運行方式，可以顯著降低系統的日運行費用，提供運行效率，實現智慧能源系統的經濟優化運行。

表5 不同調度策略下系統日運行成本和綜合能效

5 結 論

在綜合了經濟、環境和設備運行特性等影響因素的基礎上，圍繞園區綜合能源系統優化調度的研究與實踐問題開展了相關工作，以實際工業園區為例進行優化調度策略的應用效果分析，研究結果表明：園區綜合能源系統的優化調度在具有集中監控和產消預測功能的同時，能夠評估多時間尺度優化調度結果的合理性，在保證系統安全經濟運行的前提下，實現對各種能源介質和重點耗能設備的優化調度和綜合管理，最終實現整個能源系統的協同優化工作，從而引導用戶科學用能，提高綜合能源服務效率。