考慮經濟性與環保性的微能源網規劃設計

國網江蘇省電力有限公司泗洪縣供電分公司 張理智

相比傳統化石能源，低碳環保的風光等新能源更符合未來人類社會的發展需求。但風光等新能源更易受到自然環境的影響，呈現波動性和間歇性的出力特征，導致較為嚴重的消納問題。微能源網內的多能轉換與存儲設備有利于可再生能源消納，得到廣泛的研究與關注。

針對離岸微型綜合能源系統，文獻[1]以經濟性和二氧化碳排放作為衡量指標，提出同時計及經濟性與環保性的多目標隨機規劃方法，進而采用多目標進化算法進行求解；文獻[2]從環境、經濟和能耗三個方面入手，建立了同時考慮年碳排最少、年能耗最低和年總費用最低的微能源網規劃設計模型，該模型可獲得綜合效益最優的規劃方案；文獻[3]同樣以經濟性和環保性為目標，建立了非線性多目標隨機規劃模型，進而采用NSGA-II優化算法求解；考慮電動汽車的普及程度逐漸加深，文獻[4]針對含電動汽車集成綜合能源系統提出考慮經濟性和環保性的規劃設計方法。在模型求解中，通過引出碳排放懲罰費用將環保性轉化為經濟性，進而轉化為混合整數線性規劃問題直接求解。

對比以上兩種多目標規劃模型求解思路發現：常規算法一般是先將多目標規劃問題轉化為單目標規劃問題，然后基于Cplex等商用求解器進行求解，具有求解速度快的優勢。但劣勢在于優化結果受目標權重的影響很大，考慮目標權重一般是人為設定，不同的目標權重的規劃結果差異很大。智能算法盡管可以處理非線性問題，但系統求解規模大，且不一定能獲取全局最優規劃方案[5]。

基于此，本文提出一種針對微能源網的主從雙層規劃設計方法，求取多目標的均衡解。文章首先介紹微能源網內部結構；其次，構建主從雙層規劃模型；隨后給出模型求解過程；最后通過仿真算例驗證本文所提模型的有效性。

1 微能源網

微能源網包含燃氣輪機、燃氣鍋爐、蓄電池、蓄熱槽、熱泵、制冷機和新能源發電（圖1）。此外，微能源網還與上級電網買賣并從天然氣網絡購氣，滿足區域內的電、熱、冷需求。以下公式給出多能輸入輸出關系：(2)；(3)；(4)。

圖1 微能源網結構

2 規劃模型

該規劃模型分為上下雙層，上層模型以最小化系統年投資和運行費用最低為目標，下層模型以最小化系統的年碳排量為目標。具體建模過程如下：

式(8)限定每種設備的最大投資容量，χ分別表示燃氣輪機、燃氣鍋爐、蓄電池、蓄熱槽、制冷機、熱泵和可再生能源發電設備。上層模型中的y（連續運行變量）和z（二元狀態變量）同時要滿足下層約束式(9)～(24)。如式(9)所示，下層模型目標函數包含燃氣輪機的年碳排放量，燃氣鍋爐的年碳排放量和購電導致的年碳排放量，其中分別為燃氣輪機、燃氣鍋爐和購電的相應碳排放系數。式(10)限定每種設備的實時輸入或者輸出功率，式(11)進一步限定可再生能源發電設備的實時出力，式(12)～(13)限定與電網的購售電電功率，式(14)～(23)分別限定蓄電池和蓄熱槽的充放功率與存儲狀態，式(24)給出微能源網內的電、熱、冷功率供需平衡約束。

3 模型求解及規劃分析

首先，將該雙層規劃模型表述成矩陣形式：

其中：x為上層投資變量矩陣，y為下次連續變量矩陣，z為下層二元狀態變量。此外f、g、b、w、h、r、A、E、P、Q、K均為相應的系數矩陣。考慮下層模型引入了二元狀態變量來表征系統的交互狀態，導致下層模型非凸，無法直接轉化為帶平衡約束的數學規劃問題進行求解。為此，本文采用一種重新生成與分解方法有效求解該規劃模型，具體求解流程參考文獻[6]。

以圖1所示微能源網為例驗證本文所提雙層規劃設計方法的有效性。根據不同季節的用能特征，分別選取夏季、過度季和冬季三個典型運行場景，針對圖1所示微能源網結構圖、結合相關技術經濟參數與負荷數據，兩個案例系統規劃結果中的設備（MW）分別為：燃氣輪機4/4、燃氣鍋爐2/1、風機6/6、制冷機6/6、熱泵0/0、蓄電池2/2、蓄熱槽6/6，經濟性（×105）分別為投資172.8/170.7、運行157.3/167.2，碳排放（×106kg）5.12/3.81。其中案例一僅考慮了上層經濟性目標，案例二同時考慮經濟性與環保性目標。可看出：案例二中配置的燃氣鍋爐容量較小，總投資費也少于案例一。但案例二年運行費用較高且系統年總費用亦高于案例一。以上差異性主要歸因于下層優化碳排的同時降低了系統經濟性，案例二中年碳排放量相比案例一降低1.3×106kg，明顯降低系統年碳排量。

結果表明，本文所提雙層規劃模型可使規劃結果同時滿足經濟性與環保性要求，更符合政府低碳路線。考慮碳交易市場尚不成熟，不合理的碳價設置或會阻礙人們的積極性或難以發揮重要作用，本文所提雙層模型可在有效考慮碳排放指標的前提下，使系統經濟性達到最優。