考慮能源效率的綜合能源系統多目標優化調度

蘇慧玲，楊世海，陳銘明

（國網江蘇省電力有限公司營銷服務中心，南京 210019）

隨著經濟和科技的進步，世界范圍內對能源的消耗越來越大，傳統化石能源的枯竭與環境污染問題對人類的發展產生了挑戰[1]。如何提升能源的利用效率，充分發揮能源利用價值是解決能源問題的有效途徑之一。我國將力爭于2030年前實現二氧化碳排放達到峰值，2060年前實現碳中和。為實現“碳達峰、碳中和”的雙碳目標[2]，基于各能源之間的多能轉換協同互補的綜合能源系統成為促進低碳化的關鍵研究方向[3]。目前，國內外已有眾多學者從經濟、安全等方面對綜合能源系統的運行優化進行了研究[4]，但對綜合能源系統進行能效優化的研究較少。

綜合能源系統IES（integrated energy system）是包括電、氣、熱、冷等在內的能源系統[5]，并基于各能源之間的多能轉換協同互補滿足多樣化用能需求，同時提高能源利用效率。綜合能源系統包含多種能量來源以及電負荷、熱負荷和冷負荷多種類型的負載，具有較強的隨機性和波動性[6]。另外，分布式能源的接入同樣導致綜合能源系統具有復雜的運行場景，給綜合能源系統安全高效運行帶來挑戰。

針對能源的利用效率方面，國內外大部分以熱力學定律為基礎開展研究。文獻[7]采用層次分析法與熵權法相結合的方法，針對能效指標體系建立遞階綜合能效評估模型；文獻[8]基于加權有向圖建立系統等效模型，提出離散化的能量流/流計算方法和能效評估方法，對系統進行綜合能效評價；文獻[9]從氣耗與氣電比等方面建立評估體系，反映綜合能源系統的綜合能效情況；文獻[10]提出了一種基于多目標的綜合能源系統日前-日內分層優化控制策略，在日前階段建立了多目標優化模型，在日內階段依據冷熱能和電能的調控時間差異實現分層控制；文獻[11]針對工業園區提出了一種考慮能量梯級利用的工廠綜合能源系統多能協同優化模型，模型遵循“品位對口，梯級利用”的科學用能思想，按熱品位高低進行能量梯級利用。但是以上研究未能從能量在綜合能源系統的各個環節流動方面入手，使得優化調度得以提高綜合能源系統的整體能效。

針對現有的不足，本文從綜合能源系統的能源供應環節、轉換環節、傳輸環節、存儲環節和需求環節入手，分析影響各個環節效率的因素，建立綜合能源系統的能效指標。從經濟性和能效兩方面入手，建立以運行成本最低為目標的經濟性目標和以能效最高為目標的能效目標，采用模型預測控制，建立僅考慮經濟性目標、僅考慮能效目標與綜合考慮經濟性目標與能效目標3種場景，實現綜合能源系統的優化調度。

1 綜合能源系統供能組成分析與能量流動

為滿足用戶的多樣化用能需求，除基本的用電需求外，IES還包括熱能、冷能等不同能源形式需求。系統中主要供能設備包括燃氣輪機、余熱回收、燃氣鍋爐、吸收式制冷機、電制冷機等，其架構如圖1所示。同時，系統配置的儲能單元主要包括儲電裝置、儲冷裝置、儲熱裝置等，使系統運行方式更靈活多樣。

圖1 綜合能源系統架構Fig.1 Architecture of IES

IES中電/熱/冷多種能源的耦合互補與協同運行實現了對能源的綜合利用。多種能源在IES中經能源供應、能源轉化、能源傳輸、能源存儲以及能源需求環節，最終轉化為電/熱/冷負荷的需求能量。圖2所示為綜合能源系統中電/熱/冷能量的流動過程，其中能源供應主要來源于電網購電、天然氣以及分布式能源發電；能源轉化環節中電能通過電產熱設備與電制冷設備實現電能與熱能和冷能的轉化，熱電聯供設備與吸收式制冷機的配合使得能量之間進一步耦合；能源在傳輸過程中會存在損耗，影響能源的利用效率。

圖2 綜合能源系統能量流動Fig.2 Energy flow in IES

1.1 能源供應環節

能源供應環節的研究對象是外部購電和內部能源，其中內部能源有多種形式。將不同能源對外所能夠做的功和其總能量的比值定義為不同能源的能質系數Ce，即

式中：We,avai為可以轉化為功的能源部分；We,total為能源的總能量。

系統外購電平衡方程可表示為

式中：Ein為系統外購電；Esum為系統電能總需求；GCHP為熱電聯供設備消耗的燃氣量；ηCHP為熱電聯供設備的效率；Ere為系統內光伏和風力發電量。

系統天然氣需求量Gin可表示為

式中，Ggb為燃氣鍋爐的天然氣消耗量。

系統內一次能源的消耗量E1表示為

式中：Cre為光伏/風力發電的能質系數；ηre為光伏/風力發電的效率；CG為天然氣的能質系數。

1.2 能源轉換環節

對于能源轉換環節的純電輸出Eout,e，主要包含兩部分：純電負荷Ee和水力傳輸系統消耗的電能 Ek，即

對于能源轉換環節的熱能輸出Eout,h，其主要來源為燃氣鍋爐制熱和熱電聯產設備中的供熱部分，二者效率分別為ηgb和ηCHP,h，有

式中：Ce,h為熱負荷的能質系數；GCHP為熱電聯產設備消耗燃料量；λCHP為熱電聯產設備產熱供給吸收式制冷機的比例。

對于能源轉換環節的冷能輸出Eout,c，主要來源為吸收式制冷機制冷以及電制冷機制冷，二者效率分別為ηac和ηec，功率為 Ec，則有

式中，Ce,c為冷負荷的能質系數。

因此，系統的能源轉換環節的效率ηconv可表示為

1.3 能源傳輸環節

假設電能在傳輸過程的平均效率為ηtr,e，則經電能傳輸設備后的電能輸出Etr,e為

同理，熱能和冷能在傳輸過程中也存在損耗，有

式中：Etr,h為熱能傳輸設備的輸出；ηtr,h為熱能傳輸過程的平均效率；θh為負荷側制熱量占能源轉換環節制熱量的比例；ED為換熱器損耗；Etr,c為冷能傳輸設備的輸出；ηtr,c為冷能傳輸過程的平均效率；θc為負荷側制冷量占能源轉換環節制冷量的比例。

能源傳輸環節的效率ηtr可表示為

2 優化模型建立

本文從經濟性與能效兩方面考慮，建立綜合能源系統經濟目標與能效目標的多目標優化模型，并采用模型預測控制，建立多個優化場景，實現綜合能源系統的高效運行。

2.1 系統元件與約束條件

（1）功率平衡約束，其電、冷、熱、天然氣功率平衡方程式分別為

（7）儲能系統模型與約束條件可用統一的模型表示，詳見文獻[12]。

2.2 經濟性目標

以綜合能源系統運行成本最低為目標，建立的經濟性目標函數為

2.3 能效目標

式中：p為分子決策變量系數矩陣；q為分母決策變量系數矩陣；u和v為常數項；x為決策變量；x1為系統運行變量；δ為區間變量；φ為二進制變量。

設τ為輔助變量，令y=x1τ，決策變量轉化為z=[y,δ,φ]，則原目標函數轉化為

約束條件轉化為

式中：τmin為τ的最小值；τmax為τ的最大值。

在每一個優化時刻中，由于電/熱/冷負荷的需求能量是通過綜合能源系統的各個環節傳輸的，因此考慮綜合能源系統各個部分的運行狀態，使得能量流動達到最優的狀態，提升綜合能源系統的能效水平。

3 模型求解方法

針對綜合能源系統能源種類多、可再生能源出力存在不確定性以及負荷預測精度要求高的特點，本文采用模型預測控制且考慮經濟性目標與能效目標的多目標優化調度模型。日前預測、日前經濟調度優化模塊負責第1階段優化調度；實時預測、滾動優化、反饋校正負責第2階段優化調度。經濟性目標主要包含外購電成本和天然氣成本，在分時電價的影響下，優化調度的結果可能偏向能源成本最低而忽略了對能源的利用程度，而能效目標則以能源利用效率最優為目標，二者可能產生相反的作用。因此，采用加權系數法，將多目標優化問題轉化為傳統的單目標優化問題，以經濟性和能效的優化調度模型目標函數為

式中，ω為反映兩個目標函數相對重要性的系數，ω∈[0,1]。當ω=1時，僅考慮經濟性目標而不考慮能效目標，優化調度結果僅考慮能源成本最小化；當ω=0時，優化調度結果僅考慮能源利用效率最優。模型預測控制的流程如圖3所示。

圖3 模型預測控制流程Fig.3 Flow chart of model predictive control

本文在Matlab平臺下，借助Yalmip工具箱建立綜合能源系統的優化調度模型，調用CPLEX求解。

4 算例分析

4.1 輸入數據

本文以夏季某綜合能源系統為例，電、熱、冷3種負荷曲線與可再生能源出力如圖4所示，分時電價如表1所示，各種能源及負荷的能質系數如表2所示，系統設備的參數如表3所示[14]。天然氣單價為2.28元/m3。

圖4 負荷與可再生能源波動Fig.4 Fluctuations in load and renewable energy

表1 分時電價Tab.1 Time-of-use tariff

表2 能質系數Tab.2 Energy quality coefficients

表3 綜合能源系統設備參數Tab.3 Equipment parameters of IES

4.2 場景設定

本文從是否同時考慮經濟性目標與能效目標兩個方面入手，設立3種優化場景，如表4所示。

表4 優化場景設定Tab.4 Settings of optimal scenarios

場景1：僅考慮經濟性目標，優化調度目標為能源成本最小，不考慮能效目標。

場景2：僅考慮能效目標，優化調度目標為能源利用效率最優，不考慮經濟性成本。

場景3：同時考慮經濟性目標與能效目標，在能源利用效率較高的同時盡可能同時減少成本。

4.3 優化結果

1）場景1優化調度結果

只考慮經濟性目標時，在電價處于低谷時，系統內電負荷和冷負荷主要通過外購電方式實現能源供給。當電價處于尖峰時，燃氣輪機承擔系統內電負荷的能源供給，并通過吸收式制冷機對冷負荷實現能源供給，優化調度結果如圖5所示。

圖5 場景1優化調度結果Fig.5 Optimal scheduling results in Scenario 1

2）場景2優化調度結果

以綜合能源系統能效最優為目標，主要考慮系統對非可再生能源的消耗情況。由于電能是最高品味的能源，能夠全部轉化為功，將天然氣折算到等效電后，其能源品味比電能要低，此時系統主要消耗的非可再生能源為電能，優化調度結果如圖6所示。

圖6 場景2優化調度結果Fig.6 Optimal scheduling results in Scenario 2

3）場景3優化調度結果

綜合考慮經濟性與能效目標，平衡系統對非可再生能源的消耗與利用情況。在電價較高的時段，場景3使用的電能相較于場景1有所提高，這表明在考慮經濟性的同時，也對電價較高時刻的能效做出優化，調度結果如圖7所示。

圖7 場景3優化調度結果Fig.7 Optimal scheduling results in Scenario 3

3個場景的能源成本與能效對比如表5所示。對比3個場景中對非可再生能源的消耗情況可以得出，以經濟性為目標時，受分時電價策略的影響，在尖峰電價時，優化調度會削減外購電的功率，進而轉向使用天然氣彌補高額電價造成的經濟負擔；以能效最優為目標時，系統優化調度增加能效品味高的能源的使用量，即外購電能的用量要多于消耗的天然氣量，在夏季以電負荷和冷負荷居多的季節中，優化調度結果以外購電滿足負荷的需求；同時考慮經濟性目標與能效目標時，優化調度結果會在經濟與能效之間平衡，使得綜合能源系統能夠以較好的經濟性運行的同時，提高了對能源的利用效率。

表5 場景對比Tab.5 Comparison among scenarios

4）多目標協調分析

在不同權重系數設置的情況下多目標優化調度結果如圖8所示。可見，ω的增大會使得優化目標偏向于經濟成本最小化，同時能效水平在降低；ω的減小使得優化目標偏向能源效率最優化，同時消耗的能源成本會有所上升。綜合能源系統可根據實際需求，選擇合適的目標權重。

圖8 不同權重系數情況下的優化調度結果Fig.8 Optimal scheduling results with different weighting coefficients

5 結論

本文從經濟性和能源效率方面入手，建立綜合能源系統的多目標優化調度模型。在優化場景上，從僅考慮經濟性目標、僅考慮能效目標以及綜合考慮經濟性目標與能效目標入手進行優化調度，得出以下結論。

（1）本文所提采用加權系數法獲得的以經濟性和能效的優化調度模型目標函數，能夠兼顧綜合能源系統的經濟運行與高能效運行，在節省外購電與天然氣成本的同時，能夠提高對非可再生能源的利用效率，對綜合能源系統滿足“碳達峰、碳中和”的雙碳目標具有指導意義。

（2）本文分析綜合能源系統的多種能量流動路徑，采用模型預測控制以滿足可再生能源出力存在不確定性以及負荷預測精度要求高的特點，通過滾動優化的方式，及時調整系統中的能量流，使得綜合能源系統的能效水平得到優化。