孤島型多能互補系統的規劃與運行優化模型研究

侯磊，馬濤，蔡毅，李娜，賈永會，金泰，潘崇超

(1. 國網河北省電力有限公司雄安新區供電公司，河北 保定 071699； 2. 哈爾濱電工儀表研究所有限公司，哈爾濱 150028； 3. 國網綜合能源服務集團有限公司，北京 100053； 4. 北京科技大學 智慧能源研究中心，北京 100083)

0 引 言

近年來，環境污染和能源危機等問題日趨嚴重，為世界能源產業帶來了巨大挑戰，以可再生能源為主體的能源結構轉型已經成為我國乃至全世界的主要研究方向[1]。隨著能源互聯網的發展和能源市場化的推進，能源領域出現了新的商業模式與參與主體[2]。IES作為能源互聯網的物理載體，在能效提升，綠色環保等方面展現了極大的優勢，可以有效實現多能流的梯級利用，提高系統的經濟效益[3]。在此背景下，構建多能互補系統，推動綜合能源服務發展，成為我國能源系統轉型重點發展方向；其中，孤島型IES對于解決大電網出現故障，無法保障穩定供能等問題具有重要意義[4]。

容量配置優化一直是IES的重點研究內容，在孤島模式具有更重要的作用。文獻[5]通過建立柔性負荷模型，以經濟成本最小和一次能源消耗量最少為優化目標，優化系統配置，有效提高了系統的經濟性，減少了一次能源的消耗。文獻[6]以南方某園區為例，對影響多能互補系統規劃的內外部因素分別進行分析，提出了適用于區域多能互補系統的優化配置框架。文獻[7]考慮系統的經濟、環保、可靠性，提出計及電熱能量交易的容量配置優化方案，降低了系統運行成本。文獻[8]提出了多區域多能互補系統的兩階段優化配置方法，將多區域和單目標規劃進行對比，體現出多區域多能互補系統規劃的優越性。文獻[9]建立了風-光氫多能互補系統優化模型，并考慮了電動汽車的隨機充電需求，對系統進行容量配置規劃，提高了系統經濟性。文獻[10]將系統中能源設備的配置及運行約束進行統一化表達，考慮設備替換的分期規劃，以經濟性最優為目標，求解結果證明該方法減少了系統的設備投資和運行成本。

在運行階段，調度策略研究一直是該領域的研究重點。文獻[11]提出了計及需求側管理及儲能裝置的系統優化模型，起到移峰填谷作用，并減少了系統運行成本。文獻[12]建立了含有蓄熱電鍋爐的多能互補系統優化調度模型，計算得到各設備在蓄熱式電鍋爐不同運行模式下的出力情況和運行成本；文獻[13]考慮了系統運行的不確定性，提出了新能源負荷雙重不確定性的分布式魯棒優化模型，降低了系統運行風險。文獻[14]為提高多能互補系統中的可再生能源消納能力，提出含P2G過程的電氣系統聯合運行模型。文獻[15]結合區塊鏈技術，在多能互補系統中引進綠色證書跨鏈交易，促進了可再生能源的消納，緩解了政府財政補貼壓力。文獻[16]考慮了IES的電氣耦合關系，構建了電氣IES的精細化潮流穩態模型，并基于粒子群算法進行模型求解及有效性驗證。

綜上所述，IES在規劃與運行階段，都取得了突破性的進展，但已有的研究成果大多局限IES的并網模式研究，關于孤島模式下IES的容量配置與運行調度研究相對較少。基于此，根據孤島型IES結構特點，構建計及精細化容量配置約束與激勵型需求響應的兩階段優化模型，并采用混合整數非線性規劃理論進行求解。

1 孤島型IES結構

孤島型IES是指當大電網出現故障時，內部用能負荷只能靠IES內部滿足。孤島型IES的結構如圖1所示。從圖1中可以看出：冷負荷由吸收式制冷機(Absorption Chiller ，AC)、電制冷機(Electric Chiller，EC)及蓄冷槽(Cooling Storage，CS)供應；電負荷由風機(Wind Turbine，WT)、光伏(Photo-Voltaic，PV)、燃氣輪機(Gas Turbines，GT)及蓄電池(Electricity Storage，ES)供應；熱負荷由燃氣鍋爐(Gas Boiler，GB)、余熱鍋爐(Waste Heat Boiler，WHB)、地源熱泵(Ground Source Heat Pump，GSHP)及儲熱罐(Heat Storage，HS)供應；氣負荷則由氣網、電轉氣(Power to Gas，P2G)及儲氣罐(Gas Storage，GS)供應。充分考慮IES中各設備的運行特性及能量耦合特性，對各設備出力模型簡化處理，具體數學功率模型參考文獻[17-18]的表達方式，此處不在贅述。

圖1 孤島型IES結構圖

2 孤島型IES兩階段優化模型

2.1 規劃階段優化模型

2.1.1 目標函數

在規劃階段，孤島型IES以年經濟效益作為優化目標：

FECO=Finv+FYOC-FRV

(1)

式中Finv為設備投資成本；FYOC為年運行成本；FRV為設備殘值費用。

(1)設備投資成本。

(2)

(3)

式中N為系統設備數量；Un為設備單位投資成本；Pn,rated為設備容量；r為設備折現率，取值0.067[17]；Ln為設備壽命。

(2)系統年運行費用。

(4)

(3)系統殘值費用。

(5)

2.1.2 約束條件

在規劃階段，主要針對設備容量配置約束建模，具體數學表達式如下：

(1)燃氣輪機。

燃氣輪機是孤島型IES的核心供電設備，其容量配置與電負荷有關，表達式如下：

(6)

(2)燃氣鍋爐。

在孤島模式下，系統無法向電網購電，GB成為IES的核心供熱設備，其容量配置由熱負荷確定：

(7)

(3)余熱鍋爐。

WHB的熱源源于GT所發出的熱，其容量取值與GT的容量有關，表達式如下：

(8)

(4)吸收式制冷機。

在孤島模式下，由于負荷需求完全由IES內部供應，所以吸收式制冷機將成為IES的核心供冷設備，其容量配置僅受到冷負荷的限制，表達式如下：

(9)

(5)電制冷機。

孤島模式下，電制冷機受到能源轉換特性的限制，只能作為輔助設備進行供冷，表達式如下：

(10)

(6)地源熱泵。

地源熱泵與電制冷機的能量轉化特性相似，都是以電能作為動力源，所以在孤島型IES中，作為輔助供熱設備，其容量與WHB及GB的實時出力及熱負荷有關。表達式如下:

(11)

(7)電轉氣。

P2G設備是唯一的供氣設備，其容量配置應滿足如下約束：

(12)

儲能設備、光伏與風機等設備的容量配置約束參考文獻[19-20]，此處不再贅述。

2.2 運行階段優化模型

2.2.1 目標函數

運行階段的目標函數由系統的日運行成本及需求響應補償成本組成，具體表達式如下：

(13)

FDR(t)=(cE,CDPCD(t)+cE,UPPUP(t))

(14)

式中FDR(t)為t時刻需求響應補償成本；PCD(t)，PUP(t)分別為t時刻電負荷的削減/上行負荷；cE,CD，cE,UP分別為削減/上行單位成本；其他運行成本與規劃階段表達形式相同。

2.2.2 約束條件

(1)設備出力約束。

(15)

(2)母線平衡約束。

(a)電母線平衡約束。

(16)

(b)氣母線平衡約束。

(17)

(c)熱母線平衡約束。

QWHB(t)+QGSHP(t)+QGB(t)+QHS,D(t)=Hload(t)+QHS,C(t)

(18)

式中:QWHB(t)，QGSHP(t)，QGB(t)分別為t時刻WHB，GSHP，GB的輸出功率；QHS,C(t)，QHS,D(t)為t時刻儲熱罐的充放功率；

(d)冷母線平衡約束。

QEC(t)+QAC(t)+QCS,D(t)=Cload(t)+QCS,C(t)

(19)

式中QEC(t)，QAC(t)分別為t時刻EC，AC的輸出功率；QCS,C(t)，QCS,D(t)為t時刻蓄冷槽的充放功率；

(e)煙氣母線平衡約束。

QGT(t)=QWHBin(t)+QAC,in(t)

(20)

(3)儲能約束。

(a)狀態約束。

0≤θES,C(t)+θES,D(t)≤1

(21)

(b)上下限約束。

(22)

式中γES,C，γES,D分別為最大充放能倍率。

(c)儲能容量約束。

(23)

式中WES(t)為t時刻儲能設備的容量；SOCMin，SOCMax分別為儲能設備的最小、最大容量狀態；

(4)需求響應約束。

主要考慮需求響應的可中斷負荷,具體表達式如下：

(a)可中斷容量約束。

(24)

(b)單次中斷時間約束。

(25)

(c)可中斷次數約束。

(26)

式中NPE，NPS分別為調度周期內中斷負荷的最大允許次數，取值為4。

(d)可中斷負荷削減/上行互斥約束。

ωPS(t)+ωPE(t)≤1

(27)

(e)能量守恒約束。

(28)

3 案例分析

3.1 基礎數據

考慮了用能負荷的季節性特征，參考文獻[21]的典型日選取原則，將全年劃分為夏季，過渡季、冬季3個典型日場景，Dk分別取153，110，102。以河北某園區作試點案例，各典型日負荷曲線如圖2～圖4所示；風速及光照強度等氣象數據通過專業氣象大數據軟件小麥芽WheatA獲取，污染物排放系數見表1,需求響應削減/上行的單位補償成本分別取0.12和0.04，天然氣價格取0.25元/kW·h；孤島型IES中各設備經濟性參數見參考文獻[20,22]，單位調度時間取1 h。所構建的孤島型IES兩階段優化模型，屬于混合整數非線性規劃模型，可以采用文獻[18]中提到的約束嵌套法進行線性化處理，在Matlab +Yalmip環境下建模，并調用Cplex求解器求解。

表1 污染物排放系統及環境治理成本

圖2 夏季典型日負荷曲線

圖3 過渡季典型日負荷曲線

圖4 冬季典型日負荷曲線

3.2 規劃階段分析

為探究儲能設備在孤島型IES中重要作用，在規劃階段通過以下兩種場景進行對比分析：

場景1是采用冷、熱、電、氣聯供的運行模式[23-25]，電負荷由可再生能源出力設備及燃氣輪機供應，熱負荷由地源熱泵、燃氣鍋爐及余熱鍋爐供應，冷負荷由電制冷機及吸收式制冷機供應，氣負荷由天然氣網與P2G供應；場景2是在場景1的基礎上引入儲能設備。

孤島型IES在規劃階段的經濟性優化結果如表2所示。可以看出，相較于場景1，場景2因為引入了儲能設備，導致投資費用及維護費用有所提高，但大大較低了系統的燃料費用，同時環境治理費用也有所降低，年經濟總成本較低了196 830元，具有更高的經濟效益。孤島模式下，大電網處于癱瘓故障狀態，儲能設備并不能根據峰平谷時刻做出合理的充放，所帶來的經濟效益并不是很突出。所以，孤島型IES引入儲能最大目的是改變IES的靈活調節能力，解耦多能流的能量轉換特性，伴隨少量經濟效益提高的同時，污染物排放量也略有下降。

表2 規劃階段經濟性優化結果

表3為兩種場景下的容量配置優化結果。從表3中數據可以看出，孤島模式下的冷熱電聯供系統成為IES的核心供能單元，燃氣輪機、余熱鍋爐及吸收式制冷機在兩種場景下都具有較高的優化結果；因為孤島模式下IES的用能負荷僅靠內部供應，所以兩種場景下，P2G及儲氣罐都沒有被選中；P2G受到能源轉換特性的限制，并不適用于孤島型IES；對比場景2下四種儲能設備的容量配置優化結果，儲氣罐并沒有被孤島型IES選中；同時，由于熱負荷需求相對較大，儲熱罐的容量配置遠大于其他儲能設備；因為可再生能源出力單元僅受到實時電負荷的約束，所以無論系統是否引入儲能設備，PV與WT的容量優化結果無變化；基于可再生能源出力單元的容量配置優化結果，構建光伏與風機的預測出力曲線，如圖5所示。

表3 多能互補系統設備容量配置優化結果

圖5 可再生能源出力曲線

3.3 運行階段分析

在運行階段，基于規劃階段的優化結果，對孤島型IES展開調度策略研究；為探究激勵型需求響應對系統的影響，以夏季典型日為例，對以下兩種場景展開分析：場景1是日運行成本為優化目標，結合規劃階段場景2的優化結果，構建孤島型IES運行優化模型并求解；場景2是在場景1的基礎上引入激勵型需求響應，目標函數中補充了需求響應補償成本，約束條件中補充了精細化可中斷負荷約束。

表4為兩種場景下孤島型IES的運行階段經濟性優化結果，從中可以看出，場景2可以有效提高孤島型IES的經濟效益，整個調度周期的總成本較低；

表4 運行階段經濟性優化結果

場景1和場景2的設備種類，型號一致，但隨著激勵型需求響應的引入，系統的維護費用、燃料費用及環境治理費用皆有所減低，雖然增加了部分需求響應補償成本，但IES日運行總費用仍降低了486.25元。

在需求響應模式下，激勵政策都可以改變用戶的能源消費行為，從而改變負荷基線。圖6為場景2負荷優化結果及實時改變量，圖中的柱狀圖為正時，表示該時刻負荷上行，反之表示該時刻負荷削減；從中可以看出，負荷削減發生在2∶>00～3∶>00和5∶>00～6∶>00兩個時間段，負荷上行僅發生在16∶>00～17∶>00；在整個調度周期內，電負荷上行1次，削減2次，共轉移電能468.45 kW。

圖6 負荷優化結果及其改變量

在系統容量配置與運行模式確定的情況下，IES的調度策略決定其經濟效益，圖7為孤島型IES在夏季典型日場景2的調度優化結果。從圖7中可以看出，孤島型IES的內部能量需求由可再生出力設備、CCHP系統、地源熱泵、電制冷機及多類型儲能單元等裝置共同滿足；電制冷機、地源熱泵的輸入電功率及電負荷由可再生能源機組及燃氣輪機滿足，其中燃氣輪機作為CCHP系統的核心設備，是系統的最大電出力單元；熱負荷與冷負荷主要靠CCHP系統中余熱鍋爐與電制冷機滿足，其他出力單元輔助供能；氣負荷及燃氣輪機的輸入氣功率僅靠購買天然氣來滿足；由于引入了多種儲能設備及需求響應，提高了孤島型IES的靈活調節能力，可以有效提高系統經濟效益。

圖7 場景2的運行階段調度結果

圖8為孤島型IES在場景2下的冷、熱、電三種儲能設備荷電狀態，對比圖2與圖6夏季典型日的負荷結構看出，需求響應后的電負荷在4∶>00～7∶>00數段的需求較小，而冷負荷的需求量較大，需要CCHP系統滿足冷負荷，此時，蓄電池將燃氣輪機產生的多余電量儲存起來；而16∶>00～18∶>00時段的電負荷需求較大，且冷負荷需求開始下降，蓄電池又需要保持調度始末負荷狀態一致，所以此時又開始放電來滿足用電需求；由于夏季冷負荷的需求較大，蓄冷槽在整個調度期都處于工作狀態，隨著負荷結構變化和新能源出力曲線變化進行合理充放；夏季典型日的熱負荷需求較少，且負荷曲線比較平緩，通過CCHP產生的余熱與地源熱泵便可實現供需平衡，所以無需儲能罐出力來平抑負荷波動，儲熱罐在整個調度期內幾乎處于靜止狀態，但為了抵消自損功率，滿足調度始末守恒約束，進行少量的充放。

圖8 儲能設備荷電狀態

4 結束語

文章綜合考慮了孤島型IES的結構特性與能量耦合特性，基于混合整數非線性規劃理論構建了孤島型IES兩階段優化模型；在規劃階段，研究多種儲能設備的合理容量配置對系統年經濟效益的影響；在運行階段，基于規劃階段的容量配置優化結果，研究激勵型需求響應對系統的影響。通過仿真計算，所得結論如下：

(1)從規劃階段的經濟性優化結果看出，在孤島模式下，IES主要依靠儲能設備實現能量供需協調，所以儲能設備的引入可以有效提高系統的靈活性與穩定性，實現孤島型IES科學性容量配置，將系統的年經濟成本降低了19.7萬元；

(2)從兩種場景的容量配置優化結果看出，P2G設備受到能源轉換特性的限制，在沒有配電網的存在的情況下，IES不會受到分時電價的影響，所以無論是否引入儲能設備，P2G無法實現IES的電氣解耦，都沒有被選中；

(3)用戶側引入激勵型需求響應后，通過有效的負荷轉移加強了負荷與儲能之間的互補互動的制約關系，也加強了孤島型IES供給側與用戶側耦合程度，有效提高系統的靈活調節能力，降低了系統運行成本。

在未來的工作中，將進一步研究IES的綜合效益，如考慮環境效益、能源效益及設備響應指令快慢的問題等；同時，在電負荷需求響應的基礎上，進一步考慮綜合需求響應(冷、熱、電、氣)對系統的影響。