“煤改電”用戶綜合能源利用系統(tǒng)優(yōu)化配置方法*

邢其敬， 孟凡鳳， 宮 成， 孫欽斐， 李香龍

(國網(wǎng)北京市電力公司 a. 營銷部， b. 檢修分公司， c. 電力科學(xué)研究院， 北京 100031)

在國家推動能源生產(chǎn)、提升能源利用效率、加大節(jié)能減排力度和防治霧霾的新形勢下，借助轉(zhuǎn)變傳統(tǒng)取暖方式改造為清潔取暖的契機，中國廣大地區(qū)的用戶“煤改電”工程得到了極大地推進.同時在“光伏扶貧”的背景下，將用戶電、熱、冷能負(fù)荷與太陽能利用相結(jié)合，構(gòu)建“煤改電”型住宅戶用多能互補綜合能源利用系統(tǒng)，為打通多形態(tài)能源需求與分布式能源間的能量通道提供解決方案[1].而如何配置新、舊住宅用戶中供能、用能及配套儲能的類型與容量，實現(xiàn)用戶用能成本的最小化成為該項技術(shù)成功實施的關(guān)鍵技術(shù)[2].

針對家庭用戶能源利用問題，現(xiàn)有文獻多聚焦于以電能為主導(dǎo)的微電網(wǎng)能量優(yōu)化研究.基于用戶滿意度[3-4]或運行經(jīng)濟性[5-6]等目標(biāo)，制定戶用分布式發(fā)電和家庭用電調(diào)度策略.而對于“煤改電”用戶這種電、熱、冷多種能源并重的家庭用戶綜合能源利用問題，相關(guān)研究文章討論較少.柯國華等[7]探討了在北京農(nóng)村家庭開展能源綜合利用方式供暖的可行性，分析了太陽能集熱器+空氣源熱泵等6種能源綜合利用模式的投資運行費用和適用性.另一方面，針對能源設(shè)備優(yōu)化配置問題，現(xiàn)有文獻多集中于樓宇級或園區(qū)級較大規(guī)模、多網(wǎng)絡(luò)節(jié)點用戶綜合能源系統(tǒng)的優(yōu)化規(guī)劃.張濤等[8]針對樓宇建筑，以投資運行費用最小為目標(biāo)，建立了包含能源生產(chǎn)、回收、轉(zhuǎn)換和儲存4個環(huán)節(jié)的綜合能源系統(tǒng)容量優(yōu)化配置模型；楊水麗等[9]建立了園區(qū)用電/用能負(fù)荷與供電數(shù)學(xué)模型，提出基于線性規(guī)劃方程排序的儲能容量優(yōu)化配置方法；崔全勝等[10]構(gòu)建了多網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的用戶側(cè)綜合能源系統(tǒng)規(guī)劃模型，得到設(shè)備類型、容量、安裝位置、能量配送管網(wǎng)規(guī)劃以及運行策略，并應(yīng)用于城市街區(qū)建筑樓群構(gòu)成的綜合能源系統(tǒng)中.綜上所述，現(xiàn)有文獻尚未涉及“煤改電”用戶特色的戶用電、熱、冷綜合能源利用系統(tǒng)產(chǎn)能、儲能、用能設(shè)備優(yōu)化配置問題的研究.

本文基于現(xiàn)有研究和技術(shù)，著力解決“煤改電”用戶綜合能源利用系統(tǒng)的產(chǎn)能、儲能與用能設(shè)備的優(yōu)化配置問題.為此建立綜合考慮設(shè)備投資與運行費用經(jīng)濟性的戶用綜合能源利用系統(tǒng)優(yōu)化配置雙層規(guī)劃模型，制定基于解空間枚舉算法的雙層迭代優(yōu)化求解方法，以實際“煤改電”新、舊住宅用戶綜合能源利用系統(tǒng)的優(yōu)化配置問題為例，驗證所提出模型與算法的有效性.

1 用戶綜合能源利用系統(tǒng)典型結(jié)構(gòu)

“煤改電”用戶綜合能源利用系統(tǒng)主要包括：產(chǎn)能、儲能和用能三種類型設(shè)備.

產(chǎn)能設(shè)備主要包括：作為電源的光伏發(fā)電單元與市電；作為熱源的太陽能光熱板集熱器與以空氣源熱泵為代表的電采暖設(shè)備.需要指出的是，基于可再生能源最大化利用原則，光伏發(fā)電與太陽能光熱板集熱器在系統(tǒng)控制中屬于無需控制能量輸出的可再生能源產(chǎn)能設(shè)備，因此在系統(tǒng)建模中可以作為必須滿足的反向電(熱)負(fù)荷來進行處理.

儲能設(shè)備可以控制輸入輸出能量，起到能量搬移作用，包括：儲存電能的家用蓄電池，相變蓄熱或蓄熱水箱等儲熱設(shè)備.

用能設(shè)備主要包括“煤改電”用戶內(nèi)照明、冰箱、電炊具等不可時移電負(fù)荷，電動汽車、洗衣機等可時移電負(fù)荷，以及通過暖通管道散熱、為使室內(nèi)溫度維持在舒適溫度所需的用戶建筑熱負(fù)荷.

2 系統(tǒng)優(yōu)化配置模型

2.1 上層容量優(yōu)化配置模型

上層優(yōu)化問題以系統(tǒng)年綜合費用最低為目標(biāo)，包括綜合能源系統(tǒng)的投資成本f1，綜合能源系統(tǒng)運行維護成本f2和綜合能源系統(tǒng)碳排放費用f3，目標(biāo)函數(shù)為

minF1=f1+f2+f3

(1)

綜合能源系統(tǒng)投資成本f1主要是光伏、光熱、空氣源熱泵、電采暖設(shè)備、蓄電池、蓄熱水箱、水泵和用能末端(風(fēng)機盤管等)等設(shè)備的投資費用總和，采用年均值算法進行計算，即

(2)

式中：Ci為分布式能源i單位容量初始投資；pi為分布式能源i的配置容量；N為分布式能源種類數(shù)目；r為年折舊率；yi為分布式能源工程壽命；xi為分布式能源安裝與否狀態(tài)，1為安裝，0為未安裝.

年運行維護費用f2表達式為

(3)

式中：Pgrid，t為t時刻與電網(wǎng)的交互電量；CGR，t為t時刻購電或售電價格；Pi，t為i設(shè)備在t時刻的運行功率；CiOM，t為i設(shè)備單位功率維護成本；ds為每種典型日的天數(shù)；M為年劃分場景日種類；Z為場景日內(nèi)劃分的時段數(shù).

年碳排放費用f3表達式為

(4)

式中：μe為每千瓦時電量對應(yīng)的CO2排放量；β為單位CO2排放的費用，通常取0.164元/kg.

最大投建容量約束為

0≤pc≤pc，max

(5)

式中，pc，max為設(shè)備的最大投建容量.

2.2 下層日運行維護費用優(yōu)化模型

下層優(yōu)化問題目標(biāo)函數(shù)可表示為

(6)

下層優(yōu)化問題主要約束條件如下：

1) 電平衡約束，其約束表達式為

Pgrid，t+xpvePpv，e，t+xBTPBT，t=

(7)

式中：Ppv，e，t與PBT，t分別為t時刻光伏發(fā)電功率和蓄電池放電功率；xpve與xBT分別為t時刻光伏發(fā)電狀態(tài)參數(shù)和蓄電池放電狀態(tài)參數(shù)；PAH，I，t與PBH，I，t分別為t時刻空氣源熱泵電功率和電鍋爐電功率；xAH與xBH分別為t時刻空氣源熱泵和電鍋爐狀態(tài)參數(shù)；Pdxe，t與Pei，t分別為t時刻不可時移電負(fù)荷和第i種可時移電負(fù)荷的功率；xei，t為t時刻第i種可時移電負(fù)荷的狀態(tài)參數(shù)；D為t時刻可時移電負(fù)荷的數(shù)目.

2) 熱平衡約束，其約束表達式為

xpvhPPV，h，t+xAHPAH，O，t+xBHPBH，O，t+

xPHPPH，O，t+xWSPWS，O，t=PhL，t

(8)

式中：PPV，h，t、PAH，O，t、PBH，O，t、PPH，O，t和PWS，O，t分別為t時刻光熱單元制熱功率、空氣源熱泵制熱功率、電鍋爐制熱功率、相變蓄熱放熱功率和蓄熱水箱放熱功率；xpvh、xPH和xWS分別為t時刻光熱單元狀態(tài)參數(shù)、相變蓄熱放熱狀態(tài)參數(shù)和蓄熱水箱放熱狀態(tài)參數(shù)；PhL，t為t時刻用戶所需的熱負(fù)荷.

3) 冷平衡約束，其約束表達式為

xAHPAH，O，t+xACPAC，O，t=PcL，t

(9)

式中：PAC，O，t為t時刻空調(diào)制冷功率；xAC為空調(diào)制冷狀態(tài)參數(shù)；PcL，t為t時刻用戶所需冷負(fù)荷.

（4）工藝優(yōu)點：在以往鋼絲繩捆綁出運沉箱的施工工藝中，需要大量人力進行人工拖拉鋼絲繩，布置捆綁牽引及解綁回收工作，約需4小時，而采用插銷牽引工藝后，只需少量工作人員對插銷進行穿插工作，節(jié)省人力和施工時間，布置牽引及回收主要使用卷揚機及裝載機，時效約2小時，相比捆綁式工藝節(jié)省約2小時。

4) 儲能輸入輸出狀態(tài)量互斥約束，其約束表達式為

xItxOt=0

(10)

式中：xIt為設(shè)備輸入狀態(tài)；xOt為設(shè)備輸出狀態(tài).

3 雙層迭代優(yōu)化求解方法

本文雙層規(guī)劃中上層模型屬于規(guī)劃問題，下層模型屬于生產(chǎn)模擬問題；上層解空間為各設(shè)備規(guī)劃容量，下層解空間為各產(chǎn)能、儲能、用能設(shè)備在各典型場景下的運行計劃數(shù)值.雙層規(guī)劃模型求解流程如圖1所示.

圖1 雙層規(guī)劃模型求解流程

求解方法基本步驟為：上層模型的目標(biāo)函數(shù)是年綜合費用最低，首先人為按預(yù)設(shè)方案設(shè)定安裝設(shè)備的種類，然后采用枚舉法在各設(shè)備容量取值空間內(nèi)依次均勻離散枚舉產(chǎn)生各設(shè)備的容量，從而生成E套容量配置方案；下層模型以上層模型產(chǎn)生的某套容量配置方案為各設(shè)備運行計劃約束范圍，并基于運行維護費用最低這一目標(biāo)，代入上層模型計算年綜合費用；如此雙層循環(huán)迭代尋優(yōu)，直至找到配置方案最優(yōu)解.在以上迭代過程中，上層模型的解(規(guī)劃容量)是下層模型解(運行計劃)的約束條件，下層解形成的目標(biāo)函數(shù)值是上層目標(biāo)函數(shù)值的一部分，影響上層解的尋優(yōu)方向.

4 算例分析

4.1 算例對比方案設(shè)計

以北京某農(nóng)村“煤改電”用戶為例，采用本文提出的優(yōu)化配置模型與算法，分別針對新住宅和舊住宅設(shè)計了產(chǎn)能、儲能設(shè)備的容量優(yōu)化配置方案.需要配置的各主要設(shè)備的投建運維參數(shù)如表1所示.

表1 主要設(shè)備投資運維相關(guān)參數(shù)

新住宅是指剛建成未安裝任何設(shè)備的用戶，本文分3種情況比較分析：可再生能源只選擇光伏發(fā)電的A類方案，可再生能源只選擇光熱的B類方案及兩種均選擇的C類方案.針對新住宅用戶配置的各類具體設(shè)備種類方案如表2所示.舊住宅是指已安裝部分取暖設(shè)備和末端的家庭，與新住宅類似.針對舊住宅用戶配置的設(shè)備種類方案如表3所示.

表2 新住宅配置方案設(shè)計

表3 舊住宅配置方案設(shè)計

4.2 配置方案對比分析

4.2.1 新住宅配置方案及費用對比

表4、5分別為A類方案中優(yōu)化配置的各設(shè)備容量與方案費用對比情況.

表4 A方案設(shè)備容量配置情況

結(jié)合表4、5可以看出，A1與A2相比，相變蓄熱的效果比蓄熱水箱更好；A2與A3相比，蓄電池能夠起到谷電蓄電以節(jié)省電費的效果，但由于使用成本較高，從整體來看對系統(tǒng)經(jīng)濟性沒有起到良性作用；A3與A4相比，安裝風(fēng)機盤管以配合空氣源熱泵，既可以制冷又可以供熱，雖然運維費用有所升高，但整體依然更為經(jīng)濟.A5和A6是安裝電鍋爐與安裝空氣源熱泵的方案對比，投資費用均較高，因此，之后的方案中不再討論安裝電鍋爐的情況.從總費用和收回投資年限對比來看，在A類方案中A4最優(yōu).

表5 A方案費用情況

B、C方案優(yōu)化配置的各設(shè)備容量與方案費用對比情況分別如表6、7所示.

表6 B、C方案設(shè)備容量配置情況

B方案系統(tǒng)的運行方式為：在有光熱出力時段，首先由光熱出力來滿足系統(tǒng)內(nèi)熱負(fù)荷需求；若出力大于負(fù)荷，則多余熱量存儲在蓄熱水箱或者相變蓄熱中；若出力小于負(fù)荷，則優(yōu)先使用蓄熱水箱或相變蓄熱中的熱量補給.B2與B3相比可知，蓄電池的存在可以降低電費，但投資費用較高，且整體經(jīng)濟性較低.因此，之后的方案中也不再討論蓄電池的安裝情況.B4由于安裝風(fēng)機盤管末端，有效地利用了高能效比的空氣源熱泵，提高了經(jīng)濟性.從總費用對比來看，在B類方案中方案B4最優(yōu).

表7 B、C方案費用情況

C方案與A方案、B方案比較可以看出，光伏+光熱的組合能夠有效降低年投資運行費用，提高經(jīng)濟性.C1與C2比較，再次體現(xiàn)風(fēng)機盤管與空氣源熱泵組合配置的優(yōu)越性.

綜合表4～7分析可知，C2與A4相比，綜合投資運行費用比較低，屬于較優(yōu)方案.雖然C2較A4多配置了光熱設(shè)備而增加投資，但由于C2的電費收益比A4多，使得C2的綜合投資運行費用最低.因此，若只考慮綜合投資運行費用最低，則C2為最優(yōu)；若只考慮收回投資成本，則A4方案最優(yōu).

4.2.2 舊住宅配置方案及費用對比

舊住宅用戶已安裝了燃煤鍋爐供暖，末端散熱方式為地暖，因此將產(chǎn)生煤炭燃料費；夏季采用空調(diào)制冷，所有用電從電網(wǎng)購得.定義未采取“煤改電”設(shè)備優(yōu)化配置措施前的這種能源利用方案為“方案y”.表8為D、E、F類方案中優(yōu)化配置的各設(shè)備容量.表9為原方案y與D、E、F類方案費用對比情況.

表8 D、E、F方案設(shè)備容量配置情況

表9 D、E、F方案費用情況

由表9可以看出，“煤改電”設(shè)備優(yōu)化配置后大幅度減少了舊住宅用戶年綜合投資運行費用.D1與D2相比，若使用已安裝的水箱，則投資費用減少，收回投資的時間更短.增加相變蓄熱容量后，收回投資的時間雖然增長，但整體費用降低，因此之后的方案只考慮增加相變蓄熱的情況；D2與D3相比，安裝風(fēng)機盤管后更加經(jīng)濟，E1與E2，F(xiàn)1與F2相比同樣也說明了這一問題.整體來看，光伏+光熱的組合依然可以增加光伏發(fā)電上網(wǎng)收益，所以方案F2的年綜合費用最低.

5 結(jié) 論

本文針對“煤改電”工程背景下農(nóng)村用戶能源利用設(shè)備優(yōu)化配置問題展開研究，通過分析典型“煤改電”用戶綜合能源利用系統(tǒng)的產(chǎn)能、儲能和用能基本構(gòu)成形式，并基于可再生能源最大化利用原則，建立了綜合設(shè)備投資與運行費用經(jīng)濟性的雙層規(guī)劃模型.實際“煤改電”新、舊住宅用戶算例表明，所提出的方法能夠給出用戶綜合能源利用系統(tǒng)設(shè)備安裝類型與容量的優(yōu)化配置方案，保障了“煤改電”用戶投資運行成本的經(jīng)濟性.