全可再生能源熱電氣儲耦合供能系統優化調控分析

許 樂

(淮南電力檢修有限責任公司，淮南 232000)

0 引 言

為建設資源節約、環境友好社會，可再生能源利用的受關注程度不斷提升，有機耦合多種能源的多能互補綜合能源系統便屬于各界關注焦點，該系統在能源利用效率等方面優勢顯著，但對實時控制、不確定性應對、反饋校正的要求較高。為更好利用各類可再生能源，正是本文圍繞系統優化調控開展研究的原因所在。

1 優化調控框架搭建

本文研究對象為全可再生能源熱電氣儲耦合供能系統(簡稱耦合供能系統)，圖1為耦合供能系統的典型組成，其輸入能源涵蓋熱能、風能、太陽能、生物質能，依托風機、內燃機、集熱器、光伏電池板等設備，即可完成向二次能源的轉化，具體涉及熱能、冷能、電能，進而滿足終端用戶需要，為實現對電力負荷波動的平衡，系統配置有電儲能。

結合圖1進行分析可以發現，自然條件會對可再生能源帶來一定制約，光能、風能出力受此影響會出現不確定性特征，進而導致耦合在轉換能源過程中產生，存在顯著區別的能源負荷響應尺度帶來的影響也需要得到重視，如發電設備、生物質氣化存在分鐘級負荷響應，光伏、風電存在秒級的負荷響應，因此調控系統需要同時關注能源多時間尺度響應、供能形式分配及相關波動和隨機問題，這直接影響系統運行經濟性和安全性，因此本文提出圖2所示優化調控框架，該框架的內、外部擾動基于時間顆粒度細分為快、較快、較慢、慢擾動，這類波動應對采用的多時間尺度協調優化機制涉及秒級、分鐘級、小時級優化，包括實時控制、日內優化、日前優化。秒級優化需要閉環調節工藝參數，具體以最佳負荷指令為依據。分鐘級優化需要以小時級優化為基礎開展閉環優化，反饋校正用戶負荷與可再生能源出力的隨機性波動，進行得到最佳負荷指令。小時級優化需要聚焦內燃機組、氣化爐等設備的儲能充放及運行方式，進而實現對應基點負荷指令確定。在小時級優化和分鐘級優化支持下，系統能夠最終實現實時控制[1]。

圖1 系統構成

圖2 優化調控框架

2 優化調控模型

為實現對耦合供能系統的優化調控，本節將針對性建設優化調控模型，具體涉及小時級優化模型、分鐘級優化模型，在兩種模型支持下，可最終實現耦合供能系統的實時控制，充分發揮其性能優勢。

2.1 小時級優化模型

考慮到圖1所示系統缺乏穩定供能設備，如電制冷機組、燃煤機組，為保證系統安全、穩定運行，小時級優化模型需要考慮存在不確定性的用戶負荷和可再生能源出力預測，因此本文研究的小時級優化模型參照魯棒優化建設，模型建設目標為最低成本，具體可得到：

(1)

(2)

(3)

2.2 分鐘級優化模型

由于系統運行過程中隨機性波動同時存在于負荷側與能源側，因此需要設法動態調整小時級優化結果，因此本文設計的分鐘級優化模型采用模型預測控制方法，該方法能夠基于預測模型和當前狀態對未來的被控系統動態行為進行預測，以此得到的先驗知識能夠較好滿足優化控制需要，對于運行過程中的被控制對象來說，考慮到其存在不確定的系統狀態、較大干擾等特性，可基于持續開展的滾動優化，最大程度控制建模誤差、外部干擾等因素造成的不良影響，系統最優化控制方案可最終順利獲取，因此建立圖3所示的分鐘級優化模型。

圖3 分鐘級優化模型

結合圖3進行分析可以發現，該模型能夠對冷熱電負荷和可再生能源出力進行預測，模型中的M、K分別為優化計算周期、時刻，各設備在耦合供能系統中的最優負荷指令增量可通過計算求得，通過重復滾動優化，在實際測量信息和優化得到的最優負荷指令支持下，調度計劃能夠在所有時段逐步生成，圖3所示模型可以表示為：

(4)

3 仿真分析

結合圖1開展仿真，其中光熱、風電、光伏、內燃機、熱泵裝機容量分別為500、1 200、1 000、600、1 200 kW，儲能配置規格為50 kW，結合上文模型，可得到小時級模式優化結果，同時應用多時間尺度優化模型，可針對性得到熱負荷與電負荷優化調度，具體結果如圖4所示。

圖4 熱負荷(左)與電負荷(右)優化調度結果

結合圖3進行分析可以發現，本文研究的優化調控模型能夠保證可再生能源100%服務于圖1所示系統的正常運行。圖4(左)中內燃機需要啟動于上午八點，這會導致棄風率在上午九點出現，但存在不確定性的風電預測影響能夠由此消除，電儲能調節可有序開展，低谷風電在凌晨一點至四點開展儲能，釋放于下午四點、晚間八點，以此調峰。圖4(右)充分考慮了發電負荷帶來的約束，對于同時產生兩種負荷的內燃機，這種約束能夠較好合理分配多種能源。本文研究的優化調控模型在穩定性方面優勢明顯，這能夠彌補耦合功能系統存在的最大短板。如每天熱負荷、電負荷分別為800、1 000 kW，基于優化調控模型的耦合功能系統每天可實現8 t煤炭節約。

4 結束語

綜上所述，耦合功能系統的實用性較高。在此基礎上，本文涉及的小時級優化模型、分鐘級優化模型、仿真分析等內容，則提供了可行性較高的耦合功能系統優化調控路徑。為更好推廣耦合功能系統，系統與綠色建筑的融合、新型算法應用同樣需要得到重視。