多能流耦合的綜合能源系統規劃運行一體化優化

陳云輝，王伊曉，潘 俊，曹凌捷

(上海電力設計院有限公司，上海 200025)

人類社會對能源需求量的急劇增加導致化石類能源的過快和過度開發，并由此引發了人類社會對于環境污染和未來能源供應能否持續的擔憂。為應對這一全人類共同面臨的挑戰，社會各界已開展了大量研究，主要體現在開源和節流兩方面。自20世紀五六十年代以來，以計算機技術、自動控制技術、通信技術、數據處理技術以及網絡技術等為標志的信息通信技術領域的大量變革創新，為能源領域的進一步提升和發展提供了強有力的技術支持。在信息通信技術的推動下，能源領域先后出現了智能電網、綜合能源系統、能源互聯網3種重要技術[1-3]，其目的都是希望通過開源和節流兩種途徑，實現環境友好和能源可持續供應的目標。

以新能源大規模開發利用為標志、以再電氣化為根本路徑的新一輪能源革命，正在全球范圍深入開展。綜合能源系統是滿足多元供應體系的具體實現方式[4-5]，已經成為世界各國能源轉型爭相發展的重點。

綜合能源系統實現“電、熱、冷、氣”橫向多能源系統之間以及“源-網-荷-儲”縱向多能源供應環節之間的生產協同、管廊協同、需求側協同以及生產和消費間的互動[6-8]，可以促進可再生能源消納，保障供給側和需求側元素的友好接入，提升多能源綜合利用效率[9-10]，最終為區域內用戶提供能源一體化解決方案，被認為是未來人類社會能源的主要承載形式。

傳統的能源規劃存在不同能源系統之間互相解耦、互相割裂，規劃與運行相對割裂的問題。同時，采用復雜優化算法求解優化模型，求解復雜度高。針對上述問題，本文建立能量轉換元件與能量存儲元件的實用化數學模型，提出“電、熱、冷、氣”多能流耦合輸入輸出矩陣，實現多能流之間耦合轉換、分配和存儲關系的建模，建立雙層迭代的規劃運行一體化混合整數優化規劃模型。

1 綜合能源系統能流

多能協同的綜合能源系統規劃問題主要關注多種能源之間的轉換過程，能量樞紐目前被廣泛用于綜合能源系統的建模中。能量樞紐將一個綜合能源系統抽象成為一個能源的輸入、輸出雙端口網絡，多種能源在其內部進行轉換、分配和存儲。能量樞紐的輸入端與能源網絡連接以輸入相應的電、氣、油等能源，在輸出端輸出電、熱、冷等形式的能源以滿足消費側的負荷需求。從實體而言，能量樞紐往往可以對應于一座綜合能源站。

一個典型的能量樞紐包括光伏、電儲能系統、電熱鍋爐、熱泵、儲熱裝置、單工況制冷機、蓄冷裝置以及三聯供機組。可以把能量樞紐中的系統元件分為3類：能量轉換元件(如電熱鍋爐、熱泵、制冷機、三聯供)、能量存儲元件(如電儲能、儲熱、蓄冷)、分布式可再生能源元件(如光伏)。

典型能量樞紐能流如圖1所示。

圖1 典型能量樞紐能流圖

2 綜合能源系統多能流耦合計算方法

每種元件均可等效為能源輸入和能源輸出的雙端元件，只是在輸入和輸出能源類型上有所差別，通過線性化處理后可將能量樞紐的多能流進行耦合計算。對于每個優化時間斷面，能量樞紐整體的能量流入和流出可由下式計算：

(1)

(2)

根據多能設備的輸入輸出特性，可以將其分為能量轉換元件、能量存儲元件以及分布式可再生能源元件3種類型。

(1)能量轉換元件輸入輸出模型。能量轉換元件的輸入輸出功率關系如下：

(3)

式中ηij,k——能量轉換元件k從能量i轉換到能量j的效率。

一般來說能量轉換元件只將一種能源形式轉換為另一種能源形式，如熱泵將電能轉換為熱能，則ηij,k為性能系數COP，所以效率矩陣絕大部分元素為0。三聯供機組則能將氣轉換為電、熱、冷能，則效率矩陣中ηge,k、ηgh,k、ηgc,k不為0，其他元素為0。

(2)能量存儲元件輸入輸出模型。能量存儲元件是單輸入單輸出元件，能量存儲元件k對于能量i的輸入輸出功率關系如下：

(4)

(3)分布式可再生能源元件輸入輸出模型。分布式可再生能源元件的輸入為風、光等可再生能源，可以看作零輸入單輸出元件，其輸出功率的上限受自然條件的影響。分布式可再生能源元件的功率輸出約束如下：

(5)

3 綜合能源系統規劃運行一體化優化規劃模型

3.1 運行策略優化

3.1.1 目標函數

多能協同綜合能源系統運行策略優化可以包含多種優化目標，為了體現以電為中心的特征，本文的優化目標一方面考慮綜合能源系統的運行成本最小，另一方面考慮用電能占總能源消費量的比例最大來表征以電為中心的規劃導向。因此，綜合考慮運行成本與電能占總能源消費比例來構成目標函數。

(1)運行成本最小。綜合能源系統主要運行成本是能源站運行所購入市電、燃氣費用。運行成本最小目標函數如式(6)所示：

(6)

式中Cele(t)——t時刻市電電價；Pele(t)——t時刻能源站從大電網購電的功率；Δt——調度時間間隔；T——總的調度時間；Cgas(t)——t時刻燃氣價格；Pgas(t)——t時刻能源站從外部購入燃氣的流量。

(2)電能占總能源消費量的比例最大。電能占總能源消費量的比例最大目標函數如下式所示：

(7)

由于僅考慮最大化電能占總能源消費量的比例，會使得電供能設備投資成本快速上升，因此還需要增加一個經濟性優化目標，在最大化電能占總能源消費量比例的解集中尋找經濟性最優的解。

(3)多目標優化。若同時考慮經濟性和電能占總能源消費量比例兩個優化目標，則采用帶權極小模理想點法來進行多個子目標的組合，其組合后的單目標函數如下式所示：

(8)

3.1.2 約束條件

能量樞紐運行策略優化主要是滿足供能區域內電負荷和熱負荷需求。本節主要考慮的設備元件包括蓄熱系統、電鍋爐和熱泵系統。蓄熱系統將結合電價變化為供能區域提供熱能，滿足供熱需求。

(1)電負荷供需平衡約束：

(9)

(2)熱負荷供需平衡約束：

(10)

(3)能量轉換元件功率約束。電供能設備額定功率往往以電功率表示，因此能量轉換元件功率約束如下：

(11)

對于功率不可調的能量轉換元件，功率約束包含0-1整數變量，如下：

(12)

(4)能量存儲元件功率約束。能量存儲元件對于存儲的功率和容量均有約束，如下：

(13)

(14)

(15)

(5)分布式可再生能源元件功率約束。分布式可再生能源元件輸出功率的上限受自然條件的影響，其功率輸出約束如式(5)。

3.2 雙層優化規劃模型

為了實現在規劃階段更好地考慮運行階段的實際情況，實現規劃運行一體化的綜合能源系統優化規劃，需要建立綜合能源系統“規劃運行一體化”優化規劃模型。該問題既涉及設備容量、數量的優化配置方案，又涉及設備冷、熱、電運行方式的優化，根據分解協調思想，該問題可以轉化為雙層規劃模型。上層規劃以綜合能源系統內部收益率或凈現值最大為目標，開展設備容量、數量的優化配置；下層優化對應綜合能源系統運行策略優化，以上層優化的設備容量和數量為基礎，將綜合能源系統的運行成本最小和電能占總能源消費量比例最大這2個目標分別賦權構成目標函數，考慮設備運行約束，開展設備冷、熱、電運行方式的優化，并將優化目標傳遞給上層優化用于計算內部收益率或凈現值，通過上下層迭代優化得到最優的“規劃運行一體化”綜合能源系統優化規劃方案。

雙層規劃的流程如圖2所示。

圖2 綜合能源系統雙層規劃模型

3.2.1 上層規劃模型

(1)優化目標：

maxIRR

(16)

內部收益率可通過下列方程式求解得到：

(17)

式中CIt——第t年綜合能源系統的現金流入量；COt——第t年綜合能源系統的現金流出量。

CIt的值可由下層規劃計算得到的設備年運行曲線和運行收益計算得到。CIt包括設備的初始投資成本和運行維護成本，初始投資成本可由設備的容量和數量計算得到，運行維護成本中的運行成本可由設備年運行曲線計算得到，維護成本可由初始投資按一定比例計算得到。

3.2.2 約束條件

上層規劃的約束條件主要根據綜合能源系統空間限制確定的設備容量和數量的限制：

(18)

式中nj——第j個設備的數量；nlow,j，nup,j——第j個設備數量下限和上限；ECrate,j——第j個設備的容量；ECrate,low,j，ECrate,up,j——第j個設備容量下限和上限；Erate,j——第j個設備的功率；Erate,low,j，Erate,up,j——第j個設備的功率下限和上限。

3.2.3 下層規劃模型

下層規劃模型采用多綜合能源系統運行策略優化模型。

4 算例研究

4.1 熱負荷預測

以某區域為案例，開展綜合能源系統規劃運行一體化優化規劃方法驗證，區域典型能源站上層優化模型以最大化綜合能源系統內部收益率為目標，目標函數表達典型日逐時熱負荷如圖3所示。

圖3 典型日逐時熱負荷圖

4.2 優化結果

根據雙層優化模型建模，通過優化算法計算得出區域能源站配置方案如表1所示，對比方案1和方案2是由專家經驗得到。

能源站供熱滿負荷運行策略如圖4所示。

表1 雙層優化模型最優方案

圖4 能源站供熱滿負荷運行策略圖

由圖4可知，熱負荷較小時，由中深層地熱供暖，負荷增大后，優先啟動淺層地熱進行補充，電蓄熱鍋爐通過谷電進行蓄熱，白天釋熱調峰，天然氣鍋爐作為補充熱源和調峰熱源，滿足剩余供熱需求。

4.3 經濟性比較

各方案經濟性對比如表2所示。利用雙層優化模型建模計算得到的優化配置方案其全部投資稅后內部收益率為6.79%，優于由專家經驗得到的方案1的6.69%和方案2的5.92%。

表2 各方案經濟性對比 %

5 結語

本文針對傳統能源規劃互相割裂、優化難度大等問題，建立了多能協同綜合能源系統典型元件模型及多能流耦合計算方法，提出了多能協同綜合能源系統雙層迭代混合整數優化規劃方法，支撐了規劃運行一體化的多能協同綜合能源系統最優規劃。案例分析驗證了多能協同綜合能源系統優化規劃模型的正確性，優化方案的經濟性優于傳統專家經驗得到的規劃方案。