計及碳排放的電-冷-熱互聯(lián)綜合能源系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度研究

蘆 浩 ，姜瑤瑤

（1.國網(wǎng)浙江省電力有限公司淳安縣供電公司，浙江 杭州 311700;2.淳安縣電力實業(yè)有限公司，浙江 杭州 311700）

近年來，化石能源日益枯竭，風(fēng)、光、儲多能互補分布式能源飛速發(fā)展，綜合能源系統(tǒng)（integrated energy system, IES）作為一種新的能源網(wǎng)絡(luò)形式，在能源生產(chǎn)、傳輸、消費領(lǐng)域占據(jù)的地位越來越重要。IES 涉及電、氣、熱、冷等多種能源耦合運行和多能互補轉(zhuǎn)化[1-4]，以光伏、風(fēng)電等可再生能源消納代替化石能源消耗，降低碳排放量。

目前，對IES 規(guī)劃和優(yōu)化調(diào)度的研究正在逐步展開。文獻[5]提出將儲能應(yīng)用于冷-熱-電聯(lián)供綜合能源系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度，考慮電能的交互。文獻[6]提出以光伏等新能源消納為目標，構(gòu)建園區(qū)多能源優(yōu)化調(diào)度模型。文獻[7]構(gòu)建考慮需求響應(yīng)的電-氣聯(lián)供系統(tǒng)優(yōu)化運行模型，實現(xiàn)能源供給與用能負荷之間的互動。文獻[8]提出考慮能源價格變化的可再生能源發(fā)電系統(tǒng)優(yōu)化運行方法，促進可再生能源就地消納。文獻[9]提出以綜合能源系統(tǒng)投資和運行成本為目標，構(gòu)建IES 優(yōu)化調(diào)度模型，統(tǒng)籌考慮綜合能源系統(tǒng)經(jīng)濟性。文獻[10]提出基于IES 提供商和用戶之間互動的綜合能源系統(tǒng)優(yōu)化運行策略，提高能源經(jīng)濟效益。綜上，IES 優(yōu)化調(diào)度研究大多以系統(tǒng)運行成本為優(yōu)化目標，沒有考慮系統(tǒng)運行過程中產(chǎn)生的碳排放量問題。

本文在現(xiàn)有研究的基礎(chǔ)上，首先構(gòu)建園區(qū)型綜合能源系統(tǒng)設(shè)備模型；之后，建立以運行成本最低、碳排放量最小為目標的綜合能源系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度模型，并采用非支配排序遺傳算法-II（NSGA-II）對該模型進行求解；最后將該方法應(yīng)用到某示范園區(qū)綜合能源系統(tǒng)項目中，結(jié)果表明該方法能夠降低園區(qū)運行成本，促進新能源消納，降低碳排放量，實現(xiàn)電網(wǎng)削峰填谷。

1 綜合能源系統(tǒng)設(shè)備模型

1.1 典型綜合能源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

典型綜合能源系統(tǒng)是將多能互補作為核心，以分布式能源利用為特點，能夠供給電、熱、冷多種能源。典型綜合能源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1 所示，其中能源網(wǎng)絡(luò)包含電、熱、冷3 條母線，涉及光伏熱泵、蓄熱式電鍋爐、燃氣鍋爐、電儲能設(shè)備、蓄冷設(shè)備等多個能源設(shè)備。

圖1 典型綜合能源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.2 典型綜合能源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

園區(qū)型綜合能源系統(tǒng)包含的設(shè)備模型如圖1所示。

1.2.1 熱泵模型

熱泵作為電能與冷、熱能量的轉(zhuǎn)化設(shè)備，但在寒冷地區(qū)制熱效果有待提高，本文把熱泵作為制冷設(shè)備利用。

式中：PHP,t為t時刻熱泵的制冷功率；PHPJ,t為t時刻熱泵消耗的電功率；ηHP為熱泵的制冷能效比。

1.2.2 蓄熱式電鍋爐模型

蓄熱式電鍋爐作為園區(qū)型綜合能源系統(tǒng)的熱源，能夠為提供熱水、蒸汽熱能量。

式中：PREB,t為t時刻蓄熱式電鍋爐的制熱功率；PREBJ,t為t時刻蓄熱式電鍋爐消耗的電功率；ηREB為蓄熱式電鍋爐的制冷功率。

1.2.3 燃氣鍋爐模型

本項目采用燃氣鍋爐作為熱能供應(yīng)的輔助熱源，減緩在電負荷高峰期蓄熱式電鍋爐運行導(dǎo)致電能供應(yīng)的壓力。

式中：PGB,t為t時刻燃氣鍋爐的制熱功率；PGBJ,t為t時刻燃氣鍋爐消耗的熱量功率；ηGB為燃氣鍋爐的轉(zhuǎn)化效率。

1.2.4 儲能模型

式中：EEES,t為t時刻電儲電能量；Peesch,t為t時刻充電功率；ηeesch為t時刻充電效率；Peesdch,t為t時刻放電功率；ηeesdch,t為t時刻放電效率。

式中：QHS,t為t時刻儲存熱量值；Phsch,t為t時刻加熱功率；ηhsch為t時刻加熱效率，Phsdch,t為t時刻放熱功率；ηhsdch表示t時刻放熱效率。

式中：Qcold,t為t時刻儲存冷量值；Pcoldch,t為t時刻制冷功率；ηcoldch為t時刻制冷效率；Pcloddch,t為t時刻放冷功率；ηcolddch為t時刻放冷效率。

2 計及碳排放的綜合能源系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度

2.1 目標函數(shù)

本文以運行成本、碳排放量為優(yōu)化目標，以設(shè)備出力、電能平衡、冷平衡、熱平衡為約束條件，建立多目標優(yōu)化的電-冷-熱互聯(lián)綜合能源系統(tǒng)調(diào)度模型。

多目標優(yōu)化目標函數(shù)為：

式中：f1為運行成本目標函數(shù)；f2為碳排放量目標函數(shù)。

2.1.1 經(jīng)濟性目標

式中：f1為一個調(diào)度時間段內(nèi)的運行費用；Cgas,t為t時刻購買的天然氣費用；Cgrid,t為t時刻購買的電網(wǎng)費用；T為一個調(diào)度周期內(nèi)時間段總數(shù)。天然氣購買費用的計算方法：

式中：cgas為天然氣的單位熱值價格。

電網(wǎng)購電費用的計算方法：

式中：Cgridb,t為t時刻從電網(wǎng)購電電價；Pgridb,t為t時刻從電網(wǎng)購電功率。

2.1.2 碳排放量目標

為簡化碳排放量的計算方法，不考慮能源設(shè)備間接產(chǎn)生的碳排放量，只計算能源設(shè)備運行中直接排放的CO2，該IES 中燃氣鍋爐設(shè)備直接產(chǎn)生碳排放。此外，采用基準線法計算碳排放配額，碳排放配額Cquota與IES 系統(tǒng)發(fā)電量之間關(guān)系如下：

式中：Ptotal,t為t時刻IES 內(nèi)發(fā)電設(shè)備發(fā)電總功率，該IES 中光伏系統(tǒng)作為發(fā)電設(shè)備；Ptotal,t=PPV,t，PPV,t為t時刻光伏的發(fā)電功率；η 為單位電量排放分配額。

碳排放量目標函數(shù)：

式中：f2為一個調(diào)度時間段內(nèi)碳排放量；CGB,t為t時刻燃氣鍋爐設(shè)備產(chǎn)生的碳排放量。

2.2 約束條件

園區(qū)型綜合能源系統(tǒng)約束包括電、熱、冷3 條母線能源平衡，以及各個能源設(shè)備本身特性的約束。

電母線平衡：

式中：Pgdload,t為t時刻電負荷功率。

熱平衡：

式中：Phsload,t為t時刻熱負荷功率。

冷平衡：

式中：Pcload,t為t時刻冷負荷功率。

各供電、熱、冷設(shè)備的功率約束：

式中：Pigrid為設(shè)備i的電功率；Pihs為設(shè)備i的熱功率；Picold為設(shè)備i的冷功率；Pigridmin、Pigridmax為設(shè)備i電功率的下限和上限，Pihsmin、Pihsmax為設(shè)備i熱功率的下限和上限；Picoldmin、Picoldmax為設(shè)備i冷功率的下限和上限。

電儲能設(shè)備約束：

① 充電功率約束：

式中：CPees為電儲能設(shè)備電能容量；γeesch為電儲能設(shè)備最大充電倍率。

② 放電功率約束：

式中：γeesdch為電儲能設(shè)備最大放電倍率。

③ 電儲能設(shè)備容量約束

式中：EEESmin、EEESmax為電儲能設(shè)備容量的最小值和最大值。

儲熱、儲冷設(shè)備約束：

式中：QHSmin、QHSmax為蓄熱式電鍋爐蓄熱容量的下限和上限；Qcoldmin、Qcoldmax為蓄冷設(shè)備容量的下限和上限。

2.3 基于NSGA-II 算法的求解方法

NSGA-II 具有收斂性和魯棒性的優(yōu)良性能，能夠得到均勻分布的Pareto 最優(yōu)解，廣泛應(yīng)用于多目標優(yōu)化。采用NSGA-II 對多目標優(yōu)化的綜合能源調(diào)度模型進行求解，以電、熱、冷各能源設(shè)備出力、供給和用能負荷平衡和分配系數(shù)為決策變量，采用NSGA-II 算法求出Pareto 最優(yōu)前沿。

3 實例驗證與分析

選取某示范園區(qū)進行實驗驗證與分析，園區(qū)型綜合能源系統(tǒng)由以下組成：3 臺額定功率為300 kW熱泵機組，1 臺額定功率為400 kW 的蓄熱式電鍋爐，1 臺額定功率為200 kW 的燃氣鍋爐，1 臺額定功率為100 kW 的蓄冷設(shè)備，分布式電源包括額定功率為200 kW 的光伏和200 kW·h 的電儲能設(shè)備，設(shè)備相關(guān)參數(shù)如表1 所示。

表1 能源設(shè)備參數(shù)

園區(qū)內(nèi)典型日熱、冷、電負荷數(shù)據(jù)及光伏出力數(shù)據(jù)如圖2 所示，其中典型日24 h 熱負荷為7543 kW·h，由蓄熱式電鍋爐和燃氣鍋爐提供熱量供給。

圖2 園區(qū)負荷和光伏出力

園區(qū)的分時電價如圖3 所示，天然氣價格為2.32 元/m2，1 m2天然氣產(chǎn)生碳排放量約1 m2。根據(jù)冷、熱、電負荷及光伏隨天氣變化的出力數(shù)據(jù)，以能源設(shè)備功率為約束條件，利用文章中的優(yōu)化算法，得到冷、熱、電能源設(shè)備優(yōu)化運行結(jié)果如圖4、5、6 所示。

圖3 園區(qū)分時電價

圖4 電負荷優(yōu)化運行結(jié)果

從圖4 可知，光伏在當(dāng)日5:00-19:00 均有發(fā)電功率，減少園區(qū)向電網(wǎng)購電量，降低運行成本；電儲能設(shè)備在夜間利用低電價電網(wǎng)電量為蓄電池充電，在12:00-13:00 分時電價最高時放電，降低購電電費，同時達到電網(wǎng)削峰填谷的目的。

如圖5 所示，在熱負荷較大及分時電價較高時，燃氣鍋爐配合蓄熱式電鍋爐為用戶提供熱能量，與單一采用蓄熱式電鍋爐供熱方式相比，采用兩者結(jié)合的方式減少燃氣鍋爐燃燒產(chǎn)生碳排放量，同時減小電網(wǎng)峰谷差。

圖5 熱負荷優(yōu)化運行結(jié)果

圖6 為冷負荷優(yōu)化運行的結(jié)果，從圖中可以看出，在分時電價最大值的12:00-14:00，采用蓄冷設(shè)備配合熱泵機組供冷的方式能夠減小電網(wǎng)購電量，同時降低電網(wǎng)運行壓力。

圖6 冷負荷優(yōu)化運行結(jié)果

根據(jù)典型日的分時電價和天然氣價格，基于多能互補的園區(qū)型綜合能源系統(tǒng)當(dāng)日運行成本26 965.82元，與傳統(tǒng)不具有分布式新能源光伏和蓄能設(shè)備的系統(tǒng)相比，典型日一天的運行成本減少1082.71 元。同時，該系統(tǒng)在蓄熱式電鍋爐不能滿足熱能負荷要求的情況下才啟用燃氣鍋爐，與單一采用燃氣鍋爐供熱相比，減少燃氣的消耗量約796 m2，降低燃氣燃燒導(dǎo)致的碳排放量796 m2。此外，該IES 內(nèi)優(yōu)先利用光伏發(fā)電量，促進新能源消納。因此，該系統(tǒng)實現(xiàn)園區(qū)運行成本的降低，同時能夠降低碳排放量，促進新能源消納，減小電網(wǎng)峰谷差。

4 結(jié)束語

在分析IES 設(shè)備特性的基礎(chǔ)上，考慮光伏出力的波動性及負荷變化的實時性，提出一種計及碳排放的電-冷-熱互聯(lián)綜合能源系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度方法。該方法包含綜合能源系統(tǒng)運行過程中經(jīng)濟性、碳排放量兩個目標，并采用NSGA-II 對多目標系統(tǒng)模型進行求解。結(jié)合某園區(qū)電-冷-熱互聯(lián)綜合能源系統(tǒng)項目驗證結(jié)果，表明該方法能夠降低綜合能源系統(tǒng)運行成本，減少碳排放量，提高新能源就地消納能力，促進電網(wǎng)削峰填谷。該方法將碳排放量作為優(yōu)化調(diào)度目標，對未來區(qū)域綜合能源系統(tǒng)的運行評價指標提供新的方向。