含多類型儲(chǔ)能的綜合能源系統(tǒng)低碳經(jīng)濟(jì)運(yùn)行雙層優(yōu)化方法研究

李金航, 佟 曦, 陳 衡, 潘佩媛, 徐 鋼, 劉文毅

(華北電力大學(xué) 能源動(dòng)力與機(jī)械工程學(xué)院, 北京 102206)

隨著全球能源結(jié)構(gòu)向低碳形態(tài)快速轉(zhuǎn)變,構(gòu)建低碳清潔的能源體系迫在眉睫[1]。作為我國的主要碳排放源,能源行業(yè)的綠色低碳轉(zhuǎn)型將成為推動(dòng)“雙碳”目標(biāo)早日實(shí)現(xiàn)的重要舉措[2]。面對(duì)可再生能源的波動(dòng)性與間歇性,通過構(gòu)建多類型儲(chǔ)能系統(tǒng)-綜合能源系統(tǒng)(MTES-IES)實(shí)現(xiàn)異質(zhì)能源子系統(tǒng)的協(xié)調(diào)互補(bǔ)與最優(yōu)運(yùn)行,將是實(shí)現(xiàn)可再生能源充分消納的有效方式[3-5]。因此,需要對(duì)多類型儲(chǔ)能在綜合能源系統(tǒng)的優(yōu)化配置調(diào)度進(jìn)行研究。

學(xué)者們針對(duì)綜合能源系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度與規(guī)劃進(jìn)行了廣泛研究。杜傳銘等[6]建立了光-氣互補(bǔ)冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng),該系統(tǒng)采用階梯式釋能,運(yùn)用遺傳算法優(yōu)化之后,提高了系統(tǒng)總體的經(jīng)濟(jì)性。王智等[7]針對(duì)冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性,提出了基于日前-日內(nèi)多時(shí)間尺度滾動(dòng)優(yōu)化模型。朱海南等[5]在IES規(guī)劃時(shí),構(gòu)建了一種綜合考慮系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性和碳排放的電-氣IES多目標(biāo)隨機(jī)優(yōu)化規(guī)劃模型,利用混合整數(shù)二次約束規(guī)劃,最終實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)整體最優(yōu)規(guī)劃。秦婷等[8]將碳交易機(jī)制引入調(diào)度模型,提出了電-氣-熱IES分層低碳調(diào)度方法,驗(yàn)證了電-氣-熱多能協(xié)調(diào)運(yùn)行模式和碳交易機(jī)制對(duì)IES調(diào)度決策經(jīng)濟(jì)性和低碳性的促進(jìn)作用。王守文等[9]構(gòu)建了一種含改進(jìn)生物質(zhì)燃?xì)馀c階梯碳交易的綜合能源系統(tǒng)低碳經(jīng)濟(jì)調(diào)度模型,實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性與低碳性的提高。

各類儲(chǔ)能系統(tǒng)能夠用于改善可再生能源的波動(dòng)及平緩負(fù)載波動(dòng)[10-12]。在評(píng)估儲(chǔ)能系統(tǒng)的功率響應(yīng)能力時(shí),Wang等[13]評(píng)估了各種儲(chǔ)能技術(shù)處理IES中波動(dòng)和不確定性的能力,評(píng)估結(jié)果表明,單一類型的儲(chǔ)能系統(tǒng)只能解決有限的波動(dòng)場(chǎng)景。Wang等[14]通過創(chuàng)建兩階段混合整數(shù)非線性規(guī)劃優(yōu)化模型,實(shí)現(xiàn)了最大限度地降低多儲(chǔ)能配置的總成本,優(yōu)化了IES中混合儲(chǔ)能的容量分配。Zhang等[15]開發(fā)了包含存儲(chǔ)容量分配和操作優(yōu)化的雙層優(yōu)化模型,并且使用置信區(qū)間使總規(guī)劃成本最小化。Heidari等[16]構(gòu)建了一個(gè)IES的隨機(jī)優(yōu)化模型,該模型具有基于價(jià)格的需求響應(yīng)(DR)和冰存儲(chǔ),然后將其作為混合整數(shù)非線性規(guī)劃問題求解。郭宴秀等[17]考慮了共享儲(chǔ)能接入,優(yōu)化了IES內(nèi)部機(jī)組的能量交互,實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)整體運(yùn)行成本優(yōu)化。

基于以上研究背景,智能優(yōu)化算法存在可解釋性差,容易陷入局部最優(yōu)等問題,而采用Karush-Kuhn-Tucher(KKT)條件與大M法將雙層優(yōu)化問題降維轉(zhuǎn)化為混合整數(shù)線性規(guī)劃(MILP)問題,能夠有效地提取具有合理計(jì)算復(fù)雜度的系統(tǒng)特征,實(shí)現(xiàn)復(fù)雜問題的快速求解[18]。通過多類型儲(chǔ)能技術(shù)實(shí)現(xiàn)可再生能源的消納,同時(shí)考慮整個(gè)系統(tǒng)的低碳效應(yīng),筆者采用兩階段混合整數(shù)非線性規(guī)劃優(yōu)化模型構(gòu)建了一種考慮協(xié)同低碳的多類型儲(chǔ)能-綜合能源系統(tǒng)雙層優(yōu)化調(diào)度模型。

1 多類型儲(chǔ)能-綜合能源系統(tǒng)模型

MTES-IES結(jié)構(gòu)示意圖見圖1,系統(tǒng)包括3個(gè)模塊:能量供應(yīng)模塊、能量轉(zhuǎn)換模塊和能源需求模塊。該系統(tǒng)中主要包括風(fēng)電(WT)機(jī)組、光伏(PV)機(jī)組、熱電聯(lián)產(chǎn)(CHP)機(jī)組、燃?xì)忮仩t(GB)機(jī)組、電解槽(EL)機(jī)組、燃料電池(HFC)機(jī)組、電-熱-氫儲(chǔ)能系統(tǒng)。通過多類型儲(chǔ)能系統(tǒng)高效地平抑功率波動(dòng),實(shí)現(xiàn)負(fù)荷的時(shí)空平移,通過熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組實(shí)現(xiàn)了電、氣、熱之間的能量耦合,構(gòu)建了燃?xì)忮仩t機(jī)組的氣、熱耦合模型。針對(duì)風(fēng)電的隨機(jī)性與反調(diào)峰特性,在MTES-IES模型中構(gòu)建風(fēng)電-電解槽-儲(chǔ)氫罐-燃料電池系統(tǒng)作為電-熱-氫能源樞紐,針對(duì)電解槽-燃料電池耦合系統(tǒng)進(jìn)行更精細(xì)化地建模,實(shí)現(xiàn)異質(zhì)能量梯級(jí)轉(zhuǎn)化、高效利用。

圖1 MTES-IES結(jié)構(gòu)示意圖

2 多類型儲(chǔ)能-綜合能源系統(tǒng)雙層優(yōu)化

2.1 雙層優(yōu)化理論

雙層(B-L)優(yōu)化是指具有2個(gè)層次系統(tǒng)的優(yōu)化,并且上層模型與下層模型之間存在耦合關(guān)系。通過B-L優(yōu)化理論能夠有效解決涉及多決策層與多主體利益的問題。在B-L優(yōu)化模型中,上層模型與下層模型都有獨(dú)立的決策變量、約束條件和目標(biāo)函數(shù)。上層模型對(duì)決策進(jìn)行優(yōu)化排序之后做出決策,將決策變量傳遞給下層模型,然后下層模型在上層模型的基礎(chǔ)上確定可行域范圍,通過計(jì)算求解得到下層目標(biāo)函數(shù)的最優(yōu)解,再將下層優(yōu)化結(jié)果反饋給上層模型,最后通過迭代得到其對(duì)應(yīng)的最優(yōu)解。B-L優(yōu)化模型的數(shù)學(xué)描述[19]為

(1)

式中:x、F(x,y)、H(x,y)和G(x,y)分別表示上層模型的決策變量、目標(biāo)函數(shù)、等式約束和不等式約束;y、f(x,y)、h(x,y)和g(x,y)分別表示下層模型中的決策變量、目標(biāo)函數(shù)、等式約束和不等式約束。

2.2 上層多類型儲(chǔ)能優(yōu)化模型

針對(duì)上層模型,從多類型儲(chǔ)能系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)的經(jīng)濟(jì)性出發(fā),綜合考慮維護(hù)成本、充放電成本、儲(chǔ)能市場(chǎng)補(bǔ)貼等經(jīng)濟(jì)性因素,最終求解規(guī)劃期內(nèi)多類型儲(chǔ)能系統(tǒng)運(yùn)行成本的最優(yōu)解,決策變量包括電儲(chǔ)能、熱儲(chǔ)能、氫儲(chǔ)能系統(tǒng)的充放電功率。

2.2.1 上層優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)

多類型儲(chǔ)能系統(tǒng)中主要包含電儲(chǔ)能、熱儲(chǔ)能、氫儲(chǔ)能。多類型儲(chǔ)能系統(tǒng)通過參與能源市場(chǎng)交互、儲(chǔ)能政策補(bǔ)貼進(jìn)行經(jīng)營(yíng)。上層目標(biāo)函數(shù)可以表示為

minC1=COM1+CINA

(2)

式中:C1為儲(chǔ)能系統(tǒng)運(yùn)行成本,元;COM1為儲(chǔ)能系統(tǒng)運(yùn)行維護(hù)成本,元;CINA為儲(chǔ)能系統(tǒng)參與能源市場(chǎng)交互成本,元。

儲(chǔ)能系統(tǒng)運(yùn)行維護(hù)成本為

(3)

儲(chǔ)能系統(tǒng)參與能源市場(chǎng)交互成本為

(4)

式中:Cx為第x臺(tái)儲(chǔ)能設(shè)備參與市場(chǎng)運(yùn)行交互成本,元/kW。

2.2.2 上層模型約束條件

儲(chǔ)電與儲(chǔ)氫單元是由多塊鋰電池和儲(chǔ)氫罐組成的集群,由于鋰電儲(chǔ)能(EES)與氫儲(chǔ)能(HES)的約束相似,因此對(duì)二者進(jìn)行同一化建模。建立熱儲(chǔ)能的靈活調(diào)節(jié)方式、布置合適的儲(chǔ)熱設(shè)備能夠充分提高熱能利用率,由于熱儲(chǔ)能(TES)系統(tǒng)存在差異,因此單獨(dú)對(duì)其進(jìn)行建模。在所構(gòu)建的綜合能源系統(tǒng)中,各個(gè)多類型儲(chǔ)能子系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型公式為

(5)

(6)

分析多類型儲(chǔ)能系統(tǒng)運(yùn)行的約束包括連續(xù)性變量與0-1型變量,為了降低非線性約束的求解難度,本文提出一種基于大M法的約束嵌套方案來解耦約束。將式(6)中第4、5數(shù)學(xué)模型表達(dá)式轉(zhuǎn)化為

(7)

2.3 下層電-熱-氣-氫綜合能源系統(tǒng)優(yōu)化模型

針對(duì)下層優(yōu)化模型,綜合考慮多類型儲(chǔ)能與低碳優(yōu)化協(xié)同的IES優(yōu)化運(yùn)營(yíng),采用整個(gè)IES運(yùn)營(yíng)的經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)為下層目標(biāo)函數(shù),充分考慮IES的電、熱、氣、氫功率平衡和各項(xiàng)能源轉(zhuǎn)換設(shè)備安全運(yùn)行等約束條件。

2.3.1 下層優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)

下層目標(biāo)函數(shù)可以表示為

minC2=COM2+CG,B+CCT

(8)

式中:C2為綜合能源系統(tǒng)運(yùn)行成本,元;COM2為各個(gè)機(jī)組運(yùn)行維護(hù)成本,元;CG,B為購電、購氣成本,元;CCT為碳交易成本,元。

運(yùn)行維護(hù)成本為

(9)

IES與電網(wǎng)、氣網(wǎng)之間的交互成本為

(10)

不同能源設(shè)備具有一定量的初始免費(fèi)碳配額。基準(zhǔn)碳交易成本是在固定碳交易價(jià)格下,根據(jù)實(shí)際碳排量與初始免費(fèi)碳配額的差值計(jì)算所得。雙向碳交易模式如圖2所示。當(dāng)系統(tǒng)碳配額不足,無法滿足自身需求時(shí),需要向碳交易市場(chǎng)購買碳配額;反之,當(dāng)系統(tǒng)碳配額富余時(shí)則可向碳交易市場(chǎng)出售碳配額以獲取低碳收益。

圖2 雙向碳交易模式示意圖

綜合能源系統(tǒng)中的碳排放綜合考慮電網(wǎng)購電、熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組及燃?xì)夤徨仩t機(jī)組,計(jì)算公式[20]為

(11)

(12)

(13)

式中:Cgrid、CCHP、CGB分別為電網(wǎng)購電、熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組及燃?xì)夤徨仩t機(jī)組的初始碳配額,t/h;αe為單位電力碳配額系數(shù),0.728 t/(MW·h);αh為單位熱力碳配額系數(shù),0.102 t/GJ;αe,h為單位電力與單位熱力之間的轉(zhuǎn)換參數(shù),6 MJ/(kW·h)。

(14)

(15)

(16)

式中:Cgrid,a、CCHP,a、CGB,a分別為電網(wǎng)購電、熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組及燃?xì)夤徨仩t機(jī)組的實(shí)際碳排放,t/h;βe為實(shí)際單位電力碳排放系數(shù),1.08 t/(MW·h);βh為實(shí)際單位熱力碳排放系數(shù),0.065 t/GJ。

CCT=c(Cgrid,a-Cgrid+CGB,a-CGB+CCHP,a-CCHP)

(17)

式中:CCT為最終碳交易成本,元;c為碳交易基準(zhǔn)價(jià)格,0.25元/kg[21]。

2.3.2 能源供應(yīng)平衡約束

下層優(yōu)化模型中主要包括能源功率平衡約束、能源供應(yīng)設(shè)備運(yùn)行約束、與電網(wǎng)功率交互約束、能源轉(zhuǎn)換約束等。式(18)為系統(tǒng)電力平衡約束,式(19)為熱力平衡約束,式(20)為氫平衡約束,式(21)為氫能樞紐能量平衡約束。

(18)

(19)

(20)

(21)

2.3.3 熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組運(yùn)行約束

(22)

(23)

(24)

(25)

2.3.4 燃?xì)忮仩t機(jī)組運(yùn)行約束

(26)

(27)

(28)

2.3.5 電解槽-燃料電池耦合機(jī)組運(yùn)行約束

不同于電化學(xué)儲(chǔ)能,氫儲(chǔ)能系統(tǒng)既能參與電網(wǎng)交互,也能同時(shí)參與熱網(wǎng)循環(huán)。在整個(gè)風(fēng)電-電解槽-儲(chǔ)氫罐-燃料電池系統(tǒng)中,將風(fēng)電產(chǎn)生的電能輸入電解槽,通過電解槽熱交換器使電解質(zhì)與循環(huán)水進(jìn)行熱交換,從而實(shí)現(xiàn)熱量供給。同時(shí),將生成的部分氫氣分配至儲(chǔ)氫罐進(jìn)行存儲(chǔ);再將部分氫氣輸送至燃料電池陽極,氫氣在陽極通過覆蓋有催化劑的質(zhì)子交換膜被催化分解為質(zhì)子,這些質(zhì)子通過質(zhì)子交換膜到達(dá)陰極。氫氣在分解過程中釋放出電子,通過負(fù)載將引至陰極發(fā)電。在陰極,質(zhì)子與氧、電子結(jié)合生成水。燃料電池反應(yīng)產(chǎn)生的水和熱量通過氣體擴(kuò)散層從系統(tǒng)中排出,熱水直接進(jìn)入熱水網(wǎng)絡(luò),參與熱循環(huán)以滿足熱負(fù)荷需求[22]。

(29)

(30)

(31)

(32)

(33)

(34)

(35)

2.3.6 風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行約束

(36)

2.3.7 電網(wǎng)功率交互約束

(37)

(38)

(39)

2.3.8 基于KKT條件與大M法的雙層模型求解

在構(gòu)建的MTES-IES雙層模型中,上層模型針對(duì)多類型儲(chǔ)能最優(yōu)運(yùn)營(yíng)進(jìn)行求解調(diào)度,下層模型在協(xié)同低碳運(yùn)行的情況下進(jìn)行最優(yōu)求解。上、下層系統(tǒng)分別擁有各自的決策且相互影響,以多類型儲(chǔ)能系統(tǒng)與綜合能源系統(tǒng)兩者實(shí)現(xiàn)自洽為前提,最終實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的最優(yōu)調(diào)度。在調(diào)度過程中,雙層模型耦合下的計(jì)算迭代涉及上、下層變量的傳遞,計(jì)算方法較為復(fù)雜,因此采用KKT條件與大M法對(duì)雙層模型進(jìn)行降維、線性化處理。圖3為雙層優(yōu)化模型求解示意圖。

圖3 雙層優(yōu)化模型求解示意圖

KKT條件是拉格朗日乘子法的廣義化,也是凸約束問題得到全局最優(yōu)解的充分必要條件。因此,首先采用KKT條件對(duì)拉格朗日函數(shù)求解轉(zhuǎn)化,再采用大M法線性化進(jìn)行求解,模型求解轉(zhuǎn)換思路可分為以下3個(gè)部分。

(1) 提出協(xié)同低碳的MTES-IES雙層經(jīng)濟(jì)優(yōu)化模型,確立上層多類型儲(chǔ)能系統(tǒng)的經(jīng)營(yíng)優(yōu)化與下層綜合能源系統(tǒng)的低碳調(diào)度策略。

(2) 構(gòu)建模型所需的拉格朗日函數(shù),利用KKT條件將下層模型轉(zhuǎn)化為上層模型的約束條件,采用大M法進(jìn)行線性化處理,最終實(shí)現(xiàn)雙層模型的降維處理。

(3) 在MATLAB平臺(tái)中調(diào)用CPLEX求解,得到各時(shí)段異質(zhì)能源流動(dòng)調(diào)度狀態(tài),最終實(shí)現(xiàn)MTES-IES最優(yōu)經(jīng)營(yíng)運(yùn)行。

3 算例分析

MTES-IES雙層經(jīng)濟(jì)模型由CHP機(jī)組單元、GB機(jī)組單元、EL-HFC耦合機(jī)組單元、WT機(jī)組單元、PV機(jī)組單元和MTES單元構(gòu)成。在上層多類型儲(chǔ)能系統(tǒng)最優(yōu)經(jīng)濟(jì)性運(yùn)行為主導(dǎo)、下層綜合能源系統(tǒng)考慮低碳性的基礎(chǔ)上進(jìn)行經(jīng)濟(jì)優(yōu)化調(diào)度,實(shí)現(xiàn)雙層經(jīng)濟(jì)優(yōu)化模型的自洽運(yùn)行。系統(tǒng)根據(jù)各自最優(yōu)成本優(yōu)化各子系統(tǒng)供能策略。采用MATLAB 2023a建立優(yōu)化模型,周期為24 h,步長(zhǎng)為1 h,采用不同多類型儲(chǔ)能系統(tǒng)配置與不同能量?jī)?yōu)化調(diào)度策略。

3.1 基本參數(shù)

算例中的過渡季節(jié)典型日負(fù)荷和風(fēng)光發(fā)電功率預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)選自我國西北某地,風(fēng)電機(jī)組單機(jī)額定功率為30 kW,裝機(jī)容量為210 kW,光伏機(jī)組單機(jī)額定功率為0.28 kW,裝機(jī)容量為224 kW[23]。西北某地典型日電、熱負(fù)荷需求和可再生能源發(fā)電情況分別見圖4和圖5。

圖4 電、熱負(fù)荷需求示意圖

圖5 可再生能源發(fā)電功率示意圖

分時(shí)電價(jià)、氣價(jià)是引導(dǎo)用戶改變用能行為的重要措施,在構(gòu)建的綜合能源系統(tǒng)中加入分時(shí)電價(jià)、氣價(jià)能夠使系統(tǒng)在滿足能量自洽的情況下,進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)各個(gè)能源子系統(tǒng)的最優(yōu)經(jīng)濟(jì)性調(diào)度。詳細(xì)分時(shí)電價(jià)、氣價(jià)分別見表1和表2。

表1 分時(shí)電價(jià)

表2 分時(shí)氣價(jià)

表3 能源設(shè)備參數(shù)[20-22]

3.2 不同場(chǎng)景結(jié)果分析

對(duì)比分析多類型儲(chǔ)能協(xié)同低碳調(diào)度對(duì)綜合能源系統(tǒng)的影響,以典型日負(fù)荷曲線和風(fēng)電、光伏功率數(shù)據(jù)為支撐,設(shè)計(jì)了以下3個(gè)優(yōu)化仿真場(chǎng)景進(jìn)行計(jì)算。

場(chǎng)景1:僅考慮熱、電儲(chǔ)能接入,不考慮碳交易成本。

場(chǎng)景2:考慮風(fēng)電-電解槽-燃料電池-氫儲(chǔ)能耦合為能量樞紐接入,不考慮碳交易成本。

場(chǎng)景3:考慮電解槽-燃料電池-氫儲(chǔ)能耦合為能量樞紐接入,同時(shí)考慮碳交易成本。

在場(chǎng)景1中采用傳統(tǒng)電熱儲(chǔ)能系統(tǒng)雙層優(yōu)化調(diào)度模型,在場(chǎng)景2中將氫儲(chǔ)能接入整個(gè)綜合能源系統(tǒng)中,構(gòu)建了風(fēng)電-電解槽-燃料電池-氫儲(chǔ)能耦合能量樞紐,充分實(shí)現(xiàn)能量梯級(jí)利用,在場(chǎng)景1、2中均不考慮低碳協(xié)同優(yōu)化。在場(chǎng)景3的下層目標(biāo)優(yōu)化函數(shù)中增加了低碳協(xié)同優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)以實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)低碳調(diào)度。不同場(chǎng)景下各項(xiàng)成本參數(shù)及系統(tǒng)碳排放量對(duì)比分析如表4所示。

表4 不同場(chǎng)景中每日成本及碳排放量對(duì)比分析

由表4可知:在接入氫儲(chǔ)能之后,運(yùn)行過程中的余熱被充分利用,碳排放量降低了2 278.6 kg;在此基礎(chǔ)上采用低碳協(xié)同調(diào)度,通過對(duì)熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組調(diào)度進(jìn)行更加嚴(yán)格的限制,碳排放量進(jìn)一步降低了2.91%,同時(shí)系統(tǒng)整體運(yùn)行成本減少896.82元。

針對(duì)場(chǎng)景3中的供需結(jié)果進(jìn)行詳細(xì)分析。通過對(duì)多類型儲(chǔ)能耦合綜合能源系統(tǒng)進(jìn)行24 h仿真調(diào)度,實(shí)現(xiàn)異質(zhì)能源的最優(yōu)化調(diào)度。系統(tǒng)根據(jù)各自最優(yōu)成本優(yōu)化各子系統(tǒng)供能策略,求解得到各子系統(tǒng)各時(shí)段優(yōu)化調(diào)度出力,得到電、熱負(fù)荷最優(yōu)經(jīng)濟(jì)調(diào)度,分別見圖6和圖7。

圖6 電負(fù)荷最優(yōu)化經(jīng)濟(jì)調(diào)度

圖7 熱負(fù)荷最優(yōu)化經(jīng)濟(jì)調(diào)度

通過最優(yōu)負(fù)荷圖像可知:電負(fù)荷與熱負(fù)荷在時(shí)空上具有一定的互補(bǔ)性,在01:00:00—08:00:00之間,處于低電負(fù)荷與低電力價(jià)格時(shí)段,而此時(shí)用戶端所需的熱負(fù)荷較高。利用CHP機(jī)組的熱電耦合特性,提高了GB機(jī)組的綜合電熱利用,剩余熱負(fù)荷基本通過GB機(jī)組補(bǔ)償。在08:00:00—14:00:00時(shí)間段,電負(fù)荷逐漸增加,熱負(fù)荷需求逐步降低,此時(shí)通過CHP機(jī)組供應(yīng)熱量將使系統(tǒng)整體經(jīng)濟(jì)性降低,因此CHP機(jī)組與GB機(jī)組基本不再運(yùn)行。根據(jù)儲(chǔ)能系統(tǒng)低充高放的特性,在08:00:00—14:00:00時(shí)間段主要通過電儲(chǔ)能與氫燃料電池供應(yīng)電負(fù)荷,由于儲(chǔ)能系統(tǒng)與氫燃料電池在運(yùn)行過程中基本不會(huì)排放碳,因此該時(shí)段的系統(tǒng)基本實(shí)現(xiàn)零碳運(yùn)行。在14:00:00—20:00:00時(shí)間段,電負(fù)荷呈平緩下降趨勢(shì),熱負(fù)荷逐漸增加,由于CHP機(jī)組存在爬坡功率約束,僅能逐步增加輸出功率,電負(fù)荷不足部分通過儲(chǔ)能系統(tǒng)與電網(wǎng)購電進(jìn)行補(bǔ)充。在20:00:00—24:00:00時(shí)間段,系統(tǒng)電、熱負(fù)荷需求都趨于平緩,該時(shí)段CHP機(jī)組功率降低,HFC機(jī)組、EES出力逐漸增加,將多余電力部分向電網(wǎng)出售。

氫能作為綜合能源系統(tǒng)中的能量轉(zhuǎn)化樞紐,在經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)的前提下實(shí)現(xiàn)了可再生能源的消納,并轉(zhuǎn)化為電能、熱能以滿足系統(tǒng)的能量供應(yīng),同時(shí)降低CHP、GB等高碳排放機(jī)組的運(yùn)行功率,實(shí)現(xiàn)整個(gè)綜合能源系統(tǒng)的低碳經(jīng)濟(jì)調(diào)度。氫負(fù)荷平衡和氫能樞紐中心優(yōu)化調(diào)度示意圖分別見圖8和圖9。EL機(jī)組在24 h內(nèi)實(shí)現(xiàn)了滿負(fù)荷運(yùn)行,消納了全部可再生能源。同時(shí)由于CHP、GB機(jī)組都有爬坡約束限制,因此HFC機(jī)組在9:00:00—11:00:00、17:00:00—20:00:00和23:00:00—24:00:00時(shí)間段的出力較大,從而滿足系統(tǒng)對(duì)電力、熱力的需求。

圖8 氫負(fù)荷平衡

圖9 氫能樞紐中心優(yōu)化調(diào)度

圖10為雙向碳交易分時(shí)交易成本的結(jié)果。在雙向碳交易模式下,下層模型充分實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的低碳優(yōu)化調(diào)度。在00:00:00—09:00:00時(shí)間段,可以通過向碳交易中心出售多余的碳配額來獲取收益。在10:00:00—13:00:00時(shí)間段,由于機(jī)組熱力負(fù)荷逐步下降,CHP機(jī)組出力逐漸增加,GB機(jī)組出力逐漸降低,碳交易中心分配給系統(tǒng)的碳配額不能滿足機(jī)組碳排放需求,所以系統(tǒng)將向碳交易中心購買碳額度以滿足自身需求。在14:00:00—24:00:00時(shí)間段,熱負(fù)荷需求與電負(fù)荷需求不斷增加,通過雙層經(jīng)濟(jì)優(yōu)化調(diào)度模型,在充分實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)低碳調(diào)度的情況下,將多余碳配額出售給碳交易中心,進(jìn)一步提高M(jìn)TES-IES的經(jīng)濟(jì)性。

圖10 雙向碳交易分時(shí)交易成本

3.3 儲(chǔ)能系統(tǒng)荷電狀態(tài)分析

多類型儲(chǔ)能系統(tǒng)的荷電狀態(tài)(SOC)經(jīng)濟(jì)優(yōu)化調(diào)度見圖11。

圖11 多類型儲(chǔ)能系統(tǒng)SOC經(jīng)濟(jì)優(yōu)化調(diào)度示意圖

分析EES系統(tǒng)可知:在00:00:00—08:00:00時(shí)間段,電價(jià)處于平、谷段,EES系統(tǒng)主要進(jìn)行充電,系統(tǒng)SOC逐漸增加;在09:00:00—14:00:00時(shí)間段,隨著電負(fù)荷需求逐步增加至峰值的過程中,EES系統(tǒng)在滿足電力需求供應(yīng)的條件下,實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)調(diào)度,系統(tǒng)SOC處于波動(dòng)狀態(tài);在15:00:00—19:00:00時(shí)間段,電負(fù)荷需求呈下降趨勢(shì)且電價(jià)處于平價(jià)階段,EES系統(tǒng)將電能儲(chǔ)存,系統(tǒng)SOC逐漸增加;在19:00:00—24:00:00時(shí)間段,電負(fù)荷需求處于高位波動(dòng)狀態(tài),電價(jià)處于峰值階段,系統(tǒng)SOC逐漸降低,EES系統(tǒng)在滿足系統(tǒng)電力供應(yīng)平衡的情況下實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)性運(yùn)營(yíng)最優(yōu)調(diào)度。

分析TES系統(tǒng)可知:由于下層模型考慮協(xié)同低碳調(diào)度,碳交易中心對(duì)GB機(jī)組的碳配額相對(duì)較高,因此在00:00:00—08:00:00時(shí)間段,天然氣價(jià)格處于谷底階段,下層模型通過博弈計(jì)算決策,充分調(diào)動(dòng)TES系統(tǒng)進(jìn)行充電;在09:00:00—14:00:00時(shí)間段,用戶端熱負(fù)荷需求逐漸降低,此時(shí)能源價(jià)格上升,采用GB機(jī)組進(jìn)行熱供能將不再是最優(yōu)決策,結(jié)合上層模型中TES系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性協(xié)同優(yōu)化,該時(shí)段TES系統(tǒng)放熱基本為全負(fù)荷運(yùn)行,將釋放上個(gè)時(shí)間段存儲(chǔ)的熱能;在15:00:00—19:00:00時(shí)間段,熱負(fù)荷逐漸增加,將儲(chǔ)存部分富余熱能;在18:00:00—24:00:00時(shí)間段,熱負(fù)荷需求較高,TES系統(tǒng)將儲(chǔ)存的熱能釋放,以滿足負(fù)荷需求且實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)在雙層優(yōu)化下的經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)。

分析HES系統(tǒng)可知:在00:00:00—09:00:00時(shí)間段,HFC機(jī)組沒有運(yùn)行,因此HES系統(tǒng)一直處于充電狀態(tài);在10:00:00—15:00:00時(shí)間段,HFC機(jī)組供應(yīng)電負(fù)荷、熱負(fù)荷,同時(shí)將氫能逐漸釋放出來;在16:00:00—19:00:00時(shí)間段,電負(fù)荷需求相對(duì)較低,因此HES系統(tǒng)又逐步充電,并且該時(shí)段天然氣價(jià)相對(duì)較低,可將多余能量轉(zhuǎn)化存儲(chǔ)在HES系統(tǒng)中;在20:00:00—24:00:00時(shí)間段,電負(fù)荷、熱負(fù)荷需求都相對(duì)較高,此時(shí)將氫能通過HFC機(jī)組轉(zhuǎn)化為電能、熱能以供應(yīng)負(fù)荷需求。

由圖11可以清晰看出,電、熱、氫儲(chǔ)能系統(tǒng)均在24 h內(nèi)實(shí)現(xiàn)了“兩沖兩放”,基本符合儲(chǔ)能系統(tǒng)在實(shí)際中的運(yùn)行情況。

3.4 儲(chǔ)能系統(tǒng)初始SOC

不同氣候條件等因素影響可能造成儲(chǔ)能系統(tǒng)初始SOC存在差異。由于外部環(huán)境對(duì)鋰電儲(chǔ)能系統(tǒng)影響較大,因此僅分析鋰電儲(chǔ)能系統(tǒng)不同初始SOC對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的低碳經(jīng)濟(jì)運(yùn)行調(diào)度策略的影響,結(jié)果見圖12。

圖12 鋰電儲(chǔ)能系統(tǒng)初始SOC影響分析示意圖

EES系統(tǒng)運(yùn)行主要受分時(shí)電價(jià)、天然氣價(jià)等相關(guān)經(jīng)濟(jì)因素影響,在初始SOC改變的情況下,該系統(tǒng)中不同時(shí)段的充放電行為基本一致。在初始SOC低于0.4時(shí),系統(tǒng)在初始情況下優(yōu)先進(jìn)行充電;初始SOC在0.6以上時(shí),系統(tǒng)優(yōu)先進(jìn)行放電。因此,電儲(chǔ)能系統(tǒng)的SOC存在最優(yōu)解。通過對(duì)多類型儲(chǔ)能系統(tǒng)進(jìn)一步優(yōu)化仿真,得到多類型儲(chǔ)能系統(tǒng)最優(yōu)初始SOC,如圖13所示。

圖13 多類型儲(chǔ)能系統(tǒng)最優(yōu)初始SOC運(yùn)營(yíng)示意圖

根據(jù)仿真結(jié)果可知,多類型儲(chǔ)能系統(tǒng)存在最優(yōu)初始SOC,最優(yōu)值受各類型負(fù)荷需求、能源價(jià)格、能源系統(tǒng)運(yùn)行成本等相關(guān)參數(shù)的影響。后續(xù)將在此基礎(chǔ)上增加時(shí)間尺度,進(jìn)行各類型負(fù)荷預(yù)測(cè),考慮可消減負(fù)荷等因素影響,從而引導(dǎo)儲(chǔ)能系統(tǒng)進(jìn)行最優(yōu)經(jīng)濟(jì)調(diào)度。

4 結(jié)論

(1) 在上層多類型儲(chǔ)能優(yōu)化調(diào)度模型中,加入氫儲(chǔ)能系統(tǒng)可以充分消納可再生資源,構(gòu)建風(fēng)電-電解槽-燃料電池能量樞紐中心,充分利用電解槽、燃料電池在制氫、用氫過程中產(chǎn)生的余熱,實(shí)現(xiàn)了異質(zhì)能量的充分利用。

(2) 將低碳調(diào)度模型加入下層綜合能源系統(tǒng)優(yōu)化模型,在平衡負(fù)荷需求的情況下,各個(gè)子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了低碳優(yōu)化調(diào)度。對(duì)比分析可知,場(chǎng)景3在場(chǎng)景2的基礎(chǔ)上碳排放量進(jìn)一步降低了2.91%。

(3) 提出了一種基于電-熱-氣-氫聯(lián)合協(xié)同低碳的雙層經(jīng)濟(jì)優(yōu)化模型,該模型實(shí)現(xiàn)了在低碳調(diào)度下多類型儲(chǔ)能系統(tǒng)與綜合能源系統(tǒng)不同利益主體的互利共贏,有效提高了供能品質(zhì)。