考慮動態(tài)時間間隔的綜合能源系統(tǒng)雙層優(yōu)化調度

　　摘要：由于多種能源動態(tài)特性存在快慢差異，在含電氣熱冷多種能源的綜合能源系統(tǒng)中，調度指令周期是影響調度性能的關鍵因素之一。針對能量特性差異，提出了一種考慮日內動態(tài)時間間隔的雙層優(yōu)化調度方法。首先，在日前尺度中，以系統(tǒng)運行總成本最小為目標，對電、冷、熱、氣能以相同的調度時間間隔進行優(yōu)化調度。其次，針對冷熱氣能的慢動態(tài)特性和電能的快動態(tài)特性，在日內調度中，提出基于模型預測控制的快慢層動態(tài)滾動優(yōu)化調度模型，快慢層采用不同的調度時間間隔長度，并在慢層建立指令周期時間間隔決策指標，實現對慢層指令周期時間的動態(tài)修正。算例分析表明，考慮日內動態(tài)時間間隔的雙層優(yōu)化調度模型能夠充分挖掘能源網絡特性差異，確定最優(yōu)調度指令間隔，降低調整成本并提高系統(tǒng)運行性能，從而實現IES網絡與多能設備的協(xié)調運行。

　　關鍵詞：綜合能源系統(tǒng);多時間尺度;動態(tài)時間間隔;能量特性

　　引言

　　為實現“碳達峰、碳中和”目標，多能耦合、協(xié)同供應的綜合能源系統(tǒng)(IntegratedEnergySystem，IES)成為緩解能源供需矛盾、促進低碳化的關鍵技術方向，是能源領域的重要發(fā)展趨勢之一[1]。ES是由多種異質能源耦合而成的復雜網絡，根據多種能源類型的互補特性以及能量梯級利用原則，對多能系統(tǒng)進行統(tǒng)一規(guī)劃和協(xié)調優(yōu)化運行[2,3]。IES包括電氣冷熱等多個子系統(tǒng)，供電子系統(tǒng)要求電能實時平衡，其調度時間間隔為秒級或分鐘級，為快動態(tài)系統(tǒng);而供熱和供氣子系統(tǒng)由于燃氣管道的管存特性、熱網和建筑群的熱慣性，使得其調度時間間隔常為小時級，為慢動態(tài)系統(tǒng)。

　　IES中各設備的調度時間間隔因各自的運行特性差異及所起的作用不同而有所差異[4]，從而使得IES調度優(yōu)化問題成為一個復雜的多時間尺度多能流的優(yōu)化問題。解決IES運行優(yōu)化調度問題，對于進一步提升能源系統(tǒng)整體能效和新能源利用率、服務雙碳目標的實現具有非常重要的意義。多時間尺度雙層優(yōu)化模型主要針對日前和日內調度計劃，目前常采用靜態(tài)優(yōu)化方法[5–7]和動態(tài)優(yōu)化方法[8。其中模型預測控制(ModelPredictiveControl，MPC)引入了狀態(tài)量反饋校正環(huán)節(jié)，通過閉環(huán)動態(tài)優(yōu)化，能夠修正預測誤差等因素造成的優(yōu)化調度偏差，逐漸被應用于IES日內優(yōu)化調度中。

　　文獻[8,9]采用基于MPC的微網多時間尺度協(xié)調調度方法，日內MPC以風電、光伏及用戶冷熱電需求的超短期滾動預測值為基準，每隔固定時間間隔啟動一次;文獻[10]結合多場景隨機規(guī)劃方法，更大限度地消除不確定性因素的影響;文獻[11]計及天然氣管網的慢動態(tài)特性，考慮暫態(tài)天然氣系統(tǒng)變量時段耦合的特性，提出了基于MPC的多時間尺度優(yōu)化調度策略;文獻[12]日內每4h修正日前反彈負荷曲線，并每min實時細化日內反彈負荷曲線，反饋校正和滾動優(yōu)化調整微源出力;文獻[13]提出了基于分布式模型預測控制的綜合能源系統(tǒng)多時間尺度優(yōu)化調度方法，日前優(yōu)化以1h為時間間隔確定出力計劃，日內滾動優(yōu)化以15min為間隔，實時調整以5min為間隔調整出力計劃。

　　以上文獻在上層日前調度均為小時級調度，在日內調度階段通常先基于大時間尺度滾動優(yōu)化日前調度計劃，后基于分鐘級的實時運行狀態(tài)對系統(tǒng)的調度策略進行調整，但所有能源層均采用統(tǒng)一時間尺度，并未考慮各能源層的時滯特性影響。由于IES電、氣、熱各子系統(tǒng)動態(tài)時間尺度不同，若采取相同的調度指令間隔，快動態(tài)系統(tǒng)如電力系統(tǒng)能迅速達到穩(wěn)定狀態(tài)，而慢動態(tài)系統(tǒng)如冷、熱、氣系統(tǒng)仍然處于動態(tài)過程[14,15]。

　　當系統(tǒng)中耦合的快模態(tài)與慢模態(tài)同時進行調度時，若調度間隔時長較小，可以準確的捕捉到電等快動態(tài)系統(tǒng)的動態(tài)過程，然而，對于熱氣等慢動態(tài)系統(tǒng)來說，極大的增加了系統(tǒng)冗余調度，浪費資源;而調度間隔時長較大時，雖然減少了冗余調度，但是會難以捕捉到快動態(tài)系統(tǒng)準確的動態(tài)過程性;調度時間間隔的選擇是影響調度策略優(yōu)劣的重要因素。因此，充分考慮IES中慢變系統(tǒng)和快變系統(tǒng)能量差異特性和各設備的控制特性差異，計及系統(tǒng)實時和預測運行狀態(tài)影響，建立計及動態(tài)時間間隔的日內雙層調度模型，動態(tài)修正各子系統(tǒng)中設備的調度指令周期，對于優(yōu)化IES調度策略具有非常重要的意義。

　　本文提出IES動態(tài)時間間隔決策指標，并基于此建立了考慮動態(tài)時間間隔的雙層MPC滾動優(yōu)化調度模型。在日前調度中，以系統(tǒng)運行總成本最小為目標確定調度計劃;在日內調度中，建立了考慮了電氣冷熱能量特性差異的雙層滾動優(yōu)化模型，提出了計及實時狀態(tài)及MPC調度策略的動態(tài)時間間隔決策模型，上層慢動態(tài)層根據系統(tǒng)運行狀態(tài)動態(tài)修正調度時間間隔，進一步減小上層調整成本，下層快動態(tài)層基于MPC方法采用固定時間間隔修正調度指令。最后，通過算例分析了動態(tài)時間間隔指標確定方法，驗證了本文所提方法的有效性。

　　1含電熱冷氣的IES系統(tǒng)模型

　　EH包含能源轉換裝置、燃氣輪機和儲能設備，能夠實現多種形式能源之間的轉化、存儲、傳輸等。能量產生裝置包括風機、光伏和微型燃氣輪機(Microgasurbine，MT);能量轉換裝置包括電轉氣(owertoas)、余熱鍋爐(Wasteeatoiler，WHB、電制冷機lectricChilleronditioning，EC、吸收式制冷機(Absorptionefrigerator，AR、電鍋爐(lectricoiler，EB);儲能設備包括ESPS、冰蓄冷、儲熱罐和儲氣罐;負荷包括電負荷、熱負荷、冷負荷和氣負荷。

　　能源集線器是一種描述多能源系統(tǒng)中能源、負荷、網絡之間交換、耦合關系的輸入輸出端口模型，涉及電、熱、氣、冷等多種能源的相互轉化、分配和儲存，具有很強的靈活性。分別為能量樞紐的輸出與輸入;為耦合矩陣。EH內部的能量轉換設備作為能源轉換器，通過其內部的電、氣、熱多種能流互補共濟，可以滿足多種負荷的用能需求。典型的能量轉換設備包括EB、EC和熱電聯(lián)產(ombinedHeatandPower，CHP)機組等。

　　2考慮動態(tài)時間間隔的IES調度策略

　　2.1IES經濟調度模型包括日前優(yōu)化與日內校正個階段。日前尺度以24小時為調度周期，針對開環(huán)調度在抗干擾能力和魯棒性上的不足，在日內調度引入MPC方法。MPC方法于滾動時域的思想，結合系統(tǒng)當前運行狀態(tài)與將來的預測狀態(tài)，獲得優(yōu)化控制序列，并將控制序列的第一項用于系統(tǒng)的實際控制。然后，重復執(zhí)行上述控制過程。MPC核心特征是通過在線求解一個約束優(yōu)化問題，做出系統(tǒng)下一時刻的控制決策，并使得預測時域內的某一性能指標達到最小[18]。根據異質能源時間尺度快慢特性，提出將日內調度分為快速控制子層和慢速控制子層的雙層滾動優(yōu)化模型，并在慢速控制子層引入動態(tài)時間間隔。

　　(1)慢速控制子層上層：用于優(yōu)化慢動態(tài)特性的冷熱氣系統(tǒng)�；�于MPC滾動優(yōu)化方法及動態(tài)時間間隔計算方法，獲得預測域和控制域內系統(tǒng)調度計劃，根據優(yōu)化結果執(zhí)行控制域的調度計劃，并將其下發(fā)至快速控制層，等待其調度結束指令;預測域和控制域滾動優(yōu)化至下一個時間間隔，重復上述過程; (2)快速控制子層下層：等待慢速控制子層控制域調度計劃指令，并根據其確定本層快動態(tài)電系統(tǒng)的優(yōu)化調度策略�？炜刂谱訉诱{度時間窗口較短，經多個時間窗動態(tài)滾動優(yōu)化后，當下層調度時間窗口與上層時間窗口結束時間重疊后，則停止?jié)L動優(yōu)化，并向上層發(fā)送調度結束指令，進入慢速控制層的下一個時間窗重復調度和執(zhí)行。

　　2.2動態(tài)時間間隔的日內雙層調度

　　2.2.1慢速層(上層)調度模型冷熱氣系統(tǒng)具有慢響應特性，通常天然氣只需依靠日前調度決策、熱(冷)依靠日前調度決策和日內滾動調度即可滿足運行需求，頻繁控制并不會提高其運行效率和經濟性，反而會增大其調度成本;但考慮到IE中隨機性和不確定因素的影響，在日內調度時又需要根據實際運行狀態(tài)對日前調度策略進行修正。由于冷熱氣系統(tǒng)實時運行狀態(tài)和預測狀態(tài)之間的偏差通常較小，日內調度慢動態(tài)層應根據調整調度成本與調度偏差之間的相關性，動態(tài)決策其是否需要執(zhí)行調度指令，即依據MPC實時結果判定動態(tài)調度時間間隔，以有效減少冗余調度，節(jié)省調度成本。

　　2.3動態(tài)時間間隔

　　現有基于MPC的調度時間間隔往往固定，而實際系統(tǒng)調度時，當參考軌跡與實際預測軌跡相差不大時或對全局運行的調度結果影響較小時，無需下發(fā)調度指令，只有當預測軌跡與參考軌跡存在較大偏差時才下發(fā)調度指令，以減小冗余調節(jié)，在PC方法中考慮對調度性能的影響，采用動態(tài)調度時間間隔，將可以更好的提升調度性能。本文基于傳統(tǒng)PC的調度方法，在指令下發(fā)前首先計算動態(tài)間隔時間決策指標，判斷預測軌跡與參考軌跡偏差，以確定調度指令。

　　3算例分析

　　1)2:00到06:00電價和天然氣價格雖然都處于低谷時段，但使用電比天然氣經濟性更優(yōu)。系統(tǒng)向大電網購電滿足電負荷需求、電能通過EB轉化為熱能，通過P2G轉化為氣能，通過轉化為冷能，BESPS在電價低谷時段進行充電。由EB、CHP機組和蓄熱槽放熱承擔熱負荷需求，氣負荷主要由購氣和P2G設備運行來滿足需求，同時儲氣罐儲氣;

　　2 )當電價處于高峰段時，購電量減少，BESPS放電滿足電負荷的缺額，EB、P2G減少出力，如時段16:00到21:00，P2G不出力，氣負荷由氣網購氣滿足，10:00—15:00，EB不出力，熱負荷主要由CHP機組和儲熱罐放熱滿足;3)在天然氣價格和電價均處于高峰時期時，如時段9:00—11:00時，購電購氣量均減少，熱負荷主要由氣能轉化滿足，同時蓄能裝置均放能;4)當電價處于平時段時，電制冷機依然承擔主要冷負荷，天然氣承擔主要負荷;5)當天然氣價格處于高峰時期，CHP出力較高電價低氣價時段出力有所減小。

　　3.1動態(tài)時間間隔決策指標的選取

　　動態(tài)時間間隔決策指標閾值的選取對調度結果具有較大的影響。選取本算例IES系統(tǒng)的日前運行數據，日內運行數據設定為組數據，從數據至數據，預測偏差逐步增大�？梢�，條曲線變化趨勢基本相同，隨著從逐步增大的過程中性能成本逐漸減小，在到0.09附近時達到最小值后，性能成本又逐漸增大;這是因為隨著增大，慢動態(tài)系統(tǒng)調整時間增大，減小了調整成本，而隨著的進一步增大，使得系統(tǒng)軌跡偏差大大增加，使得性能成本開始逐步增大。而條軌跡變化趨勢基本相同，則證明當日前運行方式確定時，日內的動態(tài)時間間隔的最優(yōu)閾值在某一固定值附近波動，故在實際運行過程中，可以根據該系統(tǒng)的日前調度計劃，參照歷史統(tǒng)計數據確定日內動態(tài)時間間隔閾值。

　　3.2不同模型下日內調度結果對比

　　為驗證本文所提考慮動態(tài)時間尺度的調度策略的有效性，分別對比以下三種策略下調度次數和調度成本。策略1：本文所提考慮動態(tài)時間間隔的快慢層調度模型;策略2：不考慮動態(tài)時間間隔的快慢層調度模型;策略3：考慮動態(tài)時間間隔的所有能源層統(tǒng)一調度模型.

　　對比兩種策略出力結果可見：①由于電能變化對實時平衡要求高，策略會提高調整次數占比，降低電能運行平衡度。②策略調整次數與調整占比整體高于策略，主要是因為前者統(tǒng)一優(yōu)化，電氣熱冷四個子層耦合，在優(yōu)化周期內參與的變量多，調整量將根據調整成本系數差別平攤到各個變量，導致各設備均或多或少參與到了調整計劃中。

　　③策略先進行慢動態(tài)層優(yōu)化，在保證機組出力平衡的約束下，盡量減少慢速層機組的調整，將負荷差額由快動態(tài)層調整平衡，極大減少了冷熱相關設備的調整次數。盡管快動態(tài)層的電力設備調整占比普遍高于慢動態(tài)層，但由于其具有快速響應特性，并不會降低系統(tǒng)的運行性能，相對于策略，策略設備的調整占比總體減小.9，同時，考慮到氣網交互、與外電網交互頻率的總調整占比也減小了5.3，由電網購售電和電池充放電滿足負荷差額。

　　綜上所述，本文所提日內計及動態(tài)時間間隔的快慢雙層調度模型可以根據能量的快慢特性設定不同調度時間間隔，同時針對慢動態(tài)系統(tǒng)根據動態(tài)時間間隔決策指標動態(tài)調整調度周期，充分挖掘和利用能量差異特性，提升系統(tǒng)運行性能。

　　4結論

　　針對綜合能源系統(tǒng)能量耦合復雜的特點，建立一種基于MPC動態(tài)時間間隔的雙層快慢動態(tài)時間尺度經濟調度模型。在日前尺度中，對電、冷、熱、氣能以相同的調度時間間隔進行協(xié)調優(yōu)化。在日內調度時采用能量分層優(yōu)化的調度策略，在慢動態(tài)層加入動態(tài)時間間隔，充分挖掘能量特性差異，實現可靠、靈活、高效的調度。本文主要結論如下：

　　1)動態(tài)時間間隔的決策指標可以根據系統(tǒng)狀態(tài)判斷系統(tǒng)是否需要下發(fā)調整指令，當系統(tǒng)偏差較大時，可以幫助實時調度，當系統(tǒng)偏差較小時，可以減少不必要的調度，減少調整成本。2)采取上層尺度優(yōu)化冷熱氣能、下層尺度優(yōu)化電能的順序，實現能量的分層管理，解決了多模態(tài)異質系統(tǒng)時間尺度選擇的難題。3)最大化利用能量差異特性，上層以小時為調度時間基準并加入動態(tài)時間間隔，下層以15min為調度時間間隔以滿足電氣對能量實時平衡的高要求，可以同時兼顧供需平衡和設備調整次數的優(yōu)化，使得調整次數減少50%。

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　　作者：馬紫嫣，賈燕冰，韓肖清，康麗虹，任海泉

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