考慮動態(tài)時間間隔的綜合能源系統(tǒng)雙層優(yōu)化調(diào)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(diào)度指令周期是影響調(diào)度性能的關(guān)鍵因素之一。針對能量特性差異，提出了一種考慮日內(nèi)動態(tài)時間間隔的雙層優(yōu)化調(diào)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(diào)度時間間隔進行優(yōu)化調(diào)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(nèi)調(diào)度中，提出基于模型預(yù)測控制的快慢層動態(tài)滾動優(yōu)化調(diào)度模型，快慢層采用不同的調(diào)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(xiàn)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(nèi)動態(tài)時間間隔的雙層優(yōu)化調(diào)度模型能夠充分挖掘能源網(wǎng)絡(luò)特性差異，確定最優(yōu)調(diào)度指令間隔，降低調(diào)整成本并提高系統(tǒng)運行性能，從而實現(xiàn)IES網(wǎng)絡(luò)與多能設(shè)備的協(xié)調(diào)運行。

　　關(guān)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(xiàn)“碳達峰、碳中和”目標，多能耦合、協(xié)同供應(yīng)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(guān)鍵技術(shù)方向，是能源領(lǐng)域的重要發(fā)展趨勢之一[1]。ES是由多種異質(zhì)能源耦合而成的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)，根據(jù)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(diào)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(diào)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(wǎng)和建筑群的熱慣性，使得其調(diào)度時間間隔常為小時級，為慢動態(tài)系統(tǒng)。

　　IES中各設(shè)備的調(diào)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(diào)度優(yōu)化問題成為一個復(fù)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(diào)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(wù)雙碳目標的實現(xiàn)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(nèi)調(diào)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(yù)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(yù)測誤差等因素造成的優(yōu)化調(diào)度偏差，逐漸被應(yīng)用于IES日內(nèi)優(yōu)化調(diào)度中。

　　文獻[8,9]采用基于MPC的微網(wǎng)多時間尺度協(xié)調(diào)調(diào)度方法，日內(nèi)MPC以風(fēng)電、光伏及用戶冷熱電需求的超短期滾動預(yù)測值為基準，每隔固定時間間隔啟動一次;文獻[10]結(jié)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(wǎng)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(diào)度策略;文獻[12]日內(nèi)每4h修正日前反彈負荷曲線，并每min實時細化日內(nèi)反彈負荷曲線，反饋校正和滾動優(yōu)化調(diào)整微源出力;文獻[13]提出了基于分布式模型預(yù)測控制的綜合能源系統(tǒng)多時間尺度優(yōu)化調(diào)度方法，日前優(yōu)化以1h為時間間隔確定出力計劃，日內(nèi)滾動優(yōu)化以15min為間隔，實時調(diào)整以5min為間隔調(diào)整出力計劃。

　　以上文獻在上層日前調(diào)度均為小時級調(diào)度，在日內(nèi)調(diào)度階段通常先基于大時間尺度滾動優(yōu)化日前調(diào)度計劃，后基于分鐘級的實時運行狀態(tài)對系統(tǒng)的調(diào)度策略進行調(diào)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(diào)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(diào)度時，若調(diào)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(diào)度，浪費資源;而調(diào)度間隔時長較大時，雖然減少了冗余調(diào)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(diào)度時間間隔的選擇是影響調(diào)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(shè)備的控制特性差異，計及系統(tǒng)實時和預(yù)測運行狀態(tài)影響，建立計及動態(tài)時間間隔的日內(nèi)雙層調(diào)度模型，動態(tài)修正各子系統(tǒng)中設(shè)備的調(diào)度指令周期，對于優(yōu)化IES調(diào)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(diào)度模型。在日前調(diào)度中，以系統(tǒng)運行總成本最小為目標確定調(diào)度計劃;在日內(nèi)調(diào)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(diào)度策略的動態(tài)時間間隔決策模型，上層慢動態(tài)層根據(jù)系統(tǒng)運行狀態(tài)動態(tài)修正調(diào)度時間間隔，進一步減小上層調(diào)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(diào)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(zhuǎn)換裝置、燃氣輪機和儲能設(shè)備，能夠?qū)崿F(xiàn)多種形式能源之間的轉(zhuǎn)化、存儲、傳輸?shù)�。能量產(chǎn)生裝置包括風(fēng)機、光伏和微型燃氣輪機(Microgasurbine，MT);能量轉(zhuǎn)換裝置包括電轉(zhuǎn)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(shè)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(wǎng)絡(luò)之間交換、耦合關(guān)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(zhuǎn)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(nèi)部的能量轉(zhuǎn)換設(shè)備作為能源轉(zhuǎn)換器，通過其內(nèi)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(zhuǎn)換設(shè)備包括EB、EC和熱電聯(lián)產(chǎn)(ombinedHeatandPower，CHP)機組等。

　　2考慮動態(tài)時間間隔的IES調(diào)度策略

　　2.1IES經(jīng)濟調(diào)度模型包括日前優(yōu)化與日內(nèi)校正個階段。日前尺度以24小時為調(diào)度周期，針對開環(huán)調(diào)度在抗干擾能力和魯棒性上的不足，在日內(nèi)調(diào)度引入MPC方法。MPC方法于滾動時域的思想，結(jié)合系統(tǒng)當前運行狀態(tài)與將來的預(yù)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(fù)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(yù)測時域內(nèi)的某一性能指標達到最小[18]。根據(jù)異質(zhì)能源時間尺度快慢特性，提出將日內(nèi)調(diào)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)。基于MPC滾動優(yōu)化方法及動態(tài)時間間隔計算方法，獲得預(yù)測域和控制域內(nèi)系統(tǒng)調(diào)度計劃，根據(jù)優(yōu)化結(jié)果執(zhí)行控制域的調(diào)度計劃，并將其下發(fā)至快速控制層，等待其調(diào)度結(jié)束指令;預(yù)測域和控制域滾動優(yōu)化至下一個時間間隔，重復(fù)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(diào)度計劃指令，并根據(jù)其確定本層快動態(tài)電系統(tǒng)的優(yōu)化調(diào)度策略�？炜刂谱訉诱{(diào)度時間窗口較短，經(jīng)多個時間窗動態(tài)滾動優(yōu)化后，當下層調(diào)度時間窗口與上層時間窗口結(jié)束時間重疊后，則停止?jié)L動優(yōu)化，并向上層發(fā)送調(diào)度結(jié)束指令，進入慢速控制層的下一個時間窗重復(fù)調(diào)度和執(zhí)行。

　　2.2動態(tài)時間間隔的日內(nèi)雙層調(diào)度

　　2.2.1慢速層(上層)調(diào)度模型冷熱氣系統(tǒng)具有慢響應(yīng)特性，通常天然氣只需依靠日前調(diào)度決策、熱(冷)依靠日前調(diào)度決策和日內(nèi)滾動調(diào)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(jīng)濟性，反而會增大其調(diào)度成本;但考慮到IE中隨機性和不確定因素的影響，在日內(nèi)調(diào)度時又需要根據(jù)實際運行狀態(tài)對日前調(diào)度策略進行修正。由于冷熱氣系統(tǒng)實時運行狀態(tài)和預(yù)測狀態(tài)之間的偏差通常較小，日內(nèi)調(diào)度慢動態(tài)層應(yīng)根據(jù)調(diào)整調(diào)度成本與調(diào)度偏差之間的相關(guān)性，動態(tài)決策其是否需要執(zhí)行調(diào)度指令，即依據(jù)MPC實時結(jié)果判定動態(tài)調(diào)度時間間隔，以有效減少冗余調(diào)度，節(jié)省調(diào)度成本。

　　2.3動態(tài)時間間隔

　　現(xiàn)有基于MPC的調(diào)度時間間隔往往固定，而實際系統(tǒng)調(diào)度時，當參考軌跡與實際預(yù)測軌跡相差不大時或?qū)θ�局運行的調(diào)度結(jié)果影響較小時，無需下發(fā)調(diào)度指令，只有當預(yù)測軌跡與參考軌跡存在較大偏差時才下發(fā)調(diào)度指令，以減小冗余調(diào)節(jié)，在PC方法中考慮對調(diào)度性能的影響，采用動態(tài)調(diào)度時間間隔，將可以更好的提升調(diào)度性能。本文基于傳統(tǒng)PC的調(diào)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(yù)測軌跡與參考軌跡偏差，以確定調(diào)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(jīng)濟性更優(yōu)。系統(tǒng)向大電網(wǎng)購電滿足電負荷需求、電能通過EB轉(zhuǎn)化為熱能，通過P2G轉(zhuǎn)化為氣能，通過轉(zhuǎn)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(dān)熱負荷需求，氣負荷主要由購氣和P2G設(shè)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(wǎng)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(zhuǎn)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(dān)主要冷負荷，天然氣承擔(dān)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(diào)度結(jié)果具有較大的影響。選取本算例IES系統(tǒng)的日前運行數(shù)據(jù)，日內(nèi)運行數(shù)據(jù)設(shè)定為組數(shù)據(jù)，從數(shù)據(jù)至數(shù)據(jù)，預(yù)測偏差逐步增大。可見，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(diào)整時間增大，減小了調(diào)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(nèi)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(jù)該系統(tǒng)的日前調(diào)度計劃，參照歷史統(tǒng)計數(shù)據(jù)確定日內(nèi)動態(tài)時間間隔閾值。

　　3.2不同模型下日內(nèi)調(diào)度結(jié)果對比

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

　　對比兩種策略出力結(jié)果可見：①由于電能變化對實時平衡要求高，策略會提高調(diào)整次數(shù)占比，降低電能運行平衡度。②策略調(diào)整次數(shù)與調(diào)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(nèi)參與的變量多，調(diào)整量將根據(jù)調(diào)整成本系數(shù)差別平攤到各個變量，導(dǎo)致各設(shè)備均或多或少參與到了調(diào)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(diào)整，將負荷差額由快動態(tài)層調(diào)整平衡，極大減少了冷熱相關(guān)設(shè)備的調(diào)整次數(shù)。盡管快動態(tài)層的電力設(shè)備調(diào)整占比普遍高于慢動態(tài)層，但由于其具有快速響應(yīng)特性，并不會降低系統(tǒng)的運行性能，相對于策略，策略設(shè)備的調(diào)整占比總體減小.9，同時，考慮到氣網(wǎng)交互、與外電網(wǎng)交互頻率的總調(diào)整占比也減小了5.3，由電網(wǎng)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(nèi)計及動態(tài)時間間隔的快慢雙層調(diào)度模型可以根據(jù)能量的快慢特性設(shè)定不同調(diào)度時間間隔，同時針對慢動態(tài)系統(tǒng)根據(jù)動態(tài)時間間隔決策指標動態(tài)調(diào)整調(diào)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(jié)論

　　針對綜合能源系統(tǒng)能量耦合復(fù)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(jīng)濟調(diào)度模型。在日前尺度中，對電、冷、熱、氣能以相同的調(diào)度時間間隔進行協(xié)調(diào)優(yōu)化。在日內(nèi)調(diào)度時采用能量分層優(yōu)化的調(diào)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(xiàn)可靠、靈活、高效的調(diào)度。本文主要結(jié)論如下：

　　1)動態(tài)時間間隔的決策指標可以根據(jù)系統(tǒng)狀態(tài)判斷系統(tǒng)是否需要下發(fā)調(diào)整指令，當系統(tǒng)偏差較大時，可以幫助實時調(diào)度，當系統(tǒng)偏差較小時，可以減少不必要的調(diào)度，減少調(diào)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(xiàn)能量的分層管理，解決了多模態(tài)異質(zhì)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(diào)度時間基準并加入動態(tài)時間間隔，下層以15min為調(diào)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(shè)備調(diào)整次數(shù)的優(yōu)化，使得調(diào)整次數(shù)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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