垃圾能源利用與城市多能源系統(tǒng)協(xié)同優(yōu)化模型

　　摘要隨著城市級多能源系統(tǒng)的快速發(fā)展和城市垃圾處理設(shè)施供能規(guī)模的不斷擴(kuò)大，考慮垃圾處理過程的多種能源供能協(xié)調(diào)優(yōu)化，并將其與城市多能源系統(tǒng)協(xié)同優(yōu)化進(jìn)行綜合考慮，是提高城市垃圾處理能力和資源化利用水平及綜合能源利用效率的重要途徑之一。該文將垃圾處理系統(tǒng)等效為一個以垃圾為輸入的供能系統(tǒng)，建立城市垃圾能源化利用供能系統(tǒng)(WRESS)、城市多能源系統(tǒng)和城市多源儲能系統(tǒng)三者協(xié)同優(yōu)化模型。首先，研究一定時間尺度內(nèi)可用于供能的城市垃圾產(chǎn)量、最大允許堆存量與其對應(yīng)的供能種類和供能特性之間的關(guān)系，建立垃圾能源化利用供能優(yōu)化模型;其次，針對垃圾能源化利用可調(diào)節(jié)特性與多能源系統(tǒng)、多能源儲能系統(tǒng)自身協(xié)調(diào)能力間關(guān)系，建立以運(yùn)行和調(diào)節(jié)成本最小為目標(biāo)的城市垃圾能源化利用與多能源系統(tǒng)協(xié)同優(yōu)化模型;最后以中國某城市實(shí)際垃圾處理與多能源運(yùn)行數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，通過三個場景仿真驗(yàn)證所提模型的有效性。仿真結(jié)果表明，該模型在提高城市垃圾處理能力的同時，能夠有效降低多能源系統(tǒng)運(yùn)行成本并提升系統(tǒng)調(diào)節(jié)能力。

　　關(guān)鍵詞：多能源系統(tǒng)垃圾能源化利用能源利用效率多源儲能

　　0引言在能源互聯(lián)網(wǎng)的背景下，針對高比例可再生能源并網(wǎng)后城市電、熱、氣系統(tǒng)間的互補(bǔ)協(xié)調(diào)及調(diào)節(jié)能力弱的問題[1-4]，一方面，多源轉(zhuǎn)換與存儲裝置所構(gòu)成的多源儲能系統(tǒng)接入，可作為一種靈活性資源為城市多能源系統(tǒng)提供較大的調(diào)節(jié)能力;另一方面，隨著垃圾能源化利用技術(shù)的發(fā)展，考慮城市垃圾的處理及堆存能力，利用垃圾供能具有成為靈活性資源的潛力[5-8]。而如何利用垃圾能源化利用特性與城市多能源供給、轉(zhuǎn)換、存儲間協(xié)同運(yùn)行，以提高城市能源利用效率和系統(tǒng)運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性，是城市多能源系統(tǒng)研究的一個關(guān)鍵問題。

　　能源方向評職知識：能源與環(huán)境課題研究方向

　　目前國內(nèi)外針對垃圾再利用供能的研究主要集中在垃圾供能系統(tǒng)設(shè)計(jì)、生物質(zhì)垃圾處理供能特性分析及優(yōu)化運(yùn)行等方面。文獻(xiàn)[9]為提高太陽能供電效率，提出了一種光伏-光熱-沼氣聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)模型;文獻(xiàn)[10]建立了生物質(zhì)沼氣池電熱輸出模型，為促進(jìn)可再生能源消納，提出含沼氣池供能的全可再生能源系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度模型;文獻(xiàn)[11]為充分利用偏遠(yuǎn)地區(qū)的垃圾廢物產(chǎn)生的生物質(zhì)能資源，構(gòu)建了風(fēng)柴儲生物質(zhì)獨(dú)立微網(wǎng)系統(tǒng)并提出雙模式優(yōu)化控制方案;文獻(xiàn)[12]針對生物質(zhì)發(fā)電效率低的問題，提出考慮生物質(zhì)能供能特性的綜合能源系統(tǒng)優(yōu)化模型。

　　上述文獻(xiàn)多是對垃圾能源化利用后自身供能特性與效率的研究，并沒有考慮在城市的垃圾堆存及處理能力約束下與多能源系統(tǒng)間的協(xié)同。針對多源儲能系統(tǒng)的研究，文獻(xiàn)[13]為提高多源儲能規(guī)劃后的投資效益，建立了多源儲能容量優(yōu)化配置模型;文獻(xiàn)[14]通過構(gòu)建電轉(zhuǎn)氣(PowertoGas,P2G)的能量轉(zhuǎn)換的模型，實(shí)現(xiàn)電能到氣能的存儲，為電氣耦合運(yùn)行提供一定的理論支撐;文獻(xiàn)[15]提出風(fēng)氫混合儲能與煤化工多能系統(tǒng)耦合優(yōu)化模型，以提高多源儲能系統(tǒng)投資建設(shè)的經(jīng)濟(jì)性;文獻(xiàn)[16]提出電熱氫多源儲能優(yōu)化運(yùn)行模型，實(shí)現(xiàn)在城市多能源系統(tǒng)中對電池儲能的替代。

　　而目前對于多源儲能系統(tǒng)的研究，多是儲能系統(tǒng)中多源轉(zhuǎn)換與存儲間的優(yōu)化運(yùn)行�？紤]城市存在的電、熱、氫、氣等多種能源類型，目前，國內(nèi)外人員在多能源網(wǎng)規(guī)劃、建模以及多能源系統(tǒng)優(yōu)化運(yùn)行與調(diào)度等方面開展了較多研究。對于多能源網(wǎng)絡(luò)建模優(yōu)化方面，文獻(xiàn)[17]基于能源集線器的數(shù)學(xué)建模，對城市多能源系統(tǒng)的電熱氣網(wǎng)進(jìn)行擴(kuò)展規(guī)劃，可有效減少多能源網(wǎng)間的傳輸損耗;文獻(xiàn)[18]提出考慮可再生能源供能不確定性的城市多能源網(wǎng)規(guī)劃模型，并進(jìn)行可靠性評估。

　　針對多能源系統(tǒng)優(yōu)化運(yùn)行與調(diào)度，文獻(xiàn)[19]考慮電熱氣多源負(fù)荷需求，建立了考慮綜合能源服務(wù)商的多能源優(yōu)化調(diào)度模型，可降低系統(tǒng)的運(yùn)行成本及碳排放量;文獻(xiàn)[20]給出了計(jì)及電熱氣三網(wǎng)可靠性與不確定性約束的多能源系統(tǒng)優(yōu)化運(yùn)行模式;文獻(xiàn)[21]以提高多能源系統(tǒng)運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性為目標(biāo)，建立了多能源系統(tǒng)中的電熱氣最優(yōu)能量模型。上述有關(guān)垃圾能源化利用、多源儲能及多能源系統(tǒng)優(yōu)化的研究為本文的研究奠定一定基礎(chǔ)，但仍有些問題需要解決：

　　1)對于垃圾處理系統(tǒng)的研究多是考慮垃圾處理系統(tǒng)自身的供能特性與效率，而對于一個城市，垃圾所產(chǎn)生的能量占城市能源供能總量的比例較小，進(jìn)而考慮其城市垃圾的堆存與處理能力，在一定程度上可當(dāng)作一種調(diào)節(jié)資源。但如何與城市能源生產(chǎn)、轉(zhuǎn)換、存儲與消費(fèi)協(xié)同運(yùn)行，以及在完成垃圾處理任務(wù)的同時，能夠給予多能源系統(tǒng)一定的調(diào)節(jié)彈性，是本文要解決關(guān)鍵問題之一。

　　2)垃圾能源供給的調(diào)節(jié)能力取決于城市垃圾的處理量和堆存量，在可再生能源并網(wǎng)比例不斷提高后，對于如何協(xié)調(diào)城市垃圾供能與多種類能源供需間的關(guān)系，并提高城市能源利用效率，有待進(jìn)一步研究。

　　3)在考慮電、熱、氣三網(wǎng)間安穩(wěn)運(yùn)行的前提下兼容多源儲能與垃圾能源化利用供能系統(tǒng)，將使現(xiàn)有城市能源系統(tǒng)構(gòu)架與形態(tài)特征發(fā)生根本變化，如何協(xié)同多能源系統(tǒng)與這兩種調(diào)節(jié)資源間的優(yōu)化運(yùn)行，對整個城市能源系統(tǒng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性和調(diào)節(jié)能力提出了更高挑戰(zhàn)。針對上述問題，本文同時考慮城市多能源系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性、廢物處理能力，構(gòu)建了多源儲能模型與垃圾能源化供能系統(tǒng)(WasteResourcefulEnergySupplySystem,WRESS)模型。同時，提出了垃圾能源化供能、多源儲能及多能源系統(tǒng)協(xié)同運(yùn)行策略。然后，建立了垃圾能源利用與城市多能源系統(tǒng)協(xié)同優(yōu)化模型。最后，通過設(shè)置三種場景進(jìn)行仿真，驗(yàn)證了本文提出模型的可行性和有效性。

　　1系統(tǒng)構(gòu)成

　　本文提出的WRESS、多源儲能系統(tǒng)及多能源系統(tǒng)的協(xié)同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)�？紤]到一個城市的人口、規(guī)模等因素，其垃圾處理和堆存能力是在一定范圍內(nèi)。然而利用高比例可再生能源為城市供給具有高不確定性，所以在城市多能源系統(tǒng)中，考慮城市垃圾再利用后的供能特性，通過WRESS與多源儲能系統(tǒng)兩種調(diào)節(jié)資源與多能源系統(tǒng)的協(xié)同優(yōu)化，可應(yīng)對可再生能源的不確定性和波動性，滿足城市多源負(fù)荷需求，提高城市能源利用效率。

　　1.1城市垃圾能源化供能系統(tǒng)模型

　　城市垃圾處理系統(tǒng)在通過垃圾的轉(zhuǎn)運(yùn)之后，將可燃垃圾輸入到垃圾焚燒電廠，作為能源的供給側(cè)，在處理垃圾的同時進(jìn)行供電供熱，考慮建設(shè)成本及城市垃圾的產(chǎn)生量，其裝機(jī)容量在城市供能系統(tǒng)比例較小，在一些時刻可以當(dāng)作備用機(jī)組參與電網(wǎng)調(diào)峰。對于城市中的糞污污水類垃圾，目前處理系統(tǒng)較為完善，在通過干濕分離、轉(zhuǎn)移等措施之后，利用生物質(zhì)技術(shù)對其進(jìn)行處理得到沼氣，而沼氣可通過提純得到天然氣，進(jìn)行天然氣的配送。整個垃圾處理系統(tǒng)運(yùn)行中，日常耗能與產(chǎn)能相比，所消耗的電能、熱能、氣能較小，可歸算到廠用電中。因此，本文將其整個垃圾處理系統(tǒng)等效為一個垃圾能源化利用的供能系統(tǒng)。

　　2WRESS、多源儲能與多能源系統(tǒng)協(xié)同優(yōu)化模型

　　為提高城市能源利用效率及運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性，考慮城市垃圾的產(chǎn)出、運(yùn)輸、處理、堆存與城市的多種類能源的供給、轉(zhuǎn)換、存儲特性，利用WRESS與多源儲能系統(tǒng)和多能源系統(tǒng)協(xié)同運(yùn)行策略，以經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)為目標(biāo)進(jìn)行協(xié)同優(yōu)化。

　　2.1目標(biāo)函數(shù)

　　本文構(gòu)建城市能源系統(tǒng)運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性的目標(biāo)函數(shù)主要考慮五個方面：①WRESS、多源儲能系統(tǒng)及多能源系統(tǒng)的運(yùn)行維護(hù)成本C1;②在城市自身能源供給不足時，向上級電網(wǎng)、氣網(wǎng)進(jìn)行購電、購氣的成本C2;③對于WRESS及熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組進(jìn)行供能時產(chǎn)生的污染物的處理成本C3;④熱電機(jī)組運(yùn)行時的煤耗成本C4;⑤為滿足上級電網(wǎng)、氣網(wǎng)調(diào)節(jié)需求所獲得的供能和儲能收益，以及進(jìn)行多種類垃圾處理所獲得的政府補(bǔ)貼構(gòu)成的總收益C5。

　　3仿真

　　3.1基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

　　本文利用中國東北某城市數(shù)據(jù)進(jìn)行仿真分析。該城市的可再生能源裝機(jī)容量4000MW，其中風(fēng)電機(jī)組裝機(jī)容量2500MW，光伏機(jī)組裝機(jī)容量1500MW，熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組容量3000MW。該城市最大用電負(fù)荷7000MW、熱負(fù)荷1000MW、氫負(fù)荷500MW、氣負(fù)荷800MW。日處理3000t垃圾的垃圾焚燒電廠兩座，每個垃圾焚燒電廠的裝機(jī)容量為200MW。該城市糞污污水處理系統(tǒng)可日處理350萬m³污水和3000t糞便，整個系統(tǒng)每天可為城市提供天然氣40萬m³，可滿足城市日氣負(fù)荷需求的10%。該城市有可燃類垃圾堆存量為700萬t。

　　3.2優(yōu)化運(yùn)行分析

　　針對本文提出的WRESS、多源儲能與多能源系統(tǒng)協(xié)同優(yōu)化模型，本文分為以下三個場景進(jìn)行仿真分析：場景一：只考慮多源儲能與城市多能源系統(tǒng)協(xié)調(diào)運(yùn)行，垃圾處理方式采用傳統(tǒng)的填埋、焚燒、轉(zhuǎn)運(yùn)等，垃圾處理過程并未有能源輸出。場景二：在場景一的基礎(chǔ)上加入WRESS，但城市垃圾處理系統(tǒng)按照自己的處理需求運(yùn)行，并未考慮其能源供需特性與城市多能源系統(tǒng)協(xié)同。場景三：同時將WRESS和多源儲能系統(tǒng)當(dāng)作調(diào)節(jié)資源，并利用本文提出的運(yùn)行策略與多能源系統(tǒng)進(jìn)行協(xié)同優(yōu)化。

　　4結(jié)論

　　本文通過建立WRESS與多源儲能系統(tǒng)模型，并考慮城市的垃圾產(chǎn)量和堆存量，提出WRESS、多源儲能系統(tǒng)、城市多能源系統(tǒng)協(xié)同運(yùn)行策略;考慮WRESS與多源儲能系統(tǒng)的調(diào)節(jié)靈活性，建立垃圾能源利用與城市多能源系統(tǒng)協(xié)同優(yōu)化模型;在仿真驗(yàn)證中設(shè)立三種場景進(jìn)行分析得到以下結(jié)論：

　　1)本文利用WRESS與多源儲能系統(tǒng)作為靈活性資源參與多能源系統(tǒng)進(jìn)行協(xié)同優(yōu)化，充分利用WRESS與多源儲能的調(diào)節(jié)能力，同時提高垃圾處理能力與城市能源利用率。

　　2)考慮城市的垃圾處理與能源系統(tǒng)運(yùn)行的差異性，提出WRESS、多源儲能與多能源系統(tǒng)協(xié)同運(yùn)行策略，利用城市垃圾的能源利用特性與多源儲能系統(tǒng)和多能源系統(tǒng)進(jìn)行協(xié)同優(yōu)化，可減少熱電機(jī)組的煤耗量及外購電量、氣量，有效降低了城市能源系統(tǒng)的運(yùn)行成本。

　　3)本文提出的WRESS、多源儲能與多能源系統(tǒng)協(xié)同優(yōu)化模型，在滿足城市能源供需平衡的基礎(chǔ)上，可提高城市內(nèi)電網(wǎng)氣網(wǎng)的調(diào)節(jié)靈活性并減少上級電網(wǎng)和氣網(wǎng)的壓力，在未來能源互聯(lián)網(wǎng)及城市垃圾資源化的建設(shè)中提供一定理論支持。

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　　作者：王澤鏑1滕云1閆佳佳1陳哲2

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