本文摘要：摘要：園區(qū)能源應(yīng)用過程中會(huì)出現(xiàn)單一能源系統(tǒng)在各類型能源之間的利用效率低和運(yùn)營(yíng)成本高等問題，亟待構(gòu)建一套考慮P2G設(shè)備、CCHP聯(lián)供設(shè)備和電制冷機(jī)等多源系統(tǒng)的綜合能源系統(tǒng)�；谠O(shè)計(jì)的綜合能源系統(tǒng)多源協(xié)同優(yōu)化運(yùn)行結(jié)構(gòu)，設(shè)定多個(gè)優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)，包括投資收益率最大化
摘要：園區(qū)能源應(yīng)用過程中會(huì)出現(xiàn)單一能源系統(tǒng)在各類型能源之間的利用效率低和運(yùn)營(yíng)成本高等問題，亟待構(gòu)建一套考慮P2G設(shè)備、CCHP聯(lián)供設(shè)備和電制冷機(jī)等多源系統(tǒng)的綜合能源系統(tǒng)�；谠O(shè)計(jì)的綜合能源系統(tǒng)多源協(xié)同優(yōu)化運(yùn)行結(jié)構(gòu)，設(shè)定多個(gè)優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)，包括投資收益率最大化、碳減排率最大化和棄能率最小化，采用多目標(biāo)粒子群求解算法對(duì)模型進(jìn)行求解。算例結(jié)果表明：當(dāng)多能能源轉(zhuǎn)換設(shè)備參與系統(tǒng)中進(jìn)行協(xié)同運(yùn)行時(shí)，會(huì)造成機(jī)組的折舊成本不斷增加，從而導(dǎo)致園區(qū)綜合能源系統(tǒng)的凈效益有一定的增加;電轉(zhuǎn)換設(shè)備能夠有效降低棄能量，提高了碳減排率。
關(guān)鍵詞：多能轉(zhuǎn)化;P2G;綜合能源;碳減排;多目標(biāo)優(yōu)化
隨著能源危機(jī)問題的逐漸嚴(yán)重，可再生能源的使用能夠有效化解這一問題。然而不同的能源系統(tǒng)多以獨(dú)立模式運(yùn)行，導(dǎo)致能源利用率不高[1]。
此外，國(guó)內(nèi)能源發(fā)展模式也逐步向綜合能源方向轉(zhuǎn)變，但仍有很大的問題，例如在發(fā)電環(huán)節(jié)，大部分發(fā)電系統(tǒng)產(chǎn)生的熱量被釋放到大氣中，并沒有得到充分利用;供熱系統(tǒng)中雖然有將熱量轉(zhuǎn)化為熱能，但該過程中產(chǎn)生的高溫蒸汽沒有得到利用而被白白浪費(fèi);冷負(fù)荷供應(yīng)系統(tǒng)中，考慮到夏季冷負(fù)荷需求激增，目前多以電力供應(yīng)，導(dǎo)致電力負(fù)荷高峰甚至尖峰的出現(xiàn)，但發(fā)電環(huán)節(jié)產(chǎn)生的熱量并沒有得到應(yīng)用，能源利用率低下[2-3]。
因此，在當(dāng)前背景下，需要打破原有能源利用模式，開展能源子系統(tǒng)耦合關(guān)系分析，構(gòu)建綜合能源系統(tǒng)，從而提高能源利用效率[4-7]。已有研究成果對(duì)各類能源系統(tǒng)進(jìn)行研究，包括電能系統(tǒng)與天然氣系統(tǒng)、電能系統(tǒng)與熱能系統(tǒng)等，對(duì)不同能源子系統(tǒng)間的關(guān)聯(lián)關(guān)系進(jìn)行分析，但畢竟局限，只考慮了系統(tǒng)某一方面的效率，如經(jīng)濟(jì)性或者技術(shù)性。
因此，本文對(duì)單一能源子系統(tǒng)的能源利用率低和單獨(dú)運(yùn)行成本高等問題進(jìn)行了解析，重點(diǎn)考慮多種能源轉(zhuǎn)化設(shè)備，包括P2G設(shè)備、CCHP聯(lián)供設(shè)備和地源熱泵等，選取京津冀地區(qū)園區(qū)作為研究對(duì)象，構(gòu)建園區(qū)綜合能源系統(tǒng)，提出協(xié)同優(yōu)化運(yùn)行模式，并構(gòu)建多目標(biāo)優(yōu)化模型，包括棄能率最小、碳減排率最大和系統(tǒng)凈收益最大3個(gè)目標(biāo)，在此基礎(chǔ)上形成了綜合能源系統(tǒng)多源協(xié)同多目標(biāo)優(yōu)化模型。
1多能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)特征分析
在綜合能源系統(tǒng)中，由單一能源構(gòu)成的供能系統(tǒng)里，一般電源只有一種，例如光伏發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電、儲(chǔ)能系統(tǒng)和大電網(wǎng)直接供電等，由它們滿足電負(fù)荷需求;熱負(fù)荷需求需要通過熱儲(chǔ)能系統(tǒng)、外部熱網(wǎng)直接供熱等方式來滿足;冷負(fù)荷需求多以空調(diào)直接滿足;氣負(fù)荷需求也是通過外部氣網(wǎng)直接供應(yīng)來滿足的[8-11]。這類供能系統(tǒng)都有一個(gè)通病，即不同能源之間不能相互連通，從而出現(xiàn)了不同能源的利用效率都偏低的結(jié)果[12-15]。
在對(duì)單一供能系統(tǒng)存在問題分析的基礎(chǔ)上，結(jié)合不同能源轉(zhuǎn)換設(shè)備的特征，從多個(gè)供能子系統(tǒng)出發(fā)，將它們整合成一個(gè)供能整體。多能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)中涉及5類設(shè)備，包括電熱協(xié)同(電鍋爐、燃?xì)廨啓C(jī))、電氣協(xié)同(P2G)、熱氣協(xié)同(燃?xì)忮仩t)、電冷協(xié)同(電制冷機(jī))和熱冷協(xié)同(吸收制冷)。同時(shí)，結(jié)合不同源側(cè)的供能設(shè)備和能源轉(zhuǎn)化設(shè)備間的協(xié)同優(yōu)化運(yùn)行，從而滿足園區(qū)內(nèi)不同類型負(fù)荷的需求。
2模型構(gòu)建
2.1模型假設(shè)
本文所設(shè)計(jì)的綜合能源系統(tǒng)在運(yùn)行時(shí)，通過合理調(diào)整各類設(shè)備運(yùn)行啟停時(shí)間來控制系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)運(yùn)行效率最優(yōu)化。主要前提假設(shè)如下：1)電源主要是清潔能源供電、儲(chǔ)能設(shè)備和電網(wǎng)直供電，在園區(qū)用電低谷期，主要優(yōu)先通過光伏和風(fēng)電來滿足園區(qū)內(nèi)部的電負(fù)荷需求。2)熱源側(cè)包括熱鍋爐、儲(chǔ)熱、地源熱泵和外部熱網(wǎng)，來滿足熱負(fù)荷需求。3)氣源側(cè)包括P2G設(shè)備和外部氣網(wǎng)，來滿足氣負(fù)荷需求。
2.2目標(biāo)函數(shù)
通過對(duì)不同能源轉(zhuǎn)化設(shè)備及供能系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和運(yùn)行特點(diǎn)分析，同時(shí)考慮系統(tǒng)投資收益最大化、碳減排最大化和清潔能源棄能率最小化多個(gè)優(yōu)化目標(biāo)，構(gòu)建綜合能源多源協(xié)同優(yōu)化模型。
2.3約束條件
在考慮系統(tǒng)運(yùn)行的基礎(chǔ)上，需要將不同環(huán)節(jié)和設(shè)備運(yùn)行的約束條件納入到模型中，具體約束包括以下幾種。
2.3.1電平衡
電平衡是指對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)來說，其內(nèi)部的用電量和總發(fā)電量(包括外網(wǎng)供電)是實(shí)時(shí)平衡的，即：Pbe,t+PPVe,t+PWTe,t+PGTe,t+PESSd,t=Pse,t+PHPe,t+PEBe,t+PPGe,t+PACe,t+PESSc,t+PPVab,t+PWTab,t+Pelt(8)式中：Pbe,t，Pse,t分別為電網(wǎng)直購(gòu)電功率和售電時(shí)的功率;PWTe,t和PPVe,t分別為風(fēng)力發(fā)電功率和光伏發(fā)電功率;PGTe,t為燃?xì)忮仩t在t時(shí)刻的發(fā)電功率;PESSd,t和PESSc,t分別為儲(chǔ)能系統(tǒng)在t時(shí)刻的放電功率和充電功率;PHPe,t，PEBe,t，PPGe,t和PACe,t分別為地源熱泵、電鍋爐、P2G設(shè)備和電制冷機(jī)在t時(shí)刻的用電功率;Pelt為園區(qū)t時(shí)刻的電力實(shí)時(shí)負(fù)荷。
同時(shí)，在多源協(xié)同系統(tǒng)中，光伏和風(fēng)電的棄能與實(shí)際使用的發(fā)電量之和應(yīng)當(dāng)?shù)扔谇鍧嵞茉纯捎冒l(fā)電量：PPVe,t+PPVab,t=PPVt(9)PWTe,t+PWTab,t=PWTt(10)。
2.3.2熱平衡
由于構(gòu)建的綜合能源系統(tǒng)中有熱負(fù)荷來源于外網(wǎng)，因而將外網(wǎng)熱能交易考慮進(jìn)來，從而構(gòu)成完整的熱平衡，即：Pbh,t+PHPh,t+PEBh,t+PGBh,t+PGTh,t+PTSSd,t=Psh,t+PECh,t+PTSSc,t+Phlt(11)式中：Pbh,t，Psh,t分別為t時(shí)刻的外網(wǎng)購(gòu)熱功率和售熱負(fù)荷功率;PHPh,t，PEBh,t，PGBh,t和PGTh,t分別為t時(shí)刻地源熱泵、電鍋爐、燃?xì)忮仩t和余熱鍋爐的供熱功率;PTSSd,t，PTSSc,t分別為t時(shí)刻熱儲(chǔ)能的充、放熱功率;PECh,t為吸收制冷機(jī)的耗熱功率;Phlt為園區(qū)t時(shí)刻的熱負(fù)荷。
2.3.3氣平衡
在構(gòu)建的多源協(xié)同綜合能源系統(tǒng)中，考慮P2G能源轉(zhuǎn)換設(shè)備和外網(wǎng)供氣2個(gè)方面的氣平衡，即：Pbg,t+PPGg,t=Psg,t+PGBg,t+PGTg,t+Pglt(12)式中：Pbg,t，Psg,t分別為t時(shí)刻外網(wǎng)購(gòu)氣功率和售氣功率;PPGg,t為P2G設(shè)備t時(shí)刻的產(chǎn)氣功率;PGBg,t為燃?xì)忮仩t在t時(shí)刻的耗氣功率;PGTg,t為燃?xì)廨啓C(jī)在時(shí)刻的耗氣功率;Pglt為園區(qū)t時(shí)刻的用氣需求負(fù)荷。
3算例分析
選取京津冀地區(qū)某園區(qū)綜合能源系統(tǒng)典型日進(jìn)行算例分析，采用螢火蟲算法對(duì)模型進(jìn)行求解，此外，在系統(tǒng)多源協(xié)同優(yōu)化模型中，螢火蟲數(shù)量=80，光強(qiáng)系數(shù)=1.0，最大吸引力=1.0，最大迭代次數(shù)=300次，混沌搜索次數(shù)為20代，以及下層優(yōu)化模型中置信度水平取為0.95。
3.1基礎(chǔ)數(shù)據(jù)
算例中所構(gòu)建的多源協(xié)同綜合能源系統(tǒng)設(shè)計(jì)供能機(jī)組功率如下：150MW的風(fēng)電機(jī)組、50MW的光伏機(jī)組、20MW的燃?xì)廨啓C(jī)、30MW的氣儲(chǔ)能和30MW的余熱鍋爐機(jī)組。同時(shí)，為了簡(jiǎn)化計(jì)算，其他能源設(shè)備容量均設(shè)置為10MW。根據(jù)所選園區(qū)所在地的地理特征和園區(qū)典型日的供能情況，預(yù)測(cè)園區(qū)在典型日的光伏、風(fēng)電出力情況以及冷熱電負(fù)荷的需求情況。
其次，通過對(duì)國(guó)內(nèi)外能源市場(chǎng)價(jià)格的調(diào)研，折算出園區(qū)內(nèi)外部不同能源供給價(jià)格。結(jié)合構(gòu)建的多源協(xié)同綜合能源系統(tǒng)可知，能源轉(zhuǎn)換設(shè)備是影響清潔能源消納和系統(tǒng)運(yùn)行成本的重要影響因素，這里通過設(shè)置3種不同的場(chǎng)景，不同場(chǎng)景中所含能源轉(zhuǎn)換設(shè)備不同，從而為討論不同能源轉(zhuǎn)換設(shè)備對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行影響情況提供基礎(chǔ)。
在場(chǎng)景1中，不考慮能源轉(zhuǎn)換設(shè)備，即單一能源系統(tǒng);場(chǎng)景2則將燃?xì)忮仩t和CCHP機(jī)組納入到綜合能源系統(tǒng)中，提高氣能轉(zhuǎn)換效率;場(chǎng)景3又在場(chǎng)景2的基礎(chǔ)上將P2G、電制冷和地源熱泵納入到系統(tǒng)中，全面提升能源轉(zhuǎn)換效率。
3.2優(yōu)化結(jié)果分析
根據(jù)基礎(chǔ)參數(shù)和幾種不同場(chǎng)景設(shè)置，采用GAMS軟件對(duì)京津冀某園區(qū)的多源協(xié)同綜合能源系統(tǒng)進(jìn)行了算例分析，結(jié)果如下。
3.2.1場(chǎng)景1協(xié)同優(yōu)化結(jié)果
在場(chǎng)景1的參數(shù)設(shè)置中，園區(qū)負(fù)荷需求主要來源于光伏發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電和一些外網(wǎng)能源供應(yīng)，是比較簡(jiǎn)單的能源系統(tǒng)。雖然風(fēng)電能夠在園區(qū)負(fù)荷需求低谷期滿足電負(fù)荷需求，儲(chǔ)能設(shè)備在一定程度利用“低充高放”的原理能有效滿足園區(qū)用電高峰時(shí)刻的負(fù)荷需求，但仍有幾個(gè)高峰時(shí)段是不足以通過這種形式來滿足負(fù)荷需求的，需要通過外部電網(wǎng)供能滿足。儲(chǔ)熱設(shè)備同樣利用該原理，在外部熱網(wǎng)低價(jià)時(shí)購(gòu)買，在外部熱網(wǎng)高價(jià)時(shí)利用儲(chǔ)存的熱能滿足園區(qū)熱負(fù)荷需求，但這種形式能力也是有限的，大部分情況下都需要通過外部供熱系統(tǒng)來滿足熱負(fù)荷需求。
由于大部分情況下都需要外部電網(wǎng)供電，而外部電網(wǎng)電價(jià)會(huì)高于內(nèi)部電價(jià)(清潔能源發(fā)電)，導(dǎo)致該場(chǎng)景下的用戶用電成本較高，達(dá)到了99.53萬元;熱負(fù)荷供應(yīng)利用熱儲(chǔ)能設(shè)備進(jìn)行調(diào)節(jié)，但熱收益仍然較低，僅為0.67萬元。同時(shí)，由于該系統(tǒng)只考慮了儲(chǔ)電設(shè)備和儲(chǔ)熱設(shè)備，在緩解棄能問題方面的作用有限，導(dǎo)致其棄能水平仍然較高，達(dá)到了21.32%。綜合來看，該系統(tǒng)的棄能成本超過了1010萬元，導(dǎo)致其整體收益率不到10%，僅有9.3%。
3.2.2場(chǎng)景2協(xié)同優(yōu)化結(jié)果
場(chǎng)景2在場(chǎng)景1的基礎(chǔ)上，增加了燃?xì)忮仩t和CCHP機(jī)組，但儲(chǔ)能設(shè)備沒有改變，清潔能源利用情況相似，具體的冷熱電負(fù)荷滿足情況及不同能源的供給情況。由于氣轉(zhuǎn)換設(shè)備的參與，CCHP和燃?xì)廨啓C(jī)也參與到電負(fù)荷供應(yīng)系統(tǒng)中，在外網(wǎng)電價(jià)高峰時(shí)刻可以減少外網(wǎng)電能的購(gòu)買，用電高峰期可以額外滿足143MW的電負(fù)荷需求。同時(shí)，換熱裝置通過吸收余熱鍋爐的余熱，能夠在在6:00—12:00和17:00—19:00增加197.4MW的熱負(fù)荷供應(yīng)，燃?xì)忮仩t也能夠增加280MW的熱負(fù)荷供應(yīng)量，從而有效降低了外網(wǎng)購(gòu)熱量。此外，CCHP中的吸收制冷裝置通過將余熱鍋爐的余熱轉(zhuǎn)換為冷負(fù)荷進(jìn)行供應(yīng)，額外提供了219.15MW的冷負(fù)荷。
4結(jié)論
通過在單一供能結(jié)構(gòu)的能源系統(tǒng)中加入不同種類的能源轉(zhuǎn)換設(shè)備，從而提高綜合能源系統(tǒng)的能源利用率和減少清潔能源棄能率;同時(shí)通過多能轉(zhuǎn)換設(shè)備的使用，還可以利用協(xié)同作用滿足冷熱電負(fù)荷需求，提高系統(tǒng)協(xié)調(diào)能力。具體結(jié)論如下：1)通過研究多能轉(zhuǎn)換設(shè)備的特性和不同設(shè)備約束，構(gòu)建了以園區(qū)綜合能源系統(tǒng)收益率最大化、碳減排率最大化和清潔能源棄能率最小為目標(biāo)的協(xié)同優(yōu)化模型。2)選取了京津冀某園區(qū)進(jìn)行了算例分析，結(jié)果表明，單一能源系統(tǒng)供能水平低，需要較多的外部支持，導(dǎo)致系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)效益低，用戶成本用能成本高，達(dá)到了140萬元;同時(shí)，清潔能源棄能率高達(dá)21.32%。3)考慮多種能源轉(zhuǎn)換設(shè)備協(xié)同工作時(shí)，能夠有效提高能源利用率，降低清潔能源棄能率(不足10%，相比單一能源系統(tǒng)減少了10.76%);在滿足負(fù)荷需求的同時(shí)，經(jīng)濟(jì)方面的效益也很顯著，系統(tǒng)收益率相比場(chǎng)景1的結(jié)果增加了84.31%。
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作者：徐文濤1，張晶1，馬紅明2，孫藝新3，李夢(mèng)宇2，喻小寶4
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