西南地區用戶側綜合能源系統優化配置

　　摘 要： 綜合能源系統是多輸入多輸出系統，包含多種能源的輸入、轉換和儲存等設備。 我國西南地區擁有豐富可再生能源，適合建設多能互補的綜合能源系統。 文章考慮西南地區的能源結構，針對運行設備效率隨環境和出力變化的特點，建立設備的全工況能量轉換模型。 以系統的年投資運行成本為目標，建立了集電氣熱冷能于一體的西南地區綜合能源系統優化配置模型，并對模型進行分段線性化處理，降低模型的非線性度。 最后通過算例分析，得出了西南地區用戶側綜合能源系統在全工況用能場景下的最優配置，提高了經濟和環保雙重效益。

　　關鍵詞： 綜合能源系統; 多能互補; 優化配置; 全工況; 線性化

　　陳濤; 吳高翔; 周念成; 呂小紅; 劉維; 吳雪翚， 可再生能源 發表時間：2021-11-16

　　0 引言

　　我國西南地區地形架構遠距離能源輸送管道難度較大，且該地區為典型夏熱冬冷地區，熱、冷負荷較大。 但西南地區擁有豐富的可再生能源資源[1]，適合建設以水能、天然氣、風能與光能互補的綜合能源系統。 通過對西南地區綜合能源系統進行優化配置，可以實現可再生能源的大規模消納，提高能源的利用率[2]～[4]。

　　目前，關于用戶側綜合能源系統優化配置已有相關研究。 文獻[5]提出了含有冷熱電聯供和風電的綜合能源系統優化調度模型，并將天然氣系統安全約束集成到優化調度策略中。 文獻[6]考慮了電力系統與天然氣、 供熱系統的聯合優化運行，建立了基于機會約束規劃的熱電能量綜合優化模型。 文獻[7]根據新能源接入的波動不確定性和峰谷參數的不同，建立了一種電能、熱能、氫能集成的儲能系統及其協調優化配置模型。 文獻[8] 針對熱電聯供經濟調度問題，提出了多目標優化與綜合決策相結合的兩階段調度方法。 文獻[9]以優化配置能量樞紐的設備類型和容量為目標，考慮綜合需求側響應及能量樞紐運行約束，構建了可顯著降低年運行費用的優化配置模型。 文獻 [10]考慮熱、冷、電 3 種能源系統的耦合關系，以充分利用可再生能源、提高綜合系統能源利用效率為目標，提出一種綜合能源系統優化調度方法。上述研究以理想工況用能場景為基礎， 進行用戶側綜合能源系統優化配置， 但實際中由于環境及設備出力影響， 理想工況下的優化配置模型不夠精確，對系統規劃的準確性和合理性有較大影響。

　　本文針對用戶側綜合能源系統， 結合西南地區特定地域的能源現狀， 首先針對轉換效率系數變化的全工況用能場景， 建立了各設備的全工況數學模型。其次以綜合能源系統年投資、運行成本為目標，通過分段線性化處理和最小二乘法擬合，提出了一種面向西南地區用戶側的綜合能源系統優化配置模型。 最后通過算例驗證所提模型的有效性。

　　1 西南地區綜合能源系統典型結構

　　西南地區擁有豐富的水、 天然氣和風、 光資源。結合西南地區山地運輸條件及地質條件，臨近用戶設置具備發電、供熱、供冷功能的設備，在能源互補互濟和梯級利用基礎上， 建立綜合能源系統，其結構如圖 1 所示。

　　該系統利用以天然氣為燃料的燃氣鍋爐、燃氣內燃機、燃氣輪機等設備產生電力，其排放的高溫煙氣中所含的余熱被回收利用，冬季用于供暖，夏季用于驅動吸收式制冷機等設備供冷， 外部熱網還直接為負荷供熱。 系統中接入了風力、光伏、水能等可再生能源供電，其出力特性不可控，外部電網可直接為負荷供電。除了上述主要設備之外，為了增加系統供能的穩定性和可靠性，一般還要配備蓄能裝置等輔助設備。 綜合能源系統因包含天然氣、熱能、風能、太陽能、水能、電能等多種能源輸入和冷、熱、電能多種輸出，并有能源轉換裝置和蓄能裝置提供系統內能源的融合協同，一方面實現了能源梯級利用，另一方面實現不同能源系統之間的耦合，提高能源利用效率。

　　2 優化配置數學模型

　　2.1 目標函數

　　式中：C 為年度總成本;CI 為年投資成本;CO 為年運行成本;CE 為年運行能耗成本;CCE 為年環境成本;nequ 為設備的臺數;sequ 為單臺設備的容量; μequ 為設備的單位容量投資成本;r 為年利率;y 為設備的壽命;d 為典型日類別，d=1 表示冬季，d=2 表示夏季，d=3 表示過渡季;Nd 為典型日累計天數; Pequ 為設備的功率;λequ 為設備單位功率的運行成本;Pes，ch d，t 和 Pes，disd，t 分別為儲能 ES 的充能和放能功率;λes 為儲能單位充放能功率的成本;Pele,bd，t 為從外部電網的購電功率;Pele，s d，t 為向外部電網的售電功率;λde，b 和 λde，s 分別為購、 售電單價;Pgasd，t 為從外部氣網的購氣功率;λgas 為購氣單價;Ph d，t 為外部熱網的購熱功率;λh 為購熱單價;κ 為碳排放成本;γele，γgas 分別為單位電功率和天然氣功率的等 值 CO2 排 放 因 子 ;A 為 {GT，GE，PV，WT，GB， WB，AC，HP};B 為{EES，TES，CES}。

　　2.2 功率平衡約束

　　天然氣的燃料功率平衡約束、 水資源為主的熱、冷功率平衡約束、風光資源為主的電功率平衡約束分別為式中：Pgas，GE，i d，t ，Pgas，GT，i d，t ，Pgas，GB，i d，t 分別為天然氣內燃機、燃氣輪機和燃氣鍋爐在 t 時刻消耗的天然氣; PPVd，t ，PWTd，t ，Pe，GT，i d，t ，Pe，GE，i d，t 分別為光伏、風電、燃氣輪機和天然氣內燃機的輸出電功率;Pe，L d，t 為電負荷;Pess，ch d，t ，Pess，disd，t 分別為電儲能的充放電功率。 熱功 率 平 衡 約 束 中 ， Ph，GB，i d，t ，Ph，GE，i d，t ，Ph，WB，i d，t ，Ph，HPd，t 分別為燃氣鍋爐、天然氣內燃機、余熱鍋爐和水源熱泵的輸出熱功率;Ph，L d，t 為熱負荷;Phes，ch d，t ，Phes，disd，t 為熱儲能的充放能功率;Pc，ACd，t ，Pc，HPd，t 分別為吸收式制冷機和水源熱泵的輸出冷功率;Pc，L d，t 為冷負荷; Pces，ch d，t ，Pces，disd，t 為冷儲能的充放能功率; Psm，GE，i d，t ， Psm，GT，i d，t 分別為天然氣內燃機和燃氣輪機輸出高溫煙氣功率; Psm，WB，i d，t ，Psm，AC，i d，t 分別為余熱鍋爐和吸收式制冷機消耗的高溫煙氣功率。

　　式(14)表示天然氣內燃機功率為各區間功率之和， 且限制了天然氣功率只能位于一個功率區間內;式(15)表示天然氣功率在第 k 個區間內時，滿足式(13)，否則等于 0;而式(16)則限定了輸出電功率的所處的區間。為了進一步分析其他能量轉換模型的特點，圖 2 給出了相應功率關系曲線。 由 圖 2 可 知 ，缸 套 水 余 熱 、煙 氣 余 熱 功 率與電功率的關系曲線彎曲幅度較大，可以采用上述方法進行分段線性化處理。 燃氣輪機天然氣 功率 、熱功率與 電 功率，水 源 熱 泵 電 功 率 與輸出冷、熱功率關系曲線可以直接近似為一條線性函數，該函數系數可以通過最小二乘法獲得。

　　3 算例分析

　　3.1 參數設定

　　該地區夏季濕熱、 冬季陰冷， 冷熱供給需求大，年采暖和供冷需求長達 185 d 左右;所以該綜合能源系統選取時間段 365 d 分為冬季供熱典型日 95 d、 夏季供冷典型日 90 d 和過渡季典型日 180 d，分別獲得冬季、夏季和過渡季典型日的工況場景。 其中冬季、夏季、過渡季和新能源功率曲線如圖 4 所示。 系統中配置的水源熱泵考慮具備制熱制冷雙重工作模式， 在冬季進入制熱模式為系統提供熱量，在夏季進入制冷模式提供冷能。 在冬季，由于系統無制冷需求，吸入式制冷機被關閉[11]。

　　在綜合能源系統中， 輸入能源為風能、 太陽能、外購電力、熱能和天然氣。 其中，光照、風力的輸入成本為零;外購電力、熱力、天然氣的等效成本分別為 1.2，0.5，0.5 元/(kW·h)， 向外部電網售電價格為 0.2 元/(kW·h)。 本文中的各設備裝置參數如表 1 所示。

　　3.2 仿真結果分析

　　為了比較新能源系統對用戶側綜合能源系統優化配置的影響， 本文對是否考慮風光出力的綜合能源系統優化配置進行對比分析。 方案 1 未考慮風光出力， 外部電網和系統內天然氣通過燃氣內燃機和燃氣輪機可以為電負荷供電; 外部熱網和系統內天然氣通過燃氣鍋爐和燃氣內燃機可直接對熱負荷供熱， 也可通過煙氣使余熱鍋爐產生熱能; 系統內的電能通過燃氣內燃機和燃氣輪機產生的煙氣通過吸收式制冷機產生冷能。 系統內的蓄電、蓄熱、蓄冷裝置在系統內起到削峰填谷的作用。方案 1 不是最優配置的綜合能源系統，沒有風光出力導致購電成本、 運行成本和環境成本顯著增加。 方案 2 考慮風光出力，其中風力發電機、光伏設備分別配置 5 臺、1 臺，容量分別為 5 000 kW 和 1 000 kW。 風能和太陽能產生的電能可直接為電負荷供電，也可通過水源熱泵制熱制冷，分別供能給熱負荷和冷負荷， 方案 2 為最優配置的綜合能源系統。

　　由表 3 可知， 方案 2 的總成本比方案 1 減少 1 903.22 萬元，約為 67.07%。 方案 2 的投資成本高于方案 1，原因是風機和光伏設備的投入，然而方案 2 的運行維護成本、 運行能耗成本和環境成本均比方案 1 減少。 由于方案 2 中增加了 5 臺風機和 1 臺光伏設備， 且風機和光伏設備的投資成本較高，所以投資成本較方案 1 增加 211.21%，約為 337.33 萬元。 方案 2 中燃氣內燃機的數量顯著減少且風機、光伏設備接入，但是由于燃氣內燃機維護成本高，風機、光伏設備維護成本低，所以運行維護成本降低了 37.58%，約為 38.54 萬元。 由于可再生能源發電無需購電成本， 方案 2 中購電成本顯著降低，且熱泵成本低但需求顯著增加，蓄電成本高但需求顯著下降， 運行能耗成本也減少了 85.47%，約為 2 179.08 萬元。 方案 1 中依靠外部電網、熱網和系統內天然氣供能，而方案 2 中有風能和太陽能發電， 可再生能源的接入較傳統的能源利用方式而言，CO2 排放量顯著降低，環境治理 成 本 也 隨 之 降 低 ; 方 案 2 中 環 境 成 本 減 少 88.97%，約為 22.93 萬元。 因此，本文提出的用戶側可再生能源接入的綜合能源系統規劃模型比傳統的綜合能源系統有更好的經濟效益和環境效益。

　　3.3 全工況模型與恒定系數模型對比

　　考慮全工況場景， 采用本文建立的優化求解模型對系統配置進行求解; 同時使用恒定系數模型對系統進行配置， 其中恒定系數模型中設備轉換效率為常數，對比結果如表 4 所示。為了考查設備效率變化對配置結果的影響， 恒定系數模型分別采取了各設備在部份負載率(PLR)為 0.3 和 1.0 的效率，其余條件均與與全工況模型相同。

　　西南地區綜合能源系統優化配置模型選取了一年中冬季、夏季、過渡季中的典型日工況場景進行模擬，在算例中的求解時間為 7 850.54 s，可以滿足系統配置需求。 采用恒定系數 PLR=1.0 時，將得到 3 個方案中成本較低的配置結果， 而采用恒定系數 PLR=0.3 時，負載率低，將得到 3 個方案中成本較高的配置結果。 根據全工況模型和恒定系數模型成本對比， 采用全工況模型的年總成本為 934.33 萬元; 對于恒定系數模型， 在 PLR= 0.3 和 1.0 的情況下，年總成本分別為1 050.90, 9 11.27 萬元。 可見，在采用恒定系數模型對系統進行配置時，由于得出的成本結果較低或較高，用能經濟性和負荷多樣性得不到滿足。 采用全工況模型時， 由于設備轉換效率隨著系統出力變化而變化的特性，各種能源設備協調耦合工作，可滿足用戶用能需求并降低運行成本。

　　4 結論

　　基于西南地區特定地域的能源現狀， 以及系統內各運行設備效率隨環境和出力變化而變化的特點， 本文建立了一種全工況用能場景下的容量優化配置模型， 并得出了西南地區綜合能源系統的最優規劃配置方法。具體結論如下：①可再生能源接入的優化配置方案可以實現能源的梯級利用和多能互補，緩解高峰時段用電緊張，減少購電成本和碳排放成本， 從而提高系統的經濟效益和環境效益; ②采用恒定系數模型對系統進行優化配置， 可能導致無法滿足負荷要求或者運行成本較高， 而全工況模型轉換效率實時變化特性可得到更合理的配置結果。

　　利用本文所建立的用戶側綜合能源系統優化配置方法，通過系統能源輸入、轉換、儲存的互補，可使綜合能源系統在外部能源輸入、 西南地區本地資源供應、環境友好和系統配置合理條件下，最大程度上降低系統年度總成本。