PDF《考虑系统耦合性的综合能源协同优化》

考虑系统耦合性的综合能源协同优化 宋晨辉,冯健,杨东升,周博文,齐格(东北大学信息科学与工程学院,辽宁省沈阳市

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0 8

1 9 ) 摘要:综合能源系统( I E S ) 具有多能耦合的特点, 可实现电、 热、 天然气等能源的综合利用, 可以最 大化地发挥各能源间的协同作用和互补效益.

在此背景下, 文中构建了一种耦合电能、 热能以及天 然气能的I E S结构, 并给出能源耦合度等定义用于I E S耦合性的定量分析;

建立了以成本为目标 的I E S优化运行模型, 优化模型同时考虑了电、 热、 天然气网络约束;

针对系统运行时的电、 热、 天 然气耦合问题, 提出一种基于拉格朗日松弛的协同优化方法, 实现了I E S多能源优化时的解耦处 理;

最后, 基于7 1节点的I E S测试系统进行仿真分析, 验证了所提模型及方法的有效性, 并对I E S 优化结果与系统耦合性的映射关系做了定量分析. 关键词:综合能源系统;

耦合性;

优化运行;

拉格朗日松弛 收稿日期:

2 0

1 7 G

0 9 G

1 4;

修回日期:

2 0

1 7 G

1 1 G

1 3. 上网日期:

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1 8 G

0 1 G

1 2. 国家自然科学基金资助项目(

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6 7

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9 3 ) ;

中央高校基本科研 业务费专项 资金资助项目( N

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0 4

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0 0 3) ;

新能源电力系统国家重点实验室开放课题研究项目( L A P S

1 7

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3 ) .

0 引言 随着社会经济水平迅速发展, 能源危机也在不 断加剧, 据统计, 中国人均资源拥有量不足世界平均 水平的1 / 2, 其中7 0%为不可再生的化石能源, 而单 位国内生产总值( G D P) 能耗却是世界平 均水平的 2. 5倍[ 1] , 同时化石能源的广泛使用, 也给生态环境 带来了巨大压力.可再生能源技术的飞速发展与大 范围推广, 为解决能源和环境污染问题提供了有效 途径.国家开始大力推动风能、 光能等可再生清洁 能源利用, 但随之也带来了新能源的消纳与并网问 题[ 2] .因此, 亟需建立一种利用率高、 智慧、 安全、 可 持续的新型能源利用模式[ 3] . 传统的能源利用模式中, 按照能源类型可将能 源系统划分为电力系统、 热力系统以及天然气系统, 各能源系统由于物理特性区别, 在系统规划设计以 及运行控制中存在不同特征[ 4] .而将电能、 热能以 及天然气调度供应割裂开来的传统供用能方式, 未 考虑电力系统、 天然气系统和热力系统间的联系, 不 能充分发掘各自的供能优势与潜力, 降低了能源供 应模式的灵活性[ 5] .例如热能易于存储[ 6] , 但难以 实现利用时的灵活控制, 同时其传输损耗较大;

而电 能虽然具有分布范围广, 传输速度快, 控制手段灵活 等优势, 但其即发即用, 难以大容量、 长时间存储的 弊端却带来了电网高渗透率下的清洁能源消纳问 题.因此, 对电、 热、 气综合能源优化运行及其耦合 关系 进行研究, 符合综合能源系统(integratedenergys y s t e m, I E S) 运行时的多能耦合互补特征, 有利于提高能源的综合利用效率. 目前, 国内外学者对多能源耦合及优化运行已 经做出了一定研究.文献[

7 ] 提出一种基于电力网、 液压和热水回路以及耦合元件的电热网络联合分析 方法, 并通过一种分解集成算法降低了优化时的迭 代次数;

文献[

8 ] 针对大不列颠地区的风电、 天然气 及储能联合运营情况, 提出了一种考虑天然气管网 非线性特征的电、 气联合优化策略, 并采用随机规划 对常规机组进行调度以满足风电预测的随机性;

文献[

9 ] 提出了一种电、 热、 气多能源最优能流的解耦 求解方法, 通过引入多智能体对各能源进行协同优 化, 从而确定成本最优时的系统运行方式;

文献[

1 0 ] 在电、热联合供能系统中引入了热电联产(combinedh e a ta n dp o w e r , CH P) 及热泵等单元来 提高系统运行的灵活性, 优化过程的同时考虑了建 筑物的热 惯量及用户满意度等需求侧特性;

文献[11]对冷热电联供系统和热网 组成的多区域I E S 进行了研究, 通过多区域冷热电量及系统容量的协 同配置, 实现系统规划运行时的成本最优;

文献[

1 2 ] 通过建立电力―天然气区域I E S 的稳态模型, 重点 研究了天然气网络状态变化对其他耦合能源系统状 态的影响. 但已有的I E S优化运行模型, 往往在结构特征

8 3 第4 2卷第1 0期2018年5月2 5日Vol.42N o .

1 0 M a y2 5,

2 0

1 8 D O I :

1 0.

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0 0 / A E P S

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8 h t t p : / / ww w. a e p s G i n f o . c o m 上做了简化, 对电、 热、 气能源间的耦合性考虑不足, 能源间的耦合性分析多集中于定性讨论, 缺乏定量 分析, 进而难以准确评估系统运行时由多能耦合带 来的互补效益.为此, 本文构建了一种较为完备的 同时耦合电力、 热力以及天然气的I E S, 并通过能源 耦合度等相关定义的建立, 对I E S的耦合性进行了 定量描述;

之后建立了以运行成本为目标的I E S优 化模型, 针对I E S运行时多能耦合特性带来的求解 困难, 提出一种基于拉格朗日松弛(Lagrangianrelaxation,LR) 的求解方法, 并针对传统 L R 方法中 收敛速度慢、 迭代振荡等问题, 提出了改进算法.最后, 基于7 1节点的I E S测试系统, 验证了本文所述 模型及方法的有效性, 并对I E S运行成本与耦合性 的映射关系及规律做了定量分析.

1 I E S结构和系统耦合性 1.

1 系统结构 I E S在能源的生产、 消费等环节中, 同时耦合了 电能、 热能以及天然气能等多种能源形式[

1 3] , 本文 所述的I E S基本形态结构可由图1表示.该系统由 电力系统、 热力系统以及天然气系统构成.其中电 力系统包括风机、 火电机组、 蓄热式电锅炉以及电负 荷;

热力系统包括CH P 机组、 燃气锅炉、 电转气(powertog a s , P

2 G) 机组[

1 4] 、 蓄热式电锅炉以及热 负荷;

天然气系统包括气井压缩机、 CH P 机组以及 燃气锅炉.电力系统、 热力系统和天然气系统通过 蓄热式电锅炉、 CH P 机组、 P

2 G 机组以及燃气锅炉 耦接在一起, 各能量流入流出关系如图1所示, 其中 P, Q, G 分别表示电能、 热能以及天然气能. 图1 I E S基本形态结构 F i g .

1 B a s i cc o n f i g u r a t i o ns t r u c t u r eo f I E S 1.

2 系统耦合性 I E S的电、 热、 气耦合关系通过系统内的供能单 元建立, 为具体说明系统内各能源间的耦合关系, 首 先给出以下定义. 定义1: 能源结构配比.能源结构配比指系统 运行时, 供能单元的输入或输出功率的能源形式占 比, 用于表征某供能单元运行时, 其某种能源形式的 输入/输出功率对系统中该能源的依赖或影响程度. 具体表示为单元α i 以电能、 热能以及天然气为表现 形式的输入或输出能量 Eα i→Ω , 占其总输入或输出 能量Eα i 的比值, 即RE S, α i→Ω = s α i Eα i→Ω Eα i (

1 ) 式中: RE S, α i→Ω 为α i 关于Ω( Ω∈{ P, Q, G, ?} ) 的能 源结构配比;

s α i 为状态参数. 规定 当Ω为α i 功率输入侧的某种能源时, s α i 0;

当Ω 与α i 无能源输入或输出关系时, s α i =0. 对于包含n 个单元的电、 热、 气I E S, I E S 为电 力、 热力、 天然气系统的并集, 其能源结构配比矩阵 RE S , I E S为: RE S, I E S= RE S , α 1→P RE S, α 2→P ? RE S , α n→P RE S , α 1→Q RE S, α 2→Q ? RE S , α n→Q RE S , α 1→G RE S, α 2→G ? RE S , α n→G é ? ê ê ê ê ù ? ú ú ú ú (

2 ) 定义2: 能源耦合度.能源耦合度指电、 热以及 天然气能源间的关联程度, 用于表征量化相异能源 ( 如电、 热) 间的耦合关系. I E S 运行时, 由α i 引入 的能源Ωm 和Ωn 的耦合度D Ωm ?Ω n E C, α i 可表示为: D Ωm ?Ω n E C, α i = RE S , α i→ΩmRE S, α i→Ω n Eα i EI E S (

3 ) 式中: RE S, α i→Ωm 和RE S, α i→Ω n 分别为单 元α i 关于Ωm 和Ωn 的能源结构配比;

EI E S为I E S包含电、 热、 气的 总输出能量. 考虑到单元α i 的能量转化传递效率, 式( 3) 中的Eα i 统一采用α i 输出侧能量值;

同时, 当系统中能 量传输存在网络损耗及备用时, EI E S 需要计及传输 损耗及备用能量. 定义I E S中能源Ωm 和Ωn 的耦合度D Ωm ?Ω n E C, I E S 为 系统中全部单元引入的 Ωm 和Ωn 的能源耦合度总 和: D Ωm ?Ω n E C, I E S =∑D Ωm ?Ω n E C, α i (

4 )

2 I E S优化运行模型 2.

1 目标函数 综合能源优化以系统总运行成本CI E S为优化目 标, 系统总运行成本包括供电、 供热以及供气成本. 对应供能成本 CP , CQ , CG 可由能源结构配比矩阵 与系统中单元供能成本向量的乘积逐一表示, 能源

9 3 宋晨辉, 等 考虑系统耦合性的综合能源协同优化 耦合度可由能源结构配比及单元供能向量求得, 具 体表现形式如下: CI E S =m i n ∑ N t t=1 ( CP ( t) +CQ ( t) +CG ( t) )(

5 ) CP ( t) CQ ( t) CG ( t) [ ]T =RE S, I E S( t) Cα( t) (

6 ) 式中: Nt 为优化运行的总时段;

Cα ( t) 为t 时刻I E S 中供能单元运行成本向量. 本文基于图1所示结构, Cα 可表示为: Cα = [Cw d g , 1, ?, Cw d g , nw d g , ?, Cc o n , n c o n , ?, Cc b b , n c b b , ?, Cc h p , n c h p , ?, Ce s b , n e s b , ?, Cp

2 g , n p

2 g , ?, Cg f b , n g f b , ?, Cg c , n g c ] T (

7 ) 式中: Cw d g, Cc o n, Cc b b, Cc h p, Ce s b, Cp

2 g, Cg f b, Cg c分别表 示风机、 火电机组、 燃煤锅炉、 CH P 机组、 蓄热电锅 炉、 P

2 G 机组、 燃气锅炉以及气井压缩机 的运行成 本;

nw d g, nc o n, nc b b, nc h p, ne s b, np

2 g, ng f b, ng c为系统中各 对应单元个数. 火电机组、 CH P机组、 燃煤锅炉、 燃气锅炉和气 井压缩机的运行成本函数及参数见附录 A.同时, 本文采用日前调度模型对系统总供能成 本进行计 算, 短期调度运行时, 可忽略风机、 蓄热电锅炉及P2G机组运行的边际成本, 但需满足各自的运行约 束及能源转换效率约束[

1 5 ] . 2.

2 约束条件 I E S运行时需综合考虑各能源的电、 热、 天然气 功率平衡、 网络潮流、 供能单元特性等约束条件, 可 按类分为系统运行约束以及系统内各供能单元的运 行约束. 2. 2.

1 系统运行约束

1 ) 功率平衡约束 ∑ n c o n i=1 Pc o n , i, t........