PDF《考虑环境因素的多能源系统交直流混合供能优化策略》

考虑环境因素的多能源系统交直流混合供能优化策略 缪妙,李勇,曹一家,王姿雅,邹尧,乔学博 ( 湖南大学电气与信息工程学院,湖南省长沙市

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0 0

0 0 ) 摘要:有效提高能源利用率、 促进新能源消纳以及减少环境污染成本是当下发电用电企业十分关 注的问题.

提出并建立了一种多能源系统交直流混合并网供能优化模型, 实现了电能的交直流柔 性变换与多能源的综合利用.综合分析了能源局域网内交直流系统供电特性, 结合供热系统供热 特性、 储能装置的充放特性以及煤炭的全生命周期, 考虑功率平衡约束、 各装置运行约束以及环境 成本约束.利用 GAM S优化软件求得调度周期内, 传统交流并网模型和所搭建模型各系统的最佳 出力及总运行成本, 将两者的运行结果从供电供热等方面比较, 验证了所述模型在减少运行成本、 降低有害气体排放量以及削减煤耗量方面的优势. 关键词:能源互联网;

交直流混合网络;

新能源;

经济调度;

环境保护 收稿日期:

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1 7 G

0 9 G

0 5;

修回日期:

2 0

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1 2 G

2 3. 上网日期:

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1 6. 国家自然科学基金资助项目(

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0 1 1) ;

湖南省科技重 大专项(

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1 5 G K

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0 2 ) ;

湖湘青年英才项目(

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1 5 R S

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2 2 ) .

0 引言 伴随经济发展所带来的能源短缺问题以及环境 污染问题, 日益成为关注的焦点.为更好地提高能 源利用效率, 向 环境友好型 社会转型, 能源互联网 的概念在近年来进入人们的视野[

1 ] .能源互联网的 发展目标主要以能源市场化、 高效化与绿色化为主, 旨在打破传统能源系统中不同能源系统孤立规划和 运行的壁垒, 建立开放互联的综合能源系统[

2 ] .本着 有效集成, 高度协同, 积极互动 的原则, 将多种 能源系统( 如电、 气、 热网) 相互联结[

3 ] , 以达到提高 能效的目的.对能源的使用逐渐从以化石能源为主 向风能、 太阳能等可再生能源以及天然气等清洁能 源多样化发展.这些分布式电源作为重要的能源供 给方式在家庭、 楼宇、 工厂供电中得以应用. 另外, 随着电力电子技术的快速发展, 在推进供 能种类多样化的同时, 也促进了电网结构与用户用 电方式的巨变[

4 G 5] .网络内常见的分布式电源( 如光 伏电池、 燃料电池) 多为直流电源, 家庭用户中很多 电气设备本质上就是采用直流电驱动, 例如 L E D 照 明灯、 电动车等, 工业电解同样需要大功率 的直流 电.当面临电源与负荷都存在交流与直流两种方式 时, 将直流分布式电源与储能装置接入直流侧将节 省大量的换流环节, 可降低能量损耗[ 6] .与此同时, 供能方式的选择会影响到系统运行成本与有害气体 的排放量. 文献[

7 ] 提出考虑污染气体排放的热电联供优 化运行方法, 主要基于微型燃气轮机的发电与制热 效率以及污染排放特性进行优化问题研究, 文献一 方面没有考虑多种负荷类型, 另一方面只对交流系 统供电情况进行了优化运行分析;

文献[

8 ] 通过比较 不同类型储能装置的混合电力系统并网经济调度运 行结果, 总结出铅酸蓄电池是投资最低最优的选择, 但文献只考虑了交流母线并网, 且缺乏对环境污染 的惩罚成本;

文献[

9 ] 建立了含光伏和蓄能的冷热电 联供模型, 主要针对楼宇建筑供能, 考虑的能源种类 较少, 且未考虑机组供能造成的环境污染问题.本 文所搭建的交直流混合并网供能优化模型在针对工 业园区供能时考虑了燃煤锅炉煤炭全生命周期的环 境排放. 本文以分布式能源互联网优化运行为研究对 象, 首先搭建了一种多能源系统的经济调度结构图, 并针对模型中各个模块建立了相应的数学模型;

综 合考虑分布式电源的出力特性、 功率限制等运行约 束, 建立交直流混合并网运行时的能量流动模型, 采用GAM S优化软件求得网内各单元最佳出力、 运行 成本以及环境成本, 并与另一种交直流独立系统并 网模型进行比较分析.

1 能源局域网交直流混合并网数学模型 目前, 大多是对一定范围内的多能源系统进行 统一调度, 形成局域能源互联网.本文研究生态工

8 2

1 第4 2卷第4期2018年2月2 5日Vol.42N o . 4F e b .

2 5,

2 0

1 8 D O I :

1 0.

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0 0 / A E P S

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0 1

0 h t t p : / / ww w. a e p s G i n f o . c o m 业园区部分厂区所构成的能源局域网, 其多能源系 统交直流混合并网经济调度结构图如图1所示.网 内主要包括光伏电池( p h o t o v o l t a i cc e l l , P V) 、 风电 机组( w i n dt u r b i n e , WT) 、 燃料电池( f u e l c e l l , F C) 、 燃气 轮机(gast u r b i n e , G T) 、 燃煤锅炉(coalf i r e d b o i l e r , C F B) 、 电锅炉( e l e c t r i cb o i l e r , E B) 、 储能装置 ( e n e r g ys t o r a g e , E S ) 等单元.其中, 光伏电池和燃 料电池作为直流电源, 而风电机组和燃气轮机作为 交流电源;

另外, 燃气轮机和溴冷机、 燃煤锅炉以及 电锅炉构成了供热系统.能源局域网与 交直流外 网、 天然气传输网、 热网络以及煤炭运输网相连接, 共同组成多能源系统交直流并网模型. 图1 能源局域网交直流混合并网经济调度结构 F i g .

1 S t r u c t u r eo fh y b r i dA C / D Co ne c o n o m i cd i s p a t c h f o r l o c a l a r e ae n e r g yn e t w o r k 1.

1 直流电源系统 本文考虑的能源局域网中的直流电源系统主要 包含了光伏电池和燃料电池.鉴于光伏电池的输出 功率取决于环境因素, 如光照强度、 温度等, 具有较 大随机性, 因此系统仿真时在典型日光伏电池输出 功率预测数据的基础上增加预测误差σ, 且假设σ 呈正态分布[

1 0 ] , 并根据其概率密度函数生成了不同 的光伏出力场景. 本文采用质子交换膜燃料电池(protonexchangem e m b r a n ef u e lc e l l , P EMF C) , 以天然气作为一次能源, 发电效率较高且排放气体仅为二氧 化碳. t时段燃料电池的天然气消耗成本与其电功率 输出特性[

7 ] 为: CF C( t) =pN G ∫ t +

1 t OF C( t) d t ξF C GLHV (

1 ) 式中: CF C( t) 和OF C( t) 分别为t 时段燃料电池的燃 料成本和输出功率;

ξF C 为燃料电池发电效率, 发电 效率根据燃料电池种类而有所不同, 一般为0. 4~ 0.

6 5, 本文取0. 6;

GLHV 为天然气低热值,取值9.

7 ( kW?h ) / m3 ;

pN G为单位天然气的价格, 本文取 值为3. 5元/ m3 . 1.

2 交流电源系统 交流电源系统主要包含风电机组和燃气轮机. 与光伏电池类似, 风电机组的出力与所处环境因素 ( 如风速等) 有关, 具有较大的随机性与波动性, 因此 基于典型日的风电机组出力曲线, 并结合相应的预 测误差, 生成了多个风电机组出力场景. 燃气轮机是一种依靠燃料与空气混合燃烧生成 高温高压燃气推动轮轴上叶轮旋转的机械装置. t 时段燃气轮机所消耗的天然气成本与其输出电功率 的关系特性[

1 0 ] 为: CG T( t) =pN G ∫ t +

1 t OG T( t) d t ξG T( t) GL HV (

2 ) 式中: CG T( t) 和OG T( t) 分别为t时段燃气轮机的燃 料成本和输出功率;

ξG T 为燃气轮机发电效率, 本文 取0.

3 4. 燃气轮机的启停成本为: Cs s( t) = c s s | Ks s( t) -Ks s( t-1 ) | (

3 ) Ks s( t) =

1 OG T( t) >

0

0 OG T( t) =0 { (

4 ) 式中: Cs s( t) 为t时段燃气轮机的启停费用;

c s s为机 组单 位启停费用;

Ks s( t) 为t 时段燃机轮机启停状态. 1.

3 供热系统 燃气轮机一方面由天然气燃烧产生的高品位热 能驱动发电[

1 1 ] , 另一方面所排出的高温余热烟气由 溴冷机处理后用于供暖.其供热数学模型为: hG T( t) ξG T=OG T( t) ( 1- ξG T- ξL) (

5 ) HG T( t) = hG T( t) ξHHc o e (

6 ) 式中: hG T( t) 为t时段燃气轮机排放的烟气余热量;

ξL 为收集烟气过程中的热量损失率;

HG T( t) 为t 时 段溴冷机的制热量;

Hc o e和ξH 分别为溴冷机制热系 数和烟气回收率. 电锅炉― ― ―供热系统组成部分之一.电锅炉是 将电能转化为热能, 在当前的系统中, 在电价相对较 低时, 增加电负荷的使用从而减少天然气能源的消 耗, 一定程度上起到填谷的作用.电锅炉的电热转 换[ 7] 特性为: HE B( t) =OE B( t) ξE→H (

7 ) 式中: OE B( t) 和HE B( t) 分别为t时段电锅炉消耗的 电量和产生的热能;

ξE→H 为电锅炉将电能转化为热 能的效率. 燃煤锅炉― ― ―供热系统另一组成部分.其所产 生的热量同消耗燃料煤炭成本关系的数学模型为: CC F B( t) =pc o a l ∫ t +

1 t HC F B( t) d t ξC F B CLHV (

8 )

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1 缪妙, 等 考虑环境因素的多能源系统交直流混合供能优化策略 Mc o a l( t) = HC F B( t) ξC F B CL HV (

9 ) 式中: CC F B( t) 和HC F B( t) 分别为t 时段燃煤锅炉的 燃料成本和输出的热功率;

pc o a l为标准煤的价格, 定为7

0 0元/ t , 国内将每千克含热2

93 0 6k J定为标准 煤, 也称标煤;

CL HV 为标煤的燃烧低热值, 取值8.

1 4 ( kW?h ) / k g ;

ξC F B 为燃煤锅炉的热效率, 国内的工业锅炉效率通常为5 0%~7 0%, 一般实际运行 热效率在6 0%~8 0%左右, 本文取值7 0%;

Mc o a l( t) 为t时段燃煤锅炉的煤耗量. 1.

4 储能系统 本文涉及的储能系统主要包括电储能和热储能 装置.储电装置能够快速吸收或释放电能, 一方面 能够有效弥补网络中可再生能源的随机性造成的输 出不稳定[

3 ] , 同时, 在其发电量较大时促进新能源就 地消纳;

另一方面在一定程度上达到削峰填谷的目 的, 从而协调网络内 源―荷 间的不均衡[ 2] . 本文采用蓄电池容量与充放电功率特性[

1 0 ] 为: ES B( t) -ES B( t-1 ) = OS B G c h( t) ξ S B G c h- OS B G d i s( t) ξ S B G d i s ? è ? ? ? ÷Δ t (

1 0 ) 式中: ES B ( t) 为t 时段蓄电池的容量;

OS B G c h ( t) , OS B G d i s( t) 和ξ S B G c h, ξ S B G d i s分别为t时段蓄电池充、 放电 功率和效率. 热储能装置在一定程度上解耦了热负荷与燃气 轮机出力, 本文选用蓄热罐作为储热装置, 其容量与 吸放热的动态模型[

1 2 G

1 3] 为: EH E S( t) -EHE S( t-1 ) = H H E S G c h( t) ξHE S G c h- H HE S G d i s( t) ξHE S G d i s ? è ? ? ? ÷Δ t (

1 1 ) 式中: EHE S( t) 为t 时段蓄热罐的容量;

H HE S G c h( t) , H H E S G d i s( t) 和ξH E S G c h, ξH E S G d i s分别为t 时段蓄热罐吸、 放热功率和效率. 1.

5 煤炭运输系统 为了综合考虑燃煤锅炉消耗煤炭所造成的环境 影响, 将煤炭的全生命周期中包括煤炭开采、 运输以 及燃烧供热三个时期产生的环境排放计 入环境成 本[

1 4 ] .由于煤炭在开采和运输过程中所造成的环 境污染治理问题处理方法不够完善, 将其定为污染 排放的惩罚成本, 而煤炭在燃烧过程中排放烟气的 污染问题定为环境排放的治理成本. 煤炭准备时期( 开采+运输) 的环境排放惩罚成 本与煤耗量的关系为: CG P( t) =∑

2 X=0 pX g X c o e Mc o a l( t) (

1 2 ) 式中: CG P( t) 为t 时段煤炭准备时期环境排放惩罚 成本;

X =0, 1,

2 分别代表排放烟气的种类CO2, S O 2, NOx ;

pX 为烟气的惩罚价格;

g X c o e为煤炭准备 阶段烟气排放系数, 分别为0.

1 0 2, 0.

2 2 4, 0.

3 7 9. 煤炭燃烧供热时期的环境排放治理成本与供热 功率的关系为: CX ( t) =∑

2 X=0 cX g X e f f HC F B( t) (

1 3 ) 式中: CX ( t) 为t时段煤炭燃烧环境排放治理成本;

g X e f f为燃煤锅炉各烟气排放系数;

cX 为各类烟气的 治理单价.

2 能源互联网混合上网经济性模型 2.

1 目标函数 本文研究的交直流混合并网模型经济优化调度 的目标主要是在网络运行约束下, 协调各单元模块 出力, 在一定环境污染气体排放约束的基础上, 实现 总成本最优. m i nCt o t a l=∑

2 3 t=0 ( CO P E X( t) +CE N E X( t) + CO E S E X( t) +CG P( t) +Cs s( t) ) Δ t (

1 4 ) CO P E X( t) =CF C( t) +CG T( t) +CC F B( t) (

1 5 ) CE N E X( t) =CNOx ( t) +CS O2 ( t) +CC O2 ( t)(

1 6 ) CO E S E X( t) =CP E( t) -CS E( t) (

1 7 ) 式中: Ct o t a l为总的运行成本;

CO P E X ( t) , CE N E X ( t) , CO E S E X( t) 分别为t 时段网络内各设备的燃料成本、 治理尾气的环境........