【精彩论文】含电-热-冷-气负荷的园区综合能源系统经济优化调度研究

含电-热-冷-气负荷的园区综合能源系统经济优化调度研究

孙强¹, 谢典¹, 聂青云², 张立辉², 陈倩¹, 陈杰军¹

（1. 国网（苏州）城市能源研究院有限责任公司，江苏 苏州 215000; 2. 华北电力大学 经济与管理学院，北京 102206）

摘要：综合能源系统是实现各能源系统间有机协调优化的重要途径。剖析电-热-冷-气4个子系统，构建以建设运行总成本为目标的园区综合能源系统经济优化调度模型；其次，利用非线性问题处理办法将所构建的调度模型转化为混合整数规划问题；最后，基于子系统独立运行和耦合调度的2种场景，结合分时电价调用混合整数规划软件对模型进行求解。结果显示，相对于独立运行方式，各子系统耦合调度运行能够灵活组合各能源转换设备，大大降低系统外部购能和系统总成本。

引文信息

孙强, 谢典, 聂青云, 等. 含电-热-冷-气负荷的园区综合能源系统经济优化调度研究[J]. 中国电力, 2020, 53(4): 79-88.

SUN Qiang, XIE Dian, NIE Qingyun, et al. Research on economic optimization scheduling of park integrated energy system with electricity-heat-cool-gas load[J]. Electric Power, 2020, 53(4): 79-88.

引言

随着工业生产和居民生活对能源需求的不断提高，以及能源稀缺和环境污染问题的日益凸显，如何高效利用能源、合理使用可再生能源、减少环境污染、提高能源供给系统可持续性已经成为亟需攻克的问题^[1]。而区域综合能源系统能够有效整合包括可再生能源在内的不同能源，在能源生产、传输、分配和消费等环节进行耦合转换^[2]，在满足能源需求的同时，提高能源利用效率、运行经济性、可再生能源利用度，有效降低环境压力，是构建高质量能源供给系统重要发展途径。目前，关于区域综合能源系统的研究主要通过系统设备建模—建立单目标或多目标优化模型—运用算法进行模型求解的流程进行优化调度分析，主要从不同系统、目标及约束、求解算法3方面开展不同研究。其中，已有众多研究针对电/热系统^[3]、电-气系统^[4]、电-热-气^[5]、电-热-冷系统^[6]优化调度进行充分研究，还有部分研究考虑清洁能源消纳^[7]，进一步提高系统运行经济性。综合能源系统优化目标主要包括系统运行经济性、环境污染程度和新能源消纳程度等，文献[8]考虑需求响应构建了以系统最小化运行费用为目标的电-天然气综合能源调度模型；文献[9]将CO₂排放总量作为环境成本考虑到目标函数中，研究了电-气综合能源微网日前经济调度优化问题；文献[10]将弃风、弃光负荷作为惩罚性成本计入目标函数，构建园区微网经济调度模型；文献[11]综合机组运行成本、系统污染物排放及风电消纳惩罚成本建立区域电网风储能的鲁棒优化模型。在综合能源系统优化求解算法方面，主要包括数学规划、智能算法以及多目标转换成单目标再求解等方法，文献[12]采用混合整数规划办法求解了以经济性为目标的微网调度模型；文献[13]利用多目标粒子群算法求解了经济与环保为目标的冷-热-电园区综合能源系统设备容量优化模型；文献[14]借助隶属度函数将优化目标模糊化，然后采用加权满意度指标法实现多目标到单目标的转化，对多目标的综合能源系统日前优化模型进行求解。

综上所述，现有研究成果中，对电、热、冷、气4种负荷的综合能源系统调度研究较少，但在实际的运行优化过程中，需要以各类能源负荷制定其综合能源系统运行计划。因此，本文从电、热、冷、气4个子系统进行园区综合能源系统建模，涵盖电-热-冷-气4种储能、风光清洁能源发电机组、冷热电联产（combined cooling heating and power，CCHP）机组以及其他各类常见能源转换设备，并以系统建设运行总成本最小化为目标，设置各子系统独立运行及综合能源系统耦合运行的不同场景，进行综合能源系统的优化调度研究，验证园区综合能源系统对于用能成本优化的特性，促进综合能源系统健康持续发展与能源体系质量的进一步提升。

1  园区综合能源系统模型构建

1.1  园区综合能源系统结构

园区综合能源系统一般以电能和天然气能为主导能源，外部能源供应网络由联络线和天然气管网组成，系统内包含各类能源转换设备和储能设备，以满足用户侧电、热、冷、气4种负荷需求，具体系统架构图如图1所示。园区综合能源系统由能源输入模块、能源转换与存储模块和能源输出模块组成，具体如下。（1）能源输入模块包括天然气管网和大电网，电能和天然气分别通过变压器和压缩机输入系统。（2）能源转化与存储模块中，风机和光伏机组分别将风能和太阳能转换为电能；燃料电池和燃气轮机能够分别将天然气转化为电能和热能；CCHP系统通过燃气轮机、余热锅炉和吸收式制冷机实现电能、热能、冷能的供应；电制冷机、电锅炉、电转气设备可以分别将电能直接转换为冷能、热能、天然气能；储能设备包括储电、储热、储冷和储气设备，分别对电、热、冷、气进行充放，具有能量缓存的作用。

（3）能源输出模块主要是能源消费环节，包含电、热、冷、气4类负荷。

图1  园区综合能源系统架构

Fig.1  Architecture of park integrated energy system

1.2  园区综合能源系统模型

本文所提出的园区综合能源系统模型，仅考虑了有功功率情形，在任意时刻 t 下，对于区域能源网络和区域能源转换设备任意节点，各能源子系统功率平衡关系如下所述。1.2.1  能源网络模型（1）电力系统。园区综合能源电力系统由风力发电机组、光伏发电机组、燃料电池、CCHP机组和储电设备组成，共同负责园区的电负荷需求，不足量由外网供应，其功率平衡关系如为

式中：P_buy(t) 为园区向大电网购入的功率；P_WP(t) 、 P_PV(t) 、 P_FC(t) 、 P_CCHP(t) 分别为风力、光伏、燃料电池、CCHP机组的实际出力；P_ER(t) 、 P_EB(t) 、 P_EG(t) 分别为电制冷机、电锅炉、电转气设备的消耗功率；P_cha(t)、P_dis(t) 分别为储电设备充电功率与放电功率；P_load(t) 为电负荷需求；单位均为kW。

（2）热力系统。

园区综合能源热力系统由燃气锅炉、热泵和电锅炉、CCHP机组、余热锅炉、换热装置和储热设备组成，共同负责园区的热负荷需求，不足量由外网供应，其功率平衡关系为

式中：H_buy(t) 为园区向外部购热量；H_GB(t) 、 H_CCHP(t) 、 H_EB(t) 分别为燃气锅炉、CCHP机组、电锅炉的输出热功率；H_cha(t)、H_dis(t) 分别为储热设备蓄热功率与放热功率；H_load(t) 为热负荷需求，单位均为kW。

（3）供冷系统。

园区综合能源供冷系统由电制冷机、CCHP机组、吸收式制冷机和储冷设备组成，共同负责园区的冷负荷需求，其功率平衡关系为

式中：U_CCHP(t)、U_ER(t) 分别为CCHP机组、电制冷机的输出冷功率；U_cha(t) 、 U_dis(t) 分别为储冷设备蓄冷功率与放冷功率；U_load(t) 为冷负荷需求；单位均为kW。

（4）供气系统。

园区综合能源供气系统由电转气设备和储气设备组成，共同负责园区的气负荷需求，不足量由外网供应，其功率平衡关系为

式中：G_buy(t)、G_EG(t) 分别为天然气网、电转气设备的供气量；G_FC(t)、G_GB(t)、G_CCHP(t) 为燃料电池、燃气锅炉、CCHP机组的用气量；G_cha(t)、G_dis(t) 分别为储气设备充气量与放气量；G_load(t) 为气负荷需求；单位均为m³。

1.2.2  转换设备模型

（1）CCHP机组。

CCHP机组是区域综合能源系统中的核心能流耦合设备，其数学模型如式（5）~（8）所示^[15]。

式中：μ_CCHP(t) 为CCHP机组启停状态，取1或0，1表示开机，0表示停机； 分别为CCHP机组的发电、制热、制冷效率和热能自耗散率；LHV 为天然气的低热值，取9.7(kW·h)/(N·m³)；H_WHB(t) 为CCHP机组中余热锅炉输出热功率。

（2）燃料电池。

燃料电池能将天然气的化学能直接转换成电能，发电效率较高，其气耗成本数学模型为

式中：μ_FC(t) 为燃料电池的启停状态；η_FC 为燃料电池发电效率。

（3）燃气锅炉。

燃气锅炉通过消耗天然气产生热能，其数学模式为^[16]

式中：η_GB 为燃气锅炉的气热转换效率系数。

（4）电制冷机。

式中：COP_ER 为电制冷机的能效系数，取3.2。

（5）电锅炉。

电锅炉是典型的电热耦合设备，通过消耗电能产生热能，其数学模式为^[17]

式中：μ_EB(t) 为电锅炉的启停状态；η_EB 为电热转换效率。

（6）电转气设备。

电转气设备能够利用电能制取天然气，其能量转换效率较低，常用于系统面临弃风弃光的情况下，其数学模式为^[18]

（7）储能设备。

本文研究的园区综合能源系统中包含的储能设备有储电、储热、储冷、储气4种，其数学模式为^[19]

式中：λ∈{ES,HS,CS,GS} ；E_λ(t) 为储能在t时段所储存的能量，包含电、热、冷、气；分别为储能在t时段的充放能功率；σ_λ 为储能的自耗能率；分别为储能的充、放能效率。

2  园区综合能源系统经济优化调度模型

2.1  目标函数

本文通过对园区综合能源系统中电、热、冷、气系统间进行优化调度来协调发电侧资源，在满足园区用户用能需求以及系统中各项约束的同时，使各类能源转换存储设备共同参与，以园区综合能源系统中建设运行成本最小为目标，进行系统的优化调度。其目标函数为

式中：T 为调度周期；C(t) 为 t 时段内园区综合能源系统建设运行总成本；C_E(t) 、 C_H(t) 、 C_U(t) 、 C_G(t) 分别为电力、热力、供冷和供气子系统的建设运行成本。

（1）电力系统总成本。

电力系统的总成本由调度周期内风光清洁能源机组、燃料电池、CCHP机组、储电设备的初始建设成本折旧额、运维成本、机组启停成本以及从外部主网购电成本组成。

式中：C_C/E 、 C_M/E 、 C_S/E 、 C_B/E 分别为电力系统的初始建设成本折算值、运维成本、机组启停成本以及从外部主网购电成本。其中

式中：N 为设备数量；C_C,n 、 C_λ,n 、 T_n 、 V_n 、 C_n 、 P_n(t) 、 C_SS,n 分别为第n台设备的单位容量初始投资成本、容量、寿命、残值、单位出力的运维成本系数、发电量、启停成本系数；U_n(t) 为第 n 台设备的启停状态，取1或0，1表示设备处于运行状态，0表示处于停机状态；P_E(t) 为 t 时段外部主网售电价格。

（2）热力系统总成本。

热力系统的总成本由调度周期内燃气锅炉、CCHP机组、电锅炉、和储热设备的初始建设成本折旧额、运维成本、机组启停成本及向外部购热成本组成。

式中：C_C/H 、 C_M/H 、 C_S/H 、 C_B/H 分别为热力系统的初始建设成本折旧额、运维成本、机组启停成本以及从外部购热成本，其中，初始建设成本折旧额、运维成本和机组启停成本计算公式可类比电力系统。

式中：P_H(t) 为 t 时段外部的购热价。

（3）供冷系统总成本。

供冷系统的总成本由调度周期内CCHP机组、电制冷机和储冷设备的初始建设成本折旧额、运维成本、机组启停成本组成。

式中：C_C/U 、 C_M/U 、 C_S/U 分别为供冷系统的初始建设成本折旧额、运维成本以及机组启停成本，计算公式可类比电力系统。

（4）供气系统总成本。

供气系统的总成本由调度周期内电转气设备和储气设备的初始建设成本折旧额、运维成本、机组启停成本以及向外部气网购气的成本组成，其中从外部气网购气成本由园区用户的气负荷和综合能源系统中以气为燃料的能源转换设备的气负荷决定。

式中：C_C/G 、 C_M/G 、 C_S/G 、 C_B/G 分别为供气系统的初始建设成本折旧额、运维成本、机组启停成本以及从外部购气成本，其中，初始建设成本、运维成本和机组启停成本计算公式可类比电力系统。

式中：P_G 为天然气价格。

2.2  约束条件

（1）子系统能量平衡约束。

园区综合能源系统运行时需要满足电、热、冷、气4个子系统的能量平衡约束，其约束条件表示为式（1）~（4）。

（2）设备出力上下限约束。

系统中所有设备出力需要满足出力上下限约束，即

式中：P_n 为第 n 台设备的实际出力值；分别为第 n 台设备的最小、最大出力值。

（3）储能约束。

为保证周期性调度储能的充裕性，要求储电、储热、储冷、储气设备除保证储存能量在设备容量上、下限之内外，还要求每日始末剩余储能容量保持一致，如式（28）~（30）所示。

式中：分别为第 λ 种储能设备的最大充、放能速率；分别为第 λ 种储能设备储能的最小、最大负荷状态；C_λ 为储能设备的额定储存量；E_λ(0)、E_λ(T) 分别为调度周期内储能开始时刻和最后时刻的储能量。

（4）可控机组爬坡约束。

式中：r_n,d、r_n,u 分别为可控出力机组 n 减载和加载的速率限制。

（5）CCHP机组约束。

CCHP机组输出冷功率是由燃气轮机余热经由吸收式制冷机转化产生的，因此输出冷功率需小于余热锅炉输出热功率。

CCHP机组启停时间还需满足约束

式中：分别为CCHP机组在 t 时段之前的持续开机和关机时间；分别为CCHP机组要求的最小持续开机和停机时间，本文中均为3 h。

（6）清洁能源出力约束。

式中：分别为园区风电及光伏出力最大值。

（7）园区综合能源系统与大电网间联络线交互功率约束。

式中：分别为园区综合能源系统与电网间联络线最大允许购电和售电功率。

2.3  求解算法

本研究提出的优化调度模型是非线性且目标函数中包含可控机组启停状态变量，属于混合整数非线性规划问题，其中连续型变量为各个设备的出力功率和储能充放功率，启停变量为0-1变量。针对上述问题，本文借鉴了文献[12]中的非线性化处理方法，将其分段进行线性逼近，从而转换为混合整数线性规划问题，再调用Cplex优化软件进行求解。

3  算例分析

3.1  基础数据

本文案例在文献[10,15,20]基础上进行改进，实现基于建设运行成本的园区综合能源系统优化调度分析。以一天24 h为调度周期，单位调度时长为1 h，CCHP系统中燃气锅炉排出的烟气全部供给余热锅炉。分时电价如表1所示，外部供热价均为0.6元/(kW·h)，外部供气价格为2.5元/m³；各种设备运行参数如表2、表3所示；风电、光伏出力最大值以及园区电、热、冷、气负荷需求如图2所示。

表1  分时电价Table 1  Time-of-use electricity price
表2  各种储能设备参数Table 2  Parameters of energy storage equipment
图2  光伏、风电出力及负荷需求Fig.2  Output of PV and wind power and load demand
表3  其他设备运行参数Table 3  Operating parameters of other equipment
表3中，CCHP机组的 η 分别为发电、制热、制冷效率及自耗散率。为验证园区综合能源系统与电、热、冷、气系统独立运行相比的优势，选取以下2种方式作为本文调度场景。（1）场景1。园区电、热、冷、气分产的独立运行方式，电负荷需求由风光机组、燃料电池、储电设备满足，热负荷需求由燃气锅炉、电锅炉、储热设备满足，冷负荷需求由电制冷机、储冷设备满足，不足量均向外部购买。（2）场景2。园区电、热、冷、气4个子系统相互耦合调度方式，按照图1系统架构，能量之间可以通过各种设备及CCHP机组相互转换满足负荷需求。

3.2  优化结果分析

图3为各子系统建设运行成本优化结果，相对于独立运行方式，耦合调度方式下的电、热、冷子系统成本实现了不同程度的优化，但气系统的成本更高，总成本低318.29元。这是由于在耦合调度方式下，园区电、热、冷系统为了能更经济的满足各项负荷需求，以气为输入能源实现了能源的转换替代。表4为2种场景的总成本构成，可以看出，耦合调度方式下由于更多的设备参与调度过程，机组启停频率更低，导致初始建设成本和运维成本较于独立运行方式分别高152.64元和139.15元，机组启停成本低3.54元；此外，耦合调度方式下电、热、冷负荷均更多地由园区内部设备出力满足，使得购能成本降低606.54元，从而优化了总成本。

图3  各子系统总成本优化结果

Fig.3  Total cost optimization results of each subsystem

表4  2种场景下的总成本构成

Table 4  Total cost composition for two scenarios

图4、图5分别为2种场景下电力系统出力结果，可以看出，2种场景下，对于储电设备，为了将电负荷从峰时段转向电价更低的平时段和谷时段，储电设备在电价第一段谷时段（00:00—07:00）充电至最大荷载，在电价第一段峰时段（10:00—15:00）放电以满足负荷需求，之后在第一段平时段（15:00—18:00）充电至最大荷载，继而在第二段峰时段（18:00—21:00）继续放电至最小荷载，最后在第二段谷时段（23:00—24:00）充电至起始荷电状态。

图4  场景1下电力系统出力结果Fig.4  Output of power system under scenario 1
图5  场景2下电力系统出力结果Fig.5  Output of power system under scenario 2
对于其他设备，在电价谷时段，从外部购电电价比设备发电成本低，因此独立运行方式下风光清洁能源出力供应不足的部分均从外部电网购入，而耦合调度方式下，CCHP机组能够实现电、热、冷联供，因此该时段在向外网购电外还需CCHP机组出力以供给电、热、冷负荷。在电价平时段和峰时段，由于购电电价较高，因此两种场景下均以40 kW满负荷出力，耦合调度方式下CCHP机组也以最大功率65 kW运行以满足电力负荷需求，不足量均由外网购入。相对于独立运行方式，耦合调度方式下的购电量大幅降低，尤其是电价峰时段和谷时段降幅更大，因此带来了购电成本的较大优化。

图6为2种场景的购气量结果，与电力系统类似，由于耦合调度方式下CCHP机组能够以气作为燃料实现电、热、冷联供，以满足电、热、冷负荷需求，因此在电价峰时段和平时段时能够通过提高购气量大幅降低热的购买量以及供冷的耗电量，使得总体购能成本由8 970.46元优化至8 363.92元，降低了综合能源系统的总成本。

图6  两种场景下购气量结果

Fig.6  Gas purchase under two scenarios

图7、图8分别为耦合调度方式下热力系统和供冷系统优化结果。在热力系统中，除CCHP机组外，燃气锅炉在运行周期内以50 kW的功率满负荷运行；电锅炉在电价谷时段以100 kW的功率满负荷运行，在电价平时段减少出力，峰时段出力最小，在18:00—20:00不出力；储热设备配合其他设备运行功率以满足热负荷需求，不足量向外部购买。在供冷系统中，在CCHP机组供冷的基础上，由储冷设备进行冷的充放实现冷负荷的供给，其中在07:00—22:00由于CCHP机组供冷量较大，储冷设备的充放冷量相对于其他时刻更大；在03:00—06:00时CCHP机组和储冷设备的供冷量不足由电制冷机实现冷的补给。

图7  场景2下热力系统出力结果Fig.7  Output of thermal system under scenario 2
图8  场景2下供冷系统出力结果Fig.8  Output of cooling system under scenario 2

综合上述分析，相对于独立运行模式，耦合调度方式能够充分响应能源价格信号，更好地利用能源转换设备和储能设备实现以成本更低的能源满足用能需求，发挥多能互补的价格优势，实现供能成本的优化。

4  结论

本文首先建立了包含电-热-冷-气4种负荷的园区综合能源系统模型，涵盖了电、热、冷、气4种储能、CCHP机组、风光清洁能源及常见能源转换设备，模型具有一定通用性；其次从电、热、冷、气4个子系统构建了以建设运行总成本为目标的园区综合能源系统经济优化调度模型；最后基于子系统独立运行和耦合调度的2种场景，结合分时电价对模型进行求解。各子系统耦合调度运行方式相对于独立运行方式，虽然初始建设成本、运维成本和机组启停成本均较高，但机组更合理的组合方式使系统从外部购电、购热成本大幅降低，实现了建设运行总成本的优化，因此，包含CCHP机组的园区综合能源系统耦合调度运行方式更能实现经济效益的提升，具有推广价值。

（责任编辑　吴恒天）

作者介绍

孙强(1977—)，男，博士，高级工程师，从事综合能源系统规划、智能电网及配电网规划和评估研究，E-mail: [e-mail];

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谢典(1990—)，男，博士，工程师，从事综合能源系统规划、区域供热技术研究，E-mail: [e-mail];

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聂青云(1996—)男，通信作者，博士研究生，主要从事电力工业、可持续发展管理研究，E-mail: [e-mail];

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张立辉(1974—)，男，教授，从事电力经济研究，E-mail: [e-mail];

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陈倩(1992—)，女，硕士，工程师，从事交直流配网、智慧能源系统研究，E-mail: [e-mail];

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陈杰军(1994—)，男，硕士，工程师，从事综合能源系统规划研究，E-mail: [e-mail].

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编辑：杨彪

审核：方彤

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