国网上海市电力公司科研人员提出一种区域综合能源系统运行优化的新方法

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国网上海市电力公司市北供电公司等单位的研究人员杨海涛、江晶晶 等，在2022年第4期《电气技术》上撰文，以上海世博园区B片区综合能源系统为研究对象，分析其现有运行策略在夏季和冬季典型工况下的运行效果。首先，针对现有运行策略的不足，结合模型预测控制（MPC）滚动优化方法构建区域综合能源系统运行优化的数学模型；其次，考虑冷、热、电负荷及可再生能源的实时特性，在滚动优化过程中引入动态调整模型，用于对调度策略的实时调节；最后，将优化模型应用于该区域综合能源中心，对现有机组的运行策略进行优化。通过运行优化，该园区B片区夏冬两季累积收益分别提高了27.4%和15.6%。

研究背景

近年来，冷、热、电三联供（CCHP）分布式能源系统得到了各国政府的认同和应用，已成为各国节能和改善环境的重要举措之一，CCHP分布式能源系统的节能减排主要体现在减少建筑物能耗方面。制定合理、高效的CCHP优化策略对提高清洁能源的消纳水平、实现能源的梯级利用具有重大意义。

在综合能源系统的优化调度与控制中，可再生能源出力和负荷预测的准确度对调度结果有很大影响，而预测模型的精度具有随时间尺度减小而不断提高的特点，但只依靠频繁调用预测模型减小预测时间尺度将增大计算负担，因此可以结合模型预测控制（MPC），通过预测模型、滚动优化和反馈矫正减小预测误差与不确定性带来的影响。

论文所解决的问题及意义

为提高CIES的关键设备在变工况运行时的动态响应能力，本文以上海世博园区B片区综合能源站为研究对象，构建基于MPC的CCHP区域综合能源站运行优化的数学模型，其中滚动优化阶段基于MPC以最大化综合能源系统的日收益为目标，结合机组起停惩罚成本，构建混合整数线性滚动优化模型，以此制定大时间尺度下的能源上游关键设备的调度计划；基于滚动优化阶段制定的调度计划，在较小的时间尺度上根据超短期预测数据建立以最小化功率调整惩罚成本为目标函数的混合整数线性规划滚动优化模型，动态调整能源上游关键设备的调度计划，从而增强系统的动态响应能力。

图1 上海世博园区B片区能源站系统

论文方法及创新点

对上海世博园区B片区综合能源站的优化，主要采用MPC寻找收益最优解。目标函数为典型日收益最大化，同时根据典型日负荷曲线进行求解，获得系统中各个机组设备的运行策略。优化流程如图2所示。

图2 优化流程

本文提出的基于MPC的多时间尺度滚动优化策略原理如图3所示。在实际运行过程中，由于预测误差和电、热、冷负荷的动态变化，滚动优化阶段制定的调度计划与实际的负荷需求有偏差，因而需要进行小时间尺度的动态调整。

图3 基于MPC的多时间尺度滚动优化策略

基于本文所提出的基于MPC的区域综合能源系统运行优化方法，本文对05月12日和01月09日两个典型日的调度计划进行优化。冬夏两季的优化方案与现有运行方案的对比分别如图4～图5所示。

图4 夏季运行方案优化前后供冷量对比

图5 冬季运行方案优化前后供热量对比

结论

本文建立了以日收益最大为目标的含储能的区域综合能源系统优化运行策略，分别对夏季和冬季典型日进行系统运行策略优化，得到夏季和冬季典型日最优运行策略。通过与夏季和冬季典型日的原有运行策略相比较，日累积收益分别提高了27.4%和15.6%。本文所提的基于MPC的区域综合能源系统运行优化方法能够提高综合能源系统的经济性和供能可靠性，对其他类似综合能源系统有一定的参考意义。

本文编自2022年第4期《电气技术》，论文第一作者为杨海涛，1976年生，博士，主要从事新能源消纳、综合能源系统优化控制及电力市场营销等方面的研究工作。本课题得到了国家电网公司总部科技项目的支持。

引用本文

杨海涛, 江晶晶, 赵敏, 赵锋, 窦真兰. 基于模型预测控制的区域综合能源系统运行优化方法[J]. 电气技术, 2022, 23(4): 7-13. YANG Haitao, JIANG Jingjing, ZHAO Min, ZHAO Feng, DOU Zhenlan. Operational optimization method of regional integrated energy system based on model predictive control. Electrical Engineering, 2022, 23(4): 7-13.

下载论文PDF版，请点击左下角“阅读原文”，访问期刊网站。

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