考慮多種能源互聯(lián) 提出一種基于二層規(guī)劃的用戶側能源互聯(lián)網(wǎng)規(guī)劃方法

中國農(nóng)業(yè)大學信息與電氣工程學院的研究人員吳聰、唐巍、白牧可、張璐、叢鵬偉，在2017年第21期《電工技術學報》上撰文，針對能源系統(tǒng)規(guī)劃中對多個供能區(qū)域的協(xié)調(diào)互濟及多能流聯(lián)合調(diào)度考慮不足的現(xiàn)狀,研究基于二層規(guī)劃的用戶側能源互聯(lián)網(wǎng)規(guī)劃方法。

首先,梳理供能系統(tǒng)結構,對各能量單元建模,并分析用戶側能源互聯(lián)網(wǎng)內(nèi)的負荷特性;其次,綜合考慮多種能源互聯(lián)、多個供能區(qū)域協(xié)調(diào)互濟及多能流聯(lián)合調(diào)度,建立用戶側能源互聯(lián)網(wǎng)的二層規(guī)劃模型,上層以年費用最低為目標,各能量單元的安裝容量為優(yōu)化變量,下層以年運行費最低為目標,各時段能量單元的調(diào)度值為優(yōu)化變量;最后,采用精英保留策略遺傳算法對上層規(guī)劃模型求解,下層為0-1混合整數(shù)線性規(guī)劃模型,采用分支定界法求解。

算例表明:所提規(guī)劃建模方法具有可行性和有效性;多能流聯(lián)合調(diào)度、多區(qū)域協(xié)調(diào)互濟可以大幅削減年費用,還可緩解負荷與燃機熱電比不匹配等問題;通過多種能源網(wǎng)絡實現(xiàn)互聯(lián)較通過單一電網(wǎng)或熱網(wǎng)互聯(lián)更經(jīng)濟。

隨著全球環(huán)境危機不斷加劇和傳統(tǒng)化石能源日漸枯竭，可再生清潔能源得到大力發(fā)展。由于風能、太陽能等本身具有波動性和隨機性的特點，其高滲透率接入對電網(wǎng)的安全可靠運行是一個很大的挑戰(zhàn)。

此外，傳統(tǒng)能源行業(yè)(電/熱/天然氣等) 單獨規(guī)劃、設計和運行不利于系統(tǒng)綜合能效的提升。以泛在互聯(lián)、低碳高效和多源協(xié)同等為特征的能源互聯(lián)網(wǎng)應運而生，其利用智能電網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)等技術，融合電力網(wǎng)、熱力網(wǎng)等多能源網(wǎng)，形成多種能源高效利用和多元主體參與的能源互聯(lián)共享網(wǎng)絡。

用戶側存在諸多小規(guī)模分布式能源系統(tǒng)，負荷具有較強的隨機性和波動性，“源”與“荷”距離較近。在用戶側構建能源互聯(lián)網(wǎng)不但能就地滿足用戶的電/熱/冷多種能源需求，而且可以平緩負荷曲線、提高能源利用效率和消納可再生能源。相關研究有冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)、綜合能源系統(tǒng)和泛能網(wǎng)等。

針對單個供能區(qū)域，文獻［3］考慮多種能流的相互轉換，提出冷/熱/電聯(lián)供微網(wǎng)優(yōu)化調(diào)度通用建模方法，以某辦公樓為測試對象驗證模型有效性。文獻［6］提出考慮多能源互聯(lián)和多能流協(xié)調(diào)的分布式能源系統(tǒng)規(guī)劃方法，仿真結果表明該系統(tǒng)與集中供能模式、常規(guī)冷熱電聯(lián)產(chǎn)模式相比更經(jīng)濟高效。

針對多個區(qū)域互聯(lián)，文獻［8］提出了基于0-1混合整數(shù)線性規(guī)劃的多能源站互聯(lián)規(guī)劃方法，但規(guī)劃中可供選擇的設備種類較少，同時局限于站間熱力互濟。

文獻［12］以年運行費和碳排放最低為目標，采用矩陣形式建立運行優(yōu)化模型，先后考慮兩個、三個區(qū)域互聯(lián)，并對比分析不同運行場景，算例表明多個區(qū)域互聯(lián)、熱電聯(lián)供更具經(jīng)濟和環(huán)境效益。

當前對于能源互聯(lián)網(wǎng)的規(guī)劃研究較少，文獻［13］研究以電能路由器為核心的能源互聯(lián)網(wǎng)結構，并提出基于電能交換器的未來配電網(wǎng)組網(wǎng)形態(tài)。文獻［14］針對能源互聯(lián)網(wǎng)中“能量傳輸擁塞”和“能量負載均衡”問題，分別提出基于邊權和基于網(wǎng)絡鄰節(jié)點負載的路由策略。

文獻［15］提出了考慮分布式光伏發(fā)電、相變儲能和冷/熱/電聯(lián)供的多能源協(xié)同優(yōu)化建設方案，以海淀北部示范區(qū)為例，改善了電力負荷特性，與常規(guī)能源供應體系下相比，變電站的規(guī)劃容量明顯減少。

綜上所述，當前對于用戶側能源互聯(lián)網(wǎng)規(guī)劃的研究較少，現(xiàn)有規(guī)劃文獻對于多個供能區(qū)域經(jīng)多種網(wǎng)絡進行協(xié)調(diào)互濟以及對于電/熱/冷能流實行聯(lián)合調(diào)度的考慮不夠充分。

針對上述不足，本文梳理系統(tǒng)結構，對各能量單元建模，同時分析用戶側能源互聯(lián)網(wǎng)的負荷特性; 充分考慮多種能源互聯(lián)、多個供能區(qū)域互濟及多類能流聯(lián)合調(diào)度，建立二層規(guī)劃模型，進行各能源路由器內(nèi)設備配置和各能源局域網(wǎng)間網(wǎng)絡規(guī)劃，上、下層模型分別以年費用最低、年運行費最低為優(yōu)化目標; 采用精英保留策略遺傳算法、分支定界法求解所提模型，上、下層相互制約迭代計算; 仿真算例驗證方法可行性，對比分析多能互補、網(wǎng)絡互聯(lián)對規(guī)劃經(jīng)濟性的影響。

圖1 用戶側能源互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)結構

結論

1）本文充分考慮多種能源開放互聯(lián)、多個能源局域網(wǎng)協(xié)調(diào)互濟、多類能流聯(lián)合調(diào)度，提出了一種基于二層規(guī)劃的用戶側能源互聯(lián)網(wǎng)規(guī)劃方法，此建模方法具有可行性。

2）規(guī)劃中考慮電/熱/冷能流聯(lián)合調(diào)度的供能模式，與傳統(tǒng)供能模式、常規(guī)冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)相比，具有更高的經(jīng)濟效益。

3）多個能源局域網(wǎng)協(xié)調(diào)互濟可有效緩解負荷與燃機熱電比不匹配、電熱(冷)負荷峰谷時段不匹配等問題，還可實現(xiàn)不同區(qū)域負荷特性的互補。

4）各能源局域網(wǎng)通過網(wǎng)絡實現(xiàn)互聯(lián)比無網(wǎng)絡連接更經(jīng)濟，通過電/熱多種網(wǎng)絡互聯(lián)，比通過單一電網(wǎng)或熱網(wǎng)連接更具經(jīng)濟性。