發(fā)布時間：2021-05-13所屬分類：工程師職稱論文瀏覽：1次
摘 要： 摘要：充分調(diào)用系統(tǒng)內(nèi)可再生資源、合理配置系統(tǒng)內(nèi)各機組容量、利用儲能設(shè)備解耦各能量之間的耦合關(guān)系是降低系統(tǒng)運行成本的重要手段。利用場景分析法，建立了可再生能源出力及負(fù)荷不確定性模型，在此基礎(chǔ)上，將地源熱泵及混合儲能系統(tǒng)引入?yún)^(qū)域綜合能源系統(tǒng)，
摘要：充分調(diào)用系統(tǒng)內(nèi)可再生資源、合理配置系統(tǒng)內(nèi)各機組容量、利用儲能設(shè)備解耦各能量之間的耦合關(guān)系是降低系統(tǒng)運行成本的重要手段。利用場景分析法，建立了可再生能源出力及負(fù)荷不確定性模型，在此基礎(chǔ)上，將地源熱泵及混合儲能系統(tǒng)引入?yún)^(qū)域綜合能源系統(tǒng)，以地源熱泵系統(tǒng)解耦CCHP機組“以熱定電”約束，并制定合理的長、短期儲能協(xié)調(diào)運行方案，以系統(tǒng)運行成本最小為目標(biāo)建立了包含能量轉(zhuǎn)換、存儲設(shè)備在內(nèi)的區(qū)域綜合能源系統(tǒng)日前調(diào)度模型。運用Yalmip、Matpower工具箱，利用Cplex求解器在Matlab環(huán)境下對IEEE39節(jié)點系統(tǒng)進行仿真分析，求得夏、冬季典型日運行成本最低情況下的各機組出力情況與組合模式。仿真算例表明，合理調(diào)用區(qū)域系統(tǒng)內(nèi)風(fēng)、光、地?zé)崮埽⒉捎瞄L、短期儲能相結(jié)合的混合儲能協(xié)調(diào)調(diào)度形式，能夠?qū)崿F(xiàn)能量的季節(jié)性轉(zhuǎn)移，為區(qū)域綜合能源系統(tǒng)運行帶來經(jīng)濟優(yōu)勢，提高能源利用率。
關(guān)鍵詞：區(qū)域綜合能源系統(tǒng);地源熱泵;混合儲能;場景分析法;隨機規(guī)劃
0引言
新能源發(fā)電的大量并網(wǎng)，一定程度上解決了由于化石能源大量使用帶來的環(huán)境污染以及能源使用可持續(xù)性方面的問題，同時也帶來了規(guī)劃復(fù)雜、運行穩(wěn)定欠佳以及棄風(fēng)棄光等多方面問題。據(jù)統(tǒng)計，2019年，我國可再生能源發(fā)電裝機達(dá)到7.94億千瓦，占全部電力裝機量的39.5%，可再生能源全年發(fā)電量2.04萬億千瓦時，同比增長約1761億千瓦時，其中棄風(fēng)電量169億千瓦時，棄光電量46億千瓦時。盡管近幾年的棄風(fēng)棄光率有所下降，但棄風(fēng)棄光量的數(shù)值依舊可觀。
在我國，傳統(tǒng)能源供給系統(tǒng)之間分立運行，協(xié)調(diào)性較差，顯然不再適應(yīng)新能源大量發(fā)電并網(wǎng)的今天。為此，相關(guān)部門提出了綜合能源系統(tǒng)(Integratedenergysystem,IES)的概念，即發(fā)展一個能源生產(chǎn)、傳輸、分配、轉(zhuǎn)換、存儲、消費等環(huán)節(jié)有機協(xié)調(diào)、優(yōu)化一體的能源供應(yīng)系統(tǒng)。按照地理因素與能源產(chǎn)供銷環(huán)節(jié)劃分，可將IES分為跨區(qū)級、區(qū)域級以及用戶級綜合能源系統(tǒng)三類。其中，區(qū)域級IES連接輸運側(cè)與用戶側(cè)，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，系統(tǒng)內(nèi)包含元件眾多，能源耦合關(guān)系復(fù)雜[1]。
文獻[2-5]將電轉(zhuǎn)氣裝置(Powertogas,P2G)、熱電聯(lián)產(chǎn)(Cogeneration,combinedheatandpower，CHP)機組與儲能裝置相結(jié)合，建立了考慮獨立型微電網(wǎng)電、熱儲能系統(tǒng)配置與運行結(jié)合的聯(lián)合優(yōu)化模型，但并未考慮市電利用的并網(wǎng)模式下多能存儲微網(wǎng)的儲能優(yōu)化配置，且對于可再生能源出力的隨機性對系統(tǒng)經(jīng)濟調(diào)度的影響考慮不夠充分。文獻[6]詳細(xì)介紹了國內(nèi)外多項綜合能源系統(tǒng)示范項目具體情況。對國內(nèi)外綜合能源系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀進行總結(jié)，并對未來發(fā)展提出建議，對我國綜合能源系統(tǒng)未來發(fā)展具有指導(dǎo)意義。但并未著重強調(diào)儲能裝置結(jié)構(gòu)及作用。文獻[7-8]提出了一種含儲熱的光熱電站與相變儲能的離網(wǎng)型綜合能源供熱系統(tǒng)及其協(xié)調(diào)調(diào)度策略，文章著重介紹了相變儲熱與光熱電站聯(lián)合調(diào)度的建筑供熱系統(tǒng)運行結(jié)構(gòu)，為未來建筑供熱策略提供新思路。文獻[9]提出一種通過先進絕熱壓縮空氣儲能供給熱、電負(fù)荷的系統(tǒng)可行域分析方法，分析了可行域特征及其影響因素，為熱-電聯(lián)合綜合能源系統(tǒng)運行分析提供一種新的標(biāo)尺。文獻[10-13]從儲能技術(shù)本身出發(fā)，詳細(xì)介紹了地源熱泵與季節(jié)性儲能聯(lián)合供熱的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，運行原理與運行特點，但并未研究其在區(qū)域綜合能源系統(tǒng)中的運行情況。
通過對現(xiàn)有文獻的分析可以看出，現(xiàn)階段對于IES的研究集中于復(fù)雜耦合供能系統(tǒng)的規(guī)劃調(diào)度建模問題;儲能環(huán)節(jié)在打破傳統(tǒng)熱電聯(lián)產(chǎn)“以熱定電”的剛性耦合、提升可再生能源并網(wǎng)率以及保證系統(tǒng)經(jīng)濟穩(wěn)定運行方面起到了至關(guān)重要的作用，但目前的研究集中于短期儲能，考慮長、短期儲能相配合的研究較少;對能量轉(zhuǎn)換模型與優(yōu)化求解模型的研究較為深入，但研究中建立的運行成本大多較為精簡。
有鑒于此，在充分調(diào)用區(qū)域系統(tǒng)內(nèi)風(fēng)、光及地?zé)崮艿幕A(chǔ)上，本文建立了基于地源熱泵系統(tǒng)與混合儲能聯(lián)合供能的區(qū)域IES電-氣-熱聯(lián)合規(guī)劃經(jīng)濟調(diào)度模型，并將地下水資源作為長期儲能載體，與傳統(tǒng)短期儲能形式相配合實現(xiàn)能量的季節(jié)性轉(zhuǎn)移。仿真算例證明，本文所提模型能夠有效反應(yīng)可再生能源出力及負(fù)荷波動對系統(tǒng)運行帶來的影響，且利用長、短期儲能相配合的方式能夠?qū)崿F(xiàn)能量的季節(jié)性轉(zhuǎn)移且可有效降低系統(tǒng)的總運行成本，提高可再生能源消納量。
1區(qū)域綜合能源系統(tǒng)
1.1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及運行策略
區(qū)域綜合能源系統(tǒng)以主動配電網(wǎng)、混合儲能、能源轉(zhuǎn)換等技術(shù)為支撐技術(shù)[1]，以電力系統(tǒng)為核心，與燃?xì)庀到y(tǒng)、熱力系統(tǒng)高度耦合，以分布式可再生能源為主要一次能源，強調(diào)能源之間對等開放、即插即用，是能源互聯(lián)網(wǎng)的物理載體。系統(tǒng)內(nèi)包含設(shè)備諸多，源側(cè)為風(fēng)電機組(windturbine,WT)、光伏機組(photovoltaic,PV)，能量轉(zhuǎn)換裝置為電轉(zhuǎn)氣裝置(powertoGas,P2G)、燃料電池(fullcell，F(xiàn)C)、CCHP機組、電鍋爐(electricboiler,EB)、燃?xì)忮仩t(gasboiler,GB)、地源熱泵機組(geothermalheatpumps,HP)，儲能設(shè)備為儲電裝置(electricitystorage,ESS)、儲氣裝置(gasstorage,GSS)、儲熱/冷水罐(thermal/coldstorage,HSS/CSS)。本文所建立的地源熱泵系統(tǒng)配合混合儲能供能的區(qū)域綜合能源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如附錄A中圖1所示。
并網(wǎng)運行條件下系統(tǒng)的日前調(diào)度目標(biāo)為系統(tǒng)運行成本值最小。在運行策略的制定時需要考慮以下幾點：(1)充分利用系統(tǒng)內(nèi)的可再生資源，采用最大功率跟蹤技術(shù)使可再生能源機組實現(xiàn)最大出力。(2)系統(tǒng)內(nèi)包含ESS、GSS等多種能源儲存設(shè)備以平抑可再生能源出力波動，解耦能量之間的耦合關(guān)系，消納系統(tǒng)多余發(fā)電量。需充分考慮這些設(shè)備的容量、輸入輸出功率限度等約束以及其運行成本。(3)HP的循環(huán)水源來自于深層地下水，冬季供熱時，循環(huán)系統(tǒng)將熱量帶入室內(nèi)，冷量帶出存入地下，夏季相反。供熱/冷量不足部分由電鍋爐與燃?xì)忮仩t補足。
(4)充分考慮運行過程中各機組約束以及調(diào)度周期內(nèi)電價波動等相關(guān)約束。
1.2地源熱泵系統(tǒng)
區(qū)域綜合能源系統(tǒng)的供熱方式主要有熱電聯(lián)產(chǎn)(CombinedHeatingandPower，CHP)機組供熱與熱泵機組供熱兩種，CHP機組又分為燃煤CHP與燃?xì)釩HP兩種。本文所采用的冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)包含微型燃?xì)廨啓C、余熱回收單元和吸收式制冷機3個部分。其中，微型燃?xì)廨啓C主要作為原動機使用，是整個CCHP系統(tǒng)的核心裝置，其單臺機組的功率大小一般在20-350kW之間。相對于傳統(tǒng)的火力發(fā)電機，微型燃?xì)廨啓C具有噪音小、能量損耗低、可控性高、運行維護成本低等方面優(yōu)點，己成為了新形勢下分布式能源領(lǐng)域的主要發(fā)展方向。
熱泵供熱機組分為中水水源熱泵、地源熱泵與空氣源熱泵三種，其中地源熱泵能以地表能量作為熱源，通過少量高品位能源(如電能)驅(qū)動，完成熱能從低密度區(qū)域到高密度區(qū)域的轉(zhuǎn)移。相比于傳統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)換裝置，地源熱泵的COP值可達(dá)到4以上，意味著能夠輸出所消耗電能4倍以上的熱能，可以有效減少常規(guī)能源的消耗。熱泵運行中受環(huán)境與地域因素影響小，具有使用壽命長、維護成本低、運行穩(wěn)定性高等優(yōu)點，未來具有廣闊的發(fā)展前景。本文采用以地表水與地下土壤層為低溫?zé)嵩矗傻乇硭礋岜脵C組、土壤源熱泵系統(tǒng)、建筑物蓄能板換系統(tǒng)組成的供熱空調(diào)地源熱泵系統(tǒng)。其結(jié)構(gòu)如圖1所示，該系統(tǒng)適用于建筑面積大、周圍空地面積有限的大型單體建筑和小型建筑群落[12]。
區(qū)域綜合能源系統(tǒng)冷、熱需求復(fù)雜多變，負(fù)荷分布呈現(xiàn)季節(jié)性波動規(guī)律，合理制定系統(tǒng)內(nèi)機組運行策略，能夠有效提高系統(tǒng)運行效率、降低系統(tǒng)運行成本。如上圖所示，單套地源熱泵機組能夠通過閥門的開關(guān)配合實現(xiàn)多種工況間的切換。
1.2.1系統(tǒng)夏季運行策略
為最大程度減少運行費用，夏季應(yīng)優(yōu)先使用負(fù)荷低谷期的蓄冷量進行供冷，若負(fù)荷量增大，則可開啟部分土壤源熱泵主機進行直供，若負(fù)荷進一步增大，則需要再開啟部分地表水源熱泵進行直供。綜上，夏季地源熱泵系統(tǒng)主要工作于3種工況，即夜間主機蓄冷與直接供冷、白天蓄水池供冷、白天蓄水池與主機聯(lián)合供冷，3中工況下的閥門配合情況如表1所示。
1.2.2系統(tǒng)冬季運行策略
由于夏熱冬冷地區(qū)冬夏負(fù)荷差別較大，按夏季負(fù)荷設(shè)備選型即可滿足冬季負(fù)荷需求。與夏季運行情況類似，系統(tǒng)應(yīng)優(yōu)先使用蓄熱系統(tǒng)供熱，若負(fù)荷量增大，則可開啟部分主機與水池進行聯(lián)合供熱。冬季地源熱泵系統(tǒng)同樣有3種工況，3種工況下的閥門開關(guān)情況如表2所示。
由于CCHP系統(tǒng)內(nèi)部具有熱、冷和電3種能量的耦合與制約，其調(diào)節(jié)靈活性十分有限，不能夠直接滿足復(fù)雜的多能源需求。而地源熱泵系統(tǒng)具有較高的可控性，較好的彌補了CCHP系統(tǒng)供能的缺陷。將地源熱泵與CCHP系統(tǒng)配合使用，能夠充分發(fā)揮兩者的互補優(yōu)勢，增強CCHP系統(tǒng)運行的靈活性。
1.3混合儲能在區(qū)域IES中的作用
地下水蓄能容量大，充分熱循環(huán)周期長達(dá)1年，又被稱為長期儲能[13]。本文所研究的區(qū)域IES包含ESS、GSS以及地下水儲熱等多種儲能形式，是一種短期儲能與長期儲能協(xié)調(diào)運行的供能方式。當(dāng)電網(wǎng)電價升高、電負(fù)荷增大、系統(tǒng)發(fā)電量不足時，短期儲能裝置由于其具有的循環(huán)周期短，響應(yīng)快等特點，可以迅速補足供用差額[14]。在電價下降、電負(fù)荷減小、系統(tǒng)發(fā)電量富余時，短期儲能裝置可以消納系統(tǒng)多余發(fā)電量，提高能源利用率但維護成本相對較高。長期儲能具有容量大、循環(huán)周期長等特點，如地下水源，其攜帶的地?zé)崮茈S外界溫度變化響應(yīng)慢，與熱泵機組配合組成的地源熱泵機組可長期供給一定區(qū)域內(nèi)的冷、熱負(fù)荷，消耗能量少，污染小，運行維護費用相對較低。2017年，國家先后頒布了《地?zé)崮荛_發(fā)利用“十三五”規(guī)劃》和《北方地區(qū)冬季清潔取暖規(guī)劃(2017-2021)》。對北方地區(qū)供暖系統(tǒng)及其未來發(fā)展方向做出規(guī)劃。政策頒布兩年來，地?zé)崮芾妙I(lǐng)域取得了技術(shù)與應(yīng)用上的可觀進展[11]。
2可再生能源出力及負(fù)荷隨機性預(yù)測模型
在對區(qū)域IES進行優(yōu)化調(diào)度時，可再生能源出力具有的隨機波動性將會直接影響系統(tǒng)內(nèi)設(shè)備的運行情況，進而影響系統(tǒng)規(guī)劃的經(jīng)濟性與可行性。此外，目前的負(fù)荷預(yù)測技術(shù)很難實現(xiàn)負(fù)荷預(yù)測零誤差，具有一定偏差。因此，預(yù)測可再生能源出力與各負(fù)荷需求是區(qū)域IES優(yōu)化中面臨的主要問題之一[13]。
一方面，簡化可再生能源與負(fù)荷的不確定性表達(dá)，可有效控制優(yōu)化調(diào)度的求解計算量，保證求解可行性，但卻難以體現(xiàn)出功率的波動特征，無法真實準(zhǔn)確反映可再生能源出力與負(fù)荷波動規(guī)律性對優(yōu)化規(guī)劃的影響。另一方面，過于精細(xì)化的不確定性表達(dá)雖然可以提高精確度，但將給優(yōu)化調(diào)度模型的求解帶來巨大挑戰(zhàn)，甚至于難以求解而導(dǎo)致模型不可用。
2.1風(fēng)電、光伏初始場景生成
以風(fēng)電機組為例，依據(jù)調(diào)度中心所下發(fā)的風(fēng)功率分布，通過以下步驟可得到N組T維的可再生能源出力初始場景集合[14]：
(1)將歷史數(shù)據(jù)進行分類統(tǒng)計和處理，得到四季每小時的風(fēng)電機組出力分布情況;
(2)利用非參數(shù)擬合方法得到風(fēng)功率概率密度曲線，再依據(jù)蒙特卡洛隨機模擬方法在每小時的風(fēng)功率概率密度曲線的基礎(chǔ)上生成N個隨機采樣數(shù)組，進而可得到每個季節(jié)對應(yīng)的N*T組隨機采樣數(shù)組。其中T為每個場景的時段數(shù)，本文取24。
2.2初始場景削減
接下來對上述結(jié)果進行場景削減。首先運用K-MEANS法進行聚類，從而生成風(fēng)電的隨機不同概率初始場景，若對每個場景均進行計算不合理也難以實現(xiàn)，因此在保證計算速度和精度的前提下，需要對場景進行縮減，合并部分場景，形成具有一定概率值的有限數(shù)量的典型場景集合。如此，即可最大限度保持樣本特征，又可提高場景的描述效率。
本文采用后向場景削減技術(shù)[17]。將原始數(shù)據(jù)的NT×采樣矩陣縮減為×NTs矩陣，對應(yīng)模型中的Ns個場景的風(fēng)電機組出力序列，且可以得到第Ns個場景對應(yīng)的概率ps。同理地，對應(yīng)電負(fù)荷、氣負(fù)荷、熱負(fù)荷預(yù)測不確定性處理的方式也可以同上，此處不再闡述。3區(qū)域IES經(jīng)濟調(diào)度模型及求解方法3.1風(fēng)電機組模型
受風(fēng)速變化因素的影響，風(fēng)機的輸出功率存在不確定性和間歇性的特點。由風(fēng)力電機的運行特性可知，當(dāng)風(fēng)速小于其切入值時，風(fēng)力電機的輸出功率為零，處于停機狀態(tài);當(dāng)風(fēng)速大于其切入值時，風(fēng)力電機開始啟動，并通過控制器調(diào)節(jié)發(fā)電機的勵磁轉(zhuǎn)矩，使得機組在最大功率跟蹤(MaximumPowerPointTracking,MPPT)模式運行，此時風(fēng)能利用系數(shù)最高;當(dāng)風(fēng)速變?yōu)轭~定值時，風(fēng)機的輸出功率也達(dá)到最大;當(dāng)風(fēng)速超過其額定值時，槳距調(diào)節(jié)裝置動作，增大槳距角，使得輸出功率維持在額定值附近;當(dāng)風(fēng)速大于其切出值時，為了保證機組設(shè)備安全，風(fēng)力電機停轉(zhuǎn)，此時輸出功率為零，槳距角為90°,則風(fēng)力電機的輸出功率為：
5結(jié)論
本文建立了含地源熱泵及混合儲能的區(qū)域綜合能源系統(tǒng)日前調(diào)度模型，其中地源熱泵系統(tǒng)由土壤源熱泵機組、地表水源熱泵機組、蓄能水池、板式換熱器及用戶空調(diào)系統(tǒng)等組成。分別對夏季與冬季典型日系統(tǒng)運行狀態(tài)進行仿真，分析地源熱泵系統(tǒng)及區(qū)域綜合能源系統(tǒng)的運行狀態(tài)，可得下述結(jié)論：
(1)區(qū)域綜合能源系統(tǒng)中的用戶冷、熱需求主要由地源熱泵系統(tǒng)提供，且系統(tǒng)中的地表水源熱泵各機組承擔(dān)主要蓄能作用。夏季運行中，地源熱泵系統(tǒng)的COP值為5.37，冬季運行時，地源熱泵系統(tǒng)的COP值為5.99，均低于設(shè)計工況。其主要原因為，實際運行中，水泵消耗與板式換熱器散熱損失不可忽略，且會一定程度上降低系統(tǒng)能效。
(2)地源熱泵系統(tǒng)的加入，能夠有效吸收負(fù)荷低谷期時的風(fēng)、光富余出力，棄風(fēng)成本下降至47.2%，棄光成本下降至42.9%，提高了可再生能源消納量。且地源熱泵系統(tǒng)能夠利用少量低品位能量生產(chǎn)高品位能量，運行維護成本低，能夠大幅度降低系統(tǒng)運行成本。(3)短期儲能與長期儲能相結(jié)合的系統(tǒng)供能形式，既可實現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)調(diào)壓調(diào)頻、保持系統(tǒng)功率平衡，又可實現(xiàn)能量的季節(jié)性轉(zhuǎn)移，即將夏季的熱量轉(zhuǎn)移至地表水源及土壤中以供冬季用戶熱能需求，減少了一次能源消耗。
基于地源熱泵的應(yīng)用范圍，該模型適用于度假區(qū)、游樂場以及住宅聚集區(qū)域的運行規(guī)劃，在接下來的研究中可以考慮以下幾點：
(1)建立能量管理系統(tǒng)以控制系統(tǒng)各機組動態(tài)出力進而實現(xiàn)機組運行成本實時最優(yōu)[20]。
(2)構(gòu)建系統(tǒng)內(nèi)污染物排放量最低、可再生能源消納率最優(yōu)等目標(biāo)相結(jié)合的多目標(biāo)優(yōu)化模型以及系統(tǒng)建設(shè)規(guī)劃與運行調(diào)度雙層優(yōu)化模型。——論文作者：孟明，薛宛辰，商聰
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