深度｜如何以经济性作为优化目标来对多能流综合能源系统进行规划设计？-北极星火力发电网

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摘要

综合能源系统可以实现电、热、气等多种能源形式的互补供能和满足负荷需求的多能调度,从而促进可再生能源消纳能力,提高能源综合利用率。针对含电、热、气并相互耦合的分布式多能流综合能源系统的设备容量匹配优化问题,建立以系统各能量成本最低为目标,以能量平衡和设备工作特性为约束的优化模型,采用一种区域收缩算法加速寻优收敛速度。以西安市某厂房办公楼为例,采用所建模型和所提算法得到综合能源系统最小能量成本下的最优容量匹配和调度策略。结果表明,通过系统的容量匹配优化可以大大减少电、热、气的单位价格,降低多级储热器、可逆固体氧化物燃料电池的设备成本,提高太阳能电池的利用率,可有效提高系统经济性。

（来源：电网技术作者：任娜，王雅倩，徐宗磊，华秀文，丁涛，别朝红，张兄文）

关键词 : 多能流; 综合能源系统; 容量匹配; 优化调度; 能量成本;

0 引言

目前,能源互联网的兴起推动着全球能源体系的变革,能源互联网是基于互联网思维和方法构建的多能流综合能源系统,它的出现极大地推动了综合能源系统(integrated energy system,IES)的发展。基于电、热、气互联互通的多能互补供能是综合能源系统的关键特征之一,其主要收益来自于多能量流互补协同效应提升系统的能效和稳定性[1]。近年来,随着信息技术的快速发展,综合能源系统已经成为能源变革的重要发展趋势[2],它的发展极大地推动了可再生能源的大规模应用,并引领能源供应和消费革命[3]。

综合能源系统将太阳能、风能、生物质能等多种能源形态,转化为消费主体所需的电、气、热(冷)等多种能量形式[4],能够促进可再生能源的就地消纳,实现资源的优化利用,提高能源综合利用率[5-6]。

近年来针对综合能源系统的建模分析、统筹规划、性能评估等课题成为国内外研究热点[7-9]。黎静华

等[4]构思了一种以电为核心的综合能源系统框架,并提出一种协调优化运行模式和能源转换方式,探讨了多能运行存在的关键问题。张涛[10]等基于分布式能源系统的主要设备建立了不同的冷热电能源系统,并建立了能源系统的优化模型,求解得到不同系统的最优配置、运行策略和评价指标值。Mehleri E D等[11]设计了一个以家庭冷热负荷为依托的综合能源系统,利用混合整数线性规划方法进行优化设计,确定了系统主要设备类型以及装机容量。Salimi M等[12]建立了包含冷热电的多能系统机组,并解决了该系统的容量配置问题。综上所述,目前对综合能源系统的研究大多局限于单纯的电力系统或者冷热电联供系统,鲜有对耦合电、热、气多能流的综合能源系统的研究。但是,随着燃料电池的商业化、燃料电池汽车的问世以及电转气(power to gas,P2G)技术的不断成熟[13],氢气的需求越来越广泛,未来的IES以及能源互联网的建立必然包括氢气能量流,所以对包含电、热、气多能流综合能源系统的优化设计具有深远意义。

可逆固体氧化物燃料电池(reversible solid oxide cells,RSOC)[14]是燃料电池中最先进的一种,它是在同一设备上既可以作为燃料电池(solid oxide fuel cells,SOFC)对外界供电[15]或者进行热电联产[16],又能作为电解池(solid oxide electrolysis cells,SOEC)利用电能电解水生成氢气和氧气[17]。具有能量密度高、使用寿命长、转换率高、使用中无自放电现象且无放电深度及电池容量限制等优点,是目前比能量最高的储能系统[18]。同时,它配合太阳能、风能、潮汐能等可再生能源可以实现自给工作,因而被认为是解决可再生能源时间和地域不连续性的一种有效途径。RSOC集电、热、气多种能流为一体,可以实现电、热、气的灵活转化,是构建综合能源系统的关键设备之一。但是目前大多数综合能源系统是基于单独的燃料电池[19]或者是基于燃料电池和电解池2个组件[20],极少有基于RSOC的综合能源系统的优化设计研究。

结合以上背景,本文针对耦合电、热、气的包含可逆固体氧化物燃料电池的多能流分布式综合能源系统,考虑电、热、气多种能源形式的需求,建立以各能量成本最小为目标的系统容量匹配优化和调度策略模型,并基于一种区域收缩算法[21-22]和序列二次规划法(sequence quadratic program,SQP)进行优化求解。最后与具体实例相结合,实现经济性条件下该综合能源系统的最优容量匹配和相应的调度策略。

1 系统结构与运行模式

1.1 系统结构

图1为多能流分布式综合能源系统的能量流图。根据文献[23]中子系统的概念,本文将该系统分为电、热、气3个子系统,主要由RSOC、太阳能电池组(photovoltaic,PV)、压缩式热泵(compression heat pump,CHP)、换热器(heat exchanger,HE)、蓄电池(storage battery,BT)、多级储热器(multistage heat reservoir,MHR)、储氢罐(hydrogen tank,HT)等设备构成,并接入大电网,其中电、热、气能流相互耦合并以清洁能源为载体向外界提供电、热、气多种能源中的一种或多种,也可以进行能源的转化和存储。

1.2 系统运行模式

运行模式的选择对综合能源系统运行性能的好坏起着决定性作用。目前存在2种典型的运行模式：“电跟随(following the electrical loads,FEL)”和“热跟随(following the thermal loads,FTL)”[24]。传统联供系统采用“电跟随”模式会产生多余的热量,采用“热跟随”模式会产生多余的电量,本系统配备有蓄电池、储热器和储氢罐等储能设备,可将多余的能量储存起来,不会造成能源的浪费。但在本文中,为了满足各负荷需求,优先采用“热跟随”运行模式,具体运行模式如下：

1)RSOC在SOFC模式下运行,产生的余热和压缩式热泵共同满足用户热负荷,多余热量储存在多级储热器当中。当用热高峰热量不足时,优先使用储热器当中的热量,若还不满足需求,则使用压缩式热泵作为辅助热源来提供热量。

2)RSOC在SOEC模式下运行,产生的氢气供用户气负载和系统内设备使用,多余氢气储存在储氢罐当中,以备RSOC产生的氢气不足时使用。

3)将PV作为首要供电设备,RSOC作为辅助供电设备,共同向用户电负载和系统内设备供电,多余电量储存在蓄电池中。当系统产生的电量不足时,优先使用蓄电池中的电量,若还不满足需求,则接入大电网来提供电量。

2 系统优化模型

为了更好地对分布式综合能源系统进行优化设计,本文在建模分析中做出如下假设[25]：

1)系统各设备的可选容量连续分布。

2)设备在优化期间内均无故障运行。

3)在各自的运行范围内,各设备的运行效率为定值,不随负荷率的改变而改变。

4)忽略各设备的启停及变工况时间。

2.1 目标函数

原标题：多能流分布式综合能源系统容量匹配优化与调度研究

投稿与新闻线索：陈女士微信/手机：13693626116 邮箱：chenchen#bjxmail.com（请将#改成@）

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