孫雅杰，王 賀，趙書健

(1.東北電力大學(xué)，吉林 吉林 132012；2.國網(wǎng)吉林省電力有限公司電力科學(xué)研究院，長春 130021)

隨著化石能源的過度開發(fā)，環(huán)境污染問題日益嚴(yán)峻，構(gòu)建清潔、經(jīng)濟(jì)和高效的能源系統(tǒng)成為世界各國關(guān)注的重要問題[1-2]。在綜合能源系統(tǒng)的運行優(yōu)化研究中，很多學(xué)者對儲能技術(shù)以及如何合理消納風(fēng)光出力進(jìn)行了研究。為了平抑風(fēng)力、光伏發(fā)電機(jī)組的出力波動，文獻(xiàn)[3]通過用響應(yīng)面法對蓄電池的容量進(jìn)行優(yōu)化，但由于使用壽命較短和環(huán)境污染較大，使蓄電池大規(guī)模應(yīng)用受到限制。基于太陽日照強(qiáng)度和風(fēng)能的波動性和不確定性，文獻(xiàn)[4]在分析了光伏發(fā)電特性、風(fēng)力發(fā)電特性和飛輪儲能特性的基礎(chǔ)上，提出了一種基于模糊控制的風(fēng)能、太陽能及儲能于一體的平滑控制方法來控制系統(tǒng)輸出功率。為了提升綜合能源系統(tǒng)運行經(jīng)濟(jì)性和穩(wěn)定性，許多學(xué)者對系統(tǒng)的優(yōu)化運行進(jìn)行了相關(guān)研究。基于能源樞紐(EH)模型，文獻(xiàn)[5]從多能互補(bǔ)的角度出發(fā)，提出了由能量樞紐運營商、用戶和儲能運營商三者共同組成的多能互補(bǔ)運行互動機(jī)制，接著建立了基于能量樞紐的主從博弈模型，并對其進(jìn)行了仿真驗證。文獻(xiàn)[6]提出了一種含冷熱電聯(lián)產(chǎn)、光伏發(fā)電和地源熱泵的分布式能源系統(tǒng)的優(yōu)化運行策略，使系統(tǒng)的節(jié)能率和減排率得到改善。而上述研究均未考慮新能源發(fā)電同實際用電負(fù)荷在時間上存在相互不匹配的情況。

與上述研究不同的是，本文引入電解水制氫技術(shù)，用過剩產(chǎn)電量制取氫氣，并儲存在儲氣裝置中參與系統(tǒng)需求響應(yīng)，所產(chǎn)生的氫氣還可為氫燃料電池提供燃料。因此本文首次引入新能源發(fā)電與負(fù)荷匹配度的概念來優(yōu)化不同氣象條件下系統(tǒng)的運行成本和二氧化碳排放量。

1 綜合能源系統(tǒng)建模

1.1 綜合能源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

氫氣是一種清潔能源，具有能熱值高、穩(wěn)定性好、便于儲存和傳輸?shù)戎T多優(yōu)點，將電解水制氫氣技術(shù)應(yīng)用到綜合能源系統(tǒng)優(yōu)化運行中具有廣闊前景。

綜合能源系統(tǒng)包含3個部分：供給環(huán)節(jié)，綜合能源系統(tǒng)的能源來自風(fēng)電、光伏、從外部購入的柴油和天然氣；中間轉(zhuǎn)換過程，熱電聯(lián)產(chǎn)(CHP)機(jī)組、燃?xì)忮仩t(GB)等能源轉(zhuǎn)化設(shè)備實現(xiàn)多種能源之間的轉(zhuǎn)換和互補(bǔ)；負(fù)荷終端，終端用戶的熱、電負(fù)荷需求以及儲能裝置。

1.2 各機(jī)組出力模型

a. 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組：

(1)

b. 光伏發(fā)電機(jī)組：

(2)

c. 電解槽：

(3)

d. 氫燃料電池：

(4)

e. CHP機(jī)組：

(5)

f. 燃?xì)忮仩t：

(6)

g. 柴油機(jī)：

(7)

2 電力需求響應(yīng)模型

2.1 電價模型

售電電價r(t)是和用電負(fù)荷等因素密切相關(guān)的，可以表示為：

(8)

2.2 價格型電力需求響應(yīng)模型

基于前文所提的電價模型，本章通過考慮價格型需求響應(yīng)，將價格型電力需求響應(yīng)模型表示為：

PL(t)=PL0(t)×

(9)

式中：PL0(t)、PL(t)為需求響應(yīng)前后的負(fù)荷需求；r0(t′)為需求響應(yīng)之前t′時刻的電價；r(t′)為需求響應(yīng)之后t′時刻的電價；E(t,t′)為彈性因子，當(dāng)t=t′時，表示自彈性(單一時段)，當(dāng)t≠t′時，表示交叉彈性(多時段)。

3 目標(biāo)函數(shù)及約束條件

綜合能源系統(tǒng)的總運行成本Mc表示為各個機(jī)組的運行成本之和，即購買天然氣成本Mpg、購買柴油成本MD、風(fēng)光度電成本MW和MPV以及碳排放成本Mce的和，目標(biāo)函數(shù)為：

minMc=Mpg+MD+MW+MPV+Mce

(10)

詳細(xì)論述如下。

a. 購買天然氣成本Mpg。綜合能源網(wǎng)購買的天然氣一部分進(jìn)入CHP機(jī)組，另一部分進(jìn)入燃?xì)忮仩t。設(shè)天然氣價價格為定值，則購入天然氣的費用可表示為：

(11)

b. 購買柴油成本MD。綜合能源網(wǎng)購入的柴油直接進(jìn)入到柴油發(fā)電機(jī)中作為燃料。設(shè)柴油價格rD為定值，則購入柴油的費用可表示為：

(12)

c. 風(fēng)光出力發(fā)電成本MW和MPV。設(shè)風(fēng)力和光伏發(fā)電機(jī)組的價格rWT和rPV為定值，分別取0.72元/(kW·h)和0.46元/(kW·h)，則風(fēng)光出力發(fā)電成本可表示為：

(13)

(14)

d. 碳排放成本Mce。本文所定義的總碳排放量由購入天然氣的等效碳排放量和購入柴油的等效碳排放量兩部分組成，令βD和βg分別表示柴油和天然氣的等效排放系數(shù)，分別取0.26 kg/(kW·h)和0.24 kg/(kW·h)，ε表示單位質(zhì)量CO2的處理費用(0.03 元/kg)，則碳排放成本可表示為：

(15)

4 新能源發(fā)電與負(fù)荷匹配度的含義、優(yōu)化策略和優(yōu)化算法

4.1 新能源發(fā)電與負(fù)荷匹配度的含義

光伏和風(fēng)力發(fā)電受環(huán)境因素(光照、風(fēng)速)影響較大，具有較強(qiáng)的隨機(jī)性和不確定性。因此新能源發(fā)電同實際用電負(fù)荷在時間上存在相互不匹配的現(xiàn)象，進(jìn)而導(dǎo)致棄風(fēng)棄光。為研究新能源發(fā)電在時間上與負(fù)荷不匹配對系統(tǒng)運行的影響，本文首次定義匹配度φ為風(fēng)力及光伏發(fā)電總出力與負(fù)荷的重疊部分和總負(fù)荷的比值。

4.2 優(yōu)化策略

首先在給定的負(fù)荷數(shù)據(jù)與新能源出力曲線的特定情況下，即匹配度為固定值時，在計及需求響應(yīng)前后對綜合能源系統(tǒng)中電解水系統(tǒng)的能量交互情況和柴油機(jī)組的出力情況進(jìn)行了分析。隨后，在給定負(fù)荷下，研究了不同風(fēng)光出力的情況下，即不同匹配度下系統(tǒng)的運行成本和二氧化碳排放量。通過分析電解水系統(tǒng)的能量輸入與輸出的動態(tài)變化，研究不同氣象因素對綜合能源系統(tǒng)運行的影響。

4.3 優(yōu)化算法

使用自適應(yīng)遺傳算法(AGA)對綜合能源系統(tǒng)運行進(jìn)行優(yōu)化是目前比較常用的方式，AGA通過自適應(yīng)地調(diào)整交叉概率和變異概率，可以顯著提高遺傳算法的收斂精度和收斂速度。在用AGA進(jìn)行尋優(yōu)時，主要通過比較適應(yīng)度函數(shù)值來區(qū)分每個個體的優(yōu)劣，且在使用遺傳算法進(jìn)行求解時，適配值越大優(yōu)化效果越好，因此為了獲得最優(yōu)的綜合能源系統(tǒng)的運行成本，本文適應(yīng)度函數(shù)用目標(biāo)函數(shù)的倒數(shù)表示，同時選擇綜合能源系統(tǒng)中各組件每小時輸出的功率為控制變量，通過AGA對系統(tǒng)的運行成本進(jìn)行優(yōu)化，算法優(yōu)化流程圖見圖1。

圖1 AGA優(yōu)化流程圖

5 算例分析

5.1 場景描述和基本參數(shù)

本節(jié)以一個典型綜合能源系統(tǒng)為例，對所提出的優(yōu)化運行策略進(jìn)行仿真驗證。此外，考慮到儲熱水箱安裝成本低廉，且回收余熱有助于提升綜合能源效率，所以假設(shè)該綜合能源系統(tǒng)所配置的儲熱水箱容量能夠完全收集余熱。同時，氫氣可通過高壓壓縮的方式實現(xiàn)大規(guī)模儲存，假設(shè)電解槽電解的氫氣可全部被存儲在儲氫裝置中，高效地參與系統(tǒng)的需求響應(yīng)。表1給出了負(fù)荷的彈性系數(shù)。

表1 電負(fù)荷彈性系數(shù)

通過對該綜合能源系統(tǒng)中的負(fù)荷和氣象狀況進(jìn)行監(jiān)控，數(shù)據(jù)中心記錄了日負(fù)荷數(shù)據(jù)和氣象數(shù)據(jù)。某典型日的電、熱負(fù)荷需求和根據(jù)所提的價格型電力需求響應(yīng)模型計算出的參與需求響應(yīng)后的電負(fù)荷需求見圖2，該日風(fēng)機(jī)和光伏的輸出功率見圖3。

圖2 典型日負(fù)荷曲線

圖3 典型日風(fēng)機(jī)和光伏輸出功率曲線

5.2 結(jié)果分析

5.2.1 需求響應(yīng)前后綜合能源系統(tǒng)優(yōu)化運行結(jié)果

為了了解需求響應(yīng)后綜合能源系統(tǒng)中的電解水系統(tǒng)的能量充放情況，圖4展示了電解水系統(tǒng)的實時能量交互(小于0表示儲存能量，大于0表示釋放電能)。從圖4中可以看出，在考慮了需求響應(yīng)后，電解槽在7 h和11～14 h進(jìn)行能量存儲，燃料電池在2 h、18 h和22～24 h進(jìn)行電能的釋放。根據(jù)計算得出：電解水系統(tǒng)能完全將3 532.85 kW·h的電能轉(zhuǎn)化為氫氣存儲在儲氫系統(tǒng)中，在用能緊張時刻可釋放電能1 413.14 kW·h。這說明相較于不計及需求響應(yīng)的綜合能源系統(tǒng)，計及需求響應(yīng)的系統(tǒng)中的電解水裝置具備更高的靈活性，可以幫助系統(tǒng)解決一部分用能緊張的能量需求。

圖4 需求響應(yīng)后電解水系統(tǒng)的實時能量交互

需求響應(yīng)前后的能源系統(tǒng)中柴油機(jī)組日出力情況作對比見圖5，可以看出對于不計及需求響應(yīng)的系統(tǒng)而言，柴油機(jī)組全天都在運行狀態(tài)，而在計及需求響應(yīng)后，柴油機(jī)組每天在7 h和11～14 h是可以不工作的，這是因為參與需求響應(yīng)后的電負(fù)荷進(jìn)行了轉(zhuǎn)移或者削減，使得在這一階段的負(fù)荷可由新能源發(fā)電滿足，從而減少了柴油機(jī)組的出力。通過計算可知，計及需求響應(yīng)后的綜合能源系統(tǒng)柴油機(jī)的總發(fā)電量比不考慮需求響應(yīng)的系統(tǒng)降低了約13.9%。與此同時，計及需求響應(yīng)后的綜合能源系統(tǒng)日運行成本也減少了約7.4%，其中碳排放成本降低了約7.6%。

圖5 計及需求響應(yīng)前后綜合能源系統(tǒng)柴油機(jī)組日出力

5.2.2 不同匹配度系統(tǒng)運行成本及碳排優(yōu)化結(jié)果

為了揭示不同氣象條件(風(fēng)速、光照)對系統(tǒng)優(yōu)化運行的影響，本節(jié)在確定的負(fù)荷需求(參與需求響應(yīng)后的負(fù)荷)下，研究了不同匹配度下的最優(yōu)運行成本、碳排量及電解水系統(tǒng)運行情況的變化。表2展示了負(fù)荷匹配度由50%上升到70%的過程中系統(tǒng)運行成本和碳排量的變化情況。

表2 運行成本和碳排量變化情況

由表2可知，隨著負(fù)荷匹配度的升高，綜合能源系統(tǒng)的運行成本和碳排量均呈現(xiàn)下降趨勢。即當(dāng)負(fù)荷匹配度從50%升到70%時，日均運行成本下降了約15.8%，碳排量降低了約35%。產(chǎn)生這種變化的原因是：隨著負(fù)荷匹配度的升高，新能源發(fā)電的利用率越來越大，儲氫系統(tǒng)所需轉(zhuǎn)移的電負(fù)荷逐漸減少。通過對5種匹配度下電解水系統(tǒng)的能量交互進(jìn)行計算可知，隨著負(fù)荷匹配度的升高，電解水制氫的量逐漸減少，同時向系統(tǒng)釋放的電能也越來越少。計算表明，當(dāng)負(fù)荷匹配度由50%升至70%時，釋放的總電能減少了約63%。這是由于隨著負(fù)荷匹配度增加，新能源發(fā)電可以滿足的負(fù)荷越來越多，因此電解水系統(tǒng)需要消耗的電能總量減少，參與需求響應(yīng)的氫氣也隨之減少。

6 結(jié)論

a. 將電解水制氫技術(shù)引入傳統(tǒng)的綜合能源系統(tǒng)，并通過安裝儲氫裝置，使氫氣參與系統(tǒng)需求響應(yīng)，提升了系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性，并可以減少備用電源的出力。數(shù)據(jù)表明，在考慮需求響應(yīng)的情況下，降低了系統(tǒng)運行成本、碳排放成本和柴油發(fā)電機(jī)的發(fā)電量分別達(dá)7.4%，7.6%和13.9%。

b. 首次引入負(fù)荷匹配度的概念，并研究負(fù)荷匹配度對系統(tǒng)運行成本和碳排量的影響。隨著負(fù)荷匹配度的增加，系統(tǒng)運行成本，碳排放量以及電解水系統(tǒng)參與需求響應(yīng)的量都有所降低。數(shù)據(jù)表明，當(dāng)負(fù)荷匹配度由50%提升到70%時，系統(tǒng)運行成本降低了約15.8%，碳排量減少了約35%。