考虑风电消纳和梯级利用的综合能源优化调度

左 帅，崔双喜，郑 浩，孟光明

(新疆大学电气工程学院，新疆 乌鲁木齐 830047)

1 引言

综合能源系统是实行多能互补和能量梯级利用的关键，它基于各能源设备在时空上的耦合特性，即实现了多能互补，提高能源利用率；又实现能源梯级利用，提高能源综合使用水平。目前，研究能的梯级利用，已成为综合能源热力系统的焦点问题。但是，目前的研究存在能源结构不合理、能源利用率低下和能源污染严重等亟待解决的问题，因此改善能源结构，提升能源利用率，使用清洁能源等，是解决上述问题的关键。

文献[3]考虑的能量梯级利用中，能源利用结构简单，未充分考虑风电消纳。文献[4-5]提出的综合能源系统模型，虽然促进了风电的消纳，但未考虑热能的梯级利用，未能充分挖掘多能互补优势。文献[6]提出一种多时间尺度的混合新能源电站协调控制策略，所提策略未充分考虑冷热能源与电能的协同互补作用。文献[7]从可再生能源的消纳和经济运行两方面建立优化模型，虽然促进了可再生能源的消纳，但是对于所提模型中的热能利用考虑简单，没有考虑热能的梯级利用。文献[8]从分时段销售电价划分方面对风电上网进行研究，模型相对简单，未能充分发挥综合能源系统多能互补优势。文献[9]对风-电-氢系统综合效益进行研究，所建立的模型可以预测耦合氢储能系统的风电场综合效益的变化趋势，但是仅仅从风电制氢的角度进行研究，对于研究综合能源系统来讲，研究相对片面。文献[10-12]从综合能源系统中能源设备入手，进行优化调度研究，未充分考虑可再生能源的消纳和热能的梯级利用。

针对上述研究存在的问题，提出一种考虑风电消纳和能量梯级利用的综合能源系统优化调度模型，在风电消纳和能量梯级利用基础上，对系统各能源设备的协同出力情况进行优化调度，通过调节各能源设备的运行情况和工作状态，实现经济环保效益最优。

2 基于风电消纳和梯级利用系统

2.1 风电消纳原理

基于风能反调峰特性，当电能出力低谷时，风能出力却为高峰时段，通过电转气装置把富余风能转化为天然气。当电能出力高峰时，电转气装置为燃气轮机发电和燃气锅炉产热提供能源，尽可能的减少从电网购电。该装置既提升了系统对风电的消纳能力，又降低了污染气体的排放量，提升了系统运行的经济性和环保性。

2.2 热能梯级利用原理

根据热能温度由高到低的不同，可以用不同品位表示，温度越高则品位越高。根据用户对不同温度热能的需求，供应与之相对应的品位热能。本文中，燃气轮机和燃气锅炉产生的高品位热在余热锅炉、吸收式热泵等能源设备中进行循环利用和回收，由高品位热逐步向低品位热转化，实现了热能的有效利用。

2.3 系统框架

如图1所示：示意图可分为电力、蒸汽、高温、中温、低温和冷水母线。电力母线连接P2G装置、燃气轮机和风能发电，并与电网交互。蒸汽母线连接燃气轮机和燃气锅炉，生产蒸汽负荷供应吸收式热泵、尖峰加热器和吸收式制冷机。高温母线连接尖峰加热器，消耗蒸汽负荷生产高温热负荷。中温母线连接电热泵、吸收式热泵和储热装置。低温母线连接燃气轮机废弃热、余热锅炉和吸收式制冷生产低温热水，由于低温热水利用价值较低，只向用户按需供应，不进行储存。冷水母线连接电制冷机、吸收式制冷机和储冷装置。本文研究包含冷、热、电和气能，负荷种类和功能设备丰富。

图1 考虑风电消纳和梯级利用能量流示意图

2.4 设备模型

2.4.1 能量生产设备

1)电转气装置

该装置把富余风电转化为天然气进行存储或者为系统设备提供燃料，相当于增加电热负荷，促进了系统消纳风电的能力。

(1)

2)燃气轮机

该设备产生的抽气热供应吸收式热泵、吸收式制冷机和尖峰加热器；产生的废气热由余热锅炉回收，同时过滤废气中的污染物，减少污染排放。

(2)

3)燃气锅炉

该设备是本文优化调度中的调峰装置，消耗天然气供应热蒸汽。

(3)

4)风电模型

(4)

242 能量转换设备

1)吸收式热泵

该设备消耗蒸汽负荷，生产中温负荷。

(5)

2)电热泵

该设备消耗电能生产中温负荷。

(6)

3)电制冷机

该设备消耗电能生产冷负荷。

(7)

4)吸收式制冷机

本文采用单效式模型，消耗蒸汽负荷供应低温负荷或冷负荷。

(8)

5)尖峰加热器

该设备消耗蒸气负荷供应高温负荷。

(9)

243 能量储能设备

储能设备包含冷、热和气储能。统一建模如下

(10)

3 优化调度模型

3.1 目标函数

本文以综合能源系统日运行费用最小为目标。包括运行维护成本、购电成本、购气成本、弃风成本组成，为目标函数。

min=+++

(11)

1)运行维护成本

(12)

2)购电成本

(13)

3)购气成本

(14)

式中：为燃气价格。

4)弃风成本

(15)

式中：为弃风单价。

3.2 约束条件

1)电功率平衡约束

(16)

(17)

3)热功率平衡约束

(18)

4)冷功率平衡约束

(19)

5)设备运行约束

(20)

6)储能设备约束

(21)

3.3 优化求解

式(1)和(4)为消纳风电装置和模型，实现了风电消纳；式(5)-(9)为系统能量转换设备的模型，实现了各能源间的转换；式(16)-(19)为冷热电气功率约束；式(18)为各品位热能母线上的平衡约束，实现了热能的梯级利用。基于本文所建模型，最终得到的是混合整数非线性模型，通过将其转化为混合整数线性模型来提高优化速度。再结合文中约束条件在Matlab中调用CPLEX对该优化模型进行求解。

4 本文算例分析

本文以我国北方某园区为研究对象，结合实际数据，通过计算机仿真，验证了本文所提方法的有效性。本文以1h为间隔进行优化仿真，在该步长下，各能源设备协同出力优化调度均满足时间尺度要求。针对用户不同能源需求供应相对应的电能、冷能和各品位的热能。分时电价数据为：峰时段08：00—12：00，14：00—21：00，电价为0.804元(kW·h)；平时段06：00—08：00，12：00—14：00，21：00—23：00，电价为0.540元(kW·h)；谷时段：23：00—06：00，电价为0.325元(kW·h)；天然气价格为2.5元/m3。本文系统中各负荷预测出力如图2所示。

图2 负荷出力预测

本文在结合分时电价的基础上，以考虑电转气和弃风惩罚(策略1)、考虑电转气和不考虑弃风惩罚(策略2)、不考虑电转气和考虑弃风惩罚(策略3)、不考虑电转气和弃风惩罚(策略4)四种优化调度策略对比，验证本文模型的可行性和合理性(策略1)。

4.1 本文所提策略优化调度结果分析

电力和天然气优化调度结果如图3-4所示：在谷电价时段且此时段正好是风电大发时段，电网对于风电消纳能力最弱，此时段由电转气设备进行风电消纳。此时段电力供应侧由风电和电网组成，电力负荷侧由电转气设备、电热泵、电制冷机和电负荷组成。在峰平电价时间段，风电逐渐减少，此时段电力供应侧由风电、燃气轮机和电网组成，电力负荷侧由电制冷机、电热泵和电负荷组成。

在谷电价时段，电转气设备消纳富余风电生产天然气，一部分直供给燃气锅炉进行产热，剩余部分进行储存，在峰平时间段供应燃气轮机和燃气锅炉，不足部分由系统向天然气主网购气。这样能源系统不但消纳了富余风电，减少能源浪费，而且减少了系统购气成本。

图3 电力优化调度

图4 天然气优化调度

各品位热能和冷能优化调度分析如图5-8：在谷电价时段，由燃气锅炉供应蒸汽。在峰平电价时段蒸汽供应侧由燃气轮机和燃气锅炉组成。蒸汽负荷侧由吸收式制冷机、吸收式热泵、尖峰加热器和蒸汽负荷组成。吸收式热泵消耗蒸汽，产生中温热负荷，在满足供应用户中温热负荷下，剩余热能进行储存。该时段内使用吸收式制冷设备的原因是电价低，该设备所制取的低温热水能够供用户使用，产生的冷负荷一方面供用户使用，剩余部分进行储存，经济效益好。尖峰加热器在该时段消耗蒸汽，产生高温热水供应用户。在峰平电价时段，蒸汽供应侧主要有由燃气轮机供能，缺额部分由燃气锅炉补充，蒸汽负荷侧与谷电价时间段相同。

对于高温负荷，谷电价时段由燃气锅炉通过尖峰加热器供应；在峰平电价时段由燃气轮机抽气热供给，缺额热能由燃气锅炉补充。

对于中温负荷供应，在谷电价时段由电热泵供应，缺额部分由燃气锅炉通过吸收式热泵进行补充。储热装置在谷电价时段进行蓄热，在峰平电价时段进行放热。在峰平电价时段以储热装置放热为主，缺额的热能以燃气轮机通过吸收式热泵供能作为补充。对于低温负荷，由余热锅炉和吸收式制冷机供应。

对于冷水供应，在谷电价时段以电制冷机供应为主，向用户供应冷水，剩余部分冷负荷进行蓄冷储存，在峰平电价时段进行放冷，不足的冷能负荷由吸收式制冷机进行补充。

图5 蒸汽优化调度

图6 高温优化调度

图7 中温优化调度

图8 冷能优化调度

4.2 不同策略下风电消纳和日运行费用

本文不同优化调度策略下对富余风电消纳和日运行费用结果如表1所示：在策略1优化调度下，系统消纳风电实际出力最接近风电预测值，在风电大发时段能最大程度消纳富余风电；在策略2优化调度下，由于没有考虑弃风惩罚，风电消纳能力有限。策略3和策略4由于没有考虑电转气且策略4没有考虑弃风惩罚，在风电大发时段对风电消纳能力十分有限。

表1 不同策略下消纳风电量和日运行费用

本文所提优化调度结果中风电消纳量比其它三种策略分别增加了20%、27.8%和34.03%，日运行总成本分别减少了12.3%、17%和18.5%。因此，本文所提的优化调度策略，通过协调综合能源系统各设备出力，相比于其它三种策略更加优越。

5 总结

本文所提出的优化模型，充分考虑了基于能量梯级利用的多能协同优化运行和风电的消纳利用，进一步完善了综合能源系统多能协同经济优化调度模型，提升了综合能源系统优化调度能力。但是当系统各能源负荷出力波动较大时，该如何协调各设备出力，是本文下一步研究的重点。