基于改进概率规划算法的农业园区综合能源系统优化调度.pdf
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1、第 45 卷 第 10 期2023 年 10 月Vol.45 No.10Oct.2023基于改进概率规划算法的农业园区综合能源系统优化调度Optimal scheduling of integrated energy systems in agricultural parks based on improved probability planning algorithm刘彦茹a,张蕊萍b,董海鹰a*LIU Yanrua,ZHANG Ruipingb,DONG Haiyinga*(兰州交通大学 a.新能源与动力工程学院;b.自动化与电气工程学院,兰州 730070)(a.School of N
2、ew Energy and Power Engineering;b.School of Automation and Electrical Engineering,Lanzhou Jiaotong University,Lanzhou 730070,China)摘 要:针对农业园区综合能源系统能耗成本高和可再生能源消纳率低的问题,提出了一种基于改进概率规划算法的农业园区综合能源系统优化运行方法。首先,针对农业园区能源多元化的特点,构建农业园区综合能源系统整体架构;然后,基于农业园区负荷的可调节特性,以系统运行经济最优为目标函数建立农业园区综合能源系统优化运行模型;最后,对概率规划算法进行改进,
3、用高斯概率分布代替三角概率分布,将不确定性最佳化问题转换为确定性最佳化问题。以西北某农业园区为例进行算例分析,结果表明,使用改进的概率规划算法对农业园区综合能源系统优化可降低园区的综合运行成本,夏季典型日系统运行成本减少了45.52%,新能源消纳率提高了35.57百分点;冬季典型日系统运行成本减少了37.42%,新能源消纳率提高了26.25百分点。关键词:综合能源系统;农业园区;可再生能源;概率规划算法;高斯概率分布;可调节负荷;新能源消纳率中图分类号:TK 01+9 文献标志码:A 文章编号:2097-0706(2023)10-0035-09Abstract:To address the p
4、roblems of high energy consumption and low renewable energy accommodation capacity in an integrated energy system of an agricultural park,an optimal scheduling method based on improved dynamic probabilistic planning is proposed for the system.The overall structure of an integrated energy system is e
5、stablished considering the diversity of energy sources in the agricultural park.Then,based on the loads adjustability of the agricultural park,the optimal scheduling model for the integrated energy system is established with the minimum total operating cost as the objective function.Finally,by repla
6、cing Gaussian probability distributions with triangular probability distributions,the uncertainty optimization problems of probabilistic planning algorithm are transformed into deterministic optimization problems.Testing the improved probabilistic planning algorithm on an agricultural park in the No
7、rthwest of China,the test results show that the proposed algorithm can reduce the comprehensive operation cost of the integrated energy system in the agricultural park.In summer,the daily operating cost of the system can be reduced by 45.52%,and the new energy consumption rate can be increased by 35
8、.57 percentage points.In winter,the daily operating cost of the system is reduced by 37.42%,and the new energy consumption rate is increased by 26.25 percentage points.Keywords:integrated energy system;agricultural park;renewable energy;probability planning algorithm;Gaussian probability distributio
9、ns;adjustable load;new energy consumption rate0 引言 随着农业技术的不断深入发展,农业农村现代化已成为各地区农业的重要发展模式。我国乡村可再生能源类型丰富,但能源利用方式不合理,造成农业园区能耗过高且污染问题日益严重1。综合能源系统(Integrated Energy System,IES)可根据不同能源的特点实现能源耦合,提高能源的消纳率和利用率2。充分利用农业园区内光伏、风能等新能源,构建多能耦合的农业园区综合能源系统,对实施乡村振兴战略,促进农业现代化有重要作用3。针对综合能源系统的优化调度已取得了很多成果,文献 4 建立了以日运行经济最低
10、为目标的DOI:10.3969/j.issn.2097-0706.2023.10.005基金项目:国网甘肃省电力公司科技项目(W22KJ2714016)Science and Technology Project of State Grid Gansu Electric Power Company(W22KJ2714016)第 45 卷 冷热电联产综合能源系统,使用遗传算法和线性规划算法对算例进行求解。文献 5 以日内运行成本最低为优化目标,计算多能流耦合系统的最优运行策略。文献 6 对园区综合能源系统建立了经济优化运行模型,针对不同的场景进行分析,结果表明综合能源系统有助于节约用能成本。文献
11、 7 通过算例验证了清洁能源可以持续为园区系统提供动力,沼气热电联产系统可在风光出力不能满足负荷需求时进行用能补充。文献 8 通过对综合能源系统研究现状的分析研究,提出了目前综合能源系统亟待解决的问题,为农业能源互联网的研究提供了方向。可再生能源接入综合能源系统时,需要考虑分布式能源和负荷不确定性的影响,文献 9-10 采用不确定区间描述风光出力的不确定性,构建考虑风光出力不确定性的系统运行模型,以系统运行成本最低为目标,通过实例分析验证了模型的有效性。文献 11-12 综合考虑园区综合能源系统供能侧和客户侧的不确定性,在动态规划可处理不确定性问题特性的基础上,建立了综合能源系统优化运行模型,
12、实现了系统运行优化。文献 13 针对微网中清洁能源出力的不确定性,采用机会约束规划对综合能源系统运行进行优化。文献 14-15 采用模型预测控制实现微网经济调度优化,优化系统能各能源设备的出力。优化综合能源系统运行,将系统与园区各类负荷相结合,对园区综合能源系统的发展具有重要意义。文献 16 分析与总结了需求响应的基本概念、需求侧建模方法以及考虑需求响应的系统优化方法等方面的研究现状。文献 17-19 将负荷需求响应参与系统优化运行,以系统日运行经济最优为目标,结果表明考虑需求响应的系统优化模型可提高系统能源的利用率,降低系统运行费用。综上分析,目前对于农业园区综合能源系统优化调度相关研究已有
13、很多,但结合农业园区可调节负荷与综合能源系统多能耦合并考虑农业园区不确定性的优化调度研究较少。综上所述,本文针对农业园区综合能源系统存在能耗成本高和可再生能源消纳率低的问题,提出了一种基于改进概率规划的农业园区综合能源系统运行方法。基于农业园区负荷的可调节特性,建立以园区日内运行成本最低为目标,考虑可调节负荷参加综合能源系统运行过程的优化调度模型,针对农业园区的风光出力和负荷的不确定性,采用改进概率规划算法对算例进行求解,通过算例验证模型的有效性。1 农业园区综合能源系统结构 农业园区综合能源系统结构如图1所示。能源供应单元包括太阳能发电(Photovoltaic,PV)、风力发电(Wind
14、Turbine,WT)、电网(Grid);能源转化单元包括电制冷(Electric Refrigerator,EC)、电制热(Electric Heating,EH)、生物质沼气CHP系统、微型燃气轮机(Micro Turbine,MT)等;能源储存单元包括电储能(Battery Energy Storage,BES)、热储能(Hot Energy Storage,HES)、冷储能(Cold Energy Storage,CES)。在农业园区系统中,农业用能需求可以通过能源转换设备将风能、光能等转换为电能、冷能、热能来满足;同时可通过调节部分可时移负荷提高能源与负荷之间的耦合度,从而减少系统资
15、源的消耗20-21。在农业园区用能负荷中,大部分负荷具有可调节的特性,将这些负荷加入系统运行优化调度,会对园区的可再生能源利用率、运行经济性、源-荷耦合率产生积极影响22-23。1.1农业设备数学模型1.1.1电排灌设备数学模型不同种类作物不同生成阶段的需水量不同,因此排灌负荷的总耗电量取决于作物每天的水分需求24,数学模型如下dall,i=Agh,id0t=1nkc,i,(1)Wgv,i=dall,i,(2)式中:dall,i为第i种作物每日需水量,mm;Agh,i为第i种作物的种植面积,m2;n为大棚灌溉时长总和;kc,i为第i种作物的作物系数;d0为参照蒸散量,mm/m2;Wgv,i为第
16、i种作物排灌设备灌溉的用电总量,kW;为水泵转换效率。+5N:+AEK&+C9C9C97#7#7#+7#K&7$7$7$E图1农业园区综合能源系统结构Fig.1Structure of the integrated energy system in the agricultural park36第 10 期刘彦茹,等:基于改进概率规划算法的农业园区综合能源系统优化调度1.1.2空间电场设备数学模型空间电场设备将温室空气中的氧气、氨气电离成可预防植物气传病害的臭氧、二氧化氮,还可以有效降低大棚内的闷湿感。其数学模型为Pse,f=Prse,f(t)kse,t,(3)式中:Pse,f为第f个大棚内该
17、设备的总耗电功率,kW;Prse,f为第f个大棚内设备的额定功率之和,kW;kse,t为t时段内此设备工作数量与其总设备数量之比,kse,t0,1。1.1.3LED补光灯数学模型LED补光灯与其他光源相比,具有效率高、亮度高、发热低、散热好等优点。其数学模型为Pled,f=Prled,fkled,t,(4)式中:Pled,f为第f个大棚内该设备总耗电功率,kW;Prled,f为第f个大棚内该设备总额定功率,kW;kled,t为t时段内此设备开启数量比例,kled,t0,1。1.2农作物适宜生长温度综合指标农作物生长过程中,光照、CO2浓度、环境温度和地温等多种因素会对其生长效率产生影响,然而,
18、农作物的发育能否在适宜的温度和湿度下进行则是一个至关重要的问题。因此,需要根据农作物实际需求进行合理调控。将设施农业与工业互联网相融合,可实时监测温室大棚的多种环境状况。将农作物适宜生长温度纳入调度过程,可显著提高优化模型的准确性,数学模型为 iet=1-t=124|tiin-tieb,tt=124tib,tilt=1-t=124|tiland-tilb,tt=124tib,t,(5)iplant=1,iiet+2,iilt,(6)式中:iet,ilt分别为第i种农作物的环境温度和地温适应系数;tiin,tiland,tieb,t,tilb,t为t时间段内棚内环境温度、地温以及第i种农作物最适
19、宜生长的环境温度和地温;1,i,2,i分别为第i种农作物对大棚环境温度和地温敏感度权重系数,1,i+2,i=1。tib,t为第i种农作物最适宜生长温度;iplant为第i种农作物生长的温度环境舒适系数。1.3可调节负荷数学模型1.3.1可转移负荷设定可转移负荷(Transferable Load,TL)的允许转移时间段为tTL0,tTL1,其在调节过程中应当满足转移功率范围、最小连续运行时长、转移电量守恒等约束条件。(1)转移功率范围。bTL,tPTL,min PTL,t bTL,tPTL,max,(7)式中:上角标 e,h,c,分别代表电、热、冷负荷及功率类型;PTL,t为调节后t时刻可转移
20、负荷的功率;bTL,t为t时刻可转移负荷的调控状态,0表示t时刻不参与调节,1 表示t时刻参与调节;PTL,min,PTL,max分别为调节后可转移负荷的最小、最大功率。(2)最小连续运行时长约束。t=t0t0+tTL,min-1bTL,t tTL,min(bTL,t0-bTL,t0-1),(8)式中:tTL,min为可转移负荷的最小转移时长。(3)电量守恒约束。t=tTL0tTL1PTL,t=t=1TPTL0,t,(9)式中:PTL0,t为调节前t时刻可转移负荷的功率。(4)TL调节补偿。CTL,t=e,h,cCuTL,tbTL,tPTL,t,(10)式中:CTL,t为t时刻TL调节补偿金额
21、;CuTL,t为可转移负荷的单位功率补偿金额。1.3.2可削减负荷设定可削减负荷(Reducible Load,RL)的允许转移时间段为tRL0,tRL1,其在调节过程中应当满足削减功率范围、连续削减转移范围等约束条件。(1)削减功率范围。bRL,tPRL,min PRL,t bRL,tPRL,max,(11)式中:PRL,t为调节后t时刻可削减负荷的功率;bRL,t为t时刻可削减负荷的调控状态,0表示不参与调节,1表示参与调节;PRL,min,PRL,max分别为调节后可削减负荷的最小、最大功率。(2)连续削减时长约束。t=t0t0+tRL,min-1bRL,t tRL,min()bRL,t
22、0-bRL,t0-1t=t0t0+tRL,max-1()1-bRL,t 1,(12)式中:tRL,min,tRL,max为可削减负荷的最小、最大削减时长。(3)RL调节补偿。CRL,T=e,h,cCuRL,tbRL,t()PRL0,t-PRL,t,(13)式中:CRL,t为t时刻RL调节补偿金额;PRL0,t为调节前t时刻可削减负荷功率;CuRL,t为可削减负荷的单位功率补偿金额。37第 45 卷 2 优化调度模型 2.1目标函数以农业园区综合能源系统日最小经济运行成本为目标函数。农业园区综合能源系统日运行成本包括设备运维成本、功率交互成本、机组启停成本和负荷调节成本。系统整体运行成本优化目标
23、为minC=Com+Cgrid+Css+Cload,(14)式中:C为农业园区综合能源系统周期运行成本;Com为运维成本;Cgrid为购电成本;Css为启停成本;Cload为负荷调节成本。(1)运维成本。设备运维成本为单位功率维护成本与功率的乘积,计算式为Com=t=1T(Cux,omPx,t+Cuy,omPy,t),(15)式中:ax,om为机组x的单位运维成本,各机组的运维成本对应机组输出功率;Px,t为t时刻机组x的出力;Cuy,om为储能y的单位运维成本;Py,t为t时刻储能y的充/放 能 功 率;x包 括 PV,WT,CHP,EH;下 标y BES,HES,CES,分别代表电、热、冷
24、 3 种储能类型。(2)购电成本。Cgrid=t=1Tpbuy,tPegrid,t(16)式中:pbuy,t为t时刻的购电价格;Pegrid,t为t时刻的售电价格。(3)启停成本。Css=t=2Taz,ssbz,t(bz,t-bz,t-1)-bz,t-1(bz,t-bz,t-1),(17)式中:az,ss为机组z的单次启停成本;bz,t为 01 变量,表示t时刻机组z的工作状态,值为0表停运状态,反之表开启状态。(4)负荷调节成本。Cload=t=1T(CTL,t+CRL,t)。(18)2.2约束条件(1)电功率平衡约束。PMTt+Pgridt+PWTt+PPVt+PBESt=Ploadt,(
25、19)式中:PMTt为微型燃气轮机的输出功率;Pgridt为系统与外部电网交互电功率;PWTt为风力发电机输出的电功率;PPVt为光伏发电输出的电功率;PBESt为电储能t时输出的电功率;Ploadt为t时的电负荷需求。(2)冷热功率平衡约束。PECt=PCloadt,(20)PMGt+PHRSGt+PEHt=PHloadt,(21)式中:PECt为电制冷设备在t时段制冷功率;PCloadt为t时段内冷负荷;PMGt为t时段沼气锅炉制热功率;PHRSGt为t时段制余热锅炉制热功率;PEHt为电制热设备在t时段制热功率;PHloadt为t时段内热负荷。(3)设备运行约束。设备运行约束为沼气热电联
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