考虑工程实用性的综合能源系统优化配置研究.pdf
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1、摘要综合能源系统建设前期合理的优化配置是其良好运营的关键,优化方案的实用性和可落地性可保证方案的良好执行。考虑工程设备的性能、价格呈现离散和非线性分布的特性等因素,提出了考虑工程实用性的综合能源系统优化配置方法。首先,基于能源转换/存储设备特性,构建系统设备模型;然后,考虑工程设备属性特性,以净现值为优化目标,建立大规模混合整数线性规划求解模型;最后,基于算例对优化配置结果进行对比分析及运行和投资敏感度分析,验证了优化配置方案的合理性和工程实用性。算例验证结果表明:所研究方法保证了优化配置结果的准确性,从工程产品中匹配出最优产品组合,提高了优化结果的实用性,经济效益对总投资的敏感度较大。关键词
2、综合能源系统;优化配置;工程设备;属性特性;工程实用性文章编号:1005-9598(2023)-04-0160-06中图分类号:TK01+9文献标识码:A考虑工程实用性的综合能源系统优化配置研究周静,杨鑫,王靖韬,王志光,谭瑶(北京南瑞数字技术有限公司,北京 100192)收稿日期:2023-03-20基金项目:南瑞集团公司科技项目(524608210182)第一作者:周静(1977),女,汉族,湖北荆门人,高级工程师,博士,1999 年本科毕业于武汉理工大学计算机及应用专业,现从事电力系统及自动化、综合能源系统规划与运行优化等方面工作,E-mail:;通讯作者:杨鑫(1994),女,汉族,山
3、东海阳人,工程师,硕士,2016 年本科毕业于北京交通大学软件工程专业,现从事电力系统及自动化、人工智能算法应用、综合能源等方面工作,E-mail:。DOI:10.19889/ki.10059598.2023.04.037近年来,我国能源互联网蓬勃发展,国网、南网和各发电集团全面部署和快速推进能源互联网建设。综合能源系统作为能源互联网的基本单元,涵盖用能系统、分布式供能设备,是实现多能互补、能源梯级利用的有效方法。自国内首例园区综合能源系统上海黄浦区中心医院园区示范项目建设以来,不同类型的综合能源产业园区迅速发展,如天津中新生态城、上海申能能源中心、虹桥公共事务中心等项目;但上述项目在实际运行
4、中逐步暴露出规划配置不合理等问题1。项目建设前期合理的优化配置是综合能源系统持续运营的关键,国内外学者针对综合能源系统优化配置方法展开了广泛研究:文献2综合考虑配置和运行优化,上层以投资最小为优化配置目标,下层以运行成本最小为运行优化目标,建立二层优化模型;文献3-4综合考虑配置优化和运行优化变量,借助商用求解器,采用大规模混合整数线性规划方法,实现配置与运行同步优化,避免智能算法陷入局部最优问题。为增强优化配置结果的工程实用性,避免不合理投资,一些学者从建设时序、设备预选型、仿真分析等角度对优化配置模型进行完善。文献5提出了一种考虑建设时序的园区综合能源系统多阶段规划方法,将规划周期分成若干
5、个阶段,分阶段增加设备投入,解决设备前期冗余配置、超前投资的问题。文献6通过对设备进行预选型,提前配置设备的可用容量,避免优化配置变量连续性变化导致结果与实际差距大的问题。文献7基于 HOMER 仿真软件,对简单综合能源系统进行仿真优化及敏感性分析,优化方案具有优良的应用能力,但 HOMER 采用穷举法求解,计算复杂,不适用于设备较多的系统优化。上述文献对园区综合能源系统优化配置的研究具有重要的参考价值,但是仍有部分问题需要解决:(1)现有研究大多假设待选设备的容量为连续变量,但市售设备产品的容量是离散的,很难找到与配置优化结果匹配的市售设备。(2)现有研究大多对设备设置统一的性能参数和单位容
6、量价格参数,而实际工程引用格式:周静,杨鑫,王靖韬,等.考虑工程实用性的综合能源系统优化配置研究J.煤化工,2023,51(4):160-165.第 51 卷第 4 期2023 年 8 月煤 化 工Coal Chemical IndustryVol.51No.4Aug.2023第 51 卷第 4 期设备的性能和价格受品牌和型号等因素影响,具有很强的非线性特性。针对上述问题,本文通过广泛调研工业园区综合能源系统常用设备的市售产品,针对各产品性能、价格分布呈现离散、非线性情况,提出了考虑工程设备约束的工业园区综合能源系统优化配置方法,以项目周期内的净现值最大值作为系统规划的优化目标;以源荷平衡和设
7、备运行特性约束作为基本约束,综合考虑工程设备约束下的用能可靠性、财务需求、环境限制等条件,建立大规模混合整数线性规划优化求解模型,并采用商用求解器 Cplex 进行优化求解,得到综合能源系统规划最优配置及运行策略。最后,通过算例对配置结果及运行策略进行分析,并研究投资约束对系统优化配置结果的影响。1构建系统模型1.1系统结构综合能源系统结构如图 1 所示,包含电、冷、热三条母线,主要分为能源层、设备层和负荷层,能源层主要为电网、天然气、市政供暖等外部能源,设备层涵盖光伏、三联供、热泵等各种综合能源常用设备。1.2关键设备模型1.2.1光伏出力模型光伏发电系统的核心组件为光伏电池,采用等效电路的
8、方法建立光伏电池模型。非标况下,光伏电池性能参数有所变化,根据实际光伏电池的标准性能参数将不同光照和温度下的参数进行拟合,得到任意光照、温度下的光伏电池等效电路曲线。1.2.2三联供系统模型三联供系统是一种通过余热利用设备回收原动机余热、实现能源梯级利用的高效系统8。工业园区综合能源系统由于负荷相对较低,通常采用内燃机作为原动机,采用溴化锂机组作为余热利用的制冷、制热设备。此外,实际内燃机的效率是随内燃机负载率变化的,需要进行模型线性处理8。1.2.3储能系统模型储能类设备其出力及存储特性受电池荷电状态(state of charge,SOC)的影响,其约束条件主要考虑SOC 约束、单体电池的
9、温度约束以及电压约束。其他设备模型不再详细陈述,具体风机模型、制冷/制热等空调供能设备模型可参照相关文献9。1.3工程设备产品工业园区综合能源系统建设中所涉及的能量转换、存储及供给设备的容量、性能及价格等重要参数直接由市售设备产品决定。各市售设备产品容量差异明显,不同公司或不同型号的设备产品价格和性能水平参差不齐,采用统一的价格参数和性能参数而不考虑其品牌和型号差异,所带来的误差可能会直接导致配置结果的不同。本文根据园区综合能源常用的设备产品,基于市场调研建立市售设备产品库,涵盖设备型号,效率、寿命、启动负载等性能参数,运维成本、售价等价格参数。2优化模型及求解2.1优化配置变量设置综合能源系
10、统优化模型同时实现了设备的选型定容及其运行策略的优化,优化变量包含配置优化变量和运行优化变量。运行优化变量主要决策设备的逐时出力,配置优化变量主要决策设备的装机,运行变量直接受设备装机的约束,因此配置优化变量的选取直接影响了模型优化结果的科学性和可信度。在考虑工程设备约束下的综合能源系统优化配置及进行设备装机选型定容变量选取时,要充分考虑工程设备参数产品的离散特性及其产品性能与价格的非线性特性。因此优化变量设置为涵盖设备型号及其数量的整数变量,不同型号设备均有其特有的价格及性能指标。为了进行对比分析,本文增添以设备容量连续变量为优化变量的方法(方法一),与本文考虑工程设备约束的方法(方法二)进
11、行比较,两种方法的配置变量设置见表 1,表中,I 表示设备种类数,J表示设备型号数。表 1 方法一中,V(i)为连续优化变量,表示第 i种设备的容量,minV,maxV表示设置的容量优化区间。该方法求解模型比较简单,但优化时通常需要设置统一的性能和价格信息,无法准确描述市售产品的市电光伏风电电储能电负荷天然气市政供暖燃气三联供直燃机空调冷负荷冷水机组荫荫荫空气源热泵地源热泵水蓄能/冰蓄冷燃气锅炉空调热负荷荫电锅炉图 1综合能源系统结构周静等:考虑工程实用性的综合能源系统优化配置研究161-2023 年煤 化 工价格和性能特点,导致优化结果缺乏工程实用性。表 1 方法二中,n(i,j)表示第 i
12、 类第 j 种型号设备数量,相对于第一种方法,数量级相对较大且为整数,相对求解难度较大。但该方法充分考虑了工程产品的情况,工程实用性强。2.2目标函数评估综合能源系统优化配置结果时需要综合考虑其前期投资和项目运营周期内的收益情况,因此,将系统运行所产生的成本或收益折算到规划周期期初的现值并综合考虑前期投资,建立以净现值为优化目标的目标函数。2.3约束条件综合能源系统优化模型要同时实现设备的选型定容及其运行策略的优化,因此其约束也分为两层。第一层为针对设备选型定容的系统约束,主要包括:能量源荷平衡约束、装机可靠性约束、财务需求约束、环境限制约束等;第二层为针对设备运行策略优化的各设备运行约束,主
13、要包括:设备的功率约束、启停约束以及储能类设备的荷电状态约束等。2.3.1系统约束能量平衡约束:优化模型需要满足电、冷、热的功率平衡。装机可靠性约束:主要包括电、冷、热装机约束与可再生能源发电装机约束。在风机、光伏无法出力时,电、冷、热装机必须满足园区最大负荷,以保证极端天气条件下园区运行时负荷供给的稳定性。风、光等可再生能源不稳定发电装机需受园区变压器装机限制。财务需求约束:主要为总投资约束,即系统建设总投资费用不得高于预期工程投资值。装机面积约束:实际规划过程中,各个设备产品均有其固定尺寸,由于受场地条件的限制,设备的尺寸往往也是优化的重要约束条件。2.3.2设备运行约束功率约束:设备的出
14、力受其出力上下限的限制,其出力上下限一般由该设备装机容量和其启动负载决定,各设备功率应大于最小启动负载,小于最大出力。储能类设备约束:储能类设备还存在荷电状态约束,应小于对应型号设备的最佳充放电次数。2.4求解方法考虑工程实用性的园区综合能源系统优化配置是一个混合整数线性规划问题(模型中既有连续变量、又有整型变量),本文在对求解模型中非线性约束进行线性化处理后,通过调用商业求解器 Cplex 对该模型进行优化求解。3算例分析3.1算例及场景介绍算例选取北京某办公园区,园区分 A、B 两栋办公楼,含电、冷、热多种负荷形式。综合能源系统规划中,以全年 8 760 h 的逐时负荷曲线为基准进行优化时
15、数据量过大,因此,负荷选取时往往根据全年负荷情况挑选冬季/夏季/过渡季典型日7,9进行规划,但该种方法很难准确描述园区负荷情况。考虑办公园区的特点,本文分别拟合冬季/夏季/过渡季工作日负荷曲线和冬季/夏季/过渡季非工作日负荷曲线并进行规划。园区有两台 630 kVA 的变压器,使用电价为当地工商业分时电价,园区可利用屋顶面积 1 600 m2,场地不具备风机和水蓄能建设条件,具备天然气接入条件,因此园区可建设备可包含图 1 中除风机、水蓄能外所有设备。初步拟定初始投资不超过 1 000 万元,项目建设周期为 2 年,运行周期为 15 年。能源销售价格采用售冷、售热 0.36 元/(kW h),
16、为保证售电价格竞争力,售电价格定为市电价格的 90%。为验证基于设备产品库的综合能源系统优化配置的实用性及有效性,设置三个场景进行分析。场景一:配置优化变量的选取采用表 1 中方法一,各类设备设置统一的性能及价格参数(详见表 2)。场景二:由于场景一设备优化配置结果不具备实用性,可根据其优化结果在市售库中根据容量相近的原则进行选型,形成场景二,参与对比分析。场景三:配置优化变量的选取采用表 1 中方法二,各设备参数基于市售设备产品库(详见表 3)。3.2配置优化结果分析不同场景优化配置结果如表 4 所示。由于北京是典型的气价低电价高的地区,两场景下均安装较大功率的燃气三联供系统,并配备热泵系统
17、或直燃机进行冷、热负荷供给的补充,具有良好的经济效益。从优化结果分析:场景一和场景三相表 1配置优化变量设置情况方法方法一方法二配置优化变量第 i 类设备容量第 i 类第 j 种型号设备数量变量范围V(i)minV,maxVn(i,j)0,K(i,j)变量数目I 个连续变量IJ 个整数变量162-第 51 卷第 4 期比,配置结果在设备种类和设备装机容量上均有一定的差距,场景一优化时并未考虑工程产品情况,设备容量偏向理论值,且设备种类较多,不利于后期的运维。从经济性评价结果分析:场景一净现值(NPV)、内部收益率(IRR)大,回收期较短,其经济性均比较好,但基于该配置结果进行设备选型后,如表中
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