电—热综合能源系统多目标优化.pdf

New EnergyPowerControl Technology新能源发电控制技术电气自动化2 0 2 3年第45卷第4期电一热综合能源系统多目标优化董亮，黄励，刘万根，曾艾东（南京工程学院电力工程学院，江苏南京211167)摘要：为了提高能源利用效率与实现能源清洁供应，提出了一种电一热综合能源系统多目标最优能流计算方法。首先，以系统运行成本和污染物排放最优为目标，考虑系统运行安全约束，建立电热综合能源系统多目标最优能流模型。然后，采用改进的非劣排序遗传算法求解多目标优化模型，求取帕累托最优解集。电网9节点和热网32 节点联合算例仿真结果表明，所提方法能够有效考虑系统经济性、环保性以及各类运行约束，为运行人员提供更多的决策方案。关键词：综合能源系统；电热耦合；以热定电最优能流；多目标优化D0I:10.3969/j.issn.1000-3886.2023.04.017中图分类号TM722文献标志码A文章编号10 0 0-38 8 6（2 0 2 3)0 4-0 0 54-0 3Multi-objective Optimization of Electric-thermal Integrated Energy SystemDong Liang,Huang Li,Liu Wangen,Zeng Aidong(School of Electric Power Engineering,Nanjing Institute of Technology,Nanjing Jiangsu 211167,China)Abstract:In order to improve energy utilization efficiency and achieve clean energy supply,a multi-objective optimal energy flow calculationmethod for an electric-thermal integrated energy system was proposed.Firstly,aiming at the optimal system operation cost andpollutant emission,considering the safety constraints of system operation,a multi-objective optimal energy flow model of the electric-.thermal integrated energy system was established.Then,the improved nondominated sorting genetic algorithm-II was used to solvethe multi-objective optimization model,and the Pareto optimal solution set was obtained.The simulation results of the joint example of9 nodes of the power grid and 32 nodes of the heat network show that the proposed method can effectively consider the systemeconomy,environmental protection and various operating constraints,and provide more decision-making schemes for operators.Keywords:integrated energy system;electro-thermal coupling;determining electricity by heat;optimal energy flow;multi-objective optimization0引言综合能源系统是指在规划、建设和运行等过程中，对电、气、冷、热、氢等各类能源的生产、传输、分配、存储和消费等环节进行协调优化，进而形成的能源供产消一体化系统，为实现能源的综合高效利用提供了解决方案。在综合能源稳态能流计算方面，文献2 采用分立和联立对稳态模型进行求解。文献3进一步建立电热气综合能源系统稳态模型。文献4提出了热力系统的前推回代算法。文献5-6从耦合单元的角度，分析综合能源的耦合特性。在最优能流计算方面，文献7 考虑更加精细热网模型进行优化。文献8 建立考虑网络损耗的多目标优化模型，采用双层选代算法求解。文献9运用污染控制方法，分析环境因素对综合能源系统的影响。目前，针对综合能源优化方面研究，大多停留在能量流的基础上，并不真正涉及具有关键特征变量的子系统。部分研究考虑详细的子系统拓扑结构，但热力系统通常为质调节模型，以经济成本最优进行单目标优化。针对上述问题，本文首先对电热综合能源系统中各子系统及耦合环节建立数学模型；其次，构建机组运行成本和污染排放量定稿日期：2 0 2 2-0 5-0 6基金项目：江苏省自然科学基金资助项目（BK20210932）54日Electrical Automation最小化为目标的多目标优化模型；最后，采用改进的非劣排序遗传算法（nondominated sorting genetic algorithm-II,NSGA-II）求解多目标优化模型。算例仿真验证了本文所提方法在应用场景下的有效性。1系统模型1.1电力系统模型电热综合能源中电力系统模型以传统电力系统潮流计算模型为主，极坐标形式求解较直角坐标形式，方程数更少且求解方便。因此采用极坐标形式，表示如下：AP,=Pa-U,ZU(G,cos 0,+B,sin 0,)=0(1)ELAQ:=Q-U,ZU,(G,sin 0,-B,cos0,)=0E式中：Pi、Q 分别为节点i注人有功功率和无功功率；U,、U 分别为节点iv的电压幅值；G、B分别为节点导纳矩阵的实部和虚部；0.为节点iv电压相位差。1.2热力系统模型热力系统模型包括水力模型和热力模型。水力计算基于图论构建模型，求解管网质量流量分布；热力计算基于矩阵计算构建模型，求解温度分布。水力计算通常采用回路法，包括节点流量连续方程和环路压ElectricalAutomation552）发电机组出力上下限约束New EnergyPowerControlTechnology新能源发电控制技术电气自动化2 0 2 3年第45卷第4期降方程，即：Am=mg(2)LBKm|m|=0式中：A为基本回路矩阵；m为管道的质量流量；m。为热负荷节点质量流量；B为关联回路矩阵；K为管道的阻力系数，相关系数通过柯尔勃洛克-怀特方程求解。热力计算模型考虑管道工质运输热量损失和工质流入、流出的能量守恒，由管道温降方程、节点温度混合方程组成，即：T（T-T.)ec+T.endstartmToutZ(mmT.)(3)outoutC,Am(T,-T.)ad式中：Tsart、T e n d 分别为管道的始、末端温度；T。、T。、T。分别为供热、返回、环境温度；入为管道传热系数；C，为水的比热容；minmou和Tn、T o u t 分别为流入和流出混合节点的质量流量和温度；中load.为节点负荷热功率。1.3电一热耦合元件模型根据热电比是否可调，热电联产（combinedheatandpower，CHP）机组分为定热电比机组和变热电比机组。本文在此考虑定热电比机组，热出力与电出力关系为：PCHPCmPCHP(4)式中：Cm为CHP机组的热电比系数;cHP、Pc H P分别为CHP机组的热出力和有功出力。2多目标优化模型2.1目标函数以系统运行成本最小和污染物排放量最小化为多目标构建数学模型，系统运行成本包括纯供电、热电联产和纯供热机组运行成本，污染物排放物包括SO2和NOminf=min(fi+f2)fi=F+F+Fh(5)(=Z(E.)式中：fi为系统运行总成本;f2为系统污染物排放量；F。、F。、Fh 分别为纯供电、热电联产和纯供热机组运行成本；E，为第i种污染物排放量。纯发电、热电联产和纯供热机组运行成本机组燃料费用通常以二次凸函数描述，分别如式（6）式（8）所示。NeF。=(6)=F。=(a+B.P+(7)n(8)式中：、8 u 分别为机组运行成本函数相关系数;P分别为第i台机组有功出力、热出力。SO，和NO，的排放量根据式（9）、式（10）计算，本文在此仅考虑发电产生的污染物排放。Es0232P入SarKs(1-ns)(9)1629271.2a30.8入ENOxKP(10)14299.271.2arU式中：入为发电标准煤耗率；为原煤低位发热量;Sar、Na r 分别为燃煤收到基含硫、氮量;Ks、K 分别为SOz、NO.的转化率;u为燃料中氮生成NO占全部NO排放量的比例;nsvN分别为脱硫、硝装置的效率；32/16 为SO,和S分子量之比；30.8/14为NO，与N分子量之比。2.2目标约束2.2.1电力系统约束1）有功、无功平衡等式约束约束方程式见式（1）minDmax(11)max3）节点电压幅值、线路功率上下限约束TminTmax(12)pminPDmax2.2.2热力系统约束1）水力、热力模型等式约束约束方程见式（2）式（3）。2）供热机组出力上下限约束dmind dmax(13)3）节点温度、支路管段质量流量上下限约束TminTmaxTiminmax(14)siSimlminmimlmax2.2.3电一热耦合约束1）热电联产机组出力等式约束约束方程见式（4）。2）热电联产机组出力上下限约束PminP;PmaxQminQQ(15)min中;mmax2.3多目标优化算法多目标传统优化算法如加权法、约束法和线性规划法等将多目标函数转化为单目标函数进行求解，但不同目标之间单位性质不一致，不易作比较，且各目标函数权重主观性太强。NSGA-I算法采用引人分层和拥挤距离的概念，保持了种群的多样性，准帕累托域中的个体能均匀地扩展到整个帕累托域，在多目标优化问题中得到了广泛的应用。根据式（15）所构建多目标能流数学优化模型，计算流程如图1所示。56ElectricalAutomationNewEnergyPowerControl Technology新能源发电控制技术电气自动化2 0 2 3年第45卷第4期开始系统数据初始化选择、交叉、变异种群代数n=1电-热能流计算最大送代次数nmax否满足运行约束？重新电-热能流计算文是生成体计算运行成本和I+u=u污染物排放量满足运行约束？是重组父代与子代个体，重新分层，计算运行成本和分配适应度值污染物排放量产生下一代种群对种群个体进行分层，分配适应度值否nnmax?2是输出帕累托解集结束图1多目标最优能流求解流程图3算例分析热力部分采用巴厘岛32 节点10，热负荷节点功率放大10 0倍，节点32 为热平衡节点，满足供热需求；电力部分采用IEEE9节点，基准功率为10 0 MVA，发电机CEN1为电平衡节点，满足供电需求；热网节点30、31与电网GEN2、G EN3通过热电联产机组耦合，采用以热定电方式运行，定热电比系数为1.3。3.1单目标优化求解分析考虑机组运行成本和污染物排放量分别达到最优的情况，系统运行参数供热温度、返回温度、电压幅值和相角等均变化不大，因此只选取管道质量流量进行分析。如图2 所示，部分管道质量流量分布出现了较大变化，且管道4和管道10 流向出现变向。原因在于热力系统采用量调节模式运行时，主要通过调整管道质量流量来满足系统热功率的变化，由于管道4和管道10 靠近热力系统节点32，热力系统节点32 热功率出力的改变直接导致了管道4和管道10 流向出现变向。3.2多目标优化求解分析根据表1和图3的仿真结果可知，机组运行成本最小和污染物排放量最小分布在帕累托前沿的两端，机组运行成本和污染物排放量呈近似反比关系，机组运行成本最大值相比最小值降低了20.41%，污染物排放量最大值相比最小值降低16.68%。采用的多目标优化算法可以有效平衡机组运行成本污染物排放量之间的关系，为运行人员提供更多的决策方案。1000一运行成本最优800Q污染物排放最优60040012000-200048121620242832节点编号图2热力系统管道质量流量对比表1多多目标优化结果目标机组运行成本/$污染物排放量/kg机组运行成本最小3671.21185.47污染物排放量最小4.420.63158.95多目标优化3 671.21,4 420.63158.95,185.47190机组运行成本最小180170污染物排放量最小16036003800400042004400机组运行成本/S图3帕累托前沿分布结束语本文针对电热综合能源的多目标优化能流计算问题，建立了以系统运行成本和污染物排放量最优的多目标优化模型，提出了一种基于NSGA-I的多目标优化计算方法。该方法可以全面考虑电热综合能源系统经济性、环保性以及各类运行约束，保证系统经济环保运行，为运行人员提供更多的决策方案。参考文献：1孙宏斌能源互联网M北京：科学出版社，2 0 2 0.2 LIU X,WU J,JENKINS N,et al.Combined analysis of electricity andheat networksJ.Applied Energy,2016,162:1238-1250.【3王英瑞，曾博，郭经，等电一热气综合能源系统多能流计算方法J.电网技术，2 0 16，40（10）：2 942-2 951.【4刘述欣，戴赛，胡林献，等计及回水管网热损失的电热联合系统潮流模型及算法J.电力系统自动化，2 0 18，42（4）：7 7-8 1；134.5张刚，张峰，张利，等。考虑多种耦合单元的电气热联合系统潮流分布式计算方法J中国电机工程学报，2 0 18，38（2 2）：6 5946605.【6 吴琼，吴彦琪，任洪波，等基于双向耦合的综合能源系统电热联合潮流计算J.热力发电，2 0 2 1，50（4）：14-2 27 张义志，王小君，和敬涵，等.考虑供热系统建模的综合能源系统最优能流计算方法J.电工技术学报，2 0 19,34（3）：56 2-57 0.【8 郑超铭，黄博南，王子心，等.计及网络传输损耗的电热综合能源系统多目标优化调度J.电网技术，2 0 2 0，44（1）：141-154.【9王泽森，唐艳梅，乔宝榆，等.气电综合能源系统最优潮流及其环境增效研究J.中国电机工程学报，2 0 18,38（增刊1）：111-12 0.10 LIU X.Combined analysis of electricity and heat networks D.Cardiff:Cardiff University,2013.【作者简介】董亮（198 1一），男，江西鹰潭人，高级工程师，博士，研究方向：电力及综合能源系统建模仿真技术。黄励（1997 一），男，江西抚州人，硕士研究生，研究方向：电力及综合能源系统建模仿真技术。刘万根（1995一），男，江苏盐城人，硕士研究生，研究方向：电力及综合能源系统建模仿真技术。曾艾东（1991一），男，江西南昌人，副教授，博士，研究方向：综合能源系统建模与控制技术。