《基于雙層優化的綜合能源系統規劃配置研究》論文發表期刊：《電子設計工程》；發表周期：2021年18期

《基于雙層優化的綜合能源系統規劃配置研究》論文作者信息：張友鵬（1982—），男，湖北南漳人，碩士，高級工程師。研究方向：高壓電器。

　　摘要：綜合能源系統的結構復雜、耦合接口較多、投資較大，使得綜合能源系統規劃配置變為多維度、非線性的問題，求解較為困難，且時常無法得到最優的配置方案。針對上述問題，文中建立了含燃氣輪機、分布式電源、天然氣、供熱、儲能等裝置在內的多能系統耦合模型。以電負荷為基礎，綜合考量系統熱負荷、冷負荷及燃氣需求量等因素。采用二階錐算法的雙層優化方式，將綜合能源系統的優化分為能量配置和綜合經濟性兩層，通過分層優化的方式降低混合優化的復雜度，提升了綜合能源系統的全壽命周期運行的經濟性與清潔性，仿真算例驗證了所提模型與算法的可行性及優勢。

　　關鍵詞：綜合能源;二階錐規劃;能量平衡;綜合經濟性

　　Abstract: The complex structure, more coupling interfaces and large investment of the integrated energy system make the planning and configuration of the integrated energy system become a multi-dimensiona and nonlinear problem. which is difficult to solve and often can not get the optimal configuration scheme.In view of the above problems, a multi energy system coupling model including gas turbine, distributed power generation, natural gas, heating, energy storage and other devices is established. Based on the electric load, the heating load, cooling load and gas demand of the system are comprehensively considered. The optimization of the integrated energy system is divided into two levels: energy allocation and comprehensive economy. The complexity of hybrid optimization is reduced by hierarchical optimization, and the economy and cleanness of the whole life cvcle operation of the integrated energy system are improved. The feasibility and advantages of the proposed model and algorithm are verified by simulation examples.

　　Keywords: comprehensive energy; second order cone programming; energy balance; comprehensive economy

　　隨著能源互聯網的發展，不同能源之間的聯系也越來越密切。在此過程中，能源的界限被打破，綜合配置程度得到了進一步提高，使得用能朝著智能化、清潔化、高效化的方向發展。

　　能源互聯網在上個世紀就已被提出，這種新型的能源供給理念在誕生之初就受到了國內外學者的廣泛關注，并由此產生了智能電網、微電網及主動配電網等能源網絡建設理念。能源是人類生存與發展的重要基石，電能是區域能源綜合系統的關鍵，其與天然氣網絡的關系及相互影響早已被各界學者所關注。文獻[1])考慮了美國的電力與天然氣的交互關系及其影響;歐洲的天然氣發電比例與美國相近，其研究分析方法與美國相似P;文獻3提出了關于我國的區域能源綜合系統的基本構想，制定了我國的能源互聯框架。但大多數文獻是基于電氣的傳輸進行研究，對于熱負荷的耦合相互影響研究相對較少。該文通過建立雙層優化模型，對綜合能源系統的綜合規劃配置進行優化，將多維度、非線性的混合優化問題轉換為以能量流動和經濟性分層的雙層優化，極大地簡化了計算量，提升了算法的收斂性，更易于得出全局最優結果，能夠指導綜合能源系統前期工作的開展。

　　1綜合能源系統

　　1.1 總體架構

　　綜合能源系統的總體構架包括電力系統、電氣化交通系統、天然氣系統及熱/冷供應等其他系統。各個子系統之間通過能源的綜合調控中心進行頻繁的信息轉換與智能處理，形成相互耦合的一體化系統，共同實現多種能源的清潔、高效利用，能源路由器是能量優化調控中心，負責信息收集與控制，以電能、熱能、天然氣等能源作為能源消費終端：能源轉換中心則是能源的中轉基地，負責多種能源的智能轉換[7]。綜合能源系統結構如圖 1所示。圖 1中包括信息流與能量流，兩者相互配合，通過這兩者的相互配合，共同實現能夠滿足用戶多樣化用能需求且利于安全、經濟運行的綜合能源系統[8]。

　　綜合考慮電能、天然氣、熱能等能源的應用場景和基礎設施建設情況，綜合能源系統更趨向于采取以電能為基礎，其他能源為輔助的發展模式[9-11]。由于能源發生側種類繁多，包括水能、風能、太陽能等若將其全部轉換為電能使用，則會降低能源的使用效率。采用單一能源的供給方式不利于能源的統籌優化配置，且能效較低。綜合能源系統以電能為基礎，充分發揮可再生能源的潛力，降低化石能源的使用，促進能源清潔化的進程。另外，還需各種不同形式的儲能、能源轉換裝置，如V2G，P2C"等，這些裝置的協調分配，能夠使能源互聯網內的多種能源互補互利，有效平衡和抑制城市能源互聯網的負荷波動，實現電網與其他網絡的能源共享，從而滿足城市能源互聯網內多種負荷的供能需求。

　　1.2 系統耦合

　　設計綜合能源系統的主要思想是打破能源界限，實現跨能源系統的調度與傳輸，系統之間的耦合將充分考慮各種形式能源的互濟與互補。在電能與熱能環節，可通過電熱聯網來實現;在電能與天然氣環節，可通過電轉氣技術與燃氣發電來實現;在電力系統和電氣化交通系統環節，可通過V2G技術實現雙向轉換與互補。通過以上的能源轉換裝置與技術，加上風力發電、光伏發電的電能補充，共同提升系統的耦合程度與互補性"。

　　綜合能源系統的能源耦合過程，實質上是描述電能的發生側與需求側關系的過程。結合能源流轉過程，考慮用如下的數學模型描述綜合能源系統的發生側、轉換環節及需求側的關系。能源轉換中心的函數關系如式(1)所示，這是最簡單的能量輸入輸出模型表達式。

　　2 二階錐規劃

　　二階錐規劃本身是一種高效且較為特殊的非線性優化，是一種高效的求解算法。作為一種分層尋優算法，二階錐規劃算法被普遍運用于電力系統中。尤其對需要兩階段優化的問題，具有獨特的優勢。所謂二階是指錐中用到的是二范數，式(2)表示一個二階錐[16]。

　　作為一種分層尋優算法，二階錐規劃算法被普遍運用于電力系統中，尤其是對于需要分為兩個階段進行優化的問題，具有獨特的優勢。該文基于綜合能源系統的特點與二階錐規劃算法的適用場景，將二階錐思想應用于綜合能源系統的合理規劃配置中，解決了綜合能源系統多維度、非線性的混合尋優問題。首次將綜合能源系統規劃的優化配置問題轉化為雙層次求解問題，從能量最優配置和綜合經濟性兩個方面進行綜合分析、統籌優化，以實現能源的清潔、高效利用。

　　3系統規劃配置總流程

　　綜合考慮電能、天然氣、熱能等能源的應用場景與基礎設施建設情況，綜合能源系統的最終目標是實現能量合理、高效地流動并且優化在此基礎上的經濟投入，因此該文將綜合能源系統的規劃配置分析分為兩個層面進行優化：第一層：基于確定的傳統電、熱、天然氣負荷優化分布式電源與儲能的輸出功率，優化負荷高峰期的能量流動，提升用戶側的用能質量;第二層：以綜合經濟性為目標，從網損、能效、年運行成本等方面進行優化分析。

　　二階錐模型能夠將綜合能源的能量配置與建設、運行投入分開考慮，分成能量優化層與綜合經濟性兩個層次進行探究，綜合目標函數為：

　　基于隨機二階錐模型的雙層多目標求解總流程，如圖 2所示。

　　1)設置優化的時間起始點i=0。

　　2)按照負荷曲線設置時間段i的用電負荷。

　　3)將目標函數與約束條件轉化為錐模型。

　　4)進入第一階段，根據已收集到的負荷特性，采用第一層優化算法優化分布式電源與儲能的輸出功率，盡量減少負荷高峰期的能量流動和增加清潔能源的出力。

　　5)進入第二階段，從網損、能效、年運行成本等方面進行優化分析，以實現綜合經濟性最優為目標。

　　6)判斷時段是否超過一天，即i是否在24h以內。若小于24h，則返回步驟2);若大于，則進入步驟7)。

　　7)輸出24h的分布式電源與儲能的最優出力結果，以及優化的供能成本結果。

　　4應用實驗與數據分析

　　該文算例基于Malab 2013b進行，采用IEEE-52節點系統作為所要研究的綜合能源系統，同時在合適的節點加入分布式電源、天然氣系統、供熱系統、儲能等。仿真系統網絡拓撲結構，如圖3所示。求解算法采用經典的內點法，雙層優化基于二階錐模型進行，通過調整分布式電源與儲能的有功、無功出力來優化不同負荷條件下綜合能源網絡能量流動;通過調節不同電能、熱能、天然氣的耦合關系與能量替代關系提升能源利用的清潔性，降低化石能源發電比重。綜合能源系統網損分析如圖 4 所 示，各時段分布式電源出力對比如圖 5所示。

　　根據同一造價標準計算得到傳統規劃配置方案與雙層優化配置方案的綜合總投資，按運行年限為20 年考慮，傳統配置方案折算年費用為 49 萬元，該文雙層優化規劃配置方案年費用為 35 萬元。不同配置方案下投資成本分析如表 1所示。

　　由圖 4、圖 5及表 1可知，基于二階錐規劃的綜合能源系統雙層優化可得到系統能源配置的相對最優解，較大地提升了綜合能源系統的清潔化與經濟性。

　　5結束語

　　該文將雙層錐規劃理論運用于綜合能源系統中，有效地解決了多種能源系統耦合的綜合規劃配置優化問題，提高了綜合能源系統中清潔電源的利用率，將系統的清潔化提升到了另一個層次。借助該雙層優化算法，運行人員能夠通過在負荷預測的基礎上對近期的調度策略進行提前謀略，提升了綜合能源系統供能的經濟性與清潔性。

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