《基于雙層優(yōu)化的綜合能源系統(tǒng)規(guī)劃配置研究》論文發(fā)表期刊：《電子設(shè)計工程》；發(fā)表周期：2021年18期

《基于雙層優(yōu)化的綜合能源系統(tǒng)規(guī)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(tǒng)的結(jié)構(gòu)復(fù)雜、耦合接口較多、投資較大，使得綜合能源系統(tǒng)規(guī)劃配置變?yōu)槎嗑S度、非線性的問題，求解較為困難，且時常無法得到最優(yōu)的配置方案。針對上述問題，文中建立了含燃?xì)廨啓C(jī)、分布式電源、天然氣、供熱、儲能等裝置在內(nèi)的多能系統(tǒng)耦合模型。以電負(fù)荷為基礎(chǔ)，綜合考量系統(tǒng)熱負(fù)荷、冷負(fù)荷及燃?xì)庑枨罅康纫蛩亍２捎枚�階錐算法的雙層優(yōu)化方式，將綜合能源系統(tǒng)的優(yōu)化分為能量配置和綜合經(jīng)濟(jì)性兩層，通過分層優(yōu)化的方式降低混合優(yōu)化的復(fù)雜度，提升了綜合能源系統(tǒng)的全壽命周期運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性與清潔性，仿真算例驗(yàn)證了所提模型與算法的可行性及優(yōu)勢。

　　關(guān)鍵詞：綜合能源;二階錐規(guī)劃;能量平衡;綜合經(jīng)濟(jì)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(lián)網(wǎng)的發(fā)展，不同能源之間的聯(lián)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(jìn)一步提高，使得用能朝著智能化、清潔化、高效化的方向發(fā)展。

　　能源互聯(lián)網(wǎng)在上個世紀(jì)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(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注，并由此產(chǎn)生了智能電網(wǎng)、微電網(wǎng)及主動配電網(wǎng)等能源網(wǎng)絡(luò)建設(shè)理念。能源是人類生存與發(fā)展的重要基石，電能是區(qū)域能源綜合系統(tǒng)的關(guān)鍵，其與天然氣網(wǎng)絡(luò)的關(guān)系及相互影響早已被各界學(xué)者所關(guān)注。文獻(xiàn)[1])考慮了美國的電力與天然氣的交互關(guān)系及其影響;歐洲的天然氣發(fā)電比例與美國相近，其研究分析方法與美國相似P;文獻(xiàn)3提出了關(guān)于我國的區(qū)域能源綜合系統(tǒng)的基本構(gòu)想，制定了我國的能源互聯(lián)框架。但大多數(shù)文獻(xiàn)是基于電氣的傳輸進(jìn)行研究，對于熱負(fù)荷的耦合相互影響研究相對較少。該文通過建立雙層優(yōu)化模型，對綜合能源系統(tǒng)的綜合規(guī)劃配置進(jìn)行優(yōu)化，將多維度、非線性的混合優(yōu)化問題轉(zhuǎn)換為以能量流動和經(jīng)濟(jì)性分層的雙層優(yōu)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(yōu)結(jié)果，能夠指導(dǎo)綜合能源系統(tǒng)前期工作的開展。

　　1綜合能源系統(tǒng)

　　1.1 總體架構(gòu)

　　綜合能源系統(tǒng)的總體構(gòu)架包括電力系統(tǒng)、電氣化交通系統(tǒng)、天然氣系統(tǒng)及熱/冷供應(yīng)等其他系統(tǒng)。各個子系統(tǒng)之間通過能源的綜合調(diào)控中心進(jìn)行頻繁的信息轉(zhuǎn)換與智能處理，形成相互耦合的一體化系統(tǒng)，共同實(shí)現(xiàn)多種能源的清潔、高效利用，能源路由器是能量優(yōu)化調(diào)控中心，負(fù)責(zé)信息收集與控制，以電能、熱能、天然氣等能源作為能源消費(fèi)終端：能源轉(zhuǎn)換中心則是能源的中轉(zhuǎn)基地，負(fù)責(zé)多種能源的智能轉(zhuǎn)換[7]。綜合能源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)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(shí)現(xiàn)能夠滿足用戶多樣化用能需求且利于安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的綜合能源系統(tǒng)[8]。

　　綜合考慮電能、天然氣、熱能等能源的應(yīng)用場景和基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)情況，綜合能源系統(tǒng)更趨向于采取以電能為基礎(chǔ)，其他能源為輔助的發(fā)展模式[9-11]。由于能源發(fā)生側(cè)種類繁多，包括水能、風(fēng)能、太陽能等若將其全部轉(zhuǎn)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(tǒng)籌優(yōu)化配置，且能效較低。綜合能源系統(tǒng)以電能為基礎(chǔ)，充分發(fā)揮可再生能源的潛力，降低化石能源的使用，促進(jìn)能源清潔化的進(jìn)程。另外，還需各種不同形式的儲能、能源轉(zhuǎn)換裝置，如V2G，P2C"等，這些裝置的協(xié)調(diào)分配，能夠使能源互聯(lián)網(wǎng)內(nèi)的多種能源互補(bǔ)互利，有效平衡和抑制城市能源互聯(lián)網(wǎng)的負(fù)荷波動，實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)與其他網(wǎng)絡(luò)的能源共享，從而滿足城市能源互聯(lián)網(wǎng)內(nèi)多種負(fù)荷的供能需求。

　　1.2 系統(tǒng)耦合

　　設(shè)計綜合能源系統(tǒng)的主要思想是打破能源界限，實(shí)現(xiàn)跨能源系統(tǒng)的調(diào)度與傳輸，系統(tǒng)之間的耦合將充分考慮各種形式能源的互濟(jì)與互補(bǔ)。在電能與熱能環(huán)節(jié)，可通過電熱聯(lián)網(wǎng)來實(shí)現(xiàn);在電能與天然氣環(huán)節(jié)，可通過電轉(zhuǎn)氣技術(shù)與燃?xì)獍l(fā)電來實(shí)現(xiàn);在電力系統(tǒng)和電氣化交通系統(tǒng)環(huán)節(jié)，可通過V2G技術(shù)實(shí)現(xiàn)雙向轉(zhuǎn)換與互補(bǔ)。通過以上的能源轉(zhuǎn)換裝置與技術(shù)，加上風(fēng)力發(fā)電、光伏發(fā)電的電能補(bǔ)充，共同提升系統(tǒng)的耦合程度與互補(bǔ)性"。

　　綜合能源系統(tǒng)的能源耦合過程，實(shí)質(zhì)上是描述電能的發(fā)生側(cè)與需求側(cè)關(guān)系的過程。結(jié)合能源流轉(zhuǎn)過程，考慮用如下的數(shù)學(xué)模型描述綜合能源系統(tǒng)的發(fā)生側(cè)、轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)及需求側(cè)的關(guān)系。能源轉(zhuǎn)換中心的函數(shù)關(guān)系如式(1)所示，這是最簡單的能量輸入輸出模型表達(dá)式。

　　2 二階錐規(guī)劃

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

　　作為一種分層尋優(yōu)算法，二階錐規(guī)劃算法被普遍運(yùn)用于電力系統(tǒng)中，尤其是對于需要分為兩個階段進(jìn)行優(yōu)化的問題，具有獨(dú)特的優(yōu)勢。該文基于綜合能源系統(tǒng)的特點(diǎn)與二階錐規(guī)劃算法的適用場景，將二階錐思想應(yīng)用于綜合能源系統(tǒng)的合理規(guī)劃配置中，解決了綜合能源系統(tǒng)多維度、非線性的混合尋優(yōu)問題。首次將綜合能源系統(tǒng)規(guī)劃的優(yōu)化配置問題轉(zhuǎn)化為雙層次求解問題，從能量最優(yōu)配置和綜合經(jīng)濟(jì)性兩個方面進(jìn)行綜合分析、統(tǒng)籌優(yōu)化，以實(shí)現(xiàn)能源的清潔、高效利用。

　　3系統(tǒng)規(guī)劃配置總流程

　　綜合考慮電能、天然氣、熱能等能源的應(yīng)用場景與基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)情況，綜合能源系統(tǒng)的最終目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)能量合理、高效地流動并且優(yōu)化在此基礎(chǔ)上的經(jīng)濟(jì)投入，因此該文將綜合能源系統(tǒng)的規(guī)劃配置分析分為兩個層面進(jìn)行優(yōu)化：第一層：基于確定的傳統(tǒng)電、熱、天然氣負(fù)荷優(yōu)化分布式電源與儲能的輸出功率，優(yōu)化負(fù)荷高峰期的能量流動，提升用戶側(cè)的用能質(zhì)量;第二層：以綜合經(jīng)濟(jì)性為目標(biāo)，從網(wǎng)損、能效、年運(yùn)行成本等方面進(jìn)行優(yōu)化分析。

　　二階錐模型能夠?qū)⒕C合能源的能量配置與建設(shè)、運(yùn)行投入分開考慮，分成能量優(yōu)化層與綜合經(jīng)濟(jì)性兩個層次進(jìn)行探究，綜合目標(biāo)函數(shù)為：

　　基于隨機(jī)二階錐模型的雙層多目標(biāo)求解總流程，如圖 2所示。

　　1)設(shè)置優(yōu)化的時間起始點(diǎn)i=0。

　　2)按照負(fù)荷曲線設(shè)置時間段i的用電負(fù)荷。

　　3)將目標(biāo)函數(shù)與約束條件轉(zhuǎn)化為錐模型。

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

　　5)進(jìn)入第二階段，從網(wǎng)損、能效、年運(yùn)行成本等方面進(jìn)行優(yōu)化分析，以實(shí)現(xiàn)綜合經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)為目標(biāo)。

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

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

　　4應(yīng)用實(shí)驗(yàn)與數(shù)據(jù)分析

　　該文算例基于Malab 2013b進(jìn)行，采用IEEE-52節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)作為所要研究的綜合能源系統(tǒng)，同時在合適的節(jié)點(diǎn)加入分布式電源、天然氣系統(tǒng)、供熱系統(tǒng)、儲能等。仿真系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如圖3所示。求解算法采用經(jīng)典的內(nèi)點(diǎn)法，雙層優(yōu)化基于二階錐模型進(jìn)行，通過調(diào)整分布式電源與儲能的有功、無功出力來優(yōu)化不同負(fù)荷條件下綜合能源網(wǎng)絡(luò)能量流動;通過調(diào)節(jié)不同電能、熱能、天然氣的耦合關(guān)系與能量替代關(guān)系提升能源利用的清潔性，降低化石能源發(fā)電比重。綜合能源系統(tǒng)網(wǎng)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(jù)同一造價標(biāo)準(zhǔn)計算得到傳統(tǒng)規(guī)劃配置方案與雙層優(yōu)化配置方案的綜合總投資，按運(yùn)行年限為20 年考慮，傳統(tǒng)配置方案折算年費(fèi)用為 49 萬元，該文雙層優(yōu)化規(guī)劃配置方案年費(fèi)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(guī)劃的綜合能源系統(tǒng)雙層優(yōu)化可得到系統(tǒng)能源配置的相對最優(yōu)解，較大地提升了綜合能源系統(tǒng)的清潔化與經(jīng)濟(jì)性。

　　5結(jié)束語

　　該文將雙層錐規(guī)劃理論運(yùn)用于綜合能源系統(tǒng)中，有效地解決了多種能源系統(tǒng)耦合的綜合規(guī)劃配置優(yōu)化問題，提高了綜合能源系統(tǒng)中清潔電源的利用率，將系統(tǒng)的清潔化提升到了另一個層次。借助該雙層優(yōu)化算法，運(yùn)行人員能夠通過在負(fù)荷預(yù)測的基礎(chǔ)上對近期的調(diào)度策略進(jìn)行提前謀略，提升了綜合能源系統(tǒng)供能的經(jīng)濟(jì)性與清潔性。

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