基于長(zhǎng)時(shí)間尺度的園區(qū)綜合能源系統(tǒng)隨機(jī)規(guī)劃
趙瑾1，雍靜1，郇嘉嘉2，余夢(mèng)澤3，王曉靜1，曾誠(chéng)玉4
（1. 重慶大學(xué) 輸配電裝備及系統(tǒng)安全與新技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；2. 廣東電網(wǎng)發(fā)展研究院有限責(zé)任公司；3. 廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司電網(wǎng)規(guī)劃研究中心；4. 湖南大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院）
1、研究背景
目前，已有的綜合能源系統(tǒng)規(guī)劃模型在考慮系統(tǒng)的運(yùn)行情況時(shí)從短時(shí)間尺度（小時(shí)、日）角度出發(fā)對(duì)系統(tǒng)的運(yùn)行情況進(jìn)行預(yù)測(cè)模擬，但由于規(guī)劃的目標(biāo)一般為長(zhǎng)期性的（如年等值投資運(yùn)行成本、年碳排放量等），從長(zhǎng)時(shí)間尺度（年）預(yù)測(cè)短時(shí)間尺度（小時(shí)、日）風(fēng)光出力及負(fù)荷需求，不確定因素多而復(fù)雜，存在很大預(yù)測(cè)誤差，因而模擬的系統(tǒng)日運(yùn)行情況往往與實(shí)際情況也相差較大。另外，能源設(shè)備能否充分利用直接關(guān)系到投資效益，但在已有的規(guī)劃方法中，能源設(shè)備全生命周期的利用率難以衡量。
2、整體研究思路及創(chuàng)新點(diǎn)
為解決上述問(wèn)題，本文提出一種計(jì)及風(fēng)、光、荷不確定性的園區(qū)綜合能源系統(tǒng)長(zhǎng)時(shí)間尺度規(guī)劃方法，建立風(fēng)機(jī)、光伏年利用小時(shí)數(shù)的隨機(jī)模型以及冷、熱、電負(fù)荷年需求量的隨機(jī)分布模型，采用設(shè)備的年利用小時(shí)數(shù)作為衡量設(shè)備全壽命周期利用率的指標(biāo)，以計(jì)及儲(chǔ)能效益的綜合能源系統(tǒng)年化投資運(yùn)行費(fèi)用最小為目標(biāo)，建立園區(qū)綜合能源系統(tǒng)容量?jī)?yōu)化配置隨機(jī)規(guī)劃模型，并探討了不同置信度水平下的配置結(jié)果。
3、風(fēng)、光、荷隨機(jī)分布模型
根據(jù)風(fēng)光荷特性，分別利用威布爾分布、貝塔分布和正態(tài)分布擬合風(fēng)機(jī)的年利用小時(shí)數(shù)、光伏的年利用小時(shí)數(shù)以及園區(qū)的年冷熱電負(fù)荷需求。
4、園區(qū)綜合能源系統(tǒng)隨機(jī)規(guī)劃模型
4.1、目標(biāo)函數(shù)
本文以計(jì)及儲(chǔ)能效益的系統(tǒng)整體年投資運(yùn)行成本最小為目標(biāo)函數(shù)，其中包含設(shè)備投資年化成本、系統(tǒng)年運(yùn)行成本、系統(tǒng)設(shè)備年化殘值。在綜合能源系統(tǒng)中，儲(chǔ)能的主要作用是在時(shí)間尺度上轉(zhuǎn)移能量，即在用能低谷期存儲(chǔ)能量，在用能高峰期將所儲(chǔ)能量釋放。為鼓勵(lì)儲(chǔ)能的這一作用，目標(biāo)函數(shù)中加入懲罰項(xiàng)：
4.2、模型約束
模型的約束條件包括：能量供需約束、設(shè)備容量約束、設(shè)備工作特性約束以及設(shè)備年利用小時(shí)數(shù)約束。
特別地，針對(duì)電儲(chǔ)能設(shè)備，考慮到頻繁充放對(duì)其壽命的影響，本文設(shè)定每天滿充放循環(huán)次數(shù)不超過(guò)2次，滿充、滿放時(shí)間按2 h計(jì)算，即年單充/單放利用小時(shí)數(shù)不超過(guò)1460 h。設(shè)定蓄熱設(shè)備每天循環(huán)放熱次數(shù)不超過(guò)3次，滿充、滿放時(shí)間按2 h計(jì)算，即年單充/單放利用小時(shí)數(shù)不超過(guò)2190 h。
同時(shí)，系統(tǒng)與上級(jí)能網(wǎng)的交互有購(gòu)能、售能2種模式，則2種模式下的購(gòu)售能利用小時(shí)數(shù)之和需小于等于8760 h。
4.3、園區(qū)綜合能源系統(tǒng)配置優(yōu)化機(jī)會(huì)約束模型
由于上述模型的目標(biāo)函數(shù)和約束條件中都存在隨機(jī)變量，因此采用機(jī)會(huì)約束規(guī)劃（CCP）處理模型的約束條件和目標(biāo)函數(shù)中含有隨機(jī)變量的數(shù)學(xué)問(wèn)題，則上述模型可轉(zhuǎn)化為：
5、模型求解
5.1、模型簡(jiǎn)化
能量供需約束針對(duì)電量，約束條件包含風(fēng)光機(jī)組的年利用小時(shí)數(shù)、年用電量，比較復(fù)雜，而針對(duì)熱量和冷量，約束條件只包含年熱負(fù)荷需求量/年冷負(fù)荷需求量單個(gè)隨機(jī)變量。為方便求解，將其轉(zhuǎn)化成相應(yīng)的確定性等價(jià)類(lèi)。
5.2、模型求解
上述模型本質(zhì)上為混合非線性隨機(jī)規(guī)劃問(wèn)題，本文基于蒙特卡洛模擬的方法，在MATLAB平臺(tái)上采用YALMIP+KNITRO工具求解該隨機(jī)約束模型。
6、算例分析
針對(duì)某園區(qū)綜合能源系統(tǒng)，為便于分析，模型中的機(jī)會(huì)約束條件取相同的置信度，并分別計(jì)算置信度取0.8、0.85、0.9、0.95、1時(shí)的配置情況（如表1所示）。整體上，相較于光伏，風(fēng)機(jī)被選擇的情況更為樂(lè)觀，這是因?yàn)樵搮^(qū)域具備良好的風(fēng)環(huán)境以及風(fēng)機(jī)的單位容量建設(shè)成本比光伏更低。由于CHP機(jī)組可完全代替熱泵和燃?xì)忮仩t的作用，且其能源利用效率更高，因此在置信度為0.85~1的4種場(chǎng)景下都有配置CHP而未配置熱泵和燃?xì)忮仩t。同時(shí)，CHP機(jī)組具有良好的產(chǎn)熱條件，使系統(tǒng)在冷機(jī)的配置上更傾向于選擇以熱制冷的溴化鋰吸收式制冷機(jī)。
表1 不同置信度水平下設(shè)備配置情況
5種置信度水平下被選設(shè)備的年利用小時(shí)數(shù)如表2所示。
表2 不同置信度水平下設(shè)備年利用小時(shí)數(shù)
7、結(jié)論
為解決園區(qū)綜合能源系統(tǒng)規(guī)劃中短時(shí)間尺度負(fù)荷預(yù)測(cè)誤差過(guò)大的問(wèn)題并且很好地約束能源設(shè)備全生命周期的利用率，本文提出了一種計(jì)及風(fēng)、光、荷不確定性的長(zhǎng)時(shí)間尺度的園區(qū)綜合能源系統(tǒng)隨機(jī)規(guī)劃模型。該模型采用設(shè)備年利用小時(shí)數(shù)作為設(shè)備整體利用率的約束，可在一定程度上保證綜合能源系統(tǒng)的能源設(shè)備全生命周期的利用率在投資者的可接受范圍內(nèi)，同時(shí)該模型具有較高的魯棒性，為風(fēng)、光、荷不確定性環(huán)境下園區(qū)綜合能源系統(tǒng)優(yōu)化配置的理論提供了新的思路和方法。
作者簡(jiǎn)介
趙 瑾，重慶大學(xué)電氣工程學(xué)院碩士研究生，研究方向?yàn)榫C合能源系統(tǒng)規(guī)劃與運(yùn)行。
雍 靜，重慶大學(xué)電氣工程學(xué)院教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)榕潆娤到y(tǒng)電能質(zhì)量分析、低壓配電系統(tǒng)故障檢測(cè)、建筑物電氣安全、用戶(hù)多能源系統(tǒng)等。
郇嘉嘉，廣東電網(wǎng)發(fā)展研究院有限責(zé)任公司高級(jí)工程師，研究方向?yàn)榫C合能源規(guī)劃與運(yùn)行。
