基于長時間尺度的園區(qū)綜合能源系統(tǒng)隨機規(guī)劃
趙瑾1，雍靜1，郇嘉嘉2，余夢澤3，王曉靜1，曾誠玉4
（1. 重慶大學(xué) 輸配電裝備及系統(tǒng)安全與新技術(shù)國家重點實驗室；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)的運行情況時從短時間尺度（小時、日）角度出發(fā)對系統(tǒng)的運行情況進行預(yù)測模擬，但由于規(guī)劃的目標一般為長期性的（如年等值投資運行成本、年碳排放量等），從長時間尺度（年）預(yù)測短時間尺度（小時、日）風(fēng)光出力及負荷需求，不確定因素多而復(fù)雜，存在很大預(yù)測誤差，因而模擬的系統(tǒng)日運行情況往往與實際情況也相差較大。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
為解決上述問題，本文提出一種計及風(fēng)、光、荷不確定性的園區(qū)綜合能源系統(tǒng)長時間尺度規(guī)劃方法，建立風(fēng)機、光伏年利用小時數(shù)的隨機模型以及冷、熱、電負荷年需求量的隨機分布模型，采用設(shè)備的年利用小時數(shù)作為衡量設(shè)備全壽命周期利用率的指標，以計及儲能效益的綜合能源系統(tǒng)年化投資運行費用最小為目標，建立園區(qū)綜合能源系統(tǒng)容量優(yōu)化配置隨機規(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)機的年利用小時數(shù)、光伏的年利用小時數(shù)以及園區(qū)的年冷熱電負荷需求。
4、園區(qū)綜合能源系統(tǒng)隨機規(guī)劃模型
4.1、目標函數(shù)
本文以計及儲能效益的系統(tǒng)整體年投資運行成本最小為目標函數(shù)，其中包含設(shè)備投資年化成本、系統(tǒng)年運行成本、系統(tǒng)設(shè)備年化殘值。在綜合能源系統(tǒng)中，儲能的主要作用是在時間尺度上轉(zhuǎn)移能量，即在用能低谷期存儲能量，在用能高峰期將所儲能量釋放。為鼓勵儲能的這一作用，目標函數(shù)中加入懲罰項：
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)備年利用小時數(shù)約束。
特別地，針對電儲能設(shè)備，考慮到頻繁充放對其壽命的影響，本文設(shè)定每天滿充放循環(huán)次數(shù)不超過2次，滿充、滿放時間按2 h計算，即年單充/單放利用小時數(shù)不超過1460 h。設(shè)定蓄熱設(shè)備每天循環(huán)放熱次數(shù)不超過3次，滿充、滿放時間按2 h計算，即年單充/單放利用小時數(shù)不超過2190 h。
同時，系統(tǒng)與上級能網(wǎng)的交互有購能、售能2種模式，則2種模式下的購售能利用小時數(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)化機會約束模型
由于上述模型的目標函數(shù)和約束條件中都存在隨機變量，因此采用機會約束規(guī)劃（CCP）處理模型的約束條件和目標函數(shù)中含有隨機變量的數(shù)學(xué)問題，則上述模型可轉(zhuǎn)化為：
5、模型求解
5.1、模型簡化
能量供需約束針對電量，約束條件包含風(fēng)光機組的年利用小時數(shù)、年用電量，比較復(fù)雜，而針對熱量和冷量，約束條件只包含年熱負荷需求量/年冷負荷需求量單個隨機變量。為方便求解，將其轉(zhuǎn)化成相應(yīng)的確定性等價類。
5.2、模型求解
上述模型本質(zhì)上為混合非線性隨機規(guī)劃問題，本文基于蒙特卡洛模擬的方法，在MATLAB平臺上采用YALMIP+KNITRO工具求解該隨機約束模型。
6、算例分析
針對某園區(qū)綜合能源系統(tǒng)，為便于分析，模型中的機會約束條件取相同的置信度，并分別計算置信度取0.8、0.85、0.9、0.95、1時的配置情況（如表1所示）。整體上，相較于光伏，風(fēng)機被選擇的情況更為樂觀，這是因為該區(qū)域具備良好的風(fēng)環(huán)境以及風(fēng)機的單位容量建設(shè)成本比光伏更低。由于CHP機組可完全代替熱泵和燃氣鍋爐的作用，且其能源利用效率更高，因此在置信度為0.85~1的4種場景下都有配置CHP而未配置熱泵和燃氣鍋爐。同時，CHP機組具有良好的產(chǎn)熱條件，使系統(tǒng)在冷機的配置上更傾向于選擇以熱制冷的溴化鋰吸收式制冷機。
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)劃中短時間尺度負荷預(yù)測誤差過大的問題并且很好地約束能源設(shè)備全生命周期的利用率，本文提出了一種計及風(fēng)、光、荷不確定性的長時間尺度的園區(qū)綜合能源系統(tǒng)隨機規(guī)劃模型。該模型采用設(shè)備年利用小時數(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。
作者簡介
趙 瑾，重慶大學(xué)電氣工程學(xué)院碩士研究生，研究方向為綜合能源系統(tǒng)規(guī)劃與運行。
雍 靜，重慶大學(xué)電氣工程學(xué)院教授，博士生導(dǎo)師，研究方向為配電系統(tǒng)電能質(zhì)量分析、低壓配電系統(tǒng)故障檢測、建筑物電氣安全、用戶多能源系統(tǒng)等。
郇嘉嘉，廣東電網(wǎng)發(fā)展研究院有限責(zé)任公司高級工程師，研究方向為綜合能源規(guī)劃與運行。
