区域多能源优化调控技术研究

区域多能源优化调控技术研究

 赵格文,尹常永

 沈阳工程学院 110136

0　引　言

能源是电力系统大力发展的动力和基础。由于化石能源日益枯竭，提高能源利用效率、开发新能源、加强可再生能源的综合利用成为解决电力系统协调调控带来的经济发展过程中的必然选择。在传统的能源系统中相互独立的运行模式无法适应多能源一体化协调系统多能互补的能源生产和利用方式。

基于电、气、热、冷、生物质多能源系统的优化调度问题存在建模和优化求解两个紧密相关的过程，该技术根据负荷特点，结合系统内冷、热、电平衡、设备运行等约束，建立多能源联供系统经济运行优化模型，并通过混沌粒子群优化算法优化得到经济性最优、环保最优、能耗最小多目标协调调控技术。文献[18]考虑源荷不确定性及储能配置对系统优化调度的影响，但未提出基于多时间尺度和多源储能的协调优化调度策略；文献[19]考虑大规模风电接入，基于需求响应资源多时间尺度特性，建立了日前–日内–实时滚动优化调度模型，但不能在长时间内优化调度模型。文献[21]提出基于粒子群算法的微网用能调度策略，对微网与配电网间的电能交互进行综合优化，但未充分考虑峰谷电价对调度经济性的影响。

1研究内容

1.1多目标组合的多能源协调调控技术

电、气、热、冷、生物质多能源系统的优化调度问题存在建模和优化求解两个紧密相关的过程，该技术根据负荷特点，结合系统内冷、热、电平衡、设备运行等约束，建立多能源联供系统经济运行优化模型，并通过混沌粒子群优化算法优化得到经济性最优、环保最优、能耗最小多目标协调调控技术。

1.2 多能源系统多目标优化协调调控技术

含电-气-热-冷-生物质多能源系统的优化调度问题存在建模和求解两个紧密相关的过程，优化问题的求解方法可以分为启发式算法和数学方法两类。其中，遗传、粒子群等智能算法是启发式方法的代表，而运筹学中内点法、单纯形法是数学方法的代表。数学方法受到目标函数、优化变量模型和约束条件等影响较大，启发式算法具有较强的适应性。此外结合计算机技术的发展，启发式算法得到了大量应用。多能源联供系统的优化模型是一个非线性、多维度问题，优化目标函数较为复杂，约束条件较多，本项目采用粒子群算法进行求解，并针对常规的粒子群算法存在收敛速度慢、精度较差和早熟的问题，结合混沌搜索和自适应控制权重进行了算法改善。混沌是存在于非线性系统中一种较为普遍的现象，而混沌运动的典型特点就是没有特定的运行规则。在一定范围内，可以按其自身的规律不重复地访问粒子的所有状态。

因此，混沌运动受到了广泛关注，并在非线性函数问题、组合优化问题得到了应用。混沌运动具有如下的特性：

①内在随机性

混沌的定常状态不是静止、周期和准周期运动三种确定运动状态的一种，而是一种始终局限于有限区域且轨道永不重复的、形势复杂的运动，并且这种复杂性是系统自身的内在因素决定的，不受外界干扰。混沌运动表现出来的随机性并非是完全的随机，其每一时刻的状态都受到前一状态的影响。

②长期不可预测性

由于初始条件的精度存在于一个限制，而初始条件的微小差异都会随着时间的推移而对后来的运动产生巨大影响。因此想要预测在将来某一时刻的动力学特性几乎是不可能的，即混沌运动的长期演化行为是不可预测的。

③对初值的敏感依赖性

任意的初始数据随着时间的推移，即使初始数据之间的偏差十分微小,在迭代几次后这个偏差也会变得很大，即对初始条件的敏感依赖性。

④遍历性

遍历性也称为混杂性。由于混沌是一种存在于一个优先区域内、轨道永不重复、形态复杂的运动。所以，当达到一定的运动时间，混沌运动的轨迹将不会仅停于某一状态而是遍历区域空间中的每一点,即只要时间充分长，混沌会不重复地走过每一点。

混沌粒子群算法流程如图1：

图7 混沌粒子群算法流程图

综合能源系统的优化从电、气、热、冷、生物质几方面展开，电能的优化目标主要是促进风电等新能源的大规模消纳，有效降低弃风率；天然气的优化目标是通过将天然气转换为电、热能源，提高天然气在终端能源消费上的比例；热能的优化目标主要是促进地热能、电采暖等电热转换，降低燃煤锅炉比例。冷负荷的优化目标主要是供应过程中，电制冷机作为辅助调峰设备，当吸收式制冷机组冷能供应不足时，电制冷机进行补充；生物质能的优化目标主要是生物质燃料经气化处理后可直接燃烧发电与典型供能系统互补的分布式供能系统相结合提高整个系统的经济性与能源转化效率。如图2所示其整体优化目标包括降低能源转换与消耗成本，使得经济性最优、环保最优、能耗最小。

实现经济效益是区域综合能源系统设计运行的重要目标。除系统初始投资费用外，影响能源系统经济效益的还有燃料购置费用、设备运行维护费用以及供能收益等。对综合能源系统进行各项费用分析，需综合考虑投资费用及年运行成本。相较于独立运行系统，多联产系统的投资费用不变。为进一步确定系统投入运行后最优的能源技术组合及运营策略，可将经济评价的重点放在电、热、气、冷、生物质产品联供时的经济效益。

建立的运行成本优化目标函数为：

             （1.1）

式中：为优化周期； 为购售电成本；为天然气消耗成本；为设备的运行维护成本；为系统中各设备的启停成本。

环境指标

随着能源消耗的快速增长，大气污染等环境问题日益严峻，而发电过程中产生的污染物排放是主要的空气污染来源。与能源生产消费相关的常用环境指标包括：温室气体年排放量；污染物年排放量；因能源生产消费而产生的地区空气污染物年或日平均浓度。其中，碳排放是衡量能源系统环境效益的一个重要指标。因此，本模型根据一次能源消耗量与二氧化碳当量排放计算温室气体排放量。

建立的环境优化目标函数为：

                 （1.2）

式中：为日运行污染物总排放量；为日碳化物排放量；为日硫化物排放量；为日氮化物排放量。

能耗指标

能源综合利用率是评价能源系统高效节能的重要指标。针对能源系统的能量评价方法有很多种，较为常用的是基于热力学第一定律的一次能源消耗量该指标将系统购买的电量和燃料的消耗量统一折算为标准一次能源，以便进行比较分析。

建立的能耗优化目标函数为：

                       （1.3）

式中：能源利用率PER作为系统的能效指标；为向系统内输出的能量；为向系统内输入的能量。

3总  结

多能源协调优化调控技术根据粒子群算法的基本原理及其存在的缺陷，在粒子群算法中引入一种非线性递减的自适应惯性权重控制策略，并将混沌的思想和粒子群算法相结合。与基本粒子群算法、自适应粒子群算法在相同的基础参数设置下,采用典型测试函数进行了实验研究。通过实验结果表明，在面对不同类型的优化函数时，本项目算法能够精准的寻找到最优值且与函数实际值具有较小的误差，改善了粒子群算法的全局搜索能力及早熟现象，提高了算法的收敛精度和收敛速度，为后续进行多能源系统的优化计算提供了有利工具。

参考文献

[1]Sarabia Escriva Emilio José,Hart Matthew,Acha Salvador,Soto Francés Víctor,Shah Nilay,Markides Christos N.. Techno-economic evaluation of integrated energy systems for heat recovery applications in food retail buildings[J]. Applied Energy,2022,305:

[2]马丽叶,张涛,卢志刚,杨林林.基于变权可拓云模型的区域综合能源系统 综合评价[J/OL].电工技术学报:1-10[2021-10-17].

[3]王新刚,朱彬若,顾臻.基于综合能源计量大数据的中长期用电量预测[J/OL].中国电力:1-7[2021-10-17].

[4]李湘峰,阿茹娜,朱建,望佳琪.可再生能源项目用地制度及综合利用可行性探索[J/OL].水力发电:1-5[2021-10-17].

[5]邱伟强,王茂春,林振智,杨莉,王莲芳,孙剑影.“双碳”目标下面向新能源消纳场景的共享储能综合评价[J/OL].电力自动化设备,2021(10):1-12[2021-10-17].

[6]王新刚,朱彬若,顾臻.基于综合能源计量大数据的中长期用电量预测[J/OL].中国电力:1-7[2021-10-17].

[7]Lu Qing,Guo Qisheng,Zeng Wei. Optimization scheduling of an integrated energy service system in community under the carbon trading mechanism: A model with reward-penalty and user satisfaction[J]. Journal of Cleaner Production,2021,323:

[8]韩子娇,李正文,张文达,刘凯,董鹤楠,袁铁江.计及光伏出力不确定性的氢能综合能源系统经济运行策略[J/OL].电力自动化设备,2021(10):1-8[2021-10-17]

[9]刘科明,黄婧杰,杨洪明,周任军.考虑设备部分负荷性能函数拟合误差的区域综合能源系统鲁棒优化调度[J/OL].电力系统及其自动化学报:1-7[2021-10-17].