發布時間：2021-05-13所屬分類：工程師職稱論文瀏覽：1次
摘 要： 摘要：充分調用系統內可再生資源、合理配置系統內各機組容量、利用儲能設備解耦各能量之間的耦合關系是降低系統運行成本的重要手段。利用場景分析法，建立了可再生能源出力及負荷不確定性模型，在此基礎上，將地源熱泵及混合儲能系統引入區域綜合能源系統，
摘要：充分調用系統內可再生資源、合理配置系統內各機組容量、利用儲能設備解耦各能量之間的耦合關系是降低系統運行成本的重要手段。利用場景分析法，建立了可再生能源出力及負荷不確定性模型，在此基礎上，將地源熱泵及混合儲能系統引入區域綜合能源系統，以地源熱泵系統解耦CCHP機組“以熱定電”約束，并制定合理的長、短期儲能協調運行方案，以系統運行成本最小為目標建立了包含能量轉換、存儲設備在內的區域綜合能源系統日前調度模型。運用Yalmip、Matpower工具箱，利用Cplex求解器在Matlab環境下對IEEE39節點系統進行仿真分析，求得夏、冬季典型日運行成本最低情況下的各機組出力情況與組合模式。仿真算例表明，合理調用區域系統內風、光、地熱能，并采用長、短期儲能相結合的混合儲能協調調度形式，能夠實現能量的季節性轉移，為區域綜合能源系統運行帶來經濟優勢，提高能源利用率。
關鍵詞：區域綜合能源系統;地源熱泵;混合儲能;場景分析法;隨機規劃
0引言
新能源發電的大量并網，一定程度上解決了由于化石能源大量使用帶來的環境污染以及能源使用可持續性方面的問題，同時也帶來了規劃復雜、運行穩定欠佳以及棄風棄光等多方面問題。據統計，2019年，我國可再生能源發電裝機達到7.94億千瓦，占全部電力裝機量的39.5%，可再生能源全年發電量2.04萬億千瓦時，同比增長約1761億千瓦時，其中棄風電量169億千瓦時，棄光電量46億千瓦時。盡管近幾年的棄風棄光率有所下降，但棄風棄光量的數值依舊可觀。
在我國，傳統能源供給系統之間分立運行，協調性較差，顯然不再適應新能源大量發電并網的今天。為此，相關部門提出了綜合能源系統(Integratedenergysystem,IES)的概念，即發展一個能源生產、傳輸、分配、轉換、存儲、消費等環節有機協調、優化一體的能源供應系統。按照地理因素與能源產供銷環節劃分，可將IES分為跨區級、區域級以及用戶級綜合能源系統三類。其中，區域級IES連接輸運側與用戶側，結構復雜，系統內包含元件眾多，能源耦合關系復雜[1]。
文獻[2-5]將電轉氣裝置(Powertogas,P2G)、熱電聯產(Cogeneration,combinedheatandpower，CHP)機組與儲能裝置相結合，建立了考慮獨立型微電網電、熱儲能系統配置與運行結合的聯合優化模型，但并未考慮市電利用的并網模式下多能存儲微網的儲能優化配置，且對于可再生能源出力的隨機性對系統經濟調度的影響考慮不夠充分。文獻[6]詳細介紹了國內外多項綜合能源系統示范項目具體情況。對國內外綜合能源系統發展現狀進行總結，并對未來發展提出建議，對我國綜合能源系統未來發展具有指導意義。但并未著重強調儲能裝置結構及作用。文獻[7-8]提出了一種含儲熱的光熱電站與相變儲能的離網型綜合能源供熱系統及其協調調度策略，文章著重介紹了相變儲熱與光熱電站聯合調度的建筑供熱系統運行結構，為未來建筑供熱策略提供新思路。文獻[9]提出一種通過先進絕熱壓縮空氣儲能供給熱、電負荷的系統可行域分析方法，分析了可行域特征及其影響因素，為熱-電聯合綜合能源系統運行分析提供一種新的標尺。文獻[10-13]從儲能技術本身出發，詳細介紹了地源熱泵與季節性儲能聯合供熱的系統結構，運行原理與運行特點，但并未研究其在區域綜合能源系統中的運行情況。
通過對現有文獻的分析可以看出，現階段對于IES的研究集中于復雜耦合供能系統的規劃調度建模問題;儲能環節在打破傳統熱電聯產“以熱定電”的剛性耦合、提升可再生能源并網率以及保證系統經濟穩定運行方面起到了至關重要的作用，但目前的研究集中于短期儲能，考慮長、短期儲能相配合的研究較少;對能量轉換模型與優化求解模型的研究較為深入，但研究中建立的運行成本大多較為精簡。
有鑒于此，在充分調用區域系統內風、光及地熱能的基礎上，本文建立了基于地源熱泵系統與混合儲能聯合供能的區域IES電-氣-熱聯合規劃經濟調度模型，并將地下水資源作為長期儲能載體，與傳統短期儲能形式相配合實現能量的季節性轉移。仿真算例證明，本文所提模型能夠有效反應可再生能源出力及負荷波動對系統運行帶來的影響，且利用長、短期儲能相配合的方式能夠實現能量的季節性轉移且可有效降低系統的總運行成本，提高可再生能源消納量。
1區域綜合能源系統
1.1系統結構及運行策略
區域綜合能源系統以主動配電網、混合儲能、能源轉換等技術為支撐技術[1]，以電力系統為核心，與燃氣系統、熱力系統高度耦合，以分布式可再生能源為主要一次能源，強調能源之間對等開放、即插即用，是能源互聯網的物理載體。系統內包含設備諸多，源側為風電機組(windturbine,WT)、光伏機組(photovoltaic,PV)，能量轉換裝置為電轉氣裝置(powertoGas,P2G)、燃料電池(fullcell，FC)、CCHP機組、電鍋爐(electricboiler,EB)、燃氣鍋爐(gasboiler,GB)、地源熱泵機組(geothermalheatpumps,HP)，儲能設備為儲電裝置(electricitystorage,ESS)、儲氣裝置(gasstorage,GSS)、儲熱/冷水罐(thermal/coldstorage,HSS/CSS)。本文所建立的地源熱泵系統配合混合儲能供能的區域綜合能源系統結構圖如附錄A中圖1所示。
并網運行條件下系統的日前調度目標為系統運行成本值最小。在運行策略的制定時需要考慮以下幾點：(1)充分利用系統內的可再生資源，采用最大功率跟蹤技術使可再生能源機組實現最大出力。(2)系統內包含ESS、GSS等多種能源儲存設備以平抑可再生能源出力波動，解耦能量之間的耦合關系，消納系統多余發電量。需充分考慮這些設備的容量、輸入輸出功率限度等約束以及其運行成本。(3)HP的循環水源來自于深層地下水，冬季供熱時，循環系統將熱量帶入室內，冷量帶出存入地下，夏季相反。供熱/冷量不足部分由電鍋爐與燃氣鍋爐補足。
(4)充分考慮運行過程中各機組約束以及調度周期內電價波動等相關約束。
1.2地源熱泵系統
區域綜合能源系統的供熱方式主要有熱電聯產(CombinedHeatingandPower，CHP)機組供熱與熱泵機組供熱兩種，CHP機組又分為燃煤CHP與燃氣CHP兩種。本文所采用的冷熱電聯供系統包含微型燃氣輪機、余熱回收單元和吸收式制冷機3個部分。其中，微型燃氣輪機主要作為原動機使用，是整個CCHP系統的核心裝置，其單臺機組的功率大小一般在20-350kW之間。相對于傳統的火力發電機，微型燃氣輪機具有噪音小、能量損耗低、可控性高、運行維護成本低等方面優點，己成為了新形勢下分布式能源領域的主要發展方向。
熱泵供熱機組分為中水水源熱泵、地源熱泵與空氣源熱泵三種，其中地源熱泵能以地表能量作為熱源，通過少量高品位能源(如電能)驅動，完成熱能從低密度區域到高密度區域的轉移。相比于傳統的能量轉換裝置，地源熱泵的COP值可達到4以上，意味著能夠輸出所消耗電能4倍以上的熱能，可以有效減少常規能源的消耗。熱泵運行中受環境與地域因素影響小，具有使用壽命長、維護成本低、運行穩定性高等優點，未來具有廣闊的發展前景。本文采用以地表水與地下土壤層為低溫熱源，由地表水源熱泵機組、土壤源熱泵系統、建筑物蓄能板換系統組成的供熱空調地源熱泵系統。其結構如圖1所示，該系統適用于建筑面積大、周圍空地面積有限的大型單體建筑和小型建筑群落[12]。
區域綜合能源系統冷、熱需求復雜多變，負荷分布呈現季節性波動規律，合理制定系統內機組運行策略，能夠有效提高系統運行效率、降低系統運行成本。如上圖所示，單套地源熱泵機組能夠通過閥門的開關配合實現多種工況間的切換。
1.2.1系統夏季運行策略
為最大程度減少運行費用，夏季應優先使用負荷低谷期的蓄冷量進行供冷，若負荷量增大，則可開啟部分土壤源熱泵主機進行直供，若負荷進一步增大，則需要再開啟部分地表水源熱泵進行直供。綜上，夏季地源熱泵系統主要工作于3種工況，即夜間主機蓄冷與直接供冷、白天蓄水池供冷、白天蓄水池與主機聯合供冷，3中工況下的閥門配合情況如表1所示。
1.2.2系統冬季運行策略
由于夏熱冬冷地區冬夏負荷差別較大，按夏季負荷設備選型即可滿足冬季負荷需求。與夏季運行情況類似，系統應優先使用蓄熱系統供熱，若負荷量增大，則可開啟部分主機與水池進行聯合供熱。冬季地源熱泵系統同樣有3種工況，3種工況下的閥門開關情況如表2所示。
由于CCHP系統內部具有熱、冷和電3種能量的耦合與制約，其調節靈活性十分有限，不能夠直接滿足復雜的多能源需求。而地源熱泵系統具有較高的可控性，較好的彌補了CCHP系統供能的缺陷。將地源熱泵與CCHP系統配合使用，能夠充分發揮兩者的互補優勢，增強CCHP系統運行的靈活性。
1.3混合儲能在區域IES中的作用
地下水蓄能容量大，充分熱循環周期長達1年，又被稱為長期儲能[13]。本文所研究的區域IES包含ESS、GSS以及地下水儲熱等多種儲能形式，是一種短期儲能與長期儲能協調運行的供能方式。當電網電價升高、電負荷增大、系統發電量不足時，短期儲能裝置由于其具有的循環周期短，響應快等特點，可以迅速補足供用差額[14]。在電價下降、電負荷減小、系統發電量富余時，短期儲能裝置可以消納系統多余發電量，提高能源利用率但維護成本相對較高。長期儲能具有容量大、循環周期長等特點，如地下水源，其攜帶的地熱能隨外界溫度變化響應慢，與熱泵機組配合組成的地源熱泵機組可長期供給一定區域內的冷、熱負荷，消耗能量少，污染小，運行維護費用相對較低。2017年，國家先后頒布了《地熱能開發利用“十三五”規劃》和《北方地區冬季清潔取暖規劃(2017-2021)》。對北方地區供暖系統及其未來發展方向做出規劃。政策頒布兩年來，地熱能利用領域取得了技術與應用上的可觀進展[11]。
2可再生能源出力及負荷隨機性預測模型
在對區域IES進行優化調度時，可再生能源出力具有的隨機波動性將會直接影響系統內設備的運行情況，進而影響系統規劃的經濟性與可行性。此外，目前的負荷預測技術很難實現負荷預測零誤差，具有一定偏差。因此，預測可再生能源出力與各負荷需求是區域IES優化中面臨的主要問題之一[13]。
一方面，簡化可再生能源與負荷的不確定性表達，可有效控制優化調度的求解計算量，保證求解可行性，但卻難以體現出功率的波動特征，無法真實準確反映可再生能源出力與負荷波動規律性對優化規劃的影響。另一方面，過于精細化的不確定性表達雖然可以提高精確度，但將給優化調度模型的求解帶來巨大挑戰，甚至于難以求解而導致模型不可用。
2.1風電、光伏初始場景生成
以風電機組為例，依據調度中心所下發的風功率分布，通過以下步驟可得到N組T維的可再生能源出力初始場景集合[14]：
(1)將歷史數據進行分類統計和處理，得到四季每小時的風電機組出力分布情況;
(2)利用非參數擬合方法得到風功率概率密度曲線，再依據蒙特卡洛隨機模擬方法在每小時的風功率概率密度曲線的基礎上生成N個隨機采樣數組，進而可得到每個季節對應的N*T組隨機采樣數組。其中T為每個場景的時段數，本文取24。
2.2初始場景削減
接下來對上述結果進行場景削減。首先運用K-MEANS法進行聚類，從而生成風電的隨機不同概率初始場景，若對每個場景均進行計算不合理也難以實現，因此在保證計算速度和精度的前提下，需要對場景進行縮減，合并部分場景，形成具有一定概率值的有限數量的典型場景集合。如此，即可最大限度保持樣本特征，又可提高場景的描述效率。
本文采用后向場景削減技術[17]。將原始數據的NT×采樣矩陣縮減為×NTs矩陣，對應模型中的Ns個場景的風電機組出力序列，且可以得到第Ns個場景對應的概率ps。同理地，對應電負荷、氣負荷、熱負荷預測不確定性處理的方式也可以同上，此處不再闡述。3區域IES經濟調度模型及求解方法3.1風電機組模型
受風速變化因素的影響，風機的輸出功率存在不確定性和間歇性的特點。由風力電機的運行特性可知，當風速小于其切入值時，風力電機的輸出功率為零，處于停機狀態;當風速大于其切入值時，風力電機開始啟動，并通過控制器調節發電機的勵磁轉矩，使得機組在最大功率跟蹤(MaximumPowerPointTracking,MPPT)模式運行，此時風能利用系數最高;當風速變為額定值時，風機的輸出功率也達到最大;當風速超過其額定值時，槳距調節裝置動作，增大槳距角，使得輸出功率維持在額定值附近;當風速大于其切出值時，為了保證機組設備安全，風力電機停轉，此時輸出功率為零，槳距角為90°,則風力電機的輸出功率為：
5結論
本文建立了含地源熱泵及混合儲能的區域綜合能源系統日前調度模型，其中地源熱泵系統由土壤源熱泵機組、地表水源熱泵機組、蓄能水池、板式換熱器及用戶空調系統等組成。分別對夏季與冬季典型日系統運行狀態進行仿真，分析地源熱泵系統及區域綜合能源系統的運行狀態，可得下述結論：
(1)區域綜合能源系統中的用戶冷、熱需求主要由地源熱泵系統提供，且系統中的地表水源熱泵各機組承擔主要蓄能作用。夏季運行中，地源熱泵系統的COP值為5.37，冬季運行時，地源熱泵系統的COP值為5.99，均低于設計工況。其主要原因為，實際運行中，水泵消耗與板式換熱器散熱損失不可忽略，且會一定程度上降低系統能效。
(2)地源熱泵系統的加入，能夠有效吸收負荷低谷期時的風、光富余出力，棄風成本下降至47.2%，棄光成本下降至42.9%，提高了可再生能源消納量。且地源熱泵系統能夠利用少量低品位能量生產高品位能量，運行維護成本低，能夠大幅度降低系統運行成本。(3)短期儲能與長期儲能相結合的系統供能形式，既可實現系統內調壓調頻、保持系統功率平衡，又可實現能量的季節性轉移，即將夏季的熱量轉移至地表水源及土壤中以供冬季用戶熱能需求，減少了一次能源消耗。
基于地源熱泵的應用范圍，該模型適用于度假區、游樂場以及住宅聚集區域的運行規劃，在接下來的研究中可以考慮以下幾點：
(1)建立能量管理系統以控制系統各機組動態出力進而實現機組運行成本實時最優[20]。
(2)構建系統內污染物排放量最低、可再生能源消納率最優等目標相結合的多目標優化模型以及系統建設規劃與運行調度雙層優化模型。——論文作者：孟明，薛宛辰，商聰
相關期刊推薦：《華北電力大學學報.自然科學版》本刊是由華北電力大學主辦的自然科學學術性期刊，主要報道有關火力發電、供電及管理方面的最新研究成果，介紹國內外電力科技發展動態，內容包括：發電廠設備的運行與控制、電力系統自動化、繼電保護、節能技術等。本刊立足本學校，面向全社會，作者和讀者群體由與上述專業有關的教學、科研、生產等領域的從業人員組成。對國家、省(部)級自然科學基金資助項目、重點攻關項目的論文優先刊登。
SCISSCIAHCI
