基于综合评价指标的综合能源系统优化运行_李畸勇.pdf

第 卷 第期 年 月广西大学学报（自然科学版）（）收稿日期：；修订日期：基金资助：国家自然科学基金项目（）通讯作者：李畸勇（），男，贵州遵义人，广西大学副教授，博士；：。引文格式：李畸勇，姚翼鹏，刘斌基于综合评价指标的综合能源系统优化运行广西大学学报（自然科学版），（）：基于综合评价指标的综合能源系统优化运行李畸勇，姚翼鹏，刘斌（广西大学 电气工程学院，广西 南宁 ）摘要：随着绿色低碳发展观念日益深入，构建包含可再生能源在内的综合能源系统是解决能源短缺、降低环境污染的有效途径。借助电转气、燃气轮机、燃气锅炉等设备实现能源间的耦合，引入需求响应机制与碳交易机制，搭建了电 热 气综合能源系统架构。同时为更加科学、全面地优化系统运行，建立了基于层次分析法决策体系的综合能源系统综合评价指标运行优化模型，计及经济、环境、能源个方面，采用基于 混沌映射与精英反向学习策略改进的麻雀搜索算法求解，得到调度时段内各设备最优配置方案。仿真结果验证了构建的系统、综合评价指标的合理性。关键词：综合评价指标；改进麻雀搜索算法；需求响应；碳交易；层次分析法中图分类号：文献标识码：文章编号：（），（，）：，第期李畸勇，等：基于综合评价指标的综合能源系统优化运行 ：；引言电力行业是关系到国计民生的基础性行业，也是中国能源消耗的重点行业。面对不断增长的电力需求，使用传统化石能源虽能生产电能，但也带来诸如温室效应、酸雨等一系列环境问题。综合能源系统（，）由于其内部可以耦合多种能源设备，实现多能互补并减少化石能源消耗，因此构建包含可再生能源在内的 是解决能源短缺、降低环境污染的有效途径，得到众多学者广泛关注、研究。文献 介绍了 各组成部分，指出 运行优化等相关技术的提升有利于进一步探究深层次的 结构。随着科技的发展，电转气（，）技术横空出世，将其引入 中可以增强各能源间的耦合，提高系统的能量利用效率，为 的研究提供了新思路。同时，储能技术越来越受各国政府重视，通过中间介质对富余时段能量存储并在出现能量缺口时放能，是一种可以实现能量灵活调节的重要方式，为了使包含多种能源的系统稳定运行，国内外学者开始将储能设备引入其中，并取得了一定的研究进展。而综合能源规划的一项重要内容是需求侧管理，需求响应是需求侧管理在电力市场中的发展，利用价格信号和激励机制以提高电力系统经济性，随着 研究的深入，需求响应机制逐渐参与到系统调度中 。目前针对 的研究往往考虑不够全面，大多只考虑一种技术或少数几种设备，同时优化目标仅集中在某一指标上，其中大部分是经济指标。单一指标可以反映系统某一方面的优化性能，但也有一定的局限性。是一个的复杂系统，只按照一种指标进行优化往往会忽略系统在其他方面的性能缺陷。综上，本文计及需求响应，搭建了包含 、储能设备在内的电 热 气 架构，为响应国家“双碳”目标将碳交易机制引入 中，力求从经济向低碳经济转型，同时利用 装置的原理机制发挥减碳优势；接着 构 建 了 计 及 经 济、环 境、能 源 的 综 合 评 价 指 标，通 过 层 次 分 析 法（，）获得指标对应权重，采用基于 混沌映射与精英反向学习策略对麻雀搜索算法（，）改进，用改进麻雀搜索算法（，）求解 综合评价指标运行优化模型，得到调度时段内各设备最优配置方案，通过仿真验证本文构建的系统和综合评价指标的合理性。架构与模型 架构本文构建的 架构如图所示。供给侧由上级电网、风力发电、光伏发电、火电机组发电和外购天然气为系统提供能量来源；转换侧包含 装置、燃气轮机、燃气锅炉；负荷侧配置有储电设备、储热设备，并引入激励型需求响应将电负荷细分为固定电负荷、可时移电负荷和可中断电负荷。广西大学学报（自然科学版）第 卷图 架构 燃气轮机燃气轮机通过消耗天然气进行发电，再回收做功后的余热实现热电联产，由于本文重点考虑的是燃气轮机能量的输入输出的特性，因此可用如下数学模型表示：（）（），（）（）（），（）式中：（）、（）分别为燃气轮机时段的电出力、热出力；、分别为燃气轮机气转电效率、气转热效率；（）为燃气轮机时段天然气输入功率。燃气锅炉与燃气轮机类似，燃气锅炉采用输入 输出效率模型直接表示为 （）（），（）式中：（）为燃气锅炉时段的供热量；为气热转换效率；（）为燃气锅炉时段的输入功率。装置 主要包含电制氢气和氢气甲烷化个过程，对应的化学方程式为，。根据功率与热值关系推导得到 装置在时段产生的甲烷体积 （）为 （）（），（）式中：为 装置转换效率；（）为 装置时段的耗电功率；为甲烷的燃烧热值。储能设备储能系统包括储电设备和储热设备，根据文献 建立广义储能系统的通用模型，如式（）所示：（）（），（），（），（）式中：代表能量类型，为、时分别代表储电设备、储热设备；（）为时段储能设备的存储能第期李畸勇，等：基于综合评价指标的综合能源系统优化运行量；，（）、，（）分别为时段储能设备充、放能功率，本文取充能为负，放能为正；，和，分别为储能设备充、放能效率。电负荷需求响应机制及模型需求侧用户根据价格、用电需求重要程度等因素，引导调节自身负荷的需求量和需求时间，这一方式称为需求响应。根据是否进行需求响应，将电负荷分为固定电负荷和柔性电负荷。固定电负荷是不会因外界因素影响而改变的电负荷，柔性电负荷是会因外界因素或自身因素而改变的电负荷。在本文中，将柔性电负荷分为可时移电负荷和可中断电负荷。可时移电负荷可时移电负荷在一个调度周期内总电量保持不变，但用电时间可以灵活变化，表示为 （），（），（），（）式中：（）为时段时移电负荷量；，和 ，为可时移电负荷下限和上限；为调度总时段。可中断电负荷可中断电负荷为用户根据用电需求重要程度，可直接中断的重要程度较低的电负荷，以缓解供电压力，相关约束可描述为 ，（），（）式中：（）为时段可中断电负荷量；，为可中断电负荷最大值。碳交易机制及模型随着低碳经济的发展，碳交易机制应运而生。在碳交易机制中，将碳排放权视为一种商品，可以进行买卖，根据合理的方式为各碳排放源分配碳排放份额，在运行过程中碳排放量超出配额的部分，需在碳交易市场购买碳排放权，而碳排放量小于配额时，可在碳交易市场上出售碳排放权获取收益。本文主要考虑火电机组、燃气轮机、燃气锅炉、装置的碳交易成本。火电机组碳交易模型火电机组在发电过程中会有大量二氧化碳产生，其碳交易模型 可描述为，（）（）（）（），（），（）（）（），（）式中：，（）和，（）分别为火电机组的碳排放量、碳交易配额；为火电机组数量；（）为第个火电机组的碳排放系数；（）（）为第个火电机组时段发电功率；为单位电量碳交易配额。燃气轮机碳交易模型燃气轮机在工作过程中碳排放现象也较为严重，类比火电机组碳交易模型，燃气轮机的碳排放量，（）与碳交易配额，（）计算公式为，（）（）（），（）（）（）式中 为燃气轮机的碳排放系数。燃气锅炉碳交易模型燃气锅炉通过消耗天然气以产生热量，故与火电机组、燃气轮机碳交易模型不同，针对燃气锅炉本文构建碳排放配额与产热量成比例的模型，即，（）（），（），（）（），（）广西大学学报（自然科学版）第 卷式中：，（）为燃气锅炉时段的碳排放量；，（）为燃气锅炉时段的碳排放配额；为燃气锅炉的碳排放系数；为单位供热量碳交易配额。装置碳交易模型由 原理可知，装置在运行过程中会消耗二氧化碳，具有减少碳排放的能力，可将其视为在碳交易市场中出售碳排放权，从而获取一定收益，因此建立 装置的碳交易模型，表示为 ，（）（），（）式中：，（）为 装置时段的碳排放量；为 装置的碳吸收系数。同时由于其本身不属于碳源，故碳排放配额取值为。系统运行优化模型 是被视为降低环境污染、减少化石能源使用的有效手段，指标应同时体现其核心特征，因此为了更全面、科学地评价系统，优化系统中设备出力配置方案，本文从经济、环境、能源个方面进行考虑。经济指标保证 中各能量供需平衡的前提下，确定调度各时段各机组出力以使系统运行成本最小，具体包括因设备工作而产生的维护成本（）、与上级电网进行电能交互所产生的成本 （）、系统外购天然气的购买费用（）、引入碳交易机制后参与购售碳排放权的机组所产生的碳交易成本（）以及为激励用户调整用电时段进行需求响应的补偿成本（），则经济指标模型为 （）（）（）（）（）。（）运行维护成本主要考虑风机、光伏、燃气轮机、燃气锅炉、装置、储电设备、储热设备、火电机组在运行过程中的维护费用，表示为（）（）（）（）（）（），（），（）（）（）（），（）式中：（）和 分别为时段风机、光伏发电功率；、分别为风机、光伏、燃气轮机、燃气锅炉、装置、储电设备、储热设备、火电机组单位功率对应的维护费用系数。系统运行过程中，在满足电负荷需求的前提下电能如有富余，则可以向上级电网出售电能获取收益；而在系统供电不足以满足电负荷需求时，则可以从上级电网购电以满足用户的用电需求，这个过程称为电能交互，相应的成本可表示为 （）（）（），（），（）（），（），（）式中：（）为时段系统与上级电网之间的交互功率，大于时表示从上级电网购电，即 （），小于时表示向上级电网售电，即 （）；（）、（）分别为时段交互电能的购电电价、售电电价。根据天然气购买单价以及所需体积，可以算出外购天然气成本，即（）（），（）式中：（）为时段系统需要外购天然气的体积；为天然气购买单价。碳交易成本即根据碳交易机制，在市场购买机组碳排放量超出配额部分的碳排放权所产生的成本减去出售机组碳排放量未达到配额而有剩余部分的碳排放权所获得的收益，由 节推导可得，表示为（）（，（），（），（），（），（），（），（），（）式中为单位碳排放权交易价格。将激励型需求响应引入 ，因电负荷侧用户调整用电时段、中断重要程度低的用电需求，需向第期李畸勇，等：基于综合评价指标的综合能源系统优化运行其进行补偿，成本为（）（）（）（）（），（）式中 （）、（）分别为时段可时移负荷、可中断负荷补偿成本系数。环境指标只有坚持走生态优先、绿色低碳发展道路，才能达到可持续发展的目的，因此，本文将碳排放量作为 的环境评价指标，即 （，（），（），（），（）。（）能源指标能源是人类赖以生存的基础，因此，本文采用一次能源消耗量作为能源评价指标，通过将系统中消耗的一次能源统一转化为等价标准煤耗量，总的等价标准煤耗量即为一次能源消耗量，针对图所示 系统，具体包括从上级电网购买的电、外购天然气所转化的煤耗量以及火电机组发电煤耗量，即 （）（）（）（），（）式中：和分别为电、天然气所对应的标准煤耗转化系数；为火电机组发电煤耗率。基于 决策体系的综合评价指标单一评价指标仅能反映 在经济、环境、能源某一方面的性能情况。在可持续发展的要求下，为了更加科学、全面地评价 ，本文采用线性加权的方法构建了基于经济、环境、能源的综合评价指标，即 ，（）式中、分别为经济、环境、能源指标对应权重，并且三者之和为。是一种将定性分析和定量计算相结合，把人们的主观判断转化成若干因素两两之间重要程度的对比上，以对决策权重进行计算的方法。具体步骤如下：因为是个评价指标，所以构建阶判断矩阵，表达如下：，满足 且 （、，）。（）判断矩阵中各元素 的取值反映了各评价指标之间的相对重要程度，的标度方法见表。表标度方法 标度含义与相比，一样重要与相比，稍微重要与相比，明显重要与相比，强烈重要与相比，极端重要，介于上述个相邻判断之间求出判断矩阵的最大特征值 和其对应的特征向量。对求出的特征向量进行归一化处理，即可得到各评价指标对应的权重。进行一致性检验，检验所构建的判断矩阵与一致矩阵差别是否可以接受。为此，引入一致性指标，公式如下：广西大学学报（自然科学版）第 卷 。（）对于阶判断矩阵，通过查表可知对应的平均随机一致性指标为 ，则一致性比例 表示为：。（）若 ，那么所构建的判断矩阵其一致性可以接受，第步所得权重合理，否则需要调整判断矩阵各元素取值。约束条件能量平衡约束在每一时刻系统都需满足电功率平衡、热功率平衡、气量平衡约束，根据供能用能关系可以得到：（）（）（）（），（）（）（），（）（）（）（），（），（）（）（）（），（），（），（）（）（）