考虑可再生能源消纳的建筑综合能源系统日前经济调度模型_任炬光.pdf

新型电力系统DOI:10.15961/j.jsuese.202200925考虑可再生能源消纳的建筑综合能源系统日前经济调度模型任炬光1,2，张力1,2*，金立1，唐杨1，唐侨1,2，刘小兵1(1.西华大学 流体及动力机械教育部重点实验室，四川 成都 610039；2.西华大学 电气与电子信息学院，四川 成都 610039)摘要：“双碳”战略目标下，随着以新能源为主体的新型电力系统与分布式智能电网建设的不断推进，具有随机性特点的可再生能源发电大规模并网消纳问题日益凸显。本文面向建筑综合能源系统提出一种日前经济调度模型，旨在利用其多元化负荷需求与灵活性调节的特点，在满足用能需求与电网交互的基础上最大程度实现可再生能源的就地消纳。首先，根据建筑能耗特性，通过配置地源热泵等具有高能效比的电制热设备来解耦热电联产“以热定电”的运行模式、并引入含有蓄电池和储热罐的混合储能装置来进一步增强系统调节能力。然后，考虑供需平衡、设备出力、储能运行、联络线交换功率等约束条件，以含有机组启停、弃风弃光损失等费用在内的总运行成本最小为目标函数，建立日前经济调度模型，并调用CPLEX求解该混合整数线性规划问题。最后，根据设置的不同场景，以系统运行成本、能源利用率和可再生能源消纳能力为评价指标进行算例仿真。仿真结果表明：相较于传统的热电分供模式，设置地源热泵和混合储能系统的综合能源系统可以降低约50%的运行成本，能够提高近50%的能源利用率，且可以完全消纳可再生能源，并随着能量转换装置能效比的提升能够进一步的降低运行成本，具有较好的可操作性与社会经济效益。关键词：建筑综合能源系统；可再生能源消纳；地源热泵；混合储能中图分类号：TM721文献标志码：A文章编号：2096-3246（2023）02-0160-11Day-ahead Economic Dispatch Model of Building Integrated Energy SystemsConsidering the Renewable Energy ConsumptionREN Juguang1,2，ZHANG Li1,2*，JIN Li1，TANG Yang1，TANG Qiao1,2，LIU Xiaobing1(1.Key Lab.of Fluid and Power Machinery,Ministry of Education,Xihua Univ.,Chengdu 610039,China;2.School of Electrical and Electronic Info.,Xihua Univ.,Chengdu 610039,China)Abstract:With the continuous advancement of the construction of the power system with renewable energy as the main body and the distributedsmart grid,the problem of the large-scale integration and consumption of renewable energy generations with random characteristics has becomeincreasingly prominent under the strategic goals of“double carbon”.A day-ahead economic dispatch model for the building integrated energy sys-tem(BIES)was proposed in this paper.With its characteristics of multiple load requirements and flexible regulation,this model aimed to maxim-ize the local consumption of the renewable energy on the basis of meeting the energy demand and grid interaction.First of all,according to thecharacteristics of the building energy consumption,the“determining power generation by heat”operation mode of the combined heat and power(CHP)system was decoupled by configuring the ground source heat pump and other electrical heating equipment with high energy efficiency ra-tio.The hybrid energy storage system with battery and heat storage tank was also introduced to further enhance the system adjustment ability.Then,considering the constraints such as the supply and demand balance,the equipment output,the energy storage operation,and the tie-linepower exchange,the minimum total operating cost was taken as the objective function including the unit start-up,the unit shutdown,the loss of收稿日期:2022 08 31基金项目:国家重点研发计划项目（2018YFB0905200）；四川省教育厅自然科学重点项目（11ZA280）作者简介:任炬光（1997），男，硕士生.研究方向：综合能源系统运行优化.E-mail：*通信作者:张力，副教授，E-mail：网络出版时间:2023 02 26 19:42:43 网络出版地址:https:/ http:/http:/ 第 55 卷 第 2 期工 程 科 学 与 技 术Vol.55 No.22023 年 3 月ADVANCED ENGINEERING SCIENCESMar.2023wind and photovoltaic power generations.The day-ahead economic dispatch optimization model of the system was further established,andCPLEX was used to solve this mixed integer linear programming problem.Finally,the system operation cost,the energy utilization rate and therenewable energy consumption capacity were taken as the evaluation indicators for simulations under different scenarios.The simulation resultsshow that,compared with the traditional“heat and power distribution”mode,the BIES with the ground source heat pump and the hybrid energystorage system can reduce the operation cost by about 50%,and improve the energy utilization rate by about 50%.It can also completely con-sume the renewable energy generations.With the increase of the energy efficiency ratio of the energy conversion equipment,its operation cost canbe further reduced,which has good operability and socio-economic benefits.Key words:building integrated energy systems(BIES);renewable energy consumption;ground source heat pump;hybrid energy storage 随着可再生能源装机容量的不断升高，风电、光伏大规模并网消纳成为了制约新型电力系统快速发展的主要问题13。同时，建筑能耗约占能源总消耗量的40%，碳排放总量约占全国能源碳排放总量的50%，并且随着建筑总量的增加，该比例还将不断增高45。现有建筑普遍存在用能成本高、能源利用率低的问题。随着能源低碳化转型的提出和可再生能源的普及，光伏发电、风力发电、热电联产系统（com-bined heating and power，CHP）等技术应用于各类建筑，可以有效提高能源的利用效率，实现建筑物的节能减排，降低用能成本67。但由于电、热负荷之间的供需矛盾，CHP设备“以热定电”的运行模式易导致弃风弃光频发，造成可再生能源的严重浪费。因此，考虑基于建筑自身的能耗特性来构建综合能源系统将有助于促进光伏、风力发电和热电联产等分布式清洁能源联合供能，并且有利于促进光伏和风力发电等可再生能源的就地消纳89。针对建筑的多元化用能需求，现有研究广泛采用CHP设备提高能源利用率，实现建筑物的节能增效10。卞一帆等11提出一种将蓄热式电锅炉和冷热电三联产相结合的“电气互补冷热联供”弃风消纳模式，在消纳弃风的同时减少碳排放。金国锋等12基于NSGA算法，构建了考虑蓄热式电锅炉和CHP设备的多目标调度优化模型。Jiang等13研究了综合能源系统的供能灵活性，为系统保障能源供应质量、提高运行灵活性提供了重要依据。Chen等14提出来一种光伏燃气一体化综合能源系统，并利用帕累托方法选择节能、环保和经济性3个目标进行多目标优化。以上研究主要通过构建含CHP设备的综合能源系统节能降耗。但热负荷较大的时候，CHP设备会进入“以热定电”的运行模式，产生大量的弃风弃光。现有部分研究尝试采用蓄热电锅炉来解决该问题，但蓄热电锅炉的运行成本较高、经济性较差。在新型电力系统中，由于可再生能源发电的随机性和波动性，为进一步增加系统的调控灵活性，通常会配置储电设备来改善电能质量和维护系统稳定运行15。Wang等16针对可再生能源的间歇性和随机性导致的弃风弃光问题，分析了不同储电设备的技术经济特征。曹建伟等17通过构建冰蓄冷空调集群参与微网经济调度模型，分析并验证了冰蓄冷空调消纳可再生能源的调控优势。Wu18等提出了一种基于模糊多准则决策技术的两阶段规划模型，从发电、输电和用电等方面选择最具发展潜力的可再生能源与储能组合，最大化利用可再生能源。姜海洋等19从多能源形式、长时间尺度与跨空间范围这3个层面分析了季节性储能可以实现长时间尺度以及跨空间范围的大规模能量转移，是消纳高比例可再生能源的重要技术。上述研究多利用单一储电模式来消纳可再生能源，没有充分的利用综合能源系统异质能源间的耦合特性，且现有的电储能设备投资成本较高，经济性相对较差。综上所述，首先，通过配置能源转换效率高的地源热泵来优化系统的