发布时间：2021-05-13所属分类：工程师职称论文浏览：1次
摘 要： 摘要：充分调用系统内可再生资源、合理配置系统内各机组容量、利用储能设备解耦各能量之间的耦合关系是降低系统运行成本的重要手段。利用场景分析法，建立了可再生能源出力及负荷不确定性模型，在此基础上，将地源热泵及混合储能系统引入区域综合能源系统，
摘要：充分调用系统内可再生资源、合理配置系统内各机组容量、利用储能设备解耦各能量之间的耦合关系是降低系统运行成本的重要手段。利用场景分析法，建立了可再生能源出力及负荷不确定性模型，在此基础上，将地源热泵及混合储能系统引入区域综合能源系统，以地源热泵系统解耦CCHP机组“以热定电”约束，并制定合理的长、短期储能协调运行方案，以系统运行成本最小为目标建立了包含能量转换、存储设备在内的区域综合能源系统日前调度模型。运用Yalmip、Matpower工具箱，利用Cplex求解器在Matlab环境下对IEEE39节点系统进行仿真分析，求得夏、冬季典型日运行成本最低情况下的各机组出力情况与组合模式。仿真算例表明，合理调用区域系统内风、光、地热能，并采用长、短期储能相结合的混合储能协调调度形式，能够实现能量的季节性转移，为区域综合能源系统运行带来经济优势，提高能源利用率。
关键词：区域综合能源系统;地源热泵;混合储能;场景分析法;随机规划
0引言
新能源发电的大量并网，一定程度上解决了由于化石能源大量使用带来的环境污染以及能源使用可持续性方面的问题，同时也带来了规划复杂、运行稳定欠佳以及弃风弃光等多方面问题。据统计，2019年，我国可再生能源发电装机达到7.94亿千瓦，占全部电力装机量的39.5%，可再生能源全年发电量2.04万亿千瓦时，同比增长约1761亿千瓦时，其中弃风电量169亿千瓦时，弃光电量46亿千瓦时。尽管近几年的弃风弃光率有所下降，但弃风弃光量的数值依旧可观。
在我国，传统能源供给系统之间分立运行，协调性较差，显然不再适应新能源大量发电并网的今天。为此，相关部门提出了综合能源系统(Integratedenergysystem,IES)的概念，即发展一个能源生产、传输、分配、转换、存储、消费等环节有机协调、优化一体的能源供应系统。按照地理因素与能源产供销环节划分，可将IES分为跨区级、区域级以及用户级综合能源系统三类。其中，区域级IES连接输运侧与用户侧，结构复杂，系统内包含元件众多，能源耦合关系复杂[1]。
文献[2-5]将电转气装置(Powertogas,P2G)、热电联产(Cogeneration,combinedheatandpower，CHP)机组与储能装置相结合，建立了考虑独立型微电网电、热储能系统配置与运行结合的联合优化模型，但并未考虑市电利用的并网模式下多能存储微网的储能优化配置，且对于可再生能源出力的随机性对系统经济调度的影响考虑不够充分。文献[6]详细介绍了国内外多项综合能源系统示范项目具体情况。对国内外综合能源系统发展现状进行总结，并对未来发展提出建议，对我国综合能源系统未来发展具有指导意义。但并未着重强调储能装置结构及作用。文献[7-8]提出了一种含储热的光热电站与相变储能的离网型综合能源供热系统及其协调调度策略，文章着重介绍了相变储热与光热电站联合调度的建筑供热系统运行结构，为未来建筑供热策略提供新思路。文献[9]提出一种通过先进绝热压缩空气储能供给热、电负荷的系统可行域分析方法，分析了可行域特征及其影响因素，为热-电联合综合能源系统运行分析提供一种新的标尺。文献[10-13]从储能技术本身出发，详细介绍了地源热泵与季节性储能联合供热的系统结构，运行原理与运行特点，但并未研究其在区域综合能源系统中的运行情况。
通过对现有文献的分析可以看出，现阶段对于IES的研究集中于复杂耦合供能系统的规划调度建模问题;储能环节在打破传统热电联产“以热定电”的刚性耦合、提升可再生能源并网率以及保证系统经济稳定运行方面起到了至关重要的作用，但目前的研究集中于短期储能，考虑长、短期储能相配合的研究较少;对能量转换模型与优化求解模型的研究较为深入，但研究中建立的运行成本大多较为精简。
有鉴于此，在充分调用区域系统内风、光及地热能的基础上，本文建立了基于地源热泵系统与混合储能联合供能的区域IES电-气-热联合规划经济调度模型，并将地下水资源作为长期储能载体，与传统短期储能形式相配合实现能量的季节性转移。仿真算例证明，本文所提模型能够有效反应可再生能源出力及负荷波动对系统运行带来的影响，且利用长、短期储能相配合的方式能够实现能量的季节性转移且可有效降低系统的总运行成本，提高可再生能源消纳量。
1区域综合能源系统
1.1系统结构及运行策略
区域综合能源系统以主动配电网、混合储能、能源转换等技术为支撑技术[1]，以电力系统为核心，与燃气系统、热力系统高度耦合，以分布式可再生能源为主要一次能源，强调能源之间对等开放、即插即用，是能源互联网的物理载体。系统内包含设备诸多，源侧为风电机组(windturbine,WT)、光伏机组(photovoltaic,PV)，能量转换装置为电转气装置(powertoGas,P2G)、燃料电池(fullcell，FC)、CCHP机组、电锅炉(electricboiler,EB)、燃气锅炉(gasboiler,GB)、地源热泵机组(geothermalheatpumps,HP)，储能设备为储电装置(electricitystorage,ESS)、储气装置(gasstorage,GSS)、储热/冷水罐(thermal/coldstorage,HSS/CSS)。本文所建立的地源热泵系统配合混合储能供能的区域综合能源系统结构图如附录A中图1所示。
并网运行条件下系统的日前调度目标为系统运行成本值最小。在运行策略的制定时需要考虑以下几点：(1)充分利用系统内的可再生资源，采用最大功率跟踪技术使可再生能源机组实现最大出力。(2)系统内包含ESS、GSS等多种能源储存设备以平抑可再生能源出力波动，解耦能量之间的耦合关系，消纳系统多余发电量。需充分考虑这些设备的容量、输入输出功率限度等约束以及其运行成本。(3)HP的循环水源来自于深层地下水，冬季供热时，循环系统将热量带入室内，冷量带出存入地下，夏季相反。供热/冷量不足部分由电锅炉与燃气锅炉补足。
(4)充分考虑运行过程中各机组约束以及调度周期内电价波动等相关约束。
1.2地源热泵系统
区域综合能源系统的供热方式主要有热电联产(CombinedHeatingandPower，CHP)机组供热与热泵机组供热两种，CHP机组又分为燃煤CHP与燃气CHP两种。本文所采用的冷热电联供系统包含微型燃气轮机、余热回收单元和吸收式制冷机3个部分。其中，微型燃气轮机主要作为原动机使用，是整个CCHP系统的核心装置，其单台机组的功率大小一般在20-350kW之间。相对于传统的火力发电机，微型燃气轮机具有噪音小、能量损耗低、可控性高、运行维护成本低等方面优点，己成为了新形势下分布式能源领域的主要发展方向。
热泵供热机组分为中水水源热泵、地源热泵与空气源热泵三种，其中地源热泵能以地表能量作为热源，通过少量高品位能源(如电能)驱动，完成热能从低密度区域到高密度区域的转移。相比于传统的能量转换装置，地源热泵的COP值可达到4以上，意味着能够输出所消耗电能4倍以上的热能，可以有效减少常规能源的消耗。热泵运行中受环境与地域因素影响小，具有使用寿命长、维护成本低、运行稳定性高等优点，未来具有广阔的发展前景。本文采用以地表水与地下土壤层为低温热源，由地表水源热泵机组、土壤源热泵系统、建筑物蓄能板换系统组成的供热空调地源热泵系统。其结构如图1所示，该系统适用于建筑面积大、周围空地面积有限的大型单体建筑和小型建筑群落[12]。
区域综合能源系统冷、热需求复杂多变，负荷分布呈现季节性波动规律，合理制定系统内机组运行策略，能够有效提高系统运行效率、降低系统运行成本。如上图所示，单套地源热泵机组能够通过阀门的开关配合实现多种工况间的切换。
1.2.1系统夏季运行策略
为最大程度减少运行费用，夏季应优先使用负荷低谷期的蓄冷量进行供冷，若负荷量增大，则可开启部分土壤源热泵主机进行直供，若负荷进一步增大，则需要再开启部分地表水源热泵进行直供。综上，夏季地源热泵系统主要工作于3种工况，即夜间主机蓄冷与直接供冷、白天蓄水池供冷、白天蓄水池与主机联合供冷，3中工况下的阀门配合情况如表1所示。
1.2.2系统冬季运行策略
由于夏热冬冷地区冬夏负荷差别较大，按夏季负荷设备选型即可满足冬季负荷需求。与夏季运行情况类似，系统应优先使用蓄热系统供热，若负荷量增大，则可开启部分主机与水池进行联合供热。冬季地源热泵系统同样有3种工况，3种工况下的阀门开关情况如表2所示。
由于CCHP系统内部具有热、冷和电3种能量的耦合与制约，其调节灵活性十分有限，不能够直接满足复杂的多能源需求。而地源热泵系统具有较高的可控性，较好的弥补了CCHP系统供能的缺陷。将地源热泵与CCHP系统配合使用，能够充分发挥两者的互补优势，增强CCHP系统运行的灵活性。
1.3混合储能在区域IES中的作用
地下水蓄能容量大，充分热循环周期长达1年，又被称为长期储能[13]。本文所研究的区域IES包含ESS、GSS以及地下水储热等多种储能形式，是一种短期储能与长期储能协调运行的供能方式。当电网电价升高、电负荷增大、系统发电量不足时，短期储能装置由于其具有的循环周期短，响应快等特点，可以迅速补足供用差额[14]。在电价下降、电负荷减小、系统发电量富余时，短期储能装置可以消纳系统多余发电量，提高能源利用率但维护成本相对较高。长期储能具有容量大、循环周期长等特点，如地下水源，其携带的地热能随外界温度变化响应慢，与热泵机组配合组成的地源热泵机组可长期供给一定区域内的冷、热负荷，消耗能量少，污染小，运行维护费用相对较低。2017年，国家先后颁布了《地热能开发利用“十三五”规划》和《北方地区冬季清洁取暖规划(2017-2021)》。对北方地区供暖系统及其未来发展方向做出规划。政策颁布两年来，地热能利用领域取得了技术与应用上的可观进展[11]。
2可再生能源出力及负荷随机性预测模型
在对区域IES进行优化调度时，可再生能源出力具有的随机波动性将会直接影响系统内设备的运行情况，进而影响系统规划的经济性与可行性。此外，目前的负荷预测技术很难实现负荷预测零误差，具有一定偏差。因此，预测可再生能源出力与各负荷需求是区域IES优化中面临的主要问题之一[13]。
一方面，简化可再生能源与负荷的不确定性表达，可有效控制优化调度的求解计算量，保证求解可行性，但却难以体现出功率的波动特征，无法真实准确反映可再生能源出力与负荷波动规律性对优化规划的影响。另一方面，过于精细化的不确定性表达虽然可以提高精确度，但将给优化调度模型的求解带来巨大挑战，甚至于难以求解而导致模型不可用。
2.1风电、光伏初始场景生成
以风电机组为例，依据调度中心所下发的风功率分布，通过以下步骤可得到N组T维的可再生能源出力初始场景集合[14]：
(1)将历史数据进行分类统计和处理，得到四季每小时的风电机组出力分布情况;
(2)利用非参数拟合方法得到风功率概率密度曲线，再依据蒙特卡洛随机模拟方法在每小时的风功率概率密度曲线的基础上生成N个随机采样数组，进而可得到每个季节对应的N*T组随机采样数组。其中T为每个场景的时段数，本文取24。
2.2初始场景削减
接下来对上述结果进行场景削减。首先运用K-MEANS法进行聚类，从而生成风电的随机不同概率初始场景，若对每个场景均进行计算不合理也难以实现，因此在保证计算速度和精度的前提下，需要对场景进行缩减，合并部分场景，形成具有一定概率值的有限数量的典型场景集合。如此，即可最大限度保持样本特征，又可提高场景的描述效率。
本文采用后向场景削减技术[17]。将原始数据的NT×采样矩阵缩减为×NTs矩阵，对应模型中的Ns个场景的风电机组出力序列，且可以得到第Ns个场景对应的概率ps。同理地，对应电负荷、气负荷、热负荷预测不确定性处理的方式也可以同上，此处不再阐述。3区域IES经济调度模型及求解方法3.1风电机组模型
受风速变化因素的影响，风机的输出功率存在不确定性和间歇性的特点。由风力电机的运行特性可知，当风速小于其切入值时，风力电机的输出功率为零，处于停机状态;当风速大于其切入值时，风力电机开始启动，并通过控制器调节发电机的励磁转矩，使得机组在最大功率跟踪(MaximumPowerPointTracking,MPPT)模式运行，此时风能利用系数最高;当风速变为额定值时，风机的输出功率也达到最大;当风速超过其额定值时，桨距调节装置动作，增大桨距角，使得输出功率维持在额定值附近;当风速大于其切出值时，为了保证机组设备安全，风力电机停转，此时输出功率为零，桨距角为90°,则风力电机的输出功率为：
5结论
本文建立了含地源热泵及混合储能的区域综合能源系统日前调度模型，其中地源热泵系统由土壤源热泵机组、地表水源热泵机组、蓄能水池、板式换热器及用户空调系统等组成。分别对夏季与冬季典型日系统运行状态进行仿真，分析地源热泵系统及区域综合能源系统的运行状态，可得下述结论：
(1)区域综合能源系统中的用户冷、热需求主要由地源热泵系统提供，且系统中的地表水源热泵各机组承担主要蓄能作用。夏季运行中，地源热泵系统的COP值为5.37，冬季运行时，地源热泵系统的COP值为5.99，均低于设计工况。其主要原因为，实际运行中，水泵消耗与板式换热器散热损失不可忽略，且会一定程度上降低系统能效。
(2)地源热泵系统的加入，能够有效吸收负荷低谷期时的风、光富余出力，弃风成本下降至47.2%，弃光成本下降至42.9%，提高了可再生能源消纳量。且地源热泵系统能够利用少量低品位能量生产高品位能量，运行维护成本低，能够大幅度降低系统运行成本。(3)短期储能与长期储能相结合的系统供能形式，既可实现系统内调压调频、保持系统功率平衡，又可实现能量的季节性转移，即将夏季的热量转移至地表水源及土壤中以供冬季用户热能需求，减少了一次能源消耗。
基于地源热泵的应用范围，该模型适用于度假区、游乐场以及住宅聚集区域的运行规划，在接下来的研究中可以考虑以下几点：
(1)建立能量管理系统以控制系统各机组动态出力进而实现机组运行成本实时最优[20]。
(2)构建系统内污染物排放量最低、可再生能源消纳率最优等目标相结合的多目标优化模型以及系统建设规划与运行调度双层优化模型。——论文作者：孟明，薛宛辰，商聪
相关期刊推荐：《华北电力大学学报.自然科学版》本刊是由华北电力大学主办的自然科学学术性期刊，主要报道有关火力发电、供电及管理方面的最新研究成果，介绍国内外电力科技发展动态，内容包括：发电厂设备的运行与控制、电力系统自动化、继电保护、节能技术等。本刊立足本学校，面向全社会，作者和读者群体由与上述专业有关的教学、科研、生产等领域的从业人员组成。对国家、省(部)级自然科学基金资助项目、重点攻关项目的论文优先刊登。
SCISSCIAHCI
