计及低碳运行的综合能源站的优化配置研究

计及低碳运行的综合能源站的优化配置研究

何国庆,柳肖栋,黄新伊

浙江杭嘉鑫清洁能源有限公司   浙江嘉兴 314000

摘要：综合能源系统可以实现各类能源的级联利用，具有高可再生能源一体化和低碳排放的特点，对促进可再生能源消纳、节能降碳和提高能源利用效率具有重要意义。综合能源系统主要包括综合能源站、配电网和负荷，综合能源站将能源生产、转换、存储设备集成在一起，为终端用户提供能源供应。由于可再生能源和终端引起的多种不确定性和各地的资源禀赋不同，因此需因地制宜的建设综合能源系统，选择最合适的能源生产、转换和存储设备实现绿色可靠的能源供应是综合能源系统规划设计的关键。

关键词：计及低碳运行；综合能源站；优化配置

引言

综合能源站与供能网络相辅相成，共同实现多种能源在时空尺度上的调度，以满足用户的电、热、冷负荷需求。作为能源互联网的物理载体，区域综合能源站-网系统能够促进可再生能源消纳、降低污染排放并提高能源利用效率，其协同规划技术能够实现多种能源设备的优化配置和合理调度，最大限度地提升系统综合效益，已成为现今热门研究问题。在综合能源站-网协同优化配置时应将用户侧以多种柔性负荷的方式参与需求响应纳入考虑。综合能源站-网系统是耦合度与复杂度极高的非线性系统，电、热、冷负荷可以由多个能源站的多种设备和供能管道以不同的能源形式供应，因此亟需对区域综合能源站-网系统进行协同规划的研究。

1综合能源站的选址相关影响因素

地理位置、负荷分布、分布式能源分布等因素都影响着综合能源站的选址。文章从以下几方面进行分析：（1）综合能源站供能范围内的负荷等级。综合能源站供能范围内的负荷等级，即负荷的重要程度。依据供电可靠性的要求和中断供电对政治、经济所造成损失或影响的程度对负荷进行分级，重大损失影响的为一级负荷，较大损失影响的为二级负荷，不属于一级和二级负荷的为三级负荷。该因素影响着能源站进行供能时的优先级顺序。（2）综合能源站供能范围内负荷量大小。不同地域、不同类型的用户对电热冷负荷总量及其搭配的需求千差万别。不同的负荷需求量，有着不同的负荷曲线，决定着能源站内设备的配置。（3）负荷需求点到综合能源站点间距离。减少综合能源站点到负荷需求点的供能距离，即可以降低管网损耗，进而降低经济成本。综合能源站的选址应考虑更靠近负荷中心。（4）综合能源站所在区域的分布式能源密度。分布式能源的接入可以有效减少对化石燃料的依赖，提高可再生能源利用率。综合能源站点所在区域的分布式能源密度越高，可接入的分布式能源量越多，可有效降低环境污染，切合节能低碳的理念。

2能源站内系统结构

能源站内系统模型主要包含3个模块，分别为：1）提供天然气和其他各种可再生能源的能量供应模块；2）包括内燃机、余热锅炉、燃气锅炉、吸收式制冷机组、电制冷机组、换热器等设备在内的能量转换模块；3）满足建筑用户冷、热、电用能需求的终端负荷模块。图1为能源站内系统结构。由图1可见：能源站内系统终端用户的电负荷主要由内燃机和光伏供给，不足的部分从上级电网购买；热负荷主要由余热锅炉回收的能量提供，不足的部分启动燃气锅炉补充；冷负荷由电制冷机组和吸收式制冷机组共同承担。

图1能源站内系统结构

3基于改进的NSGAII优化求解

NSGAII的改进之处主要体现在遗传操作。采用分段式编码、分段式交叉变异和越界处理，以提高算法搜索能力并加快收敛速度；采用拥挤度计算和精英保留策略，提高算法的全局收敛性并保证非劣最优解的均匀分布。改进后的算法部分细节如下：（1）分段式编码，即将染色体分为两段。片段1为设备的类型，片段2为设备的容量。片段1采用二进制编码，111111000表示供电、热、冷的设备均被选中安装，储能设备均未被选中安装；片段2采用十进制编码，未选中设备容量为0；（2）分段式交叉、变异，产生新个体，增加解的多样性，提高算法的搜索能力。片段1的设备类型的交叉会带来相应片段2的设备容量的交叉。设备类型从未选中“0”变异为选中“1”，相应的设备容量也会从无到有。（3）精英保留策略是将父代种群与其子代种群进行合并，根据非支配关系及个体拥挤度共同竞争产生新的种群。引入精英保留策略防止优秀个体丢失，提高优化结果的精度；（4）终止判断，若已达到指定的最大进化代数或者最优解集连续若干代都没有发生变化，则迭代终止。

4集成数据中心的多区域能源站规划模型

相较于对某个能源站进行单独规划，多区域能源站协同规划能够充分发挥综合能源系统多能互补的特性。通过不同区域能源站之间的互联互济，提高整体的设备利用效率、降低资产投入、促进资源优化配置。对于集成数据中心的能源站而言，多区域能源站间不仅存在能量流的互联，还存在信息流的沟通。在此基础上，数据负载不仅具有时间可调特性，也可进行空间转移。通过数据链路对数据负载在多个数据中心之间进行调度，可以实现数据中心用能负荷的时空转移。建立集成数据中心的多区域能源站规划模型，对多区域能源站站内能源设备、服务器数量及站间能源联络线进行协同规划。在对能量流和数据流的协同机理进行分析建模的基础上，充分利用信息系统的柔性资源，提升各区域多能负荷和供能的匹配程度。通过能源站直接为数据中心供电供冷、利用热泵进行数据中心余热回收，提升系统整体能源利用效率。相较于单独规划综合能源系统进一步优化规划方案，实现能源站站内能源设备及信息设备规划方案的协同优化能达到更好的效果。各能源站站内结构如图2所示。考虑的区域综合能源系统能源站待选设备集中的设备包括光伏、变压器、燃气轮机、燃气锅炉、吸收式制冷机、电制冷机、电储能、蓄热罐和用于数据中心余热回收的热泵。能源站站内数据中心和站外数据中心通过数据链路在云端进行信息交互，数据中心的服务器对数据负载进行处理。

图2集成数据中心的能源站能流示意图

5综合能源站优化配置及方案决策

采用改进的NSGAII算法对综合能源站优化配置多目标模型进行求解，不同的系统配置方案对综合能源站的配置有较大影响，可以看出存在多组满足需求的配置方案。分别选取了四组解进行具体分析。从每个Pareto前沿面中依次选取偏向经济成本、偏向碳排放量、中间折中的四种方案，具体的设备容量配置情况如表1所示。从表1中可知：（1）燃气轮机、蓄电池设备未被选中。燃气轮机与燃气内燃机相比性价比低；蓄电池一方面成本高昂，另一方面系统实现自由联网，系统不足时会及时供应；（2）各方案中均配置了储热设备和储冷设备，并且二者规划的容量均较高，储热储冷设备成本较低并具有良好的减排作用，在综合能源站设备配置中应优先考虑；（3）在制冷设备中，吸收式制冷机能够更好的利用能源，有助于减少碳排放。应以吸收式制冷机为主，电制冷机为辅作为综合能源站冷系统的设备配置；（4）在侧重经济性的配置方案中，倾向于安装更少的设备，比如热泵等较为高昂的设备，而侧重环境的配置方案中，倾向于安装更大容量的储能设备。

表1配置容量优化结果

6下层优化策略

基本目标功能是年度运营成本。该方案考虑了集成电网的运行阶段，优化了在高层规划阶段部署的设备和供电线路的配置，以确保最佳运行条件和设备及线路的灵活负荷。基础模型是混合整数为0到1的非线性模型，其中原始模型线性转换为混合整数为0到1的线性模型，使用cplex商业优化软件进行解析。下面介绍了基本算法。步骤1:输入从上级传送的参数，并确定电力系统中的设备和供电电路是否配置和配置容量。步骤2:使用Cplex求解器求解底层模型，以降低未来几年的运营成本、设备在电源中的运行、站点间网络以及灾难恢复工作负载后的最佳利用率。

结束语

根据电源的选择及其控制的能量区域，考虑管道能量损失及其容量配置负荷特性，以提高电力负荷数据的准确性。发电厂之间修建导热线，优先使用邻近发电厂的冗馀热量，减少锅炉启动，提高能源使用效率，减少浪费，改善系统运行状况，并允许各地区之间进一步的能源互补。

参考文献

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[2]张立东.区域综合能源系统规划及园区级规划应用研究[D].江苏大学,2020

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[5]刘庆,梁涛.浅谈综合能源智能优化调度控制系统[J].中国仪器仪表,2019