PDF《基于冷热电联供的多园区博弈优化策略》

基于冷热电联供的多园区博弈优化策略 吴福保1 ,刘晓峰2 ,孙谊`3 ,陈宁1 ,袁铁江4 ,高丙团2 ( 1.

新能源与储能运行控制国家重点实验室( 中国电力科学研究院有限公司) ,江苏省南京市

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0 3;

2. 东南大学电气工程学院,江苏省南京市

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9 6;

3. 国网新疆电力有限公司电力科学研究院,新疆维吾尔自治区乌鲁木齐市

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1 1;

4. 大连理工大学电气工程学院,辽宁省大连市

1 1

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2 4 ) 摘要:园区一般涉及冷、 热、 电等多种能量流的生产、 转换和使用, 通过利用冷热电联供综合能源系 统可以有效提高能源利用率、 缓解能量供应压力.考虑动态电价机制下园区用电价格受市场需求 影响, 不同利益主体间存在博弈竞争关系.鉴于此, 建立了基于冷热电联供的多园区非合作博弈优 化模型, 各园区以日运转成本最小为目标函数和其他园区共同参与博弈, 同时考虑联供系统各单元 出力、 储能设备等约束条件, 实现园区多能流互补协同优化.最后, 以某地区三个园区的冷热电能 流协调优化控制为例进行了仿真分析, 算例结果表明所建立的博弈优化模型能合理分配联供系统 出力及购电功率, 不仅可以降低园区日运转成本, 而且可以降低电网负荷峰谷差. 关键词:多园区;

冷热电联供;

分布式电源;

非合作博弈;

N a s h均衡 收稿日期:

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修回日期:

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1 8. 上网日期:

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2 4. 国家重点研发计划资 助项目(

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1 0 0) ;

国家自然科学基金资助项目(

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6 3 ) .

0 引言 随着社会的发展和能源需求的增长, 化石能源 紧缺和环境污染问题已成为当今世界各国高度关注 的重大战略问题[ 1] .现阶段, 社会用电需求主要由 化石能源发电供应, 虽然常规发电技术成熟、 运行稳 定性高, 但能源利用率不高、 污染严重等缺点严重制 约了它的进一步发展[ 2] .因此, 为了满足日益增长 的能源需求、 提高能源利用率、 改善生态环境, 以冷 热电 联供(combinedc o o l i n gh e a t i n ga n dp o w e r , C CH P) 为核心单元的综合能源系统已成为未来能 源技术发展的一个重要趋势, 以及电力能源行业的 研究热点[

3 -

5 ] . C CH P系统主要包括发电机组、 制热设备及制 冷设备等, 集发电、 供热和制冷于一体, 可实现多种 能源互补和阶梯利用[

6 - 7] .该系统所消耗能源通常 以天然气、 燃油为主, 通过发电机组发电为电负荷提 供电能, 并利用余热回收设备、 燃气锅炉及制冷机为 冷热负荷提供能量来源.相关研究表明, C CH P 系 统不仅可使能源利用率达到7 0%甚至超过9 0%, 还 可大幅减少 NOx 和CO2等气体的排放[

8 ] . 近年来, 国内外关于 C CH P的研究已有不少报 道.文献[ 9] 针对微网 C CH P 系统, 提出了一种通 用建模方式, 分别对系统中电气设备进行建模, 进而 对系统进行日前经济调度优化.文献[

1 0 ] 将能源消 耗最小作 为目标函数, 建立了CCH P 系统线性模型, 并给 出不同能源需求下的优化运行策略.文献[

1 1 ] 基于场景分析法对可再生能源随机性进行建 模, 并建立了包含新能源、 储能及 C CH P 系统的区 域综合能源系统联合调度模型.文献[

1 2 -

1 3] 则从 C CH P系统不同层面进行分析, 其中, 文献[

1 2 ] 以经 济性和环 保性为目标, 建立了CCH P 系统优化模型, 并将发电机组和吸收式制冷机的容量作为决策 变量进行了优化;

文献[

1 3] 提出了一种基于 C CH P 系统的三级协同整体优化方法, 分别以一次能源利 用率最高、 C O

2 排放量最少、 运行成本最低为目标, 对设备选型、 设备容量、 运行参数进行了优化. 上述研究均是以单个微网或园区作为研究对 象, 对于 多区域CCH P 系统的研究相对较少.目前, 针对多区域联供系统的研究主要是从热网互联 入手, 研究各区域间热能协同消纳及系统容量优化 配置等问题[

1 4 -

1 5] .鉴于微网、 园区 C CH P系统一般 无法完全满足自身能源需求, 各微网( 园区) 在用能 高峰需要通过大电网购电来维持正常运转.然而, 在动态电价机制下, 电价高低受电网负荷影响[

1 6 -

1 7] , 微网( 园区) 购电费用不仅取决于自身用电量, 还和

8 6 第4 2卷第1 3期2018年7月1 0日Vol.42N o .

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1 8 D O I :

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5 h t t p : / / ww w. a e p s - i n f o . c o m 电网总负荷有关, 即不同微网( 园区) 从大电网购电 时存在 博弈关系.在上述背景下, 本文引入基于CCH P的多园区博弈优化机制, 充分利用不同园区 间的负荷峰谷特性进行园区能量优化管理, 从而降 低园区运行成本, 减小电网负荷峰谷差.首先, 基于 园区 C CH P系统、 新能源发电、 储能等设备出力模 型建立其成本模型;

其次, 建立基于非合作博弈的多 园区博弈模型;

最后, 通过算例仿真验证所提方法的 可行性和有益性.

1 含CCHP系统的多园区博弈架构设计 本文研究的含 C CH P 系统的多园区博弈架构 如图1所示.假设某区域电网中共有 N 个园区, 某 园区n( n=1, 2, …, N) 可通过大电网和燃气管道获 得持续的能量供应, 园区内部配有 C CH P 系统、 储 能及分布式电源等设备.由于园区购电费用和电网 总负荷有关, 所以其在制定购电策略时, 不仅需要合 理安排自身用电, 还要考虑其他园区购电策略对电 价产生的影响.也就是说, 在制定购电和购气策略 时, 各园区为了日运行成本最小化会和其他园区在 制定购电量策略上进行博弈, 直至所有园区的购电 量达到均衡状态.因此, 为了在博弈中最大限度地 降低运行成本, 园区会通过优化协调 C CH P、 储能及 分布式电源运行模式来制定最优策略.另外, 本文 仅假设园区购电价格与电网负荷相关, 而购气价格 不受燃气量的影响, 视为定值. 图1 含CCHP系统的多园区博弈架构 F i g .

1 G a m e s t r u c t u r ea m o n gm u l t i p l ep a r k sw i t hC C H Ps y s t e m 由图1可见, 用户负荷分为电、 热、 冷负荷.为 增加系统用能灵活性, 园区还配有电制冷和电制热 设备, 可利用电能为热、 冷负荷提供能量.当用电高 峰电价较高时, 园区通过增加燃气轮机出力为电负 荷提供电能, 同时燃烧产生的余热可提供给热、 冷负 荷, 余热不足时可向燃气锅炉补充燃气提供额外热 量用于供热和供冷.当用电低谷电价较低时, 园区 主要以从电网购电的方式来满足园区各类负荷, 还 可通过电制热设备将电能转化为热能并由储热设备 进行存储.同时, 园区配备的分布式电源也可作为 园区电能来源的重要途径之一, 既可为电负荷供电, 又可由电储能设备进行存储, 进而可为其他时段提 供能量.

2 园区系统出力和成本分析 园区涉及能量生产和转换的设备主要有燃气轮 机、 燃气锅炉、 分布式电源、 吸收式制冷机和电制热 ( 冷) 设备. 2.

1 C C H P设备出力模型

1 ) 燃气轮机.燃气轮机是 C CH P 系统重要的 能量输出设备, 燃料燃烧释放的高温热能经燃气轮 机发电后, 余热由余热锅炉进行回收再利用[

1 8] .该 设备输出的电功率及回收的热功率可以表示为[

1 9] : p n e g t = η e g λg a s γ n e g t p n h g t = η h g ( 1- η e g ) λg a s γ n e g t { (

1 ) 式中: p n e g t 和p n h g t 分别为园区n 在t 时段的电功率和 回收的热功率;

η e g 和η h g 分别为燃气轮机发电效率 和余热回收效率;

λg a s和γ n e g t 分别为天然气........