PDF《考虑多能负荷不确定性的区域综合能源系统鲁棒规划》

考虑多能负荷不确定性的区域综合能源系统鲁棒规划 沈欣炜1 ,郭庆来2,

3 ,许银亮1 ,孙宏斌2,

3 ( 1.

清华 - 伯克利深圳学院,清华大学,广东省深圳市

5 1

8 0

5 5;

2.清华大学电机工程与应用电子技术系,北京市

1 0

0 0

8 4;

3.电力系统及发电设备控制和仿真国家重点实验室,清华大学,北京市

1 0

0 0

8 4 ) 摘要:提出了一种考虑冷电热多能负荷不确定性的区域综合能源系统鲁棒规划方法.基于能源集 线器( e n e r g yh u b , EH) 模型, 建立了含冷电热三联供、 燃气锅炉、 集中式制冷站在内的区域综合能 源系统模型;

根据历史/预测年87

6 0h多能负荷数据, 通过k - m e a n s聚类分群方法得到多个典型 日负荷场景, 以上下界区间描述负荷不确定性, 形成鲁棒规划模型;

将相应鲁棒规划模型等价转化、 形成子问题为凸的混合整数规划模型求解.算例结果证明了该规划方法的有效性, 同时体现了综 合能源系统多能互补集成优化效益. 关键词:能源集线器;

不确定性;

综合能源系统;

鲁棒规划 收稿日期:

2 0

1 8 -

0 5 -

1 1;

修回日期:

2 0

1 8 -

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1 1. 上网日期:

2 0

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0 3 -

0 6. 国家自然科学基金资助项目(

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0 6 ) ;

中国博士后科学基 金资助项目(

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1 8 T

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9 7 ) .

0 引言 多能互补集成优化的综合能源系统( i n t e g r a t e d e n e r g ys y s t e m, I E S ) 是能源互联网的重要发展方向 之一[

1 - 9] .能源互联网是 推动分布式可再生能源的 大规模利用与分享, 促进电力、 交通、 天然气等多种 复杂 网络系统的相互融合 的 综合能源网络(comprehensivee n e r g yn e t w o r k) [

6 -

7 ] .类似地, 综 合能源系统 概念为电 - 冷-热-气多能互补集成优化 的区域能源系统, 涉及热电联供机组、 变电站、 配电 馈线、 供热站、 供冷/热管道、 供气站等设备的规划和 运行. 多能互补 意在改变原有各能源供用系统各 自规划设计、 独立运行的现状, 对不同供用能系统进 行统一的协调优化.能源互联网中I E S的建设, 对 于提升社会用能效率、 促进可再生能源规模化利用 等都具有重要意义[

8 -

9 ] . 近年来, I E S的建模、 规划与运行问题受到广泛 关注, 国内外学者已经取得了丰富的研究成果[

1 0 -

2 4] . 例如, 王成山、 顾伟等提出含热电联产(combinedheata n dp o w e r , CH P) 和冷热电联产(combinedcooling,heatinga n dp o w e r , C CH P) 的多能互补的微网建模与运行[

1 0 -

1 1] 方法;

考虑不同类型能源之间 耦合作用的能源系统联合建模和研究, 包括电网与 天然气网[

1 2] 、 电网与热网[

1 3] 耦合运行的联合稳态 潮流分析等.其中, G o r a nA n d e r s o n等提出了能源 集线器(energyhub,EH ) 模型和energyinterconnector模型[

1 4 ] , 用EH 线性化 地表示多种能量之间的转换、 存储等, 已得到众多学者的认可. 贾宏杰等提出了一种基于 EH 和多能互补思想的 I E S 研究思路[

1 5] , 同时研究了电-气-热混合潮流算法[

1 6] . 具体到I E S规划方法研究方面, 目前的研究成 果集中于不同背景、 不同组成的多类型能源系统的 建模与规划.例如, 基于 EH 的考虑电/热/气多能 耦合的规划[

1 7 -

2 0] , 考虑多方利益主体、 差异化用能需 求的规划流程[

2 1] , 考虑冷热电存储的区域综合能源 站优化设计[

2 2] , 结合热网模型的多区域协同规划[

2 3] , 考虑采暖期和供冷期园区级别规划[

2 4] 、 评估 指标与方法[

2 5 ] 、 能量整体运输模型[

2 6 ] 、 评估指标与 方法[

2 7] 等.然而, 上述研究成果大部分未考虑其中 的不确定性因素, 或仅通过多场景方法[

1 9 -

2 1] 考虑不 确定性. 相比之下, 在传统的电力系统规划和运行问题 中较早地引入了对不确定性因素的考虑, 相应优化 方法主要包括鲁棒优化(robusto p t i m i z a t i o n , R O) [

2 8 -

2 9] 和随机规划(stochasticp r o g r a mm i n g , S P) [

3 0 ] 等.在I E S规划问题的研究中, 需考虑的不 确定性因素众多( 如可再生能源的多能供给、 电-冷-热-气负荷的需求) .因此, 有必要通过鲁棒优化方 法更加精确地考虑其中的不确定性因素, 提升I E S 供能的可靠性;

并且在规划阶段就考虑运行时可能 出现的各类场景以及相应的优化运行策略, 充分提

4 3 第4 3卷第7期2019年4月1 0日Vol.43N o . 7A p r .

1 0,

2 0

1 9 D O I :

1 0.

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0 0 / A E P S

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3 h t t p : / / ww w. a e p s - i n f o . c o m 升多能互补的效益.由此形成的相应规划方法将具 有广阔的应用前景. 基于前述状况, 本文提出了一种考虑电 - 冷-热多能负荷不确定性的区域I E S规划方法.首先, 从 模型角度构建通用化的基于 EH 的模型, 统一描述 典型区域I E S规划问题, 包括了 C CH P 机组、 燃气 锅炉、 集中式制冷站等设备, 进行考虑规划期内运行 状况的区域I E S各类设备 选型;

其次, 从 规划方法 角度提出考虑多能负荷不确定性的区域I E S 鲁棒 规划方法和流程: 采用k - m e a n s聚类分群从历史/ 预测年87

6 0h多能负荷数据中得到多个典型日负 荷场景, 然后, 以上下界区间描述负荷不确定性, 形 成鲁棒约束, 再将相应鲁棒优化模型等价转化、 形成 子问题为凸问题( c o n v e xp r o b l e m) 的混合整数规划 模型求解.在考虑不确定性的规划方法中, 该方法 具有鲁棒性可调、 收敛性良好等优点.

1 基于 E H 的I E S规划模型 从能源供给方式的角度考虑, 一般而言, 区域IES包含变电站、 CH P 机组、 燃气锅炉/电锅炉、 集 中式制冷站等供能手段, 能源的供给方式和需求形 式都 是多样化的.在描述I E S 的多能特性方面, EH 模型 已经受到广泛的认可.一个典型的基于EH 的区域I E S如图1所示. 图1 典型的基于 E H 的I E S F i g .

1 T y p i c a l I E Sb a s e do nE H EH 考虑多种形式能源输入和输出, 通过下述 线性方程表达其转换关系[

1 4] . L= l

1 l

2 ? l m ? ? ????? ? ? ? ????? ? = c α ,

1 c β ,

1 … cω,

1 c α ,

1 c β ,

2 … cω,

2 ? ? ? c α , m c β , m … cω, m ? ? ????? ? ? ? ????? ? pα pβ ? pω ? ? ????? ? ? ? ????? ? =C P (

1 ) 式中: L=[ l 1, l 2, …, l m ] T 为EH 输出, 可理解为负 荷侧电/冷/热/气需求( 注: 高品位热和低品位热不 可直接相加, 需以不同输入输出进行表示) , 下标 m 表示不同的能源形式;

P=[ pα, pβ , …, pω] T 为EH 输入, 下标α , β , …, ω 表 示不同类型的能源, 例如: 电、 热、 燃气等;

C 为能量转换矩阵;

c α , 1, c β , 1, …, cω, m 为转化因子. 注意到, 一般而言, EH 用于概括区域I E S的整 体 能源 输入和输出.但是, 由于区域I E S中的多 能设备大多具备多能输入和输出的特点, 类似地, 可 采用EH 模型便利地对于区域I E S中的每一类多能 设备分别进行建模, 从而构建区域I E S 规划模 型. 此时, 式(

1 ) 可写为: LI E S =∑ i∈ψ C i P i , 式中, LI E S 为区 域I E S整体多能输出矩阵;

ψ 为设备类型集合;

C i 为第i类设备的能量转换矩阵;

P i 为第i 类设备的 多能输入矩阵. 下文中将介绍基于 EH 对各类多能设备分别建 模的区域I E S通用化规划模型的目标函数和约束 条件. 1.

1 多能设备规划建模及相关约束条件 对于区域I E S规划问题, 假设I E S中含有设备 类型的集合为ψ, 对于其中的第i 类设备, 备选容量 选型的集合为φ i, 每种选型的编号为j∈ φ i, 则考虑 EH 整体的多能负荷平衡, 必须满足? s, h, 使得 Ls, h ? ∑ i∈ψ ∑ j∈φ i C i, j P i, j s, h (

2 ) 式中:? 为凸优化中常见的分量不等式(componentwiseinequality)[31] , 表示向量中每个元 素都小于等于;

Ls, h 为运行场景s 中, 时刻h 的区域 I E S整体多能负荷需求, 是一个列向量;

C i, j 为第i 种设备的 第j 种容量选型的多能能量输入矩阵;

P i, j s, h 为第i种设备的第j 种容量选型的转化矩阵. 由此, 式(

2 ) 右侧∑ i∈ψ ∑ j∈φ i C i, j P i, j s, h 表示对于第 i种 设备的第j 种容量选型的多能输入及转化的累加. 注意到, 与式( 1) 相比, 式( 2) 从 = 改为了 ? , 是 考虑到规划期内需考虑的多能供应要求是 供大于 求 , 而非每一时刻供求都完全相 等.需要指出的 是: ①这种建模方法相当于对每一个供能设备单独 建立了多能输入和输出的 EH 模型, 与原有的 EH 模型将所有供能设备统一到一起建立矩阵的建模方 法有所区别;

②变电站设备同样可以通过类似方法 建模, 因此, 从外部电网购电也是区域I E S 供能方 法之一. 加入设备选型0 - 1变量x i, j 后, 增加以下建模 条件, 即? s, h, 使得 0?P i, j s, h ?x i, j P i, j m a x (

3 ) ∑ j∈φ i ≤1 (

4 ) 式中: P i, j m a x 为第i 种设备的第j 种容量选型的最大 多能输入矩阵, 属于已知参数;

x i, j 为设备选型0 -

1 变量. 显而易见, 式( 3) 中, 当x i, j =1时, P i, j s, h 最大值 为P i, j m a x;

否则P i, j s, h =0.式( 4) 表示对于第i 种设备

5 3 沈欣炜, 等 考虑多能负荷不确定性的区域综合能源系统鲁棒规划 只有1种建设方案可被选中, 避免了重复建设, 属于 建设逻辑约束. 下面以一个含有 C CH P 机组、 燃气锅炉、 集中 式电制冷站的区域I E S为例说明式( 2) ―式( 4) 如 何扩展.

1 ) 多能负荷平衡约束条件 设该 区域IES考虑的多能输入为电和燃气2种, 多能负荷为电 - 冷-热负荷3种, 则根据式( 1) , L 为3维列向量, P 为2维列向量, 转换矩阵C 都是 3*2阶的矩阵.C CH P 机组、 燃气锅炉、 集中式电 制冷站分别以上标 C CH P, G B 和AC替换i 来表 示, 选型编号分别以j, k, m 表示, 则? s, h, 使得 Ls, h ? ∑ i∈ψ ∑ j∈φ i C i, j P i, j s, h = ∑ j∈φC CH P C C CH P, j P C C H P, j s, h + ∑ k∈φG B C G B, k P G B, k s, h + ∑ m∈φA C C A C, m P A C, m s, h + ∑ n∈φS U B C S U B, n P S U B, n s, h (

5 ) 式中: C C CH P, j 为CCH P机组的第j 个备选方案的转 换矩阵;

P C CH P, j s, h 为CCH P机组的第j 个备选方案的 多能输入矩阵;

C G B, k 和P G B, k s, h 分别为燃气锅炉的第 k 个备选方案的转换矩阵和多能输入矩阵;

C A C, m 和PAC, m s, h 分别为集中式电制冷站的第m 个备选方案的 转换矩阵和多能 输入矩阵;

C S U B, n 和P S U B, n s, h 分别为 变电 站第n 个备选方案的转换矩阵和多能输入矩阵;

φC CH P , φG B , φA C , φS U B 分别为编号集合. 以CCH P 为例, 参数CCCH P, j = c C CH P, j G - E c C CH P, j E - E c C CH P, j G - C c C CH P, j E - C c C CH P, j G - H c C CH P, j E - H ? ? ???? ? ? ???? , 其中, c C C H P, j G - E 为CCH P 机组由燃 气发电 的转换系数, 其他参数含义以此类推.如CCH P 仅消耗燃气,则第二列参数都为0,即cCCH P, j E - E = c C C H P, j E - C = c C C H P, j E - H =0;

P C CH P, j s, h = P C C H P, j G, s, h P C C H P, j E, s, h ? ? ?? ? ? ? ?? ? 属于 待优化变量, P C C H P, j G, s, h 和P C C H P, j E, s, h 分别为 C CH P ........