基于能源互聯(lián)網(wǎng)的城市電網(wǎng)多能源協(xié)調(diào)智能管理

基于能源互聯(lián)網(wǎng)的城市電網(wǎng)多能源協(xié)調(diào)智能管理

隨著能源規(guī)劃的發(fā)展，市政電網(wǎng)逐漸從簡單的供電轉(zhuǎn)向電。同時(shí)，它還包括水、熱、氣等多能源供應(yīng)形式。不同的能源在生產(chǎn)和消費(fèi)之間有聯(lián)系。在考慮能源互聯(lián)的綜合能源調(diào)度方面，已有相關(guān)研究成果。如文獻(xiàn)目前，學(xué)者主要研究的綜合能源系統(tǒng)為范圍相對較小的區(qū)域級(jí)綜合能源系統(tǒng)，對于更大范圍的城市級(jí)綜合能源系統(tǒng)管理策略則缺少針對性的研究。本文從能源互聯(lián)網(wǎng)角度出發(fā)，針對可再生能源滲透率較高的城市電網(wǎng)優(yōu)化運(yùn)行調(diào)度問題開展研究，提出一種城市電網(wǎng)多能協(xié)調(diào)智的能管理方法。該方法考慮系統(tǒng)中各類設(shè)備的運(yùn)行約束和供能網(wǎng)絡(luò)安全運(yùn)行約束，以對綜合能源系統(tǒng)中的負(fù)荷和可再生能源等不確定性元件的出力預(yù)測為基礎(chǔ)，建立了城市級(jí)綜合能源系統(tǒng)日前優(yōu)化調(diào)度模型，并利用基于交替方向乘子算法進(jìn)行模型求解。1能源在配電網(wǎng)間的縱向互動(dòng)調(diào)度模式城市能源互聯(lián)網(wǎng)是以高級(jí)量測系統(tǒng)、自動(dòng)控制系統(tǒng)、互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)及新型管理系統(tǒng)為基礎(chǔ)，多種能源通過各種耦合元件進(jìn)行縱向和橫向交互，各類設(shè)備之間的信息交互頻繁進(jìn)行的區(qū)域性的能源管理平臺(tái)在含有大量間歇性可再生能源發(fā)電的電力系統(tǒng)中，如繼續(xù)采用傳統(tǒng)的僅依靠發(fā)電側(cè)的自上而下的電網(wǎng)調(diào)度方式，難以實(shí)現(xiàn)新能源的充分合理消納，也會(huì)降低發(fā)電設(shè)備運(yùn)行效率。因此，本文提出了多種能源在輸配電網(wǎng)間的縱向互動(dòng)調(diào)度模式，基于智能電網(wǎng)高級(jí)量測與控制體系，在電網(wǎng)各層調(diào)度機(jī)構(gòu)間協(xié)調(diào)分布式電源和集中式電源的可調(diào)度資源，實(shí)現(xiàn)分布廣域的輸電網(wǎng)和配電網(wǎng)之間的縱向互動(dòng)，以取得安全、經(jīng)濟(jì)與環(huán)境效益的最優(yōu)。這種輸配電網(wǎng)間的縱向互動(dòng)調(diào)度模式如圖1所示。城市電網(wǎng)分層交互是通過負(fù)荷曲線的上報(bào)和下達(dá)來實(shí)現(xiàn)，并根據(jù)自身的負(fù)荷和分布式電源發(fā)電情況內(nèi)部進(jìn)行平衡，以達(dá)到平滑負(fù)荷曲線的目的。根據(jù)平滑結(jié)果將負(fù)荷曲線上報(bào)給電網(wǎng)調(diào)度中心，電網(wǎng)調(diào)度中心在輸電網(wǎng)層面上，依據(jù)設(shè)定的標(biāo)準(zhǔn)決定是否采納各區(qū)域電網(wǎng)申報(bào)的負(fù)荷曲線。如果不采納，則需對負(fù)荷曲線進(jìn)行修正并重新傳輸?shù)秸{(diào)度中心進(jìn)行復(fù)核；直至調(diào)度中心采納，負(fù)荷曲線才可以發(fā)布。2城市能源的多能源協(xié)調(diào)方案和規(guī)劃策略2.1模型定化層模型在含高比例可再生能源發(fā)電機(jī)組的電力系統(tǒng)中，由于可再生能源固有的不確定性，需要其他能源來彌補(bǔ)1）目標(biāo)函數(shù)本文構(gòu)建的考慮多能互補(bǔ)的綜合能源系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度模型以預(yù)測場景下系統(tǒng)滿足熱、電供應(yīng)的成本最小作為目標(biāo)函數(shù)為式中：Q(1）系統(tǒng)購電和購熱成本為式中，ρ(2）系統(tǒng)發(fā)電和發(fā)熱成本為2）模型約束條件在模型中僅考慮熱網(wǎng)與電網(wǎng)之間的耦合互補(bǔ)。因此對設(shè)備的準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)模型及電和熱能量平衡做如下修正。(1）系統(tǒng)任意時(shí)段的電和熱平衡約束為式中，Q(2）由于考慮可再生能源的充分利用，需要一定的旋轉(zhuǎn)備約束，其表達(dá)式為式中：G(3）輸電線路容量約束為式中：G(4）機(jī)組出力和爬坡約束為式中：Q(5）蓄熱鍋爐儲(chǔ)熱量約束為式中：Q(6）電鍋爐功率約束為式中：P(7）儲(chǔ)能系統(tǒng)的荷電狀態(tài)也應(yīng)在合適的范圍之內(nèi)，即：式中：SOC為儲(chǔ)能裝置荷電狀態(tài)；SOC2.2熱力系統(tǒng)優(yōu)化子問題由于綜合能源調(diào)度模型約束較多，在用二次懲罰來近似約束時(shí)在最優(yōu)點(diǎn)附近需要懲罰項(xiàng)的系數(shù)趨近于無窮，會(huì)使得海森矩陣很大，目標(biāo)函數(shù)容易出現(xiàn)不穩(wěn)定情況。為了解決上述問題，本文引入交替方向乘子ADMM(alternatingdirectionmethodofmultipliers）算法在電力系統(tǒng)優(yōu)化子問題中，還應(yīng)考慮燃?xì)廨啓C(jī)等電熱耦合元件的約束。電網(wǎng)優(yōu)化子問題的目標(biāo)函數(shù)可以表示為在熱力系統(tǒng)優(yōu)化子問題中，同樣也應(yīng)考慮各類電熱耦合元件的約束。則熱力系統(tǒng)優(yōu)化子問題的目標(biāo)函數(shù)可以為以式（15）和式（16）組成子問題的多目標(biāo)函數(shù)，將式（6)～(14）作為約束條件，可將多能源調(diào)度問題轉(zhuǎn)換為典型的ADMM優(yōu)化問題，表現(xiàn)形式如下：式中，對于任意時(shí)段，x=(Q采用ADMM算法求解過程中，兩個(gè)子問題的求解是分開求解的，子問題之間的信息交互則發(fā)生在某一個(gè)子問題求解結(jié)束之后。子問題之間交換的信息為兩個(gè)子問題耦合的部分，對于城市綜合能源系統(tǒng)一般則是熱、電耦合元件的運(yùn)行狀態(tài)，一個(gè)子問題求解結(jié)束后將得到的電熱耦合元件的運(yùn)行狀態(tài)信息傳遞到另一個(gè)子問題中作為已知量，如此不斷循環(huán)迭代直至收斂。具體求解方法詳見文獻(xiàn)3發(fā)電負(fù)荷波動(dòng)大、負(fù)荷需求增長,新能源波動(dòng)影響政府運(yùn)行效率以某城市2019年電網(wǎng)運(yùn)行數(shù)據(jù)為例進(jìn)行分析，電網(wǎng)的能源結(jié)構(gòu)如表1所示，具體的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)詳見文獻(xiàn)首先基于文獻(xiàn)隨著可再生能源裝機(jī)的增加，以及購電價(jià)格的市場機(jī)制變化，系統(tǒng)源網(wǎng)荷多方面的不確定性均將對運(yùn)行結(jié)果產(chǎn)生影響。當(dāng)可再生能源增加50%，系統(tǒng)負(fù)荷波動(dòng)增加30%但所有供熱均可由熱電設(shè)備供應(yīng)時(shí)，城市電網(wǎng)可再生能源發(fā)電預(yù)測及負(fù)荷需求曲線如圖3所示。其中由于可再生能源的增加，導(dǎo)致火電和水電均參與電源波動(dòng)的調(diào)節(jié)，同時(shí)通過蓄電和蓄熱等減緩負(fù)荷的波動(dòng)。充分考慮能源互聯(lián)情況下電源的合理匹配及不同類型能源之間的轉(zhuǎn)換，可最大化的減少調(diào)度成本。表2為不同滲透率下基于交替方向乘子算法的風(fēng)險(xiǎn)備用率及各種運(yùn)行成本分析。由表可知，隨著可再生能源的增加，新能源波動(dòng)更強(qiáng)烈，所需系統(tǒng)預(yù)留備用率更高，風(fēng)險(xiǎn)成本效益隨滲透率增加而顯著增加。在調(diào)度過程中若不充分考慮新能源波動(dòng)的影響，將導(dǎo)致棄風(fēng)/光量和切負(fù)荷量發(fā)生幾率增加，風(fēng)險(xiǎn)成本劇增。由于可再生能源的發(fā)電成本遠(yuǎn)小于火電及燃?xì)鈾C(jī)組，新能源出力上升，在負(fù)荷保持恒定時(shí)代替部分常規(guī)機(jī)組出力，導(dǎo)致煤耗、氣耗量同步下降，綜合效益隨滲透率上升而明顯上升。4問題的提出及求解本文從能源互聯(lián)網(wǎng)的角度出發(fā)，建立了含大規(guī)模間歇性能源的熱、電日前協(xié)調(diào)調(diào)度模型。該方法以多種能源在輸配電網(wǎng)間的縱向互動(dòng)調(diào)度模式，充分利用了電網(wǎng)中可調(diào)發(fā)電機(jī)組的調(diào)節(jié)能力和儲(chǔ)能設(shè)備，以實(shí)現(xiàn)最優(yōu)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，并通過交替方向乘子算法對模型進(jìn)行求解；為綜合能源調(diào)度問題提供了一種新的思