考慮多種能源互聯 提出一種基于二層規劃的用戶側能源互聯網規劃方法

中國農業大學信息與電氣工程學院的研究人員吳聰、唐巍、白牧可、張璐、叢鵬偉，在2017年第21期《電工技術學報》上撰文，針對能源系統規劃中對多個供能區域的協調互濟及多能流聯合調度考慮不足的現狀,研究基于二層規劃的用戶側能源互聯網規劃方法。

首先,梳理供能系統結構,對各能量單元建模,并分析用戶側能源互聯網內的負荷特性;其次,綜合考慮多種能源互聯、多個供能區域協調互濟及多能流聯合調度,建立用戶側能源互聯網的二層規劃模型,上層以年費用最低為目標,各能量單元的安裝容量為優化變量,下層以年運行費最低為目標,各時段能量單元的調度值為優化變量;最后,采用精英保留策略遺傳算法對上層規劃模型求解,下層為0-1混合整數線性規劃模型,采用分支定界法求解。

算例表明:所提規劃建模方法具有可行性和有效性;多能流聯合調度、多區域協調互濟可以大幅削減年費用,還可緩解負荷與燃機熱電比不匹配等問題;通過多種能源網絡實現互聯較通過單一電網或熱網互聯更經濟。

隨著全球環境危機不斷加劇和傳統化石能源日漸枯竭，可再生清潔能源得到大力發展。由于風能、太陽能等本身具有波動性和隨機性的特點，其高滲透率接入對電網的安全可靠運行是一個很大的挑戰。

此外，傳統能源行業(電/熱/天然氣等) 單獨規劃、設計和運行不利于系統綜合能效的提升。以泛在互聯、低碳高效和多源協同等為特征的能源互聯網應運而生，其利用智能電網、互聯網等技術，融合電力網、熱力網等多能源網，形成多種能源高效利用和多元主體參與的能源互聯共享網絡。

用戶側存在諸多小規模分布式能源系統，負荷具有較強的隨機性和波動性，“源”與“荷”距離較近。在用戶側構建能源互聯網不但能就地滿足用戶的電/熱/冷多種能源需求，而且可以平緩負荷曲線、提高能源利用效率和消納可再生能源。相關研究有冷熱電聯產系統、綜合能源系統和泛能網等。

針對單個供能區域，文獻［3］考慮多種能流的相互轉換，提出冷/熱/電聯供微網優化調度通用建模方法，以某辦公樓為測試對象驗證模型有效性。文獻［6］提出考慮多能源互聯和多能流協調的分布式能源系統規劃方法，仿真結果表明該系統與集中供能模式、常規冷熱電聯產模式相比更經濟高效。

針對多個區域互聯，文獻［8］提出了基于0-1混合整數線性規劃的多能源站互聯規劃方法，但規劃中可供選擇的設備種類較少，同時局限于站間熱力互濟。

文獻［12］以年運行費和碳排放最低為目標，采用矩陣形式建立運行優化模型，先后考慮兩個、三個區域互聯，并對比分析不同運行場景，算例表明多個區域互聯、熱電聯供更具經濟和環境效益。

當前對于能源互聯網的規劃研究較少，文獻［13］研究以電能路由器為核心的能源互聯網結構，并提出基于電能交換器的未來配電網組網形態。文獻［14］針對能源互聯網中“能量傳輸擁塞”和“能量負載均衡”問題，分別提出基于邊權和基于網絡鄰節點負載的路由策略。

文獻［15］提出了考慮分布式光伏發電、相變儲能和冷/熱/電聯供的多能源協同優化建設方案，以海淀北部示范區為例，改善了電力負荷特性，與常規能源供應體系下相比，變電站的規劃容量明顯減少。

綜上所述，當前對于用戶側能源互聯網規劃的研究較少，現有規劃文獻對于多個供能區域經多種網絡進行協調互濟以及對于電/熱/冷能流實行聯合調度的考慮不夠充分。

針對上述不足，本文梳理系統結構，對各能量單元建模，同時分析用戶側能源互聯網的負荷特性; 充分考慮多種能源互聯、多個供能區域互濟及多類能流聯合調度，建立二層規劃模型，進行各能源路由器內設備配置和各能源局域網間網絡規劃，上、下層模型分別以年費用最低、年運行費最低為優化目標; 采用精英保留策略遺傳算法、分支定界法求解所提模型，上、下層相互制約迭代計算; 仿真算例驗證方法可行性，對比分析多能互補、網絡互聯對規劃經濟性的影響。

圖1 用戶側能源互聯網系統結構

結論

1）本文充分考慮多種能源開放互聯、多個能源局域網協調互濟、多類能流聯合調度，提出了一種基于二層規劃的用戶側能源互聯網規劃方法，此建模方法具有可行性。

2）規劃中考慮電/熱/冷能流聯合調度的供能模式，與傳統供能模式、常規冷熱電聯產系統相比，具有更高的經濟效益。

3）多個能源局域網協調互濟可有效緩解負荷與燃機熱電比不匹配、電熱(冷)負荷峰谷時段不匹配等問題，還可實現不同區域負荷特性的互補。

4）各能源局域網通過網絡實現互聯比無網絡連接更經濟，通過電/熱多種網絡互聯，比通過單一電網或熱網連接更具經濟性。