芦 浩 ，姜瑶瑶
（1.国网浙江省电力有限公司淳安县供电公司，浙江 杭州 311700;2.淳安县电力实业有限公司，浙江 杭州 311700）
近年来，化石能源日益枯竭，风、光、储多能互补分布式能源飞速发展，综合能源系统（integrated energy system, IES）作为一种新的能源网络形式，在能源生产、传输、消费领域占据的地位越来越重要。IES 涉及电、气、热、冷等多种能源耦合运行和多能互补转化[1-4]，以光伏、风电等可再生能源消纳代替化石能源消耗，降低碳排放量。
目前，对IES 规划和优化调度的研究正在逐步展开。文献[5]提出将储能应用于冷-热-电联供综合能源系统优化调度，考虑电能的交互。文献[6]提出以光伏等新能源消纳为目标，构建园区多能源优化调度模型。文献[7]构建考虑需求响应的电-气联供系统优化运行模型，实现能源供给与用能负荷之间的互动。文献[8]提出考虑能源价格变化的可再生能源发电系统优化运行方法，促进可再生能源就地消纳。文献[9]提出以综合能源系统投资和运行成本为目标，构建IES 优化调度模型，统筹考虑综合能源系统经济性。文献[10]提出基于IES 提供商和用户之间互动的综合能源系统优化运行策略，提高能源经济效益。综上，IES 优化调度研究大多以系统运行成本为优化目标，没有考虑系统运行过程中产生的碳排放量问题。
本文在现有研究的基础上，首先构建园区型综合能源系统设备模型；
之后，建立以运行成本最低、碳排放量最小为目标的综合能源系统优化调度模型，并采用非支配排序遗传算法-II（NSGA-II）对该模型进行求解；
最后将该方法应用到某示范园区综合能源系统项目中，结果表明该方法能够降低园区运行成本，促进新能源消纳，降低碳排放量，实现电网削峰填谷。
1.1 典型综合能源系统结构
典型综合能源系统是将多能互补作为核心，以分布式能源利用为特点，能够供给电、热、冷多种能源。典型综合能源系统结构如图1 所示，其中能源网络包含电、热、冷3 条母线，涉及光伏热泵、蓄热式电锅炉、燃气锅炉、电储能设备、蓄冷设备等多个能源设备。
图1 典型综合能源系统结构
1.2 典型综合能源系统结构
园区型综合能源系统包含的设备模型如图1所示。
1.2.1 热泵模型
热泵作为电能与冷、热能量的转化设备，但在寒冷地区制热效果有待提高，本文把热泵作为制冷设备利用。
式中：PHP,t为t时刻热泵的制冷功率；
PHPJ,t为t时刻热泵消耗的电功率；
ηHP为热泵的制冷能效比。
1.2.2 蓄热式电锅炉模型
蓄热式电锅炉作为园区型综合能源系统的热源，能够为提供热水、蒸汽热能量。
式中：PREB,t为t时刻蓄热式电锅炉的制热功率；
PREBJ,t为t时刻蓄热式电锅炉消耗的电功率；
ηREB为蓄热式电锅炉的制冷功率。
1.2.3 燃气锅炉模型
本项目采用燃气锅炉作为热能供应的辅助热源，减缓在电负荷高峰期蓄热式电锅炉运行导致电能供应的压力。
式中：PGB,t为t时刻燃气锅炉的制热功率；
PGBJ,t为t时刻燃气锅炉消耗的热量功率；
ηGB为燃气锅炉的转化效率。
1.2.4 储能模型
式中：EEES,t为t时刻电储电能量；
Peesch,t为t时刻充电功率；
ηeesch为t时刻充电效率；
Peesdch,t为t时刻放电功率；
ηeesdch,t为t时刻放电效率。
式中：QHS,t为t时刻储存热量值；
Phsch,t为t时刻加热功率；
ηhsch为t时刻加热效率，Phsdch,t为t时刻放热功率；
ηhsdch表示t时刻放热效率。
式中：Qcold,t为t时刻储存冷量值；
Pcoldch,t为t时刻制冷功率；
ηcoldch为t时刻制冷效率；
Pcloddch,t为t时刻放冷功率；
ηcolddch为t时刻放冷效率。
2.1 目标函数
本文以运行成本、碳排放量为优化目标，以设备出力、电能平衡、冷平衡、热平衡为约束条件，建立多目标优化的电-冷-热互联综合能源系统调度模型。
多目标优化目标函数为：
式中：f1为运行成本目标函数；
f2为碳排放量目标函数。
2.1.1 经济性目标
式中：f1为一个调度时间段内的运行费用；
Cgas,t为t时刻购买的天然气费用；
Cgrid,t为t时刻购买的电网费用；
T为一个调度周期内时间段总数。天然气购买费用的计算方法：
式中：cgas为天然气的单位热值价格。
电网购电费用的计算方法：
式中：Cgridb,t为t时刻从电网购电电价；
Pgridb,t为t时刻从电网购电功率。
2.1.2 碳排放量目标
为简化碳排放量的计算方法，不考虑能源设备间接产生的碳排放量，只计算能源设备运行中直接排放的CO2，该IES 中燃气锅炉设备直接产生碳排放。此外，采用基准线法计算碳排放配额，碳排放配额Cquota与IES 系统发电量之间关系如下：
式中：Ptotal,t为t时刻IES 内发电设备发电总功率，该IES 中光伏系统作为发电设备；
Ptotal,t=PPV,t，PPV,t为t时刻光伏的发电功率；
η 为单位电量排放分配额。
碳排放量目标函数：
式中：f2为一个调度时间段内碳排放量；
CGB,t为t时刻燃气锅炉设备产生的碳排放量。
2.2 约束条件
园区型综合能源系统约束包括电、热、冷3 条母线能源平衡，以及各个能源设备本身特性的约束。
电母线平衡：
式中：Pgdload,t为t时刻电负荷功率。
热平衡：
式中：Phsload,t为t时刻热负荷功率。
冷平衡：
式中：Pcload,t为t时刻冷负荷功率。
各供电、热、冷设备的功率约束：
式中：Pigrid为设备i的电功率；
Pihs为设备i的热功率；
Picold为设备i的冷功率；
Pigridmin、Pigridmax为设备i电功率的下限和上限，Pihsmin、Pihsmax为设备i热功率的下限和上限；
Picoldmin、Picoldmax为设备i冷功率的下限和上限。
电储能设备约束：
① 充电功率约束：
式中：CPees为电储能设备电能容量；
γeesch为电储能设备最大充电倍率。
② 放电功率约束：
式中：γeesdch为电储能设备最大放电倍率。
③ 电储能设备容量约束
式中：EEESmin、EEESmax为电储能设备容量的最小值和最大值。
储热、储冷设备约束：
式中：QHSmin、QHSmax为蓄热式电锅炉蓄热容量的下限和上限；
Qcoldmin、Qcoldmax为蓄冷设备容量的下限和上限。
2.3 基于NSGA-II 算法的求解方法
NSGA-II 具有收敛性和鲁棒性的优良性能，能够得到均匀分布的Pareto 最优解，广泛应用于多目标优化。采用NSGA-II 对多目标优化的综合能源调度模型进行求解，以电、热、冷各能源设备出力、供给和用能负荷平衡和分配系数为决策变量，采用NSGA-II 算法求出Pareto 最优前沿。
选取某示范园区进行实验验证与分析，园区型综合能源系统由以下组成：3 台额定功率为300 kW热泵机组，1 台额定功率为400 kW 的蓄热式电锅炉，1 台额定功率为200 kW 的燃气锅炉，1 台额定功率为100 kW 的蓄冷设备，分布式电源包括额定功率为200 kW 的光伏和200 kW·h 的电储能设备，设备相关参数如表1 所示。
表1 能源设备参数
园区内典型日热、冷、电负荷数据及光伏出力数据如图2 所示，其中典型日24 h 热负荷为7543 kW·h，由蓄热式电锅炉和燃气锅炉提供热量供给。
图2 园区负荷和光伏出力
园区的分时电价如图3 所示，天然气价格为2.32 元/m2，1 m2天然气产生碳排放量约1 m2。根据冷、热、电负荷及光伏随天气变化的出力数据，以能源设备功率为约束条件，利用文章中的优化算法，得到冷、热、电能源设备优化运行结果如图4、5、6 所示。
图3 园区分时电价
图4 电负荷优化运行结果
从图4 可知，光伏在当日5:00-19:00 均有发电功率，减少园区向电网购电量，降低运行成本；
电储能设备在夜间利用低电价电网电量为蓄电池充电，在12:00-13:00 分时电价最高时放电，降低购电电费，同时达到电网削峰填谷的目的。
如图5 所示，在热负荷较大及分时电价较高时，燃气锅炉配合蓄热式电锅炉为用户提供热能量，与单一采用蓄热式电锅炉供热方式相比，采用两者结合的方式减少燃气锅炉燃烧产生碳排放量，同时减小电网峰谷差。
图5 热负荷优化运行结果
图6 为冷负荷优化运行的结果，从图中可以看出，在分时电价最大值的12:00-14:00，采用蓄冷设备配合热泵机组供冷的方式能够减小电网购电量，同时降低电网运行压力。
图6 冷负荷优化运行结果
根据典型日的分时电价和天然气价格，基于多能互补的园区型综合能源系统当日运行成本26 965.82元，与传统不具有分布式新能源光伏和蓄能设备的系统相比，典型日一天的运行成本减少1082.71 元。同时，该系统在蓄热式电锅炉不能满足热能负荷要求的情况下才启用燃气锅炉，与单一采用燃气锅炉供热相比，减少燃气的消耗量约796 m2，降低燃气燃烧导致的碳排放量796 m2。此外，该IES 内优先利用光伏发电量，促进新能源消纳。因此，该系统实现园区运行成本的降低，同时能够降低碳排放量，促进新能源消纳，减小电网峰谷差。
在分析IES 设备特性的基础上，考虑光伏出力的波动性及负荷变化的实时性，提出一种计及碳排放的电-冷-热互联综合能源系统优化调度方法。该方法包含综合能源系统运行过程中经济性、碳排放量两个目标，并采用NSGA-II 对多目标系统模型进行求解。结合某园区电-冷-热互联综合能源系统项目验证结果，表明该方法能够降低综合能源系统运行成本，减少碳排放量，提高新能源就地消纳能力，促进电网削峰填谷。该方法将碳排放量作为优化调度目标，对未来区域综合能源系统的运行评价指标提供新的方向。
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