基于长时间尺度的园区综合能源系统随机规划
赵瑾1，雍静1，郇嘉嘉2，余梦泽3，王晓静1，曾诚玉4
（1. 重庆大学 输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室；2. 广东电网发展研究院有限责任公司；3. 广东电网有限责任公司电网规划研究中心；4. 湖南大学 电气与信息工程学院）
1、研究背景
目前，已有的综合能源系统规划模型在考虑系统的运行情况时从短时间尺度（小时、日）角度出发对系统的运行情况进行预测模拟，但由于规划的目标一般为长期性的（如年等值投资运行成本、年碳排放量等），从长时间尺度（年）预测短时间尺度（小时、日）风光出力及负荷需求，不确定因素多而复杂，存在很大预测误差，因而模拟的系统日运行情况往往与实际情况也相差较大。另外，能源设备能否充分利用直接关系到投资效益，但在已有的规划方法中，能源设备全生命周期的利用率难以衡量。
2、整体研究思路及创新点
为解决上述问题，本文提出一种计及风、光、荷不确定性的园区综合能源系统长时间尺度规划方法，建立风机、光伏年利用小时数的随机模型以及冷、热、电负荷年需求量的随机分布模型，采用设备的年利用小时数作为衡量设备全寿命周期利用率的指标，以计及储能效益的综合能源系统年化投资运行费用最小为目标，建立园区综合能源系统容量优化配置随机规划模型，并探讨了不同置信度水平下的配置结果。
3、风、光、荷随机分布模型
根据风光荷特性，分别利用威布尔分布、贝塔分布和正态分布拟合风机的年利用小时数、光伏的年利用小时数以及园区的年冷热电负荷需求。
4、园区综合能源系统随机规划模型
4.1、目标函数
本文以计及储能效益的系统整体年投资运行成本最小为目标函数，其中包含设备投资年化成本、系统年运行成本、系统设备年化残值。在综合能源系统中，储能的主要作用是在时间尺度上转移能量，即在用能低谷期存储能量，在用能高峰期将所储能量释放。为鼓励储能的这一作用，目标函数中加入惩罚项：
4.2、模型约束
模型的约束条件包括：能量供需约束、设备容量约束、设备工作特性约束以及设备年利用小时数约束。
特别地，针对电储能设备，考虑到频繁充放对其寿命的影响，本文设定每天满充放循环次数不超过2次，满充、满放时间按2 h计算，即年单充/单放利用小时数不超过1460 h。设定蓄热设备每天循环放热次数不超过3次，满充、满放时间按2 h计算，即年单充/单放利用小时数不超过2190 h。
同时，系统与上级能网的交互有购能、售能2种模式，则2种模式下的购售能利用小时数之和需小于等于8760 h。
4.3、园区综合能源系统配置优化机会约束模型
由于上述模型的目标函数和约束条件中都存在随机变量，因此采用机会约束规划（CCP）处理模型的约束条件和目标函数中含有随机变量的数学问题，则上述模型可转化为：
5、模型求解
5.1、模型简化
能量供需约束针对电量，约束条件包含风光机组的年利用小时数、年用电量，比较复杂，而针对热量和冷量，约束条件只包含年热负荷需求量/年冷负荷需求量单个随机变量。为方便求解，将其转化成相应的确定性等价类。
5.2、模型求解
上述模型本质上为混合非线性随机规划问题，本文基于蒙特卡洛模拟的方法，在MATLAB平台上采用YALMIP+KNITRO工具求解该随机约束模型。
6、算例分析
针对某园区综合能源系统，为便于分析，模型中的机会约束条件取相同的置信度，并分别计算置信度取0.8、0.85、0.9、0.95、1时的配置情况（如表1所示）。整体上，相较于光伏，风机被选择的情况更为乐观，这是因为该区域具备良好的风环境以及风机的单位容量建设成本比光伏更低。由于CHP机组可完全代替热泵和燃气锅炉的作用，且其能源利用效率更高，因此在置信度为0.85~1的4种场景下都有配置CHP而未配置热泵和燃气锅炉。同时，CHP机组具有良好的产热条件，使系统在冷机的配置上更倾向于选择以热制冷的溴化锂吸收式制冷机。
表1 不同置信度水平下设备配置情况
5种置信度水平下被选设备的年利用小时数如表2所示。
表2 不同置信度水平下设备年利用小时数
7、结论
为解决园区综合能源系统规划中短时间尺度负荷预测误差过大的问题并且很好地约束能源设备全生命周期的利用率，本文提出了一种计及风、光、荷不确定性的长时间尺度的园区综合能源系统随机规划模型。该模型采用设备年利用小时数作为设备整体利用率的约束，可在一定程度上保证综合能源系统的能源设备全生命周期的利用率在投资者的可接受范围内，同时该模型具有较高的鲁棒性，为风、光、荷不确定性环境下园区综合能源系统优化配置的理论提供了新的思路和方法。
作者简介
赵 瑾，重庆大学电气工程学院硕士研究生，研究方向为综合能源系统规划与运行。
雍 静，重庆大学电气工程学院教授，博士生导师，研究方向为配电系统电能质量分析、低压配电系统故障检测、建筑物电气安全、用户多能源系统等。
郇嘉嘉，广东电网发展研究院有限责任公司高级工程师，研究方向为综合能源规划与运行。
