中国电力 ›› 2025, Vol. 58 ›› Issue (1): 128-140.DOI: 10.11930/j.issn.1004-9649.202404018
鲁玲1,2(), 苑涛1(
), 杨波3(
), 李欣1,2(
), 鲁洋1, 蒲秋平1, 张鑫1
收稿日期:
2024-04-01
出版日期:
2025-01-28
发布日期:
2025-01-23
作者简介:
鲁玲(1979—),女,通信作者,硕士,副教授,从事综合能源系统运行与规划、电力设备状态监测与智能决策研究,E-mail:luling@ctgu.edu.cn基金资助:
Ling LU1,2(), Tao YUAN1(
), Bo YANG3(
), Xin LI1,2(
), Yang LU1, Qiuping PU1, Xin ZHANG1
Received:
2024-04-01
Online:
2025-01-28
Published:
2025-01-23
Supported by:
摘要:
为实现能量高质量、高效率的利用,同时提高系统供能可靠性,针对含高比例的可再生能源的区域综合能源系统,引入“㶲”的概念,提出了一种计及㶲效率和多重不确定性的双层优化方法。首先,建立了区域综合能源系统的多能耦合模型,进行㶲分析和多重不确定性分析,并且针对风光不确定性、负荷和能源价格波动的不同特点,分别采取多场景随机规划和区间优化的方法进行处理。然后,建立了上层以㶲效率和经济性为优化目标,下层以运行成本最低为优化目标,兼顾系统容量规划和调度运行的双层协同优化模型。最后,选取某园区进行算例分析,验证了所提方法的有效性,与其他不确定因素相比,电负荷的波动对系统的经济和㶲效率影响更大。
鲁玲, 苑涛, 杨波, 李欣, 鲁洋, 蒲秋平, 张鑫. 计及㶲效率和多重不确定性的区域综合能源系统双层优化[J]. 中国电力, 2025, 58(1): 128-140.
Ling LU, Tao YUAN, Bo YANG, Xin LI, Yang LU, Qiuping PU, Xin ZHANG. Two-Layer Optimization of Regional Integrated Energy System Considering Exergy Efficiency and Multiple Uncertainties[J]. Electric Power, 2025, 58(1): 128-140.
能量类型 | 品质系数 | |
电能 | 1.00 | |
天然气 | 0.51 | |
热能 | 0.10~0.20 | |
冷能 | 0.05~0.08 |
表 1 能量品质系数
Table 1 Energy quality coefficient
能量类型 | 品质系数 | |
电能 | 1.00 | |
天然气 | 0.51 | |
热能 | 0.10~0.20 | |
冷能 | 0.05~0.08 |
时段 | 电价/ (元·(kW·h)–1) | 天然气价格/ (元·m–3) | 碳税/ (元·(kgCO2)–1) | |||
10:00—14:00 | 1.040 | 2.37 | 0.23 | |||
19:00—22:00 | ||||||
00:00—07:00 | 0.315 | |||||
23:00—24:00 | ||||||
其他 | 0.630 |
表 2 价格参数
Table 2 Price parameters
时段 | 电价/ (元·(kW·h)–1) | 天然气价格/ (元·m–3) | 碳税/ (元·(kgCO2)–1) | |||
10:00—14:00 | 1.040 | 2.37 | 0.23 | |||
19:00—22:00 | ||||||
00:00—07:00 | 0.315 | |||||
23:00—24:00 | ||||||
其他 | 0.630 |
设备 | 能源转换效率 | 㶲效率 | 单位成本/ (元·(kW)–1) | 运维成本/ (元·(kW·h)–1) | ||||
WT | 0.32 | 1.000 | 0.030 | |||||
PV | 0.16 | 1.000 | 0.030 | |||||
STC | 0.60 | 1.000 | 0.030 | |||||
CCHP | 0.88 | 0.745 | 0.300 | |||||
PtG | 0.60 | 0.306 | 0.150 | |||||
EB | 0.95 | 0.190 | 0.032 | |||||
GB | 0.85 | 0.283 | 850 | 0.020 | ||||
AC | 0.85 | 0.295 | 0.042 | |||||
EC | 3.00 | 0.245 | 0.077 |
表 3 设备参数
Table 3 Parameters of equipment
设备 | 能源转换效率 | 㶲效率 | 单位成本/ (元·(kW)–1) | 运维成本/ (元·(kW·h)–1) | ||||
WT | 0.32 | 1.000 | 0.030 | |||||
PV | 0.16 | 1.000 | 0.030 | |||||
STC | 0.60 | 1.000 | 0.030 | |||||
CCHP | 0.88 | 0.745 | 0.300 | |||||
PtG | 0.60 | 0.306 | 0.150 | |||||
EB | 0.95 | 0.190 | 0.032 | |||||
GB | 0.85 | 0.283 | 850 | 0.020 | ||||
AC | 0.85 | 0.295 | 0.042 | |||||
EC | 3.00 | 0.245 | 0.077 |
项目 | 方案1 | 方案2 | 方案3 | 方案4 | ||||
运维成本/元 | ||||||||
能耗成本/元 | ||||||||
碳排放成本/元 | ||||||||
运行成本/元 | ||||||||
投资成本/元 | ||||||||
总成本/元 | ||||||||
㶲效率/% | 63.59 | 60.42 | 69.59 | 66.89 | ||||
能源利用效率/% | 80.79 | 87.85 | 83.04 | 87.03 |
表 4 不同方案下经济性和能效对比
Table 4 Comparison of economy and energy efficiency under different schemes
项目 | 方案1 | 方案2 | 方案3 | 方案4 | ||||
运维成本/元 | ||||||||
能耗成本/元 | ||||||||
碳排放成本/元 | ||||||||
运行成本/元 | ||||||||
投资成本/元 | ||||||||
总成本/元 | ||||||||
㶲效率/% | 63.59 | 60.42 | 69.59 | 66.89 | ||||
能源利用效率/% | 80.79 | 87.85 | 83.04 | 87.03 |
成本类型 | 区间/元 | 区间平 均值/元 | 区间宽度/ 元 | 相对区 间差/% | ||||
碳排放成本 | [ | 43.4 | ||||||
能耗成本 | [ | 37.0 | ||||||
运维成本 | [ | 16.1 | ||||||
运行成本 | [ | 31.0 | ||||||
投资成本 | [ | 4.8 | ||||||
总成本 | [ | 24.5 |
表 5 区间优化运行经济结果
Table 5 Economic results of interval optimization operation
成本类型 | 区间/元 | 区间平 均值/元 | 区间宽度/ 元 | 相对区 间差/% | ||||
碳排放成本 | [ | 43.4 | ||||||
能耗成本 | [ | 37.0 | ||||||
运维成本 | [ | 16.1 | ||||||
运行成本 | [ | 31.0 | ||||||
投资成本 | [ | 4.8 | ||||||
总成本 | [ | 24.5 |
项目 | 区间 | 区间平 均值 | 区间宽度 | 相对区 间差 | ||||
能源利用效率 | [86.52, 87.53] | 87.025 | 1.01 | 1.15 | ||||
㶲效率 | [64.19, 67.78] | 65.985 | 3.59 | 5.30 |
表 6 区间优化运行能效结果
Table 6 Energy efficiency results of interval optimization operation 单位:%
项目 | 区间 | 区间平 均值 | 区间宽度 | 相对区 间差 | ||||
能源利用效率 | [86.52, 87.53] | 87.025 | 1.01 | 1.15 | ||||
㶲效率 | [64.19, 67.78] | 65.985 | 3.59 | 5.30 |
波动类型 | 碳排放 成本 | 能耗 成本 | 运维 成本 | 运行 成本 | 投资 成本 | 总成本 | 㶲效率 | |||||||
电价波动EP | 0.69 | 8.86 | 1.88 | 7.60 | 0.28 | 6.09 | 0.23 | |||||||
电负荷波动EL | 18.24 | 14.26 | 1.60 | 12.74 | 0.55 | 10.06 | 7.39 | |||||||
气价波动GP | 0.68 | 5.38 | 1.56 | 4.29 | 0.15 | 3.42 | 0.06 | |||||||
气负荷波动GL | 3.45 | 2.32 | 6.00 | 1.24 | 0.72 | 0.43 | 0.37 |
表 7 单一不确定因素波动下的相对区间差
Table 7 The relative interval difference under the fluctuation of one single uncertain factor 单位:%
波动类型 | 碳排放 成本 | 能耗 成本 | 运维 成本 | 运行 成本 | 投资 成本 | 总成本 | 㶲效率 | |||||||
电价波动EP | 0.69 | 8.86 | 1.88 | 7.60 | 0.28 | 6.09 | 0.23 | |||||||
电负荷波动EL | 18.24 | 14.26 | 1.60 | 12.74 | 0.55 | 10.06 | 7.39 | |||||||
气价波动GP | 0.68 | 5.38 | 1.56 | 4.29 | 0.15 | 3.42 | 0.06 | |||||||
气负荷波动GL | 3.45 | 2.32 | 6.00 | 1.24 | 0.72 | 0.43 | 0.37 |
1 | 吕佳炜, 张沈习, 程浩忠, 等. 考虑互联互动的区域综合能源系统规划研究综述[J]. 中国电机工程学报, 2021, 41 (12): 4001- 4021. |
LYU Jiawei, ZHANG Shenxi, CHENG Haozhong, et al. Review on district-level integrated energy system planning considering interconnection and interaction[J]. Proceedings of the CSEE, 2021, 41 (12): 4001- 4021. | |
2 | 张海静, 杨雍琦, 赵昕, 等. 计及需求响应的区域综合能源系统双层优化调度策略[J]. 中国电力, 2021, 54 (4): 141- 150. |
ZHANG Haijing, YANG Yongqi, ZHAO Xin, et al. Two-level optimal dispatching strategy for regional integrated energy system considering demand response[J]. Electric Power, 2021, 54 (4): 141- 150. | |
3 | 赵乃新, 顾文波, 美合日阿依·穆太力普. 考虑低碳经济运行的四联供综合能源系统优化调度[J]. 热力发电, 2023, 52 (4): 54- 62. |
ZHAO Naixin, GU Wenbo, Meiheriayi MUTAILIPU. Optimial dispatching of electricity-gas-heat-cooling integrated energy system considering low-carbon economy[J]. Thermal Power Generation, 2023, 52 (4): 54- 62. | |
4 | 李欣, 刘立, 黄婧琪, 等. 含耦合P2G和CCS的园区级综合能源系统优化调度[J]. 电力系统及其自动化学报, 2023, 35 (4): 18- 25. |
LI Xin, LIU Li, HUANG Jingqi, et al. Optimal scheduling of park-level integrated energy system with coupling of P2G and CCS[J]. Proceedings of the CSU-EPSA, 2023, 35 (4): 18- 25. | |
5 | 国家市场监督管理总局, 国家标准化管理委员会. 能量系统 分析技术导则: GB/T 14909—2021[S]. 北京: 中国标准出版社, 2021. |
6 | 胡枭, 李少伦, 王丹, 等. 㶲在综合能源系统中的理论、模型、应用综述及展望[J]. 电力建设, 2024, 45 (03): 1- 15. |
HU Xiao, LI Shaolun, WANG Dan, et al. Review and prospect of exergy in theory, modelling, and applications of integrated energy systems[J]. Electric Power Construction, 2024, 45 (03): 1- 15. | |
7 | 胡枭. 考虑能量品质的区域综合能源系统优化规划研究[D]. 上海上海交通大学, 2020. |
HU Xiao. Research on optimal planning of regional integrated energy systems considering energy quality[D]. Shanghai: Shanghai Jiao Tong University, 2020. | |
8 | 田立亭, 程林, 李荣, 等. 基于加权有向图的园区综合能源系统多场景能效评价方法[J]. 中国电机工程学报, 2019, 39 (22): 6471- 6483. |
TIAN Liting, CHENG Lin, LI Rong, et al. A multi-scenario energy efficiency evaluation method for district multi-energy systems based on weighted directed graph[J]. Proceedings of the CSEE, 2019, 39 (22): 6471- 6483. | |
9 |
SU H L, HUANG Q F, WANG Z D. An energy efficiency index formation and analysis of integrated energy system based on exergy efficiency[J]. Frontiers in Energy Research, 2021, 9, 723647.
DOI |
10 | 何帅, 刘念, 盛超群, 等. 多能源枢纽联合运行的? 损最小化分布式优化调度[J]. 电力系统自动化, 2021, 45 (9): 28- 37. |
HE Shuai, LIU Nian, SHENG Chaoqun, et al. Distributed optimal scheduling for minimizing exergy loss based on joint operation of multiple energy hubs[J]. Automation of Electric Power Systems, 2021, 45 (9): 28- 37. | |
11 | 陈聪, 沈欣炜, 夏天, 等. 计及效率的综合能源系统多目标优化调度方法[J]. 电力系统自动化, 2019, 43 (12): 60- 67, 121. |
CHEN Cong, SHEN Xinwei, XIA Tian, et al. Multi-objective optimal dispatch method for integrated energy system considering exergy efficiency[J]. Automation of Electric Power Systems, 2019, 43 (12): 60- 67, 121. | |
12 |
WANG Y L, HUANG F F, TAO S Y, et al. Multi-objective planning of regional integrated energy system aiming at exergy efficiency and economy[J]. Applied Energy, 2022, 306, 118120.
DOI |
13 | 王丹, 周天烁, 李家熙, 贾宏杰. 面向能源转型的高(火用)综合能源系统理论与应用[J]. 电力系统自动化, 2022, 46 (17): 114- 131. |
WANG Dan, ZHOU Tianshuo, LI Jiaxi, et al. Theory and application of high-exergy integrated energy system for energy transition[J]. Automation of Electric Power Systems, 2022, 46 (17): 114- 131. | |
14 | 张敏, 王金浩, 常潇, 等. 考虑可再生能源不确定性的热-电耦合微能源系统多目标鲁棒规划方法[J]. 中国电力, 2021, 54 (4): 119- 129, 140. |
ZHANG Min, WANG Jinhao, CHANG Xiao, et al. A multi-objective robust planning method for thermal-electrical coupling micro-energy system considering the uncertainty of renewable energy[J]. Electric Power, 2021, 54 (4): 119- 129, 140. | |
15 | 杜永峰. 计及风光不确定性的电气热综合能源系统日前区间优化[J]. 热力发电, 2022, 51 (2): 85- 91. |
DU Yongfeng. Day-ahead interval optimization of electricity-gas-heat integrated energy system considering uncertainty of wind and PV[J]. Thermal Power Generation, 2022, 51 (2): 85- 91. | |
16 |
徐楠, 赵子豪, 张丹阳, 等. 双碳目标下考虑风光不确定性的综合能源系统规划研究[J]. 可再生能源, 2023, 41 (2): 236- 242.
DOI |
XU Nan, ZHAO Zihao, ZHANG Danyang, et al. Research on integrated energy system planning considering wind and solar uncertainty under dual-carbon target[J]. Renewable Energy Resources, 2023, 41 (2): 236- 242.
DOI |
|
17 | 郭祚刚, 徐敏, 于浩, 等. 考虑多重不确定性的园区综合能源系统区间优化调度[J]. 中国电力, 2022, 55 (11): 121- 128, 141. |
GUO Zuogang, XU Min, YU Hao, et al. Interval optimal dispatching of community integrated energy system considering multiple uncertainties[J]. Electric Power, 2022, 55 (11): 121- 128, 141. | |
18 | 曾贤强, 张警卫, 王晓兰. 计及多重不确定性及光热电站参与的区域综合能源系统配置与运行联合优化[J]. 高电压技术, 2023, 49 (1): 353- 363. |
ZENG Xianqiang, ZHANG Jingwei, WANG Xiaolan, et al. Optimal Configuration of Regional Integrated Energy System Taking Into Account Multiple Uncertainties and the Participation of Concentrating Solar Power Stations[J]. High Voltage Engineering, 2023, 49 (1): 353- 363. | |
19 | 仇知, 王蓓蓓, 贲树俊, 等. 计及不确定性的区域综合能源系统双层优化配置规划模型[J]. 电力自动化设备, 2019, 39 (8): 176- 185. |
QIU Zhi, WANG Beibei, BEN Shujun, et al. Bi-level optimal configuration planning model of regional integrated energy system considering uncertainties[J]. Electric Power Automation Equipment, 2019, 39 (8): 176- 185. | |
20 | 崔杨, 郭福音, 仲悟之, 等. 多重不确定性环境下的综合能源系统区间多目标优化调度[J]. 电网技术, 2022, 46 (8): 2964- 2975. |
CUI Yang, GUO Fuyin, ZHONG Wuzhi, et al. Interval multi-objective optimal dispatch of integrated energy system under multiple uncertainty environment[J]. Power System Technology, 2022, 46 (8): 2964- 2975. | |
21 | 程杉, 程颖, 贺彩, 等. 考虑不确定性的配电网-多综合能源系统分布式协同规划[J]. 电力自动化设备, 2024, 44 (11): 24- 32. |
CHENG Shan, CHENG Ying, HE Cai, et al. Electric distributed collaborative planning of distribution network-multiple integrated energy systems considering uncertainty[J]. Power Automation Equipment, 2024, 44 (11): 24- 32. | |
22 | 邓倩文, 李奇, 邱宜彬, 等. 考虑多类型灵活性资源联合运行的综合能源系统优化配置方法[J/OL]. 上海交通大学学报, 1–24[2024-04-20. https://doi.org/ 10.16183/ j.cnki.jsjtu.2023.457. |
DENG Qianwen, LI Qi, QIU Yibin, et al. Optimal allocation method of integrated energy system considering joint operation of multi-type flexible resources[J/OL]. Journal of Shanghai Jiaotong University: 1–24 [2024-04-20]. https://doi.org/10.16183/j.cnki.jsjtu.2023.457. | |
23 | 袁铁江, 曹继雷. 计及风电-负荷不确定性的风氢低碳能源系统容量优化配置[J]. 高电压技术, 2022, 48 (6): 2037- 2044. |
YUAN Tiejiang, CAO Jilei. Capacity optimization allocation of wind hydrogen low-carbon energy system considering wind power-load uncertainty[J]. High Voltage Engineering, 2022, 48 (6): 2037- 2044. | |
24 | 周星球, 郑凌蔚, 杨兰, 等. 考虑多重不确定性的综合能源系统日前优化调度[J]. 电网技术, 2020, 44 (7): 2466- 2473. |
ZHOU Xingqiu, ZHENG Lingwei, YANG Lan, et al. Day-ahead optimal dispatch of an integrated energy system considering multiple uncertainty[J]. Power System Technology, 2020, 44 (7): 2466- 2473. | |
25 | 尚文强, 李广磊, 丁月明, 等. 考虑源荷不确定性和新能源消纳的综合能源系统协同调度方法[J]. 电网技术, 2024, 48 (2): 517- 532. |
SHANG Wenqiang, LI Guanglei, DING Yueming, et al. Collaborative scheduling for integrated energy system considering uncertainty of source load and absorption of new energy[J]. Power System Technology, 2024, 48 (2): 517- 532. | |
26 | 杨经纬, 张宁, 王毅, 等. 面向可再生能源消纳的多能源系统: 述评与展望[J]. 电力系统自动化, 2018, 42 (4): 11- 24. |
YANG Jingwei, ZHANG Ning, WANG Yi, et al. Multi-energy system towards renewable energy accommodation: review and prospect[J]. Automation of Electric Power Systems, 2018, 42 (4): 11- 24. | |
27 | 胡枭, 尚策, 陈东文, 等. 考虑能量品质的区域综合能源系统多目标规划方法[J]. 电力系统自动化, 2019, 43 (19): 22- 31, 139. |
HU Xiao, SHANG Ce, CHEN Dongwen, et al. Multi-objective planning method for regional integrated energy systems considering energy quality[J]. Automation of Electric Power Systems, 2019, 43 (19): 22- 31, 139. | |
28 | 鲁玲, 苑涛, 王敏, 等. 考虑(火用)效率的区域综合能源系统配置与调度双层优化[J]. 可再生能源, 2024, 42 (10): 1381- 1389. |
LU Ling, YUAN Tao, WANG Min, et al. Two-layer optimization of regional integrated energy system configuration and dispatching considering exergy efficiency[J]. Renewable Energy Resources, 2024, 42 (10): 1381- 1389. |
[1] | 姜通海, 王峰, 刘子琪, 单帅杰. 基于改进生成对抗网络的风光气象资源联合场景生成方法[J]. 中国电力, 2025, 58(3): 183-192. |
[2] | 汤明润, 李若旸, 刘慕然, 程晓钰, 刘铫, 杨淑霞. 电力系统稳态下可再生能源大规模接入量预测[J]. 中国电力, 2025, 58(2): 126-132. |
[3] | 黄堃, 付明, 翟家祥, 华昊辰. 基于改进线性化ADMM的多微网经济运行分布式协调优化[J]. 中国电力, 2025, 58(2): 193-202. |
[4] | 邹小燕, 张瑞宏. 考虑政府干预的可再生能源与储能企业合作模式演化博弈研究[J]. 中国电力, 2025, 58(1): 153-163. |
[5] | 张旭, 王淳, 胡奕涛, 陈锐凯, 刘昆, 郭志东, 钟俊勋. 面向短时过载及长期轻载的配变侧储能配置与调度双层优化[J]. 中国电力, 2025, 58(1): 174-184. |
[6] | 邵冲, 胡荣义, 余姣, 王明典. 考虑荷电与储氢状态的风光氢储系统动态控制仿真模型[J]. 中国电力, 2024, 57(7): 109-124. |
[7] | 胡旭, 安锐坚, 杜宇晨, 施啸寒, 王越. 欧洲—北非氢能协同发展研究[J]. 中国电力, 2024, 57(7): 151-162. |
[8] | 武群丽, 朱新宇. 可再生能源配额制下风光储联合参与现货市场的交易决策[J]. 中国电力, 2024, 57(4): 77-88. |
[9] | 王麒翔, 韩震焘, 梁毅. 基于博弈论均衡的风险防控经济调度分析[J]. 中国电力, 2024, 57(10): 69-77. |
[10] | 周健, 冯楠, 季怡萍, 冯煜尧, 王帅, 李少岩. 考虑源网协同支撑作用的含新能源电力系统网架重构决策优化方法[J]. 中国电力, 2024, 57(10): 150-157. |
[11] | 王世杰, 冯天波, 孙宁, 何可, 李嘉文, 杨程, 崔昊杨. 考虑电-气-热耦合和需求响应的虚拟电厂优化调度策略[J]. 中国电力, 2024, 57(1): 101-114. |
[12] | 但扬清, 王蕾, 郑伟民, 武佳卉, 王晨轩, 余高旺. 高比例可再生能源接入背景下电网承载能力鲁棒提升策略[J]. 中国电力, 2023, 56(9): 104-111. |
[13] | 武震, 霍彦达, 张翼, 黄巨龙, 戴剑锋. 考虑新能源发电量季节性分布的省区级季节性储能需求测算方法[J]. 中国电力, 2023, 56(8): 40-47. |
[14] | 薛贵元, 吴垠, 诸晓骏, 谈健, 明昊. 计及用能权配额约束的发电商竞价策略双层优化方法[J]. 中国电力, 2023, 56(5): 51-61. |
[15] | 汤芳, 代红才, 张宁, 吴越, 薛美美, 陈睿. 能耗双控向碳排放双控转变影响分析及推进路径设计[J]. 中国电力, 2023, 56(12): 255-261. |
阅读次数 | ||||||
全文 |
|
|||||
摘要 |
|
|||||