考虑能量梯级利用的工厂综合能源系统多能协同优化
本文提出一种考虑能量梯级利用的工厂综合能源系统多能协同优化模型，实现热能的综合梯级利用，提升经济效益和能源利用率。
问题源起
综合能源系统是能源互联网的重要物理载体，利用各个能源系统在时空上的耦合机制，实现多能互补、能源梯级利用，是破解中国能源困局的重要战略之一。目前，综合能源系统多能协同优化模型的相关研究已较为完善，但均未充分考虑热能的梯级利用，未能实现系统内动力、中温、低温余热等不同品位能量的耦合与转换利用，且目前的研究成果对工厂典型供能结构适应性不强。
为此，本文针对工厂典型供能结构，对工厂中的能量生产设备、能量转换设备以及能量存储设备进行独立建模，充分考虑热能对口的温度利用区间以及相应的利用技术，实现热能的综合梯级利用，进一步完善工厂综合能源系统多能协同优化模型。最后，采用混合整数线性规划法进行求解，实现工厂生产流程和设备运行参数的综合优化。
主要思路
热能的梯级利用
能量的科学利用思想可表述为：“品位对口，梯级利用”。
热能的综合利用主要涉及以下两个方面。1) 热能的品位；2) 热能的数量和利用效果。工厂根据热能的品位对输入的能量及内部能源进行综合利用，来达到更高的能源利用率。
工厂综合能源系统供能架构
本文研究的工厂典型综合能源供能架构如图所示。该系统通过集中式电力母线和公共电网交换电力，采用“自发自用、余量上网”的运行机制；园区内存在大型热电联供系统，园区内的工业用户可向热电联供系统购买蒸汽，以满足蒸汽负荷需求。
该系统架构优先向各个能量循环子系统提供合适品位的输入能流，从系统层面合理安排各种能量之间的配合与转换利用，充分利用循环余热，实现“品位对口”的能量综合梯级利用。
综合能源系统内的主要设备模型：
1、能量生产设备：1) 燃气轮机；2) 燃气锅炉；3) 光伏机组。
2、能量转换设备：1) 吸收式制冷机；2) 户用空调；3) 冰蓄冷装置；4) 蒸汽驱动设备。
3、能量存储设备：1) 电池储能
综合能源系统多能协同优化模型
1、优化目标：以运行维护成本$C_{OM}$、购电成本$C_{ES}$、购热成本$C_{H}$、储能折旧成本$C_{BW}$、燃料成本$C_{F}$构成的日运行费用$C_{ATC}$最小为优化的目标函数。即${\rm min} C_{ATC}=C_{OM}+C_{E}+C_{BW}+C_{F}+C_{H}$
2、约束条件：1) 电功率平衡约束；2) 热功率平衡约束；3) 冷功率平衡约束；4) 设备运行约束；5) 储能设备约束
3、优化求解：采用混合整数线性规划法来求解上述优化模型。
主要贡献
本文针对工厂综合能源系统的多能协同优化问题，遵循“品位对口，梯级利用”的科学用能思想，按热能品位高低进行梯级利用，对综合能源系统中的能量生产设备、能量转换设备以及能量存储设备进行独立建模，提出了考虑能量梯级利用的多能协同模型，进一步完善了综合能源系统经济优化调度模型。采用混合整数线性规划法对所提模型进行求解。
结论、思考与讨论
本文所提的优化策略有以下几个优势。
通过尽可能向各系统提供合适品位的输入能流，实现各种能量之间的配合与转换利用关系的合理安排。
充分利用了工厂中的循环余热，实现系统流程和参数的综合优化，减小系统的不可逆损失，获得总能系统性能最优。
较传统优化策略，系统的日运行费用更低，更贴近工程实际。
本文尚未考虑可再生能源与冷热电负荷的随机性。当日内运行时，可再生能源出力或负荷波动较大时，应如何及时调整各个设备的运行方式，是下一步的研究方向。
文章链接
徐航,董树锋,何仲潇,施云辉.考虑能量梯级利用的工厂综合能源系统多能协同优化[J].电力系统自动化,2018,42(14):123-130.
若对于本文有任何疑问或者建议，请联系作者：xuhang_1994@zju.edu.cn。
版权声明：本文由SGOOL团队创作和发表，转载或引用本文内容请注明作者及出处。