考虑岸电负荷弹性的港区综合能源系统规划模型与方法

赵景茜， 米翰宁， 程昊文， 陈思捷

(上海交通大学 电力传输与功率变换控制教育部重点实验室，上海 200240)

为应对日益严峻的气候问题，我国提出了“碳达峰，碳中和”目标.对耗能大户进行节能减排改造，从源头上减少碳排放是实现双碳目标的关键[1].港区是典型的高能耗负荷集中园区[2]，对其进行节能减排改造迫在眉睫.

港区的一个重要碳排放来源为船只靠港期间的辅助发电机运转.船只自备辅助发电机燃油发电污染较高[3]，而使用岸上电源代替船用辅助发电机为靠港期间的船舶电力系统供电，可以有效降低港区能耗[4-6].此外，作为一种能源密集型园区，港区存在着冷、热、电、氢气和天然气等多种类型的负荷.传统港区中各类型能源供给缺少耦合与交互，造成能源过度消耗.综合能源系统可以实现多能协调互补，显著提升园区能量利用效率，降低用能成本，优化能源结构[7-8].因此，在港区建设综合能源系统可以显著降低港区能耗.

现有综合能源系统的研究对象大多为工业园区、校园或智能楼宇[9-13]，针对港区的综合能源系统研究非常少.区别于传统综合能源系统规划，港区负荷水平与到港船只情况与货运情况有关，且波动较大.此外，港区的地理条件使其拥有大量可开发的可再生能源.因此，规划港区综合能源系统时应因地制宜，结合港区负荷条件和供能潜力选择相关设备.文献[14]分析了天津港新能源发电潜力和负荷特性，论述了港区分布式能源系统建设的必要性.文献[15]以一个新加坡港口为例，分析了在港区使用能量管理系统带来的经济效益与减排效益.文献[16]研究了在港区部署新能源与储能设备，进而满足港区的岸电负荷.文献[17-18]针对港口货运特点, 在综合能源系统优化运行模型中考虑了港口综合需求响应.但现有研究默认到港船只均使用岸电，忽略岸电负荷的价格弹性和自主选择权，导致当前岸电项目存在“岸侧热、船侧冷”的窘境.市场环境下，船只会对比岸电服务费与自身发电成本，自主决定是否使用岸电，因此岸电负荷随岸电服务费的变动而动态变化，而这种特性也会影响港区的综合能源系统规划.

针对现有研究的不足，本文通过对船只行为决策精细化建模，构建了基于港船互动的弹性岸电负荷模型.通过岸电用电量和港区用能成本将弹性岸电负荷与港区综合能源系统规划相耦合，构建了计及岸电负荷弹性的港区综合能源系统规划模型.采用最佳响应法求解规划模型，极大地降低了模型求解复杂度，提升了模型求解效率.算例表明，本文模型能有效降低港区碳排放量与用能成本.本文研究可为港口节能改造提供理论基础.

1 考虑岸电改造的港区综合能源系统规划模型

1.1 综合能源系统规划模型

港区多能负荷包含冷、热、电、氢气和天然气，系统内部无法满足的电、氢气和天然气需求可以通过从外界购买.港区综合能源系统规划模型对系统内部的能源供给设备、能量转换设备和储能设备容量进行部署.

1.1.1目标函数 港区综合能源系统以经济效益最优为规划目标，目标函数如下式所示：

(1)

1.1.2供能设备运行约束 港区可选供能设备有风机和光伏，其输出受自然条件影响，具有间断性、波动性及随机性.运行约束为

(2)

1.1.3能源转换设备运行约束 能源转换设备可以把某种形式的能源转化为一种或多种其他形式的能源.对单输入单输出设备，能源转换设备输入j1类能量，输出j2类能量，则对该类设备输入输出建模为

(3)

对单输入多输出设备，设其输入j1类能量，输出JN类能量，其模型为

(4)

x∈JN,i∈JC, ∀t

能源转换设备运行约束为

(5)

∀i∈JR, ∀t

1.1.4能源存储设备运行约束 能源存储设备可以提升系统可靠性与灵活性，港区可选择建设的能源存储设备件有电池、储热设备、蓄冷设备、储气设备和储氢设备.储能设备的荷电状态(SOC)满足连续性约束：

(6)

储能设备的SOC应维持在上下限范围内，且在起始与结束阶段满足连续性：

(7)

Ωi(0)=Ωi(T), ∀i∈JS

(8)

储能设备的充能与放能功率应在上下限范围内，功率约束为

(9)

(10)

∀i∈JS, ∀t

1.1.5能量供需平衡约束 港区综合能源系统存在着多种类型的能源，除电之外的其他各类能源满足实时供需平衡约束：

(11)

由于岸电负荷量受岸电服务费的影响而动态变化，有必要建立弹性岸电负荷模型.对于电负荷，由于存在动态变化的岸电负荷Pos(πser,t)，其供能平衡约束区别于其他类型的负荷，考虑能源种类j为电力(ele)时，如下式所示：

(12)

1.2 岸电负荷弹性建模

在市场环境下，到港船舶会预估并比较自身用油、用电成本，选择是否使用岸电.因此，岸电负荷水平受船只到港顺序、船只自身属性及港口发布的岸电服务费影响.对已知的到港船舶数据集，t时刻的岸电负荷Pos(πser,t)是当前靠泊且选择使用岸电的船舶充电量的总和，则有：

(13)

式中：Wk(t)为船只k在t时刻的充电量；Xk为船只k的决策.弹性负荷模型充分考虑船只自主决策权，当用油成本大于用电成本时选择连接岸电，否则在靠港时继续使用自备辅助发电机供电，如下式所示：

(14)

(15)

(16)

(17)

2 考虑岸电改造的规划模型求解算法

2.1 模型分解方法

图1 弹性岸电负荷模型与综合能源系统规划模型耦合关系Fig.1 Coupling relation of dynamic shore power model and integrated energy system planning model

第1部分为综合能源系统规划模型，由式(1)～(12)组成.该模型是凸优化问题，可集中求解，通过求解该部分模型可以得到最优综合能源系统规划方案.第2部分为弹性岸电负荷模型，由式(13)～(17)组成，通过求解该部分模型可以得到弹性岸电负荷.在这种拆分方式下，两个模型通过港口用能成本和最优岸电服务费下的岸电负荷量相耦合.

2.2 基于主从博弈的弹性岸电负荷模型求解

在弹性岸电负荷模型中，由于港区拥有岸电服务费定价权，可以构建主从博弈描述该过程.博弈参与方为港区与船只群体，博弈顺序为：第1阶段港区决定岸电服务费，决策目标是自身收益最大化；第2阶段为船公司根据船只自身参数(停靠时间、用电功率、等待意愿、自备辅助发电机的油电转换效率)、油价、岸电服务费等因素决策是否使用岸电.博弈模型可表示为

G={(M∪Q); (sM∪sQ); (UM∪UQ)}

(18)

式中包含元素如下：

(1) 博弈参与者包括港区M(领导者)及船舶集合Q(跟随者)；

(2)sM={πser}为港区策略集合，包含所有岸电服务费πser的可能取值；sQ={Xk,k∈Q}为船只策略集合，包含所有船只策略组合；

(3)UM和UQ为船只与港区收益函数.

对于船只，以用能成本的负数代表收益，决策变量为是否使用岸电Xk，第k条船的收益函数UQ,k为

(19)

对于港区，收益函数UM即为港口在岸电服务中的营收，决策变量为岸电服务费πser，则有：

(20)

图2 弹性岸电负荷模型求解流程Fig.2 Flowchart of solving flexibility of shore power model

2.3 考虑岸电改造的规划模型求解

最佳响应法适用于分析或求解两个通过少量信息耦合的系统[19-20]，本文采用最佳响应法迭代求解上述两部分模型，算法如下所示.首先初始化港区用电边际电价，计算该用电成本下的港区最优岸电服务费，并计算对应的岸电量.其次，根据岸电负荷用电量求解港区综合能源系统规划方案，并得到此方案下对应的用电边际电价.随后将新的边际电价作为港区用电成本，重复迭代上述过程直至误差小于规定精度ω或达到最大迭代次数zmax.

算法1考虑岸电改造的综合能源系统规划方法

否则，更新迭代次数z←z+1, 返回步骤2.

3 算例分析

3.1 参数设置

港区从主网购电价格依据上海市工业用户分时电价，如图3所示，其中：πgrid为电网电价.天然气的价格为2.55 元/Nm3，热值为39.8 MJ/Nm3，折算后的价格为0.231元/(kW·h).氢气的价格为2.6 元/Nm3，热值为18.79 MJ/Nm3，折算后价格为0.498元/(kW·h).

图3 主网分时电价Fig.3 Time-of-use price of main grid

规划模型中风机建设成本为 6 000 元/(kW·h)，使用年限为20 a；光伏建设成本为10 000元/(kW·h)，使用年限为20 a.能源转换设备与储能设备的参数与效率如表1所示.

表1 待建能源转换设备与储能设备参数

3.2 结果分析

在港区部署综合能源系统后的最优岸电服务费为0.742元/(kW·h)，在该服务费下港区的年岸电负荷如图4所示.

由图4可知，最大时刻的岸电负荷用电量达到 10.8 MW·h，最低时刻为0 MW·h，表明在给定岸电服务费下，岸电负荷的用电量随船舶选择变化呈现出剧烈的波动性.证明了根据船只自身用能特性与岸电服务费对岸电负荷进行精细化建模的必要性.

图4 最优岸电服务费下港区岸电年用电量Fig.4 Annual electricity consumption of shore power of optimal service charge

港区综合能源系统计划部署设备种类及容量如图5所示.首先，对港区综合能源系统中的多能协调互补进行分析.图6展现了典型日内港区综合能源系统的电、热、冷、氢与天然气五种能源的实时供需平衡，其中：Pi描述各类能源流动量，正值代表输入，负值代表输出.从图6(a)可以看出，由于不计风机运行成本，优先考虑利用风机出力，在风机出力不足的时刻由外部购电、燃气轮机与电池提供不足的电量.在满足港区内岸电负荷与其他电负荷需求后，多余的风电一部分被电池存储，一部分被电解槽利用产氢，剩余部分被压缩式制冷机利用.从图6(b)可以看出该日的热负荷全部来源于燃气轮机，且在负荷高峰时刻由储热设备进行调节.产生的热能除了满足热负荷需求，还为吸收式制冷机供能.从图6(c)可以看出，在风能充足时刻系统冷能由压缩式制冷机供应，且多余的冷能由蓄冷装备存储，在风能不足时刻，除了蓄冷装置供冷外，吸收式制冷机会利用燃气轮机产生的热量补充不足的冷能.从图6(d)可以看出，在风电充足时刻系统氢气来源于电解槽，其余时刻主要来源于外部氢气网.从图6(e)可以看出，系统的天然气全部来源于外部气网，由于本地没有天然气负荷，天然气全部用于燃气轮机.

图5 港区综合能源系统规划结果Fig.5 Planning result of integrated energy system in the port area

图6 综合能源系统能量供需平衡Fig.6 Balance of energy supply and demand in integrated energy system

其次，对港区的经济效益进行分析.图7为港区内24 h各种形式能源的用能成本，其中：λ为系统对于不同种类能源的用能成本，由各类能源供需平衡等式的拉格朗日乘子计算得到.对于电能，与图3中的分时电价相比，全部时刻的用电成本均低于或等于图7中对应时刻的数值.氢能在 0:00—7:00 以及 20:00—24:00 时刻的用能成本低于从外部气网购气价格0.498元/(kW·h).由于系统规划方案中不存在产生天然气的设备，天然气的用能成本始终等于从气网购气价格.由图7可知，部署综合能源系统后，港区各种能源的用能成本大幅下降，因为多能协同机制可以保证系统以最经济的出力方式运行.部署综合能源系统的成本为172.4万元，在部署综合能源系统前，港口在最优岸电改造方案下盈利15.4万元，而部署综合能源系统设备后，港口在最优岸电方案下盈利60.8万元(计及用电成本).

图7 综合能源系统用能成本Fig.7 Price of energy in integrated energy system

对港区的减排效果进行分析.随着用电成本的下降，港区愿意降低岸电服务费以吸引更多船只使用岸电，整体增加岸电服务收益.因此，港区用电比例大幅提高，电气化率随之提高，耗能总量下降.综合能源系统规划前后港口耗能对比如表2所示.部署综合能源系统后，岸电用电总量提升10.03%，总能耗下降10.97%，电力占比提高17.3%.

表2 综合能源系统规划前后港口耗能对比Tab.2 Comparison of port energy consumption before and after integrated energy system planning

此外，由于港区约60%电负荷由本地风电机组供给，相较于电厂火电机组属无污染无排放的清洁能源，港区及全市污染气体排放下降.综合能源系统规划前后污染物年排放量对比如表3所示.在部署综合能源系统后，城市范围内SO2、NOx和CO2排放分别下降58.01%、61.09%和57.17%.

表3 综合能源系统规划前后污染物年排放量对比Tab.3 Comparison of annual pollutant emissions before and after integrated energy system planning

最终对求解算法的收敛性进行分析.由于规划模型是凸优化，采用分布式算法求解时具有较好的收敛性.在本文采用的最佳响应算法中，设置算法的收敛精度为ω=0.01，最大迭代次数zmax=30.两部分模型在迭代3次后达到收敛，误差分别为 8 411.2、17.1、0.证明本文采用的模型拆分方法与求解算法具有良好的收敛性，最佳响应法可以有效求解考虑岸电负荷弹性的港区综合能源系统规划模型.

4 结论

本文充分考虑船只与港口关于岸电服务费与岸电用电量之间的博弈，在建立弹性岸电负荷模型的基础上对港区综合能源系统进行规划.仿真结果表明，本文模型能有效提升港区电气化率，降低能耗与污染排放，显著增加港区收益，所获得的具体结论如下.

(1) 综合能源系统部署使港区供能成本下降90%，同时激励港区岸电改造且提升岸电改造收益至改造前的4倍.

(2) 考虑岸电改造，港区总能耗比无岸电改造下降52%，电力占比增加70.6%；部署综合能源系统后，港区总能耗进一步下降11%，电力占比提高17%.

(3) 部署综合能源系统后，港区约60%电负荷由本地风电机组供给，港区及全市污染气体排放下降，城市范围内SO2、NOx和CO2排放分别下降58.01%、61.09%和57.17%.

本文研究对港区的规划与决策具有较好的借鉴意义，在本文研究的基础上，后续研究可以对港区其他类型负荷精细化建模，考虑港口综合需求响应与负荷调度，优化港区用能策略.