全可再生能源热电气储耦合供能系统优化调控分析

许 乐

(淮南电力检修有限责任公司，淮南 232000)

0 引 言

为建设资源节约、环境友好社会，可再生能源利用的受关注程度不断提升，有机耦合多种能源的多能互补综合能源系统便属于各界关注焦点，该系统在能源利用效率等方面优势显著，但对实时控制、不确定性应对、反馈校正的要求较高。为更好利用各类可再生能源，正是本文围绕系统优化调控开展研究的原因所在。

1 优化调控框架搭建

本文研究对象为全可再生能源热电气储耦合供能系统(简称耦合供能系统)，图1为耦合供能系统的典型组成，其输入能源涵盖热能、风能、太阳能、生物质能，依托风机、内燃机、集热器、光伏电池板等设备，即可完成向二次能源的转化，具体涉及热能、冷能、电能，进而满足终端用户需要，为实现对电力负荷波动的平衡，系统配置有电储能。

结合图1进行分析可以发现，自然条件会对可再生能源带来一定制约，光能、风能出力受此影响会出现不确定性特征，进而导致耦合在转换能源过程中产生，存在显著区别的能源负荷响应尺度带来的影响也需要得到重视，如发电设备、生物质气化存在分钟级负荷响应，光伏、风电存在秒级的负荷响应，因此调控系统需要同时关注能源多时间尺度响应、供能形式分配及相关波动和随机问题，这直接影响系统运行经济性和安全性，因此本文提出图2所示优化调控框架，该框架的内、外部扰动基于时间颗粒度细分为快、较快、较慢、慢扰动，这类波动应对采用的多时间尺度协调优化机制涉及秒级、分钟级、小时级优化，包括实时控制、日内优化、日前优化。秒级优化需要闭环调节工艺参数，具体以最佳负荷指令为依据。分钟级优化需要以小时级优化为基础开展闭环优化，反馈校正用户负荷与可再生能源出力的随机性波动，进行得到最佳负荷指令。小时级优化需要聚焦内燃机组、气化炉等设备的储能充放及运行方式，进而实现对应基点负荷指令确定。在小时级优化和分钟级优化支持下，系统能够最终实现实时控制[1]。

图1 系统构成

图2 优化调控框架

2 优化调控模型

为实现对耦合供能系统的优化调控，本节将针对性建设优化调控模型，具体涉及小时级优化模型、分钟级优化模型，在两种模型支持下，可最终实现耦合供能系统的实时控制，充分发挥其性能优势。

2.1 小时级优化模型

考虑到图1所示系统缺乏稳定供能设备，如电制冷机组、燃煤机组，为保证系统安全、稳定运行，小时级优化模型需要考虑存在不确定性的用户负荷和可再生能源出力预测，因此本文研究的小时级优化模型参照鲁棒优化建设，模型建设目标为最低成本，具体可得到：

(1)

(2)

(3)

2.2 分钟级优化模型

由于系统运行过程中随机性波动同时存在于负荷侧与能源侧，因此需要设法动态调整小时级优化结果，因此本文设计的分钟级优化模型采用模型预测控制方法，该方法能够基于预测模型和当前状态对未来的被控系统动态行为进行预测，以此得到的先验知识能够较好满足优化控制需要，对于运行过程中的被控制对象来说，考虑到其存在不确定的系统状态、较大干扰等特性，可基于持续开展的滚动优化，最大程度控制建模误差、外部干扰等因素造成的不良影响，系统最优化控制方案可最终顺利获取，因此建立图3所示的分钟级优化模型。

图3 分钟级优化模型

结合图3进行分析可以发现，该模型能够对冷热电负荷和可再生能源出力进行预测，模型中的M、K分别为优化计算周期、时刻，各设备在耦合供能系统中的最优负荷指令增量可通过计算求得，通过重复滚动优化，在实际测量信息和优化得到的最优负荷指令支持下，调度计划能够在所有时段逐步生成，图3所示模型可以表示为：

(4)

3 仿真分析

结合图1开展仿真，其中光热、风电、光伏、内燃机、热泵装机容量分别为500、1 200、1 000、600、1 200 kW，储能配置规格为50 kW，结合上文模型，可得到小时级模式优化结果，同时应用多时间尺度优化模型，可针对性得到热负荷与电负荷优化调度，具体结果如图4所示。

图4 热负荷(左)与电负荷(右)优化调度结果

结合图3进行分析可以发现，本文研究的优化调控模型能够保证可再生能源100%服务于图1所示系统的正常运行。图4(左)中内燃机需要启动于上午八点，这会导致弃风率在上午九点出现，但存在不确定性的风电预测影响能够由此消除，电储能调节可有序开展，低谷风电在凌晨一点至四点开展储能，释放于下午四点、晚间八点，以此调峰。图4(右)充分考虑了发电负荷带来的约束，对于同时产生两种负荷的内燃机，这种约束能够较好合理分配多种能源。本文研究的优化调控模型在稳定性方面优势明显，这能够弥补耦合功能系统存在的最大短板。如每天热负荷、电负荷分别为800、1 000 kW，基于优化调控模型的耦合功能系统每天可实现8 t煤炭节约。

4 结束语

综上所述，耦合功能系统的实用性较高。在此基础上，本文涉及的小时级优化模型、分钟级优化模型、仿真分析等内容，则提供了可行性较高的耦合功能系统优化调控路径。为更好推广耦合功能系统，系统与绿色建筑的融合、新型算法应用同样需要得到重视。