西北地区绿色能源互联网结构多目标优化调整方法

李 立，张林森，田永华

(宁夏中科嘉业新能源研究院(有限公司)，宁夏 银川 750001)

目前能源问题受到全球范围的重视，越来越多的国家开始积极对可再生能源包括太阳能、风能等进行综合利用。由此，各国均提出综合能源利用效率的最大幅度提升以及新能源的最大限度利用与开发的绿色能源系统[1]。绿色能源互联网是将电力系统作为整体核心，突破供热、供冷、供气、供电等能源系统独立运营和单独设计规划的现有模式，在运营、建设、设计、规划等过程中，对各种能源的消费、存储、转化、分配等环节进行有机优化协调，达到高效、综合利用能源目的的区域能源绿色新型供应系统[2]。对绿色能源互联网进行建设，能够促进规模化开发清洁能源、提升能源综合利用效率，对于环境的保护以及基础社会设施利用率的提升均有重要意义，因此对绿色能源互联网进行研究已成为能源领域的重点研究方向。基于该背景，同时考虑电负荷与热负荷，研究绿色能源互联网的结构多目标优化调整问题。

针对该领域大量学者对其进行了研究，并取得一定的研究成果。文献[3]提出区域综合能源系统多目标优化调度方法，构建电-气-热多种能源耦合的系统框架，对区域综合能源系统运行经济性进行分析，采用多目标加权模糊规划方法，协调运行成本和系统整体运行经济性。该方法能够有效增强运行经济性，但电力运行波动较大。文献[4]提出电-气互联系统多目标优化模型，采用线性化方法，构建混合整数线性规划模型，通过气电解耦优化方式，分散自治电-气系统，分解系统多目标优化问题，利用独立优化器求解多目标优化子问题，根据交换边界变量和虚拟目标因子，获取全局调整多目标解。该方法能够有效提高系统信息私密性，但该方法未考虑能源互联网结构运行规律，存在较大的电力运行波动问题。针对上述问题，根据西北地区绿色能源互联网的具体情况，提出了西北地区绿色能源互联网结构多目标优化调整方法。

1 西北地区绿色能源使用情况

1.1 煤电情况

宁夏的煤炭储量丰富，是我国富煤省区之一。全区2 000 m以浅含煤面积9 598.16 km2，煤炭资源量1 932.83亿t，其中1 000 m以浅含煤面积3 570.67 km2，煤炭资源量593.47亿t。全区累计探明煤炭储量461.82亿t，保有储量418.51亿t。从地域分布上看，全区划分为四个煤田，即东部的宁东煤田、北部的贺兰山煤田、南部的固原煤田和西部的香山煤田，其中，宁东是国家的14个大型煤炭基地之一，煤田探明储量386.39亿t、占全区探明储量的83.7%，保有储量348.7亿t、占全区的83.3%。

宁东煤田位于灵武市、盐池县和同心县境内，南北长约130 km，东西宽约50 km，含煤面积约2 000 km2，远景预测资源量1 394亿t。宁东煤田分为灵武、鸳鸯湖、横城、马家滩、积家井、萌城、韦州七个矿区和石沟驿一个独立井田。宁东煤田主要煤种为不粘结煤、焦煤等。其中不黏结煤分布较广，煤质优良，具有低灰(平均13%)、特低硫(平均0.57%)、特低磷(0.006%～0.035%)、中高发热量(20～22 MJ/kg)、高化学活性等特点，是优质的动力用煤和化工原料用煤。宁东煤田属整装煤田，地质结构简单，埋藏浅，保护较好，基本没有私挖乱采现象。开采条件优越，多数矿区以缓倾斜—倾斜的中厚、特厚煤层为主，煤层赋存条件良好；矿区总体地质构造简单，瓦斯含量较低(除横城矿区以外)，煤炭资源丰富可靠，适宜机械化开采及建设大型、中型现代化矿井。

1.2 水资源

宁夏水能资源总量不大，分布集中。95%分布在黄河干流，其余5%分布在清水河、泾河等支流，经济可开发装机容量为246万kW，年发电量97.8亿kW·h，其中黄河干流年发电量97.4亿kW·h，装机容量244.6万kW；其他支流年发电量0.4亿kW·h，装机容量1.3万kW。

1.3 新能源

宁夏风能资源的分布主要受地形地貌和山地走势的影响，风能资源较丰富带位于贺兰山脉、香山—罗山—麻黄山、西华山—南华山—六盘山区等山地区域，及灵武市、盐池县、同心县等地势较平坦区域。从风能资源随高度变化情况来看，贺兰山地区地形比较复杂，风资源随高度变化不大，平均风速5.0～8.0 m/s，风功率密度为200～525W/m2；香山地区地势变化稍平缓，风能资源随高度变化比较明显，90 m高度处平均风速5.5～6.75 m/s，风功率密度为225～375 W/m2；灵武市和盐池县的平坦地区风能资源也比较丰富，90 m高度处平均风速6.0～7.25 m/s，风功率密度为200～350 W/m2。

从空间分布上看，宁夏大部分地区年太阳总辐射高于5 800 MJ/m2，中部干旱带的西安镇、蒿川乡、双桥乡、高崖乡、田老庄乡、下马关镇一线以北(除大武口区、平罗县崇岗镇、兴庆区、金凤区、西夏区、贺兰县洪广镇、永宁县杨和镇和望远镇以外)各地均高于6 000 MJ/m2，是宁夏太阳能资源最为丰富区，其中兴仁年太阳总辐射最高为6 344.2 MJ/m2。大武口区、平罗县崇岗镇、兴庆区、金凤区、西夏区、贺兰县洪广镇、永宁县杨和镇和望远镇、海原县海城镇和双河乡以南、同心县王团镇和予旺镇以南等地年太阳总辐射介于5 800～6 000 MJ/m2。原州区、西吉县、彭阳县、隆德县、泾源县等地年太阳总辐射均低于5 800 MJ/m2。

根据最新发展潜力研究结果，宁夏90 m高度、风功率密度200 W/m2以上的风能资源技术可开发量约5 200万kW，集中式光伏发电技术可开发量约4.54亿kW，近期光伏发电发展潜力规模约5 400万kW。目前已开发2 900万kW(考虑待并网项目)，剩余开发量7 700万kW。

2 西北地区绿色能源互联网结构多目标优化调整方法设计

2.1 特性分析

首先对西北地区绿色能源互联网结构实施特性分析，获取不同时期下西北地区绿色能源互联网结构的运行规律，以对其结构进行优化调整。西北地区属于典型的温带气候，其气候类型具体包括温带大陆性气候与温带季风气候[5-7]。

对于西北地区，在绿色能源互联网的运行中，天气温度整体较高也就是夏季时，运行需要很多冷负荷与较少热负荷，此时具备充足的太阳能资源。而在天气温度整体较低，也就是冬季时，运行需要很多热负荷与较少冷负荷，此时具备充足的风能资源[8-10]。根据以上规律优化调度西北地区绿色能源互联网结构，能够有效降低绿色能源互联网的风险与成本。西北地区整年气温变化情况如图1所示。

图1 西北地区整年气温变化情况

根据图1可知，西北地区平均温度最高时在7月，平均温度最低时在12月。

2.2 功率预测

将7月作为西北地区绿色能源互联网运行的典型夏日，并将12月作为西北地区绿色能源互联网运行的典型冬日，实施功率预测。

对于典型夏日，首先获取其热、冷、电历史负荷历史数据，包括风力发电机整体发电量、光伏电池整体发电量、电动车整体充电功率[11-13]。西北地区典型夏日热、冷、电历史负荷历史数据具体如表1所示。

表1 西北地区典型夏日热、冷、电历史负荷历史数据

对于典型冬日，同样获取其热、冷、电历史负荷历史数据，包括风力发电机整体发电量、光伏电池整体发电量、电动车整体充电功率。西北地区典型冬日热、冷、电历史负荷历史数据具体如表2所示。

表2 西北地区典型冬日热、冷、电历史负荷历史数据

通过随机森林算法[14]，对西北地区典型夏日和冬日热、冷、电历史负荷历史数据实施其功率预测，随机森林算法的具体流程如图2所示。

图2 随机森林算法的具体流程

利用随机森林算法实施功率预测，主要是通过bootstrap重抽样在原始样本中对多个样本进行抽取[15]，并对各bootstrap样本实施决策树建模，组合这些决策树，利用投票方式获取最终预测或分类结果。

2.3 结构多目标优化调整

通过构建绿色能源互联网的对应结构多目标优化调整模型，实现西北地区绿色能源互联网的结构多目标优化调整。首先构建绿色能源互联网的对应成本优化模型可表示为

F1(x)=Fw(t)+FPV(t)+FG(t)+FN(t)

(1)

式中：Fw(t)为风机实际发电成本，元/(kW·h)；FPV(t)为光伏电池实际发电成本，元/(kW·h)；FG(t)为燃气轮机实际发电成本，元/(kW·h)；FN(t)为天然气成本，元/(kW·h)。然后建立风险优化模型可表示为

(2)

式中：uk,t为风能对应风险系数；Rk,t为风机带来的风险；uh,t为太阳能对应风险系数；Rh,t为光伏带来的风险；um,t为电动车对应风险系数；Rm,t为电动车带来的风险；Ωw为风机接入集合；ΩPV为光伏电池接入集合；ΩEV为电动车接入集合；k为风机；m为电动车。在此基础上，构建结构多目标优化调整模型以及约束条件模型表示为

(3)

式中：Pw,k,t为风机在t时刻的可用有功出力,kW；Pw,h,t为太阳能在t时刻的可用有功出力,kW；PG,h,t为电动车在t时刻的可用有功出力,kW；Pload为可控机组能量下限,J；Ppower为可控机组能量上限,J；Plinmin为最小联络线功率[16],kW；Pex(t)为和电网之间的交互功率,W；Plinmax为最大联络线功率,W。最后，采用非支配排序的精英策略遗传算法[17]对结构多目标优化调整模型进行求解，实现西北地区绿色能源互联网的结构多目标优化调整的目的。

3 实验分析

3.1 实验数据

针对西北地区绿色能源互联网构建仿真实验，并对其实施结构多目标优化调整。在MATLAB 2016a软件环境中构建仿真实验，由光伏电池、风机、燃气轮机、电网提供电力，由锅炉组与燃气轮机提供冷热源，具体设备包括锅炉、燃气轮机、光伏、风机，设备的具体参数如表3所示。

表3 设备的具体参数

利用设计的西北地区绿色能源互联网结构多目标优化调整方法对其实施结构多目标优化调整，获取该方法实施前后的总运行成本的变化情况、弃风量的变化情况以及能源互联网的运行波动情况。

3.2 实验结果1

3.2.1 总运行成本与弃风量变化情况实验结果

在总运行成本的变化情况、弃风量的变化情况的实验中共设置10个典型场景，各场景的风电波动情况不同，以验证优化调整前后总运行成本与弃风量的变化情况。其中，优化调整前后总运行成本变化情况的具体实验结果如表4所示。

表4 优化调整前后总运行成本变化情况的具体实验结果

根据表4中总运行成本变化情况的实验结果可知，在10个典型场景中，风电出力相同的情况下，优化调整前的平均总运行成本为1.748 4万元，而优化调整后的平均总运行成本为1.623 3万元。由此可知，实施西北地区绿色能源互联网结构多目标优化调整方法后，能够有效降低总运行成本。因为设计方法通过分析西北地区绿色能源互联网实施特性，获取不同时期下西北地区绿色能源互联网的运行规律，并对其结构进行优化调整，从而有效降低绿色能源互联网的风险与成本。

优化调整前后弃风量变化情况的具体实验结果如表5所示。

根据表5中弃风量变化情况的实验结果可知，在10个典型场景中，风电出力相同的情况下，优化调整前的平均弃风量为101.308 MW·h，而优化调整后的平均总运行成本为75.817 MW·h。由此可知，实施西北地区绿色能源互联网结构多目标优化调整方法后，能够有效降低弃风量。

表5 优化调整前后弃风量变化情况的具体实验结果

3.2.2 电力运行波动情况对比实验结果

为增强整体实验效果，将文献[3]方法和文献[4]方法作为电力运行波动情况对比实验中的对比方法。对实施三种能源多目标优化调整方法后的电力运行波动情况进行对比分析。对比设计方法与文献[3]方法、文献[4]方法能源多目标优化调整方法的电力平稳性能。不同方法的电力运行波动情况对比实验结果如图3所示。

图3 不同方法的电力运行波动情况对比实验结果

根据图3的实验结果可知，当运行时间为24 h时，文献[3]方法的平均电力负荷为322.3 MW·h，文献[4]方法的平均电力负荷为337.5 MW·h，而设计方法的平均电力负荷为315.3 MW·h。由此可知，设计方法的电力负荷较低，与文献[3]方法和文献[4]方法相比，设计方法的电力运行波动较小，电力平稳性能较好。

3.3 实验结果2

在上述实验的基础上，进一步对2010—2019年宁夏全社会用电量和全社会最大负荷进行分析，具体实验结果如下。

3.3.1 全社会用电量

(1)用电量增速：2010—2019年宁夏全社会用电量及增速结果如图4所示。

图4 2010—2019年宁夏全社会用电量及增速结果

根据图4可知，“十三五”以来，从总量来看，宁夏全社会用电量保持持续增长态势，2019年全社会用电量1 083.9亿kW·h，是2010年的1.98倍，是2015年的1.23倍。从增速来看，“十三五”前四年年均增速5.4%。2016年，受自治区经济结构调整影响，全社会用电量增速较低；2017—2018年受国家经济政策刺激的影响，全社会用电量增速大幅反弹；2019年宁夏高耗能市场行情疲软，全社会用电量增速较低。

(2)用电量结构：2010—2019年宁夏全社会用电量结构变化如表6所示。

表6 2010—2019年宁夏全社会用电量结构变化 亿kW·h

根据表6可知，从产业结构来看，第二产业尤其是重工业用电占比过重是宁夏用电结构的主要特征。2010年以来，第二产业用电量占比始终在90%以上。近些年，在经济结构转型升级和环保政策持续发力的作用下，宁夏用电结构进一步优化，第一产业、第二产业、第三产业和城乡居民生活用电占比由2015年的1.9∶91.5∶4.0∶2.7调整为2019年的0.6∶90.2∶6.3∶2.9，三产用电占比呈稳步提高趋势，一产、二产用电占比稳中有下降，居民生活用电增速震荡企稳，基本保持稳定。

2010—2019年宁夏分产业用电结构变化如图5所示。

图5 2010—2019年宁夏分产业用电结构变化

根据图5可知，从2019年用电量结构来看，二产仍是拉动全社会用电量增长的主要因素。2019年，宁夏全社会用电量1083.9亿kW·h，同比增长1.8%，其中，一产用电6.9亿kW·h，同比增长19.6%，主要是农业、林业、畜牧业用电量增长较快；二产用电977.5亿kW·h，同比增长1.1%；三产用电68.4亿kW·h，同比增长9.9%，主要是电信和其他信息传输服务业、批发和零售业、餐饮、住宿等商业活动活跃，用电增长较快；城乡居民生活用电31.1亿kW·h，同比增长5.4%。

3.3.2 全社会最大负荷

(1)负荷增速：宁夏“十三五”前四年全社会最大负荷及增速结果如图6所示。

图6 宁夏“十三五”前四年全社会最大负荷及增速结果

根据图6可知，“十三五”以来，宁夏全社会最大负荷呈现连年增长态势，从2015年的1 249万kW增长至2019年的1 555万kW，“十三五”前四年年均增速5.6%。

(2)年负荷特性：宁夏电网历史年统调负荷曲线如图7所示。

根据图7可知，宁夏电网年负荷特性随着季节变化呈现“一峰一谷”，最大负荷一般出现在冬季，并呈现逐年递增的趋势。由于宁夏配电网负荷基数小，高耗能负荷占比较大，因此全网负荷的波动性在高耗能市场稳定的情况下主要受季节性负荷变化的影响较大。主要季节性负荷包括4月中旬—9月中旬的春季灌溉负荷，6月—8月的夏季空调负荷，10月下旬—11月下旬的冬季灌溉负荷，11月—次年3月的冬季取暖负荷。由于冬季取暖负荷和灌溉负荷的叠加，使得年最大负荷一般出现在冬季；而春节长假一般出现在2月份，2月份部分工业负荷停运，同时取暖负荷减少，使得年最小负荷一般出现在该月。

图7 宁夏电网历史年统调负荷曲线

宁夏电网季不均衡系数如图8所示。

图8 宁夏电网季不均衡系数

根据图8可知，2016—2019年宁夏电网季不均衡系数逐年上升，主要是由于高耗能负荷占比较大，近年来宁夏地区高耗能负荷趋于平稳，各月最大负荷与年最大负荷差值逐渐减小。随着经济结构调整，高耗能行业发展趋于平稳后，季不均衡系数将呈现下降趋势。

3 结 语

为降低西北地区绿色能源总运行成本与弃风量，减少电力运行波动，提出西北地区绿色能源互联网结构多目标优化调整方法。研究西北地区绿色能源使用情况，分析西北地区绿色能源互联网结构特性，获取结构运行规律并进行优化。采用随机森林算法实施功率预测，建立绿色能源互联网结构多目标优化调整模型并对其进行求解，实现西北地区绿色能源互联网结构多目标优化调整。研究实现了总运行成本与弃风量的降低以及电力运行波动的平稳化，其宁夏全社会用电量增速较低，全社会最大负荷呈增长态势，季不均衡系数呈下降趋势，能够为峰谷差平抑、新能源消纳、经济性与可靠性的提升等提供一定的参考。