基于双层优化的综合能源系统规划配置研究

《基于双层优化的综合能源系统规划配置研究》论文发表期刊：《电子设计工程》；发表周期：2021年18期

《基于双层优化的综合能源系统规划配置研究》论文作者信息：张友鹏（1982—），男，湖北南漳人，硕士，高级工程师。研究方向：高压电器。

　　摘要：综合能源系统的结构复杂、耦合接口较多、投资较大，使得综合能源系统规划配置变为多维度、非线性的问题，求解较为困难，且时常无法得到最优的配置方案。针对上述问题，文中建立了含燃气轮机、分布式电源、天然气、供热、储能等装置在内的多能系统耦合模型。以电负荷为基础，综合考量系统热负荷、冷负荷及燃气需求量等因素。采用二阶锥算法的双层优化方式，将综合能源系统的优化分为能量配置和综合经济性两层，通过分层优化的方式降低混合优化的复杂度，提升了综合能源系统的全寿命周期运行的经济性与清洁性，仿真算例验证了所提模型与算法的可行性及优势。

　　关键词：综合能源;二阶锥规划;能量平衡;综合经济性

　　Abstract: The complex structure, more coupling interfaces and large investment of the integrated energy system make the planning and configuration of the integrated energy system become a multi-dimensiona and nonlinear problem. which is difficult to solve and often can not get the optimal configuration scheme.In view of the above problems, a multi energy system coupling model including gas turbine, distributed power generation, natural gas, heating, energy storage and other devices is established. Based on the electric load, the heating load, cooling load and gas demand of the system are comprehensively considered. The optimization of the integrated energy system is divided into two levels: energy allocation and comprehensive economy. The complexity of hybrid optimization is reduced by hierarchical optimization, and the economy and cleanness of the whole life cvcle operation of the integrated energy system are improved. The feasibility and advantages of the proposed model and algorithm are verified by simulation examples.

　　Keywords: comprehensive energy; second order cone programming; energy balance; comprehensive economy

　　随着能源互联网的发展，不同能源之间的联系也越来越密切。在此过程中，能源的界限被打破，综合配置程度得到了进一步提高，使得用能朝着智能化、清洁化、高效化的方向发展。

　　能源互联网在上个世纪就已被提出，这种新型的能源供给理念在诞生之初就受到了国内外学者的广泛关注，并由此产生了智能电网、微电网及主动配电网等能源网络建设理念。能源是人类生存与发展的重要基石，电能是区域能源综合系统的关键，其与天然气网络的关系及相互影响早已被各界学者所关注。文献[1])考虑了美国的电力与天然气的交互关系及其影响;欧洲的天然气发电比例与美国相近，其研究分析方法与美国相似P;文献3提出了关于我国的区域能源综合系统的基本构想，制定了我国的能源互联框架。但大多数文献是基于电气的传输进行研究，对于热负荷的耦合相互影响研究相对较少。该文通过建立双层优化模型，对综合能源系统的综合规划配置进行优化，将多维度、非线性的混合优化问题转换为以能量流动和经济性分层的双层优化，极大地简化了计算量，提升了算法的收敛性，更易于得出全局最优结果，能够指导综合能源系统前期工作的开展。

　　1综合能源系统

　　1.1 总体架构

　　综合能源系统的总体构架包括电力系统、电气化交通系统、天然气系统及热/冷供应等其他系统。各个子系统之间通过能源的综合调控中心进行频繁的信息转换与智能处理，形成相互耦合的一体化系统，共同实现多种能源的清洁、高效利用，能源路由器是能量优化调控中心，负责信息收集与控制，以电能、热能、天然气等能源作为能源消费终端：能源转换中心则是能源的中转基地，负责多种能源的智能转换[7]。综合能源系统结构如图 1所示。图 1中包括信息流与能量流，两者相互配合，通过这两者的相互配合，共同实现能够满足用户多样化用能需求且利于安全、经济运行的综合能源系统[8]。

　　综合考虑电能、天然气、热能等能源的应用场景和基础设施建设情况，综合能源系统更趋向于采取以电能为基础，其他能源为辅助的发展模式[9-11]。由于能源发生侧种类繁多，包括水能、风能、太阳能等若将其全部转换为电能使用，则会降低能源的使用效率。采用单一能源的供给方式不利于能源的统筹优化配置，且能效较低。综合能源系统以电能为基础，充分发挥可再生能源的潜力，降低化石能源的使用，促进能源清洁化的进程。另外，还需各种不同形式的储能、能源转换装置，如V2G，P2C"等，这些装置的协调分配，能够使能源互联网内的多种能源互补互利，有效平衡和抑制城市能源互联网的负荷波动，实现电网与其他网络的能源共享，从而满足城市能源互联网内多种负荷的供能需求。

　　1.2 系统耦合

　　设计综合能源系统的主要思想是打破能源界限，实现跨能源系统的调度与传输，系统之间的耦合将充分考虑各种形式能源的互济与互补。在电能与热能环节，可通过电热联网来实现;在电能与天然气环节，可通过电转气技术与燃气发电来实现;在电力系统和电气化交通系统环节，可通过V2G技术实现双向转换与互补。通过以上的能源转换装置与技术，加上风力发电、光伏发电的电能补充，共同提升系统的耦合程度与互补性"。

　　综合能源系统的能源耦合过程，实质上是描述电能的发生侧与需求侧关系的过程。结合能源流转过程，考虑用如下的数学模型描述综合能源系统的发生侧、转换环节及需求侧的关系。能源转换中心的函数关系如式(1)所示，这是最简单的能量输入输出模型表达式。

　　2 二阶锥规划

　　二阶锥规划本身是一种高效且较为特殊的非线性优化，是一种高效的求解算法。作为一种分层寻优算法，二阶锥规划算法被普遍运用于电力系统中。尤其对需要两阶段优化的问题，具有独特的优势。所谓二阶是指锥中用到的是二范数，式(2)表示一个二阶锥[16]。

　　作为一种分层寻优算法，二阶锥规划算法被普遍运用于电力系统中，尤其是对于需要分为两个阶段进行优化的问题，具有独特的优势。该文基于综合能源系统的特点与二阶锥规划算法的适用场景，将二阶锥思想应用于综合能源系统的合理规划配置中，解决了综合能源系统多维度、非线性的混合寻优问题。首次将综合能源系统规划的优化配置问题转化为双层次求解问题，从能量最优配置和综合经济性两个方面进行综合分析、统筹优化，以实现能源的清洁、高效利用。

　　3系统规划配置总流程

　　综合考虑电能、天然气、热能等能源的应用场景与基础设施建设情况，综合能源系统的最终目标是实现能量合理、高效地流动并且优化在此基础上的经济投入，因此该文将综合能源系统的规划配置分析分为两个层面进行优化：第一层：基于确定的传统电、热、天然气负荷优化分布式电源与储能的输出功率，优化负荷高峰期的能量流动，提升用户侧的用能质量;第二层：以综合经济性为目标，从网损、能效、年运行成本等方面进行优化分析。

　　二阶锥模型能够将综合能源的能量配置与建设、运行投入分开考虑，分成能量优化层与综合经济性两个层次进行探究，综合目标函数为：

　　基于随机二阶锥模型的双层多目标求解总流程，如图 2所示。

　　1)设置优化的时间起始点i=0。

　　2)按照负荷曲线设置时间段i的用电负荷。

　　3)将目标函数与约束条件转化为锥模型。

　　4)进入第一阶段，根据已收集到的负荷特性，采用第一层优化算法优化分布式电源与储能的输出功率，尽量减少负荷高峰期的能量流动和增加清洁能源的出力。

　　5)进入第二阶段，从网损、能效、年运行成本等方面进行优化分析，以实现综合经济性最优为目标。

　　6)判断时段是否超过一天，即i是否在24h以内。若小于24h，则返回步骤2);若大于，则进入步骤7)。

　　7)输出24h的分布式电源与储能的最优出力结果，以及优化的供能成本结果。

　　4应用实验与数据分析

　　该文算例基于Malab 2013b进行，采用IEEE-52节点系统作为所要研究的综合能源系统，同时在合适的节点加入分布式电源、天然气系统、供热系统、储能等。仿真系统网络拓扑结构，如图3所示。求解算法采用经典的内点法，双层优化基于二阶锥模型进行，通过调整分布式电源与储能的有功、无功出力来优化不同负荷条件下综合能源网络能量流动;通过调节不同电能、热能、天然气的耦合关系与能量替代关系提升能源利用的清洁性，降低化石能源发电比重。综合能源系统网损分析如图 4 所 示，各时段分布式电源出力对比如图 5所示。

　　根据同一造价标准计算得到传统规划配置方案与双层优化配置方案的综合总投资，按运行年限为20 年考虑，传统配置方案折算年费用为 49 万元，该文双层优化规划配置方案年费用为 35 万元。不同配置方案下投资成本分析如表 1所示。

　　由图 4、图 5及表 1可知，基于二阶锥规划的综合能源系统双层优化可得到系统能源配置的相对最优解，较大地提升了综合能源系统的清洁化与经济性。

　　5结束语

　　该文将双层锥规划理论运用于综合能源系统中，有效地解决了多种能源系统耦合的综合规划配置优化问题，提高了综合能源系统中清洁电源的利用率，将系统的清洁化提升到了另一个层次。借助该双层优化算法，运行人员能够通过在负荷预测的基础上对近期的调度策略进行提前谋略，提升了综合能源系统供能的经济性与清洁性。

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