基于中低压交直流配电网的工业园区综合能源系统设计探索.pdf

电器与能效管理技术(2 0 2 3No.6)配电网技术与系统基于中低压交直流配电网的工业园区综合能源系统设计探索吴芳柱，田园（国网南京供电公司，江苏南京2 10 0 0 0）摘要：为解决交流配电网电能传输效率低下等问题，以融合中压与低压层级的交直流混合配电网为基础，提出了一种基于中低压交直流配网的综合能源系统配置方法，同时还能提高新能源消纳能力与供电可靠性。首先，建立综合能源服务设备配置和日常运行经济性双层规划模型；然后，通过改进飞蛾火焰优化算法与CPLEX进行联合求解；最后，在给定算例下得到最优的综合能源设备配置方案，并与传统交流配电网下的各项成本进行对比分析，验证了基于交直流配电网的综合能源系统更具有先进性与可靠性。关键词：综合能源系统；中低压交直流配网；双层规划；改进飞蛾火焰优化算法中图分类号：TM721文献标志码：A文章编号：2 0 9 5-8 18 8（2 0 2 3)0 6-0 0 44-0 7D0I:10.16628/ki.2095-8188.2023.06.007Design and Exploration of Integrated Energy System for IndustrialParks Based on Medium and Low Voltage AC/DC Distribution Networks(State Grid Nanjing Power Supply Company,Nanjing 210000,China)Abstract:In order to solve the problems of low power transmission efficiency in AC distribution network,acomprehensive energy system configuration method is proposed based on AC/DC hybrid distribution network thatintegrates medium voltage and low voltage levels,which can improve the new energy consumption capacity andpower supply reliability.Firstly,a two-level programming model of integrated energy service equipmentconfiguration and daily operation economy is established.Then,the improved moth flame optimization algorithm iscombined with CPLEX to solve the problem.Finally,the optimal integrated energy equipment configuration schemeis obtained under the given example,and the various costs under the traditional AC distribution network arecompared and analyzed,which proves that the integrated energy system based on the AC/DC distribution network ismore advanced and reliable.Key words:integrated energy systems;AC/DC distribution network;double planning;improvedmoth flame optimization(IMFO)algorithm0引言工业园区综合能源系统相对于广义综合能源系统更靠近用户需求端，通过将各种类型的能源产生、传输、转换、消耗多个环节进行多角度优化和协调达到能量的梯次利用，最大限度减少中间损耗，提高各类型能源的利用效率，减少碳排放，田园（1990 一），男，工程师，主要从事客户侧安全供电技术研究。一 44一吴芳柱(198 1一),男,高级工程师，主要从事电力系统自动化、配电网交直流技术、用户侧系统电气安全管理技术等研究。WUFangzhu,TIANYuan综合能源系统发展是解决目前环境问题和能源短缺问题有效的解决途径 1-3目前,对综合能源系统的研究主要集中在综合能源类型开发、运行策略的制定、综合能源系统架构规划，以及多方面效益评价 411。在能源类型开发上已经比较成熟使用园区内可再生能源，如风能、光伏、生物质能和地热能等 12 ,可再生能配电网技术与系统电器与能效管理技术(2 0 2 3No.6)源的使用可以提高系统运行经济性和减少环保压力。由于综合能源系统是典型的多输入多输出的复杂能源系统，因此目前大多研究集中在综合能源系统运行策略与设备配置上。文献 13 考虑到电转气技术发展而建立气电系统强耦合模型，利用多目标规划求得规划方案，验证了气电互联系统的经济性与可靠性。文献 14 引人综合需求响应即考虑用户侧用电方式下，建立经济效益模型，得出在需求响应下综合能源系统通过优化调度可以有效实现削峰填谷。文献 15 考虑综合能源系统中冷热储存设备的运行特性,采用多目标粒子群算法求解验证储热储冷设备的应用会进一步提高其经济性和环保性。以上研究未考虑到目前中低压直流配电网在园区电网结构中比例逐渐增加，中低压直流配电网相较于传统的交流配电网无论在分布式电源接人还是可靠性具有明显的优点，因此本文提出交直流配电网结构的综合能源系统能源转换设备容量配置方法，建立外层设备容量优化，内层设备运行优化的双层规划模型。外层采用改进飞蛾火焰（IM FO）优化算法求解，内层采用YALMIP调用CPLEX进行求解,通过对某工业园区综合能源系统设计验证模型的有效性,结果证明交直流配电网更适用于综合能源系统设计规划中。1?工业园区综合能源系统工业园区综合能源系统构建目标是服务于用户能源需求，例如电力、热气、冷气。系统输入端主要依托区域有利能源型式例如风能、光伏、地热、工业余热、天然气、石油等 16 。通过合理的能源转换装置将能量转换成用户所需形式，同时达到经济环保等方面综合效益最优。工业园区综合能源系统框架如图1所示。其中电力需求由外接电网，天然气和光伏发电满足，配电网结构为中低压交直流混合配电网，交直流之间能量转换通过电压源换流器（VSC），并且系统中配备电、热、冷储存设备。交直流配电网与传统交流配电网相比在分布式电源接入时有明显优势，无须经过交流直流环节，可以减少换流器建设费用和能量损耗，同时满足电动汽车等直流负荷需求，此外直流环节不存在功角稳定性问题，提高运行可靠性 17 。交蓄电池电网光伏发电太阳能光热锅炉燃气轮机余热锅炉天然气内燃机燃气锅炉图1工业园区综合能源系统框架直流配电网技术发展使综合能源系统在设备选择更加灵活，并能提高系统经济性和环保性，同时在系统协调运行上分析更加复杂。交直流配电网结构模型如图2 所示。交流配电网储能系统(AC负荷):ACDC交流母线变电站-Q图2 交直流配电网结构模型2基于交直流配网下综合园区系统数学模型基于以上工业园区综合能源系统分析，需要满足能源转换设备最优配置，以及交直流配电网下各能源设备的经济运行，因此本文采用双层优化方法建立最优模型。外层变量为能源转换设备类型、容量以及台数，优化目标为能源设备寿命周期内总成本；内层变量为满足园区能量需求下各设备协调运行出力大小，优化目标为周期内满足需求下运行成本最小。其中内层优化结果将传递给外层进行评估外层经济性，外层优化结果不直接干涉内层运行优化而是间接通过配置方案引导内层优化结果。其数学模型为rminF(x,y)s.t.G(x,y)0minf(x,y)s.t.g(x,y)0式中：Ff一外层和内层目标函数；G、g 外层和内层约束条件；x、y 一优化模型变量。VSC电锅炉电制冷机吸收式制冷机储冷罐储热罐直流配电网储能系统oc负荷DC/DCivSc.工.真流母线ACDC直流电交流电供热供冷(1)一.45 一电器与能效管理技术(2 0 2 3No.6)配电网技术与系统2.1综合能源设备优化模型外层优化考虑能量转换设备选型，容量以及台数,综合能源系统优点之一是满足用户需求下能量转换实现途径不唯一 18 ，例如为满足电力需求可通过接人大电网或者使用天然气（通过燃气机组）；冷气需求可通过电力制冷机或者锅炉再吸收制冷。考虑实现设备多样化，为满足用户需求将寿命周期成本作为优化目标，以及考虑到外层内层优化传递关系，因此需要统一时间尺度，本文以“日”作为结算周期，以典型日下需求估算全寿命周期成本,其模型成本费用都以此进行结算和评估，后续不再赘述，其目标函数为minCiolal=Cinv+Csom式中:Cioal综合能源系统构建总费用；Cinv系统投资费用；Csom系统运行维护费用。系统投资费用主要为设备固定容量投资费用和固定维护费用，即Camu=Z(bc.P+g.c,P)式中：pD设备规划容量；b.cg设备投资折算系数、设备单位投资成本系数和维护成本系数；N一设备规划个数。其中，b,=(1+=(1+y)-1式中：L一设备预期寿命；y一年利率。系统的运行维护参数既作为系统总成本一部分又作为系统内层的优化目标，模型内层优化结果影响外层结果，同时外层不同方案配置下内层优化结果不同，系统总成本与运行维护成本息息相关。目前可供选择的设备类型可分为容量固定设备和容量可变设备。例如在配置内燃机和燃气轮机时通常变量为台数，在配置电制冷机和储能设备时通常变量为容量，因此根据设备类型将此分为离散变量与连续变量。此外受技术,场地等原因存在一定的约束,约束条件为一46 一.t./o NaNm式中：Ndi P容量固定设备的台数和可变容量设备的设计容量；NmaxPmmaxminminPmax2.2基基于交直流配电网下系统运行优化模型内层优化考虑电网构架为交直流配电网下各设备的如何出力使得运行成本维护最小，成本包含主动购电成本、燃料成本和网络损耗成本。为简化模型计算过程中以某典型日为全年代表进行求取各设备出力，其目标函数为(2)Cope=C ruel+Csch+CIlos式中：C.m系统运行成本；C ruel燃料燃油成本；Cch主动购电成本；Clo网络损耗成本。TE(3)式中：u第e种燃料燃油在t时刻价格；nn(5)设备最大台数、最小容量和最大容量。(6)(7)Y-第e种燃料燃油在t时刻用量，由输出与设备转换效率得到；T、E一一计算时间和燃料燃油种类。在交直流配电网中网络损耗考虑线路损耗、储能系统损耗和 SVC 损耗,其网络损耗成本为M(4)Cm=AZ(EFR,+ZFR.+Z(1-a,)PAttTeA,D式中：入一等等值单位成本；I一一线路电流包含直流线路与交流线路；通过SVC电流；R,Rm线路电阻和SVC等值电阻；储能转换效率和储能系统出力。Caelh=)(9)式中：一t时刻购电单价；i,t系统负荷、系统功率损耗和园区自主发电功率。园区内需求分为热需求、冷需求和电需求，存NEm=1n=1(8)配电网技术与系统电器与能效管理技术(2 0 2 3No.6)在以下约束：1(PoutE,i一E,1(PoutH,i-Pi.,)=H,ipdemH(Pa.-Pel,)=Pcai=1式中：Pr、Pi.、E,iPpdemE热功率与冷功率同理。对于交直流配电网优化为二阶锥规划问题，对交直流潮流方程采用二阶锥松弛处理。j=Ii,U,=U?2P;2Q;Ij+Uj;-U,式中：I节点讠节点j之间流过的电流；P,、Q 节点之间直流流过的有功功率和无功功率。交直流配电网潮流约束为P,=Z P,-Tlu-Z Pu+PpER-fhLo,=2Qu-xl-Qm+QpER式中：P-节点j处的分布式能源有功功率；PF节点i处的储能系统有功功率；-节点j处的分布式能源无功功率；a、b-节点i上下级节点数；节点讠节点j之间的电阻和电抗。除此之外，设备出力大小以及出力爬坡率存在约束，此处不再赘述。3模型求解3.1改进飞蛾火焰优化算法飞蛾火焰(MFO)算法是模拟飞蛾围绕火焰螺旋飞行的一种生物启发智能算法 19。在参数设置和搜索速度以及鲁棒性上具有明显的优点，与其他启发式算法相比能够有效避免易早熟和结果精度低的缺点，适用于本文外层设备台数和容量参数寻Pin,)=Ppdem电功率输出量、电功率输人量和电功率需求量。(11)(12)优问题。外层决策量既作为内层决策的已知条件又作为外层规划目标的最优解，需要注意在寻优过(10)程中为保证台数为整数,采取取整操作。在寻优过程中飞蛾和火焰同为候选量，二者在更新路径存在不同，飞蛾与火焰及其适应的定义为m1,1m1,2m2.1m2.2M=mn,1mm,2FF2F2.1F22F=LFn，1式中：n,d飞蛾与火焰的个数；m、F飞蛾和火焰在优化空间的位置；0MO,一相应位置下飞蛾和火焰的适应度值。MFO算法中飞蛾围绕特定火焰进行螺旋飞行，飞行轨迹确保具有较强的全局搜索能力。当前最优位置会成为下一代中火焰位置，因此确保算法具有较强局部开发性。在寻优过程中飞蛾位置更新方法为M;=S(M,F,)=D;eT.cos2t+F,式中：M一一飞蛾螺旋飞行更新后的位置,与上次更新飞蛾位置有关；D;一第i只飞蛾与第i个火焰空间距离；C螺旋形状常数；T随机时间常数，用来定义更新后空间距离远近,取值在11。MFO算法中收敛速度由火焰自适应消失机制控制,在迭代过程中只保留优势火焰,其更新规则为flameno=round(N-N l)(16)T式中：N一一火焰最大数量；T一最大迭代次数；OMIm1,dm2,d0Vmn,aF1,dF2.d,0F=：F？0M2OMn(13)：FOFmn,d(14)(15)一.47 一电器与能效管理技术(2 0 2 3No.6)配电网技术与系统l一一目前迭代更新次数。开始在MFO算法中,初始飞蛾位置与火焰位置会采用混沌映射初始化影响后续的搜索精度与代次数，随机初始化会飞蛾与火焰种群带来初始位置分布不均。基于此，对算法初始化初始化能源转换设备进行改进，立方混沌映射在初始化具有历遍均匀台数容量与设置性、伪随机性和边界性 2 0 ,表达式为y(n+1)=4y(n)3-3y(n)-1 y(n)1,n=0,1,n初始飞蛾和火焰空间维度为d、数量为n,将其每一维度按照式（17）进行迭代n次，按照式(18)进行映射得到均匀初始化种群。*=x+(xa-x.).+12式中：xVX搜索上限和下限；混沌产生的飞蛾坐标；一在搜索区域内映射的飞蛾坐标。螺旋飞行过程中搜索范围限制在火焰周围，为了增强搜索范围引人阿基米德螺旋曲线代替对数螺旋曲线，更新规则为M,=D,e.sin2m(-)+F,一1=t1T=（-1)rand+1式中:rand一取值范围在-1 1。3.2内外层模型联合求解在求解内层交直流配电网下综合能源设备运行优化模型时，需在约束范围内求取设备运行时间以及出力大小，因此可视为混合整数非线性规划问题，内层采用YALMIP调用CPLEX进行求解。将调度结果传递至外层设备优化层进行成本计算，更新适应度值，判断是否达到最优解，如果没有则更新火焰与飞蛾种群重新迭代计算。双层规划模型求解算法流程如图3所示。4结论分析针对某工业园区进行综合能源系统优化设计以及验证，给定能源输人类型包含主动购电、天然气和光伏，用户需求满足工业与生活需求，即要求用户需求类型有电能、暖气、冷气。典型日冷热电负荷及光伏最大出力如图4所示。另外假设该一48 一(17)(18)(19)载入典型日下电、热、冷需求更新设备出力限制调用CPLEX进行设备出力计算保存调度结果据结果通过交直流配电典范潮流约束计算网络损耗图3双层规划模型求解算法流程10-。热需求日一电需求一一冷需求8光伏预测6420L036图4典型日冷热电负荷及光伏最大出力园区没有地理条件安装风力发电机，具有光伏发电条件。结合园区可铺设光伏面板面积以及该地区光照条件和光伏转换效率等，得出该园区的最大光伏出力。此外园区铺设燃气天然气管道，可利用燃气轮机等进行发电，此外还可获得外来电力，该园区可利用的能源转换设备类型及设备参数参考文献 2 1。对于配电网结构采用改进IEEE30节点配电系统。改进IEEE33节点交直流配电网模型如根据调度结果更新设备网络损耗成本设备台数和容量根据调度结果计算燃料燃油成本、购电成本计算综合能源系统构建运行总成本，找到当前最优保存飞蛾位置，飞蛾空间位置并按适应度升序排列依据阿基米德螺旋线更新飞蛾位置达到选代终止条件？Y输出火焰最终位置和适应度值终止91215182124时间/h更新能源转换N配电网技术与系统电器与能效管理技术(2 0 2 3No.6)图5所示。其中，节点10 和节点2 5处安装VSC，节点10 节点17 和节点2 5 节点32 为直流线路,直流线路参数来源于文献 2 2，其余交流线路参数仍为原IEEE30节点模型参数，节点6、节点17、节点2 1、节点2 4、节点32 具有条件安装光伏，节点2 0、节点2 4、节点30 适合安装储能系统。PV20181921HE3456789VSC1011PVVSC25266272829303132PV222324图5改进IEEE33节点交直流配电网模型基于以上所建立的双层规划模型求解在给定典型日下能源转换设备容量及台数配置。容量配置优化结果如表1所示。由表1可见，除光伏的引人之外还有大容量的燃气锅炉的配置，即说明综合能源系统在从经济性方面规划时能量来源比较多样，为满足用户需求，能量来源并不全部来自电力，配套燃料天然气的供应会使系统经济性更佳；此外燃气轮机，电锅炉设备未被选中是因为设备参数与单位投资成本和维护成本影响下，致使性价比不高因而未采用；余热锅炉与光热锅炉相比电锅炉经济性更佳，此外还承担提高能量利用率作用,因而大量采用并且二者在配置容量基本相同；储热，储冷和储能装置都较大容量使用，说明在系统中能量储存设备能够提高整体经济性，可以优先考虑。表1容量配置优化结果500kW2000kW500kW燃气光伏/MW内燃机/台数内燃机/台数8.502.000 kW1000W燃气轮机/内燃机/台数台数00燃气锅炉/电制冷器/MWMW158.5储冷罐/储能电池/光热锅炉/余热锅炉/MWhMWh14.616.6作为对比，能源转换设备采用以上配置方案，配电网结构采用传统的IEEE30节点交流配电网进行计算，由于不涉及到配置方案的优化选择，因此只需要从所建立模型的内层进行各设备的调度优化，可以得出各项成本和网络损耗变换以及弃光量。两种配电网结构各成本对比结果如表2 所示；两种配电网结构下网络损耗和弃光量变化如图6 所示。表2 两种配电网结构各成本对比结果14 15 1617主动购燃气网络损设备运行配电网总成本/类型万元电成本/万元成本/万元耗成本/维护成本/万元万元交流925542123512交直流844936252.965750交流网损交直流网损M/交流弃光600交直流弃光45030003图6两种配电网结构下网络损耗和弃光量变化由表2 可见，在综合能源系统中设备不变下，交直流配电网经济性要优于交流配电网，其中总成本节省8%，主动购电成本节省13.9%，燃气成本节省15.6%，网损损耗成本节省34.5%，由于换流器运行维护成本较高使得交直流配电网下运行维护经济性不及交流电网。由图6 可见，交直流结构下任一时刻下网络损耗都是小于交流配电女轮机/台数网，因此从提高能源利用率角度交直流配电网要601 000 kW电热锅炉/燃气轮机/MW台数0吸收式制储热罐/冷器/MWMWh1815.8MWMW8.316.2496325156912时间/h优于交流配电网。并且从光伏利用角度看出，交直流配电网的弃光量要小于交流配电网的弃光量，这是由于交直流配电网能够优化潮流且其供0电半径增大导致新能源消纳水平的提升，即交直流配电网在消纳新能源发电方面也存在优势。5 结 语本文提出一种双层规划交直流配电网综合能源优化方法，既考虑了能源转换设备的投资成本一.49 一1 035153486420182124电器与能效管理技术(2 0 2 3No.6)配电网技术与系统又考虑了在交直流配网下各设备的运行成本，以某园区综合能源设计为例得出以下结论。(1)在满足用户需求下宜采用储能、储热、储冷设备，应尽量避免使用大功率电热提供暖气，发电方面避免使用燃气轮机发电。(2）交直流配电网下综合能源系统经济性更高，有助于减少配电网主动购电成本，燃料成本和网络损耗。【参考文献】1余晓丹，徐宪东，陈硕翼，等.综合能源系统与能源互联网简述 J.电工技术学报,2 0 16,31（1）：1-13.2龚萍，罗舒琦，张远欣，等.综合能源系统的技术评价指标体系J.电器与能效管理技术.2 0 2 1(12):28-33.3周国鹏，赵春阳，康俊杰，等.面向源网荷储一体化的能源服务典型发展模式 J.广东电力,2 0 2 2，35(7):23-31,【4曾鸣，刘英新，周鹏程，等.综合能源系统建模及效益评价体系综述与展望 J.电网技术,2 0 18,42(6):1697-1708.【5曹彬，吕干云，王楠，等.综合能源系统优化调度下的需求响应研究与应用 J.电力需求侧管理，2021,23(4):45-50.6 女姚艳，康家乐，汪雅静，等.考虑综合需求响应和多能储能装置的综合能源系统优化调度 J.浙江电力,2 0 2 2,41(8):6 5-7 2.7周晟锐，刘继春，张浩禹，等.考虑管存动态特性的电气-热综合能源系统低碳经济调度 J.电气传动,2 0 2 1,51(13):6 9-7 4.【8 余莎，何光层，刘志坚，等.含碳捕集的电气综合能源系统低碳经济调度 J.广东电力,2 0 2 2,35(2):74-82.9 走赵凤展，李奇，张启承，等.考虑多能互补供应特性的综合能源系统经济优化调度 J.电器与能效管理技术.2 0 2 1(9):45-50,6 1.【10 于丽芳，李燕雪，朱明晞，等.电氢碳综合能源系统协同经济调度 J.电力需求侧管理，2 0 2 2，24(6):63-69.11 张章，王涛，张丽洁，等.考虑需求响应的用户端气-电综合能源网络优化控制 J.电力电容器与无功补偿,2 0 2 2,43(5)：156-16 4.12 利程浩忠，胡枭，王莉，等.区域综合能源系统规划研究综述 J.电力系统自动化,2 0 19,43（7）：2-13.13 吕振华，李强，韩华春.基于多目标的气电互联综合能源系统规划研究 J.电力电容器与无功补偿,2 0 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