基于运行最优模拟的综合能源系统经济评价方法

马 超, 肖 汉，李嘉逸

(中国电力工程顾问集团西南电力设计院有限公司，四川 成都 610021)

0 引 言

随着中国能源结构的持续调整，一种能够实现节能减排、有效提高能源利用效率促进绿色健康发展的新型一体化能源系统(综合能源系统)得到越来越多的关注。作为新型能源系统，其具有多元、耦合、协调的鲜明特征。如何让系统能够满足用户多变的能源需求。同时实现效率最大化，是亟需研究的问题[1-4]。

目前，各类综合能源示范系统大多以热电联供系统(combined heat and power，CHP)为供能核心，聚合风能、太阳能、地热、储能等系统联合构建一个完整的供能系统。根据用户的电、热负荷情况，采用合理的运行策略和供能模式对联供系统运行性能的提高有很大帮助[5-6]：一方面可以减少非可再生能源消耗，优化电源结构；另一方面可以促进新能源消纳，改善电能清洁度。中国正在加速能源系统的多能协同、互补发展，新能源微电网示范项目朝着“源-网-荷-储”一体化方向发展建设[7-8]。

下面从综合能源规划设计角度出发，将综合能源优化调度与项目全生命周期经济分析相结合，提出了基于运行最优模拟的综合能源系统经济评价方法。外层为全生命周期的经济评价模型，内层为生产模拟的0-1混合整数规划模型，通过调节能源供给生产运行方式和状态，实现对系统综合效益的分析评价。

1 综合能源系统结构

综合能源系统是指以电力网为载体，融合热网、天然气网等多种能源网络，涵盖多能源的生产、传输、供给的系统。目前应用和推广较多的一般是以三联供系统为核心，辅以风电/光伏系统、储能系统等构成的多能源综合供给系统，系统结构如图1所示。

图1 一般综合能源系统结构

2 经济评价分析模型

经济评价分析模型是在项目全生命周期内，综合考虑能源系统的生产协调调度优化问题，聚合不同供能单元间和不同能源品类间的能量传输供给，实现电、热等能量的平衡，从而准确地计算出工程项目的经济性。所建经济评价分析模型由外层模型和内层模型构成，外层模型为全生命周期的建设项目经济评价模型，内层模型为生产模拟的最大运行收益优化模型。在设定目标收益值下，不断调整边际参数，通过内外层的循环迭代，计算得到满足工程需求的边界值来分析工程项目的经济可行性，从而为工程的规划咨询设计提供数据支持，其算法流程如图2所示。

2.1 经济评价分析模型

一般对于工程的经济性分析以盈利能力分析为主，清偿能力分析为辅，通过各种分析指标评价判断项目在经济上的可行性。这里主要从盈利分析的角度建立经济分析模型，依据《建设项目经济评价方法与参数》[9]，主要从融资前和融资后两个角度分析项目的经济可行性。主要指标包括财务内部收益率(FIRR)、投资回收期(P)、财务净现值(FNPV)等。

图2 运行最优模拟的综合能源系统经济评价流程

1)财务内部收益率

(1)

式中：Csale为销售收入，包含售电、售热等收入之和；Crun为运行成本包括原料成本、维修成本或购电成本等；Coth为借贷费用及税费支出等；FIRR·aim为设定财务内部收益率；n为项目运营计算周期。

2) 项目投资回收期

(2)

式中，Pt为项目投资回收期，投资回收期一般以年为单位，宜从建设期开始算起。

3) 财务净现值

(3)

式中：FNPV为项目财务净现值；ic为按照行业基准选取的基准收益率。

2.2 运行模拟调度优化模型

2.2.1 目标函数

内层优化调度模型以最大收益为优化目标，在设定目标收益值的情况下，综合能源系统主要收益来源为售电、售热收入，运行成本主要是系统运行费用、维护费用以及电网电量购入费用[10-16]。其优化目标函数可以表示为

(4)

式中：Csale.h为h时段能源系统销售收入；Crun.h为h时段能源系统的运行成本；T为优化调度计算周期。

综合能源系统的销售收益为

Csale.h=Cele.h+Cheat.h

(5)

综合能源系统的运行成本为

Crun.h=Cfuel.h+Cope.h+Cgrid.h

(6)

2.2.2 约束条件

综合能源系统优化调度模型的约束条件包括功率平衡约束、设备运行约束、设备容量约束等。

1)电功率平衡方程式

(7)

2)热功率平衡方程式

(8)

3)设备出力约束

(9)

式中：Pi.max、Pi.min分别为第i台机组电功率的上、下限；Pgrid.max、Pgrid.min分别为向电网购售电的上、下限；Qi.max、Qi.min分别为第i台机组热功率的上、下限；Pstore.out.max、QHstore.out.max、Pstore.in.max、QHstore.in.max、Pstore.out.min、QHstore.out.min、Pstore.in.min、QHstore.in.min分别为储能蓄电与蓄热装置的单位时间输入、输出功率上、下限。

4)储能装置能量约束

(10)

2.3 模型求解方法

经济评价模型求解的核心在于内层生产优化调度的模型求解。内层函数为含有耗量特性曲线、热电比曲线的非线性函数模型，通过分段线性化的方法将问题转化为0-1混合整数线性规划问题，求解标准形式为[10]

(11)

式中：x为源类设备的出力、转换设备的输入、储能的输入和输出、电网购电量的优化变量；等式约束为能量平衡方程式以及储能设备的储能量关系式；不等式约束为各设备运行约束。由于约束条件中包含耦合变量，如蓄电池的充放电功率、电网的购电和回购功率等，因此在模型中引入0-1变量。

针对上述模型，可采用常用线性规划软件如CPLEX等对其求解，这里采用Matlab编写了基于CPLEX优化引擎的算法求解程序对该模型进行求解。

3 实例分析

3.1 边际条件

该案例位于重庆某规划工业园区，总面积约为4.6 km2，是以环保及装备制造、医药化工、特色轻工产业功能为主的产业聚集区。园区用电负荷约为30.96 MWh，热负荷约为26 t/h。图3为园区典型日负荷曲线，由于工业园区生产型企业居多，且其倒班轮换的工作机制使得工业园区一般都具有较为稳定的电、热负荷。工业园区各类负荷都比较大，受季节性变化影响较小，案例中假设每月逐天的需求相同。园区综合能源系统方案如表1所示，对其CHP系统、光气互补系统进行评价比较。通过调研分析，该系统投资造价、负荷及光伏预测出力数据如表2、表3所示。

图3 园区典型日电热负荷需求

表1 园区综合能源系统方案

表2 综合能源系统投资估算

表3 光伏出力和负荷分布

3.2 结果分析

为了验证所提经济评价方法的有效性，采用基于运行最优模拟的经济评价分析方法对两种设定的供能方案分别进行计算分析，分析边际条件如表4所示，两种方案优化计算结果如表5所示，日间热电调度情况如图4、图5所示。该分析计算结果为假定热价不变的情况下，以电价为测算指标进行计算。

表4 综合能源系统方案测算边际条件

表5 两种方案分析结果比较

图4 电热负荷调度优化情况(方案1)

图5 电热负荷调度优化情况(方案2)

对比方案1和方案2可以发现，通过增加光伏系统实现光气互补，能够在满足工程项目收益的情况下有效降低用户侧的用能成本，同时模拟得到全生命周期的优化调度生产曲线。

在实际工程生产中，通常需要对销售侧电热价格进行比选计算，下面通过运行最优模拟的经济评价方法，将热价、电价作为双变量进行分析计算，给出了在方案2的基础上，当电力市场热价格浮动5%的情况下的对应电价格曲线，如图6所示。通过计算曲线，能够根据不同客户需求，制定不同热电市场交易套餐，即不同的热电价格组合，从而更有利于推进工程项目落地实施。

图6 目标收益下终端电价、热价变化

4 结 语

前面提出了基于运行最优模拟的综合能源系统经济评价方法，建立了聚合燃气轮机、锅炉、风机、光伏、电热储能、电负荷、热负荷等的综合能源协调调度优化模型和全生命周期经济分析的经济评价模型，解决了传统综合能源规划设计中粗放式分析估算的问题。以重庆某园区CHP型综合能源系统为例，通过对不同供能方案下经济性的分析，验证该经济评价分析方法的有效性。结果表明，所提出的基于运行最优模拟的综合能源系统经济评价方法能够极大地提高综合能源规划设计分析的精确性和灵活性，能够更好地实现自然资源的合理配置和系统方案设计。