許健¹，施錦月²，張建華³，郝然⁴，陳奇芳⁵

（1.國網河北省電力有限公司檢修分公司，河北省石家莊市050000；2.國網河北省電力有限公司石家莊供電分公司，河北省石家莊市050000；3.華北電力大學電氣與電子工程學院，北京市100000；4.上海交通大學電子信息與電氣工程學院，上海市200240；5.北京交通大學電氣工程學院，北京市100044）

　　摘要：生物質發電相當于小型火電，單獨發電時效率低，且現有研究對含生物質熱電聯產機組系統的優化調度關注較少。針對上述問題，提出了適用于城鎮綜合能源系統的多種新能源高效消納的綜合能源運行雙層優化方法。通過補燃設備調整熱天然氣和生物質電聯產機組的運行狀態，建立可補燃生物質熱電聯產運行模型；研究了多個可補燃熱電聯產機組的聯合控制，分別以綜合供能費用和能源利用效率作為上下層優化目標，同時對熱電聯產機組間的能源分配調度和各熱電聯產機組內部運行狀態進行優化，構建包含光伏生物質和天然氣在內的區域能量樞紐雙層優化模型。算例驗證了可補燃的生物質熱電混合供能對提高系統能效、降低供能費用的設計目標。

　　0引言

　　由于傳統發展方式粗放、能源結構和產業結構不盡合理，中國霧霾污染問題已影響到了社會生產、人民生活等各個領域。從大氣污染物的結構來看，霧霾污染最主要的原因是煤炭粉塵^[1-2]。目前，中國北方地區燃煤供暖面積超過了1010m²，燃煤供暖占90%以上。為加快提高清潔能源供暖比重，“煤改氣”和“煤改電”等政策陸續頒布，但隨著各地對“煤改”政策陸續進行落實和實施，效果并不明顯^[3-4]。因此如何改善供暖替代能源的經濟性、提高供暖替代能源的能源利用效率成為推動“煤改”政策的關鍵問題^[5]。

　　能量樞紐（energy hub，EH）作為多種能源和負荷需求的能源轉換單元^[6]，是電熱供能系統連接、轉換以及運行控制的重要途徑。通過能量樞紐對熱電氣系統進行運行與協同調度的問題，已有了大量的研究^[7-13]。針對生物質、太陽能等可再生能源充分的城鎮地區，使用能量樞紐將可再生能源轉換為熱能進行供暖^[14]，既可改善燃煤帶來的環境污染問題，又可以彌補電代煤供暖面臨的電費高的問題。目前，對于生物質熱電聯供的研究，國內外學者已對該主題進行了相關探討，并獲得一些初步成果^[15-20]。文獻[15]為反映生物質混煤系統綜合性能，基于能值理論，提出了4個評價指標，對生物質能摻燒于不同容量、不同燃煤發電/熱電聯產（combined heat and power，CHP）系統進行了可持續性分析評價；文獻[16-17]對不同生物質燃料進行CHP的工程規劃與建設思路進行介紹，并對其節能經濟性能進行了詳細分析；文獻[18]從能耗和溫室氣體排放角度，對生物質作為燃料參與CHP進行比較分析；文獻[19-20]提出并介紹了基于不同能源構成的生物質CHP實現技術和運行模型。

　　上述研究成果為后續工作奠定了基礎，但仍普遍存在以下兩個重要問題，亟待進一步研究解決：①多數研究著重于對生物質CHP的效益和能效等方面進行分析評價，而對生物質CHP在能源系統中具體運行模型與運行方式的研究不夠充分；②多數生物質CHP研究著重于在生物質發電的基礎上直接加入余熱回收裝置，能源利用效率的提高效果不夠顯著，與其他新能源相比，生物質熱電聯供的市場競爭力不足。

　　針對上述問題，本文提出一種適用于城鎮地區多種新能源高效消納的綜合能源運行雙層優化方法。在生物質CHP的基礎上加入補燃機制，建立多個不同輸入能源的可補燃CHP機組的聯合運行優化模型。該模型詳細計及了配電網、天然氣、光伏和生物質等多種能源的協同運行，并將電熱供能系統作為整體對其經濟性和能效進行統籌調度，同時設計了差分帝國競爭算法進行求解驗證。與文獻中的生物質CHP方法相比，本文方法進一步提高了生物質CHP供能的經濟性和能源利用效率，提高了生物質供能的市場競爭力。

　　1城鎮綜合能源供給系統

　　1.1生物質供能模型

　　生物質供能主要利用農業和林業生產中產生的有機廢棄物作為燃料，一般通過粉碎或顆粒化的處理后直接燃燒發電，甚至一些經過分類處理的城市垃圾也可回收利用，通常采取直接燃燒或氣化等方式進行發電。城鎮地區作為農作物集散地，生物質資源豐富，通過直接燃燒的發電技術產生綠色電力，不僅可增加清潔能源比重，還可以增加農民收入，縮小城鄉差距。

　　生物質燃料經氣化處理后可直接燃燒發電，依據發電容量不同一般有3種方式^[1]，如圖1所示。圖中：δ1至δ5為轉化效率。依據文獻[19，21]，本文選取的研究對象為園區級用戶，根據負荷水平選擇微型燃氣輪機發電的方法。一般由微型燃氣輪機直接發電的轉化效率在20%左右，用能效率低。本文在微型燃氣輪機發電的基礎上，配置帶補燃裝置的余熱鍋爐，改變CHP機組供熱效率，從而提高整體能源利用率ηE。

　　CHP補燃裝置的工作原理為：補燃燃料直接噴入廢氣回收的煙道中與廢氣混合燃燒，利用燃機排煙中的過余氧氣作為燃料的氧化劑，利用鍋爐入口煙道的內部空間作為補燃燃室，燃機排氣余熱和補燃帶入鍋爐的熱量共同與爐水換熱后產生蒸汽或熱水，提高了CHP機組產熱效率。

　　生物質和天然氣作為發電燃料，經過微型燃氣輪機后產生廢氣，二者產生的廢氣皆經上述過程進行補燃供能，其機組的補燃效率參數相同。根據文獻[22]提供的補燃機組實驗數據，用線性模型對CHP補燃率A（t）、熱電比VC（t）、響應油耗量PO（t）進行擬合得到：

　　1.2光伏發電模型

　　采用光伏電池單二極管的等效物理模型，模型建立后基本可以將光伏電池等效為電流源。輸出電流I可以表示為^[23]：

　　光伏電池的輸出電流不僅與溫度和光照強度有關，也與內部等效電路的幾種電阻參數有關。在此模型的基礎上，通過日前溫度和光照強度的預測值得到對第2日光伏發電最大功率的預測值。

　　1.3綜合能源系統運行框架

　　選取城鎮中建設運行成本較低、應用廣泛的生物質、光伏、天然氣和電網為能量輸入，通過補燃設備優化生物質和天然氣CHP機組熱電運行狀態，設計城鎮綜合能源系統典型運行框架如圖2所示。

　　本文中認為天然氣供能的CHP機組與生物質供能的CHP補燃裝置具有相同的機組特性。由于補燃燃料僅起調節作用，不直接作為能源輸入，為降低成本，本文涉及的天然氣和生物質補燃裝置皆采用工業廢油。

　　2城鎮綜合能源雙層優化調度策略

　　雙層優化模型是具有雙層遞階結構的系統優化模型，下層優化問題基于上層決策給定的方案，將下層決策的最優值反饋到上層，上層再根據下層的最優值反應做出符合全局最優效益的決策^[24]。本文以城鎮地區熱電混合供能系統為研究對象，將REH的用能成本優化問題和REH的用能效率提高問題考慮為雙層優化模型，如附錄A圖A1所示。上層模型描述了REH的能源分配策略，以熱電負荷和光伏預測數據以及下層上傳的兩個CHP熱電比為基礎，通過全局優化算法求解出能源在電網、天然氣供能和生物質供能中的全局優化調度策略，實現對宏觀能源的分配與控制；下層模型為機組的微觀能效優化，依據當前能源與負荷的分配狀態，對天然氣供能和生物質供能的CHP機組的運行情況分別進行相應的調整，在上層能源分配的結果中實現下層用能效率優化。在此過程中，天然氣和生物質接入的CHP機組最佳運行熱電比發生改變，上層策略根據下層優化的結果重新優化，循環往復，直至最優。

　　3差分帝國競爭算法

　　本文采取的差分改進帝國競爭算法^[26]是一種基于帝國主義競爭機制的進化算法。微分進化算法具有實現簡單、搜索能力強等優點；而帝國競爭算法具有全局收斂性強、可同時得到多個全局最優解等優點。綜合上述優點，相比于一般的拉格朗日函數算法，避免了求取拉格朗日函數，對于本文這樣下層優化目標復雜、約束較多的問題有較大優勢。

　　基于文獻[26]的改進差分帝國算法（DE-ICA），在同化操作和競爭操作之間添加微分變異和微分交叉操作，對本文的雙層優化模型做以下處理后，作為算法輸入量進行求解，具體算法執行過程如下。

　　4算例分析

　　4.1基礎數據

　　算例模擬城鎮典型的能源配置形式，考慮兩臺分別以天然氣和生物質為燃料的CHP機組和一臺以天然氣為燃料的燃氣鍋爐。CHP最大電出力為0.4MW，燃氣鍋爐最大輸出熱功率為1MW。本地光伏和地區配電網也可提供電能，光伏采用某典型日數據，正午預測最大電功率為0.9MW。

　　選用某地城鎮地區某典型日真實熱電負荷數據作為日前調度分析對象，時間尺度為1h，熱電負荷數據見附錄A圖A2。REH效率和優化模型中的部分參數如附錄B表B1所示^{[24，27]}。

　　對比研究3種不同的模式下的運行結果。3種模式說明如下。

　　模式1：城鎮綜合能源系統不使用生物質作為能量來源，僅考慮配電網、天然氣、光伏和燃油作為能量來源，優化調度多種能源。

　　模式2：僅考慮生物質發電，該地區增加一臺生物質微型燃氣輪機，其他配置同模式1。

　　模式3：考慮生物質電熱混合供能，配置余熱鍋爐收集生物質發電的剩余熱量，其他配置同模式2。

　　4.2結果分析

　　應用本文第3節中的差分帝國競爭算法對上述雙層優化問題進行求解，優化3種模式下能量集線器的輸入向量P，結果如圖4所示。本地電負荷無法消納光伏發出的電量時，可在聯絡線功率的約束下向配電網供電。

　　由上述結果可知，不使用生物質時（模式1），大量天然氣用于燃氣鍋爐發電，天然氣使用量較大，配電網功率取用量較大。對比模式2和模式3，由于生物質發電余熱的回收大大提高了其能源利用效率，在下層優化中的競爭性顯著增強，模式3中調度的生物質發電量增加，促進了當地生物質的規?；谩?/p>

　　對比不加生物質、生物質單獨發電以及生物質同時供電供熱時的用能成本及能源利用效率，對比結果分別如圖5（a）和（b）所示。光伏間歇性波動對電網儲備容量提出了需求，研究發現生物質不同發電模式下的儲備容量需求有所不同。圖5（c）為反映電網儲備容量需求大小的聯絡線調度功率。

　　由圖5（a）和（b）可知，隨著可補燃生物質使用量的增加，模式3的用能費用和能效均顯著優于模式2，由于生物質單獨發電效率較低，模式2僅經濟性略優于模式1。由此可見，單純引入生物質發電對系統降低用能費用、提升能源利用率的效果有限。本文提出的生物質熱電混合供能不僅提高了生物質在下層優化中的競爭性，增強了生物質的消納能力（如附錄A圖A1所示），而且其在降低用能費用、提高整體能源利用效率方面也具有優越性。

　　由圖5（c）可知，生物質熱電混合供能模式下的電網最大儲備容量需求為1.32MW。因為模式2對系統優化的提升有限，模式1與模式2下的聯絡線功率相同，最大儲備容量需求為1.48MW。模式3相比前兩種模式降低了12.12%，說明生物質參與且采用熱電混合供能的模式可以明顯降低區域綜合能源系統對電網儲備容量需求，在另一個層面也對降低能源費用起到了積極作用。

　　4.3敏感性分析

　　截取15：00—16：00的數據對模型上下層決策變量進行敏感性分析，共設計4個場景，結果如圖6所示。

　　場景1：天然氣和生物質熱電比皆固定為1.2604，研究天然氣分配比對成本的影響。

　　場景2：天然氣和生物質熱電比皆固定為1.2604，研究生物質輸入量對成本的影響。

　　場景3：生物質熱電比固定為1.2604，生物質輸入量固定為500kW。

　　場景4：天然氣熱電比固定為1.2604，天然氣輸入量固定為500kW。

　　5結語

　　本文針對生物質CHP加入補燃裝置，構建生物質可補燃CHP機組模型，考慮天然氣、光伏、配電網電能等多種能源，計及天然氣可補燃CHP機組、變壓器、燃氣鍋爐等多種能量轉換設備，建立了多個不同輸入能源的可補燃CHP的聯合運行優化模型，提出了適用于城鎮地區多種新能源高效消納的綜合能源運行雙層優化方法。利用差分帝國競爭算法進行求解。構造城鎮綜合能源系統算例驗證了生物質熱電混合供能對能源效率和經濟性都有改善作用。本文仍存在以下兩方面不足：在能源輸入側，未能考慮風能、儲能等實際中應用較廣的新能源；在能源輸出側，未能考慮用戶需求側響應、電動汽車等可優化負荷。下一步將從上述角度進行研究。

　　附錄見本刊網絡版（http://www.aeps-info.com/aeps/ch/index.aspx）。