1、 基于改进粒子群算法的综合能源系统经济优化运行李 斌,李 岩,刘佳鑫(华北水利水电大学电力学院,河南 郑州4 5 0 0 4 0)摘 要:针对综合能源系统的最优经济化运行,将整个系统分为新能源供应商、综合园区服务商、用户三个主体,以新能源供应商收益最大化,园区服务商收益最大化,用户购能成本最小化为综合目标,建立基于分时电价的综合能源系统经济优化模型。改进传统的粒子群算法,用所有粒子的个体最优值的平均值代替个体最优值,提高算法的精准度。利用改进后的粒子群算法对模型进行求解,并通过算例进行验证分析。关键词:综合能源系统;分时电价;改进粒子群算法;最优经济运行中图分类号:TM 7 3 2 D O I
2、:1 0.1 9 7 6 8/j.c n k i.d g j s.2 0 2 3.0 2.0 4 6E c o n o m i cO p t i m i z a t i o nO p e r a t i o no f I n t e g r a t e dE n e r g yS y s t e mB a s e do nI m p r o v e dP a r t i c l eS w a r mO p t i m i z a t i o nA l g o r i t h mL IB i n,L IY a n,L I UJ i a x i n(S c h o o l o fE l e c t
3、 r i cP o w e r,N o r t hC h i n aU n i v e r s i t yo fW a t e rR e s o u r c e sa n dE l e c t r i cP o w e r,Z h e n g z h o u4 5 0 0 4 0,C h i n a)A b s t r a c t:I nv i e wo f t h ec o m p r e h e n s i v eo p t i m u me c o n o m i z a t i o ne n e r g ys y s t e mi no p e r a t i o n,t h ew h
4、 o l es y s t e mi sd i v i d e di n t ot h r e em a i nb o d i e s:n e we n e r g yp o w e rs u p p l yp r o v i d e r s,c o m p r e h e n s i v ep a r ks e r v i c ep r o v i d e r s,a n du s e r s.T h ee c o-n o m i co p t i m i z a t i o nm o d e l o f i n t e g r a t e de n e r g ys y s t e mb
5、a s e do n t i m eo f u s e e l e c t r i c i t yp r i c e i s e s t a b l i s h e dw i t h t h e c o m p r e-h e n s i v eg o a l o fm a x i m i z i n gt h ei n c o m eo fn e we n e r g ys u p p l i e r s,m a x i m i z i n gt h ei n c o m eo fp a r ks e r v i c ep r o v i d e r s,a n dm i n i m i z
6、 i n gt h ee n e r g yp u r c h a s i n gc o s to fu s e r s.T h e t r a d i t i o n a l p a r t i c l es w a r mo p t i m i z a t i o na l g o r i t h mi s i m p r o v e db yr e-p l a c i n gt h e i n d i v i d u a l o p t i m a l v a l u ew i t h t h e a v e r a g eo f t h e i n d i v i d u a l o
7、p t i m a l v a l u e so f a l l p a r t i c l e s t o i m p r o v e t h e a c c u r a-c yo f t h ea l g o r i t h m.T h e i m p r o v e dp a r t i c l es w a r mo p t i m i z a t i o na l g o r i t h mi su s e dt os o l v et h em o d e l,a n da ne x a m p l e i sg i v e nt ov e r i f yt h ea n a l
8、y s i s.K e yw o r d s:i n t e g r a t e de n e r g ys y s t e m;T OUp r i c e;i m p r o v e dp a r t i c l es w a r mo p t i m i z a t i o n;o p t i m a l e c o n o m i co p e r a t i o n收稿日期:2 0 2 2-0 5-0 7作者简介:李斌(1 9 7 1-),博士,副教授,研究方向为电力系统及自动化、新能源发电及储能;李岩(1 9 9 9-),通信作者,硕士研究生,研究方向为综合能源系统、电力市场。0引言
9、近年来,面临着环境污染与能源短缺的压力,能源结构发生了巨大改变,传统单一的化石能源已经不能满足人类需求,可再生资源得到高速率发展。与此同时,弃风、弃光等弃能问题伴随而生,为了减少此类现象,提高能源的利用效率,集冷、热、电、气、可再生能源为一体的综合能源系统得到发展1。目前,针对综合能源系统已经有了大量研究。文献2 通过建立下层用户间非合作博弈和上层聚合商联盟合作博弈的双层博弈优化模型,对多区域互联综合能源系统进行运行优化;文献3 建立了考虑电转气和碳捕集系统的电气热综合能源系统模型,建立了基于低碳目标的电气热综合能源系统优化调度模型;文献4-5计及综合需求响应策略,建立了基于电价的电力负荷需求
10、响应和基于激励的热负荷需求响应模型;文献6-1 1 考虑综合能源系统“源荷”交互影响,构建源荷协同优化模型;文献1 2-1 5 针对可再生能源出力及负荷不确定性对综合能源系统日前经济调度的影响,研究了考虑源荷不确定因素的日前经济调度问题,文献1 6 提出了一种基于源荷双侧主从博弈的园区综合能源系统运行优化策略,提高系统中各主体的经济收益。现将综合能源系统分为新能源供应商、综合园区服务商、用户三个主体,以新能源供应商收益最大化、园区服务商收益最大化、用户购能成本最小化为综合目标,建立系统综合经济运行模型,利用改进后的粒子群算法求解系统优化模型,最后以实际算例进行分析,研究系统的最优经济规划 结
11、果,为 后 续 综 合 能 源 系 统 的 协 同 规 划 提 供参考。1综合能源系统结构及设备模型整个系统内的设备架构如图1所示,新能源发电由光伏发电机组与风力发电机组构成。天然气通过燃气轮机作用产生电能,其发电过程中产生的余热一部分被转化为热功率,一部分被转化为冷能,将这些设备统称为气转电/351系统解决方案 电工技术 热/冷等设备,分别将天然气转化为电能、热能、冷能供负荷使用。与此同时,电热锅炉在系统的引导下协调供热,电制冷机将电能转化为冷能传输给用户。储能设备根据系统的运行情况,进行能量的实时充放。此外,在分时电价的引导下,系统与大电网可以进行电能的双向交互。图1综合能源系统设备架构(
12、1)风电出力模型。风电是一种强随机波动性、低可控性能源,风电出力具有不确定性与随机性。威布尔分布曲线形状与现实状况很匹配,通常被用来描述风速的分布6。其概率密度函数为:f(x;,k)=k(x)k-1e(-x)k,x0(1)x=-l n1-f(x)1/k(2)式中,k为形状系数;为比例系数。风电机组发电功率P,t的数学模型为:P,t=0,vtvcv3t-v3cv3r-v3cPr,vcvtvrPr,vrvtvf(3)式中,vt为t时刻的风速;vc为风电机组的切入风速;vr为风电机组的额定风速;vf为风电机组的切出风速;Pr为风电机组的额定输出功率。(2)光伏出力模型。光伏发电的出力主要受电池板温度
13、、太阳能光谱分布和光照强度等因素的影响,且光照强度对其发电能力的影响最大。Pp v,t=Ps t cHs,t1+k(Tc,t-Tt)Hs t c(4)式中,Hs,t为光照辐射密度;K为温度功率系数;Tc,t为环境温度;Tt为参考温度;Hs t c为标准条件下的光照辐射密度。(3)天然气。在此系统中,有:Fg a s=Fg t+Fg b+Fg c(5)式中,Fg a s为天然气总消耗量;Fg t为燃气轮机天然气消耗量;Fg b为燃气锅炉天然气消耗量;Fg c为气转冷设备的天然气消耗量。(4)电制冷机出力模型。Qe c=Pe ce c(6)式中,Qe c为电制冷机输出的冷功率;Pe c为电制冷机输
14、入的电功率;e c为电制冷机的转化效率。(5)电热锅炉出力模型。Qe b=Pe be b(7)式中,Qe b为电热锅炉输出的热功率;Pe b为电热锅炉输入的电功率;e b为电热锅炉的转化效率。(6)气转电/热/冷模型。Pg a s-G=Fg tg a s-G(8)Pg a s-h=Fg bg a s-h(9)Pg a s-c=Fg cg a s-c(1 0)式中,g a s-G、g a s-h、g a s-c分别为气转电、热、冷效率。(7)储能装置模型。PE,t=PE,(t-1)(1-i)+(c h rPc h r(t)-Pd i s(t)/d i s)t(1 1)式中,PE,t为t时刻储能设
15、备的容量;i为自耗能效率;c h r、d i s分别为充放效率;Pc h r(t)、Pd i s(t)分别为t时刻的充放功率。2综合能源系统经济优化模型2.1系统架构本文提出的综合能源系统集新能源供应商、综合园区服务商、用户为一体,与大电网进行互联,通过多种设备的协调耦合,实现电、热、冷能源的高效经济利用。整体结构如图2所示,其中三个主体如下。图2综合能源系统架构(1)新能源供电商。新能源供电商具有风力发电、光伏发电等新能源设备,可向园区服务商提供新能源机组产生的电能。(2)综合园区服务商。园区服务商具有天然气供能设备,以及电热锅炉、电制冷机、气转冷等能源转换设备。服务商协调新能源供应商及大电
16、网来满足用户电、热、冷能源需求。电能方面,可从新能源供应商处购买,或者利用自身设备通过燃气轮机燃烧天然气产生电能,也可以从电网购售电;热能方面,燃气轮机一部分发电余热可以被换热机组收集并转化为热功率,通过供热管道中的热水传递给用户以满足用热需求,也可通过电热锅炉等热电联产设备进行供热;冷能方面,燃气发电机组一部分发电余热被能源站中吸收式制冷机收集并转化为冷功率,通过供冷管道中的冷水传递给用户以满足用冷需求,也可通过电制冷机满足冷负荷需求。(3)用户。用户负荷分为电、热、冷三种。2.2新能源供应商模型光伏、风电收益为:CE S=Tt=1t(Cp v,s,t-Cp v,c,t)Pp v+(C t,s,t-C t,c,t)P t(1 2)451电工技术 系统解决方案 式中,t为时间长度,取为1h;T为总时间段;Cp v,s,t、C t,s,t分别为光电、风电的出售价格;Cp v,c,t、C t,c,t分别为光电、风电的发电成本;Pp v、P t分别为光电、风电的功率。风光出力上下限约束为:Pp v,m i nPp vPp v,m a x(1 3)P t,m i nP tP t,m a x(1