基于参数特征提取的综合能源运行需求优化方法研究

冯双

（国网陕西省电力公司营销服务中心（计量中心），陕西西安 710000）

随着科技的发展以及人们生活水平的提高，环境与能源问题日益凸显，在保护环境的同时，如何持续利用有限能源、满足能源运行需求的变化对其进行优化并实现能源的高效生产，成为当前世界共同讨论的话题。传统能源之间在进行互相转化时，具有较低的耦合度，在能源利用方面效率较低，与传统能源相比，综合能源存在于综合能源系统中，通过综合能源系统整合固定区域内用户周围的能源系统，利用能源系统的资源优势，综合能源可满足用户对冷、热、电、气的不同需求，利用能源转化技术实现能源的多元化，能够防止传统电网对能源生产和距离传输造成不良影响，实现更大范围的能源共享，满足其运行需求。对于综合能源运行需求的优化，国内已有相当多的研究，有学者利用能源中心，对综合能源间的不同关系进行描述和分析，建立需求模型对综合能源的运行需求进行优化并求解，还有学者根据不同能源之间的需求特征，建立联合满意度模型并对其进行双层求解[1-2]。

但以上方法均没有调整综合能源的运行参数，也较少涉及对综合能源不同运行需求的优化，因此，该文提出基于参数特征提取的综合能源运行需求优化方法，对综合能源的不同结构进行参数调整，将综合能源的运行需求纳入优化范围内，通过参数建立相应的优化模型并对其进行需求分析，再由建立的优化模型给出优化过程，最后通过实验验证该文方法的有效性。

1 运行参数调整

调整的运行参数如图1 所示。

图1 调整的运行参数

由图1 可知，调整的运行参数从上而下为联供系统参数、燃气锅炉参数、热泵参数、电热制冷机参数、储电装置参数、储热装置参数[3-4]。

对综合能源运行参数的调整，主要包括以下几个方面。

1）对联供系统参数的调整。在联供系统中，微燃机运行过程需要吸收式制冷机的参与，在运行过程中会产生产热特征参数、产电特征参数、散热损失参数等，参数中包含一定数值的负荷向量，负荷向量一般会受燃料燃烧量与燃烧效率值所影响，在一个采样周期内，影响的程度随着吸收式制冷机吸收量的变化而升高或降低[5-7]。

2）调整太阳能发电设备参数。在综合能源系统中，太阳能发电设备具有较多的优点，例如：开发周期短、环保耐高温、建设简单等，太阳能发电设备运行中的参数通常会受到光照强度和温度的双重影响，在对其进行调整时，可将光伏输出功率参数与光照强度参数进行转换，实现太阳能发电设备参数的调整。

3）调整燃气锅炉参数。燃气锅炉燃烧燃料产生蒸汽，而锅炉内的水获得来自燃气锅炉的热能，热能的转化效率受燃气锅炉参数的影响，所以为了提升燃气的转换效率，需要对燃气锅炉参数作出一定的调整。燃气锅炉参数由锅炉的供热效率与燃气的消耗速率共同决定，因此调整供热效率与消耗速率即可实现对燃气锅炉参数的调整。

4）调整热泵参数。热泵是综合能源系统中的一种高效节能装置，可将低位热传输到高位热，为了提升综合能源的利用效率，需要对热泵参数进行一定程度的调整。热泵参数根据制冷与制热特性，可通过提高热泵的制冷量与制热量实现对热泵参数的调整，采用转换原理降低热泵的耗电量从而提升热泵的制冷量与制热量[8-12]。

5）调整电制冷机组参数。电制冷机组是一种补冷装置，在综合能源系统中进行制冷作业，为了提升综合能源的运行水平，需要对电制冷机组的参数进行调整，由于电制冷机组的制冷量与耗电量影响着电制冷机组参数，因此可通过提高制冷量与耗电量实现对电制冷机组参数的调整。

步骤2 对EDI=(ediny)N×N进行规范化处理，得到规范化影响矩阵NDI=ne·EDI=(ndiny)N×N，其中

6）调整储电装置参数。储电装置可以提升综合能源的运行速度，改善综合能源质量，维护综合能源系统的平稳，实现削峰填谷。为了提升储电装置的运行效率，最大程度满足综合能源运行的需求，需要对储电装置参数进行调整，调整的过程可通过转换储电装置的充电功率与放电功率来实现[13-14]。

7）调整储热装置参数。综合能源系统中的储热装置具有重要作用，可以向综合能源提供较高的热量，为了提高储热装置的存储能力和存储效率，同样需要对储热装置参数进行调整。

2 优化模型

综合能源优化调度逻辑如图2 所示。

图2 综合能源优化调度逻辑

通过对综合能源运行参数的调整，得到联供系统参数、太阳能发电参数、燃气锅炉参数、热泵参数、电制冷机组参数、储电装置参数和储热装置参数，通过这些综合能源运行参数建立优化模型。在建立综合能源运行需求优化模型前，需要全面、准确地定义综合能源系统的物理结构，这是建立优化模型的基础。通过综合能源系统可以实现综合能源的输入、输出和相互转换，综合能源系统是一种能源互联网，主要包括外部能源供应子系统、能源转换子系统、能源输送网络和用户终端子系统四部分组成。外部能源供应子系统是整个综合能源系统的核心，需要向综合能源系统提供一次能源和二次能源，一次能源包括天然气、燃油、煤炭，二次能源包括电力、蒸汽、煤气。能源转换子系统主要包括三种，第一种是小型水力发电与风力发电的能源系统，第二种是微燃机、燃料电池等热、电系统，第三种是能源转换设备，例如：燃气锅炉、储热装置、储能装备等。通过这三种子系统可将一次能源和二次能源转换成综合能源，满足终端用户对综合能源的运行需求。能源输送网络负责将一次能源和二次能源传输到终端用户网络，用户终端子系统主要负责消耗转换完成的能源。储能能源标准化建模物理结构如图3 所示。

图3 储能能源标准化建模物理结构

描述完综合能源系统的物理结构后，基于综合能源的运行参数，建立优化模型。综合能源系统是一种双端口网络，设能源输入为Cin，能源输出为Vout，能源转换子系统转换一次能源和二次能源的过程用矩阵C表示。式中矩阵C用来描述能源设备转化能源的过程：

系统中燃气锅炉、储能装置的转换表达式如下：

电制冷机组的转换输出为：

式中，ηAB为电制冷机组的制冷效率。

太阳能发电装置的转换输出为：

式中，ηc为太阳能发电装置的发电效率。

基于以上转换关系得出综合能源的优化模型为：

式中，Yd为综合能源的运行效率[15-16]。

3 基于优化模型的优化过程实现

综合能源运行需求的优化是为了尽可能满足能源用户的用能需求，确定单位时间内能源设备的产能量以及终端用户的用能量，采用有效的综合能源输入与输出方式对综合能源进行快速传输，结合能源转换子系统、能源供应子系统、能源输送子系统以及能源用户终端子系统，利用上述子系统建立的综合能源运行需求优化模型，得出综合能源运行需求的优化过程，综合能源优化过程如图4 所示。

图4 综合能源优化过程

为了保障用户的用能安全，能源管理中心负责协调用户的用能要求，根据用能要求将终端用户进行分类，分类的标准参考优化调度的负荷种类，普通居民用户对负荷的要求包含刚性负荷和柔性负荷，刚性负荷包括照明灯、燃气、热水器等，这些需要燃气锅炉的燃气能源、太阳能发电装置的电力能源、以及热泵产热能源，一大部分用能需求为柔性负荷，在有效的用能计划中可安排用户的用电和燃气使用行为。工商业用户通常是高载能负荷，高载能负荷的特点是稳定性高、速度快、自动化水平高，由于生产计划与商业活动的原因，工商业用户的用能要求较高，用能量较多。根据工商业用户和普通居民用户提供的用能需求制作整个综合能源系统的供能方案，用能需求在刚性负荷和柔性负荷的基础上再进行具体的分类，通常分为电负荷、热负荷、冷负荷。

根据不同用户的用能需求找出对应的供能设备。将终端用户不同的用能需求进行系统分类后，按照用能需求找出对应的综合能源设备。由于用户的需求分为电负荷、冷负荷、热负荷，所以对应的供能设备为电制式、吸收式制冷、传统锅炉、电制热、风力发电、光伏发电、热电联产设备、光热地热、燃气锅炉、储电装置、太阳能发电装置等。

采用优化模型中的优化算法对各类供能设备进行优化。根据用能需求找出对应的供能设备后，根据优化模型建立供能设备的目标函数，采用优化算法对这些多目标函数进行优化，经过优化后，如果目标函数为最小，则输出目标函数，否则继续采用优化算法对目标函数进行优化。

4 实验研究

为了满足不同能源运行需求的变化，提出了基于参数特征提取的综合能源运行需求优化方法，为了验证该文方法的有效性，与传统方法进行了对比实验。实验使用四种功能设备，包括一台额定功率为150 kW 的太阳能发电装置，一台额定功率为300 kW的储电装置，一台额定功率为300 kW 的储热装置，一台额定功率为400 kW 热泵，分别接入500 kW 的综合能源系统中。运行实验参数如表1 所示。

表1 运行实验参数

根据上述参数，选用该文方法与传统方法进行对比实验。差额补冷实验结果如图5 所示。

由图5 可知，传统优化方法下综合能源系统中的负荷量偏低，热负荷与电负荷差别较大，不能同时满足冷、热负荷的需求变化，热泵的产热功率不符合热负荷的要求，并且差额补电效果较差，差额补冷不及时。由实验结果可知，利用该文提出的基于参数特征提取的综合能源运行需求优化方法，热负荷来自用户用能的日常需求，负荷量偏低，热负荷曲线与电负荷曲线基本相同，在谷时段，热泵在供能过程中的产热功率不符合热负荷的要求，需要进行差额补热，由热负荷曲线可知，差额补热较稳定，证明热泵的差额补热效果优于传统方法。

图5 差额补冷实验结果

综上，该文提出的基于参数特征提取的综合能源运行需求优化方法优于传统方法，热泵的产热功率负荷热负荷要求，且差额补电效果优于传统方法，差额补冷具有更高的实时性。

5 结束语

基于传统方法中出现的热负荷与电负荷差别大、差额补电效果差、差额补冷实时性低等问题，提出基于参数特征提取的综合能源运行需求优化方法，该方法首先对综合能源的运行参数进行了调整，运行参数包括：太阳能发电装置参数、电制冷机组参数、热泵参数、储电装置参数、储热装置参数、燃气锅炉参数。然后根据调整完的运行参数建立综合能源运行需求的优化模型，根据优化模型给出综合能源的优化过程。最后通过实验验证该文提出的基于参数特征提取的综合能源运行需求优化方法优于传统方法，差额补冷的实时性较高，差额补热效果更优，具有一定的有效性。