含海水淡化负荷的多源多荷系统日前优化调度策略研究

陈培育1*,宋杰2,陈嘉栋2,朱庆2,张金禄3,于光耀1  

(1.国网天津市电力公司电力科学研究院,天津市 西青区 300384;2.国电南瑞科技股份有限公司,江苏省 南京市 211106;3.国网天津市电力公司,天津市 河北区 300010)

摘要

以含海水淡化负荷的多源多荷系统日前优化调度问题为研究对象,分析了含海水淡化负荷的多源多荷系统结构,系统中海水淡化设备主要包括两种,即蒸馏法设备(热法设备)和反渗透法设备(膜法设备),不同种类的海水淡化设备在耗电量、热能消耗、最大运行功率和最大爬坡功率方面有所差异,可以形成资源互补。通过分析系统调度优化目标和约束条件建立了含海水淡化负荷的多源多荷系统日前优化调度模型,根据优化模型特点采用线性单纯形算法进行求解。算例表明通过对含海水淡化负荷的多源多荷系统运行情况进行优化,可以大幅降低海水淡化企业的生产运行费用,有助于沿海高密度分布式电源的就地消纳,为开展海水淡化综合能源系统优化运行和电网友好互动示范应用提供参考依据。

关键词 : 综合能源;海水淡化负荷;调度策略;线性单纯形法;多源多荷系统

基金项目:国家电网公司总部科技项目(考虑海水淡化的沿海多源多荷协调优化技术研究与验证,SGTJDK00DWJS1800011)。 Science and Technology Foundation of SGCC(SGTJDK00DWJS1800011).

0 引言

海水淡化系统中的脱盐过程耗能高[1],而中国沿海城市一般距离传统的能源中心较远,如采用化石能源运输的方式来进行海水淡化生产会带来高昂的运行费用[2]。然而,沿海城市一般拥有较为充沛的可再生能源,运用风能等分布式能源进行海水淡化生产不仅能减少环境污染,节约能源,而且可以降低分布式能源的功率倒送量,有助于新能源的就地消纳[3-5]

在多源多荷系统调度方面,文献[6]建立了基于态势联动的主动配电网多源多荷优化调度模型,为主动配电网多源多荷协同优化调度提供数据和模式支撑。文献[7]提出了一种基于多代理系统(MAS)的主动配电网三层多源多荷协调优化调度架构,由调度架构求解优化模型得出了区域自治协调优化调度策略。文献[8]提出了基于虚拟电源配置策略的风光水火多源互补短期优化调度策略,实现了短期调度中经济效益和环保效益的最大化,为高效吸纳大规模新能源并网提供了一种参考方案。计及海水淡化负荷时,文献[9]建立了孤岛型海水淡化能量调度系统,系统在可再生能源能流密度较大、电力过剩时进行海水淡化生产,解决海岛淡水不足的问题。文献[10]对离岸型多能互补微网展开研究,利用岛屿光伏和风电对岛上负荷供电,将海水淡化纳入整个系统进行优化,形成了一套多能源综合利用和互补的综合解决方案,并探讨了该系统的集成化运行。

综上所述,随着人们对海水淡化系统的重视和海水淡化相关技术的发展,海水淡化负荷的优化调度研究也越来越深入和完善。但目前的优化调度主要集中在离岸孤岛型的海水淡化系统和分布式电源、蓄电池的配合,涉及与大电网相连的海水淡化多源多荷系统的优化调度研究较少,且目前主要的调度系统中的海水淡化负荷较为单一,没有考虑多类型海水淡化负荷的配合和组合调控潜力。因此,对含多类型海水淡化负荷的多源多荷系统进行优化调度策略研究具有现实意义。

本文首先分析含海水淡化负荷的多源多荷系统结构,随后建立含多类型海水淡化负荷的多源多荷系统优化调度模型,根据模型特点采用线性单纯形算法进行求解。以天津某海水淡化厂某车间的典型海水淡化系统为例,通过算例验证了本文所提调度策略的有效性,同时给出了分布式电源发电不上网时和当海水淡化企业与配网的连接母线故障时系统的最优调度策略,为开展海水淡化综合能源系统优化运行以及与电网友好互动示范应用提供参考。

1 含海水淡化负荷的多源多荷系统结构

在进行含海水淡化负荷的多源多荷系统协调优化调度建模之前,首先需要分析系统的典型结构及其各组成部分。本文考虑的多源系统包括供电系统和供热系统,其中供电系统包含分布式光伏、风电机组和传统配电网公共母线,分布式光伏、风电机组通过逆变器等电力电子设备接入电网作为传统电网之外的电源来为海水淡化企业的生产设备和周围居民负荷供电。供热系统方面,海水淡化企业及周边负荷所在园区的热负荷直接由市政供应,海水淡化企业生产车间和周边热负荷均通过市政热力管网互联。负荷方面,除了周边居民和海水淡化企业常规的电、热负荷外,还包含企业中的海水淡化负荷。海水淡化设备主要包括2种,即蒸馏法设备(热法设备)和反渗透法设备(膜法设备)。含海水淡化负荷的多源多荷系统结构如图1所示。

图1 含海水淡化负荷的多源多荷系统结构
Fig.1 Structure of multisource and multiload system with seawater desalination load

2 含海水淡化负荷的多源多荷系统日前优化调度目标

根据海水淡化系统的运行特点,建立含海水淡化负荷的多源多荷系统日前优化调度目标函数。目标函数为整个系统的日运行成本,成本考虑多个因素,包括多源多荷系统与配网电功率购售费用、多源多荷系统与市政管网的供热交易费用和多源多荷系统内海水淡化设备及可再生能源设备运行维护费用:

1)多源多荷系统与配网电功率购售费用

式中:为系统向公共电网的t时刻购电功率;为系统的可再生能源发电的t时刻净上网功率; 和是逐时购电电价和可再生能源发电上网电价。

2)多源多荷系统与市政管网的供热交易费用

式中:为多源多荷系统内t时刻的其他热负荷值,kW;为海水淡化企业t时刻的第i台热法工艺设备所需的热水负荷函数,kW;t时刻的市政管网供热价格,元/kW;k为系统内海水淡化热法工艺设备总数量。

3)多源多荷系统内海水淡化设备及可再生能源设备运行维护费用

式中:pmipri分别为第i个海水淡化膜法工艺设备、热法工艺设备和可再生能源设备的单位功率运行维护成本;为第i个海水淡化膜法工艺设备、热法工艺设备和可再生能源设备的运行功率;jkl分别为系统内海水淡化膜法工艺设备、热法工艺设备和可再生能源发电设备总数量。

3 含海水淡化负荷的多源多荷系统日前优化调度约束

对含海水淡化负荷的多源多荷系统运行状态进行合理调度,可以在保证海水淡化产量的情况下减少含海水淡化负荷的多源多荷系统运行费用,当配网功率交换母线出现故障时也能全力安排海水淡化生产,增强含海水淡化负荷的多源多荷系统的适应能力。在优化调度时要考虑含海水淡化负荷的多源多荷系统各类生产设备的运行状态,不可为了经济效益而让设备在安全稳定运行边界处运行,因此需要制定含海水淡化负荷的多源多荷系统优化调度的运行约束条件。

3.1 海水淡化设备的总出水量约束

本文研究对象中海水淡化厂南部车间的生产是整个厂区海水淡化生产的一部分,因此在模型考虑中为简化只考虑完成生产目标下限约束,生产的淡水认为蓄水池有足够容量容纳:

式中:t时刻第i台海水淡化膜法工艺的运行功率;t时刻第i台海水淡化热法工艺的运行功率;t时刻第i台海水淡化膜法工艺设备运行功率和海水淡化量生产的系数;sirt时刻第i台海水淡化热法工艺设备运行功率和海水淡化量生产的系数;jk分别为系统内海水淡化膜法工艺设备、热法工艺设备总数量;Smin表示该海水淡化系统1 d需产出的最低淡水总量。

3.2 含海水淡化负荷的多源多荷系统负荷平衡约束

多源多荷系统内电功率平衡约束条件为:

式中:t时刻系统向公共电网的购电功率;t时刻系统的可再生能源发电的净上网功率,二者之差为系统联络母线的功率净交换值;t时刻海水淡化企业的分布式电源发电功率,包括风电和分布式光伏;t时刻多源多荷系统内的其他纯电负荷值。

多源多荷系统内热功率平衡约束条件为:

式中:Pabs(t)为t时刻市政供热管网提供的热功率;为多源多荷系统内t时刻的其他热负荷值;为海水淡化企业t时刻第i台热法工艺设备所需的热水负荷函数。

3.3 海水淡化设备的功率运行和爬坡约束

系统的功率约束条件主要考虑海水淡化装置的功率限额,保证海水淡化装置不要过负荷运行。当海水淡化设备运行在最大功率时,该海水淡化系统处于最大运行方式下,并且负荷中的所有高压泵和升压泵都处于高频运行状态,当供电功率超过最大功率时,各类电机由于转速限制不能正常工作,系统将处于停机状态,因此有:

式中:分别为第i台海水淡化热法工艺设备和膜法工艺设备的功率输出极限。

在允许的功率运行范围内,膜法和热法工艺的海水淡化装置中的高压泵和升压泵的运行状态可以随着电能供给的变化而变化,但由于电机的转速限制,海水淡化膜法和热法工艺均存在逐时最大功率爬坡约束,且爬坡能力取决于各自设备中的电机类型,两种工艺设备的最大功率爬坡约束如下:

式中:PRi(t)和PMi(t)分别为t时刻第i台海水淡化热法和膜法工艺设备的输出功率;分别为t时刻第i台海水淡化热法和膜法工艺设备的功率爬坡极限。

4 算例研究

图2为天津某海水淡化厂某车间的典型日电、热负荷预测曲线,图3为该海水淡化厂的典型日分布式光伏和风电机组的发电功率预测曲线,数据来自该海水淡化厂和周边居民负荷的用能采集系统能源预测模块[11]

该海水淡化厂及周边负荷所在的园区采用分时电价计价模式,具体时段和电费价格如表1所示,可再生能源的上网电价计及增值税时为0.38/(1+0.17)≈ 0.324元/kWh。园区的热负荷直接由市政供应,考虑热力管网和热力系统的运行维护费用后将供热成本折算为0.462元/kWh。

表1 分时电价电费及时段
Table1 Time of use price and period

算例中海水淡化厂内的主要海水淡化设备有膜法海水淡化装置4套(最大运行功率75 kW),热法海水淡化装置1套(最大运行功率100 kW)。另外,厂内有光伏电池发电设备1套(最大发电功率212 kW),分布式风力发电机组1套(最大发电功率440 kW),该系统和配网公共变压器有集中式电力母线相连,系统的相关参数如表2和表3所示。

表2 海水淡化厂能源生产及交换设备种类及参数
Table2 Types and parameters of energy production and exchange equipments in desalination plant

表3 海水淡化生产设备种类及参数
Table3 Types and parameters of desalination production equipments

图2 天津某海水淡化厂及周边负荷的某典型日电、热负荷预测曲线
Fig.2 Typical daily electrical and thermal load forecast of a desalination plant and surrounding loads in Tianjin

图3 天津某海水淡化厂典型日分布式光伏和风电机组发电功率预测曲线
Fig.3 Power of a typical daily distributed photovoltaic and wind turbine of a desalination plant in Tianjin

4.1 与电网互动模式

将每日海水淡化总生产量设为最低1500 t,在Matlab环境下编写求解含海水淡化负荷的多源多荷系统日前优化调度模型的单纯形算法,实现了含海水淡化负荷的多源多荷系统日前优化调度模型求解,分别给出该系统的待消纳分布式电源功率曲线、经济最优目标下电负荷平衡调度曲线和含海水淡化负荷的热负荷曲线,如图4—图6所示。

由图6可知,海水淡化热法工艺会产生额外的热负荷需求,所有的热负荷由市政供热,本文考虑的市政供热为恒定价格,如果市政供热价格也采取分时计价,则生产过程还有一定的优化空间。

4.2 分布式电源发电不上网模式

当分布式电源发电不上网时,海水淡化厂的运行策略为最大化利用分布式电源来组织生产,尽量减少向公共母线购电,在保证海水淡化生产任务的前提下尽量减少运行费用。分布式电源发电不上网时的电负荷平衡调度曲线如图7所示。

图7中,当系统运行方式为分布式电源发电不上网时,系统调整调度运行策略,将风电和光伏超发时刻的电量和海水淡化负荷匹配,此时虽然电价较贵,但由于分布式电源发电不上网,只能通过调大海水淡化负荷的方式进行消纳。当分布式电源某一时刻发电量超过了2种海水淡化设备组合最大功率和纯电负荷总和时,只能采取弃风和弃光手段,存在能源浪费。分布式电源大发时刻增大了2种海水淡化设备出力,因此海水淡化总量增加,调度策略根据这些增加的海水淡化量从系统中逐时寻找海水淡化费用较高时刻,从高到低减小淡水生产较贵时刻的设备功率,在满足整个系统日海水淡化总量的约束下降低系统运行成本。

在11:00,由于海水淡化设备的爬坡功率限制,膜法设备无法完成迅速且大量的降功率运行,且10:00和12:00分布式电源发电较多,系统选择了11:00向电网购电来维持生产,而不是采用在10:00和12:00弃风和弃光的做法,这是因为前者在整个系统层面上运行效率更高,运行费用更低。同理在16:00和17:00,由于是平价电价时刻,系统选择在这两个时刻向系统购电,而不是在15:00弃风来维持系统运行。

图4 系统的待消纳分布式电源功率曲线
Fig.4 Power of distributed energy system to be absorbed

图5 经济最优目标下电负荷平衡调度曲线
Fig.5 Electrical load balance scheduling under economic optimal target

图6 经济最优目标下含海水淡化负荷的热负荷曲线
Fig.6 Heat load with desalination thermal load under economic optimal target

由于分布式电源发电不上网,调度系统将风电和光伏超发时刻的电量和海水淡化负荷匹配时会增加海水淡化总量,因此系统会自动降低运行成本更高的海水淡化系统出力,以节省整个系统的运行费用。在本算例中,系统选择降低谷价时段的热法海水淡化系统功率出力,因为在谷价时段膜法淡化海水成本较热法要低。

图7 分布式电源发电不上网时的电负荷平衡调度曲线
Fig.7 Electric load balance scheduling when distributed generation is not sold to the grid

4.3 海水淡化厂孤岛运行模式

当海水淡化厂和配网的连接母线故障时,功率交换量为零,系统处于孤岛运行模式,孤岛运行模式下的系统电负荷调度曲线如图8所示。

由图8可知,孤岛运行模式下,系统与配网联络线没有功率交换,此时应该在充分利用分布式电源发电量的情况下,尽可能调用低成本机组来淡化海水,同时考虑膜法制备淡水较热法需要更多电量,紧急情况下,如淡化海水量不足时只能牺牲经济性来满足海水淡化总量的约束。本算例中,海水淡化总量不足,系统首先将耗电量少的热法工艺机组全部打开并且运行在最大功率,然后根据分布式电源和纯电负荷的差额预测值来安排膜法的生产功率,在功率爬坡不越限的情况下尽可能多地淡化海水。

图8 孤岛运行模式下的系统电负荷调度曲线
Fig.8 System electrical load dispatching in island operation mode

2类海水淡化设备的功率爬坡约束和公共配网母线无法对系统进行支援,造成了较大程度的弃风和弃光,如图9所示。

图9 孤岛运行模式下的系统弃风和弃光功率曲线
Fig.9 Abandoned wind and photovoltaic power in island operation mode

孤岛运行模式下,系统在尽全力保障海水淡化的情况下还存在22%左右的海水淡化总量缺额,并且伴随着大量的弃风和弃光,因此保障海水淡化企业和配网的公共功率交换母线的供电可靠性十分必要。

图10给出了系统不同运行模式下的日总运行费用对比,允许分布式电源发电上网时采取经济性最优调度策略,日运行及购电费用为416.81元,供热费用为 1 076.24元,日运行总费用为1 493.05元;分布式电源发电不上网时,在保证海水淡化生产总量的前提下对海水淡化设备运行功率进行优化,该调度策略下的日运行及购电费用为906.32元,供热费用为839.63元,日运行总费用为1 745.95元;孤岛运行模式下,系统没有购电费用,设备用电全部来自于系统内的分布式电源,仅存在运行维护费用、海水淡化供热费用和热负荷供热费用,日运行总费用为1 186.54元,该运行方式下虽然运行费用较低,但系统存在22%左右的海水淡化总量缺额,无法完成系统要求的生产任务。可以看出,通过对含海水淡化负荷的多源多荷系统的运行进行优化,可以有效降低海水淡化系统的用能费用,促进沿海地区可再生能源消纳,并实现含海水淡化负荷的多源多荷系统经济优化运行。

图10 系统不同模式下运行费用对比
Fig.10 Comparison of operating costs under different operating conditions of the system

5 结论

本文就含海水淡化负荷的多源多荷系统运行特性和系统结构展开研究,建立了含不同种类海水淡化负荷的多源多荷系统日前优化调度模型,根据优化模型特点采用线性单纯形算法对调度模型进行求解。算例给出了与电网互动时、分布式电源发电不上网时和孤岛运行时3种情况的系统最优调度策略。

1)通过对含海水淡化负荷的多源多荷系统运行情况进行优化,可以大幅降低海水淡化企业的生产运行费用,同时有助于沿海高密度分布式电源的就地消纳。

2)当海水淡化企业的新能源发电不上网或与公共配网联络线功率交换中断时,海水淡化企业的生产成本会大幅提升。若无法保证电网对海水淡化企业的供电可靠性,海水淡化企业会面临较大的产能下降和弃风弃光现象。

3)海水淡化负荷是优质的可中断、可调节负荷资源,本文的调度方法可为提升海水淡化系统经济运行水平提供切实有效的调度方案,为开展海水淡化综合能源系统优化运行和电网友好互动示范应用提供参考依据。

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Optimized Day-ahead Dispatching Strategy of Multisource and Multiload System with Desalination Load

CHEN Peiyu1*,SONG Jie2,CHEN Jiadong2,ZHU Qing2,ZHANG Jinlu3,YU Guangyao1
(1.State Grid Tianjin Electric Power Company Electric Power Research Institute,Xiqing District,Tianjin 300384,China;2.State Grid Electric Power Research Institute,Nanjing 211106,Jiangsu Province,China; 3.State Grid Tianjin Electric Power Company,Hebei District,Tianjin 300010,China)

Abstract: In this study,the optimized day-ahead dispatching problem of multisource and multiload systems with desalination load is analyzed.There are two types of seawater desalination equipment in the structure of a multisource and multiload system with desalination load,namely,distillation equipment(thermal equipment)and reverse osmosis equipment(membrane equipment).These equipment are different in terms of power consumption,thermal energy consumption,maximum operating power,and maximum climbing power,which can form complementary resources.An optimal day-ahead scheduling model of a multisource and multiload system with desalination load is set up by analyzing scheduling optimization goals and constraints.According to the characteristics of the optimized model,the linear simplex algorithm is utilized to solve the scheduling model.An example shows that the optimization of the operating conditions of the multisource and multiload system can significantly reduce the production and operation costs of desalination enterprises and simultaneously increase the local consumption of high-density distributed power sources along the coast.This work provides reference for the optimized operation of seawater desalination integrated energy systems and gridfriendly interactive demonstration applications.

Keywords: integrated energy system; desalination load; dispatching strategy; linear simplex method; multisource multiload system

作者简介:

陈培育

陈培育(1983),男,高级工程师,主要研究方向为电力系统分析、新能源技术。通信作者,E-mail:181921530@qq.com。

宋杰(1981),男,硕士,高级工程师,主要研究方向为智能用电、需求响应。

陈嘉栋(1991),男,学士,助理工程师,主要研究方向为智能用电、需求响应。

(责任编辑 李锡)

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