垃圾能源利用與城市多能源系統協同優化模型

　　摘要隨著城市級多能源系統的快速發展和城市垃圾處理設施供能規模的不斷擴大，考慮垃圾處理過程的多種能源供能協調優化，并將其與城市多能源系統協同優化進行綜合考慮，是提高城市垃圾處理能力和資源化利用水平及綜合能源利用效率的重要途徑之一。該文將垃圾處理系統等效為一個以垃圾為輸入的供能系統，建立城市垃圾能源化利用供能系統(WRESS)、城市多能源系統和城市多源儲能系統三者協同優化模型。首先，研究一定時間尺度內可用于供能的城市垃圾產量、最大允許堆存量與其對應的供能種類和供能特性之間的關系，建立垃圾能源化利用供能優化模型;其次，針對垃圾能源化利用可調節特性與多能源系統、多能源儲能系統自身協調能力間關系，建立以運行和調節成本最小為目標的城市垃圾能源化利用與多能源系統協同優化模型;最后以中國某城市實際垃圾處理與多能源運行數據為基礎，通過三個場景仿真驗證所提模型的有效性。仿真結果表明，該模型在提高城市垃圾處理能力的同時，能夠有效降低多能源系統運行成本并提升系統調節能力。

　　關鍵詞：多能源系統垃圾能源化利用能源利用效率多源儲能

　　0引言在能源互聯網的背景下，針對高比例可再生能源并網后城市電、熱、氣系統間的互補協調及調節能力弱的問題[1-4]，一方面，多源轉換與存儲裝置所構成的多源儲能系統接入，可作為一種靈活性資源為城市多能源系統提供較大的調節能力;另一方面，隨著垃圾能源化利用技術的發展，考慮城市垃圾的處理及堆存能力，利用垃圾供能具有成為靈活性資源的潛力[5-8]。而如何利用垃圾能源化利用特性與城市多能源供給、轉換、存儲間協同運行，以提高城市能源利用效率和系統運行經濟性，是城市多能源系統研究的一個關鍵問題。

　　能源方向評職知識：能源與環境課題研究方向

　　目前國內外針對垃圾再利用供能的研究主要集中在垃圾供能系統設計、生物質垃圾處理供能特性分析及優化運行等方面。文獻[9]為提高太陽能供電效率，提出了一種光伏-光熱-沼氣聯合發電系統模型;文獻[10]建立了生物質沼氣池電熱輸出模型，為促進可再生能源消納，提出含沼氣池供能的全可再生能源系統優化調度模型;文獻[11]為充分利用偏遠地區的垃圾廢物產生的生物質能資源，構建了風柴儲生物質獨立微網系統并提出雙模式優化控制方案;文獻[12]針對生物質發電效率低的問題，提出考慮生物質能供能特性的綜合能源系統優化模型。

　　上述文獻多是對垃圾能源化利用后自身供能特性與效率的研究，并沒有考慮在城市的垃圾堆存及處理能力約束下與多能源系統間的協同。針對多源儲能系統的研究，文獻[13]為提高多源儲能規劃后的投資效益，建立了多源儲能容量優化配置模型;文獻[14]通過構建電轉氣(PowertoGas,P2G)的能量轉換的模型，實現電能到氣能的存儲，為電氣耦合運行提供一定的理論支撐;文獻[15]提出風氫混合儲能與煤化工多能系統耦合優化模型，以提高多源儲能系統投資建設的經濟性;文獻[16]提出電熱氫多源儲能優化運行模型，實現在城市多能源系統中對電池儲能的替代。

　　而目前對于多源儲能系統的研究，多是儲能系統中多源轉換與存儲間的優化運行。考慮城市存在的電、熱、氫、氣等多種能源類型，目前，國內外人員在多能源網規劃、建模以及多能源系統優化運行與調度等方面開展了較多研究。對于多能源網絡建模優化方面，文獻[17]基于能源集線器的數學建模，對城市多能源系統的電熱氣網進行擴展規劃，可有效減少多能源網間的傳輸損耗;文獻[18]提出考慮可再生能源供能不確定性的城市多能源網規劃模型，并進行可靠性評估。

　　針對多能源系統優化運行與調度，文獻[19]考慮電熱氣多源負荷需求，建立了考慮綜合能源服務商的多能源優化調度模型，可降低系統的運行成本及碳排放量;文獻[20]給出了計及電熱氣三網可靠性與不確定性約束的多能源系統優化運行模式;文獻[21]以提高多能源系統運行經濟性為目標，建立了多能源系統中的電熱氣最優能量模型。上述有關垃圾能源化利用、多源儲能及多能源系統優化的研究為本文的研究奠定一定基礎，但仍有些問題需要解決：

　　1)對于垃圾處理系統的研究多是考慮垃圾處理系統自身的供能特性與效率，而對于一個城市，垃圾所產生的能量占城市能源供能總量的比例較小，進而考慮其城市垃圾的堆存與處理能力，在一定程度上可當作一種調節資源。但如何與城市能源生產、轉換、存儲與消費協同運行，以及在完成垃圾處理任務的同時，能夠給予多能源系統一定的調節彈性，是本文要解決關鍵問題之一。

　　2)垃圾能源供給的調節能力取決于城市垃圾的處理量和堆存量，在可再生能源并網比例不斷提高后，對于如何協調城市垃圾供能與多種類能源供需間的關系，并提高城市能源利用效率，有待進一步研究。

　　3)在考慮電、熱、氣三網間安穩運行的前提下兼容多源儲能與垃圾能源化利用供能系統，將使現有城市能源系統構架與形態特征發生根本變化，如何協同多能源系統與這兩種調節資源間的優化運行，對整個城市能源系統運行的經濟性和調節能力提出了更高挑戰。針對上述問題，本文同時考慮城市多能源系統經濟性、廢物處理能力，構建了多源儲能模型與垃圾能源化供能系統(WasteResourcefulEnergySupplySystem,WRESS)模型。同時，提出了垃圾能源化供能、多源儲能及多能源系統協同運行策略。然后，建立了垃圾能源利用與城市多能源系統協同優化模型。最后，通過設置三種場景進行仿真，驗證了本文提出模型的可行性和有效性。

　　1系統構成

　　本文提出的WRESS、多源儲能系統及多能源系統的協同拓撲結構。考慮到一個城市的人口、規模等因素，其垃圾處理和堆存能力是在一定范圍內。然而利用高比例可再生能源為城市供給具有高不確定性，所以在城市多能源系統中，考慮城市垃圾再利用后的供能特性，通過WRESS與多源儲能系統兩種調節資源與多能源系統的協同優化，可應對可再生能源的不確定性和波動性，滿足城市多源負荷需求，提高城市能源利用效率。

　　1.1城市垃圾能源化供能系統模型

　　城市垃圾處理系統在通過垃圾的轉運之后，將可燃垃圾輸入到垃圾焚燒電廠，作為能源的供給側，在處理垃圾的同時進行供電供熱，考慮建設成本及城市垃圾的產生量，其裝機容量在城市供能系統比例較小，在一些時刻可以當作備用機組參與電網調峰。對于城市中的糞污污水類垃圾，目前處理系統較為完善，在通過干濕分離、轉移等措施之后，利用生物質技術對其進行處理得到沼氣，而沼氣可通過提純得到天然氣，進行天然氣的配送。整個垃圾處理系統運行中，日常耗能與產能相比，所消耗的電能、熱能、氣能較小，可歸算到廠用電中。因此，本文將其整個垃圾處理系統等效為一個垃圾能源化利用的供能系統。

　　2WRESS、多源儲能與多能源系統協同優化模型

　　為提高城市能源利用效率及運行經濟性，考慮城市垃圾的產出、運輸、處理、堆存與城市的多種類能源的供給、轉換、存儲特性，利用WRESS與多源儲能系統和多能源系統協同運行策略，以經濟性最優為目標進行協同優化。

　　2.1目標函數

　　本文構建城市能源系統運行經濟性的目標函數主要考慮五個方面：①WRESS、多源儲能系統及多能源系統的運行維護成本C1;②在城市自身能源供給不足時，向上級電網、氣網進行購電、購氣的成本C2;③對于WRESS及熱電聯產機組進行供能時產生的污染物的處理成本C3;④熱電機組運行時的煤耗成本C4;⑤為滿足上級電網、氣網調節需求所獲得的供能和儲能收益，以及進行多種類垃圾處理所獲得的政府補貼構成的總收益C5。

　　3仿真

　　3.1基礎數據

　　本文利用中國東北某城市數據進行仿真分析。該城市的可再生能源裝機容量4000MW，其中風電機組裝機容量2500MW，光伏機組裝機容量1500MW，熱電聯產機組容量3000MW。該城市最大用電負荷7000MW、熱負荷1000MW、氫負荷500MW、氣負荷800MW。日處理3000t垃圾的垃圾焚燒電廠兩座，每個垃圾焚燒電廠的裝機容量為200MW。該城市糞污污水處理系統可日處理350萬m³污水和3000t糞便，整個系統每天可為城市提供天然氣40萬m³，可滿足城市日氣負荷需求的10%。該城市有可燃類垃圾堆存量為700萬t。

　　3.2優化運行分析

　　針對本文提出的WRESS、多源儲能與多能源系統協同優化模型，本文分為以下三個場景進行仿真分析：場景一：只考慮多源儲能與城市多能源系統協調運行，垃圾處理方式采用傳統的填埋、焚燒、轉運等，垃圾處理過程并未有能源輸出。場景二：在場景一的基礎上加入WRESS，但城市垃圾處理系統按照自己的處理需求運行，并未考慮其能源供需特性與城市多能源系統協同。場景三：同時將WRESS和多源儲能系統當作調節資源，并利用本文提出的運行策略與多能源系統進行協同優化。

　　4結論

　　本文通過建立WRESS與多源儲能系統模型，并考慮城市的垃圾產量和堆存量，提出WRESS、多源儲能系統、城市多能源系統協同運行策略;考慮WRESS與多源儲能系統的調節靈活性，建立垃圾能源利用與城市多能源系統協同優化模型;在仿真驗證中設立三種場景進行分析得到以下結論：

　　1)本文利用WRESS與多源儲能系統作為靈活性資源參與多能源系統進行協同優化，充分利用WRESS與多源儲能的調節能力，同時提高垃圾處理能力與城市能源利用率。

　　2)考慮城市的垃圾處理與能源系統運行的差異性，提出WRESS、多源儲能與多能源系統協同運行策略，利用城市垃圾的能源利用特性與多源儲能系統和多能源系統進行協同優化，可減少熱電機組的煤耗量及外購電量、氣量，有效降低了城市能源系統的運行成本。

　　3)本文提出的WRESS、多源儲能與多能源系統協同優化模型，在滿足城市能源供需平衡的基礎上，可提高城市內電網氣網的調節靈活性并減少上級電網和氣網的壓力，在未來能源互聯網及城市垃圾資源化的建設中提供一定理論支持。

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　　作者：王澤鏑1滕云1閆佳佳1陳哲2

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