垃圾能源利用與城市多能源系統(tǒng)協(xié)同優(yōu)化模型

　　摘要隨著城市級多能源系統(tǒng)的快速發(fā)展和城市垃圾處理設施供能規(guī)模的不斷擴大，考慮垃圾處理過程的多種能源供能協(xié)調優(yōu)化，并將其與城市多能源系統(tǒng)協(xié)同優(yōu)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(tǒng)等效為一個以垃圾為輸入的供能系統(tǒng)，建立城市垃圾能源化利用供能系統(tǒng)(WRESS)、城市多能源系統(tǒng)和城市多源儲能系統(tǒng)三者協(xié)同優(yōu)化模型。首先，研究一定時間尺度內(nèi)可用于供能的城市垃圾產(chǎn)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(yōu)化模型;其次，針對垃圾能源化利用可調節(jié)特性與多能源系統(tǒng)、多能源儲能系統(tǒng)自身協(xié)調能力間關系，建立以運行和調節(jié)成本最小為目標的城市垃圾能源化利用與多能源系統(tǒng)協(xié)同優(yōu)化模型;最后以中國某城市實際垃圾處理與多能源運行數(shù)據(jù)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(tǒng)運行成本并提升系統(tǒng)調節(jié)能力。

　　關鍵詞：多能源系統(tǒng)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(lián)網(wǎng)的背景下，針對高比例可再生能源并網(wǎng)后城市電、熱、氣系統(tǒng)間的互補協(xié)調及調節(jié)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(tǒng)接入，可作為一種靈活性資源為城市多能源系統(tǒng)提供較大的調節(jié)能力;另一方面，隨著垃圾能源化利用技術的發(fā)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(xié)同運行，以提高城市能源利用效率和系統(tǒng)運行經(jīng)濟性，是城市多能源系統(tǒng)研究的一個關鍵問題。

　　能源方向評職知識：能源與環(huán)境課題研究方向

　　目前國內(nèi)外針對垃圾再利用供能的研究主要集中在垃圾供能系統(tǒng)設計、生物質垃圾處理供能特性分析及優(yōu)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(lián)合發(fā)電系統(tǒng)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(tǒng)優(yōu)化調度模型;文獻[11]為充分利用偏遠地區(qū)的垃圾廢物產(chǎn)生的生物質能資源，構建了風柴儲生物質獨立微網(wǎng)系統(tǒng)并提出雙模式優(yōu)化控制方案;文獻[12]針對生物質發(fā)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(tǒng)優(yōu)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(tǒng)間的協(xié)同。針對多源儲能系統(tǒng)的研究，文獻[13]為提高多源儲能規(guī)劃后的投資效益，建立了多源儲能容量優(yōu)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(xiàn)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(tǒng)耦合優(yōu)化模型，以提高多源儲能系統(tǒng)投資建設的經(jīng)濟性;文獻[16]提出電熱氫多源儲能優(yōu)化運行模型，實現(xiàn)在城市多能源系統(tǒng)中對電池儲能的替代。

　　而目前對于多源儲能系統(tǒng)的研究，多是儲能系統(tǒng)中多源轉換與存儲間的優(yōu)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(nèi)外人員在多能源網(wǎng)規(guī)劃、建模以及多能源系統(tǒng)優(yōu)化運行與調度等方面開展了較多研究。對于多能源網(wǎng)絡建模優(yōu)化方面，文獻[17]基于能源集線器的數(shù)學建模，對城市多能源系統(tǒng)的電熱氣網(wǎng)進行擴展規(guī)劃，可有效減少多能源網(wǎng)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(wǎng)規(guī)劃模型，并進行可靠性評估。

　　針對多能源系統(tǒng)優(yōu)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(yōu)化調度模型，可降低系統(tǒng)的運行成本及碳排放量;文獻[20]給出了計及電熱氣三網(wǎng)可靠性與不確定性約束的多能源系統(tǒng)優(yōu)化運行模式;文獻[21]以提高多能源系統(tǒng)運行經(jīng)濟性為目標，建立了多能源系統(tǒng)中的電熱氣最優(yōu)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(tǒng)優(yōu)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(tǒng)的研究多是考慮垃圾處理系統(tǒng)自身的供能特性與效率，而對于一個城市，垃圾所產(chǎn)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(jié)資源。但如何與城市能源生產(chǎn)、轉換、存儲與消費協(xié)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(tǒng)一定的調節(jié)彈性，是本文要解決關鍵問題之一。

　　2)垃圾能源供給的調節(jié)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(wǎng)比例不斷提高后，對于如何協(xié)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(wǎng)間安穩(wěn)運行的前提下兼容多源儲能與垃圾能源化利用供能系統(tǒng)，將使現(xiàn)有城市能源系統(tǒng)構架與形態(tài)特征發(fā)生根本變化，如何協(xié)同多能源系統(tǒng)與這兩種調節(jié)資源間的優(yōu)化運行，對整個城市能源系統(tǒng)運行的經(jīng)濟性和調節(jié)能力提出了更高挑戰(zhàn)。針對上述問題，本文同時考慮城市多能源系統(tǒng)經(jīng)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(tǒng)(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(tǒng)協(xié)同運行策略。然后，建立了垃圾能源利用與城市多能源系統(tǒng)協(xié)同優(yōu)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(tǒng)構成

　　本文提出的WRESS、多源儲能系統(tǒng)及多能源系統(tǒng)的協(xié)同拓撲結構�？紤]到一個城市的人口、規(guī)模等因素，其垃圾處理和堆存能力是在一定范圍內(nèi)。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(tǒng)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(tǒng)兩種調節(jié)資源與多能源系統(tǒng)的協(xié)同優(yōu)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(tǒng)模型

　　城市垃圾處理系統(tǒng)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(chǎn)生量，其裝機容量在城市供能系統(tǒng)比例較小，在一些時刻可以當作備用機組參與電網(wǎng)調峰。對于城市中的糞污污水類垃圾，目前處理系統(tǒng)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(tǒng)運行中，日常耗能與產(chǎn)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(tǒng)等效為一個垃圾能源化利用的供能系統(tǒng)。

　　2WRESS、多源儲能與多能源系統(tǒng)協(xié)同優(yōu)化模型

　　為提高城市能源利用效率及運行經(jīng)濟性，考慮城市垃圾的產(chǎn)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(tǒng)和多能源系統(tǒng)協(xié)同運行策略，以經(jīng)濟性最優(yōu)為目標進行協(xié)同優(yōu)化。

　　2.1目標函數(shù)

　　本文構建城市能源系統(tǒng)運行經(jīng)濟性的目標函數(shù)主要考慮五個方面：①WRESS、多源儲能系統(tǒng)及多能源系統(tǒng)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(wǎng)、氣網(wǎng)進行購電、購氣的成本C2;③對于WRESS及熱電聯(lián)產(chǎn)機組進行供能時產(chǎn)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(wǎng)、氣網(wǎng)調節(jié)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(shù)據(jù)

　　本文利用中國東北某城市數(shù)據(jù)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(lián)產(chǎn)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(tǒng)可日處理350萬m³污水和3000t糞便，整個系統(tǒng)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(yōu)化運行分析

　　針對本文提出的WRESS、多源儲能與多能源系統(tǒng)協(xié)同優(yōu)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(tǒng)協(xié)調運行，垃圾處理方式采用傳統(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)協(xié)同。場景三：同時將WRESS和多源儲能系統(tǒng)當作調節(jié)資源，并利用本文提出的運行策略與多能源系統(tǒng)進行協(xié)同優(yōu)化。

　　4結論

　　本文通過建立WRESS與多源儲能系統(tǒng)模型，并考慮城市的垃圾產(chǎn)量和堆存量，提出WRESS、多源儲能系統(tǒng)、城市多能源系統(tǒng)協(xié)同運行策略;考慮WRESS與多源儲能系統(tǒng)的調節(jié)靈活性，建立垃圾能源利用與城市多能源系統(tǒng)協(xié)同優(yōu)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(tǒng)作為靈活性資源參與多能源系統(tǒng)進行協(xié)同優(yōu)化，充分利用WRESS與多源儲能的調節(jié)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(tǒng)運行的差異性，提出WRESS、多源儲能與多能源系統(tǒng)協(xié)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(tǒng)和多能源系統(tǒng)進行協(xié)同優(yōu)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(tǒng)的運行成本。

　　3)本文提出的WRESS、多源儲能與多能源系統(tǒng)協(xié)同優(yōu)化模型，在滿足城市能源供需平衡的基礎上，可提高城市內(nèi)電網(wǎng)氣網(wǎng)的調節(jié)靈活性并減少上級電網(wǎng)和氣網(wǎng)的壓力，在未來能源互聯(lián)網(wǎng)及城市垃圾資源化的建設中提供一定理論支持。

　　參考文獻：

　　[1]蔡游明,李征,蔡旭.計及控制時間窗內(nèi)功率波動的風電場群無功電壓分層優(yōu)化控制[J].電工技術學報,2019,34(6):1240-1250.CaiYouming,LiZheng,CaiXu.Voltagehierarchicaloptimalcontrolofawindfarmclusterinaccountofvoltagefluctuationincontroltimewindow[J].TransactionsofChinaElectrotechnicalSociety,2019, 34(6):1240-1250.

　　[2]滕云,張鐵巖,陳哲.多能源互聯(lián)系統(tǒng)優(yōu)化運行與控制技術研究現(xiàn)狀與前景展望[J].可再生能源,2018,36(3):467-474.TengYun,ZhangTieyan,ChenZhe.Researchstatusandprospectsoftheoptimizationandoperationofmulti-energyinterconnectedsystems[J].RenewableEnergy,2018,36(3):467-474.

　　[3]HuangWujing,ZhangNing,YangJingwei,etal.Optimalconfigurationplanningofmulti-energysystemsconsideringdistributedrenewableenergy[J].IEEETransactionsonSmartGrid,2017,10(2):1452-1464.

　　[4]金紅洋,滕云,冷歐陽,等.基于源荷不確定性狀態(tài)感知的無廢城市多能源協(xié)調儲能模型[J].電工技術學報,2020,35(13):2830-2842.

　　作者：王澤鏑1滕云1閆佳佳1陳哲2

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