2022年第6期信息与电脑ChinaComputer&Communication计算机工程应用技术“双碳”目标下小型综合能源系统优化运行陈禹含1黄芳辰2卢闻州1（1.江南大学物联网工程学院，江苏无锡214122；2.国网江苏省电力有限公司仪征市供电分公司，江苏仪征211400）摘要：为实现国家碳达峰、碳中和目标，推动我国绿色建筑的发展，文章设计了含光伏发电、天然气供能和储能设备的小型综合能源系统并进行建模。模型考虑到设备配置优化、可再生能源的不确定性、季节和日内的运行变化，引入江苏省仪征市某单体别墅建筑算例，以经济低碳为目标，采用粒子群算法求解。最后通过算例验证了所提模型和策略具有经济性和低碳性，为建筑能源系统低碳化转型提供了新思路。关键词：小型综合能源系统；低碳；粒子群算法；优化运行；可再生能源中图分类号：TM732文献标识码：A文章编号：1003-9767（2022）06-020-04OptimalOperationofSmallIntegratedEnergySystemUndertheGoalof"DoubleCarbon"CHENYuhan1,HUANGFangchen2,LUWenzhou1(1.SchoolofInternetofThingsEngineering,JiangnanUniversity,WuxiJiangsu214122,China;2.StateGridYizhengPowerSupplyBranchCompany,YizhengJiangsu211400,China)Abstract:Inordertoachievethenational"doublecarbon"goalofcarbonpeakingandcarbonneutrality,andtopromotethedevelopmentofgreenbuildingsinChina,asmallintegratedenergysystemincludingphotovoltaicpowergeneration,naturalgasenergysupply,andenergystorageequipmentisdesignedandmodeled.Themodeltakesintoaccounttheoptimizationofequipmentconfiguration,theuncertaintyofrenewableenergy,theseasonalandintradayoperatingchanges,takingthesinglevillabuildinginYizhengCityasanexample,aimingateconomicalandlow-carbon,usingparticleswarmalgorithmtosolve.Andverifiedbytheexamplethattheproposedmodelandstrategyareeconomicalandlow-carbon,andprovideanewideaforthelow-carbontransformationofthebuildingenergysystem.Keywords:smallintegratedenergysystem;low-carbon;particleswarmoptimizationalgorithm;optimaloperation;renewableenergy0引言作为碳排放量最大的国家，中国的碳排放量将显著影响全球减排目标的实现。国家主席习近平在第七十五届联合国大会上宣布，中国将提高国家自主贡献力度，采取更加有力的政策和措施，二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和[1]。要实现碳达峰、碳中和的“双碳”目标，需要建设清洁低碳、安全高效的能源体系，其中建筑运行耗能而产生的碳排放量约占排放总量的28%，建筑能源体系的转变尤为重要[2-3]。综合能源系统规划是构建城市建筑低碳化体系中不可缺少的环节，可以根据用户负荷需求来合理地利用和转换能源，多能互补，提高能源的利用率，节能减排[4-5]。目前，国内建设的综合能源示范项目主要应用于酒店、办公楼、工业园区等大型场所，这类系统缺乏有效的设计方法，各主要单元性能之间相互制约，建多用少，效益不佳[6-7]。而以小功率动力设备为核心的家用或商用小型综合能源系统架构简洁、耦合关系简单、前期投入资金少、面向受众广泛，逐步成为新的研究热点。李晟云[8]构建了包含10kW光伏发电系统、3kW·h储能系统的户用综合能源系统，能够以“自发自用，余电上网”模式满足居民电负荷需求。任洪波[9]等人通过调节家用能源系统中小型蓄电池的充放电时段，既节省了电费，又对电网起到削峰填谷的作用。上述两种方法并不包含对冷热基金项目：国家自然科学基金项目（项目编号：62101215）。作者简介：陈禹含(1997—)，女，吉林长春人，硕士研究生。研究方向：综合能源系统优化运行。2022年第6期信息与电脑ChinaComputer&Communication计算机工程应用技术能源的控制和利用，并未实现对多种能源的综合利用。综合能源系统的优化运行可分为线性规划和非线性规划两种[10]。对于线性规划，可以用GAMS、LINGO、MATLAB等软件调用求解器求解；对于非线性规划，可以利用智能算法例如粒子群算法[11-12]、遗传算法[13]、模糊算法[14]。因此，本文将构建小型综合能源系统模型，充分利用可再生能源和天然气能，使用粒子群算法实现低碳化小型单体建筑冷、热、电能源供应。通过算例对本文所提模型及方法进行仿真验证，证明其经济性和环保性。1小型综合能源系统为了满足建筑的电负荷、热负荷、冷负荷需求，本文设计的小型综合能源系统如图1所示。图1中标示了所有设备的能量流动关系和系统控制信号，能源输入包括大电网、太阳能和天然气网，能量传递类型分为电能、热能、冷能和气能，有多种能源转换设备和储电储热的储能设备。其中：光伏板结合蓄电池和外部大电网共同满足负载电负荷需求；空气源热泵可以提供热负荷和冷负荷；天然气锅炉供给热负荷，用户可直接使用或将热水储存在蓄热水箱中；电制冷机可以提供冷负荷。对图1中各个设备进行独立建模。光伏板太阳能蓄电池电制冷机天然气锅炉天然气供应蓄热水箱电网能源管理系统ACDC本地控制系统空气源热泵管道冷负荷电能流热能流冷能流气能流ACDC热负荷图1小型综合能源系统结构图1.1光伏板光伏板接收太阳辐射能量转换成电能，本文只考虑其有功功率，并将其作为出力可预测的电源，预测出力与光伏板面积和太阳辐照强度有关：pv=PSpvηϕpv（1）式中，Ppv为光伏板预测出力，ηpv为光伏板光电转换效率，S为光伏板表面积，φpv为太阳辐射强度。1.2空气源热泵空气源热泵的制热量、制冷量与耗电量和能效比有关，数学模型为：Qep=Pep⋅copep（2）式中，Qep为空气源热泵的制冷/热量，copep为空气源热泵的能效比，Pep为空气源热泵消耗的电功率。1.3电制冷机电制冷机将电能转换为冷能，数学模型为：Qec=Peccopec（3）式中，Qep为电制冷机的制冷量，Pep为消耗的电功率，copep为电制冷机的能效比。1.4天然气锅炉天然气锅炉燃烧天然气供热，数学模型为：Hgb=gbFHngηboiler（4）式中，Hgb为天然气锅炉输出的热功率，Fgb为单位时间消耗的天然气量，Hng为天然气热值，取9.87kWh/m3，ηboiler为整体效率。1.5储能装置储能装置包括蓄电池和蓄热水箱。蓄电池选择性价比最高的铅酸蓄电池，参与光伏板所发电量的调节，包括放电、充电、休眠3种状态，数学模型为：+t1SoC=SoCPtst+orηb∆t（5）式中，SoCt+1和SoCt为充放电前后蓄电池电量状态，Pstor为蓄电池的充/放电功率，ηb为充/放电效率，Δt为时间间隔。蓄热水箱用来存储天然气锅炉产生的热水，来缓冲锅炉制热水量与用户需求不匹配的情况。2系统优化运行模型本文以系统的运行成本和CO2排放成本为目标建立系统优化运行模型。2.1目标函数目标函数为系统24h总成本（运行成本、CO2排放成本）最低，具体表达式为：)24t=1tttgridngHminf=∑(CF++wC（6）式中，Cgrid为购/售电成本，Fng为燃气成本，wCH为CO2排放成本，w为环境惩罚系数，取0.026。购/售电成本函数表达式为：griCd=gricdtt,tgriPd∆t（7）式中，cgrid,t为t时段购/售电电价，Pgrid为购/售电功率。本文采用如表1所示的电网分时电价表。表1分时电价时段性质电价/（元/kW·h）00:00—8:00谷时段0.3408:00—18:00平时段0.6218:00—24:00峰时段0.81燃气成本函数表达式为：Fng=RngttFgb∆t（8）式中，Rng为天然气购气价格，取2.5元/m3。日CO2排放量函数表达式为：)241ttH⋅εFt⋅∆t=∑(egridggbtC=⋅εG+（9）2022年第6期信息与电脑ChinaComputer&Communication计算机工程应用技术式中，Ggrid为t时段向电网购电量，εe为单位电功率的CO2排放系数，取0.872，εg为单位体积天然气的CO2排放系数，取2.162。2.2约束条件（1）电功率平衡约束：griPdtpvP++tstPort=ecPPtt+ep（10）（2）热平衡平衡约束：epQHttgb+=Hspacte（11）（3）冷平衡平衡约束：ectQQep+=tspCatce（12）式中，Hspace为用户热负荷需求，Cspace为用户冷负荷需求。（4）蓄电池电量约束：0.1EC≤SoC≤0.9EC（13）式中，EC为蓄电池容量。除了上述约束外，还需考虑设备自身容量的上下限约束。nPi≤it,,≤PPmi（14）式中，Pi为第i个设备的运行功率，Pn,i和Pm,i为第i个设备容量最小值和最大值。3算例分析为验证本文所提模型经济低碳效益，本文以仪征市某单体别墅建筑为例进行仿真分析。3.1建筑和负荷参数建筑体积192m3，假设夏季和冬季室内温度分别保持在23℃和20℃，湿度均为50%，选取冬季典型日（1月22日）和夏季典型日（7月26日）的冷、热负荷曲线及光伏出力曲线如图2所示。04:008:0012:0016:0020:0024:00时间02468负荷/kW夏季冷负荷冬季热负荷夏季光伏出力冬季光伏出力图2典型日负荷及光伏出力曲线3.2设备参数和运行策略设备参数如表2所示。以一天24h为调度周期，1h为调度步长，采用粒子群算法对系统模型求解，粒子群算法参数为：惯性权重0.7，学习因子2，粒子个数200，最大迭代500。基于MATLAB平台仿真得到系统最优运行策略。3.3系统运行结果分析得到冬季典型日和夏季典型日的运行策略如图3和图4所示，总成本和CO2排放量如表3所示。04:008:0012:0016:0020:0024:00时间02-2-4468功率/kW空气源热泵电制冷机蓄电池电网燃气锅炉图3冬季典型日各设备出力04:008:0012:0016:0020:0024:00时间0-5510功率/kW空气源热泵电制冷机蓄电池电网燃气锅炉图4夏季典型日各设备出力表3运行结果季节总成本/元CO2排放量/kg冬季0.946019.5107夏季-26.27666.4068由图3知冬季运行策略为00:00—08:00时电价谷时段空气源热泵进行供热，蓄电池储电，电网购电满足电负荷；08:00—18:00时光伏发电向电网售电，空气源热泵和燃气锅炉交替运行供热；18:00—24:00电价峰时段由燃气锅炉进行供热，蓄电池放电出售给电网。由图4可知夏季运行策略：全天由电制冷机供冷；蓄电池电价谷时段储电，峰时段放电；06:00—20:00时光伏发电剩余电量向电网售电，其余时刻电网购电满足电负荷。在由表3可知，冬季小型综合能源系统运行总成本不到1元，而夏季小型综合能源系统运行可以为用户带来收益，CO2排放量也很表2设备参数光伏板蓄电池天然气锅炉电制冷机空气源热泵蓄热水箱面积/m2发电效率容量/（A·h）充电效率额定功率/kW效率额定功率/kW能效比额定功率/kW能效比容积/t500.1950.950.92105.552.40.22022年第6期信息与电脑ChinaComputer&Communication计算机工程应用技术低，所以本文的系统和优化运行策略具有经济效益和低碳效益。4结语本文围绕终端综合能源系统涉及的可再生能源设备、储能设备、建筑制冷/供热设备、用电设备、天然气设备等来进行优化运行策略设计，探索经济环保能源系统。以仪征市某单体别墅建筑为例进行分析，运用粒子群算法得到系统最优运行策略，计算典型日的运行成本和碳排放，验证了本文所设计的系统可以节约运行成本、减少环境污染，并且对不同地区根据实际情况选择供能方式、供能设备容量具有重要指导意义。然而，本文仿真模拟只针对典型冬季和夏季工况中的一天进行，接下来的工作将针对此系统进行全年仿真模拟，获得经济效益更明显的仿真结果。参考文献[1]新华网.习近平在第七十五届联合国大会一般性辩论上发表重要讲话[EB/OL].(2020-09-22)[2022-03-22].http://www.xinhuanet.com/politics/2020-09/22/c_1126527647.htm.[2]LIUY,TANQ,HANJ,etal.energy-water-carbonnexusoptimizationforthepathofachievingcarbonemissionpeakinChinaconsideringmultipleuncertainties:acasestudyinInnerMongolia[J].Energies,2021,14(4),1067.[3]龙惟定,梁浩.我国城市建筑碳达峰与碳中和路径探讨[J].暖通空调,2021,51(4):1-17.[4]王伟亮,王丹,贾宏杰,等.能源互联网背景下的典型区域综合能源系统稳态分析研究综述[J].中国电机工程学报,2016,36(12):3292-3305.[5]李洋,吴鸣,周海明,等.基于全能流模型的区域多能源系统若干问题探讨[J].电网技术,2015,39(8):2230-2237.[6]魏大钧.小型冷热电联供系统多目标优化设计与能量管理策略研究[D].济南:山东大学,2016:22.[7]蒋润花,蔡睿贤.内燃机冷热电联产系统典型变工况特性[J].工程热物理学报,2011,(2):201-204.[8]李晟云.居民用户家庭综合能源系统初探[J].甘肃科技,2019,(5):63-65.[9]任洪波,吴琼,任建兴,等.基于燃料电池、太阳能电池、蓄电池的住宅分布式能源系统的运行优化[J].可再生能源,2014,32(4):379-384.[10]骆钊.冷热电联供型微网能量优化管理研究[D].南京:东南大学,2017:27.[11]王锐,顾伟,吴志.含可再生能源的热电联供型微网经济运行优化[J].电力系统自动化,2011,35(8):22-27.[12]晁岱旭.综合能源冷热电联供系统调度及参数耦合PSO算法[D].长沙:长沙理工大学,2017:16.[13]魏大钧,张承慧,孙波.计及变负荷特性的小型冷热电联供系统经济优化运行研究[J].电网技术,2015,39(11):3240-3246.[14]程亚航,王迎春,杨东升,等.基于禁忌粒子群的多能源热电联供优化方法研究[J].太阳能学报,2018,39(4):909-916.调控农村农产品进出口额度，提升农村中小学专任教师的薪资待遇，大力推进乡村人才引进政策的实施。2014—2019年，各层耦合协调度总体处于上升趋势但伴随波动，国家政策对乡村治理结构的变化产生较大影响。2014—2019年，耦合协调度整体以2014年为分水岭，划分为低水平耦合和磨合适应两个阶段。检验发现，数字化治理对乡村现代化治理具有明显正向推动作用；由于生态治理具有治理周期长、易受自然灾害影响等特点，其在乡村治理中的动力作用并不显著。参考文献[1]徐勇,吴毅,贺雪峰,等.村治研究的共识与策略[J].浙江学刊,2002(1):26-32.[2]张泽众.非政府组织参与乡村治理的发展路径探讨[J].山西农经,2021(17):118-119.[3]李三辉.乡村治理现代化:基本内涵、发展困境与推进路径[J].中州学刊,2021(3):75-81.[4]陈潭.数字时代城乡融合发展的着力点与新路径[J].人民论坛·学术前沿,2021(2):19-27.[5]李涛.乡村治理现代化的内涵、目标及实现路径研究[J].陇东学院学报,2021,32(4):51-54.[6]白萍.贵南县乡村治理体系建设试点示范的实践探析[J].农家参谋,2021(18):7-8.[7]张建国.乡村振兴视阈下乡村治理体系优化路径研究[J].农业经济,2021(9):31-33.[8]尤杰舜,陈怡晴,杨舒情,等.乡村治理绩效评价指标体系构建及测度:基于晋江市54个样本村的实证分析[J].枣庄学院学报,2021,38(5):134-144.[9]陈培彬,谢源,王海平,等.福建省乡村振兴实施成效分析及其优化路径:基于2015—2019年9地市面板数据[J].世界农业,2020(1):98-107.[10]闫育满,王梦宇.乡村振兴背景下我国乡村治理绩效评价研究[J/OL].云南农业大学学报(社会科学):1-6[2022-03-13].http://kns.cnki.net/kcms/detail/53.1044.S.20210927.1341.002.html.[11]郝娟.基于生态位测评的河北省区域旅游发展及空间格局研究[D].秦皇岛:燕山大学,2010:16.[12]杨立成,杨洁,赵道致,等.基于熵权TOPSIS法的三级医院医疗质量综合评价[J].中国医院,2018,22(4):38-39.（上接第19页）