国网江苏省电力有限公司泗洪县供电分公司 张理智

相比传统化石能源，低碳环保的风光等新能源更符合未来人类社会的发展需求。但风光等新能源更易受到自然环境的影响，呈现波动性和间歇性的出力特征，导致较为严重的消纳问题。微能源网内的多能转换与存储设备有利于可再生能源消纳，得到广泛的研究与关注。

针对离岸微型综合能源系统，文献[1]以经济性和二氧化碳排放作为衡量指标，提出同时计及经济性与环保性的多目标随机规划方法，进而采用多目标进化算法进行求解；文献[2]从环境、经济和能耗三个方面入手，建立了同时考虑年碳排最少、年能耗最低和年总费用最低的微能源网规划设计模型，该模型可获得综合效益最优的规划方案；文献[3]同样以经济性和环保性为目标，建立了非线性多目标随机规划模型，进而采用NSGA-II优化算法求解；考虑电动汽车的普及程度逐渐加深，文献[4]针对含电动汽车集成综合能源系统提出考虑经济性和环保性的规划设计方法。在模型求解中，通过引出碳排放惩罚费用将环保性转化为经济性，进而转化为混合整数线性规划问题直接求解。

对比以上两种多目标规划模型求解思路发现：常规算法一般是先将多目标规划问题转化为单目标规划问题，然后基于Cplex等商用求解器进行求解，具有求解速度快的优势。但劣势在于优化结果受目标权重的影响很大，考虑目标权重一般是人为设定，不同的目标权重的规划结果差异很大。智能算法尽管可以处理非线性问题，但系统求解规模大，且不一定能获取全局最优规划方案[5]。

基于此，本文提出一种针对微能源网的主从双层规划设计方法，求取多目标的均衡解。文章首先介绍微能源网内部结构；其次，构建主从双层规划模型；随后给出模型求解过程；最后通过仿真算例验证本文所提模型的有效性。

1 微能源网

微能源网包含燃气轮机、燃气锅炉、蓄电池、蓄热槽、热泵、制冷机和新能源发电（图1）。此外，微能源网还与上级电网买卖并从天然气网络购气，满足区域内的电、热、冷需求。以下公式给出多能输入输出关系：(2)；(3)；(4)。

图1 微能源网结构

2 规划模型

该规划模型分为上下双层，上层模型以最小化系统年投资和运行费用最低为目标，下层模型以最小化系统的年碳排量为目标。具体建模过程如下：

式(8)限定每种设备的最大投资容量，χ分别表示燃气轮机、燃气锅炉、蓄电池、蓄热槽、制冷机、热泵和可再生能源发电设备。上层模型中的y（连续运行变量）和z（二元状态变量）同时要满足下层约束式(9)～(24)。如式(9)所示，下层模型目标函数包含燃气轮机的年碳排放量，燃气锅炉的年碳排放量和购电导致的年碳排放量，其中分别为燃气轮机、燃气锅炉和购电的相应碳排放系数。式(10)限定每种设备的实时输入或者输出功率，式(11)进一步限定可再生能源发电设备的实时出力，式(12)～(13)限定与电网的购售电电功率，式(14)～(23)分别限定蓄电池和蓄热槽的充放功率与存储状态，式(24)给出微能源网内的电、热、冷功率供需平衡约束。

3 模型求解及规划分析

首先，将该双层规划模型表述成矩阵形式：

其中：x为上层投资变量矩阵，y为下次连续变量矩阵，z为下层二元状态变量。此外f、g、b、w、h、r、A、E、P、Q、K均为相应的系数矩阵。考虑下层模型引入了二元状态变量来表征系统的交互状态，导致下层模型非凸，无法直接转化为带平衡约束的数学规划问题进行求解。为此，本文采用一种重新生成与分解方法有效求解该规划模型，具体求解流程参考文献[6]。

以图1所示微能源网为例验证本文所提双层规划设计方法的有效性。根据不同季节的用能特征，分别选取夏季、过度季和冬季三个典型运行场景，针对图1所示微能源网结构图、结合相关技术经济参数与负荷数据，两个案例系统规划结果中的设备（MW）分别为：燃气轮机4/4、燃气锅炉2/1、风机6/6、制冷机6/6、热泵0/0、蓄电池2/2、蓄热槽6/6，经济性（×105）分别为投资172.8/170.7、运行157.3/167.2，碳排放（×106kg）5.12/3.81。其中案例一仅考虑了上层经济性目标，案例二同时考虑经济性与环保性目标。可看出：案例二中配置的燃气锅炉容量较小，总投资费也少于案例一。但案例二年运行费用较高且系统年总费用亦高于案例一。以上差异性主要归因于下层优化碳排的同时降低了系统经济性，案例二中年碳排放量相比案例一降低1.3×106kg，明显降低系统年碳排量。

结果表明，本文所提双层规划模型可使规划结果同时满足经济性与环保性要求，更符合政府低碳路线。考虑碳交易市场尚不成熟，不合理的碳价设置或会阻碍人们的积极性或难以发挥重要作用，本文所提双层模型可在有效考虑碳排放指标的前提下，使系统经济性达到最优。