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經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展推動(dòng)著能源利用規(guī)模不斷擴(kuò)大，能源危機(jī)問(wèn)題愈發(fā)嚴(yán)重。優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)已成為當(dāng)今各國(guó)解決能源供需平衡的重要戰(zhàn)略舉措之一。冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)（Combined Cooling, Heating and Power, CCHP）能夠?qū)崿F(xiàn)多能供應(yīng)，并提高能量利用效率，是能源系統(tǒng)發(fā)展的重要方向。建設(shè)冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)對(duì)于推動(dòng)能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型具有重要意義。

冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)主要包括供能站點(diǎn)、配送網(wǎng)及冷熱電負(fù)荷。集中供能站通過(guò)能源產(chǎn)生、轉(zhuǎn)換和存儲(chǔ)為用戶供給能量，需根據(jù)負(fù)荷水平進(jìn)行容量?jī)?yōu)化配置；配送網(wǎng)絡(luò)通過(guò)輸送管道連接供能站與冷熱負(fù)荷，具有復(fù)雜的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及參數(shù)選擇。由于冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)站網(wǎng)規(guī)劃受能源站站址、供能范圍、管道布局和負(fù)荷水平及其分布等多因素影響，因此，冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)站網(wǎng)規(guī)劃需綜合考慮各因素的影響，最大程度地節(jié)約投資成本，提高區(qū)域系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性。

目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)的站網(wǎng)配置布局進(jìn)行了相關(guān)研究，大致分為兩類：①給定供能站點(diǎn)，優(yōu)化站點(diǎn)供能區(qū)域內(nèi)的設(shè)備選型定容或管網(wǎng)布局；②同時(shí)優(yōu)化待規(guī)劃區(qū)域內(nèi)供能站點(diǎn)及其供能范圍和各站點(diǎn)選型定容或管網(wǎng)布局。

然而，相關(guān)文獻(xiàn)均是對(duì)單個(gè)冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)進(jìn)行的設(shè)備配置優(yōu)化或管網(wǎng)規(guī)劃優(yōu)化，未涉及區(qū)域內(nèi)冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)站網(wǎng)的整體規(guī)劃。有學(xué)者提出了“智慧綜合能源系統(tǒng)”構(gòu)想，雖然構(gòu)建計(jì)及交通流量的多綜合能源站點(diǎn)選址和選型定容優(yōu)化模型，但未考慮區(qū)域內(nèi)管網(wǎng)布局優(yōu)化。

有學(xué)者研究對(duì)象為區(qū)域內(nèi)多個(gè)冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)，但其僅研究區(qū)域內(nèi)考慮負(fù)荷特性的管網(wǎng)最優(yōu)布局規(guī)劃，未涉及區(qū)域內(nèi)站點(diǎn)選型定容配置優(yōu)化問(wèn)題。有學(xué)者雖對(duì)供能系統(tǒng)進(jìn)行站網(wǎng)聯(lián)合規(guī)劃，但其僅研究如何實(shí)現(xiàn)供能站點(diǎn)間的互聯(lián)協(xié)同與互補(bǔ)互濟(jì)。由于供能站點(diǎn)及其配置與管道布局密切相關(guān)，因此在區(qū)域內(nèi)冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)規(guī)劃中需考慮站網(wǎng)協(xié)同優(yōu)化問(wèn)題。

針對(duì)上述問(wèn)題，上海交通大學(xué)電子信息與電氣工程學(xué)院的研究人員提出了一種考慮負(fù)荷特性的區(qū)域冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)站網(wǎng)協(xié)同優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，充分考慮區(qū)域內(nèi)負(fù)荷的時(shí)空特性，對(duì)區(qū)域內(nèi)站點(diǎn)數(shù)量、選址、設(shè)備選型定容、供能網(wǎng)絡(luò)布局和管道選徑進(jìn)行交替協(xié)同規(guī)劃。

圖1 冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

首先，根據(jù)供能站供能半徑確定新建站點(diǎn)數(shù)量，基于區(qū)域內(nèi)負(fù)荷的空間分布特征，采用改進(jìn)p-中位優(yōu)化模型建立了區(qū)域內(nèi)冷熱電聯(lián)供站點(diǎn)選址和供能范圍劃分模型；其次，基于區(qū)域內(nèi)負(fù)荷的時(shí)序互補(bǔ)特性，考慮多能流耦合和網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)，提出基于Prim算法的管道建設(shè)最小樹網(wǎng)絡(luò)布局優(yōu)化方法，結(jié)合供能范圍內(nèi)的負(fù)荷特性進(jìn)行管徑優(yōu)化；再次，在確定的供能站網(wǎng)方案下，基于冷熱電聯(lián)供站、網(wǎng)規(guī)劃間的相互作用，以區(qū)域站網(wǎng)年化總成本最低為目標(biāo)對(duì)冷熱電聯(lián)供站點(diǎn)的設(shè)備選型定容和管網(wǎng)布局選徑進(jìn)行交替協(xié)同優(yōu)化，采用GA求解各供能站點(diǎn)設(shè)備選型問(wèn)題。對(duì)待規(guī)劃區(qū)域進(jìn)行算例分析。

仿真結(jié)果表明，考慮負(fù)荷特性的區(qū)域冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)站網(wǎng)協(xié)同優(yōu)化模型能夠?qū)崿F(xiàn)負(fù)荷在時(shí)空尺度上的峰谷轉(zhuǎn)移，改善負(fù)荷分配不均現(xiàn)象，優(yōu)化系統(tǒng)整體經(jīng)濟(jì)性，提高設(shè)備和管網(wǎng)的利用率。

研究人員得到結(jié)論如下：

1）考慮負(fù)荷空間分布特征的改進(jìn)p-中位優(yōu)化模型能夠?qū)崿F(xiàn)冷熱電聯(lián)供站點(diǎn)最優(yōu)選址；考慮負(fù)荷時(shí)序互補(bǔ)和網(wǎng)絡(luò)多能流耦合協(xié)調(diào)的Prim算法能夠優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)布局和管徑選擇，從而協(xié)調(diào)區(qū)域內(nèi)各類負(fù)荷的時(shí)空峰谷錯(cuò)峰情況，提升綜合能源站設(shè)備和管網(wǎng)的利用效率。

2）采用區(qū)域冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)站網(wǎng)協(xié)同雙層交替優(yōu)化設(shè)計(jì)，規(guī)劃方案較其他方案在管網(wǎng)建設(shè)成本方面有所增加，但區(qū)域冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)整體經(jīng)濟(jì)性得以明顯提升，提高了區(qū)域內(nèi)設(shè)備集中度、供能設(shè)備和粗徑管道的利用率等。

3）采用考慮負(fù)荷特性的區(qū)域冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)站網(wǎng)協(xié)同優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，解決了傳統(tǒng)方法因未考慮各類負(fù)荷的時(shí)空特性，造成站網(wǎng)設(shè)備投資規(guī)模偏大、系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性不高等問(wèn)題。

4）進(jìn)一步研究計(jì)及風(fēng)光等可再生能源對(duì)區(qū)域內(nèi)綜合能源系統(tǒng)站網(wǎng)協(xié)同規(guī)劃的影響及改進(jìn)方法，有利于提高能源綜合利用效率、促進(jìn)可再生能源的就地消納等。

本文編自2021年第22期《電工技術(shù)學(xué)報(bào)》，論文標(biāo)題為“考慮負(fù)荷特性的區(qū)域冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)站網(wǎng)協(xié)同優(yōu)化設(shè)計(jì)方法”，作者為姚志力、王志新。