垃圾能源利用与城市多能源系统协同优化模型

　　摘要随着城市级多能源系统的快速发展和城市垃圾处理设施供能规模的不断扩大，考虑垃圾处理过程的多种能源供能协调优化，并将其与城市多能源系统协同优化进行综合考虑，是提高城市垃圾处理能力和资源化利用水平及综合能源利用效率的重要途径之一。该文将垃圾处理系统等效为一个以垃圾为输入的供能系统，建立城市垃圾能源化利用供能系统(WRESS)、城市多能源系统和城市多源储能系统三者协同优化模型。首先，研究一定时间尺度内可用于供能的城市垃圾产量、最大允许堆存量与其对应的供能种类和供能特性之间的关系，建立垃圾能源化利用供能优化模型;其次，针对垃圾能源化利用可调节特性与多能源系统、多能源储能系统自身协调能力间关系，建立以运行和调节成本最小为目标的城市垃圾能源化利用与多能源系统协同优化模型;最后以中国某城市实际垃圾处理与多能源运行数据为基础，通过三个场景仿真验证所提模型的有效性。仿真结果表明，该模型在提高城市垃圾处理能力的同时，能够有效降低多能源系统运行成本并提升系统调节能力。

　　关键词：多能源系统垃圾能源化利用能源利用效率多源储能

　　0引言在能源互联网的背景下，针对高比例可再生能源并网后城市电、热、气系统间的互补协调及调节能力弱的问题[1-4]，一方面，多源转换与存储装置所构成的多源储能系统接入，可作为一种灵活性资源为城市多能源系统提供较大的调节能力;另一方面，随着垃圾能源化利用技术的发展，考虑城市垃圾的处理及堆存能力，利用垃圾供能具有成为灵活性资源的潜力[5-8]。而如何利用垃圾能源化利用特性与城市多能源供给、转换、存储间协同运行，以提高城市能源利用效率和系统运行经济性，是城市多能源系统研究的一个关键问题。

　　能源方向评职知识：能源与环境课题研究方向

　　目前国内外针对垃圾再利用供能的研究主要集中在垃圾供能系统设计、生物质垃圾处理供能特性分析及优化运行等方面。文献[9]为提高太阳能供电效率，提出了一种光伏-光热-沼气联合发电系统模型;文献[10]建立了生物质沼气池电热输出模型，为促进可再生能源消纳，提出含沼气池供能的全可再生能源系统优化调度模型;文献[11]为充分利用偏远地区的垃圾废物产生的生物质能资源，构建了风柴储生物质独立微网系统并提出双模式优化控制方案;文献[12]针对生物质发电效率低的问题，提出考虑生物质能供能特性的综合能源系统优化模型。

　　上述文献多是对垃圾能源化利用后自身供能特性与效率的研究，并没有考虑在城市的垃圾堆存及处理能力约束下与多能源系统间的协同。针对多源储能系统的研究，文献[13]为提高多源储能规划后的投资效益，建立了多源储能容量优化配置模型;文献[14]通过构建电转气(PowertoGas,P2G)的能量转换的模型，实现电能到气能的存储，为电气耦合运行提供一定的理论支撑;文献[15]提出风氢混合储能与煤化工多能系统耦合优化模型，以提高多源储能系统投资建设的经济性;文献[16]提出电热氢多源储能优化运行模型，实现在城市多能源系统中对电池储能的替代。

　　而目前对于多源储能系统的研究，多是储能系统中多源转换与存储间的优化运行。考虑城市存在的电、热、氢、气等多种能源类型，目前，国内外人员在多能源网规划、建模以及多能源系统优化运行与调度等方面开展了较多研究。对于多能源网络建模优化方面，文献[17]基于能源集线器的数学建模，对城市多能源系统的电热气网进行扩展规划，可有效减少多能源网间的传输损耗;文献[18]提出考虑可再生能源供能不确定性的城市多能源网规划模型，并进行可靠性评估。

　　针对多能源系统优化运行与调度，文献[19]考虑电热气多源负荷需求，建立了考虑综合能源服务商的多能源优化调度模型，可降低系统的运行成本及碳排放量;文献[20]给出了计及电热气三网可靠性与不确定性约束的多能源系统优化运行模式;文献[21]以提高多能源系统运行经济性为目标，建立了多能源系统中的电热气最优能量模型。上述有关垃圾能源化利用、多源储能及多能源系统优化的研究为本文的研究奠定一定基础，但仍有些问题需要解决：

　　1)对于垃圾处理系统的研究多是考虑垃圾处理系统自身的供能特性与效率，而对于一个城市，垃圾所产生的能量占城市能源供能总量的比例较小，进而考虑其城市垃圾的堆存与处理能力，在一定程度上可当作一种调节资源。但如何与城市能源生产、转换、存储与消费协同运行，以及在完成垃圾处理任务的同时，能够给予多能源系统一定的调节弹性，是本文要解决关键问题之一。

　　2)垃圾能源供给的调节能力取决于城市垃圾的处理量和堆存量，在可再生能源并网比例不断提高后，对于如何协调城市垃圾供能与多种类能源供需间的关系，并提高城市能源利用效率，有待进一步研究。

　　3)在考虑电、热、气三网间安稳运行的前提下兼容多源储能与垃圾能源化利用供能系统，将使现有城市能源系统构架与形态特征发生根本变化，如何协同多能源系统与这两种调节资源间的优化运行，对整个城市能源系统运行的经济性和调节能力提出了更高挑战。针对上述问题，本文同时考虑城市多能源系统经济性、废物处理能力，构建了多源储能模型与垃圾能源化供能系统(WasteResourcefulEnergySupplySystem,WRESS)模型。同时，提出了垃圾能源化供能、多源储能及多能源系统协同运行策略。然后，建立了垃圾能源利用与城市多能源系统协同优化模型。最后，通过设置三种场景进行仿真，验证了本文提出模型的可行性和有效性。

　　1系统构成

　　本文提出的WRESS、多源储能系统及多能源系统的协同拓扑结构。考虑到一个城市的人口、规模等因素，其垃圾处理和堆存能力是在一定范围内。然而利用高比例可再生能源为城市供给具有高不确定性，所以在城市多能源系统中，考虑城市垃圾再利用后的供能特性，通过WRESS与多源储能系统两种调节资源与多能源系统的协同优化，可应对可再生能源的不确定性和波动性，满足城市多源负荷需求，提高城市能源利用效率。

　　1.1城市垃圾能源化供能系统模型

　　城市垃圾处理系统在通过垃圾的转运之后，将可燃垃圾输入到垃圾焚烧电厂，作为能源的供给侧，在处理垃圾的同时进行供电供热，考虑建设成本及城市垃圾的产生量，其装机容量在城市供能系统比例较小，在一些时刻可以当作备用机组参与电网调峰。对于城市中的粪污污水类垃圾，目前处理系统较为完善，在通过干湿分离、转移等措施之后，利用生物质技术对其进行处理得到沼气，而沼气可通过提纯得到天然气，进行天然气的配送。整个垃圾处理系统运行中，日常耗能与产能相比，所消耗的电能、热能、气能较小，可归算到厂用电中。因此，本文将其整个垃圾处理系统等效为一个垃圾能源化利用的供能系统。

　　2WRESS、多源储能与多能源系统协同优化模型

　　为提高城市能源利用效率及运行经济性，考虑城市垃圾的产出、运输、处理、堆存与城市的多种类能源的供给、转换、存储特性，利用WRESS与多源储能系统和多能源系统协同运行策略，以经济性最优为目标进行协同优化。

　　2.1目标函数

　　本文构建城市能源系统运行经济性的目标函数主要考虑五个方面：①WRESS、多源储能系统及多能源系统的运行维护成本C1;②在城市自身能源供给不足时，向上级电网、气网进行购电、购气的成本C2;③对于WRESS及热电联产机组进行供能时产生的污染物的处理成本C3;④热电机组运行时的煤耗成本C4;⑤为满足上级电网、气网调节需求所获得的供能和储能收益，以及进行多种类垃圾处理所获得的政府补贴构成的总收益C5。

　　3仿真

　　3.1基础数据

　　本文利用中国东北某城市数据进行仿真分析。该城市的可再生能源装机容量4000MW，其中风电机组装机容量2500MW，光伏机组装机容量1500MW，热电联产机组容量3000MW。该城市最大用电负荷7000MW、热负荷1000MW、氢负荷500MW、气负荷800MW。日处理3000t垃圾的垃圾焚烧电厂两座，每个垃圾焚烧电厂的装机容量为200MW。该城市粪污污水处理系统可日处理350万m³污水和3000t粪便，整个系统每天可为城市提供天然气40万m³，可满足城市日气负荷需求的10%。该城市有可燃类垃圾堆存量为700万t。

　　3.2优化运行分析

　　针对本文提出的WRESS、多源储能与多能源系统协同优化模型，本文分为以下三个场景进行仿真分析：场景一：只考虑多源储能与城市多能源系统协调运行，垃圾处理方式采用传统的填埋、焚烧、转运等，垃圾处理过程并未有能源输出。场景二：在场景一的基础上加入WRESS，但城市垃圾处理系统按照自己的处理需求运行，并未考虑其能源供需特性与城市多能源系统协同。场景三：同时将WRESS和多源储能系统当作调节资源，并利用本文提出的运行策略与多能源系统进行协同优化。

　　4结论

　　本文通过建立WRESS与多源储能系统模型，并考虑城市的垃圾产量和堆存量，提出WRESS、多源储能系统、城市多能源系统协同运行策略;考虑WRESS与多源储能系统的调节灵活性，建立垃圾能源利用与城市多能源系统协同优化模型;在仿真验证中设立三种场景进行分析得到以下结论：

　　1)本文利用WRESS与多源储能系统作为灵活性资源参与多能源系统进行协同优化，充分利用WRESS与多源储能的调节能力，同时提高垃圾处理能力与城市能源利用率。

　　2)考虑城市的垃圾处理与能源系统运行的差异性，提出WRESS、多源储能与多能源系统协同运行策略，利用城市垃圾的能源利用特性与多源储能系统和多能源系统进行协同优化，可减少热电机组的煤耗量及外购电量、气量，有效降低了城市能源系统的运行成本。

　　3)本文提出的WRESS、多源储能与多能源系统协同优化模型，在满足城市能源供需平衡的基础上，可提高城市内电网气网的调节灵活性并减少上级电网和气网的压力，在未来能源互联网及城市垃圾资源化的建设中提供一定理论支持。

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　　作者：王泽镝1滕云1闫佳佳1陈哲2

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