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汪思奇
（华北水利水电大学，河南 郑州 450000）
多能灵活互补、能量梯级利用的综合能源系统IES（Integrated Energy System）是世界范围内的研究热点。现有文献已对电动汽车参与调峰、经济调度、与清洁能源协同优化以及电动汽车充电方式对系统运行的影响等方面做了很多研究，文献[1]建立了EV 接入和分布式可再生能源的系统模型；
文献[2]建立了一种含电动汽车和多种形式的区域综合能源系统模型，并对单目标系统运行进行优化，目前对EV 参与区域综合能源协同优化调度的研究还比较少。本研究首先设置经济性和环保性的多目标函数，建立含有电动汽车接入的区域综合能源系统模型，并对标准PSO 算法进行改进。最后以系统模型为算例，运用优化后的PSO 算法对系统进行优化求解。
1.1 系统模型设定
模型包括外部电力网络接入、传统天然气网络（小型燃气机发电机组、锅炉等）、以及可以灵活调度的电动汽车能源管理中心等，见图1。
1.2 目标函数
以24 h 内区域综合能源系统运行成本最小和排放污染物量最小为目标，目标函数为：
2.1 系统数学模型
小型燃气轮机的数学模型以及约束如下：
2.2 约束条件以及能量平衡
通过对该区域所在位置对光伏发电进行预测，对于该区域综合能源系统中的光伏发电的约束如下：
式（20）（21）（22）分别为区域综合能源系统的电平衡、热平衡和冷平衡；
Le、Lw、Lc分别为用户端的电负荷、热负荷和冷负荷。
本研究采用粒子群算法（Particle Swarm optimization，PSO）对系统目标函数进行求解。由于在标准PSO算法中，惯性因子w 一般是取常数，现将w 随着迭代次数的增加不断改变，从而动态适应优化的流程。
为了验证本研究所提模型的有效性，以图1 所示的系统结构框架图为仿真算例，并进行分析。系统模型包括1 台小功率燃气轮机，最大出力为100 MW，通过天然气发电向电网供电，同时产生热能来供给热负荷；
1 台天然气内燃机，最大功率为200 MW，即可以消耗天然气产生电能也可产生热能；
1 台燃气锅炉，最大功率100 MW，通过消耗天然气产生热能；
1 台电制冷机组，最大功率50 MW，电网输送电能转化为冷负荷提供能源；
1 个电动汽车能量管理中心，设置最大充放电功率为50 MW；
光伏发电机组，最大发电功率为50 MW；
另外设置用户购电功率最大为200 MW。各种形式的能量耦合在一起形成区域综合能源系统。采用实时的电价和供热价格[3]；
对于电动汽车能量管理中心，本算例设置为每充放电1 MW.h 为用户补偿0.5 元；
本算例设置光伏发电成本为0。电转冷（电制冷机）的效率为3.5%，气转电、气转热、气转冷的效率为0.35、0.9、0.9。对于污染物排放，设置污染物排放系数a=0.3，b=0.2，c=0.15。
4.1 优化前后PSO 算法对比分析
为了测试优化后的效果，首先用标准测试函数Sphere 和Rastrigrin 分别对标准PSO 算法和优化PSO算法（A-PSO）进行测试[5]。为了避免随机误差，使用相同的随机粒子，并进行100 次测试，最后对比测试结果的最优值和最优值的平方平均值，对比结果见表1。
表1 测试函数计算结果
从表1 可以看出，优化过后的PSO 算法相比于标准PSO 算法能更快速的找到最优值的位置，从两个标准测试函数的测试结果中都可以看出。为了进一步验证优化PSO 算法的有效性，将标准PSO 算法和优化过后的PSO 算法带入本算例含有多目标函数的区域综合系统模型中进行求解计算，设置粒子个数为100，最大迭代次数300，得到目标函数的最优适应值的平均平方值的进化曲线见图2，可以看出优化过后的PSO 算法具有更好的收敛精度、收敛速度，和稳定性。
4.2 电动汽车接入(V2G)对系统运行的影响
为了验证V2G 接入区域综合能源系统时对系统的影响，现在分别设置以下3 种系统运行情形，并进行比较：
（1） 情形1：不考虑V2G 接入区域综合能源系统。
（2） 情形2：考虑V2G 接入区域综合能源系统。
（3） 情形3：考虑V2G 接入系统，设置不同的V2G 充放电功率（10 MW、20 MW、30 MW），分析对系统的影响。首先对比分析情形1 和情形2 两种情况，各类能源的日负荷曲线见图3，不考虑V2G、考虑V2G 时区域综合能源系统运行时各种供电设备供给电负荷的功率图，见图4。
用电低谷时，此时的电能主要从电网购入，此时电价较低，在用电高峰时期，此时电价较高，电负荷的供给主要通过燃气轮机以及光伏来维持。
分析可知，在该区域综合能源系统中引入V2G 之后，当用电低峰期的时候，此时对用电负荷供给的电能主要从电网中获得，而电动汽车此时可以作为用电负荷进行充电。随着电价的升高，用电负荷处于高峰期的时候，此时V2G 可以作为供给端来给用电负荷提供电能，从而代替燃气汽轮机弥补其不足，从图中可以看出此种调度方案完全可以满足用电负荷的需求，而且在系统中引入V2G 之后，该区域综合能源系统的经济性和环保性都有较大提高，表2 为情形1 和情形2 的经过优化后的运行结果。
表2 不同情形的优化运行结果
4.3 不同数量V2G 接入对系统运行的影响
为了研究电动汽车接入的数量是否对系统运行有影响，分别将V2G 的充放电最大功率设置为20 MW、30 MW、40 MW，假设有足够多的电动汽车参与调度，结果见表3。
表3 不同的V2G 最大充放电功率运行结果
随着电动汽车最大充放电功率的增大，系统运行的经济性有显著的提升，虽然随着电动汽车接入数量的不断变多，从总体成本的角度来看，适当增加电动汽车的接入数量，可以降低系统运行的成本。
本研究在传统的冷热电联区域综合能源系统的基础上，加入了可灵活调度的V2G 能量资源，并对标准PSO 算法进行了改进，从算例仿真结果来看：
（1） 通过对标准函数和系统模型进行求解，结果表明改进过后的PSO 算法是系统运行更加优化，并且可以同时兼顾经济性和环保性。
（2） 通过对是否考虑V2G 的系统模型两种情况的运行结果进行分析可知，在考虑V2G 接入的区域综合能源系统中，V2G 的接入可以有效减少燃气轮机的出力，从而提高系统的经济性，降低污染物排放。
（3） 对不同的电动汽车最大充电功率的运行结果进行分析，表明在有足够多电动汽车参与调度的前提下，随着电动汽车数量的增加，有足够多的资源参与系统调峰，起到削峰填谷的作用，可以提高系统运行的经济性。
本研究不足之处在于对电动汽车的充电方式没有过多的考虑，本研究后续工作将对电动汽车不同的充电方式进行更深的研究。
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