摘要
能源是人类赖以生存和发展的基础，也是国家的经济命脉。随着经济和社会快速发展，化石能源危机、生态环境恶化和气候变暖等问题日益突出，变革能源生产和消费方式势在必行。在此背景下，充分利用多种资源的综合能源系统，因其具有高能效、低污染和低成本等优势而备受关注。目前，涉及社区、海岛、船舶等轻工业领域的综合能源系统的研究已较为成熟，而关于高耗能高排放类行业的能源综合利用的研究还非常少。在当前双碳背景下，亟待开展此类领域的综合能源系统建模和运行优化等关键技术研究。 煤矿开采是典型的高耗能高排放行业，在煤炭开采过程中，矿山会产生大量富含热能的伴生“废弃”能源，如甲烷、乏风、涌水和空气热等，若直接排放，不仅造成能源浪费，而且也会破坏生态环境。因此，面向高耗能的矿山开采行业，非常有必要构建高效利用伴生能源的矿山综合能源系统。与传统综合能源系统相比，伴生能源加入使得系统含有更多强耦合特性的能源类型，受自然环境和开采计划等因素的影响，会导致负荷需求、可再生能源和伴生能源突变等复杂状况。构建复杂场景下矿山综合能源系统运行优化模型，并设计运行优化方法，是提高能源利用率，降低矿山碳排放的关键。鉴于此，本课题针对矿山综合能源系统建模与运行优化，开展了如下四个内容的研究： (1) 时序分段NSGA-Ⅱ驱动的电负荷需求响应矿山综合能源系统运行优化：深入分析矿山伴生能源类型，及矿山能源设备的供能特性，构建了含可再生能源和多种伴生能源的矿山综合能源系统架构；针对电负荷需求响应场景，基于矿山综合能源系统架构，建立了面向经济性、环保性和客户不满意度的系统多目标运行优化模型；为求解该模型，分析了复杂约束隐含的时序特性，提出了时序分段NSGA-Ⅱ多目标运行模型智能求解策略，设计了算法多时段切换准则和优化解比较机制。以山西某矿山为应用对象，基于所构建模型和所提运行优化算法，考虑4种典型的运行场景，验证所提算法性能。实验结果表明，所构建综合能源系统可充分利用伴生能源，有效提高矿山综合能源的经济性和环保性；所提智能优化算法在一定假设条件下，可得到多组具有不同决策偏好的运行方案，给决策者更多选择机会。 (2) 源-荷预测不确定区间变量转化引导的矿山综合能源系统运行优化：研究内容(1)所构建的矿山综合能源系统架构采用“以热定电”的模式运行，难以解决热电供需矛盾。此外，研究内容(1)也未考虑源-荷预测不确定性对系统运行的影响。针对上述问题，进一步研究了源-荷预测不确定场景下的矿山综合能源系统模型和运行优化方法。首先，为了解耦“以热定电”约束，提高伴生能源的利用率，在研究内容(1)所构建的矿山综合能源系统架构基础上融入了光热电站模块；其次，考虑源-荷预测不确定性和建筑环境中用户热舒适度的模糊性、供热系统的热惯性及热水负荷的需求响应等复杂场景，构建了含热负荷需求响应和源-荷区间优化变量的矿山综合能源系统运行优化模型；然后，利用区间序关系及可能度方法，将含不确定优化变量的系统运行优化模型转化为确定性变量模型，并进行求解；最后，通过在典型矿山的应用，实验结果表明，所提出的模型和优化方法能够充分利用伴生能源，有效降低系统运行成本和碳排放。 (3) 融合电热需求响应和源-荷预测多时间尺度复杂场景的矿山综合能源系统运行优化：研究内容(2)考虑了矿山源-荷预测不确定性场景，但是忽略了源-荷预测在时间尺度上的差异性，且未考虑电负荷需求响应，针对该问题，进一步研究了综合考虑电热预测时间尺度差异和电热负荷需求响应复杂场景的矿山综合能源系统多时间尺度运行优化。首先，基于研究内容(2)构建的区间变量日前运行优化模型，考虑电热系统响应时间差异，分别建立了不确定场景区间变量的日前(1h)-热负荷需求响应日内慢层(15min)-电负荷需求响应日内快层(5min)的多时间尺度运行优化模型；然后，提出含区间优化变量的日内快慢层滚动运行优化策略，利用研究内容(2)区间变量转化机制，求解日内慢层运行优化模型；进一步基于日内慢层运行优化结果，求解日内快层运行优化模型，实现对电力资源的快时间精准优化；最后，将所提出的运行优化方法应用于典型矿山中，结果表明所提方法不仅能够有效应对日前和日内慢层源-荷预测不确定性，而且提高了系统运行优化的准确性。 (4) 基于日前-日内协同反馈的矿山综合能源系统自适应变时间尺度运行优化：研究内容(3)未基于日内慢层优化结果对日前运行优化结果进行修正，无法保障系统在环境和源荷突变等实际复杂场景下的精准运行需求。为此，进一步研究了基于日内优化方案反馈的日前优化结果协同滚动调整，以及日内自适应变时间尺度的运行优化。首先，分别构建了日前区间多目标、日内慢层和快层稳定性需求的运行优化模型；其次，基于日前运行优化，设计了面向区间变量的模型预测控制和常规优化协同的日内慢层运行优化策略，根据日前和日内慢层运行优化结果的差异性，给出了慢层-快层运行优化的自适应变时间尺度切换准则，以及基于快层运行优化结果反馈的慢层优化调整机制；然后，计算日内慢层与日前1小时内累积运行变化量，设计了协同日内快-慢层运行结果反馈的日前重优化指标；最后，将所提运行优化策略应用于典型矿山中，结果表明其可有效减少优化频率，提高运行优化结果的可靠性。 上述研究内容针对高耗能高排放矿山的能源综合利用问题，考虑负荷需求响应和源-荷预测不确定性所构成的复杂场景，建立了矿山综合能源系统运行优化模型，并提出了对应的运行优化方法。研究对象从简单到复杂，层层递进，通过广泛且详实的实验设计，验证了所提运行优化模型和方法可有效降低系统运行成本和碳排放，同时提高了系统运行优化的可靠性和高效性。上述研究不仅可以有效促进矿山双碳目标达成，而且对于其他高耗能行业能源绿色低碳转型也将起到示范作用。
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