2025生產(chǎn)耦合下計及資源利用的煤礦綜合能源調(diào)度及規(guī)劃方法研究報告-電氣工程學(xué)院

呂超賢副教授中國礦業(yè)大學(xué)電氣工程學(xué)院2025年5月①研究背景考慮伴生資源利用和風(fēng)光消納的CMIES優(yōu)化調(diào)度伴生資源波動影響下基于IGDT的CMIES魯棒調(diào)度基于煤炭生產(chǎn)及伴生資源統(tǒng)一性模型的CMIES多階段規(guī)劃研究⑤成果應(yīng)用煤炭作為我國的主體能源，在相當(dāng)長的一段時間內(nèi)，其主體地位不會改變“30·60”雙碳目標(biāo)下，國務(wù)院、國家發(fā)改委、能源局、科技局相繼出臺煤炭行業(yè)有關(guān)節(jié)能減排、煤炭伴生資源綜合利用、廢棄礦井開發(fā)利用等政策核電：核電：風(fēng)電：風(fēng)電：歸歸年份近5年煤炭產(chǎn)量及增速2023年全國發(fā)電類型“十四五”節(jié)能減排相關(guān)國家政策煤礦作為一個特殊的區(qū)域綜合能源系統(tǒng)，在產(chǎn)出一次能源的同時，還衍生出大量可供生產(chǎn)和生活使用的多種伴生資源我國煤炭伴生資源產(chǎn)量豐富，2021年煤矸石、煤層氣、礦井排水分別達到7.43億我國煤礦產(chǎn)區(qū)與太陽能、風(fēng)能、地?zé)崮艿刃履茉促Y源富集區(qū)高度吻合一一次能源原煤煤炭開采礦井排水煤炭伴生資源煤炭開采伴存的可利用資源070.67.572.671760省份煤炭資源儲量排名前十的省份對應(yīng)的新能源資源情況聚合多種能源資源形成煤礦綜合能源系統(tǒng)，并通過合理有效的規(guī)劃調(diào)度方法，可有效破解資源環(huán)境約束、降低系統(tǒng)運行成本、提升系統(tǒng)運行安全性等與傳統(tǒng)綜合能源系統(tǒng)相比，煤礦能源系統(tǒng)存在以下鮮明特征：能源供給可靠要求高、新能源稟賦充足、煤炭伴生資源豐富、伴生資源和生產(chǎn)用能的不確定性；資源資源負荷筆水款協(xié)有過化收多強奧任生厚用系紋來煤機地的資千臺電消法要態(tài)增3A作坐物源作坐物源目前，煤礦綜合能源系統(tǒng)仍面臨以下困難和挑戰(zhàn)：>1)缺少多資源循環(huán)利用架構(gòu)及協(xié)同調(diào)度方法，煤礦能源資源綜合利用水平較低；>2)異質(zhì)能源數(shù)據(jù)管理粗獷，缺少有效的不確定性處理手段及適應(yīng)性調(diào)度方法；>3)缺少考慮生產(chǎn)特性的伴生資源評估模型，全生命周期資源演化利用的規(guī)劃較為困難。因素條件資源分布資源分布電、熱、煤能源調(diào)度缺乏協(xié)同粗獷的資源管理方式與較低質(zhì)量的數(shù)據(jù)伴生資源產(chǎn)量影響因素不明電、熱、煤能源調(diào)度缺乏協(xié)同粗獷的資源管理方式與較低質(zhì)量的數(shù)據(jù)2、考慮伴生資源利用和風(fēng)光消納的CMIES優(yōu)化調(diào)度以伴生資源高效利用為主要目的，兼顧消納可再生能源，結(jié)合礦山自身地質(zhì)條件，構(gòu)建含電轉(zhuǎn)氣摻混煤層氣的CMIES資源循環(huán)利用架構(gòu)；以系統(tǒng)運行和棄風(fēng)棄光成本最小為目標(biāo)，考慮礦山資源特性及多環(huán)節(jié)運行約束，建立CMIES優(yōu)化調(diào)度模型?？紤]伴生資源利用的資源循環(huán)利用架構(gòu)電網(wǎng)通風(fēng)機煤層氣乏風(fēng)煤炭伴生資源能量轉(zhuǎn)換裝置余熱鍋爐燃氣輪機光伏風(fēng)機涌水水泵最終形成最終形成摻混平衡約束礦山綜合能源系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度模型設(shè)備運行約束輸出功率設(shè)備運行約束輸出功率Cwsp=7wsPGw出力上下限爬坡約束0/1整數(shù)約束b+bu.≤1輸入五考慮伴生資源利用和風(fēng)光消納的CMIES調(diào)度模型主要約束如下：流量約束流量約束濃度約束丁摻混嫩摻混平衡約束摻混平衡約束功率平衡約束功率平衡約束優(yōu)本章算例重點探究P2G與UGS對CMIES優(yōu)化調(diào)度成本及棄風(fēng)棄光消納效果的影響，設(shè)置以下4種典型場景：場景1:不配置P2G和UGS;場景2:只配置P2G;場景3:只配置UGS;場景4:同時配置P2G和UGS。優(yōu)不同場景下的優(yōu)化結(jié)果不同場景下的優(yōu)化結(jié)果場景場景1場景2場景3D風(fēng)光消納巨時領(lǐng)尼功率MPW功率MPW3、伴生資源波動影響下基于IGDT的CMIES魯棒調(diào)度煤礦資源管理粗獷及煤炭開采的復(fù)雜性導(dǎo)致的資源信息獲取困難的問題，采用信息間隙決策理論(IGDT)構(gòu)建源-荷不確定性模型，并在決策中引入權(quán)重修正量表征伴生資源經(jīng)驗比例的擾動，建立經(jīng)驗比例擾動下的信息間隙決策魯棒優(yōu)化模型。max①max①最大化規(guī)避不確定性選擇選擇波動幅度最大不確定參數(shù)波動幅度最大從不確定風(fēng)險中尋求可能從不確定風(fēng)險中尋求可能獲得的最大收益改進創(chuàng)新點②盡量消除不確定性對優(yōu)化結(jié)果的影響-0.2c,≤s,≤0.2e,S引入權(quán)重修正系數(shù)表征經(jīng)驗比例系數(shù)的擾動IGDTIGDT一般形式IGDT魯棒模型示意圖CMIES不確定性建模確定性模型求解魯棒模型求解確定性模型求解魯棒模型求解開始非線性項輸入設(shè)備參數(shù)、風(fēng)機與光伏的出力預(yù)測值、煤炭伴生資源產(chǎn)量預(yù)測值V、負荷需求預(yù)測值P將C?設(shè)為IGDT魯棒模型的基準(zhǔn)值使用煤炭伴生資源產(chǎn)量實際值V負荷需求實際值P替代其預(yù)測值經(jīng)驗權(quán)重系數(shù)a關(guān)鍵步驟分解引入權(quán)重修正量關(guān)鍵步驟分解模型線性化處理優(yōu)化模型CMIES調(diào)度成本和機組出力計劃結(jié)束雙層優(yōu)化模型雙層優(yōu)化模型單層優(yōu)化模型判據(jù)：伴生資源產(chǎn)量越低系統(tǒng)外部購能越多伴生資源產(chǎn)量越低系統(tǒng)外部購能越多本章算例重點探究伴生資源的不確定性對CMIES的影響，因此設(shè)置以下算例：組合1:只考慮CBM的不確定性；組合2:只考慮VAM的不確定性；組合3:只考慮GW的不確定性；組合4:同時考慮CBM、VAM及GW的不確定性。αyψ一一一一一魯棒性魯棒性最強魯棒性最強升升 一一— 000情況44IGDT魯棒模型與確定性模型、隨機優(yōu)化方法對比分析。IGDTIGDT與確定性模型對比算例0/1變量較多更為充分地調(diào)00時刻中瓦斯場景1場景2場景3場景4場景總運行成本/元F13.2%場景1最差-10.0%場景2優(yōu)化46401.40.00場景下仍可-4.1%場景3生成44938.510.017實現(xiàn)風(fēng)光的百分百消納場景44288.9場景5容忍更大的伴生資源預(yù)瓦斯流量調(diào)節(jié)范圍4、基于煤炭生產(chǎn)及伴生資階段規(guī)劃結(jié)合煤礦物質(zhì)生產(chǎn)流程構(gòu)建煤礦綜合能源系統(tǒng)物質(zhì)-能量耦合拓撲，探究煤礦生產(chǎn)及伴生資源產(chǎn)出之間的聯(lián)系，提取影響伴生資源產(chǎn)出的關(guān)鍵要素，構(gòu)建煤炭生產(chǎn)及伴生資源統(tǒng)一性建模方法，進而構(gòu)建系統(tǒng)多階段規(guī)劃模型。66西城尼采逐深度故0rwyM!吸足煲取換化i4產(chǎn)品倉洗/選煤廠原煤倉雖控制閘門瓦斯轉(zhuǎn)化0采空區(qū))推導(dǎo)水泵腐門o目標(biāo)函數(shù)總成本目標(biāo)函數(shù)總成本運行總成本設(shè)備殘值出力約束設(shè)備運行約束爬坡約束0/1整數(shù)約束電功率平衡功率平衡約束熱功率平衡Hs+S?2=HZ+S增J冷功率平衡熱母線平衡根據(jù)《煤礦安全規(guī)章》規(guī)定，生產(chǎn)礦井應(yīng)當(dāng)每5年修編礦井地質(zhì)報告，因此以5年為一個規(guī)劃周期進行多階段規(guī)劃；煤炭開采特征和煤礦源-荷特征皆呈現(xiàn)較強的季節(jié)特性，故在夏、冬、過渡季分別選取一典型生產(chǎn)日場景。功率WM4場景11功率WM4場景1132時刻&864時到3場景1場景2場氣北63d)冷功率場景1場景242時亥866432場景10600一120018002400時a)典犁場原采量6M的沙22廠功率/WM6功率/WM664320000一(6.0012PNc)北伏出力預(yù)測8606.00一12:001800葉刻2&三種典型生產(chǎn)場景下的采煤量及源-荷數(shù)據(jù)(階段1)階段2、階段3初始年負荷數(shù)據(jù)以現(xiàn)階段(階段1)煤炭伴生資源產(chǎn)量數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，選取典型場景2對所提統(tǒng)一性模型進行驗證；同時從橫、縱兩個時間尺度對比以探究煤礦資源時序演化特性。時刻a)梁層氣a)梁層氣場景1場景2一計算值--場景1場景2一計算值-----長體積/m體積/m時刻場景I場景2場景3時支.伴生資源產(chǎn)量的計算值與實際值同一階段不同開采場景(橫向)產(chǎn)量/m2產(chǎn)量/m2階段2階段3影響較大一階段1時刻a)a)煤層氣時刻#時刻不同階段同一開采場景(縱向)以上述不同階段同一開采場景的數(shù)據(jù)作為系統(tǒng)各規(guī)劃階段伴生資源產(chǎn)量輸入數(shù)據(jù)進行多階段規(guī)劃。通過基于統(tǒng)一性模型的衍生資源多階段量化評估，較好實現(xiàn)了資源的演化利用，提升全生命周期資源利用效率和運行經(jīng)濟性。階段1階段2階段33臺+1臺3臺+2臺3臺11臺+1臺+7臺1臺-一1115062.52萬元12971.67萬元2637.72萬元27749.73萬元5745.41萬元2482.77萬元336075.37萬元4329.90萬元2645.85萬元井刺典型日系統(tǒng)經(jīng)濟調(diào)度06.:00時時如m正梁目N5、成果應(yīng)用以煤礦綜合能源系統(tǒng)為研究對象，考慮煤礦多種運行場景，結(jié)合煤礦生產(chǎn)與資源高效利用，圍繞煤礦綜合能源系統(tǒng)調(diào)度和規(guī)劃問題展開理論研究，提高煤礦綜合能源系統(tǒng)運行的經(jīng)濟性與可靠性?？紤]伴生資源利用的多資源循環(huán)利用架構(gòu)原炭件生資源原炭件生資源濕性值VABRT0電轉(zhuǎn)氣-煤層氣-地下儲氣庫伴生資源波動影響下基于信息間基于煤炭生產(chǎn)及伴生資源統(tǒng)一性建模的多階段規(guī)劃研究>在資源優(yōu)化組合方面：探究產(chǎn)-運-儲-洗選生產(chǎn)靈活性及資源聚合優(yōu)化策略。在不確定性調(diào)度方面：研究伴生資源-風(fēng)光資源、生產(chǎn)/生活負荷多維源-荷不確定差異及適應(yīng)性處理方法。>在煤礦能源系統(tǒng)規(guī)劃方面：深入研究煤礦實際電、熱、氣等能流精細化拓撲。換然環(huán)儲壓接機燃氣鍋妒熱電取木V幫式運恤機帶式培綜機7非下實電特道副室生→煤流《物頑一p生資澤特西3-初生資源聯(lián)墻線電成應(yīng)菜杰力賣成菜一—舞氣(策電賣菜節(jié)點六范世點氣賣菜節(jié)點電力碘會稅率樓---熱力樹會聯(lián)均1礦開激來更風(fēng)工售褐2抽水梨水源熱氧煤礦初出井上-瓦斯抽放系燕氣輪機大漿蛇生產(chǎn)傳齡(物質(zhì))部式城輸機