蓄能調溫負荷與光伏的智能化互動運行策略

陳巖　靳偉　王文賓　李會彬　韓勝峰

摘 要：為了充分利用蓄能調溫負荷的調節資源，節約調溫負荷的用電成本，并有效消納光伏電量，提出了“光伏+調溫負荷”的智能化互動運行策略。首先，建立了基于戶型參數和天氣信息的房屋冷、熱需求模型;其次，以運行成本最小為目標，結合光伏出力和用冷、用熱需求，在優先使用谷電電量的原則下，提出蓄能負荷與光伏供用電互動邏輯和運行策略;第三，以全年天氣數據為驅動，按互動邏輯關系進行了全年運行累積計算的年運行成本分析。結果表明，互動運行模式相比于光伏與蓄能調溫負荷獨立模式的運行成本有很大降幅，“光伏+調溫負荷”策略有效解決了光伏消納和調溫負荷電費的問題。這不僅有利于減少環境污染，還能夠實現政府與用戶的雙贏。

關鍵詞：電力系統及其自動化;蓄冷/蓄熱負荷;光伏發電;峰谷電價;互動運行

中圖分類號：TM73 文獻標識碼：A

Abstract：In order to make full use of the adjustable resource of cold/thermal attemperation loads with storage energy （CTAL）， and reduce electricity cost and consume of the photovoltaic （PV） energy， the interactive operation of "PV+CTAL" was proposed. Firstly， the model based on house parameters and weather data was established to analyze the cold/thermal demand， then interactive logics of operation in "PV+CTAL" was derived to minimize the cost of operationwith prioritization of using valley electricity，considering the PV output and? demand of cold/thermal. Finally， a scenario was presented to cumulatively calculate the annual operation cost according to the weather data and the interaction logical relationship. The results show that the operating cost in the "PV+CTAL" interactive mode is comparatively lower than that in standalone mode， the "PV+CTAL" interactive operating strategy can effectively solve the problem of the electricity price affected by PV consumption and CTAL， which not only will reduce environmental pollution， but also achieve winwin results with governments and users.

Keywords：power system and automation; cold/thermal storage attemperation loads; photovoltaic generation; peak/valley electricity price; interactive operation

為緩解燃煤污染，近年來國家大力推行電能替代和清潔替代政策，用于室內溫度調節的電制熱、電制冷負荷越來越多地應用于商業、辦公和居民建筑，已逐步形成規模化、高比例的態勢。蓄冷/蓄熱功能的調溫負荷具有用電時段可選、運行經濟靈活的優點而得到了廣泛應用。另一方面，分布式光伏消納問題一直是電力系統運行和國家推行新能源政策的重要瓶頸之一[1]，若充分利用蓄能調溫負荷的調節資源與光伏發電形成互動，充分利用光伏電量為調溫負荷供電，可有效解決光伏消納和調溫負荷的電費問題。由于光伏和蓄能調溫負荷的互動運行具有很強的不確定性，如何制定蓄能調溫負荷的運行規律，使之能夠經濟合理地跟蹤光伏發電和利用谷電電價優勢，同時能夠給出相應的電費成本估計，對開發和應用智能化“光伏+調溫負荷”設備，實施“兩個替代”等新能源政策具有重要意義。

目前，學者針對光伏或調溫負荷各自問題的研究已取得一定進展[23]，而針對光伏與蓄能調溫負荷聯合運行和優化配置問題的研究未有涉及。針對光伏容量優化配置，可通過合理配置光伏組件和儲能系統的容量[4]，提高光伏系統的供電可靠性和光伏利用率。考慮到配電網中可能含有多個光伏和儲能，并考慮到配置與運行的強耦合性，提出了利用雙層優化方法實現光伏容量配置[2，5]。文獻＼[6—7＼]研究光伏和風機容量聯合優化用于提高系統整體供電可靠性，降低發電成本;文獻＼[8＼]研究光伏發電和無功電容的綜合協調優化配置，提高資源利用率。針對蓄熱電采暖的研究，文獻＼[9＼]提出考慮需求和響應行為雙重差異性的區域電采暖負荷特性建模方法;文獻＼[10＼]建立了分布式電采暖負荷模型并分析模型參數，利用聚類分組控制的方法實現異質電采暖負荷聚合;文獻＼[11＼]提出一種分散式電采暖負荷協同優化運行策略，有效控制尖峰負荷，降低運行費用。當前電采暖與新能源結合的研究主要關注風電消納問題，通過建立風電與蓄熱電采暖的聯合運行模式[12]，促進風電消納、降低煤耗率，增加綜合效益;文獻＼[13＼]建立棄風供暖模式下風電消納能力時序仿真評估模型，對不同電采暖運行模式下風電消納能力進行評估分析;文獻＼[14＼]基于Copula 理論建立風速電鍋爐的相關性GumbelCopula函數關系，準確計算風電和電采暖負荷接入配電網的可靠性。針對蓄熱電采暖接入配電網帶來的電能質量問題，文獻＼[15＼]構建不同運行場景下的仿真模型，研究了規模化電采暖對配電網諧波含量及電壓暫降的影響程度和限制措施。

本文研究“光伏+調溫負荷”模式下蓄冷/蓄熱調溫負荷如何消納光伏的智能化互動運行策略及年運行成本分析方法。首先基于房屋參數和天氣信息提出了用戶的冷、熱需求分析方法;然后針對光伏出力的不確定性，結合用戶冷、熱需求分析和峰谷電價狀況，建立以運行成本最小為目標的蓄冷/蓄熱負荷與光伏、電網的供用電互動運行策略;最后基于蓄能調溫負荷與光伏互動關系，以天氣數據為驅動，采用全年場景累計的方式建立年運行成本計算方法。

2 蓄能調溫負荷互動策略與用電模型

2.1 蓄能調溫負荷與光伏的交互行為策略

“光伏+調溫負荷”互動模式下蓄能調溫負荷用電方式的基本原則體現為1）優先利用光伏發電量進行調溫和蓄能;2）若光伏發電量不能滿足全天冷/熱需求，則盡量由谷電時段補充;3）使用峰電電量應做到最小化。據此，提出蓄能調溫負荷與光伏的交互行為策略，如圖1所示。

蓄能調溫負荷首先應實時跟蹤光伏發電，由于光伏發電具有不確定性，當光伏發電功率大于供冷/熱的功率需求時，應進行蓄冷/蓄熱;當光伏功率小于供冷/熱功率需求時，蓄能體需要釋冷/釋熱以補充冷熱需求;當光伏功率大于調溫負荷的配置功率時，則光伏余電上網或供其他負荷使用。當白天利用光伏發電的蓄能量不能滿足全天冷/熱需求時，在夜間谷電時段需要使用谷電電量進行補充。為了盡量不使用峰電電量，“光伏+調溫負荷”智能化設備需根據次日的天氣預報信息預測次日峰電時段光伏發電量和冷/熱需求量，若光伏發電量不滿足冷/熱需求量時，為防止使用高電價峰電，應在谷電時段結束前儲存一定的冷/熱量;若谷電時段預儲的冷/熱量已達到蓄能體的配置容量上限，則不足部分只能由峰電電價時段的電量來補充。

在參數一定的條件下調溫負荷的冷/熱需求以及光伏的發電功率完全取決于天氣狀況，因此可根據天氣預報信息按本文第1節建立的模型得到次日冷/熱需求預測值;同時也可以根據本文2.3節給出的光伏出力模型預測次日的光伏出力，從而使智能化“光伏+調溫負荷”互動運行過程具備可實現性。可見，“光伏+調溫負荷”模式下蓄冷/蓄熱調溫設備的控制器應具備一定的智能化功能，能夠實時檢測光伏出力并控制調溫負荷的用電功率來跟蹤光伏;具備通信和網絡功能以自動獲取次日天氣信息;能夠根據天氣信息預測次日的冷/熱需求和光伏出力，并做出蓄冷/蓄熱的預儲決策。

本文開發了工具軟件從氣象網站讀取該地區2018年全年各小時氣溫、風速等數據，并根據光伏和冷、熱需求模型得到光伏出力和冷/熱需求。

為驗證本文方法的有效性，應用本文互動策略計算年運行成本，并與光伏與調溫負荷獨立運行狀態下（即沒有智能化互動）的運行成本進行比較。兩種情況下光伏和調溫設備的容量參數相同。設谷電電價為0.35元/（kW·h），峰電電價為0.55元/（kW·h），光伏上網電價為0.3元/（kW·h）。由于2種運行模式下光伏發電補貼相同，可互相平衡，暫不考慮。按本文成本分析方法得到對比分析結果如表3所示。

由表3可以看出，應用本文提出的互動運行策略，相比于光伏與蓄能調溫設備獨立運行方式，運行費用顯著降低，并有利于消納光伏、減少環境污染，有利于達到政府與用戶雙贏的目的。

5 結 論

提出一種“光伏+調溫負荷”模式下蓄冷/蓄熱調溫負荷消納光伏的智能化互動運行策略及年運行成本分析方法。首先依據熱力學關系建立了考慮建筑結構、室內溫度和天氣等因素的用戶冷、熱需求模型。在此基礎上設計了以運行成本最小為目標的蓄冷/蓄熱負荷與光伏互動運行策略。同時給出依據天氣信息的交互運行模式下年運行成本分析方法。提出的互動運行策略能夠有效消納光伏、節約用電成本，為“光伏+調溫負荷”智能化聯合運行控制及設備開發提供理論參考。基于真實天氣數據驅動的“光伏+調溫負荷”運行模擬手段能夠客觀準確地得到年運行成本數據，為光伏和蓄冷/蓄熱安裝容量的經濟配置建立了分析基礎。

本文方法僅考慮了“光伏+調溫負荷”單一組合模式的互動策略，沒有考慮一組光伏與多組不同特性調溫負荷的互動問題;在“光伏+調溫負荷”與電網的交互方面也僅通過峰谷電價體現，沒有精細反映電網需求。蓄能調溫負荷具有很好的用電彈性和運行靈活性，其在電網中又具有很高占比，如何挖掘這類資源潛力，使之在光伏消納、電網支撐等方面經濟有效地發揮作用，是值得深入研究的課題。

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