考慮綜合需求響應的電熱聯合系統協同優化研究

李 雍

（三峽大學 電氣與新能源學院，湖北宜昌 443002）

引言

近年來，環境氣候不斷惡化，化石能源儲量日益減少。電熱聯合系統因具有較高的能源利用率，在引入風電等新能源后能進一步降低環境的污染以及化石能源的消耗等特點得到眾多學者青睞，但其多種能源耦合及“以熱定電”的運行方式也限制了各自的出力計劃及對新能源的利用。因此，對電熱聯合進行優化以提升能源利用率成為目前研究的熱點[1-7]。

本研究綜合考慮新能源消納以及系統經濟性，在傳統電熱負荷綜合需求響應的基礎上，加入用戶對于不同能源選擇影響的研究。在由CHP機組、電鍋爐、儲能裝置等組成的電熱聯合系統中，同時考慮系統各設備運行協同性，建立考慮綜合需求響應的電熱聯合系統協同優化模型，最后算例仿真分析及對比結果驗證本方法的有效性。

1 綜合需求響應模型

1.1 系統能量轉換模型

以抽汽式CHP機組為例，系統中能源轉換裝置的電熱能源轉換關系如下。

式中：Pg和Ph分別表示電功率和熱功率；Jg和Jh分別為兩種能源的單位熱值；ηg和ηh分別為兩種能源的利用率。

電鍋爐裝置的能源轉換系數由其轉換效率決定，而CHP機組兩種能源皆來自煤等燃料，且由同一機組產出。把抽汽工況下的電、熱功率折算到純凝工況下，其折算表達式為：

式中：k為CHP機組在抽汽工況下熱電特性曲線的斜率；Phit、Pgit、Phit分別為第i臺CHP機組t時刻的折合功率、電功率值和熱功率值。同時，CHP機組需滿足出力約束：

1.2 綜合需求響應模型與約束

將能源耦合轉換與需求響應相結合，考慮用戶對不同形式能源的選擇，建立可轉移及可轉換負荷需求響應模型，以提升綜合需求響應的效果。

（1）可轉移負荷

（2）可轉換負荷

可轉移負荷和可轉換負荷在概念上不是對立而是相并的，因此一部分負荷既是可轉移負荷又是可轉換負荷，基于此式（5）和式（6）可改寫為：

式中：λ和μ分別為重合負荷占可轉換負荷和可轉移負荷的比例。

同時，根據可轉移負荷和可轉換負荷的特點，需求響應前后可轉移負荷的總量不變，需滿足約束：

式中：θ為0～1的變量，0表示電負荷，1表示熱負荷。

由于用戶需求響應參與度受供給側的經濟補償度影響，實際參與調度的可轉移或可轉換負荷量會隨之改變。因此需要滿足約束：

式中：?t和ωt分別為可轉移負荷和可轉換負荷的實際參與比例；?min、?max和ωmin、ωmax分別為可轉移負荷比例的最小值、最大值和可轉換負荷比例的最小值、最大值。

2 電熱聯合系統協同優化模型

2.1 目標函數

以系統經濟運行成本以及新能源消納最優為目標，綜合考慮CHP機組發電成本、電鍋爐及儲熱裝置運維成本、棄風懲罰費用。目標函數的表達式如下：

式中：Cz為系統的總調度成本；CH為CHP機組發電成本；CE為電鍋爐運維成本；CS為儲熱裝置運維成本；CW為棄風懲罰成本；PEt為t時刻電鍋爐消耗的電功率；PS,store和PS,release為儲熱裝置儲放熱功率；PWt為t時刻的風電實際上網量。

（1）CHP機組發電成本

設定CHP機組不停機運行，不考慮CHP機組啟停帶來的影響，僅考慮其運行成本：

式中：T為調度周期；NH為CHP機組臺數；ai、bi、ci分別為CHP機組的運行成本參數。

（2）電鍋爐運維成本

式中：ce為電鍋爐單位運維成本。

（3）儲熱裝置運維成本

式中：HS(t)和HS(t-1)為t和t-1時刻儲熱裝置的儲熱量；ηS,store、ηS,release為儲熱裝置t時刻儲放熱效率。因此儲熱裝置的運維成本可表示如下：

式中：cs為儲熱裝置的單位運維成本。

（4）棄風懲罰成本

式中：Pwt,real為風電t時刻實際風功率；cq為單位棄風成本。

2.2 約束條件

（1）電熱功率平衡約束

式中：Pglt和Phlt分別為不參與需求響應的基礎負荷；Pgt,out和Pht,out分別為需求響應后的各類型電熱負荷總量；ηe為電鍋爐能源轉換效率。

（2）儲熱及電鍋爐裝置約束

本研究采用搭載YALMIP及CPLEX商業求解器的MATLAB平臺對上述模型進行求解。

3 算例及仿真分析

3.1 算例設計

所建立的電熱聯合系統主要由熱電聯產機組、儲熱裝置、風電機組、電鍋爐以及電熱負荷組成。風電機組功率為50 MW；儲熱裝置傳輸功率100 MW，最大容量500 MW；CHP機組具體參數詳見文獻[4]。系統調度周期T為24 h，單位調度時段為1 h。其中單位電鍋爐及儲熱運維成本為0.01元/kW；單位棄風懲罰成本為0.05元/kW；可轉移比和可轉換比φt,ωt∈[0.1,0.9]；λ和μ在時段18～23分別為0.5和0.3，在其余時段分別為0.05和0.03。

3.2 仿真分析及對比

選取以下三個場景對所構建算例進行仿真分析。場景一：考慮需求響應，不考慮需求響應中用戶選擇不同形式能源造成的影響，考慮多種設備協同運行優化。場景二：考慮需求響應且考慮需求響應中用戶選擇不同形式能源造成的影響，不考慮多設備協同運行優化，只對電源進行優化。場景三：考慮需求響應且考慮需求響應中用戶選擇不同形式能源造成的影響，考慮多設備協同運行優化，即本研究方法。

圖1為三種場景下優化后的電熱負荷曲線以及優化前負荷曲線。三種場景均考慮了需求響應，因此電熱負荷曲線得到調整，場景二和三電負荷曲線較場景一更為平滑，這說明需求響應中考慮用戶對能源的選擇能進一步優化負荷曲線。另外較優化前曲線，場景一和三的熱負荷在電負荷峰時段有明顯下降，而場景二則相反。這是由于場景二中只對電源進行優化，沒有考慮多設備協同，在電高峰時段僅靠調整負荷曲線多能源解耦力度不夠，影響系統經濟性。由式（3）和（12）可知，生產同樣功率的電負荷成本更高，為降低系統成本以及提升風電消納，需求響應使可轉換電負荷轉換為熱負荷，導致電負荷較低熱負荷較高，這也符合圖1中場景二電負荷較場景三低的現象。

圖2為優化后各場景風電消納量和設備出力，由圖2可知，相較于場景一，場景三電鍋爐及儲熱出力更高，同時場景一和三風電實現了完全消納，場景二則有較大棄風量。其原因在于，場景一未考慮了負荷側用戶能源選擇，“熱電解耦”能力比場景三差。此時為實現系統經濟性最優，需通過其他設備來進行額外調整，因此電鍋爐及儲熱設備出力更高。另外場景二缺乏對多設備協同運行的考慮，沒有能源儲蓄及轉換設備的參與，系統不夠靈活，棄風量增加。對比圖1可知，熱出力時段均集中在電負荷高峰期，這是為了滿足電負荷需求，CHP機組需降低熱出力。而與場景二不同，在存在儲熱及電鍋爐設備時，CHP機組在熱負荷高峰電負荷低谷期增加熱出力進行儲存，在電負荷高峰期降低熱出力，缺額由儲熱及電鍋爐設備提供，以降低系統運行成本。

表1為不同場景下的系統各項成本，在側重點不同的情況下，三種場景系統各項成本略有差別。較場景二而言，場景一、三的CHP機組發電成本分別降低了0.253萬元和0.255萬元，風電消納量提升了42.1%，結合仿真分析可見電熱聯合系統中考慮多設備協同能提高系統靈活性，有效降低系統運行成本和棄風量。相比場景一，場景三CHP機組發電成本和設備運維成本分別降低了0.002萬元和0.113萬元，可見考慮用戶側對能源形式的選擇能進一步提升需求響應的效果。

4 結論

（1）隨著各類新型能源儲存、能源轉換設備的出現，負荷側負荷分類界限日趨模糊，用戶能夠選擇不同形式的能源達成同樣的目標，因此在需求響應中考慮用戶對能源形式的選擇可以進一步提升需求響應效果，降低系統運行成本，提高新能源消納。

表1 不同場景下的系統各項成本

（2）目前電熱能源系統已朝著多能源耦合多設備協同方向發展，僅考慮單一設備優化已不能滿足需求，需考慮系統運行過程中多設備的協同優化。