考慮柔性負荷響應的綜合能源系統多尺度優化調度研究

鞠文韜，崔承剛，楊錦成，奚培鋒

（1.上海電力大學 自動化工程學院，上海 200093；2.新奧數能科技有限公司，北京 100020；3.上海市智能電網需求響應重點實驗室，上海 200063）

0 引言

近年來，冷、熱、電等多種能源納入廣義的需求側范疇，不同類型能源之間的用能互補正在成為需求響應的一種重要方式，促使傳統需求響應向IDR（綜合需求響應）轉變[1-2]。傳統意義上的響應是將電能單純地在時間上進行轉移和削減用能，而綜合需求響應是將需求側的用能種類轉換與時間轉移結合進行用能調整[3]。IDR 將用戶對冷、熱、電的負荷需求納入需求范圍，引導用戶改變、優化用能結構，挖掘需求側的響應潛力，實現多種能源互補，提高能源利用率[4-5]。

目前，由于需求響應技術在綜合能源系統中獲得廣泛應用，用戶側負荷開始從只注重電的“剛性”逐漸轉變為綜合考慮冷、熱、電互補的“柔性”[6]。綜合能源系統中，有些負荷可以在一定程度和范圍內，根據實際情況進行調整，這些特殊的負荷被稱為柔性負荷[7]。柔性負荷響應是需求響應的重要內容，相較于傳統的IDR 調度模式，柔性負荷響應速度快、低碳環保且成本更少[8]。加入柔性負荷響應，可以改變傳統只注重剛性負荷的綜合能源系統，加強系統對負荷調節的靈活性，提升綜合能源系統的經濟效益。

目前，國內外學者已經針對柔性負荷響應開展了大量研究。在日前時間尺度上，文獻[9]建立了價格型需求響應模型，并將其納入含風電電力系統的調度計劃中，以降低機組成本。文獻[10]考慮了風電不確定時兼顧發電側與需求側柔性負荷的雙側協調配合，提出了計及柔性負荷的安全約束機組組合模型，實現了可削減負荷、可平移負荷以及可轉移負荷3 類柔性負荷的分類調度。文獻[11]建立包含常規機組和風力機組的源-荷協調兩階段隨機優化調度模型，其中柔性負荷以提供備用的方式響應風電出力不確定性，促進風電消納并優化負荷曲線。從以上文獻可以看出，現階段考慮柔性負荷響應的能源調度對象大多局限于單一的柔性電負荷，極少考慮綜合電、熱柔性負荷響應對綜合能源系統的影響。但是對于綜合能源系統來說，常見的能源有熱、電2 種負荷，僅僅考慮單一柔性電負荷或者熱負荷的運行策略，則無法發揮綜合能源系統多能互補的優勢以及多能用戶的響應潛力[12]。因此，有必要將電、熱綜合柔性負荷響應引入到綜合能源系統優化調度研究中。

綜合能源系統中各能流的時間尺度特性具有較大差異，在綜合能源系統運行調度上，需要討論不同能流對價格變換和外界需求的響應速度，分析設備啟停時間和爬坡速度對能源間互補性的影響，研究不同能流在供需平衡上的時間要求[13]。當大量柔性負荷參與綜合能源系統調度時，柔性負荷響應會對綜合能源系統的調度產生影響[14]。同時，目前綜合能源系統大都僅考慮日前時間尺度的優化調度，但是日前負荷預測存在一定誤差，尤其是對于接入大量可再生能源的綜合能源系統，日前調度的準確性更加難以保證[15]。此外，柔性負荷響應本身也具有一定的不確定性，且隨著時間尺度的精度增加，柔性負荷響應對綜合能源系統運行產生的影響會更加明顯。因此，需要在電、熱綜合柔性負荷響應的基礎上開展考慮多時間尺度的綜合能源系統調度模型研究。

本文基于熱電綜合能源系統的背景，引入綜合柔性負荷響應，構建了基于柔性負荷響應的綜合能源系統優化調度架構。在此基礎上，考慮綜合柔性負荷響應的多時間尺度特性和響應成本，以綜合能源系統運行成本最低為目標，建立了考慮綜合柔性負荷響應的多時間尺度優化調度模型。從多時間尺度調度的角度，對綜合柔性負荷、熱電聯產機組和風電進行協調優化，構建了日前-日內調度模型，并使用MILP（混合整數規劃方法）進行求解。最后，通過算例驗證了所提方法能夠提升機組運行效率以及降低綜合能源系統運行成本。

1 綜合柔性負荷特性分析

綜合柔性負荷一般是指可通過綜合能源系統中的熱、電負荷主動參與綜合能源系統運行控制，能夠與系統進行能量互動，具有柔性特征的負荷[16-17]。負荷柔性表現為在一定時間段內靈活可變，在綜合能源系統運行中，綜合柔性負荷有著充足的調度容量，按照負荷響應方式可將綜合柔性負荷分為可平移負荷、可轉移負荷和可削減負荷。不同種類的綜合柔性負荷在綜合能源系統中的作用如下：

（1）可轉移負荷：在綜合能源系統調度周期內總熱、電負荷不變，但在各時段的負荷可以靈活調節，用戶可以在被告知的一定容量范圍內通過改變生產方式，將某一時刻的負荷轉移至其他時刻[18]。其特點是總負荷不變，不同時段的負荷可以相互轉移。

（2）可平移負荷：在綜合能源系統調度中，提前一天對系統熱、電負荷，機組出力和負荷預測的基礎上，在保證系統的經濟性同時不改變系統的整體負荷情況下，對系統運行狀況進行調峰處理。

（3）可削減負荷：在綜合能源系統中，可削減負荷可以在日前調度計劃中一定程度上實現削峰的能力，但是由于日前的時間尺度較長，且可削減負荷沒辦法求出具體的值，只能求出一定的容量范圍。同時，在日內短時間尺度上，可以根據系統的短期預測，給出詳細的可削減熱、電負荷容量，對系統的日內削峰有一定的作用[19]。

2 綜合能源系統多尺度優化調度架構

2.1 考慮綜合柔性負荷的綜合能源系統架構

綜合能源系統一般以天然氣能為一次能源，熱、電為主要能源，系統內包含各類能源的生產、轉換、儲存設備，以滿足用戶側對多種負荷的需求。燃氣蒸汽聯合循環機組具體系統架構圖如圖1 所示。

圖1 綜合能源系統架構

2.2 綜合能源系統優化調度架構

日前調度精度較低，單獨采用日前調度策略難以很好地發揮柔性負荷響應的多時間尺度的特性，同時，隨著能源系統由日前調度轉向日內調度，可再生能源發電的預測曲線精度也在不斷提高，日前調度的精度太低，不適用日前轉向日內的精度變化[20]。因此，需要建立多時間尺度優化調度模型，對各類柔性負荷進行合理協調。

針對上述問題，本文提出一種日前-日內聯合優化調度架構，如圖2 所示。考慮柔性負荷響應的綜合能源系統多尺度優化調度研究按時間尺度分為兩大部分：日前長時間尺度優化調度和日內短時間優化調度。在日前長時間優化調度內，熱、電柔性負荷分為日前可削減熱、電負荷，可轉移熱、電負荷，可平移熱、電負荷；在日內短時間優化調度內，綜合考慮到日前制定的調度計劃、日內負荷變化量、可再生能源出力以及不影響用戶生產等因素，負荷的日內二次調整只考慮日內可削減熱、電負荷參與調度。

圖2 綜合能源系統優化調度架構

3 綜合能源系統多尺度優化調度策略

3.1 多尺度優化調度流程

多時間尺度綜合能源優化調度分為日前和日內兩大部分。日前優化調度首先判斷是否達到日前調度周期，如達到，則輸入日前預測負荷數據并求解日前調度模型，確定包含日前可削減量、可轉移量、可平移量的日前調度計劃；日內優化調度首先判斷是否達到日內調度周期，如達到，則在日前調度基礎上輸入提前2 h 進行綜合能源系統中風電、光伏預測值以及系統調整量并求解日內調度模型，形成包含日內削減負荷量的日內調度計劃。多時間尺度綜合能源系統優化調度流程如圖3 所示。

圖3 優化調度流程

3.2 日前調度模型

（1）目標函數

以系統機組發電、啟停成本、產蒸汽成本及柔性負荷調度成本之和最小化為目標：

式中：E 為預期的系統總體成本；t 為調度周期其中的一個時間段；Z 為機組集合；為機組i 的燃燒 成本；為機組i 的運行成本；Et，i為系統和大電網交易產生的成本；為機組生產蒸汽的收益；為蒸汽的傳輸成本；Cf1為柔性負荷調度成本；Cxue為可削減負荷成本；Cping為可平移負荷成本；Czhuan為可轉移負荷成本；Mxue為可削減負荷的單位容量的補償；pxue為可削減機組功率；Mping為平移負荷的單位容量的補償；Sping為平移負荷容量；Fon1為系統判定平移指令，只有0和1 兩種狀態。Fon2為系統判定轉移指令，只有0和1 兩種狀態。

（2）系統電力平衡約束

（3）系統熱平衡約束

（4）機組啟停約束

式中：Δzi，t，s為機組啟停的變化量；zi，t，s為機組啟停狀態，分為0，1 的二進制狀態；Ni，s為系統允許最大機組開啟量。

（5）柔性負荷約束

其中，可削減負荷在系統中的主要作用是根據分時電價，在系統允許的情況下為了保證系統的經濟性，削減部分高峰時刻的機組用電功率，進而降低系統的用電量。具體公式如下所示：

平移負荷的作用是在改變用電時段時，受設備和工藝水平影響無法立即響應，只能進行整體平移，受到時間的約束，平移后的負荷要與原始負荷保持一致，具體公式如下所示：

式中：pping（t）為在原始時刻的原始負荷容量；（t+Δt）為在平移時刻的平移負荷的容量。

（6）用戶能源平衡約束

用戶電平衡約束為：

式中：Euser為t 時刻用戶需求用電量；為在時間t 的系統電負荷量；pping，e為電負荷可平移負荷量；pzhuan，e為電負荷可轉移負荷量；pxue為電負荷可削減負荷量。

用戶熱平衡約束為：

式中：huser為t 時刻用戶需求用熱量；為在時間t 的系統熱負荷量；pping，h為熱負荷可平移負荷量；pzhuan，h為熱負荷可轉移負荷量；pxue，h為熱負荷可削減負荷量。

3.3 日內調度模型

（1）目標函數

日前調度策略有一定的局限性。首先時間尺度較長，不能更好地根據實際負荷變化進行調整；二是日前調度策略下的系統運行情況和負荷需求變化會有一定的偏差。因此需要在日前調度的基礎上加入日內調度策略，縮短時間尺度來減少偏差。日內調度策略和日前調度策略的優化目標一致，都是系統運行成本最小化。目標函數可表示為：

（2）系統電力平衡約束

（3）系統熱平衡約束

（4）機組啟停約束

由于機組啟停狀態變化的時間尺度較長，因此在日內短時間尺度調度計劃中不能對機組啟停狀態進行二次優化，在日內調度計劃中沿用日前調度計劃的機組啟停狀態。

（5）柔性負荷約束

4 算例分析

4.1 系統概況

為了驗證調度策略的可行性，根據前述綜合能源系統設備模型以及調度策略模型，對某綜合能源系統進行仿真試驗。該綜合能源系統包含2組額定發電功率70 MW 的燃氣-蒸汽聯合循環機組（抽凝式）、2 組額定發電功率10 MW 的燃氣-蒸汽聯合循環機組（背壓式），機組額定供熱工況下年平均總熱效率達73%，以及1 組最大發電量20 MW 的光伏發電站、1 組最大發電量20 MW的風力發電機組。系統設備具體參數如表1 所示。

表1 綜合能源系統設備參數

此外，綜合能源系統內用戶用電遵從分時電價政策。分時電價如表2 所示。

表2 分時電價

在綜合能源系統中，無論是生產電能還是熱能都需要大量天然氣，而系統未考慮天然氣的調度，將其視作無限制供應的能源，價格統一為2.66 元/m3（標準狀態下）。

4.2 效果分析

綜合能源系統的優化調度是一個涉及多變量、多條件約束的混合整數線性規劃問題，編寫MILP 求解程序進行優化求解。

4.2.1 日內優化前后熱負荷平衡出力對比

日前調度策略中調節方式主要是考慮改變機組的啟停狀態，從而改變系統中機組熱、電輸出，制定綜合能源系統日前調度計劃。日前優化前后綜合能源系統熱、電負荷平衡出力結果如圖4 所示。日前調度下綜合能源系統綜合柔性負荷響應情況如圖5 所示。

圖4 日前調度策略下綜合能源系統熱、電負荷平衡出力對比

（1）從圖4（a）可以看出，在電負荷日前調度中，柔性電負荷參與調度前電負荷峰谷差為56.363 MW，加入柔性電負荷調度后，負荷峰谷差降為40.81 MW，降低約27.6%。綜合能源系統在日前時間尺度上考慮柔性電負荷調度后，電負荷峰谷差有一定程度的降低。

（2）從圖4（b）可以看出，在熱負荷日前調度中，柔性熱負荷參與調度前熱負荷峰谷差為115.71 MW，加入柔性熱負荷調度后，負荷峰谷差降為104.49 MW，降低約9.7%。綜合能源系統在日前時間尺度上考慮柔性熱負荷調度后，熱負荷峰谷差有一定程度的降低。

圖5 日前調度下綜合能源系統綜合柔性負荷響應情況

（3）從圖5 可以看出，可轉移負荷和可平移負荷能夠將高峰時段的電、熱負荷轉移到低谷時段，具有明顯的削峰填谷效果；可削減負荷對用戶生產影響較大。因此在前2 種負荷調度后仍然無法滿足要求的情況下繼續削減熱、電負荷。

4.2.2 日內優化前后電負荷平衡出力對比

日內優化調度是在日前調度的基礎上，進一步根據日內熱、電負荷變化，確定可削減負荷的調度量來調整系統的熱、電負荷。日內調度策略下，綜合能源系統熱、電負荷平衡出力結果如圖6所示。日內調度策略下綜合柔性負荷響應情況如圖7 所示。

（1）由如圖6（a）可以看出，在電負荷日內調度中，由于可再生能源加入系統出力，系統電負荷有所上升，日內調度前電負荷峰谷差達到71.472 MW，加入日內調度后電負荷峰谷差降為67.239 MW，優化前后峰谷差降低約5.9%。

圖6 日內調度策略下綜合能源系統熱、電負荷平衡出力對比

圖7 日內調度策略下綜合柔性負荷響應情況

（2）由圖6（b）可以看出，在熱負荷日內調度中，日內調度進一步削減了綜合能源系統的熱負荷峰值。日內調度前峰谷差達到104.49 MW，加入日內調度后熱負荷峰谷差降為94.724 MW，優化前后峰谷差降低約9.3%。

綜上所述，熱、電負荷削減量相對于日前調度計劃有了一定程度的提升，日內調度計劃中高峰時刻的負荷相比于日前調度計劃有了一定程度的減少。

（3）由圖7 可以看出，在日內短時間優化調度計劃內，綜合考慮到日前制定的調度計劃、日內負荷變化量以及不影響用戶生產等因素，熱、電負荷的日內二次調整只考慮日內可削減負荷參與調度。日內調度計劃中，在日前可削減負荷基礎上進一步削減了高峰時段的熱、電負荷，進一步降低了峰谷差。

在綜合能源系統中加入柔性負荷，通過多尺度能源調度，有效降低了系統負荷的峰谷差，系統一天的總運行成本有所下降。采用考慮柔性負荷響應的多尺度調度優化前，綜合能源系統日運行成本為261 892.55 元，優化調度后運行成本降低為251 921.4 元，運行成本下降了3.81%。驗證了考慮綜合柔性負荷響應的綜合能源系統多尺度優化調度能夠在一定程度上降低運行成本，提升綜合能源系統經濟性。綜合能源系統的運行成本如表3 所示。

表3 調度前后綜合能源系統運行成本對比

5 結語

本文在柔性負荷特性分析的基礎上，將熱、電綜合柔性負荷引入綜合能源系統并在多時間尺度上進行調度優化，提出一種考慮熱、電綜合柔性負荷的多時間尺度綜合能源系統調度模型。由優化結果得出如下結論：

（1）將熱、電綜合柔性負荷加入綜合能源系統調度計劃，能夠有效實現削峰填谷。通過削峰填谷來有效平緩負荷曲線，減少系統運行成本，具有良好的經濟效益。

（2）通過采用本文提出的優化調度模型，可以適應不同種類的柔性負荷參與優化調度，證明了在系統中加入熱、電綜合柔性負荷的多時間尺度調度策略可以有效實現對系統負荷的靈活調度，提升綜合能源系統的經濟性，展示了柔性負荷在能源調度中的潛力。