考慮綜合需求響應的港口能源系統優化運行

普 月，紀 歷，劉皓明

（河海大學 能源與電氣學院，南京 211100）

0 引言

為適應港口日益增長的能源需求，改善因傳統燃油、煤電供能的能源結構導致的港口環境污染問題，虛擬電廠、可再生能源發電、能源替代、儲能等技術被廣泛應用于港口地區［1—2］，實現了從傳統供能方式向涵蓋冷、熱、電、天然氣在內的綜合能源供能方式的轉變。港口綜合能源系統（port integrated energy system，PIES）的可靠運行為港口高效運轉提供了重要保障。近年來，港口岸電建設和設備電氣化改造工程的不斷推進使得港口電能需求進一步增加。港口含有大量的柔性電力負荷，采取負荷削減、轉移等需求響應（demand response，DR）措施，可有效調節港口電能需求。同時，由于PIES含冷、熱、電、天然氣等多種用能形式，不同能源間可進行耦合替代，除調節負荷需求外，還可通過改變用能類型滿足負荷需求。

目前，國內外學者在DR 參與能源系統優化運行方面開展了相關研究。文獻［3］在考慮DR 的情況下，對含熱電聯產（combined heat and power，CHP）機組的電-氣-熱綜合能源系統調度進行優化，結果表明DR 可顯著提升系統運行的經濟性。文獻［4］建立了電-熱-氣網互聯的綜合能源系統模型、可中斷負荷的需求響應模型，通過優化出的可中斷負荷量完成對電-熱-氣綜合能源系統的協同優化。文獻［5］提出了計及需求側管理的氣-電耦合系統協同優化運行策略，將DR 運行約束視為系統運行約束條件之一。有關DR參與能源系統優化運行的研究已取得豐碩的成果，但鮮有考慮港口負荷DR 潛力并將其作為主要影響因素開展PIES 運行優化方面的研究。

本文提出了一種考慮綜合需求響應（integrated demand response，IDR）的PIES運行優化方法，首先，通過分析系統內各設備間的能量轉換耦合聯系，構建了基于能源集線器（energy hub，EH）的PIES 多能耦合轉換模型，并根據港口可調負荷特性，建立了港口IDR 模型。然后，綜合考慮能源價格、環境污染、能量損耗等因素對系統運行的影響，以系統運行成本最小為目標，建立考慮IDR的PIES運行優化模型。最后，將所提出的方法應用于某港口綜合能源系統，仿真計算得到最優運行方案，驗證了本文方法可有效減少PIES運行成本，降低港口用電高峰時段的電力負荷需求。

1 港口綜合能源系統

PIES 涵蓋了能源生產、轉化、存儲和利用各個環節，實現了港口電力、天然氣、熱能、冷能等多種能量的耦合互聯。PIES基本結構如圖1所示。

圖1 PIES基本結構Fig.1 Basic framework of PIES

港口常配備岸電充電樁、岸橋、電動牽引車、冷藏集裝箱、冷庫和采暖等設備，用于貨物裝卸、運輸、儲藏作業和日常生活辦公，負荷需求包含電、熱、冷能需求。電能需求通過從電網購電、分布式光伏出力和其他設備如冷熱電聯產機組（combined cooling，heating and power unit，CCHP）消耗天然氣發電來滿足。熱能需求通過CCHP產熱和其他設備如燃氣鍋爐（gas boiler，GB）消耗天然氣產熱來滿足。冷能需求通過CCHP 產冷和其他制冷設備如電制冷機（electric cooler，EC）消耗電能產冷來滿足。此外，儲能設備也可提供相應的負荷需求。如儲電（electricity storage，ES）裝置和蓄熱（heat storage，HS）裝置，可在系統電、熱充裕時充電、儲熱，在電、熱供應不足時放電、放熱，實現了電能和熱能的跨時段利用。

1.1 設備模型

1.1.1 冷熱電聯產

CCHP由燃氣輪機（gas turbine，GT）和溴化鋰吸收式制冷機構成。GT以天然氣作為原料發電，同時回收排出的高溫煙氣來制熱，其發電功率和熱電關系分別如式（1）和式（2）所示［6］

式中:為t時段 CCHP 輸出的冷功率，MW；為溴化鋰吸收式制冷機的制冷效率；為t時段CCHP輸出的熱功率，MW。

1.1.2 燃氣鍋爐

當CCHP 產熱量不足以滿足港口熱負荷需求時，GB消耗天然氣產熱，其產熱功率如式（4）所示

式中:為t時段GB 的產熱功率，MW；為GB 的產熱效率；為t時段GB 消耗天然氣的速率，m3/h。

CCHP 和GB 運行所消耗的天然氣由天然氣網供應，供氣速率為

式中:為t時段天然氣網供氣速率，m3/h。

1.1.3 電制冷機

當CCHP 制冷量不足以滿足港口冷負荷需求時，EC運行，其制冷功率如下

式中:為t時段EC的制冷功率，MW；為EC的制冷效率；為t時段EC運行消耗電功率，MW。

1.1.4 儲電/儲熱裝置

由于熱、電負荷的大小和峰谷時段不相匹配，CCHP將受到“以熱定電”或“以電定熱”的剛性約束而不能高效、經濟運行［6］。儲電、儲熱裝置可緩解電、熱負荷不匹配的矛盾，協調CCHP實現電、熱、冷能統一調度，滿足港口電、熱、冷負荷需求［7—8］。經t時段儲能或放能后，儲能裝置內所剩能量為［9］

1.2 PIES模型

較單一設備能量轉化而言，PIES的能量轉化是設備間多能耦合轉化關系的集合。本文構建了基于EH 的PIES 多能耦合轉化模型，該模型直觀表示了系統內部能量生產、轉化、存儲和利用過程，反映出能源供給和多能負荷需求間的平衡［10］。基于設備能量轉化關系，綜合式（1）至式（7）構建PIES多能耦合轉化模型如下

1.3 港口多能需求響應模型

港口包含大量的柔性電力負荷，根據負荷靈活可調能力，港口負荷可分為:基荷負荷、可削減負荷、可轉移負荷和可替代負荷。

（1）基荷負荷:該類負荷因靈活調節能力較差，一般認為其不具備參與響應的能力，包括港作機械、港口基本照明等設備。

（2）可削減負荷:指在不影響正常作業的前提下，可適當削減的負荷，主要包括冷藏集裝箱、冷庫等連續運行的冷藏設備。當外界環境溫度為20 ℃左右時，冷藏集裝箱停止制冷5 h，箱內溫度基本不變［11］。該類負荷在港口電力負荷中占比較大，具有較大的可調潛力。

（3）可轉移負荷:該類負荷用電時間可靈活轉移，包括岸橋、門式起重機等起重運輸機械設備、電動牽引車等虛擬儲能設備及港口岸電設備等。因受靠港船舶數量和作業工況影響，負荷波動較大。可轉移類負荷為港口主要用電負荷，可調潛力較大［12］。

（4）可替代負荷:是指通過改變用能類型及供能方式來響應負荷需求，如在電價高峰時段減少從電網購電，通過增加CCHP 出力來滿足港口電能需求。負荷可替代特性體現于PIES 能源耦合轉化關系中，如式（8）所示。因選擇用能種類時需考慮能源價格因素，該類負荷的可調潛力受電價、天然氣價格影響。

根據上述分析，建立港口IDR模型如下

考慮IDR的港口電能需求為

2 港口綜合能源系統運行優化建模

本文提出一種考慮IDR的PIES運行優化方法，該方法綜合考慮需求響應、能源價格、環境污染、能量損耗等因素對系統運行的影響，以PIES運行成本最低為目標，進行PIES多能運行優化。

2.1 目標函數

式中:C為系統運行總成本，元；Cnet、Cem、Cε,loss、Com和Cdr分別為用能成本、碳排放成本、儲能損耗成本、機組設備運行維護成本和參與需求響應成本，元。

2.1.1 用能成本

用能成本包含從電網購電費用和從天然氣網購氣費用

2.1.2 碳排放成本

碳排放成本包括用電、用氣產生的等熱值碳排放的污染處理成本

式中:λem為碳排放成本參數，元/kg；為用電碳排放參數，kg/MW；為燃氣碳排放參數，kg/m3。

2.1.3 儲能能量損耗成本

因儲、放能效率導致儲能消耗的能量與實際儲、放能量間存在差值，即儲能能量損耗。儲能損耗成本如下

式中:λε,loss為儲能能量損耗成本參數，元/MWh。

2.1.4 設備運維成本

設備運維成本包括CCHP、PV、GB、EC、ES及HS的運行維護成本

2.1.5 參與需求響應成本

參與需求響應成本是電網給予參與負荷削減和負荷轉移用戶的經濟補償，包括用戶響應電網需求削減當前時刻負荷用電量的補貼和將當前時刻運行的電力負荷轉移至其他時刻運行的補貼，為

2.2 約束條件

2.2.1 能量平衡約束

能量平衡約束包括電、熱、冷能供需平衡，分別如式（17）至式（19）所示

2.2.2 設備運行約束

設備運行約束包括GT 出力上、下限約束、熱回收功率上、下限約束和爬坡速率約束，CCHP對外供冷、供熱功率上、下限約束，GB 產熱功率上、下限約束和爬坡速率約束，EC 運行功率約束，儲能設備需滿足儲、放能功率上、下限約束及儲能容量上、下限約束。分別如式（20）至式（30）所示

2.2.3 負荷響應約束

負荷響應約束包含電力負荷削減量約束、電力負荷轉移量約束，分別如式（33）至式（35）所示。式（34）表示由t時段轉移至其他時刻的負荷量約束；式（35）表示由其他時刻轉移至t時刻的負荷量約束

2.2.4 網絡約束

網絡約束包含電網供電功率約束和天然氣網供氣速率約束，分別如式（38）和式（39）所示

式中:為電網最大供電功率，MW；為氣網最大供氣速率，m3/h。

3 算例仿真

將本文方法運用于某一港口綜合能源系統，其主要設備技術參數如表1 所示。選取全天24 h 為一個完整運行周期，即T=24 h，將其分為96 個相等時段開展優化，即Δt=15 min。PIES 主要設備參數如表1 所示。該地區天然氣價格為3.1 元/m3。電價執行“峰-平-谷”分時電價，各時段電價分別為1.35 元/kWh、0.90 元/kWh、0.47 元/kWh。PIES 優化運行問題可視為混合整數線性規劃（mixed integer linear programming，MILP）問題，本文采用 Cplex 在YALMIP平臺下進行求解。

表1 PIES主要設備技術參數Table 1 Technical parameters of main equipment in PIES

本文對3 種情況下PIES 的運行結果進行仿真，如下所述。

情形1:不考慮IDR，PIES 無優化運行，即系統運行滿足港口負荷需求即可，運行成本不含參與需求響應成本，約束條件不含負荷響應約束；

情形2:不考慮IDR，PIES 以運行成本最低為目標運行，運行成本不含參與需求響應成本，約束條件不含負荷響應約束；

情形3:考慮IDR，PIES 以運行成本最低為目標運行，即本文所提方法。

將情形1 的PIES 無優化運行結果作為參考，情形2和情形3的PIES 優化運行結果分別如圖2至圖5、圖6至圖9所示。

圖2 不考慮IDR的電能優化結果Fig.2 Optimal results of electric power without considering IDR

圖3 不考慮IDR的熱能優化結果Fig.3 Optimal results of heating without considering IDR

圖4 不考慮IDR的冷能優化結果Fig.4 Optimal results of cooling without considering IDR

對比2 種情況下PIES 電、熱、冷能和天然氣的最優運行結果可看出，系統運行主要受電價影響。具體表現如下。

（1）在電價低谷時段，即0:00—9:00、23:00—24:00，主要從電網購電來滿足港口電能需求。期間，5:00時熱能需求開始增加，CCHP 運行消耗天然氣增加產熱來滿足熱能需求，產生電量供應部分電能需求。6:00 時冷能需求開始增加，因電價較低，EC 運行制冷滿足冷能需求，同時光伏出力增加使得PIES電能相對充裕，蓄電池開始充電。

圖5 不考慮IDR的天然氣用量優化結果Fig.5 Optimal results of natural gas consumption without considering IDR

圖6 考慮IDR的電能優化結果Fig.6 Optimal results of electric power considering IDR

圖7 考慮IDR的熱能優化結果Fig.7 Optimal results of heating considering IDR

（2） 在電價高峰時段，即9:00—13:00、19:00—23:00，購電量減少，由CCHP、光伏、蓄電池為港口供電。該時段EC減少用電使得制冷量減少，為滿足增長的冷能需求，CCHP 增加供冷，而供熱不足的問題由GB提供熱能解決。

圖8 考慮IDR的冷能優化結果Fig.8 Optimal results of cooling considering IDR

圖9 考慮IDR的天然氣用量優化結果Fig.9 Optimal results of natural gas consumption considering IDR

（3）在電價平時段，即13:00—19:00，電能需求持續增加，由于CCHP發電量已達到最大，光伏出力逐漸減小，需增加購電量來滿足港口電能需求。EC制冷量增加，CCHP 增加供熱來滿足熱能需求的增長。期間，15:00 時熱能需求增加到峰值，由CCHP、GB、蓄熱槽共同為港口供熱。

對比圖2和圖6可看出，IDR的加入令電價高峰時段的電能需求明顯減少，減少的部分需求被轉移至電價低谷時段與平時段。相比之下，若無IDR 參與調節，港口電能負荷將達到峰值，電網電量供應緊張，EC 減少制冷，為滿足此時港口冷能需求，CCHP增加供冷，供熱不足由GB提供，天然氣消耗量因此增加。3種情況下PIES的運行成本如表2所示。

相較于不考慮IDR無優化時的PIES運行成本，以運行成本最低為目標進行優化可使系統運行成本降低6.68%，若優化過程中考慮港口負荷參與IDR，系統運行成本可降低17.59%。由于IDR 有效減少了電價高峰時段港口的電能需求，該時段系統的用能成本減少，系統運行總成本進一步降低。

表2 不同PIES方案的運行成本Table 2 Operation costs of different cases of PIES元

4 結束語

本文在構建PIES能量耦合轉化EH模型和港口IDR 模型的基礎上，提出了一種考慮IDR 的PIES 運行優化方法。將由該方法得到的PIES 優化運行結果與不考慮IDR 且不對PIES 進行優化、不考慮IDR以運行成本最低為目標對PIES 進行優化2 種運行結果進行對比，證明了以運行成本最低為目標對PIES進行優化，并在優化過程中采取一定的需求響應激勵措施，可有效減少用電高峰時段港口的電能需求和用能成本，降低PIES總運行成本。