考慮綜合需求響應的工業園區負荷管理方法

魏景東，張 耀，王建學，雍維楨

（陜西省智能電網重點實驗室，西安交通大學 電氣工程學院，西安 710049）

0 引言

工業園區是政府為了經濟發展，通過行政手段將各種生產要素進行科學整合，打造的現代化產業分工協作生產區。工業園區是典型的綜合能源系統［1—2］，通常伴隨著大量的能源需求，例如電力和天然氣。在很多國家，例如中國和美國，工業園區的電費一般按兩部制電價［3］計費。在兩部制電價下，工業園區的電費賬單包含需量電費和電度電費2個組成部分［4—6］。需量電費通常基于月度最大電力負荷進行收費，而電度電費則基于賬單周期內的實際電能消耗量進行收費。電度電費電價在不同時段一般是不同的，通常采用分時電價。例如在中國，分時電價一般包含峰、平、谷3個收費標準［7］。

工業園區的需量電費一般在總電費中的占比很高，最高可達總電費的50%～70%［3］。因此，如何有效運用工業園區負荷管理方法來降低峰值負荷，成為研究熱點。有效的負荷管理方法不僅可以提升經濟性，還可以促進工業園區的持續健康發展。基于電池儲能系統的電力需求響應是實現工業園區負荷管理的常用方法，電池儲能可以在電價谷時段充電存儲電能，在電價峰時段放電供應用戶的用能。基于電池儲能系統的負荷管理技術已有一些文章進行研究［7—9］。文獻［7］闡述了一種利用光伏和電池儲能組合實現工商業樓宇負荷管理的方法。文獻［8］研究了基于儲能的電動汽車快速充電單元負荷管理方法，減輕電動汽車負載對配電網的影響。為了最小化用戶兩部制電價下的電費，文獻［9］提出了一種考慮可再生能源和現貨電價的電池儲能優化管理方法。

另一方面，隨著綜合能源系統的發展，需求響應逐漸由電力需求響應擴展到綜合需求響應［10］。與傳統的電力需求響應相比，綜合需求響應不依賴于靈活電力負荷，可以利用多能耦合設備來削減電力峰值負荷。到目前為止，綜合需求響應已有一定的研究，涉及基本概念、負荷響應模型、電-氣耦合優化運行和市場機制等［10—11］。然而，尚未有研究將綜合需求響應應用于工業園區的負荷管理。同時，工業園區中的熱電聯供機組一般工作在以熱定電模式，在實施綜合需求響應時運行靈活性受限。

為了解決這些挑戰，本文基于熱電聯供機組和熱儲能裝置，提出了實現工業園區負荷管理的新思路。首先，闡述了利用熱電聯供機組綜合需求響應實現工業園區負荷管理的方法:引入熱儲能裝置來實現工業園區中各工業用戶的熱力存儲和共享，釋放熱電聯供機組的運行靈活性；然后，建立工業園區負荷管理的優化模型；最后，對所提方法進行算例分析，算例結果表明，所提方法可以有效降低工業園區的需量電費，提升其經濟效益。

1 工業園區負荷管理的總體架構

1.1 工業園區的基本結構

含N個工業用戶的工業園區基本結構如圖1所示，配電線路經過變壓器連接上級電網和各個用戶。每個用戶配置了熱電聯供機組和分布式光伏面板來供應電力負荷和熱力負荷。由于工業用戶一般有比較大的熱力和電力需求，為了提升能源利用效率，這種設備配置模式是比較常見的。

圖1 含熱電聯供機組的工業園區基本結構Fig.1 Basic structure of industrial park with combined heat and power units

工業園區依據電網的兩部制電價機制支付總電費，然后將這筆電費重新分配給所有用戶。這種模式具有激勵相容性的優點，既可以減少每個用戶的賬單，又不會損害任何用戶的利益。

1.2 考慮綜合需求響應的工業園區負荷管理方法

熱電聯供機組作為常規配置，可滿足各個工業用戶自身的熱力和電力需求。利用各用戶熱電聯供機組的綜合需求響應特性，可以實現整個工業園區的負荷管理。例如，熱電聯供機組可以響應上級電網發布的峰、平、谷分時電價，在電價高峰時段（通常也是電力峰值負荷時段）增加其電力輸出以供應電力負荷，從而降低整個園區從上級電網的購電功率，進而降低工業園區的峰值負荷，實現節省需量電費的目的。

值得注意的是，雖然上述方法可以利用熱電聯供機組的綜合需求響應特性實現工業園區的負荷管理，但是在峰值負荷時段，熱電聯供機組產生的大量熱能將被廢棄。這是由于為減少峰值負荷時段從上級電網購買的電能，熱電聯供機組在增加電力輸出的同時也增加熱力輸出。這時熱電聯供機組增加的熱量輸出，可能會超出單個工業用戶的實際熱力需求。因此，熱電聯供機組產生的多余熱量將被廢棄，使得工業園區的能源利用效率降低。為解決這一問題，引入了集中式熱儲能來實現各工業用戶間熱力的存儲和共享，如圖2 所示。熱儲能系統可以存儲熱電聯供機組在峰值負荷時段產生的多余熱量，在非峰荷時段再將這些熱量釋放出來向各個工業用戶供熱。

圖2 含熱電聯供機組和熱儲能系統的工業園區結構Fig.2 Structure of industrial park with combined heat and power units and thermal storage

2 工業園區負荷管理的優化模型

2.1 目標函數

在兩部制電價機制下，用電成本包括2個部分:電度電費和需量電費。用氣成本指的是所有用戶熱電聯供機組消耗天然氣的總費用。工業園區負荷管理以月度總用電成本和月度總用氣成本最小為目標函數，如下所示

式中:i、k、t分別為工業用戶、典型日、時段的序號；為電度電費電價，元/kWh；λm為需量電費費率，元/kW；λgas為天然氣價格，元/m3；為工業園區從上級電網的購電功率，kW；Pˉm為整個工業園區月度最大需量；為熱電聯供機組的天然氣消耗量，m3/h。

2.2 約束條件

工業園區負荷管理的優化模型的約束條件包含如下4個部分。

（1）工業園區電熱功率平衡約束

整個園區的電功率平衡如下

式中:為工業園區從上級電網的購電功率；為各用戶熱電聯供機組發電功率；為光伏出力；為用戶i在第k天的第t個時段的電力需求。

由于集中式熱儲能的參與，各個用戶熱電聯供機組的熱力輸出以及集中式熱儲能的充、放熱功率共同滿足所有用戶的熱力需求。

式中:為用戶i在第k天的第t個時段的熱力需求。

（2）工業園區最大需量約束

工業園區的最大需量是任意時段從上級電網購電功率的最大值，計算如下

（3）各工業用戶自有設備約束

用戶自有設備約束包括熱電聯供機組運行約束:

熱電聯供機組的電力輸出范圍如下

熱電聯供機組電力輸出與天然氣消耗量的關系如下

式中:ρLHV為天然氣的低熱值；為熱電聯供機組的發電效率系數。

熱電聯供機組的熱功率輸出如下

分布式光伏的電力輸出范圍如下

式中:為用戶i的分布式光伏在第k天的第t個時段的預測出力。

（4）工業園區集中式熱儲能約束

集中式熱儲能約束包含:

充放熱功率的上、下限約束如下

式中:為集中式熱儲能的熱功率上限。

充、放熱功率與熱儲能存儲熱量的時段耦合約束如下

式中:為熱儲 能系統在第k天的第t個時段所存儲的熱量；ηch、ηdis分別為熱儲能系統的充、放熱效率。

熱儲能存儲熱量的上、下限約束如下

每天熱儲能系統的初值約束如下

式中:ETS,init為熱儲能系統的熱量存儲初值。

值得注意的是，式（1）中的第三項自然保證了集中式熱儲能不會同時充、放熱。這是因為熱儲能同時充、放熱會造成更高的熱力損耗，進而造成更多的天然氣消耗，這與目標函數中最小化天然氣消耗成本相矛盾。

3 算例分析

我們將通過一個含3個用戶的示例性工業園區來驗證提出的考慮綜合需求響應的工業園區負荷管理方法。我們選取了4個典型日來代表一個月，其中每個典型日代表一周。一周中的典型日選擇出現峰值電力負荷的一天，同時我們將4個典型日中具有最大峰值負荷的典型日選為月度峰值負荷典型日。分時電價采用西安市大工業用戶的峰、平、谷電價，高峰電價0.876 9元/kWh（7:30—11:30，19:30—23:30）、平段電價0.550 2元/kWh（11:30—19:30）、低谷電價0.223 5 元/kWh（23:30—次日7:30）。需量電費電價為31 元/kVA。集中式熱儲能采用4 MW/8 h儲熱罐，所提優化模型在基于MATLAB的YALMIP工具箱中進行編程實現，并采用IBM公司的Cplex求解器在i7-8700處理器，16 GB內存的臺式機上進行求解。

為了證明所提負荷管理方法的有效性，我們設計了3個場景進行對比:

場景1:工業園區沒有負荷管理。園區中的熱電聯供機組工作在以熱定電的模式下，不能實現基于上級電網分時電價的綜合需求相應。工業園區從上級電網購電滿足電力負荷需求。

場景2:基于熱電聯供機組的工業園區負荷管理。園區中的熱電聯供機組不受以熱定電的模式限制，在峰值負荷時段增加電力輸出來滿足園區中的電力負荷需求。

場景3:基于熱電聯供機組和集中式熱儲能的工業園區負荷管理。在場景2的基礎上引入集中式熱儲能實現整個園區熱力的存儲和共享，提升能源利用效率。場景1和場景2的對比結果如表1和圖3所示。

表1 場景1和場景2的能源消耗費用對比Table 1 Comparison of energy bill between scenario 1 and scenario 2

圖3 場景1和場景2下工業園區從上級電網購電量對比（月度峰值負荷典型日）Fig.3 Comparison of electricity power purchased from utilities between scenario 1 and scenario 2（monthly peak?load typical day）

由表1可以看出，從場景1到場景2，工業園區的最大需量減少了21.63%。同時，工業園區從上級電網的購電量和電度電費也分別減少了13.29%和17.23%。充分展現了本文所提出的基于熱電聯供機組綜合需求響應實現工業園區負荷管理方法的有效性。主要原因是當熱電聯供機組不運行在以熱定電模式時，可以在峰值負荷時段增加電功率出力，滿足園區電力負荷需求。因此，正如表1和圖3所示，工業園區最大需量以及從上級電網的購電量都顯著降低，使得在考慮綜合需求響應后，工業園區的需量電費和電度電費均大幅度減少。雖然整個園區的天然氣消耗成本增加了74.30%，但是總能源消耗成本降低了5.12%，這表明我們提出的方法比沒有考慮綜合需求響應的傳統方法有更好的經濟性。

天然氣消耗成本的顯著增加主要是由于實施負荷管理時熱電聯供機組的電力輸出增加，使得在峰值負荷時段消耗了更多的天然氣。事實上，在此過程中，熱電聯供機組同時增加了熱力輸出，如圖4所示。增加的熱力輸出超出了園區的熱負荷需求，導致熱電聯供機組發出的多余熱量被棄掉。由表1可以看出，被棄掉的熱量將近1 200 MWh，導致整個園區能源利用效率低下。

圖4 場景1和場景2下熱電聯供機組供熱量對比（月度峰值負荷典型日）Fig.4 Comparison of heat power provided by combined heat and power units between scenario 1 and scenario 2（monthly peak?load typical day）

為充分利用熱電聯供機組的棄熱、提升能源利用效率，引入了集中式熱儲能，在各個用戶間實現熱力共享和存儲。對比結果如表2和圖5所示。

表2 場景2和場景3的能源消耗費用對比Table 2 Comparison of energy consumption cost between scenario 2 and scenario 3

由表2可以看出，場景2和場景3的工業園區最大需量非常接近，偏差僅僅為3.87%。另一方面，雖然由場景2到場景3總電費增加了6.87%，但熱電聯供機組的天然氣消耗成本降低了將近36%。此外，由于集中式熱儲能的存在，場景3的棄熱量為0。

圖5 場景2和場景3下工業園區從上級電網購電量對比以及集中式熱儲能的充、放熱功率（月度峰值負荷典型日）Fig.5 Comparison of electricity power purchased from utilities between scenario 2 and scenario 3 as well as charging and discharging heat power of centralized thermalstorage（monthly peak?load typical day）

由圖5 可知，熱儲能在峰荷時段（8:00—11:00，20:00—23:00）存儲熱電聯供機組產生的多余熱量，在非峰荷時段釋放存儲的熱量以滿足用戶熱力需求。因此，棄熱量被充分利用，使得非峰荷時段的燃氣消耗量顯著降低。

4 結束語

本文提出了一種考慮熱電聯供機組和熱儲能裝置綜合需求響應的工業園區負荷管理方法。算例分析結果驗證了所提方法的有效性。通過實施熱電聯供機組綜合需求響應，電力峰值負荷以及從上級電網購買的電能都顯著降低，從而降低了工業園區的需量電費和電度電費；在引入集中式熱儲能之后，由于熱儲能有效地利用了余熱、提升了工業園區總體的能源利用效率，使得工業園區的總能源消耗費用進一步降低。