計及電力需求響應的多能源協同系統優化運行研究

王俐英， 曾鳴， 趙嘉欣， 李波， 王永利

(1. 華北電力大學經濟與管理學院,北京 102206；2. 國網江蘇省電力有限公司營銷服務中心，江蘇 南京 210024)

0 引言

近年來，環境污染和能源危機等問題日益凸顯。多能源協同系統充分考慮能源供需協調性，借助各種能源間的互補耦合，有效提高了能源綜合利用效率，有利于解決大規模可再生能源消納、能源梯次利用等問題，逐漸成為能源領域的重要研究方向之一[1—2]。

目前，國內外關于多能源協同系統的研究主要集中在優化調度、容量配置等方面。在優化調度研究方面，文獻[3]以低成本、低碳排放為目標函數設計了結合冷熱電聯產(combined cooling heating and power，CCHP)的多能源系統優化調度方法；文獻[4]以經濟成本最小化和污染氣體排放量最小化為目標，構建了多能源系統多目標最優潮流模型；文獻[5]以總費用最低、缺電率最低和減排率最高為目標構建了多能源系統的多目標協同優化模型。在容量配置方面，文獻[6]以最小化年運行費用為優化目標，采用遺傳算法優化CCHP系統中各設備的容量；文獻[7]建立了雙層優化規劃與設計模型，外層模型確定能量樞紐中能源轉換設備及儲能單元的投建與否和安裝容量，內層模型則優化典型日的運行工況。

在基于電價的需求響應研究方面，文獻[8]根據負荷預測的結果，考慮溫控負荷和電動汽車響應電價的調度，同時比較了集中式、層級式和分布式3種控制調度方法的優缺點；文獻[9—10]通過確定需求響應的項目類型、聚類分析用戶的用電特性、辨識需求響應項目參與率、計算價格彈性和評估用戶需求響應潛力等步驟，提出適用于大型工商業用戶細分用戶群的價格彈性系數計算方法。

綜上所述，現有研究成果中，針對基于市場彈性的價格型電力需求響應對多能源協同系統最優運行策略的影響研究較少。因此，文中在現有研究的基礎上，基于多能源協同系統中多種能源的耦合轉換特性，提出計及價格型需求響應的多能源協同系統優化模型。首先，介紹多能源協同系統的主體構成和主要設備模型，建立基于市場彈性的價格型需求響應模型；然后，以系統運營商日運行成本最低為目標，構建多能源協同系統優化調度模型；最后，以實際數據為基礎進行算例分析。結果表明，所提的基于市場彈性的價格型需求響應優化調度模型能夠顯著降低多能源協同系統的總運行費用。

1 多能源協同系統概述

1.1 多能源協同系統主體構成

多能源協同系統是利用各個能源系統在時空上的耦合機制，采用“自發自用、余量上網”的運行機制，實現多能互補、能源梯級利用的一種綜合能源系統。多能源協同系統有并網和孤網2種運行狀態，文中主要考慮多能源協同系統的并網運行，以系統運行成本最低的方式調整各機組的出力，包括風電、光伏、CCHP等機組，同時與大電網進行連接，按照市場規則進行電量交易。

文中所述多能源協同系統由系統運營商和綜合能源用戶兩大利益主體構成，各主體在系統運行中承擔的角色如下：

(1) 系統運營商，承擔多能協同系統運營責任的同時，扮演調度中心的角色。保證系統穩定運行前提下，銷售能源賺取收益。能夠通過配置能源生產設備、能源耦合轉化設備、儲能設備以及實行基于需求響應的調度策略以提高自身經濟收益，保障能源可靠供給，并承擔自身和能源生產商設備的運行維護成本。

(2) 綜合能源用戶，指具有多種負荷需求且各負荷需求存在耦合特性的用戶。文中僅考慮不具備能源生產與存儲要素的理性綜合能源用戶，即當外部價格信號變化時，用戶能夠以購能成本最低為目標自主調整部分非剛性電負荷需求。

1.2 能源集線器模型

能源集線器(energy hub，EH)是多能源協同系統中源、網、荷之間的接口平臺，包含對各種形式能源的相互轉化、分配和儲存，從而實現能源資源的優化配置，為多能源協同系統的規劃設計和運行優化提供了理論支撐。文中計及冷熱電氣4種能源構建EH，輸入和輸出關系如式(1)所示。基于不同優化目標，EH能夠通過調整供能設備出力滿足用能設備需求。

(1)

式中：ηe為電力變壓器的平均轉換效率；ηe,GT為燃氣輪機(gas turbine，GT)的效率；ηh,GB為燃氣鍋爐(gas boiler，GB)輸出熱功率的效率；ηc,AC為吸收式制冷機(absorption chiller，AC)的制冷效率；ηc,ER為電制冷機(electric refrigerator，ER)的效率；ηh,WHB為余熱鍋爐(waste heat boiler，WHB)輸出熱功率效率；Le，Lc，Lh分別為用戶的電、冷、熱負荷需求量；Ee，Egas分別為風力與光伏產生的電能與輸入的天然氣；k為分配系數。系統中的具體能源流見圖1。

圖1 多能源系統內部能流過程示意Fig.1 Schematic diagram of internal energy flow process of multi-energy system

1.3 具體設備模型

文中從能源生產、能源存儲、能源轉換3個環節介紹具體設備模型[11—12]。

(1) 能源生產設備模型。具體生產設備的模型為：

Ee=EPV,e,t+EWT,e,t

(2)

式中：EWT,e,t，EPV,e,t分別為風電、光伏機組的輸出電功率。

(3)

式中：EGT,e,t為t時刻燃氣輪機輸出的電功率；qgas為天然氣熱值；EGT,g,t為t時刻燃氣輪機的天然氣消耗功率；EWHB,h,t為t時刻余熱鍋爐的輸出熱功率；EGB,h,t為t時刻燃氣鍋爐輸出的熱功率；EGB,g,t為t時刻燃氣鍋爐的天然氣消耗功率。

(2) 能源存儲設備模型。

① 儲電設備模型。

(4)

式中：EESS,t為t時刻的儲電容量；α為儲電設備的自損率；EESS,t-1為t-1時刻的儲電容量；EESS,ch,t，EESS,dis,t分別為t時刻的充、放電功率；ηESS,ch，ηESS,dis分別為充、放電效率；γESS,ch，γESS,dis分別為充電與放電狀態，為0-1變量；Δt1為充放電時間，取1 h。

② 儲熱設備模型。

(5)

式中：ETSS,t為t時刻的儲熱容量；β為儲熱設備的自損率；ETSS,t-1為t-1時刻的儲熱容量；ETSS,ch,t，ETSS,dis,t分別為t時刻的充、放熱功率；ηTSS,ch，ηTSS,dis分別為充、放熱效率；γTSS,ch，γTSS,dis分別為充熱與放熱狀態，為0-1變量；Δt2為充放熱時間，取1 h。

(3) 能源轉換設備模型。根據圖1的能流過程，對溴化鋰吸收式制冷機、熱泵以及電制冷機等主要能源耦合設備進行建模，從而得到各種能源之間的耦合特性。溴化鋰吸收式制冷機是一種熱轉冷設備，能夠利用生產過程中的余熱進行制冷作業，是冷、熱耦合的關鍵設備；熱泵是一種利用低品位熱能的高效節能裝置，消耗少部分電能，將地下水、暖氣管道存在的少量低品位熱能提取出來；電制冷機是一種電轉冷設備，在消耗電能的情況下產生冷量。

① 溴化鋰吸收式制冷機模型。

EAC,c,t=EAC,h,tηc,AC

(6)

式中：EAC,c,t為t時刻溴化鋰制冷機輸出的冷功率；EAC,h,t為t時刻所消耗的熱功率。

② 熱泵模型。

EHP,h,t=EHP,e,tηh,HP

(7)

式中：EHP,h,t為t時刻熱泵輸出的熱功率；EHP,e,t為t時刻熱泵所消耗的電功率；ηh,HP為電轉熱的效率。

③ 電制冷機模型。

EER,c,t=EER,e,tηc,ER

(8)

式中：EER,c,t為t時刻電制冷機輸出的冷功率；EER,e,t為t時刻電制冷機所消耗的電功率。

2 基于市場彈性的需求響應模型

2.1 市場彈性模型

需求響應的手段包括激勵手段與價格手段，文中主要考慮用戶的非剛性電負荷，利用市場彈性模型建立基于分時電價的價格型需求響應模型。根據經濟學原理，市場彈性包括自彈性和交叉彈性，其中自彈性用來衡量當前單時段電價變化對于用電需求的影響，而交叉彈性用來衡量多時段電價變化對于多時段用電需求的影響。電力負荷的自彈性系數和交叉彈性系數分別為[13]：

(9)

(10)

式中：ε(i,i)為自彈性系數；ε(i,j)為交叉彈性系數；p0(i)為第i時刻的原始價格；q0(i)為第i時刻的原始電負荷；p(i)為第i時刻的價格；q(i)為第i時刻的電負荷。

2.2 需求響應模型

此處所構建的需求響應模型綜合考慮了單時段需求響應模型和多時段需求響應模型，分別基于電力負荷的自彈性系數和交叉彈性系數計算分時電價下用戶第t時刻用電量的變化和跨時段電量轉移。

(1) 單時段需求響應模型。用戶參與需求響應而改變的用電負荷量為：

Δq(i)=q(i)-q0(i)

(11)

為計算用戶參與需求響應之后的負荷需求q(i)，定義用戶消費電量q(i)的電力價值B(q(i))和用戶消費電能的凈利潤L(i)[14]，具體為：

L(i)=B(q(i))-q(i)p(i)

(12)

兩端求偏導可得：

(13)

將原始負荷需求代入式(13)得：

(14)

對電力價值B(q(i))進行泰勒展開，可得：

(15)

基于上述模型，可求得單時段需求響應模型：

(16)

(2) 多時段需求響應模型。單時段的需求響應模型僅考慮了電力負荷的自彈性系數，而分時電價的存在使用戶能夠自主決定不同時刻的用電量，因此多時段電價變化將影響多時段的用電需求。

通過擴展式(16)，基于交叉彈性的多時段需求響應模型可表示為：

(17)

(3) 最終需求響應模型。結合單時段和多時段需求響應模型可得到最終的需求響應模型：

(18)

3 多能源協同系統優化運行模型

3.1 目標函數

以系統日運行成本最小為目標，包括設備運行維護成本COM，購電成本CE和購氣成本CG，并網型多能源協同系統的具體優化目標函數為：

minC=COM+CE+CG

(19)

(1) 運行維護成本[15]。

(20)

式中：ξm,OM為設備m單位輸出功率的運行維護費用；Em,t為設備m在t時刻的輸出功率；T為調度時長。

(2) 購電成本。

(21)

式中：pbuy,e,t為t時刻從電網購電的電價；Ebuy,e,t為t時刻從電網購電的購電功率。

(3) 購氣成本。

(22)

式中：pg,t為t時刻的氣價，天然氣熱值qgas取值為9.7 kW·h/m3。

3.2 約束條件

(1) 功率平衡約束。多能源協同系統調度運行中需滿足電、熱、冷功率平衡平衡約束，且在電功率平衡約束中應考慮需求響應量。

① 電功率平衡約束。

(23)

式中：Euser,e,t為用戶在t時刻進行需求響應之前的用電負荷；Δqt為用戶參與需求響應后而改變的負荷量。

② 熱功率平衡約束。

(24)

式中：Euser,th,t為t時刻的用戶實際用熱負荷。

③ 冷功率平衡約束。

EER,c,t+EAC,c,t=Euser,c,t

(25)

式中：Euser,c,t為t時刻的用戶實際用冷負荷。

(2) 聯絡線約束。

Pgrid,min≤Ebuy,e,t≤Pgrid,max

(26)

式中：Pgrid,min，Pgrid,max分別為配電網交互功率的最小、最大值。

(3) 儲能裝置約束。

(27)

式中：EESS,min，EESS,max分別為儲電裝置的最小、最大容量；ETSS,min，ETSS,max分別為儲能裝置的最小、最大容量。

(4) 設備出力約束。

(28)

式中：EGT,e,max，EWHB,h,max，EGB,h,max，EAC,c,max，EHP,h,max，EER,c,max分別為燃氣輪機、余熱鍋爐、燃氣鍋爐、吸收式制冷機、熱泵、電制冷機的最大容量。

(5) 機組爬坡約束。

|Em,t+1-Em,t|≤ΔPm,max

(29)

式中：ΔPm,max為設備m的爬坡上限。

4 算例分析

4.1 算例基本參數

算例選取了北方某工業園區夏季某一日的實際數據，時間尺度為1 h，在Matlab環境下調用CPLEX求解，驗證文中所建立的模型的合理性與有效性。圖2為某一典型日電、熱、冷負荷曲線和可再生能源(風電、光伏)出力曲線，其中HP為熱泵。為了充分利用可再生能源，減少棄風棄光現象，假設優先保證可再生能源全額消納。從電網購電電價為1.2元/(kW·h)，各種能源價格如表1所示，自彈性和交叉彈性如表2所示，各設備具體參數如表3、表4所示[11]。

圖2 負荷曲線Fig.2 Load situation

表1 能源價格Table 1 Energy price元·(kW·h)-1

表2 峰、平、谷時段的自彈性和交叉彈性Table 2 Self elasticity and cross elasticityin peak,flat and valley periods

表3 儲能設備主要參數Table 3 Main parameters of energy storage equipment

表4 其他設備主要參數Table 4 Main parameters of other equipment

4.2 算例結果

為驗證文中所建模型的有效性，根據儲能設備的配置和需求響應的設置，分別構建4種場景進行對比，如表5所示，以系統運營商的日運行成本最低為優化目標，尋求最優的調度策略。

表5 4種場景Table 5 Four scenarios

(1) 場景一。場景一是未考慮儲電、儲熱設備以及用戶需求響應的基礎場景，該場景中電功率、熱功率和冷功率平衡情況如圖3所示。可以看出，由于可再生能源出力具有反調峰特性，00:00—04:00，12:00—16:00，21:00—24:00的出力較高，且22:00—次日06:00為谷時段，電價較低，因此燃氣輪機和余熱鍋爐不工作，可再生能源出力和購買的電能可滿足系統的用電需求，熱負荷主要由熱泵提供。而燃氣輪機輸出電功率主要集中在電價高的時段(08:00—11:00，17:00—20:00)，在滿足系統電負荷需求的同時，由余熱鍋爐回收多余的熱量為系統供熱。系統的冷負荷需求主要由電制冷機滿足，在用熱需求較低的時段(10:00—16:00)，通過吸收式制冷機將一部分熱負荷轉換成冷負荷，滿足部分的用冷需求。在此場景下，系統的購氣量為27 588.4 kW·h，購電量為13 781.5 kW·h。

圖3 場景一電熱冷功率平衡Fig.3 Scenario one electrical thermal and cold power balance

(2) 場景二。場景二在場景一的基礎上增加了儲電設備，該場景中的電功率、熱功率和冷功率平衡情況見圖4。與基礎場景相比，儲電設備在高電價時段放電，低電價時段充電，承擔了部分電負荷需求，因此燃氣輪機組出力、余熱鍋爐回收的熱量以及高電價時段的購電量明顯減少。系統的熱負荷需求主要通過熱泵滿足，僅有一小部分通過燃氣鍋爐滿足。電制冷機和吸收式制冷機出力的變化較小，系統的冷負荷需求仍主要通過電制冷機滿足。在此場景下，系統的購氣量為26 761.2 kW·h，購電量為13 971.6 kW·h。

圖4 場景二電熱冷功率平衡Fig.4 Scenario two electrical thermaland cold power balance

(3) 場景三。與場景一和場景二相比，場景三在其基礎上增加了儲電和儲熱設備，該場景中的電功率、熱功率和冷功率平衡情況如圖5所示。與場景二相比，場景三的儲電設備在低谷時段和平時段的輸出電功率減少，而購電功率增加，燃氣輪機的輸出電功率減少。其主要原因是儲熱設備承擔了部分熱負荷需求，從而導致余熱鍋爐和燃氣輪機等設備出力減少，系統熱負荷需求主要通過能效更高的熱泵滿足。電制冷機和吸收式制冷機出力的變化較小，在16:00—17:00，該時段電價較高，吸收式制冷機的出力增加，電制冷機的出力減少，但系統的冷負荷需求仍主要通過電制冷機滿足。在此場景下，系統的購氣量為26 403.8 kW·h，購電量為14 114.1 kW·h。

圖5 場景三電熱冷功率平衡Fig.5 Scenario three electrical thermaland cold power balance

(4) 場景四。場景四在場景三的基礎上增加了用戶的價格型需求響應，用戶根據電價的高低調整用電負荷，在減少自身的用電費用的同時能夠緩解系統調峰的壓力，該場景中的電功率、熱功率和冷功率平衡情況如圖6所示。與前面3個場景相比，用戶各個時段的用電負荷產生了變化，在低電價時段的用電量增加，高電價時段的用電量減少，總需求響應量大約為原始負荷的5%。因此燃氣輪機的發電量、向電網購買的電量以及儲電設備輸出的電量均顯著減少。余熱鍋爐輸出的熱功率以及儲熱設備輸出的熱功率減少，從而導致熱泵的產熱量增加。燃氣鍋爐、電制冷機、吸收式制冷機以及儲電儲熱設備的出力變化較小。在此場景下，系統的購氣量為24 220.4 kW·h，購電量為13 796.2 kW·h。

圖6 場景四電熱冷功率平衡Fig.6 Scenario four electrical thermaland cold power balance

綜合比較以上4個場景的結果可知，得益于分時電價機制下的用戶需求響應，在多能源協同系統中配置儲電、儲熱設備，系統的日總運行成本將顯著降低，具體結果表6所示。

表6 購氣、購電成本與系統日總運行成本Table 6 Gas purchase,power purchase cost and total daily operation cost of the system 元

5 結論

針對多能源協同系統的優化調度問題，以系統日運行成本最低為目標，建立了考慮價格型需求響應的多能源協同系統運行策略的調度優化模型，通過實際案例比較和分析多場景的優化結果，得出的主要結論為：

(1) 基于市場彈性的價格型需求響應能夠有效地結合電源側與用戶側，利用用戶對價格的敏感度，引導用戶削減和轉移其用電負荷，從而顯著降低系統的運行成本。

(2) 相比于僅含儲能設備的多能源協同系統，考慮儲能與電力需求響應相互配合的多能源協同系統運行方式降低了系統從外部購電的成本，減少了總運行成本，具有推廣價值。