基于綜合需求側響應的多能存儲系統優化配置

寧 寧， 李琦芬， 楊涌文， 武天嬌， 李 龍

(上海電力大學能源與機械工程學院， 上海 200090)

進入21世紀以來，空氣污染、能源的安全和效率等問題為經濟的持續發展帶來諸多的挑戰，同時也促進了世界各國學者對電、天然氣、冷/熱等多能協同規劃運行的研究[1]。另一方面隨著經濟的發展用戶側的用能種類也在趨于多樣化，傳統意義上的電力需求側管理存在一定的不足，如會對用戶的舒適度造成影響，導致用戶參與積極性不高，不能完全激發用戶的負荷響應潛力，因此有必要對傳統電力需求響應(demand response，DR)進行衍生與擴展，所以綜合需求側響應(integrated demand respone, IDR)的概念被廣泛關注。

同時為了進一步提高用戶的積極性和提高系統的靈活性，達到多種能源形式的優勢互補的目的，能源系統中會引入可用于多能存儲的儲能系統。 現階段儲能成本還相對較為昂貴，選擇合適的儲能容量和功率、優化儲能系統配置是實現用戶經濟安全的基礎[2]。文獻[3]從多類型需求側響應角度考慮，儲能容量優化配置對光伏微網總成本和光伏消納率的影響，但是僅考慮單一的儲電系統方式而且忽略了用戶的用能舒適度影響。文獻[4]通過兼顧優化規劃的配置經濟性和運行經濟性，實現源/荷側熱電耦合微網的綜合優化，但文獻中沒有考慮儲熱系統的配置。文獻[5]將儲能分為3種不同的模式，然后分析各自儲能模式下多能互補系統的經濟性，但是忽略了儲能設備容量優化配置問題。

上述文獻雖然將儲能系統的功率、容量配置作為研究對象，但是對于多能存儲系統容量優化配置的研究較少，同時沒有考慮用戶側需求側響應或需求側管理對儲能系統功率以及容量配置的影響而且對用戶舒適度的研究很少涉及。可控性較強的居民負荷具有相當大的規模，約占居民用能總負荷的60%左右[6]。隨著能源網絡耦合程度逐漸提高，多能存儲和綜合需求響應將成為其運行優化的關鍵環節[7]。中外學者已經將需求側管理運用在分布式電源和綜合能源系統的優化配置以及運行方面。例如，文獻[8]基于可轉移負荷的研究，綜合考慮DR項目的實施對風電的利用和系統的影響，算例分析了可顯著提高風電的利用率；文獻[9]建立了含熱電需求響應的熱電聯產微網多目標優化模型，驗證了該微網系統的供熱與供電的靈活性，但沒有考慮儲能系統對需求響應的影響；文獻[10]針對微電網運行特性以及用戶對微電網的影響，采用一種綜合考慮新能源消納和分時電價的可轉移負荷調度策略，構建了計及可轉移負荷的微電網調度模型，但該需求響應僅僅考慮了電負荷情況；上述文獻主要考慮了需求側響應中的一種或多種，但是隨著能源互聯網的發展，IDR的管理范圍不僅包括需求側柔性負荷，還包括儲能設備和能量轉換設備實現的可轉換負荷，因此綜合考慮儲能系統和IDR是值得研究的問題。

針對上述存在的研究問題，首先引入能源樞紐概念模型，將負荷側與儲能側聯系起來，接著構建IDR以及儲能模型，然后提出用能舒適度模型，包括用電舒適度和溫度舒適度，最后在此基礎上構建以年運行成本最小為優化目標。最后，以南方某商業園區為例，對該優化配置模型進行驗證。

1 多能存儲系統模型

為了方便描述引入能源樞紐概念，此概念是由蘇黎世聯邦理工學院于2007年在“未來網絡愿景”項目中首次提出[11]，能源樞紐的提出對綜合能源系統具有重要的意義。采用自發自用，余電上網的形式。能源樞紐系統由供能側(天然氣、電能)、能量生產側(燃氣輪機和內燃機)、能量轉換側(熱泵、電制冷機和溴化鋰機組)、儲能裝置側(電和冷熱儲能)和綜合需求側(電、冷和熱負荷)構成，其中由能量生產側和轉換側構成冷熱電聯產機組 (combined cooling heating and power，CCHP)。具體如圖1所示。

圖1 多能存儲系統架構Fig.1 Multi-energy storage system architecture

1.1 綜合需求側響應模型

相較于傳統DR單純在橫向上的時間轉移和用能削減，IDR將需求側的響應行為更新為用能種類轉換(縱向) 與時間轉移(橫向) 相結合[12]。需求響應分為基于價格以及基于激勵的需求響應，價格型響應為用戶根據電價或氣價變化，自發地改變用能時段的響應方式，系統不需要對用戶給予任何補償。而后者的響應方式系統則通過獎勵的方式，鼓勵用戶改變其用能時段與用能習慣。采用經濟激勵手段改變用戶側的用能行為，將綜合需求側響應分為3種：①削減負荷，通過削減峰時負荷減小調度壓力；②轉移負荷，將部分峰時負荷轉移到谷荷時段，此種方式不改變調度周期內總電負荷；③替代負荷，部分負荷由別的能源供應方式進行替代，本文僅考慮冷熱負荷由電負荷替代。綜合需求響應可以通過移峰錯谷，平抑負荷曲線并提升系統經濟性。模型為

P′e,t=Pe,t+Pc,t+Pt,t+Pre,t

(1)

P′h,t=Ph,t+Prh,t

(2)

式中：Pc,t、Pt,t、Pre,t、Prh,t分別為t時段的削減負荷、轉移負荷、替代電負荷功率和電能替代的熱負荷，其中削減負荷為負值；P′e,t和P′h,t分別為日前預測電負荷和熱負荷；Pe,t和Ph,t分別為參與需求響應后的電負荷和熱負荷。

對主動參與需求響應的用戶給予一定的經濟補償，作為補償成本CIDR計入目標函數中，建立補償成本模型，即

(3)

(4)

1.2 儲能設備模型

目前的儲能設備儲存的能量方式為電、熱和氣3種形式，其中儲電技術較為復雜多樣。儲電大致可以分為以下3種：①機械儲能，主要包括：抽水儲能、壓縮空氣儲能和飛輪儲能[13]；②電磁儲能，主要有超級電容儲能和超導磁儲能[14]；③電化學儲能，包括鋰離子電池、鈉硫電池以及鉛酸蓄電池等。儲熱/冷系統一般采用蓄水罐裝置，一般以水作為存儲介質，用于熱量的短期存儲；儲氣主要有儲存燃氣以及電制氫(power to gas，P2G)裝置產生的氫氣。

根據圖2可構建通用的儲能系統數學模型為

圖2 儲能側模型具體化結構圖Fig.2 The concrete structure diagram of the energy storage side model

Q(t+1)=Q(t)±Q(c,d)

(5)

式(5)中：Q(t+1)為t的下一時刻儲能裝置的能量；Q(t)為上一時刻儲能裝置剩余的能量；Q(c,d)為儲能裝置的儲存與釋放的能量。

根據案例的具體情況主要對電化學儲能和儲熱/冷系統進行統一建模分析，其中電化學儲能以應用最廣的蓄電池為例，儲熱系統以顯熱儲熱的蓄水罐為例。具體的模型如下。

儲能過程為

Qk,c(t+1)=(1-ηk)Qk,c(t)+Pk,cηk,cΔt

(6)

釋能過程為

(7)

式中：Qk,c(t)、Qk,d(t)、Pk,c和Pk,d為儲能設備k在時刻t的儲、釋能量和儲、釋功率，k為儲電、儲冷/熱；ηk為儲能設備的自損耗系數；ηk,c和ηk,d分別為儲能設備儲、釋能效率。

對于其他的能源生產和轉換設備模型見文獻[6]介紹。

2 用戶舒適度模型

綜合考慮用戶側的舒適度，對主動參與需求響應的用戶給予經濟補償，同時考慮用戶用電舒適度和溫度舒適度作為約束條件以分析對系統成本的影響。

2.1 溫度舒適度

溫度舒適度指標PMV(predicted mean vote)綜合考慮了人體新陳代謝率、衣著情況以及空氣濕度、溫度、流速等六大因素[15]。PMV指標是目前最全面的評價空氣熱環境的指標，用戶的溫度舒適度主要是指溫度的變化，所以采用PMV指標作為溫度舒適度評價模型，但是其原計算公式比較復雜。根據文獻[16]綜合考慮各因素的影響，得到簡化之后的公式為

(8)

(9)

2.2 用電舒適度

用電舒適度是指用電習慣的改變對用戶的影響。當用戶未參加需求響應時，用戶會根據自己的需求選擇其用電舒適度最大的方式用電。在參加需求響應后，用戶會根據指令重新規劃自己的用電行為，在時間軸上對用電量重新安排組合，負荷曲線會發生變化。具體模型表示為

(10)

式(10)中：T為用戶參與需求響應的總時段；r表示用電舒適度，取值范圍為[0,1]；r在取值范圍內數值越大表示用戶側參與需求響應的電量越少。

3 多能存儲系統優化配置規劃模型

在基于綜合需求側響應的多能存儲系統的優化配置基礎上，充分考慮用戶舒適度對儲能裝置功率和容量的影響。以系統年最低總成本為優化目標，計及需求響應、儲能約束、供需能量平衡、設備運行等約束條件，建立多能存儲系統優化配置模型。

3.1 目標函數

模型以系統運行的年總成本最低為目標函數，主要由設備投資成本、能源購買成本、運維成本等組成，另外考慮將用戶參與負荷響應的激勵成本作為補償成本也計入目標函數中，具體見式(3)。則優化數學模型為

minCtotal=Cin+Cbuy+Cmt+CIDR

(11)

式(11)中：Ctotal、Cin、Cbuy、Cmt分別表示為能源樞紐系統總成本、投資成本、能源購買成本、運行維護成本。

(1)系統設備的投資成本一般來說與最大容量、功率線性相關，即

(12)

式中：i表示燃氣輪機、內燃機、熱泵、吸收式機組和電制冷機；Ce,i和Cp,i分別為設備i單位容量和單位功率安裝成本；Ei和Pi分別為設備的容量和功率；r0為年折舊率；Yi為設備的使用壽命。

(2)能源購買成本。系統運行所需的燃料為天然氣和電，其中購電為正，售電為負，該項成本為

(13)

式(13)中：Cgas、Cb(t)和Cs(t)為天然氣和t時刻系統向電網購電和售電價格；Gi(t)為t時刻設備i的消耗天然氣流量；Pb(t)和Ps(t)分別為t時刻從電網購買和出售的電功率。

(3)運行維護成本。

(14)

式(14)中：Ci為設備單位輸出功率運行維護成本；Pi(t)為t時刻系統中設備i的運行功率。

3.2 約束條件

(1)電/熱功率平衡約束。

PCCHP,e(t)+Pe(t)+Pb(t)-Ps(t)=P′e,t

(15)

PCCHP,h(t)+Ph(t)=P′h,t

(16)

式中：PCCHP,e(t)和PCCHP,h(t)為CCHP機組在t時段產生的電、熱功率；Pe(t)、Ph(t)分別為儲電/熱系統在t時刻儲電/熱或放電/熱的功率，儲電/熱為負值，放電/熱為正值。

(2)聯絡線功率約束與購售電約束。

(17)

(18)

0≤γb(t)+γs(t)≤1

(19)

(3)設備容量功率約束。

(20)

(21)

(4)IDR約束。

(22)

(23)

(24)

(5)儲能系統約束。

(25)

(26)

(27)

0≤μk,c(t)+μk,d(t)≤1

(28)

3.3 模型求解

研究的優化配置模型是一個0-1混合整數線性規劃問題，目前對于該問題的求解方法軟件有很多。但是比較簡潔高效的方法有LPSolver、Cplex、GLPK和Yalmip。采用MATLAB 環境下的在使用Yalmip工具箱，采用Gurobi求解器進行求解。

4 典型場景仿真分析

4.1 算例場景

以南方某地區為例，對提出的多能存儲系統優化模型進行驗證。為求解方便對該地區用戶的進行如下假設：假設居民生活區的戶型一致，將一年分為制冷季、制熱季和過渡季，該地區的冷熱負荷需求采取集中供應方式，調度周期T取24 h，單位調度時間Δt取1 h，一天內天然氣價格保持不變，為2.7元/m3。不同時期的冷/熱/電購買價格見文獻[17]。各設備的投資費用、運行維護費用等參數列于表1、表2中[18]。

表1 能源樞紐其他設備參數Table 1 Parameters of other equipment in the energy hub

表2 儲能設備參數Table 2 Energy storage equipment parameters

為分析含儲能系統的綜合需求側響應對系統總成本的影響，設置了3種不同場景：場景一，僅考慮綜合需求側響應，包括削減、轉移和替代負荷；場景二，僅考慮多能存儲系統；場景三，同時考慮儲能系統和綜合需求側響應。

4.2 結果分析

3種場景下的優化配置結果及相關各項費用具體求解結果如表3、表4所示。

表3 不同場景下配置方案的各指標對比Table 3 Comparison of various indicators of configuration schemes in different scenarios

表4 不同場景的各項成本

場景一，該場景的情況下無儲能系統使用戶既要參與需求側響應又要滿足自身的用能需求，使得用戶的用能舒適度比較差，而且能源生產和轉化設備功率配置較大，導致能源購買成本增加。

場景二與場景三相比減少了用戶參與負荷響應，使用戶不受約束的自由分配用能時間與功率，該場景下的用戶的用能舒適度最高，沒有受到影響。導致該場景下的能源購買成本比場景三增加了7.15%。

場景三和場景一均考慮了IDR情況，二者區別在于有無儲能系統的優化配置，與場景一相比，總成本同比減少32.78%。

4.3 某典型日運行工況分析

CCHP機組采用的是內燃機加燃氣輪機配置方式，內燃機的效率較高可以提供更多的電負荷，燃氣輪機的效率低，但是熱電比較高適用于冷熱負荷較高的用戶，綜合考慮該地區的用戶種類，內燃機加燃氣輪機的配置方式適用于該場景。內燃機和燃氣輪機在某典型日的各時段的功率輸出曲線如圖3所示。

在1:00—6:00時段電價較低，此時用戶的電負荷主要由電網提供，基荷類冷熱負荷由電制冷機提供通過優化配置該時段的用戶所需的冷熱負荷可以完全由電制冷機供應。這時的2號內燃機和燃機輪機啟動給儲電系統和儲冷裝置蓄能。

7:00—12:00時段，電價比較高，三臺內燃機全部運行工作，用戶的大部分電負荷由三臺內燃機提供，不足的部分由儲電系統和電網供應，此時內燃機機組輸出的熱功率優先滿足用戶的用冷負荷，多余的部分則由蓄冷裝置儲存起來。10:00—15:00時段，由于室外的溫度上升，室內的用冷負荷會相應地增加，16:00—21:00時段，晚上用戶的用能需求較大，為了滿足用戶的冷負荷需要，這個時刻的燃氣輪機和蓄冷裝置都會投入工作。

圖4所示在7:00—9:00、11:00—13:00和19:00—22:00時刻用能的高峰時刻，在該時間段內用戶側的可削減負荷以及可轉移負荷參與負荷側響應來保障用能，可轉移負荷的總用能量是不變的，只是時間上的平移。可轉移負荷引導用戶將峰時負荷轉移到谷時時段; 谷時時段的部分冷負荷將由電負荷進行替代以消納部分多余的電。由參與綜合需求響應后的負荷曲線可知，負荷峰谷差得到有效平抑并增強荷儲匹配。

圖4 典型日用戶在需求響應下參與情況Fig.4 Participation of typical daily users in response to demand

4.4 用能舒適度分析

類比前面的用電舒適度的定義，將用能舒適度定義為用戶在參與負荷響應時的參與程度，也即用戶側的可平移負荷、可削減負荷和可替換負荷之和參與響應的比例。現主要分析 PMV 指標和用電舒適度對多能存儲系統年運行費用的影響。

4.4.1 溫度舒適度PMV 指標

PMV指標反映用戶對于溫度舒適度的要求，為分析不同PMV指標對機組出力的影響，采用不同的PMV指標來互相對比，找出符合該地區的最優PMV指標值范圍。同時還分析如果允許PMV指標波動范圍的增大，并對比各成本的影響。

不同PMV下系統總成本變化情況如圖5所示。隨著PMV指標值的增大，系統整體成本先減小后增大趨勢，并在-0.75 附近處取得最小值。

圖5 不同PMV指標成本曲線圖Fig.5 The cost curve of different PMV indicators

如圖6所示，在同一的溫度舒適度指標(PMV-0.75)情況下，場景三充分考慮了用戶需求側響應與儲能的優化配置的情況下，該場景下的機組熱功率曲線較為平滑，峰谷值熱功率出力的差值較小。場景一與場景三對比，無儲能配置情況下用戶在將要用能的時刻會出現機組出力的迅速的爬坡，一旦用戶的用能減少，又會出現機組的出力迅速下降，最終會出現峰谷差的增大。

圖6 典型日不同場景的機組熱功率出力Fig.6 Unit thermal power output in different scenarios on a typical day

如圖7所示，不同的PMV指標值下，室內的溫度允許變化范圍會有較大的差異，在中國允許的指標值內，PMV值越小，室內溫度變化范圍越大。如果允許PMV范圍增大，也即用戶對室內溫度要求降低，室內溫度變化范圍變寬，也會降低系統的總成本尤其是能源購買成本。

圖7 典型日不同PMV下室內溫度對比Fig.7 Comparison of indoor temperature under different PMV on a typical day

4.4.2 用電舒適度

圖8展示了不同用電舒適度場景下的各項成本。用電舒適度主要體現用戶可控電負荷參與需求側響應的程度，隨著用電舒適度的增加投資成本、系統維護成本和補償成本都出現下降的趨勢，能源購買成本出現增加的態勢。

圖8 不同用電舒適度下各成本變化Fig.8 Changes in various costs under different power consumption comfort levels

如圖9可以看出，隨著用電舒適度的增大，系統總成本先增大后減小，在r=0.88處取得最小值。

圖9 不同用電舒適度總成本圖Fig.9 The total cost of different electric comfort levels

5 結論

將綜合需求側響應與多能存儲系統相結合，綜合考慮用戶的用能舒適度對系統的成本的影響，提出包含能源樞紐的多能存儲系統的優化配置模型，以某典型日的運行工況為例，分析了不同場景下的儲能配置以及系統總成本的差異，最后對溫度舒適度和用電舒適度參與對多能存儲系統成本的影響做了分析。主要結論如下。

(1)綜合需求響應的實施可調整用戶的能源需求曲線，同時具有虛擬儲能功能，可以為多能存儲設備提供額外的儲能能力，同時可以提升冷/熱、電負荷的柔性調節能力，解耦傳統以熱定電模式，同時降低系統總成本，尤其對維護成本和能源購買成本影響較大。

(2)通過對多能存儲系統運行情況分析得出合理考慮用戶舒適度值包括溫度舒適度指標值以及用電舒適度值，充分發揮了用戶側參與需求響應項目的積極性，能夠實現用戶和供能系統的雙贏，更具實際意義。