計(jì)及電熱綜合需求響應(yīng)的綜合能源系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度

林佳興，孫亮，李佳雯，陳立東

(1.東北電力大學(xué) 電氣工程學(xué)院，吉林 吉林 132012； 2.國網(wǎng)天津電力公司薊州供電分公司，天津 301900)

0 引 言

隨著國家節(jié)能減排戰(zhàn)略的提出，綜合能源系統(tǒng)IES(Integrated Energy System)應(yīng)運(yùn)而生。它是含有電氣及天然氣系統(tǒng)的多能耦合系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)對各類能源的產(chǎn)生、傳輸、分配、轉(zhuǎn)換以及存儲等環(huán)節(jié)進(jìn)行協(xié)調(diào)優(yōu)化[1]。其中以微型燃?xì)廨啓C(jī)為代表的熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)具有能量梯級利用率高、運(yùn)行靈活等特點(diǎn)[2]，為實(shí)現(xiàn)風(fēng)光等可再生能源的消納提供了途徑，并且最大限度地降低系統(tǒng)運(yùn)行成本，同時需求側(cè)響應(yīng)的引進(jìn)能夠更大程度提高新能源利用率，減少污染氣體排放實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排將是IES的重要發(fā)展方向[3-5]。為此國家電網(wǎng)提出要將傳統(tǒng)的電能供應(yīng)商向綜合能源服務(wù)商的的角色轉(zhuǎn)變[6]。為了使能源得到充分的利用實(shí)現(xiàn)IES的經(jīng)濟(jì)性，國內(nèi)外的研究人員圍繞著IES能源間協(xié)調(diào)優(yōu)化進(jìn)行了大量的研究。文獻(xiàn)[7]提出了考慮電力用戶側(cè)參與的IES優(yōu)化調(diào)度模型，考慮了電力負(fù)荷具有時移特性將可控負(fù)荷參與到系統(tǒng)的優(yōu)化調(diào)度中來。文獻(xiàn)[8]提出了一種基于系統(tǒng)多能綜合互補(bǔ)利用的電熱綜合需求響應(yīng)，并以上級電網(wǎng)的調(diào)峰指令為優(yōu)化目標(biāo)得出系統(tǒng)優(yōu)化策略。文獻(xiàn)[9]考慮了不同的用戶負(fù)荷對電價響應(yīng)的差異性，為了能夠充分展現(xiàn)出不同負(fù)荷響應(yīng)能力，建立了多種不同負(fù)荷類型的協(xié)調(diào)控制模型。有一些文獻(xiàn)主要將綜合能源系統(tǒng)優(yōu)化的研究重點(diǎn)放在對熱力系統(tǒng)的研究上。文獻(xiàn)[10]和文獻(xiàn)[11]針對冷-熱-電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)與供熱管網(wǎng)間的關(guān)系以及熱能在管網(wǎng)的傳輸過程中具有一定的熱滯后及熱損失等特性，對供熱管網(wǎng)的熱傳輸特性進(jìn)行建模進(jìn)而得到最優(yōu)的調(diào)度策略。綜上所述，現(xiàn)有文獻(xiàn)對IES的研究主要在單個負(fù)荷的柔性調(diào)度價值上展開，而對于同時考慮電熱負(fù)荷的綜合需求響應(yīng)的研究還相對較少。因此，文章提出了一種考慮調(diào)度人員參與下的負(fù)荷跟蹤調(diào)度信號的電熱綜合需求響應(yīng)模型，構(gòu)建了考慮調(diào)度人員期望的電負(fù)荷調(diào)度模型，以人體對熱的感知具有模糊性建立了熱負(fù)荷需求響應(yīng)模型，通過對源-網(wǎng)-荷-儲的動態(tài)建模以及目標(biāo)函數(shù)的優(yōu)化實(shí)現(xiàn)IES經(jīng)濟(jì)運(yùn)行[12-13]。

1 電熱多種負(fù)荷綜合需求響應(yīng)描述

1.1 電熱負(fù)荷需求響應(yīng)可調(diào)度性分析

傳統(tǒng)的需求側(cè)響應(yīng)只考慮了單能源網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)性，用戶會考慮到自身的利益問題去調(diào)整用電安排進(jìn)而參與到系統(tǒng)的調(diào)度中來[14]。隨著IES研究的不斷深入，傳統(tǒng)的響應(yīng)方式已經(jīng)不能滿足新形式下綜合能源系統(tǒng)的應(yīng)用。熱電耦合的不斷加強(qiáng)要求不僅要滿足用電供需平衡還要滿足用熱的供需平衡[15]。因此，文章的電力需求側(cè)響應(yīng)將會從IES的整體去研究。將部分具有可調(diào)度價值的電負(fù)荷定義為可時移負(fù)荷TSL(Time-shift Load)[16]，TSL在用電時間上具有較好的靈活性，能夠根據(jù)系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)優(yōu)化目標(biāo)進(jìn)行負(fù)荷調(diào)整，使得各個時間段的用電量變化進(jìn)而對供能端產(chǎn)生影響達(dá)到整個系統(tǒng)優(yōu)化的目的。

在IES中熱力負(fù)荷同電力負(fù)荷一樣也處于用能終端，因此熱力負(fù)荷同樣可挖掘其特有的調(diào)度價值。根據(jù)熱力用戶對溫度的感知具有一定模糊性對熱負(fù)荷進(jìn)行優(yōu)化。在我國的設(shè)計(jì)規(guī)范中規(guī)定熱感覺平均標(biāo)度預(yù)測(PMV)指標(biāo)宜處于±1之間，即允許熱供應(yīng)側(cè)供應(yīng)的熱量在一定范圍內(nèi)波動。因此熱力負(fù)荷可以作為一種柔性負(fù)荷參與到整個系統(tǒng)的需求側(cè)響應(yīng)中[17]。

1.2 電負(fù)荷需求響應(yīng)建模

TSL的需求特性可以在時間軸上左右移動，D(t-τ2)和D(t+τ1)表示滯后τ2和超前τ1時間的需求特性。其群聚合特性可用如下公式表示：

(1)

式中NT為參與調(diào)度的種類，Di(t+τ1i,j)、Di(t-τ2i,k)為第i類TSL超前τ1i,j和滯后τ2i,k，mi,j、ni,k為第i類TSL超前τ1i,j和τ2i,k的數(shù)量，j和k的上限分別表示TSL在超前時間限制和滯后時間限制范圍內(nèi)時移的時間有無窮多種可能，其下限表示不轉(zhuǎn)移。由于文章考慮的是日前優(yōu)化調(diào)度，可令τ1i,j和τ2i,k為1 h，則最大超前以及滯后時間可以表示為：

(2)

引入期望信號將目標(biāo)函數(shù)定義為TSL聚合特性與期望信號的偏差最小，即：

(3)

式中X為調(diào)度后的偏差值大小；x(t)調(diào)度信號。模型的約束條件可以表示為：

(1)TSL可時移負(fù)荷的總量之和與參與用戶的總量相等，即：

(4)

式中Ni為第i類TSL參與的用戶量。

(2)超前、滯后時間約束：

(5)

式中STi、EDt為第i類負(fù)荷正常需求下起始工作時間和結(jié)束時間，通過約束保證TSL不能前至前一天開始工作, 并且在當(dāng)天結(jié)束工作。群時移電能守恒約束：

(6)

(7)

式中En、Ei為聚合特性的電量需求和為第i類TSL單位電量需求。

1.3 熱負(fù)荷需求響應(yīng)建模

用戶對供熱溫度的感知具有模糊性，因此可在某一范圍調(diào)整供熱量的大小，另一方面熱能在傳輸時具有熱慣性，基于此熱負(fù)荷可作為一種柔性負(fù)荷參與到需求側(cè)響應(yīng)中來。在熱傳導(dǎo)過程中水的比熱容為c，供熱設(shè)備在t時段提供的熱量為HHS(t)，則通過熱源質(zhì)量為QHS的水由回水溫度Th(t)上升到供水溫度Tg(t)，有：

HHS(t)=cQHS(Tg(t)-Th(t))

(8)

負(fù)荷節(jié)點(diǎn)在t時段內(nèi)消耗的熱量為HL(t)，則通過熱負(fù)荷質(zhì)量為QL的水由供水溫度Tg(t)下降到回水溫度Th(t)，有:

HL(t)=cQL(Tg(t)-Th(t))

(9)

考慮到要滿足用戶對溫度的舒適度，因此t時段負(fù)荷節(jié)點(diǎn)吸收的熱量HL(t)應(yīng)該在一定的范圍內(nèi)有:

(10)

同時要保證在T′時間段內(nèi)，熱負(fù)荷所消耗的總熱量的大小與用戶理想型的供熱需求總量大小一致，即:

(11)

T′=m×Δt

(12)

式中T′為調(diào)度周期內(nèi)最大連續(xù)參與調(diào)度時段數(shù)。供水溫度以及回水溫度的約束為：

(13)

(14)

2 電熱綜合需求響應(yīng)綜合能源系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度模型

2.1 綜合能源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成

文章研究的IES主要由風(fēng)機(jī)(WT)、光伏(PV)、燃?xì)廨啓C(jī)(MT)、電制熱鍋爐(EB)、燃?xì)忮仩t(BL)、儲能電池(EES)、儲熱罐(HS)及需求側(cè)電熱負(fù)荷組成。整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 區(qū)域型綜合能源系統(tǒng)圖

其中電力系統(tǒng)可以與大電網(wǎng)并網(wǎng)或孤島運(yùn)行，并且與電網(wǎng)進(jìn)行電價交易，燃?xì)廨啓C(jī)為熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組(CHP)可以消耗天然氣同時產(chǎn)生電和熱，電制熱更加緊密地將電-氣-熱三者耦合起來，通過調(diào)整各個設(shè)備的出力使得整個系統(tǒng)運(yùn)行在最優(yōu)狀態(tài)。

2.2 綜合能源系統(tǒng)各設(shè)備建模

(1)熱電聯(lián)產(chǎn)(CHP)模型。

熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組消耗天然氣產(chǎn)生電、熱功率如下：

HMT,h(t)=PMT(t)·[1-ηMT,e-ηL]/ηMT,e

(15)

HMT(t)=HMT,h(t)·kh

(16)

式中HMT(t)、PMT(t)、HMT,h(t)分別為t時段CHP發(fā)出的熱功率、電功率和溴冷機(jī)的制熱量；ηMT,e、ηL、kh分別為發(fā)電效率、散熱損失率和制熱系數(shù)。

(2)燃?xì)忮仩t模型。

HBl(t)=ηBl·Qgas(t)·LHV

(17)

式中HBl(t)、Qgas(t)為t時刻輸出的熱功率和消耗的天然氣量；ηBl為鍋爐燃燒效率。

(3)制熱電鍋爐模型。

Heb(t)=Peb(t)·ηeb

(18)

(19)

(4)蓄電池模型。

(20)

(5)儲熱罐模型。

(21)

2.3 目標(biāo)函數(shù)

系統(tǒng)的日內(nèi)運(yùn)行成本主要由三部分組成：購買能源、設(shè)備運(yùn)行及調(diào)度響應(yīng)成本。第一部分為CHP機(jī)組及燃?xì)忮仩t燃燒天然氣的成本及向電網(wǎng)購電成本。第二部分為各設(shè)備出力的運(yùn)行維護(hù)及啟停成本。第三部分為TSL跟蹤調(diào)度信號的響應(yīng)成本。綜合考慮電熱需求側(cè)響應(yīng)，合理安排各個設(shè)備單元的出力情況，使整個系統(tǒng)運(yùn)行的總成本最小。

MinC1=Cgas+CMT+CXE+CMC+Cqt+CTSL

(22)

(23)

(24)

(25)

(26)

(27)

(28)

式中CMT(t)為t時燃?xì)獬杀荆籆CH4為天然氣氣價；Cgas(t)為調(diào)度周期內(nèi)消耗天然氣的成本；CXE、c_grid為購電成本和電價；CMC、c_mc為各設(shè)備的維護(hù)成本和維護(hù)系數(shù)；Cqt、Vn(t)為設(shè)備啟停成本和啟停狀態(tài)；CTSL、RTSL為TSL跟隨調(diào)度信號的響應(yīng)成本和響應(yīng)系數(shù)。

2.4 約束條件

(1)電力系統(tǒng)平衡約束。

(29)

式中Pload(t)為電負(fù)荷側(cè)引入期望調(diào)度信號x(t)后TSL優(yōu)化調(diào)整的需求。

(2)供熱網(wǎng)平衡約束。

(30)

式中Hload(t)為熱負(fù)荷參與需求響應(yīng)優(yōu)化調(diào)整后的熱用戶需求。

(3)可控機(jī)組爬坡約束。

-rdlΔt≤PMT(t)-PMT(t-1)≤rulΔt

(31)

式中-rdl、rul為可控CHP機(jī)組在t時段內(nèi)加載和減載的速率限值。

(4)與大電網(wǎng)交互功率約束。

32)

(5)儲能電池約束。

(33)

(6)儲熱罐約束。

(34)

3 算例分析

3.1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

算例選取我國北方冬季某一區(qū)域的IES進(jìn)行分析，模型中引入決策變量后成為混合整數(shù)二次規(guī)劃問題，在yalmip工具箱下編程并使用cplex求解器在Matlab環(huán)境下求解。區(qū)域電熱負(fù)荷的原始需求特性以及風(fēng)光等可再生能源的預(yù)測出力如圖2所示。圖3中選取6類可時移負(fù)荷組成TSL群。峰時、平時及谷時電價為0.83、0.49、0.25。系統(tǒng)設(shè)備運(yùn)行參數(shù)如表1所示。電儲能以及熱儲能參數(shù)如表2所示。

表1 區(qū)域綜合能源系統(tǒng)相關(guān)運(yùn)行參數(shù)

表2 電/熱儲能參數(shù)

圖2 原始需求特性以及風(fēng)光預(yù)測出力

圖3 各類TSL原始需求特性

3.2 算例分析

為驗(yàn)證文章所提出考慮調(diào)度人員期望曲線的電熱綜合需求響應(yīng)的可行性，對兩種不同場景下的電熱響應(yīng)進(jìn)行對比分析。如圖4～圖7所示，場景1下僅慮電熱綜合能源替代的響應(yīng)，未考慮電熱負(fù)荷的可調(diào)度價值；場景2下同時考慮電熱綜合能源替代響應(yīng)以及TSL跟蹤調(diào)度信號的電熱綜合需求響應(yīng)。

圖4 場景一下電負(fù)荷平衡各機(jī)組出力曲線

圖5 場景一下熱負(fù)荷平衡各機(jī)組出力曲線

圖6 場景二下電負(fù)荷平衡各機(jī)組出力曲線

圖7 場景二下熱負(fù)荷平衡各機(jī)組出力曲線

從圖4～圖7中可以看出，情景一下的多能互補(bǔ)替代響應(yīng)下系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)電熱能源的互補(bǔ)利用，在電價較高時增加熱電聯(lián)產(chǎn)的出力，在電價低谷時從電網(wǎng)購電。系統(tǒng)可以控制各分布式單元的出力及啟停狀態(tài)以保證運(yùn)行在最經(jīng)濟(jì)的狀態(tài)下。此時電儲能將會在谷時電價進(jìn)行充電，在平時電價時補(bǔ)充充電1次，在峰時電價下電儲能進(jìn)行放電。電制熱在電價低谷時段增加用電量以減少燃?xì)忮仩t消耗天然氣使成本變低。相比較于情景二中的綜合需求響應(yīng)來講，情景二中將谷時用電量從432.74 kW提高到了470.28 kW，將峰時用電量從904.48 kW降低到了829.82 kW可以更好地實(shí)現(xiàn)用戶側(cè)的削峰填谷。通過負(fù)荷對調(diào)度信號的跟隨使可控柔性負(fù)荷得到充分的利用。在場景一下CHP機(jī)組出力波動性較大，此時受到以熱定電運(yùn)行方式的影響使機(jī)組靈活性下降。場景二下機(jī)組在中午光伏出力較大時,有一次的波動時其余時段運(yùn)行較平穩(wěn)出力波動更小。此時電儲能會消納部分新能源且放電時刻也會較場景一提前。電制熱不僅在低電價持續(xù)供熱且在平時由于負(fù)荷變動也會增加出力，使熱電系統(tǒng)的耦合性加強(qiáng)以及各個機(jī)組的配合更加靈活。從圖8中可以看到兩個場景夜間風(fēng)光等可再生能源的消納較高，夜間的供熱也正處于高峰時刻，在此時CHP機(jī)組以及電制熱將會受到以熱定電的影響加大出力，實(shí)現(xiàn)新能源消納。場景一下的棄風(fēng)率及棄光率為38.14%和30.02%。在場景二下由于電負(fù)荷跟蹤調(diào)度信號使負(fù)荷發(fā)生轉(zhuǎn)移，使得在谷時及平時電價下負(fù)荷增大進(jìn)而將棄風(fēng)率及棄光率減小到16.41%和23.53%。

圖8 不同場景下風(fēng)光消納曲線

圖9、圖10為場景二下電負(fù)荷跟蹤調(diào)度信號以及熱負(fù)荷柔性參與調(diào)度響應(yīng)數(shù)量的曲線，可以看出電負(fù)荷在跟蹤調(diào)度信號的同時可以降低負(fù)荷的峰谷差，在用電量較少且熱量需求較高的夜晚將峰時電價下的負(fù)荷轉(zhuǎn)移到谷時及平時段。熱負(fù)荷響應(yīng)為在T’=3的情況下綜合考慮電熱耦合以及保證供熱量需求的情況下達(dá)到系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)成本最優(yōu)。

圖9 場景二下電負(fù)荷跟隨調(diào)度信號變化情況

圖10 場景二下柔性熱負(fù)荷調(diào)度情況

4 結(jié)束語

文章建立了考慮調(diào)度人員期望信號參與的電負(fù)荷調(diào)度模型，以及針對人體對溫度的感知具有模糊性的熱負(fù)荷調(diào)度模型。通過對兩種不同情境下的優(yōu)化調(diào)度結(jié)果進(jìn)行對比分析，得出當(dāng)僅考慮電熱替代響應(yīng)時系統(tǒng)能夠在一定范圍內(nèi)進(jìn)行削峰填谷，但運(yùn)行成本偏高且風(fēng)光可再生能源利用率偏低。當(dāng)考慮調(diào)度人員期望信號的綜合需求響應(yīng)時可以在更大程度上降低綜合能源系統(tǒng)的運(yùn)行成本，提高風(fēng)光等可再生能源的利用率，通過對系統(tǒng)各機(jī)組出力、電熱儲能、能量轉(zhuǎn)換設(shè)備及電熱負(fù)荷的優(yōu)化調(diào)整，使得各單元之間相互協(xié)調(diào)與配合保證供需平衡達(dá)到源-網(wǎng)-荷-儲互動的效果。