考慮需求響應的典型場景綜合能源系統規劃研究

蓋 超，張 凱，陳 佳，遲翔文，劉 毅

（1.國家電投集團山東能源發展有限公司，山東 濟南 250002；2.山東大學電氣工程學院，山東 濟南 250061）

0 引言

在傳統的能源系統規劃和建設中，人們習慣將電、熱、冷系統分開考慮，忽略了不同能源間的互補和替代作用，能源利用率和轉換效率低下，無法適應當前嚴峻的能源形勢。在此背景下，為提高能源利用效率，考慮電力、天然氣、熱冷等多種能源耦合，建設區域綜合能源系統（regional integrated energy system，RIES），成為發展趨勢。通過研究能源集線器（energy hub，EH）內部能量流動趨勢和能源傳輸效率，提升電力系統與其他能源系統之間依賴性和共存性［1］，進而實現能源效率的提高。

近年來部分學者針對區域綜合能源系統選址定容和長期規劃開展相關研究，但仍未形成一套完整的規劃體系和方案。文獻［2］實現含電、熱、冷、氣園區綜合能源系統能源協同利用，以園區綜合能源系統某一重點示范項目為基礎，基于負荷預測、耦合裝置建模等方法，建立網損最小和經濟性最優的雙層規劃模型，對電源進行選址定容。文獻［3-4］通過雙層優化架構，求解考慮運行控制策略的廣義儲能資源和分布式電源的聯合規劃問題，提出不同可調控資源選址定容的方法。上述研究雖然在規劃過程中考慮了經濟性和可靠性，但未涉及綜合需求側響應（integrated demand response，IDR）相關研究，為探討IDR 在RIES 優化規劃作用，文獻［5］建立以彈性價格為引導的需求響應模型，針對該模型提出面向源荷協同增效的綜合能源系統（integrated energy system，IES）規劃框架。文獻［6］建立全調度優化的園區RIES 雙層規劃模型，采用多階段規劃分析IDR機制對RIES 規劃結構的影響。上述規劃研究所描述的能源動態耦合特性都是在單一場景下進行，無法驗證模型通用性。

能源集線器是能源儲存和能源轉換環節的重要部分，是用以表征不同能源載體的輸入、輸出、轉換、存儲的多端口裝置［7］，相比于傳統綜合能源系統，基于EH 下綜合能源系統考慮各耦合設備能源轉換特性，能夠清晰反映電、氣、熱、冷系統中各耦合設備的能源轉換特性，實現多源耦合，促進多源互補協同規劃。文獻［8］利用EH 將區域內的熱電聯產機組（combined heat and power，CHP）、燃氣輪機等耦合元件統一建模為單一能量轉化元件，實現多能源耦合與能源傳輸。文獻［9］基于EH 理論，考慮計及電熱冷在不同場景下、不同能源類型的多能耦合規劃。文獻［10］設計一種基于能源集線器模型的RIES 魯棒規劃方法，考慮負荷不確定性和多能源用能需求，實現RIES 多能互補集成優化效益。文獻［11-12］建立基于EH 的綜合能源系統優化調度模型，重點討論熱能需求側響應即周期性啟停熱負荷的優化，但相關研究未涉及規劃層面。文獻［13］基于EH 多能耦合模型，以經濟性和可靠性為目標建立RIES 規劃模型，但未考慮負荷側需求響應的影響。

將EH 與RIES 相結合，系統描述EH 的能量輸入端、能量輸出端以及集線器內部耦合設備的拓撲關系，分析多能流之間的供能方式和耦合關系，重點分析工業園區、學校、港區、醫院4 種典型場景下IES的設備配置和運行模式；建立了以電-熱-冷價為引導的IDR 模型，并結合EH 理論建立EH-RIES 多能流混合規劃模型；以工業園區和港區2 個場景為例，將各自IES 設備配置方案代入EH-RIES 多能流模型中，形成基于不同場景的規劃模型，結合分時電價、熱氣冷價及負荷年增長率需求，設計出滿足該場景用能需求和負荷變化的區域綜合能源系統規劃方案。

1 不同場景下的綜合能源系統結構

1.1 區域綜合能源系統整體結構

區域綜合能源系統通常以風光、天然氣、電能為輸入能源，通過能源間協同利用實現多能耦合，提高能源利用效率?；贓H 模型的綜合能源系統總體結構如圖1 所示。

圖1 基于EH的區域綜合能源系統結構Fig.1 Structure of RIES based on EH

整體系統分成能源輸入、能源耦合和能源輸出3部分。能源輸入端通常以風能、太陽能、天然氣能為主，另外包括購電、購熱等與外部交互的能源；能源耦合部分利用各種多能耦合設備實現電、熱、氣、冷能源之間耦合轉換，是整體系統的核心部分，涉及多種能量形態和能源環節；能源輸出端利用能源耦合設備將輸入能源轉換為最終所需能源，通過能源傳輸網絡分配給用戶，滿足用戶各類負荷需求。本文所考慮用戶側負荷主要包括電、熱、冷3 種。

1.2 典型場景下設備配置方案

基于EH 模型分析工業園區、學校、港區、醫院四類綜合能源系統典型應用場景，包括負荷需求、各類能源用能比例、多能耦合設備配置，給出典型場景下綜合能源系統設備配置方案，根據不同配置方案，形成不同電熱冷子系統，用以滿足多種場景的用能需求。

1.2.1 工業園區配套方案設計

從能源配置角度考慮，工業園區中的能量傳輸過程需要經過能源生產、轉換、傳輸、儲存、消費5 個環節，涉及新能源發電、天然氣供能、燃氣制熱、燃氣發電、電轉熱、電制冷等多種能源轉換形式［14］。電負荷曲線波動情況及年峰谷差要高于熱、冷負荷，熱、冷負荷全年波動變化不大。在節假日時工廠停產，但存在值班人員帶來的熱、冷負荷，此時電負荷降低；在工廠正常工作時，電負荷持續升高，在中午時達到高峰，下午各類負荷存在一定波動，但基本上維持在峰值水準，到晚上工作人員下班，電負荷明顯下降，而熱、冷負荷一天變化不大。從全年看，電荷年平均值要高于熱、冷負荷，說明工業園區全年對電能需求更大，熱、冷負荷較穩定，典型日負荷曲線如圖2 所示。

圖2 工業園區典型日負荷曲線Fig.2 Typical daily curve of industrial park

工業園區中常見耦合設備包括電制冷、CHP、冷熱電聯產（combined cooling heating and power，CCHP）、燃氣輪機、電轉氣（power to gas，P2G）、燃氣鍋爐等。工業園區中綜合能源系統典型配置方案如圖3 所示。

圖3 工業園區綜合能源配置Fig.3 Comprehensive energy allocation of industrial park

1.2.2 學校配套方案設計

從能源配置角度考慮，學校占地面積廣、人口密集、能源消耗大，學校區域涉及多類場所，包括教學樓、圖書館、宿舍、食堂等，不同場所負荷特性不同。從負荷需求角度考慮，某學校春季典型日負荷需求如圖4 所示。08：00 學生開始上課，電、熱、冷負荷升高，20：00 后隨著教學任務結束，電、熱、冷負荷下降。由于春季學校用電需求相比用熱、冷需求較高，因此熱、冷負荷相比電負荷水平值較低；全天教學結束后，冷、熱負荷處于最低值。學校在其他季節對電、熱、冷負荷需求變化明顯，夏季冷負荷需求最高，對電、熱負荷需求較低；冬季對熱負荷需求最高，對電、冷負荷需求較低；春秋對電負荷需求最高，三者在白天都會出現短暫高峰，到晚上都處于低值。

圖4 學校典型日負荷曲線Fig.4 Typical daily load curve of school

學校綜合能源系統典型配置方案如圖5 所示。其中，電負荷由新能源和外部電網供應；冷負荷主要由電制冷設備供應；熱負荷主要由燃氣鍋爐或電鍋爐供應。

圖5 學校綜合能源配置Fig.5 Comprehensive energy allocation in schools

1.2.3 港區配套方案設計

從能源配置角度考慮，其能源類型涉及冷、熱、電和天然氣等。從負荷需求角度考慮，某港區在冬季典型日負荷需求如圖6 所示。受冬季采暖和夏季空調的影響，在冬季熱負荷需求高，其冷負荷只由CCHP 和購冷提供，負荷值較低；夏季冷負荷需求高。熱、冷負荷兩季出現高峰，其他季節負荷變化趨勢不明顯。碼頭作業的用電負荷曲線在春秋季非常平穩，用電穩定，在夏季和冬季受空調用電的影響，負荷值隨著空調用電強度的升高而升高，存在用電高峰。此外，碼頭經常用吊車、起重運輸設備完成各種作業，其對供電可靠性要求較高。

圖6 港區典型日負荷曲線Fig.6 Typical daily load curve of port area

港區綜合能源系統典型配置方案如圖7 所示。其耦合設備主要包括燃料電池、電空調、電鍋爐、CCHP 等。

圖7 港區綜合能源配置Fig.7 Comprehensive energy allocation in port area

1.2.4 醫院配套方案設計

從能源配置角度考慮，醫院作為醫療、保健、服務、科研為一體的大型綜合機構，用電量高，存在大量的用熱、用冷負荷［15］。從負荷需求角度考慮，醫院用電主要包括空調供暖用電、基礎設施用電、日常照明用電、其他用電等，醫院典型日負荷需求如圖8 所示。為滿足供暖需求，空調采暖占比最大，超過50%，其次為辦公樓和照明用電，用電比例達到25%。在春季和秋季電熱冷負荷變化趨勢相似，三者在白天中會出現兩個峰值，晚上處于最低水平。在夏季，電負荷和冷負荷的負荷曲線變化趨勢幾乎相同，熱負荷相對較低，中午和下午一般會出現峰值，從21：00 至次日早晨為明顯低谷時段。在冬季，電負荷與熱負荷變化趨勢幾乎相同，冷負荷相對較低。

圖8 醫院典型日負荷曲線Fig.8 Typical daily load curve of hospital

醫院綜合能源系統配置方案如圖9 所示。其常用耦合設備包括電空調、燃氣鍋爐、電鍋爐、燃氣輪機等。

圖9 醫院綜合能源配置Fig.9 comprehensive energy allocation in hospital

2 電-熱-冷IDR模型

考慮激勵型電熱冷IDR，響應負荷類型主要包括可轉移和可消減負荷。電負荷與熱冷負荷在響應機制上具有差異性，電負荷既要考慮可轉移負荷也要考慮消減負荷，而熱冷負荷只考慮消減負荷即可，因此需要分別建模。

2.1 電負荷IDR

將可轉移和可消減負荷作為負荷調控手段參與電負荷IDR 的研究，具體表達式為

1）可轉移負荷?？赊D移負荷是指通過調節用戶的用能行為，在用能總量不變的情況下，將高峰時段負荷平移至低谷時段，提高系統經濟效益。其約束式為

式中：T為最大時段，即24 h；d0為典型日數量；為第t年第d個典型日第h時段的最大電負荷轉移量。本文假設最大負荷轉移量為對應時段負荷量的5%。

2）可消減負荷?？上麥p負荷是在不影響用戶正常用能的情況下對局部負荷進行消減，并對消減的部分給予一定的經濟補償。其約束式為

2.2 熱負荷IDR

將可消減負荷作為負荷調控手段參與熱負荷IDR 的研究，其響應前后負荷和可消減負荷表達式為：

2.3 冷負荷IDR

將可消減負荷作為負荷調控手段參與熱負荷IDR 的研究，其響應前后負荷和可消減負荷表達式為：

3 區域綜合能源規劃模型

3.1 目標函數

規劃目標為RIES 在多階段規劃中總成本Z最小，即投資成本CINV(t)、運行成本COP(t)和需求響應補償成本之和CIDR(t)最小。具體目標表達式為：

式中：βd為每一個典型日持續的天數；Gm為耦合設備集合，m為對應設備，包括燃氣鍋爐、CHP、CCHP、燃氣輪機、P2G 裝置、電鍋爐、冷空調、燃料電池；Bm為設備m單位容量成本為設備m投運容量；xm,t為第t年設備m投運決策變量，當決策變量為1 時表示投運，為0 時表示不投運；Om為設備m單位運行成本；Pm,t,d,h為設備m在第t年第d個典型日第h時段的出力值；Δt為時間間隔，設為1 h；Cp、Cr、Cg、Cq分別為購電、購熱、天然氣價格和購冷單位成本；Pbuy,t,d,h、Hbuy,t,d,h、Gbuy,t,d,h、Qbuy,t,d,h分別為第t年 第d個典型日第h 時段的外部購電、購熱、購氣、購冷量；γ 為資金回收率；λt為現值系數；λT為最后一年的現值系數；τ為資金折現率；為IDR 單位電負荷轉移成本分別為IDR 單位電、熱、冷負荷消減成本。

3.2 約束條件

規劃過程中需要考慮的約束條件包括：耦合系統擴容邏輯約束、耦合設備約束、EH 功率平衡約束。

3.2.1 耦合系統擴容邏輯約束

在規劃期內，每個設備只投運一次，在后續規劃年將不改變其投運狀態，由此得出

3.2.2 耦合設備約束

耦合設備約束包括各耦合設備轉換模型和設備出力上下限約束。

1）耦合設備轉換模型。

a）CHP 數學模型為

b）CCHP 作為綜合能源系統核心設備，其數學模型為：

CCHP 制冷過程是由燃氣余熱經制冷機轉換的過程，要求其輸出冷功率不超過余熱鍋爐輸出熱功率［16］，即

c）燃氣輪機數學模型為

d）P2G 裝置數學模型為

e）電鍋爐數學模型為

f）冷空調數學模型為

g）燃氣鍋爐數學模型為

h）燃料電池可以將天然氣直接轉換為電能，其轉換效率高，實用性強，數學模型［17］為

式中：Pfc,t,d,h、Gfc,t,d,h分別為燃料電池在第t年第d個典型日第h時段的產電和耗氣功率為燃料電池氣-電轉換效率。

2）設備出力上下限約束。

所有設備都要滿足上下限約束，即

3.2.3 EH功率平衡約束

1）集電器功率平衡約束。

區域綜合能源系統電負荷由風電、光伏、外網和耦合設備供應，其功率平衡關系為

風光出力約束為

式中：Pw,t,d,h、Ppv,t,d,h分別為風電、光伏在第t年第d個典型日第h時段的出力值；分別為風電、光伏最大容量；ρw、ρpv分別為風電、光伏預測概率。

集電器與外網交互約束為

2）集熱器功率平衡約束。

區域綜合能源系統熱負荷由相應耦合設備和外部購熱供應，其功率平衡關系為

集熱器與外網交互約束為

3）集冷器功率平衡約束。

區域綜合能源系統冷負荷由耦合設備和外部購冷供應，其功率平衡關系為

集冷器與外網交互約束為

4）天然氣功率平衡約束。

集線器系統與氣網交互的能量僅考慮購氣功率和耦合設備轉換功率，不考慮氣負荷需求，其功率平衡方程為

燃氣消耗量要滿足下列約束

3.3 求解方法

構建的RIES 規劃模型中目標函數式（8）和約束條件式（26）中均存在非線性部分，屬于混合整數非線性規劃問題。為提高計算效率，借鑒文獻［18］中增量線性化的方法對目標函數和約束條件進行線性化處理，從而轉換為混合整數線性規劃問題，利用GAMS 軟件中的CPLEX 求解器進行求解。

4 算例分析

4.1 算例參數

以工業園區、港區兩類場景的綜合能源系統規劃為例，驗證所提方法的有效性。算例的負荷數據基于文獻［19-20］改進得到。由于電、熱、冷負荷受季節特性的影響較大，春夏秋冬四季各選取一個典型日，規劃年限為30 年。分時電價如表1所示，高峰時間段為10：00—14：00、17：00—21：00，平谷時間段為06：00—10：00、14：00—17：00、21：00—22：00，低谷時間段為00：00—06：00、22：00—24：00。外部購熱、購氣、購冷單位成本分別為0.6 元/kWh、2.5 元/m3、0.6 元/kWh。電、熱、冷負荷年增長率分別為4%、3%、3%，電負荷單位負荷轉移成本為0.1 元/kWh，電、熱、冷負荷單位負荷消減成本分別為0.5 元/kWh、0.25 元/kWh、0.2 元/kWh，風電、光伏年裝機增長率為3%，資金折現率為5%，資金回收率為10%。各設備參數如表2 所示。

表1 分時電價Table 1 Time-sharing electricity price 單位：元/kWh

表2 設備運行參數Table 2 Equipment operation parameters

場景1（工業園區）模型：工業園區根據其設備配置方案建模，包含風電、光伏、燃氣鍋爐、CHP、CCHP、燃氣輪機、電空調和P2G 設備，其負荷典型日曲線參考圖2。其負荷特性考慮工業園區典型日負荷曲線。

場景2（港區）模型：港區根據其設備配置方案建模，包含風電、光伏、電鍋爐、CCHP、燃料電池、電空調，其負荷典型日曲線參考圖6。

4.2 規劃結果分析

1）需求響應前后設備配置方案對比。

表3 為工業園區和港區在響應前后耦合設備容量。由結果可知，加入需求響應后，耦合設備配置容量減少，說明加入響應后通過調節負荷可以降低設備投運容量，減少了設備出力，避免資源浪費。表4為兩種場景中各設備投運情況，其結果清晰反映了不同設備在不同規劃年的投運狀態。由表4 可知，響應后部分設備延期投運，說明調節負荷可以減少當前規劃年設備的投運數量，使系統在減少設備出力及投運數量的前提下滿足電、熱、冷負荷需求，提高系統經濟效益。

表3 系統容量配置Table 3 System capacity configuration 單位：kW

表4 設備投運情況Table 4 Operation of equipment 單位：年

工業園區所包含設備較多，共6 個耦合設備投入使用，其中氣負荷通過P2G 和外部購氣來提供，因此，在工業園區中P2G 設備配置容量較高，且第一年投運，以便通過CHP 和CCHP 為系統提供冷負荷。根據負荷曲線可知，工業園區電負荷全年需求量高，且負荷曲線波動幅度小，隨著運行年增加，僅靠風光出力難以滿足電負荷需求，需要其他供電設備大量供電，因此需要燃氣輪機投運并為產電設備配套較高的容量來滿足負荷需求，相應的投資成本增加。由于CHP 和CCHP 設備單位成本較高，為保證系統經濟性，響應后的系統顯著減少CHP 和CCHP 設備容量。港區所需耦合設備較少，其產電設備僅包括CCHP 設備和燃料電池。相比于工業園區，港區全年熱負荷需求量較高，冷負荷需求較低，因此電鍋爐配套較高容量以滿足熱負荷需求，同時冷空調配套較低容量，以減少能源浪費，提高港區經濟效益，同時為避免資源浪費，響應后的系統延后CCHP 和燃料電池的投運年限，避免設備過早投入造成不必要的損耗。由于港區未配套P2G 設備，氣負荷僅靠外部購氣來提供，且氣負荷成本較高，故耗氣設備所配套容量不宜過高，加入需求響應后更凸顯出其特征。

表5 為響應前后設備投資和運行成本，其相應前后趨勢與上述規劃結果相同，說明加入需求響應后降低了系統各方面成本。

表5 設備投資和運行成本Table 5 Equipment investment and operating cost 單位：萬元

表6 為系統響應前后購能和需求響應成本。由結果知，工業園區和港區需求響應在優化設備成本的同時也優化了系統購能成本，減少了購能量。工業園區全年電負荷水平較高，且產電和耗電設備較多，因此為減少產電設備投運成本，應盡量減少電負荷量，因此電負荷消減成本較高。由于CHP 和CCHP 本身轉換效率較低，熱負荷主要來源為燃氣輪機、燃氣鍋爐和購熱量，單位購熱成本相對較低，因此需要大量購熱來提高系統經濟性、維持系統能源平衡。由于港區全年熱負荷需求量較高，冷負荷需求較低，為減少設備投運成本，應消減系統熱負荷，盡量減少冷負荷消減量，因此熱負荷消減成本較高、冷負荷較低。

2）需求響應前后外部成本對比。

由于現值系數作用，使得在同等購買能量下，年份越長對應總成本越低。圖10 為工業園區響應前后的年購電、購熱、購冷量。由結果知，響應后的購電量一直低于響應前的購電量，二者曲線趨勢逐漸重合，響應后的購熱、購冷量在規劃前期購能總和要低于響應前的購能總和，規劃后期相反。原因在于，規劃前期用戶對負荷需求不大，在耦合設備正常出力情況下，通過需求響應來優化電、熱、冷負荷，使負荷總體降低，減少系統與外界交互，提高系統經濟效益。隨著規劃年份增高，負荷增長區間長度大于優化負荷區間長度，在規劃后期，由于單位購電、熱、冷成本遠低于耦合設備單位運行成本，在保證耦合設備容量配置最優前提下，盡可能通過外部購電來滿足系統負荷需求，使得響應后的負荷購電量可能出現大于響應前的情況，但系統響應前購能成本高于響應后的購能成本。

圖10 工業園區響應前后年購能量Fig.10 Annual purchase energy of industrial park before and after response

圖11 為港區響應前后的年購電、購熱、購冷量。變化趨勢與工業園區相似，港區的供能設備主要是CCHP 和冷空調，由于優化后的設備配置容量很小，使得港區供冷主要通過外部購冷來實現，使得響應后的年購能量增長比響應前要快很多，使響應后的年購能量逐漸高于響應前的購能量，但總購冷成本依然低于響應前。

圖11 港區響應前后年購能量Fig.11 Annual purchase energy of port area before and after response

圖12 為工業園區和港區在響應前后的年購氣量。由結果可以看出兩種場景年購氣量呈現上升趨勢，由于單位購氣成本價格比耦合設備單位運行成本要高，因此，響應后的購氣量應小于響應前的購氣量，且上升速度要比響應前的要慢。港區沒有產氣裝置，天然氣來源只靠外部購氣來實現，但港區耗氣設備較少，其對氣負荷需求量較低。而工業園區P2G 裝置為系統氣負荷供氣，但工業園區耗氣設備較多，僅靠P2G 產氣仍不滿足系統供氣需求，需要外部購氣來實現。因此，兩個曲線上升趨勢相同，都是呈指數趨勢上升。

圖12 工業園區和港區在響應前后的年購氣量Fig.12 Annual gas purchases by industrial parks and port areas before and after the response

5 結束語

分析工業園區、學校、港區、醫院4 種典型場景綜合能源系統的用能情況和負荷需求，由此給出每種場景多能耦合設備配置方案。在此基礎上，建立以價格引導的電-熱-冷IDR 模型，結合EH 理論建立以設備投資和運行成本最小為目標的綜合能源規劃模型，以工業園區和港區場景為例驗證所提模型和方法的有效性。仿真結果表明，兩種場景下的設備容量配置和出力滿足系統負荷年增長需求，考慮需求響應后設備容量配置、設備成本都得到顯著的優化，實現系統內外部能源協調利用，降低規劃成本。