基于區(qū)域能源中心的居民電-熱用能多目標(biāo)優(yōu)化

匡萃浙，張勇軍，王群，鄒舟詣奧

(1.深圳職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東省深圳市 518055；2.華南理工大學(xué)電力學(xué)院智慧能源工程技術(shù)研究中心，廣州市 510640)

0 引 言

由于資源、氣候和環(huán)境的多重壓力，追求能源的高效利用、清潔環(huán)保和可持續(xù)發(fā)展是能源領(lǐng)域的發(fā)展趨勢(shì)[1-2]。居民等建筑用能約占據(jù)總用能消費(fèi)的40%，且隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展，居民生活能耗逐年提高[3-4]。居民用能優(yōu)化既可為用戶節(jié)約成本，改善用戶用能經(jīng)濟(jì)性，又可以促進(jìn)能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型發(fā)展，近年來受到了廣泛關(guān)注。

文獻(xiàn)[5]以天然氣為替代能源，以用戶經(jīng)濟(jì)性和滿意度最好為優(yōu)化目標(biāo)，建立了居民用戶用電優(yōu)化模型。文獻(xiàn)[6]以家庭用電費(fèi)用最優(yōu)、售電公司經(jīng)濟(jì)收益最大為目標(biāo)，提出了家庭柔性負(fù)荷管理和售電公司售電決策協(xié)同優(yōu)化模型。文獻(xiàn)[7]從實(shí)際情況出發(fā)，提出了可行的家庭能量管理系統(tǒng)拓?fù)?，并利用不需要提供預(yù)測(cè)信息的模糊控制方法來對(duì)系統(tǒng)的能流進(jìn)行實(shí)時(shí)控制。文獻(xiàn)[8]基于任務(wù)分類和基本經(jīng)濟(jì)規(guī)律，針對(duì)居民的偏好和需求，建立了新的用于居民用能優(yōu)化的效用函數(shù)數(shù)學(xué)模型。上述研究均只考慮單一的用電優(yōu)化，然而居民能源消費(fèi)，涉及多種能量形式，典型的有電、熱、氣。

電、熱、氣等用能之間存在耦合性，不同能源之間可通過能源轉(zhuǎn)換電器、能源轉(zhuǎn)換設(shè)備轉(zhuǎn)換替代。文獻(xiàn)[9-10]在需求側(cè)響應(yīng)中考慮了電/熱負(fù)荷需求響應(yīng)和供需雙側(cè)熱/電耦合，但研究的目標(biāo)與居民用能優(yōu)化無關(guān)。為了進(jìn)一步提升居民的用能效益、降低其用能成本，對(duì)居民多種用能同時(shí)優(yōu)化是十分必要的。當(dāng)前在電能和熱能消費(fèi)方面，用戶側(cè)和供能側(cè)能源轉(zhuǎn)換設(shè)備應(yīng)用成熟，而實(shí)現(xiàn)電-氣能源轉(zhuǎn)換的電轉(zhuǎn)氣設(shè)備還處于試點(diǎn)應(yīng)用階段，同時(shí)居民側(cè)也不具備電氣2種能源轉(zhuǎn)換的條件。因此，考慮方法的實(shí)用性，本文聚焦于解決居民電-熱2種用能優(yōu)化問題。

區(qū)域能源中心(district energy centre，DEC)的發(fā)展與應(yīng)用為優(yōu)化居民電-熱用能提供了新思路。DEC是連接上級(jí)能源網(wǎng)絡(luò)和下級(jí)用戶的樞紐站，以電能、天然氣為能源輸入端，集合各類能源轉(zhuǎn)換器，可實(shí)現(xiàn)區(qū)域內(nèi)電、熱、冷、氣等多能流之間的耦合優(yōu)化分配[11-12]。這里的區(qū)域指的是以居民小區(qū)、辦公樓宇為主的小規(guī)模用能區(qū)域。文獻(xiàn)[13]考慮光伏發(fā)電/產(chǎn)熱及儲(chǔ)能設(shè)備，以居民能源購(gòu)置成本為目標(biāo)，構(gòu)建了面向居民用戶的DEC優(yōu)化運(yùn)行模型，但在該研究中居民用戶的用能是作為固定的負(fù)荷曲線，居民用能電器沒有參與優(yōu)化。

而在居民側(cè)，熱水器和空調(diào)等能源轉(zhuǎn)換電器將電、氣能源轉(zhuǎn)換成熱能，其用能功率高，屬于慣性負(fù)荷，可在短時(shí)間內(nèi)迅速調(diào)整功率且對(duì)用戶的舒適性影響較小[14-15]，具有較強(qiáng)的功率調(diào)節(jié)潛力，廣泛應(yīng)用于居民用能優(yōu)化和改善電力系統(tǒng)運(yùn)行的需求側(cè)響應(yīng)中[16-18]。

綜上所述，針對(duì)當(dāng)前居民用能優(yōu)化僅考慮單一電能的不足，本文首次提出居民側(cè)能源轉(zhuǎn)換電器和DEC協(xié)同運(yùn)行方法。首先，提出耦合DEC的居民用能通用化建模方法；接著，以居民購(gòu)能成本最小和用戶不舒適性最小為目標(biāo)，構(gòu)建居民用能多目標(biāo)優(yōu)化模型，并基于模糊隸屬度函數(shù)求解多目標(biāo)最優(yōu)折中解；最后，以某區(qū)域冬季居民用能優(yōu)化為例開展算例驗(yàn)證。

1 耦合DEC的居民用能模型

耦合DEC的居民用能系統(tǒng)如圖1所示。居民用戶的用能包括電負(fù)荷和熱負(fù)荷，其中居民內(nèi)部的能源轉(zhuǎn)換電器可將電能、天然氣轉(zhuǎn)換為熱能。居民用戶的電負(fù)荷和熱負(fù)荷同時(shí)由DEC通過新能源、能源轉(zhuǎn)換設(shè)備以及能源儲(chǔ)存設(shè)備協(xié)調(diào)運(yùn)行對(duì)上級(jí)能源系統(tǒng)多能流在區(qū)域級(jí)進(jìn)行再次分配供應(yīng)。居民用戶的能源轉(zhuǎn)換電器與DEC耦合協(xié)同運(yùn)行可實(shí)現(xiàn)居民用戶用能優(yōu)化。

圖1 耦合DEC的居民用能系統(tǒng)

在日前居民用能優(yōu)化研究中，為反映耦合DEC的居民用能系統(tǒng)中多種能流穩(wěn)態(tài)功率轉(zhuǎn)換關(guān)系，可基于能源集線器模型對(duì)系統(tǒng)中多能流的輸入輸出及轉(zhuǎn)換關(guān)系進(jìn)行建模[19]。由能量守恒定律可知，系統(tǒng)中各處節(jié)點(diǎn)的輸入能源需要和輸出能源相等。在圖1所示的居民用能系統(tǒng)中，存在3項(xiàng)能源平衡，分別為：

1)用戶用能功率與DEC輸出能源功率和能源轉(zhuǎn)換電器輸出能源功率之間的平衡；

2)DEC輸出能源功率與能源轉(zhuǎn)換設(shè)備和能源儲(chǔ)存設(shè)備輸出能源功率以及不流經(jīng)能源轉(zhuǎn)換設(shè)備能源功率之間的平衡；

3)從上級(jí)能源系統(tǒng)購(gòu)入能源功率和可再生能源出力功率與能源轉(zhuǎn)換設(shè)備和能源儲(chǔ)存設(shè)備輸入功率以及不流經(jīng)能源轉(zhuǎn)換設(shè)備能源功率之間的平衡。

由上述3項(xiàng)能源平衡，可構(gòu)建能源功率平衡方程式(1)—(3)，式(1)—(3)分別對(duì)應(yīng)能源平衡項(xiàng)1)—3)。

LUR+EUI=LDU+EUO

(1)

LDU=EN+ES+EDIS

(2)

EC+EN+ECH=EBUY+EP

(3)

式中：LUR為居民除能源轉(zhuǎn)換電器外的用能功率向量，LUR=[LUR,a]A×1，LUR,a表示用戶的第a類用能功率，A表示用戶的總用能類數(shù)；LDU表示DEC輸出能源功率向量，LDU=[LDU,a]A×1，LDU,a表示DEC輸出的第a類能源功率；EUI和EUO分別為能源轉(zhuǎn)換電器總能源輸入和輸出功率向量，EUI=[EUI,b]B×1，EUO=[EUO,b]B×1，EUI,b和EUO,b分別表示能源轉(zhuǎn)換電器輸入和輸出第b類能源功率，B表示能源轉(zhuǎn)換電器輸入和輸出的能源總類數(shù)；EN表示不流經(jīng)DEC能源轉(zhuǎn)換設(shè)備的能源功率向量，EN=[EN,a]A×1，EN,a表示不流經(jīng)DEC能源轉(zhuǎn)換設(shè)備的第a類能源功率；ES表示DEC能源轉(zhuǎn)換設(shè)備的總能源輸出功率向量，ES=[ES,a]A×1，ES,a表示DEC能源轉(zhuǎn)換設(shè)備輸出的第a類能源功率；EDIS表示能源儲(chǔ)存設(shè)備放能功率向量，EDIS=[EDIS,a]A×1，EDIS,a表示能源儲(chǔ)存設(shè)備放出的第a類能源功率；EC為能源轉(zhuǎn)換設(shè)備總能源輸入向量，EC=[EC,a]A×1，EC,a表示DEC能源轉(zhuǎn)換設(shè)備輸入的第a類能源功率；ECH為能源儲(chǔ)存設(shè)備的充能功率向量，ECH=[ECH,a]A×1，ECH,a表示能源儲(chǔ)存設(shè)備充能消耗的第a類能源功率；EBUY為用戶從上級(jí)能源系統(tǒng)購(gòu)買的能源功率向量，EBUY=[EBUY,a]A×1，EBUY,a表示用戶從上級(jí)能源系統(tǒng)購(gòu)買的第a類能源功率；EP為用戶的可再生能源出力功率向量，EP=[EP,a]A×1，EP,a表示用戶的可再生能源對(duì)第a類能源的出力。

式(1)—(3)中的能源轉(zhuǎn)換電器和能源轉(zhuǎn)換設(shè)備的輸入功率和輸出功率之間存在能源轉(zhuǎn)換關(guān)系[20]，如下所示：

(4)

(5)

式中：Ein=[Ein,g]G1×1和Eout=[Eout,d]D1×1分別為能源轉(zhuǎn)換設(shè)備的輸入和輸出功率向量，G1、D1分別為能源轉(zhuǎn)換設(shè)備的輸入和輸出功率種類數(shù)；Euin=[Euin,g]G2×1和Euout=[Euout,d]D2×1分別為能源轉(zhuǎn)換電器的輸入和輸出功率向量，G2、D2分別為能源轉(zhuǎn)換電器的輸入和輸出功率種類數(shù)；NC1=[nC1,ag]A×G1和NUC1=[nUC1,ag]A×G2分別為能源轉(zhuǎn)換設(shè)備和能源轉(zhuǎn)換電器的輸入關(guān)系矩陣，若Ein,g和Euin,g屬于第a類能源，則nC1,ag和nUC1,ag為1，否則為0；NC2=[nC2,ad]A×D1和NUC2=[nUC2,ad]A×D2分別為能源轉(zhuǎn)換設(shè)備和能源轉(zhuǎn)換電器的輸出關(guān)系矩陣，若Eout,d和Euout,d屬于第a類能源，則nC2,ad和nUC2,ad為1，否則為0；B1=[B1,gd]G1×D1、B2=[B2,gd]G2×D2分別為能源轉(zhuǎn)換設(shè)備和能源轉(zhuǎn)換電器的能源轉(zhuǎn)換關(guān)系矩陣，若Ein,g和Eout,d對(duì)應(yīng)相同能源轉(zhuǎn)換設(shè)備，則B1,gd為1，否則為0，若Euin,g和Euout,d對(duì)應(yīng)相同能源轉(zhuǎn)換電器，則B2,gd為1，否則為0。

將式(4)和式(5)代入式(1)—(3)中，并進(jìn)行消元處理，可得到：

LUR=(NUC2B2-NUC1)Euin+EBUY+EP+

EDIS-ECH+(NC2B1-NC1)Ein

(6)

綜上所述，耦合DEC的居民用能系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型可以用式(6)所示的能源功率平衡方程描述，該模型能量關(guān)系均為常系數(shù)線性方程，具有直觀性、通用性和實(shí)用性。

2 居民用能多目標(biāo)優(yōu)化模型

2.1 優(yōu)化模型

本文構(gòu)建的居民用能多目標(biāo)優(yōu)化模型，其優(yōu)化目標(biāo)涉及居民購(gòu)能費(fèi)用最低和不舒適度最小。

1)居民購(gòu)能成本最低。

(7)

2)居民不舒適度最小。

本文利用空調(diào)和電熱水器2種能源轉(zhuǎn)換電器實(shí)現(xiàn)居民內(nèi)部電能與熱能轉(zhuǎn)換。借鑒文獻(xiàn)[9]研究成果，將居民室內(nèi)供暖需求和熱水需求轉(zhuǎn)換為柔性熱負(fù)荷：

(8)

能源轉(zhuǎn)換電器的用電功率受用戶所需室內(nèi)溫度和熱水溫度的影響，設(shè)定彈性的室內(nèi)溫度和熱水溫度范圍有利于能源轉(zhuǎn)換電器參與居民用能優(yōu)化，但溫度波動(dòng)將影響用戶的舒適性。本文引入不舒適度指標(biāo)ζ，ζ定義為室內(nèi)/熱水溫度與用戶設(shè)定的理想溫度間距離的平方，該值越大說明實(shí)際溫度與理想溫度偏差越大，用戶的舒適性越差，即：

(9)

進(jìn)一步，優(yōu)化目標(biāo)居民不舒適度最小描述如下：

(10)

2.2 約束條件

居民多目標(biāo)用能優(yōu)化模型約束條件包括居民用能功率平衡約束、居民能源轉(zhuǎn)換電器運(yùn)行約束、用戶舒適度約束、能源轉(zhuǎn)換和儲(chǔ)存設(shè)備的運(yùn)行約束。

1)居民用能功率平衡約束。居民用能功率平衡約束即為式(6)，在調(diào)度周期內(nèi)每個(gè)時(shí)段，均須滿足式(6)的功率平衡。

2)居民能源轉(zhuǎn)換電器運(yùn)行約束。

(11)

3)用戶舒適度約束。用戶的室內(nèi)采暖和熱水溫度必須維持在用戶設(shè)定的舒適區(qū)間內(nèi)。

(12)

4)能源轉(zhuǎn)換設(shè)備運(yùn)行約束。能源轉(zhuǎn)換設(shè)備運(yùn)行約束包括運(yùn)行功率上下限約束和設(shè)備爬坡約束。

(13)

5)能源儲(chǔ)存設(shè)備約束。能源儲(chǔ)存設(shè)備運(yùn)行受剩余容量和最大充放能功率的約束，而且同一時(shí)刻能源儲(chǔ)存設(shè)備只能進(jìn)行充能或放能，引入標(biāo)志能源儲(chǔ)存設(shè)備的充能狀態(tài)和放能狀態(tài)的0-1布爾變量，能源儲(chǔ)存設(shè)備約束描述如下：

(14)

(15)

2.3 求解方法

2.1節(jié)構(gòu)建了一個(gè)雙目標(biāo)混合整數(shù)二次規(guī)劃模型，本文采用加權(quán)和法將上述雙目標(biāo)優(yōu)化問題轉(zhuǎn)化為單目標(biāo)問題[21]，設(shè)定等差目標(biāo)權(quán)重?cái)?shù)列，求解Pareto前沿，進(jìn)一步基于模糊隸屬度函數(shù)確定問題的最優(yōu)折中解，具體如下：

步驟1：分別求解式(16)和式(17)所示的優(yōu)化模型，得到目標(biāo)函數(shù)f1和f2的最大值和最小值。

(16)

(17)

式(16)和式(17)所描述的優(yōu)化模型分別為混合整數(shù)線性模型和混合整數(shù)二次規(guī)劃模型，均可用CPLEX求解器求解。

步驟2：設(shè)置目標(biāo)函數(shù)權(quán)重劃分段數(shù)，基于加權(quán)和法將雙目標(biāo)優(yōu)化問題轉(zhuǎn)化為單目標(biāo)問題，求解Pareto前沿。

(18)

式中：F1min、F2min分別為目標(biāo)f1和f2的最小值；F1max、F2max分別為目標(biāo)f1和f2的最大值；γ和(1-γ)分別為f1和f2的權(quán)重；j為權(quán)重劃分段數(shù)。

式(16)所描述的優(yōu)化模型中，目標(biāo)函數(shù)為線性函數(shù)，約束條件包括線性等式和線性不等式，且變量中包含連續(xù)變量和整數(shù)變量，因此式(16)為混合整數(shù)線性規(guī)劃(mixed-integer linear programming，MILP)模型。式(17)和式(18)所描述的優(yōu)化模型中，目標(biāo)函數(shù)中包含二次項(xiàng)，約束條件包括線性等式和線性不等式，且變量中包含連續(xù)變量和整數(shù)變量，因此式(17)和式(18)為混合整數(shù)二次規(guī)劃(mixed-integer quadratic programming，MIQP)模型。

目前混合整數(shù)規(guī)劃求解方法分為精確解法和啟發(fā)式解法，其中精確解法包括分支定界、割平面法等，啟發(fā)式算法包括模擬退火、遺傳算法和粒子群算法等[22]。隨著數(shù)學(xué)規(guī)劃理論和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，憑借優(yōu)異的求解性能，商業(yè)求解器(如CPLEX)廣泛應(yīng)用于MILP和MIQP求解[23-24]。CPLEX求解器中通常采用分支-割平面法求解混合整數(shù)模型，并融合了預(yù)處理和啟發(fā)式等多種方法[23]。分支定界法和割平面法屬于全局最優(yōu)算法[25]，因此利用CPLEX求解器求解MILP和MIQP可求得模型的最優(yōu)解，而啟發(fā)式算法一般無法保證所得解為全局最優(yōu)解。綜上，本文應(yīng)用CPLEX求解器求解式(16)—(18)所述模型。

步驟3：基于模糊隸屬度函數(shù)計(jì)算各個(gè)Pareto最優(yōu)解的滿意度，該指標(biāo)越小，對(duì)應(yīng)的Pareto最優(yōu)解的滿意度越高。

(19)

式中：δk,e和fk,e分別為第k個(gè)Pareto最優(yōu)解第e個(gè)優(yōu)化目標(biāo)的模糊隸屬度和函數(shù)值；Sk為第k個(gè)Pareto最優(yōu)解的滿意度指標(biāo)。

步驟4：選取滿意度最大的優(yōu)化方案，作為最優(yōu)折中解。

p=argmin{Sk},?k=1,2,…,j+1

(20)

3 算例分析

3.1 算例介紹

應(yīng)用本文方法對(duì)某區(qū)域冬季居民用能進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化，該耦合DEC的居民用能系統(tǒng)如圖2所示，區(qū)域能源中心包含光伏發(fā)電、蓄電池、電鍋爐、微型燃?xì)廨啓C(jī)和燃?xì)忮仩t。居民側(cè)能源轉(zhuǎn)換設(shè)備包括熱水器和空調(diào)熱泵。參考文獻(xiàn)[9]和文獻(xiàn)[26]，各設(shè)備參數(shù)見附表A1和A2所示，從上級(jí)能源系統(tǒng)購(gòu)入電能和天然氣的價(jià)格曲線如附圖A1所示。居民熱負(fù)荷包括采暖負(fù)荷和熱水負(fù)荷，供暖區(qū)域面積為3 000 m2，室外溫度和冷水溫度曲線如附圖A2所示，室內(nèi)舒適度范圍取(25±2)℃，熱水舒適溫度取(53±3)℃。居民除空調(diào)熱泵和熱水器輸入功率之外的電負(fù)荷和熱水需求量預(yù)測(cè)曲線如附圖A3所示，光伏出力曲線如附圖A4所示。

圖2 某區(qū)域耦合DEC的居民用能系統(tǒng)

由第1節(jié)所述的耦合DEC的居民用能系統(tǒng)通用化建模方法，推導(dǎo)本算例模型。各能源功率向量具體表達(dá)形式、能源轉(zhuǎn)換設(shè)備和能源轉(zhuǎn)換電器的輸入關(guān)系矩陣NC1和NUC1、輸出關(guān)系矩陣NC2和NUC2、能源轉(zhuǎn)換關(guān)系矩陣B1和B2見附錄B。

將上述能源功率向量和關(guān)系矩陣代入式(6)，可得耦合DEC的居民用能系統(tǒng)能源功率平衡方程，即：

(21)

式中：LUR,el和LUR,he分別為居民用戶除能源轉(zhuǎn)換電器輸入功率的電負(fù)荷和熱負(fù)荷；EACH和EEWH分別為居民空調(diào)熱泵和熱水器輸入的電功率；EBUY,el和EBUY,ga分別為居民用戶從上級(jí)能源系統(tǒng)購(gòu)入的電能和天然氣；EPV為光伏發(fā)電供給的電功率；EDIS和ECH分別為電池儲(chǔ)能的放電和充電功率；EEB為電鍋爐輸入的電功率；ECHP和EGB分別為微型燃?xì)廨啓C(jī)和燃?xì)忮仩t的輸入天然氣功率；ηACH和ηEWH分別為居民空調(diào)熱泵和熱水器的產(chǎn)熱效率；ηCHP,el和ηCHP,he分別為微型燃?xì)廨啓C(jī)產(chǎn)電和產(chǎn)熱效率；ηEB和ηGB分別為電鍋爐和燃?xì)忮仩t的產(chǎn)熱效率；ηACH等能源轉(zhuǎn)換效率前的數(shù)值3 600為kW轉(zhuǎn)kJ的單位轉(zhuǎn)換系數(shù)。

3.2 多目標(biāo)優(yōu)化調(diào)度結(jié)果

在配置為3.50 GHz，12 GB RAM，工作環(huán)境為Windows 7系統(tǒng)的電腦上，基于Matlab2014a平臺(tái)編碼，通過YAlMIP分別調(diào)用CPLEX求解器分別求解式(16)和式(17)所示的優(yōu)化模型，得到目標(biāo)函數(shù)f1和f2的最大值和最小值：F1max=16 795元，F(xiàn)1min=6 037.2元，F(xiàn)2max=0.181 8，F(xiàn)2min=0。進(jìn)一步設(shè)定目標(biāo)函數(shù)權(quán)重劃分段數(shù)j=100，γ{0, 0.01, … ,0.99, 1.00}，在各個(gè)權(quán)重下求解式(18)，得到居民用能優(yōu)化的Pareto前沿，如圖3所示。

圖3 區(qū)域居民用能優(yōu)化的Pareto前沿

由圖3可知，居民購(gòu)能成本與居民不舒適度成反比關(guān)系，居民不舒適度越低，需要的購(gòu)能成本越高。以居民購(gòu)能成本最低和居民不舒適度最小為目標(biāo)的單目標(biāo)優(yōu)化結(jié)果分別位于Pareto前沿的兩端。

進(jìn)一步，根據(jù)2.3節(jié)步驟3中的式(19)和式(20)，計(jì)算各個(gè)Pareto最優(yōu)解的滿意度，選取滿意度最大的優(yōu)化方案，作為最優(yōu)折中解，最優(yōu)折中解已在圖3中用紅色圓形標(biāo)識(shí)。最優(yōu)折中解下的居民用戶用能來源分布，如圖4所示。

由圖4可知，居民的電能供應(yīng)主要來自電網(wǎng)購(gòu)能和光伏發(fā)電，同時(shí)，電池儲(chǔ)能在電價(jià)高峰時(shí)段釋放小部分電能。用戶的熱能主要由居民的空調(diào)熱泵和熱水器供應(yīng)，在熱能需求高峰期(06:00—20:00)，燃?xì)忮仩t提供部分熱能，電鍋爐功率有限，供給的熱能較少。這是因?yàn)樘烊粴鈨r(jià)格比電價(jià)高，為節(jié)約用戶成本，優(yōu)先使用電能滿足用戶需求，當(dāng)電轉(zhuǎn)熱電器和設(shè)備(空調(diào)熱泵、熱水器和電鍋爐)產(chǎn)生的熱能無法滿足需求時(shí)，燃?xì)忮仩t開始工作供給熱能。

圖4 最優(yōu)折中解用戶用能來源分布

進(jìn)一步，對(duì)比分析單目標(biāo)優(yōu)化解和最優(yōu)折中解的優(yōu)化目標(biāo)值、購(gòu)電量、購(gòu)氣量對(duì)比如表1所示。

表1中，折中最優(yōu)解和f1最優(yōu)結(jié)果的購(gòu)電量一樣多，但折中最優(yōu)解的購(gòu)氣量高于f1最優(yōu)結(jié)果的購(gòu)氣量，這部分購(gòu)氣成本顯著降低了用戶的不舒適度；f2最優(yōu)結(jié)果用戶的不舒適度為0，但相比折中最優(yōu)解購(gòu)能成本多了一倍。最優(yōu)折中解可在節(jié)約用戶用能成本的同時(shí)，兼顧用戶不舒適度影響較小，相對(duì)單目標(biāo)優(yōu)化而言可綜合考慮多方面，可作為微能源網(wǎng)多目標(biāo)優(yōu)化調(diào)度方案。

表1 不同優(yōu)化目標(biāo)結(jié)果對(duì)比

3.3 對(duì)比分析

為分析居民用戶能源轉(zhuǎn)換電器在居民用能優(yōu)化改善中的作用，本節(jié)對(duì)比分析了本文所提方法與文獻(xiàn)[13]所提方法的應(yīng)用效果。文獻(xiàn)[13]將居民用能設(shè)定為固定負(fù)荷曲線，通過優(yōu)化DEC運(yùn)行實(shí)現(xiàn)居民用能優(yōu)化的目的。在3.1節(jié)算例數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，設(shè)定用戶使用的熱水和室內(nèi)溫度為理想溫度，根據(jù)式(8)計(jì)算得到用戶的熱負(fù)荷曲線，如附圖A5所示。文獻(xiàn)[13]應(yīng)用場(chǎng)景下，用戶的熱負(fù)荷完全由DEC中能源轉(zhuǎn)換設(shè)備供應(yīng)，為滿足用戶需求，此時(shí)需要加大能源轉(zhuǎn)換設(shè)備的容量，設(shè)備容量參數(shù)如附表A3所示。本文所提方法和文獻(xiàn)[13]在考慮用戶舒適性最優(yōu)下的用能成本情況如表2所示。

表2 2種方法用戶用能成本對(duì)比

由表2可知，本文所提方法的各項(xiàng)成本均低于文獻(xiàn)[13]中的用能優(yōu)化方案，其中本文所提方法的總成本相比文獻(xiàn)[13]所用方法降低了43.2%，反映了本文所提方法的優(yōu)越性。同時(shí)也表明，居民用戶能源轉(zhuǎn)換電器的重要作用，其和DEC優(yōu)化運(yùn)行，可有效減少居民用能的成本。

4 結(jié) 論

1)所構(gòu)建耦合DEC的居民用能模型，調(diào)整關(guān)系矩陣參數(shù)即可適應(yīng)不同場(chǎng)景，適用于復(fù)雜系統(tǒng)，具有通用性；

2)所提居民用能多目標(biāo)優(yōu)化模型，兼顧用戶的經(jīng)濟(jì)性和舒適性，能夠?yàn)橛脩籼峁┛紤]多要素的用能優(yōu)化方案；

3)空調(diào)熱泵、熱水器等居民能源轉(zhuǎn)換電器與DEC耦合協(xié)調(diào)運(yùn)行，可有效改善居民用能效益。

附錄A

表A1 能源轉(zhuǎn)換設(shè)備和電器參數(shù)

表A2 能源儲(chǔ)存設(shè)備參數(shù)

表A3 文獻(xiàn)[13]應(yīng)用場(chǎng)景下能源轉(zhuǎn)換設(shè)備和電器參數(shù)

圖A1 電價(jià)和天然氣價(jià)格時(shí)序曲線

圖A2 室外溫度和冷水溫度曲線

圖A3 居民電負(fù)荷和熱水需求量預(yù)測(cè)曲線

圖A4 光伏出力曲線

圖A5 用戶的熱負(fù)荷曲線

附錄B

定義能源功率向量如下：

(B1)

式中：HACH和HEWH分別為居民空調(diào)熱泵和熱水器的輸入功率；EEB,he、ECHP,he和EGB,he分別為電鍋爐、微型燃?xì)廨啓C(jī)和燃?xì)忮仩t的輸出的熱功率；ECHP,el為微型燃?xì)廨啓C(jī)輸出的電功率。

(B2)

(B3)

(B4)

(B5)

(B6)

(B7)