考慮供熱系統(tǒng)熱儲(chǔ)能特性的電-熱綜合系統(tǒng)隨機(jī)優(yōu)化調(diào)度模型研究

周 丹，孫 可，鄭朝明，陳錫祥，鄭偉民

（1.浙江工業(yè)大學(xué) 信息工程學(xué)院，浙江 杭州 310023；2.國網(wǎng)浙江省電力有限公司，浙江 杭州 310007）

0 引言

能源是人類生存和發(fā)展的基礎(chǔ)。隨著人類社會(huì)的不斷發(fā)展，能源危機(jī)日益凸顯，危及人類社會(huì)的持續(xù)發(fā)展[1]。以能源互聯(lián)網(wǎng)為核心的第三次工業(yè)革命正在不斷興起，為多種能源間的協(xié)調(diào)互補(bǔ)和梯級(jí)利用提供可能性[2]，[3]。綜合能源系統(tǒng)（Integrated Energy System，IES）作為能源互聯(lián)網(wǎng)的一種重要形式，具有重要的研究意義[4]。此外，可再生能源滲透率的不斷增加及其出力的隨機(jī)性，給綜合能源系統(tǒng)的運(yùn)行帶來了極大的挑戰(zhàn)[5]?？紤]風(fēng)電出力隨機(jī)性的綜合能源系統(tǒng)協(xié)同運(yùn)行已成為該領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。

熱能具有傳輸損耗大、可有效存儲(chǔ)的特性，與電能形成天然互補(bǔ)，因此，電-熱綜合能源系統(tǒng)已經(jīng)成為研究熱點(diǎn)[6]～[9]。文獻(xiàn)[6]采用自適應(yīng)實(shí)值編碼遺傳算法對(duì)含熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組的電-熱綜合能源系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)度分析。文獻(xiàn)[7]采用蜂群優(yōu)化算法，以電-熱綜合能源系統(tǒng)總運(yùn)行成本最低為目標(biāo)，尋找熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組最優(yōu)運(yùn)行點(diǎn)。文獻(xiàn)[8]和文獻(xiàn)[9]分別通過配置儲(chǔ)熱裝置和電鍋爐裝置來提升熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組的調(diào)節(jié)能力。以上文獻(xiàn)均以電力系統(tǒng)為主體，僅考慮分析了電、熱系統(tǒng)間的相互影響制約關(guān)系，對(duì)熱力系統(tǒng)只考慮了熱力平衡這一約束條件，并未在模型中考慮熱力網(wǎng)絡(luò)約束條件的影響。

熱力系統(tǒng)通?？煞譃橐淮喂芫W(wǎng)和二次管網(wǎng)，中間以換熱站作為連接，熱力系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)通?？杀豢醋鳛橐粋€(gè)流體網(wǎng)絡(luò)，即把供熱管道看作支路，把熱源、熱交換站和熱負(fù)荷看作節(jié)點(diǎn)，從而構(gòu)成有向拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖[10]，[11]。此外，文獻(xiàn)[12]從能量流出發(fā)，分析了熱力系統(tǒng)中基本元件的熱量傳遞過程，提出了一種電-熱綜合能源系統(tǒng)的優(yōu)化模型。文獻(xiàn)[13]從穩(wěn)態(tài)角度推導(dǎo)了熱力系統(tǒng)中能量的傳遞方程式和網(wǎng)絡(luò)方程。但是，上述文獻(xiàn)只描述了電-熱綜合系統(tǒng)間的靜態(tài)轉(zhuǎn)換關(guān)系，忽略了熱力系統(tǒng)中存在的熱慣性動(dòng)態(tài)特性。

文獻(xiàn)[14]通過實(shí)驗(yàn)，證明了供熱系統(tǒng)中的熱源供熱量在十幾到幾十分鐘的時(shí)間尺度內(nèi)波動(dòng)，不會(huì)對(duì)用熱負(fù)荷造成可察覺的影響。文獻(xiàn)[15]在模型中考慮了集中供熱系統(tǒng)的蓄熱特性，建立了熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組的多時(shí)間尺度調(diào)度模型。文獻(xiàn)[16]分析了供熱系統(tǒng)的輸送容量、輸送延時(shí)、輸送損耗等條件對(duì)電-熱能源集成系統(tǒng)運(yùn)行結(jié)果的影響，同時(shí)分析了不同運(yùn)行方式對(duì)風(fēng)電消納的影響。文獻(xiàn)[17]針對(duì)供熱系統(tǒng)中的響應(yīng)特性，提出了多時(shí)間尺度下的協(xié)調(diào)模型。以上文獻(xiàn)均考慮了熱力系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性及其在電-熱系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度中所起到的作用。然而，風(fēng)電等可再生能源具有隨機(jī)性和出力不確定性，對(duì)電-熱綜合能源系統(tǒng)運(yùn)行產(chǎn)生的影響是不可忽略的。

針對(duì)上述研究存在的問題，本文采用隨機(jī)優(yōu)化方法對(duì)電-熱綜合能源系統(tǒng)所包含的風(fēng)電隨機(jī)性進(jìn)行描述，采用基于多場(chǎng)景的方法模擬風(fēng)電不確定性，構(gòu)建了優(yōu)化調(diào)度模型。首先，對(duì)供熱系統(tǒng)的熱源、熱交換站節(jié)點(diǎn)和一次管網(wǎng)進(jìn)行了數(shù)學(xué)建模，分析了供熱系統(tǒng)的熱傳輸延時(shí)和熱損耗等動(dòng)態(tài)特性；其次，給出了電-熱綜合能源系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)圖，搭建了包含風(fēng)電不確定性的電-熱綜合能源系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度模型，模型以綜合能源系統(tǒng)總購能成本最低為目標(biāo)函數(shù)，以電力系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)約束、熱力系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)約束和耦合裝置運(yùn)行約束為約束條件；最后，在IEEE33節(jié)點(diǎn)和6節(jié)點(diǎn)熱力系統(tǒng)上進(jìn)行了算例分析，在分時(shí)電價(jià)環(huán)境下，分析了供熱系統(tǒng)熱儲(chǔ)能特性，并驗(yàn)證了模型的有效性。

1 供熱系統(tǒng)建模

供熱系統(tǒng)一般由供熱源、熱能傳輸管道、熱交換站和熱負(fù)荷組成。供熱系統(tǒng)又可以分為一次管網(wǎng)和二次管網(wǎng)（圖1）。熱交換站在一次管網(wǎng)中相當(dāng)于負(fù)荷，在二次管網(wǎng)中相當(dāng)于熱源，一次管網(wǎng)和二次管網(wǎng)通過熱交換站實(shí)現(xiàn)熱量交換。

圖1 供熱系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Basic structure of the thermal system

由于供熱網(wǎng)的熱延時(shí)性主要體現(xiàn)在一次管網(wǎng)中，故在本文的電-熱綜合能源系統(tǒng)中，主要考慮一次管網(wǎng)，即考慮將熱交換站作為負(fù)荷分析。熱能傳輸管道通常包含供水管網(wǎng)管道和回水管網(wǎng)管道，傳熱介質(zhì)通過供熱管網(wǎng)將熱量傳輸給熱負(fù)荷，然后通過回水管道回到熱源處，重新獲得熱量，從而形成循環(huán)。

1.1 熱源與熱交換站節(jié)點(diǎn)模型

在供熱系統(tǒng)中，在t時(shí)刻熱源節(jié)點(diǎn)i供應(yīng)熱量為QiRY（t），將回水管道中流回質(zhì)量流量為qiRY（t）的介質(zhì)從回水溫度 Tiret（t）提升至供水溫度然后通過供水管道流出，供應(yīng)下一階段的熱量需求：

式中：c為水的比熱容，c=4.2 kJ/（kg·℃）。

在一次管網(wǎng)中，熱交換站相當(dāng)于熱負(fù)荷，在t時(shí)刻節(jié)點(diǎn)i消耗從供水管道流出的熱量使質(zhì)量流量為的傳熱介質(zhì)溫度從供水溫度降低為回水溫度：

在二次管網(wǎng)中，熱交換站與用戶熱負(fù)荷間須滿足能量守恒：

式中：Qload（t）為 t時(shí)段的計(jì)算熱負(fù)荷，kW；T為調(diào)度時(shí)間。

1.2 一次熱網(wǎng)模型

供熱系統(tǒng)一次網(wǎng)絡(luò)中通?？梢杂霉?jié)點(diǎn)質(zhì)量守恒方程、節(jié)點(diǎn)溫度混合方程、供熱管道運(yùn)輸準(zhǔn)動(dòng)態(tài)方程和供水、回水溫度約束條件進(jìn)行描述。

（1）節(jié)點(diǎn)質(zhì)量守恒方程

在一次熱網(wǎng)中的每個(gè)節(jié)點(diǎn)的流入、流出質(zhì)量須保持不變：

（2）節(jié)點(diǎn)溫度混合方程

實(shí)際上每根供熱管道中的熱水溫度都不相同，不同溫度的熱水匯入到一個(gè)節(jié)點(diǎn)，混合后的節(jié)點(diǎn)溫度為

式中：Tj，tOUT為第t時(shí)段管道j出口的混合熱水溫度；Tk，tIN為第t時(shí)段匯入管道k中的熱水溫度。

（3）供熱管道運(yùn)輸準(zhǔn)動(dòng)態(tài)方程

在供熱管道中，由于熱水水溫變化緩慢，從入口處流入熱水的溫度變化將會(huì)緩慢地拓展到出口處，具有一定的傳輸時(shí)延。同時(shí)，由于供熱管道與周圍環(huán)境溫度存在差異，熱水會(huì)在流動(dòng)過程中產(chǎn)生熱量損失。因此，本文借鑒文獻(xiàn)[18]的供熱延時(shí)處理方法，通過傳輸時(shí)延τ和管道入口處水溫歷史數(shù)據(jù)的時(shí)間序列，結(jié)合傳輸過程中產(chǎn)生的熱量損失，計(jì)算管道出口處的水溫。該計(jì)算程序是先在不考慮熱量損耗的情況下，計(jì)算管道出口溫度；再在考慮管道熱量損失下，計(jì)算管道出口溫度。

圖2 供熱管道截面圖Fig.2 Vertical section of the thermal pipeline

如圖2所示，在一根長為lj的供熱管道j中，假定將調(diào)度周期T平均劃分為N個(gè)Δt部分，每個(gè)部分的質(zhì)量流量為ms。在陰影部分，其傳輸延時(shí)介于τk和τk+1之間，其質(zhì)量流量由msk和msk+1中各取一部分組成，因此管道出口處水溫可由陰影部分的Δms1和Δms2的加權(quán)平均值表示：

式中：C1，C2為權(quán)重系數(shù)，本文 C1，C2均選取值為0.5。

由于具有時(shí)延效應(yīng)，msk處流入管道的水溫應(yīng)該是在t-τk時(shí)刻管道入口處的水溫；msk+1處流入管道的溫度應(yīng)該是在t-τk+1時(shí)刻管道入口處的水溫。

由于管道與周圍環(huán)境溫差而產(chǎn)生的管道傳輸熱量損失：

式中：kj為管道漏熱損失系數(shù)，W/（m·℃）；Tam為管道周圍環(huán)境溫度，℃。

考慮時(shí)延效應(yīng)，可將式（7）修改為

將上述兩式帶入式（6），可得考慮熱損失和傳輸時(shí)延下的管道出口處溫度方程式。

從供熱管道運(yùn)輸準(zhǔn)動(dòng)態(tài)方程式的分析可以看出，由于考慮了傳輸時(shí)延，管道入口處和出口處的介質(zhì)熱量在同一時(shí)刻并不相等，這種特性與儲(chǔ)能元件相似，故相關(guān)研究將此種特性稱之為虛擬熱儲(chǔ)能動(dòng)態(tài)特性。

（4）供、回水溫度約束

為了使供熱網(wǎng)絡(luò)能夠保持一定供熱效果，管道的供水溫度和回水溫度都須保持在一定限制內(nèi)，即：

2 考慮熱儲(chǔ)能下的電-熱綜合系統(tǒng)調(diào)度模型

2.1 電-熱綜合系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)

電力系統(tǒng)傳輸快、不易存儲(chǔ)，熱力系統(tǒng)傳輸消耗大、可有效存儲(chǔ)，這兩種能源可有效互補(bǔ)。圖3為電-熱綜合能源系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)圖。電-熱綜合能源系統(tǒng)主要包括配電網(wǎng)、風(fēng)電機(jī)組、熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組、熱泵等單元，各單元通過熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組和熱泵設(shè)備耦合。

圖3 電-熱綜合能源系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Structure of integrated electricity-heat system

2.2 多場(chǎng)景法

風(fēng)電具有出力不確定性，對(duì)電-熱綜合能源系統(tǒng)的調(diào)度將產(chǎn)生影響。本文采用多場(chǎng)景法處理風(fēng)電不確定性，通過可能出現(xiàn)的風(fēng)電出力場(chǎng)景進(jìn)行模擬，將不確定性因素轉(zhuǎn)化為多個(gè)確定性場(chǎng)景問題。

本文假定風(fēng)電出力波動(dòng)滿足正態(tài)分布，采用蒙特卡洛法生產(chǎn)大量樣本場(chǎng)景，模擬風(fēng)電出力的可能狀態(tài)。采用K-means聚類算法將產(chǎn)生的大量風(fēng)電出力樣本場(chǎng)景削減成S個(gè)，以降低計(jì)算量，削減后獲得每個(gè)典型場(chǎng)景的概率分布為{ps}[19]。

2.3 目標(biāo)函數(shù)

考慮熱儲(chǔ)能特性的電-熱綜合系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度的運(yùn)行成本包括從上游電網(wǎng)購電費(fèi)用、天然氣購買費(fèi)用和棄風(fēng)成本：

式中：λele（t）為 t時(shí)刻主網(wǎng)的分時(shí)電價(jià)，元/（kW·h）；λgas（t）為 t時(shí)刻購買天然氣的價(jià)格，元/m3； PGrids（t）為t時(shí)刻在s場(chǎng)景下區(qū)域綜合能源系統(tǒng)向主網(wǎng)購買的電量，kW，PGrids（t）為正時(shí)表示向主網(wǎng)購買電量，PGrids（t）為負(fù)時(shí)表示向主網(wǎng)銷售電量；VCHPs（t）為t時(shí)刻在s場(chǎng)景下熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組的天然氣消耗量，m3；N為總節(jié)點(diǎn)數(shù)；Kloss為網(wǎng)損電價(jià)；c（i）為所有以i為首端節(jié)點(diǎn)的末端節(jié)點(diǎn)集合；Iijs（t）為支路ij在 t時(shí)刻s場(chǎng)景下流過的電流；rij為支路ij的電阻。

2.4 約束條件

考慮熱儲(chǔ)能特性的電-熱綜合系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度模型約束條件包括電功率平衡約束、電網(wǎng)潮流約束、熱功率平衡約束、熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組約束和熱泵裝置約束。

（1）電功率平衡約束

電力系統(tǒng)側(cè)的有功輸出和有功需求須滿足供需平衡，即：

式中：PCHPs（t）為t時(shí)刻在s場(chǎng)景下熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組發(fā)出的有功功率；Pd（t）為 t時(shí)刻有功負(fù)荷；Prehs（t）為t時(shí)刻s場(chǎng)景下熱泵裝置的電功率。

（2）電網(wǎng)潮流約束

δ（j）是以j為首端節(jié)點(diǎn)的支路末端節(jié)點(diǎn)集合，π（j）是以j為末端節(jié)點(diǎn)的支路首端節(jié)點(diǎn)集合：

式中：rij，xij為節(jié)點(diǎn)阻抗矩陣；Pjk，t，Qjk，t為 t時(shí)刻節(jié)點(diǎn) j的流出功率；Pij，t，Qij，t為 t時(shí)刻節(jié)點(diǎn) j的流入功率；B為網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點(diǎn)集合；E為網(wǎng)絡(luò)中所有支路集合；ΔPj，t，ΔQj，t為 t時(shí)刻節(jié)點(diǎn) j的凈注入功率。

（3）熱功率平衡約束

熱力系統(tǒng)側(cè)的熱出力和熱負(fù)荷須滿足能量守恒，即：

式中：QCHPs（t），Qrehs（t）分別為 t時(shí)刻 s 場(chǎng)景下熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組和熱泵裝置的熱出力，kW。

（4）熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組約束

熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組是消耗天然氣同時(shí)產(chǎn)生電、熱的設(shè)備，是電力系統(tǒng)和熱力系統(tǒng)間的耦合裝置。假設(shè)本文熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組為背壓式，其熱、電出力滿足一定的正比例變化，如式（19），（20）所示。式（21）表示熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組的出力約束；式（22）表示機(jī)組的爬坡約束。

式中：kCHP為熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組的熱電比，取1.11；ηCHP為熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組的效率，取0.69；H為天然氣的高熱值，取 9.88 kW·h/m3；PCHP，imax，PCHP，imin分別為熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組出力約束的上、下限；UR，imax，DR，imax分別為最大上調(diào)、下調(diào)功率。

（5）熱泵裝置約束

熱泵裝置是消耗電能產(chǎn)生熱能的裝備，其消耗電功率和熱出力須滿足式（23），（24）：

式中：ηreg為熱泵電熱轉(zhuǎn)換系數(shù)，取2.5；Qregmax為熱泵的熱出力上限。

其他關(guān)于熱網(wǎng)的約束條件如式 （1）～（12）所示。

3 算例分析

3.1 算例系統(tǒng)

本文算例由IEEE33節(jié)點(diǎn)電力系統(tǒng)和6節(jié)點(diǎn)熱力系統(tǒng)構(gòu)成，其結(jié)構(gòu)如圖4所示。在熱力系統(tǒng)側(cè)包括Nd1處的熱交換首站，Nd4，Nd5和Nd6處的換熱站。熱負(fù)荷分別設(shè)在Nd4，Nd5和Nd6處。6節(jié)點(diǎn)熱力系統(tǒng)的其他參數(shù)見表1。

圖4 IEEE33節(jié)點(diǎn)綜合能源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Structure diagram of integrated system

表1 6節(jié)點(diǎn)熱力系統(tǒng)參數(shù)Table 1 Parameters of six-node heating system

管道損失系數(shù)設(shè)為2 W/（m·℃）。電、熱負(fù)荷及室外溫度曲線如圖5所示。此外，天然氣價(jià)格設(shè)為3.45元/m3；設(shè)τ=3?；厮疁囟鹊纳稀⑾孪薹謩e設(shè)定為40℃和70℃，供水溫度上、下限分別設(shè)定為55℃和100℃。

圖5 電、熱負(fù)荷及室溫曲線圖Fig.5 The curves of electricity，heating loads and outside temperature

電力系統(tǒng)的分時(shí)電價(jià)如圖6所示。

圖6 分時(shí)電價(jià)Fig.6 Time-of-use electricity price

3.2 風(fēng)電隨機(jī)場(chǎng)景生成結(jié)果

在圖 4 所示的配電網(wǎng)上，6 個(gè)節(jié)點(diǎn)（5，9，14，20，28和32節(jié)點(diǎn)）均接入了分布式風(fēng)電機(jī)組。為簡(jiǎn)化分析，假定6個(gè)配電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)所接入的風(fēng)電機(jī)組的預(yù)測(cè)出力值相同。設(shè)定風(fēng)電隨機(jī)出力滿足正態(tài)分布，以風(fēng)電預(yù)測(cè)值為均值，以0.25倍均值為方差產(chǎn)生100 000個(gè)風(fēng)電出力場(chǎng)景，然后采用Kmeans聚類算法將其削減為6個(gè)典型場(chǎng)景，由此獲得每個(gè)典型場(chǎng)景的概率分布{ps}。以配電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)5上的風(fēng)電機(jī)組為例進(jìn)行聚類分析，獲得了6個(gè)典型場(chǎng)景出力曲線，給出了6類典型風(fēng)電場(chǎng)景的出力值及各場(chǎng)景下的最大、最小邊界值（圖7）。

圖7 6類典型場(chǎng)景下聚類結(jié)果Fig.7 The clustering results of six typical wind scenarios

由圖7可以看出，風(fēng)電典型場(chǎng)景主要在1：00-7：00 和 18：00-20：00 的出力值有明顯差異，其余時(shí)刻的風(fēng)電出力情況基本相似。

由聚類方法獲得6個(gè)典型場(chǎng)景的概率分布{ps}列于表 2。

表2 6類典型場(chǎng)景的概率值Tab.2 The probability results of the six typical scenarios

3.3 隨機(jī)優(yōu)化調(diào)度結(jié)果

為分析考慮供熱系統(tǒng)熱儲(chǔ)能特性對(duì)電-熱綜合能源系統(tǒng)調(diào)度結(jié)果的影響，設(shè)置了以下兩種場(chǎng)景進(jìn)行分析。場(chǎng)景1：不考慮熱儲(chǔ)能特性下的電-熱綜合能源系統(tǒng)隨機(jī)優(yōu)化調(diào)度；場(chǎng)景2：考慮供熱系統(tǒng)熱儲(chǔ)能特性下的電-熱綜合能源系統(tǒng)隨機(jī)優(yōu)化調(diào)度。

上述兩種場(chǎng)景均在6類典型風(fēng)電場(chǎng)景下，按照表2中的概率分布值，以式（13）為目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算。

表3給出了兩種場(chǎng)景下的天然氣購買成本和主網(wǎng)購電成本的計(jì)算結(jié)果?？紤]了供熱系統(tǒng)熱儲(chǔ)能特性下的綜合能源系統(tǒng)的總運(yùn)行成本更低，減少了4.86%。場(chǎng)景2中向主網(wǎng)的購電成本為23 628元，與場(chǎng)景1相比減少費(fèi)用22.04%。場(chǎng)景2中的熱泵裝置購電成本與場(chǎng)景1相比有所上升。

表3 兩種場(chǎng)景下的購能成本Table 3 Costs under two scenarios 元

圖8所示為兩種算例場(chǎng)景下的系統(tǒng)熱出力計(jì)算結(jié)果。場(chǎng)景1的系統(tǒng)熱出力主要表現(xiàn)為跟隨熱負(fù)荷需求，可調(diào)性很差，出力波動(dòng)十分局限；場(chǎng)景2的系統(tǒng)熱出力和熱需求明顯不同步，主要在 1：00-8：00 和 11：00 以后。

圖8 兩種算例場(chǎng)景下系統(tǒng)熱出力結(jié)果Fig.8 The results of heat output under two scenarios

為分析內(nèi)部各裝置的作用，圖9和圖10給出了兩個(gè)算例場(chǎng)景下的熱出力。

圖9 場(chǎng)景1下各裝置熱出力柱狀圖Fig.9 The heat output under scenario 1

圖10 場(chǎng)景2下各裝置熱出力柱狀圖Fig.10 The heat output under scenario 2

由圖9，10可知，熱泵裝置在兩個(gè)算例場(chǎng)景 下的熱出力都主要在 1：00-8：00和 23：00-24：00。這是因?yàn)樵摃r(shí)段的實(shí)時(shí)電價(jià)低于天然氣價(jià)格，在滿足電網(wǎng)潮流約束條件的前提下，通過熱泵裝置供熱的經(jīng)濟(jì)性更好；在實(shí)時(shí)電價(jià)高于天然氣價(jià)格時(shí)，通過熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組供熱的成本更低。

另外，在場(chǎng)景 2 的 1：00-8：00，綜合系統(tǒng)中熱泵裝置和熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組的熱出力之和低于熱負(fù)荷需求，此時(shí)供熱網(wǎng)絡(luò)發(fā)揮了“熱儲(chǔ)能”的作用，將管道中因?yàn)闊嵫訒r(shí)存儲(chǔ)的熱量釋放，熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組也因此時(shí)段天然氣價(jià)格較高而降低出力。在11：00-21：00，綜合能源系統(tǒng)的熱出力大于熱需求，說明除了供應(yīng)熱需求之外，還有大量的熱出力被存儲(chǔ)在了供熱管道中，相當(dāng)于“熱儲(chǔ)能”的充能過程。由于該時(shí)段天然氣價(jià)格低于實(shí)時(shí)電價(jià)，因此熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組被充分利用于發(fā)電和供熱。因此，供熱系統(tǒng)熱儲(chǔ)能特性主要利用熱網(wǎng)的延時(shí)性，通過對(duì)系統(tǒng)內(nèi)能源設(shè)備的調(diào)度，將一部分熱出力從電價(jià)較低的時(shí)段平移到電價(jià)較高的時(shí)段，從而打破實(shí)時(shí)供需平衡，提高綜合能源系統(tǒng)的運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性。

圖11顯示了當(dāng)回水溫度下限固定為40℃，改變回水溫度的上限時(shí)，綜合能源系統(tǒng)的總運(yùn)行成本。由圖11可知，隨著回水溫度上限的逐漸提高，綜合能源系統(tǒng)的總運(yùn)行成本逐漸降低。這是因?yàn)楣嵯到y(tǒng)的熱存儲(chǔ)能力逐漸增大，而成本降低的效果逐漸緩慢?；厮疁囟鹊奶嵘龑?duì)應(yīng)著供水溫度的提升，過高的供水溫度將不利于供熱系統(tǒng)的安全運(yùn)行。

圖11 不同回水溫度下總成本值Fig.11 Cost under different return temperature

4 結(jié)論

本文以熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組和熱泵裝置為耦合元件，充分考慮分布式風(fēng)電出力不確定性問題，提出了考慮供熱系統(tǒng)熱儲(chǔ)能特性下的電-熱綜合能源系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度模型。通過算例分析得出如下結(jié)論。

①供熱系統(tǒng)的供水管道具有熱儲(chǔ)能特性，在進(jìn)行電-熱綜合能源系統(tǒng)的協(xié)同調(diào)度分析時(shí)，不可忽略其對(duì)調(diào)度過程產(chǎn)生的影響。

②熱網(wǎng)管道具有一定的熱延時(shí)性，即具有儲(chǔ)能元件的特性。在實(shí)時(shí)電價(jià)環(huán)境中，通過對(duì)電價(jià)的響應(yīng)機(jī)制以及綜合系統(tǒng)內(nèi)部各裝置間的出力協(xié)調(diào)，可起到一定的削峰填谷作用，從而降低綜合能源系統(tǒng)總運(yùn)行成本。

③供熱系統(tǒng)的儲(chǔ)熱能力與供、回水管道溫度限制相關(guān)，即溫差越大，儲(chǔ)熱能力越大。但出于對(duì)供熱系統(tǒng)安全性考慮，供水溫度不宜選擇過高。