激勵CCHP參與需求側(cè)管理雙向峰谷定價模型

范 龍，李獻梅，陳躍輝，陳彥秀，周任軍

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激勵CCHP參與需求側(cè)管理雙向峰谷定價模型

范 龍1，李獻梅2，陳躍輝1，陳彥秀1，周任軍1

(1.智能電網(wǎng)運行與控制湖南省重點實驗室(長沙理工大學(xué))，湖南 長沙 410114；2.國網(wǎng)湖南省電力公司益陽供電公司, 湖南 益陽 413100)

削峰填谷是需求側(cè)管理的主要目標(biāo)，而峰谷電價是激勵用戶參與削峰填谷的有效措施。由于冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)的運行特點，針對其制定雙向峰谷定價將更為有效，激勵其獲取良好經(jīng)濟性，改變其供能方案和購售電交易計劃，從而改變其接入電網(wǎng)母線的日負荷曲線。通過基于最小二乘法的誤差相對值刻畫日負荷與其均值的偏離程度，定義該誤差值的變化率作為負荷曲線滿意度；統(tǒng)一電價和峰谷電價條件下，比較聯(lián)供系統(tǒng)經(jīng)濟性差異，定義冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)滿意度。為了綜合考慮聯(lián)供系統(tǒng)的調(diào)節(jié)效果，建立聯(lián)供系統(tǒng)與負荷曲線的聯(lián)合滿意度為目標(biāo)的峰谷定價模型。仿真結(jié)果表明，雙向計量峰谷電價的合理定價，可促使聯(lián)供系統(tǒng)調(diào)整調(diào)度方案，并獲取改善的母線負荷曲線。均衡權(quán)重的聯(lián)合滿意度模型所定峰谷電價比不同權(quán)重的更能使聯(lián)供系統(tǒng)積極響應(yīng)，削峰填谷效果更優(yōu)。

冷熱電聯(lián)供；峰谷電價；削峰填谷；負荷曲線滿意度；冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)滿意度

0 引言

冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)(Combined cooling heating and power，CCHP)是供冷、供熱和供電一體化的多聯(lián)供系統(tǒng)，能實現(xiàn)能源的梯級利用，經(jīng)濟、環(huán)保、削峰填谷且能實現(xiàn)能源高效利用[1-2]。CCHP接入電網(wǎng)運行時既向主網(wǎng)購電，又可以向主網(wǎng)售電[3]，其購售電量與其原接入電網(wǎng)母線負荷疊加，將直接影響其接入電網(wǎng)母線的負荷曲線性狀。

聯(lián)供系統(tǒng)為獲取最優(yōu)經(jīng)濟效益將響應(yīng)電價改變其供能方案[4]，尤其是購售電交易計劃。峰谷電價更是能激勵用戶積極參與削峰填谷[5]，因此，通過制定電網(wǎng)與聯(lián)供系統(tǒng)間的雙向峰谷電價，可激勵聯(lián)供系統(tǒng)獲取最優(yōu)經(jīng)濟性、同時改善接入電網(wǎng)母線的負荷曲線性狀(即削峰填谷)。電網(wǎng)為達到改善負荷曲線的目標(biāo)采取各種措施中[6-7]，峰谷電價是直接的經(jīng)濟激勵措施，目前，峰谷定價問題主要針對只消耗電能的一般電力用戶[8-9]，對于CCHP這類具有靈活調(diào)節(jié)供能方案的用戶的定價問題鮮見報道，由于聯(lián)供系統(tǒng)靈活調(diào)節(jié)的用能特性，針對其制定雙向峰谷電價新型且有效，且隨著聯(lián)供系統(tǒng)逐漸推廣，研究含冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)的峰谷定價是十分必要的。

合理定價才能使電網(wǎng)母線負荷曲線與聯(lián)供系統(tǒng)均達到滿意的效果，峰谷定價模型中需綜合考慮電網(wǎng)負荷曲線與聯(lián)供系統(tǒng)雙方滿意的條件。從削峰填谷角度，改善母線負荷曲線能緩解需求側(cè)電力供需矛盾、提高設(shè)備利用率、降低能耗等[10-11]，且同時為電網(wǎng)帶來潛在的經(jīng)濟效益[12-13]，彌補峰谷電價下電網(wǎng)公司可能的購售電經(jīng)濟損失。根據(jù)負荷曲線的改善效果定義電網(wǎng)負荷曲線滿意度指標(biāo)。對于聯(lián)供系統(tǒng)，經(jīng)濟性是其關(guān)注的重點[14-15]，峰谷定價時，聯(lián)供系統(tǒng)較統(tǒng)一電價相比所得經(jīng)濟效益更是激勵其調(diào)節(jié)用能的主要動力，其滿意度則根據(jù)峰谷電價前后的經(jīng)濟性比較來定義。電網(wǎng)和CCHP利益不在一個數(shù)量級，而電網(wǎng)與CCHP滿意度均為無量綱數(shù)值，方便加權(quán)計算。

為調(diào)動聯(lián)供系統(tǒng)參與削峰填谷的積極性，需建立兼顧電網(wǎng)負荷曲線和聯(lián)供系統(tǒng)的聯(lián)合滿意度定價模型，從而制定雙向峰谷電價，得到聯(lián)供系統(tǒng)響應(yīng)后的供能方案和削峰填谷后的負荷曲線。

1 負荷曲線滿意度指標(biāo)

1.1 負荷誤差相對值

日負荷曲線對電力系統(tǒng)的運行非常重要，電力調(diào)度部門以此為依據(jù)安排發(fā)電計劃和運行方式等。

數(shù)學(xué)上，方差用來刻畫變量偏離其均值的程度，由此，用其量化評估接入母線負荷曲線的性狀，體現(xiàn)負荷曲線的平坦程度，但該方差不能很好地描述改善后日負荷曲線與原負荷曲線均值的差值。因此，定義基于最小二乘法的負荷絕對差值來描述負荷曲線與原均值的偏離程度，進而表達削峰填谷效果更加合理。

圖1 接入母線原負荷曲線與均值直線示意圖

原接入母線負荷絕對誤差值和接入CCHP系統(tǒng)后產(chǎn)生的新接入母線負荷絕對誤差值表達式分別為

(2)

1.2 負荷曲線滿意度

冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)接入電網(wǎng)后，對原接入電網(wǎng)母線負荷進行了調(diào)整，使其盡量接近原負荷曲線均值，其效果的程度需要用相應(yīng)的數(shù)據(jù)值來定量表達。

以未接入聯(lián)供系統(tǒng)調(diào)整接入電網(wǎng)母線負荷時，原負荷與均值的誤差值為基準(zhǔn)，定義電網(wǎng)母線負荷曲線滿意度為

通過該量化指標(biāo)來評價聯(lián)供系統(tǒng)對接入電網(wǎng)母線處負荷削峰填谷效果的強弱。為無量綱數(shù)值，用百分數(shù)表示，其值越大表明負荷曲線改善效果越好，電網(wǎng)越滿意。

2 CCHP經(jīng)濟性滿意度指標(biāo)

2.1 CCHP經(jīng)濟性

(1) 峰谷電價下的經(jīng)濟性描述

a、燃料成本

具體表達式分別為

(6)

b、碳排放成本

c、購售電成本

購售電成本受電價和購售電功率的相互影響。購售電成本包括買電帶來的成本和賣電帶來的收益為

(2) 統(tǒng)一電價下的經(jīng)濟性描述

當(dāng)采用統(tǒng)一電價時，聯(lián)供系統(tǒng)燃料成本與碳排放成本的表達式不變，其購售電成本表達式為

則固定電價下聯(lián)供系統(tǒng)總成本為

2.2 CCHP滿意度

以聯(lián)供系統(tǒng)在統(tǒng)一電價下的經(jīng)濟性為基準(zhǔn)，建立其對所確定峰谷電價滿意度的量化指標(biāo)，即實施峰谷電價后CCHP的總成本與采用統(tǒng)一電價時其總成本的百分比值。

3 考慮負荷曲線與CCHP聯(lián)合滿意度的峰谷定價模型

3.1 聯(lián)合滿意度函數(shù)

為了考慮CCHP對電價的積極響應(yīng)，在模型中應(yīng)兼顧電網(wǎng)和CCHP的滿意度，得到如式(13)峰谷定價優(yōu)化模型。

3.2 約束條件

CCHP接入電網(wǎng)運行時，采用“以熱定電”運行策略有更好的效益[3]，即優(yōu)先滿足系統(tǒng)的熱負荷，電出力在可行域內(nèi)優(yōu)化。為簡便起見，可選用熱電比直接描述熱電出力限制，熱電比即[14]，則可行域約束可表示為。若熱負荷超過了最大熱出力，超過的熱負荷由輔助鍋爐供應(yīng)。

除滿足可行域約束還需滿足電、熱平衡約束、機組出力約束，電價和購售電功率的限制。

電能平衡約束為

熱能平衡約束為

(15)

各機組出力約束為

(17)

(18)

電價上下限約束為

(20)

購售電功率約束為

4 算例分析

4.1 算例及參數(shù)

以某地區(qū)接入電網(wǎng)的聯(lián)供系統(tǒng)基本參數(shù)進行分析。算例數(shù)據(jù)包括CCHP電、熱負荷曲線及風(fēng)機預(yù)測出力。接入母線負荷曲線為某段時期內(nèi)提取特征量后具有一般性的日負荷曲線，未來面向?qū)崟r市場時可直接用每日負荷預(yù)測曲線，制定每日實時電價。峰、平、谷時段的劃分分別為，峰時段：10:00~ 15:00、20:00~24:00；平時段：07:00~10:00、18:00~20:00；谷時段：00:00~07:00、15:00~18:00。

圖2 CCHP與接入母線日負荷曲線

冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)由風(fēng)機和4臺燃氣輪機滿足電、熱負荷，其中熱量單位均用千瓦來計量?；緟?shù)如表1。輔助鍋爐基本參數(shù)及出力限制如表2。

表1 燃氣輪機基本參數(shù)

表2 輔助鍋爐基本參數(shù)及出力限制

功率交換的限制為-200 kW、200 kW；電價上、下限限制分別為1.5元、0.2元；燃氣輪機1、2出力限制分別為100 kW、5 kW，燃氣輪機3、4出力限制分別為60 kW、5 kW；熱電比限制為。

為分析CCHP系統(tǒng)對優(yōu)化所得峰谷電價的響應(yīng)情況，分別選取A、B、C三種典型情況分析，其中：A為負荷曲線滿意度權(quán)重，CCHP滿意度權(quán)重；B為負荷曲線滿意度權(quán)重，CCHP滿意度權(quán)重；C為負荷曲線滿意度權(quán)重，CCHP滿意度權(quán)重。

4.2 算例仿真結(jié)果

對A、B、C三種情況，采用序列二次規(guī)劃優(yōu)化算法，按文中所提出的負荷曲線與CCHP聯(lián)合滿意度的峰谷定價的優(yōu)化模型，計算CCHP購、售電峰谷電價，結(jié)果列于表3；電網(wǎng)滿意度與CCHP滿意度比較，結(jié)果列于表4。

表3 CCHP購、售電峰谷價格

表4 電網(wǎng)滿意度與CCHP滿意度比較

各權(quán)重下聯(lián)供系統(tǒng)響應(yīng)雙向峰谷電價后接入母線負荷曲線及購售電功率響應(yīng)結(jié)果如圖3。其中，均衡權(quán)重的聯(lián)合滿意度模型(即C，、)優(yōu)化所得聯(lián)供系統(tǒng)調(diào)度各機組出力如圖4所示，CCHP系統(tǒng)的電能平衡和熱能平衡分別如圖5、圖6所示。

4.3 結(jié)果分析

(1) 聯(lián)供機組出力及購售電功率分析

由圖3可見，新的負荷曲線較原負荷曲線更加平緩。峰時段，聯(lián)供系統(tǒng)均有能力“削峰”。結(jié)合表4數(shù)據(jù)，負荷曲線滿意度指標(biāo)能夠反映圖3中各類曲線的平坦程度，驗證了負荷曲線滿意度指標(biāo)的準(zhǔn)確性，進而驗證了含負荷曲線與CCHP聯(lián)合滿意度的峰谷定價模型的有效性。

由圖5電能平衡、圖6熱能平衡可知，在時段9:00~14:00，聯(lián)供系統(tǒng)熱負荷達到高峰，此時需輔助鍋爐補充，燃氣輪機全部最大出力，多余的電能反饋給電網(wǎng)；在谷時段，聯(lián)供系統(tǒng)購電可“填谷”，在時段00:00~07:00，聯(lián)供系統(tǒng)的熱、電負荷均不高，購電需求不高，因此“填谷”效果不明顯，在時段15:00~18:00則較明顯。顯然，CCHP系統(tǒng)響應(yīng)電價后獲得自身良好經(jīng)濟性的同時對接入母線原負荷曲線起到了一定的“削峰填谷”的作用。

圖3 接入母線負荷曲線及購售電功率響應(yīng)結(jié)果

圖4 聯(lián)合滿意優(yōu)化后各機組出力

圖5 CCHP系統(tǒng)電能平衡

圖6 CCHP系統(tǒng)熱能平衡

(2) 電網(wǎng)滿意度與CCHP滿意度對比分析

各不同權(quán)重下優(yōu)化電價均能定出相應(yīng)目標(biāo)最優(yōu)下的電價，采用雙向峰谷電價情況下母線負荷的誤差相對值都較采用單一電價情況下母線負荷的誤差相對值低，采用雙向峰谷電價負荷曲線及CCHP經(jīng)濟性都有所優(yōu)化，但CCHP對所定電價的實際響應(yīng)情況各不相同。

權(quán)重偏向負荷曲線滿意度時(即A)，優(yōu)化所得的負荷曲線滿意度值為27.30%，CCHP滿意度為3.79%；權(quán)重偏向CCHP滿意度時(即B)，優(yōu)化所得的負荷曲線滿意度值為10.03%，CCHP滿意度為11.17%；取均衡權(quán)重的聯(lián)合滿意度模型時(即C)，優(yōu)化所得的負荷曲線滿意度值為24.92%，CCHP滿意度為5.19%。可見，均衡權(quán)重的聯(lián)合滿意度模型所定峰谷電價比不同權(quán)重的更能使聯(lián)供系統(tǒng)積極響應(yīng)，削峰填谷效果更優(yōu)。

5 結(jié)論

(1) 定義負荷曲線滿意度客觀評價CCHP對接入母線負荷曲線的改善效果，利用基于最小二乘法的絕對誤差值刻畫接入母線日負荷與其均值的偏離程度，并以未接入聯(lián)供系統(tǒng)時的該誤差值為基準(zhǔn)，定義誤差值的變化率作為負荷曲線滿意度。

(2) 定義基于經(jīng)濟性指標(biāo)的CCHP滿意度，建立了追求負荷曲線與CCHP聯(lián)合滿意度的峰谷電價優(yōu)化模型，確定雙向計量的峰谷電價。該模型所定峰谷電價能激勵聯(lián)供系統(tǒng)積極響應(yīng)調(diào)整其供能方案，獲得最優(yōu)經(jīng)濟環(huán)保效益，同時改善了接入母線的負荷曲線。

(3) 不同權(quán)重的滿意度目標(biāo)，將獲得不同的雙向峰谷電價，并產(chǎn)生不同的CCHP響應(yīng)。其中，均衡的聯(lián)合滿意度得出的電價更能實現(xiàn)電網(wǎng)與CCHP的雙贏。所提出的滿意度定義方法可在進一步的定價研究擴展增加環(huán)境等滿意度指標(biāo)，并且所定義的負荷曲線滿意度不僅針對接入母線，更可針對全電力系統(tǒng)負荷曲線的滿意度。

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(編輯 周金梅)

Pricing model of bidirectional peak-valley for motivating CCHP to participate in DSM

FAN Long1, LI Xianmei2, CHEN Yuehui1, CHEN Yanxiu1, ZHOU Renjun1

(1. Smart Grids Operation and Control Key Laboratory of Hunan Province (Changsha University of Science and Technology), Changsha 410114, China; 2. Yiyang Power Supply Company, State Grid Hunan Electric Power Company, Yiyang 413100, China)

Load shifting is the main objective of demand-side management, and TOU is an effective measure to motivate users to participate in load shifting. Due to the operating characteristics of combined cooling heating and power (CCHP) system, the bidirectional peak-valley pricing for it will be more effective, motivating it to get a good economy, and changing its scheme of energy supply and trade of purchase and sale electric energy, thereby the daily load curve connected to bus changes. An error based on the least squares method is used to depict the relative value of the deviation from mean value of daily load, and the rate of change of the error is defined as the load curve satisfaction; economic differences of CCHP are compared under the condition of uniform price and peak-valley price, and then CCHP satisfaction is defined. In order to comprehensively consider the effect of adjustment for CCHP system, pricing model of peak-valley is established with the aim of joint satisfaction of load curve and CCHP system. Simulation results show that the bidirectional peak-valley prices decision-made reasonable can promote the CCHP system to adjust dispatch schedule, and obtain improvement of load curve of substation bus. Comparing joint satisfaction model of TOU with different weights, the responses are more active and peak load shaving effects are more available. This work is supported by National Natural Science Foundation of China (No. 51277016 and No. 11171095).

CCHP; peak-valley price; peak load shaving; load curve satisfaction; CCHP satisfaction

10.7667/PSPC151566

國家自然科學(xué)基金資助(51277016，11171095); 湖南省高校創(chuàng)新平臺開放基金(12K074)

2015-09-05；

2015-12-10

范 龍(1990-)，男，通信作者，碩士研究生，主要從事電力系統(tǒng)運行與規(guī)劃，冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)優(yōu)化研究；E-mail: longf_2008@163.com 李獻梅(1990-)，女，碩士，主要從事電力系統(tǒng)運行與規(guī)劃，冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)優(yōu)化研究；E-mail: xianmei0101@ 163.com 周任軍(1964-)，女，博士，教授，研究方向為電力系統(tǒng)優(yōu)化、電網(wǎng)規(guī)劃與運行、新能源接入系統(tǒng)、風(fēng)險及條件風(fēng)險、分布式電源規(guī)劃、低碳電力。E-mail: zrj0731@163.com