王紹民,陳力力,李昭赫,孫 鵬
(1.國(guó)家能源集團(tuán)東北電力有限公司,遼寧 沈陽(yáng) 110014; 2.國(guó)電東北電力有限公司沈西熱電廠,遼寧 沈陽(yáng)110142; 3.沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué),遼寧 沈陽(yáng) 110870)
可再生能源大規(guī)模接入?yún)^(qū)域級(jí)多能源電網(wǎng)后,可再生能源的不確定性可能對(duì)電網(wǎng)電壓、頻率及安全穩(wěn)定性帶來(lái)影響[1]~[3]。目前,兼容電、熱、氣、氫等多種能源生產(chǎn)和消費(fèi)形式的多能源電網(wǎng)被認(rèn)為是可再生能源消納的理想方式[4]~[6]。 同時(shí),隨著多能源系統(tǒng)與能源互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷發(fā)展,傳統(tǒng)的地區(qū)型電網(wǎng)也正逐漸地向區(qū)域級(jí)多能源電網(wǎng)互聯(lián)形成的多能源電網(wǎng)集群(Regional Multi-Energy System Cluster,RMESC)轉(zhuǎn)變[7]~[9]。 同時(shí),針對(duì)熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組以熱定電特性和可再生能源不確定性,將區(qū)域多能源電網(wǎng)集群中的電熱負(fù)荷進(jìn)行協(xié)調(diào)控制,實(shí)現(xiàn)熱電聯(lián)合響應(yīng)參與多能源電網(wǎng)功率在可再生能源波動(dòng)下的功率平衡控制,能夠有效提高多能源電網(wǎng)的可再生能源消納能力。
目前,多能源電網(wǎng)運(yùn)行研究主要集在優(yōu)化運(yùn)行方面,隨著多能源系統(tǒng)技術(shù)的不斷推廣,越來(lái)越多的多能源供能和負(fù)荷設(shè)備接入?yún)^(qū)域級(jí)電網(wǎng),國(guó)內(nèi)外研究人員在多能源電網(wǎng)集群優(yōu)化運(yùn)行與安穩(wěn)控制等方面開展了較多研究。 文獻(xiàn)[10]~[12]研究了以電熱等多種能源轉(zhuǎn)換與存儲(chǔ)為基礎(chǔ)的多能源微網(wǎng)自治優(yōu)化模型,將電熱協(xié)調(diào)的多能源微網(wǎng)以電池儲(chǔ)能的形式應(yīng)用于大電網(wǎng)調(diào)節(jié)能力優(yōu)化中;文獻(xiàn)[13]~[15]建立了微電網(wǎng)日前調(diào)度計(jì)劃模型,并且通過(guò)算例分析證明熱電聯(lián)合響應(yīng)資源參與分布式能源消納,可有效提高多能源電網(wǎng)系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性及可再生能源發(fā)電的消納率;文獻(xiàn)[16]~[18]提出基于響應(yīng)行為時(shí)間分布特征建立熱電聯(lián)合互動(dòng)響應(yīng)行為特征分析模式,并以風(fēng)電冰蓄能聯(lián)合系統(tǒng)為案例,驗(yàn)證了其決策模型的有效性。 文獻(xiàn)[19]通過(guò)對(duì)某小區(qū)用戶用電意愿及習(xí)慣進(jìn)行研究,提出了一種含熱電聯(lián)合響應(yīng)的居民用電概率模型,通過(guò)實(shí)際的算例仿真表明可有效促進(jìn)可再生能源發(fā)電的消納和提升多能源電網(wǎng)運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性。
在多能源系統(tǒng)集群協(xié)調(diào)方面,文獻(xiàn)[20]~[22]提出含多個(gè)微電網(wǎng)的主動(dòng)配電系統(tǒng)運(yùn)行、 能量管理優(yōu)化模型,利用該模型可以使微電網(wǎng)之間通過(guò)合作運(yùn)行提高效率;文獻(xiàn)[23]考慮線路等效電阻對(duì)微電網(wǎng)控制的影響,提出了一種改進(jìn)的V/δ 下垂控制方法,提出了微電網(wǎng)集群并網(wǎng)/解列運(yùn)行過(guò)程的暫態(tài)控制策略與流程。
針對(duì)含有較大規(guī)??稍偕茉吹碾娋W(wǎng),當(dāng)多能源供能和負(fù)荷設(shè)施接入后,可再生能源發(fā)電和電熱等多能源負(fù)荷的不確定性因素及其相互作用機(jī)理復(fù)雜,難以解決多能源電網(wǎng)中可再生能源與負(fù)荷間的高效協(xié)調(diào)的問題。 本文研究可再生能源發(fā)電和電熱負(fù)荷不確定性間的關(guān)系模型,建立基于熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組與可再生能源協(xié)同的熱電聯(lián)合需求側(cè)響應(yīng)模型。 在此基礎(chǔ)上,以多能源電網(wǎng)集群可再生能源消納最大化和運(yùn)行成本最小化為目標(biāo),構(gòu)建基于熱電聯(lián)合響應(yīng)的多能源電網(wǎng)集群協(xié)調(diào)優(yōu)化模型及其求解算法。 基于多能源電網(wǎng)集群協(xié)調(diào)模型,以東北某地區(qū)電網(wǎng)多能源運(yùn)行數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),建立熱電聯(lián)合響應(yīng)的多能源電網(wǎng)集群運(yùn)行優(yōu)化仿真模型。 仿真分析表明,本文提出的考慮可再生能源與熱電聯(lián)合響應(yīng)的區(qū)域多能源系統(tǒng)集群優(yōu)化模型,能夠有效提高地區(qū)電網(wǎng)可再生能源消納能力和電熱負(fù)荷解耦能力,提升熱電聯(lián)供多能源電網(wǎng)的調(diào)節(jié)能力。
本文針對(duì)含有高比例可再生能源和電熱負(fù)荷的多能源電網(wǎng)互聯(lián)形成的多能源系統(tǒng)集群,研究熱電聯(lián)合能量供需特性及其與風(fēng)電、光伏等可再生能源發(fā)電不確定性間的協(xié)調(diào)關(guān)系。 根據(jù)多能源電網(wǎng)系統(tǒng)中負(fù)荷特性,將負(fù)荷分為常規(guī)負(fù)荷和熱電聯(lián)合響應(yīng)負(fù)荷兩類。
具有可再生能源與熱電聯(lián)合響應(yīng)的多能源電網(wǎng)集群聯(lián)合運(yùn)行系統(tǒng)拓?fù)淙鐖D1 所示。
圖1 多能源電網(wǎng)集群拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.1 Multi-energy grid cluster topology
區(qū)域級(jí)多能源電網(wǎng)集群中的每個(gè)多能源電網(wǎng)的可再生能源與電熱負(fù)荷間的協(xié)同都在其內(nèi)部獨(dú)立完成。 在多能源電網(wǎng)集群層面,根據(jù)各多能源電網(wǎng)中可再生能源波動(dòng)及電熱負(fù)荷的可調(diào)節(jié)范圍,考慮集群中總的電熱負(fù)荷聯(lián)合功率平衡及其價(jià)格補(bǔ)償機(jī)制,通過(guò)電熱主干網(wǎng)對(duì)集群中的電熱價(jià)格協(xié)調(diào),實(shí)現(xiàn)各多能源電網(wǎng)間電熱聯(lián)合響應(yīng)及能量交換,使得區(qū)域級(jí)多能源電網(wǎng)可以對(duì)具有不確定性的可再生能源波動(dòng)進(jìn)行全局優(yōu)化。
(1)不參與需求側(cè)響應(yīng)的常規(guī)負(fù)荷模型
本文將不參與需求側(cè)響應(yīng)的負(fù)荷稱為常規(guī)負(fù)荷LUCL,其負(fù)荷特性為
式中:Va為負(fù)荷特性為設(shè)備a 最小供電或供熱功率為設(shè)備a 最大供電或供熱功率為設(shè)備a 起始運(yùn)行時(shí)間為設(shè)備a 結(jié)束運(yùn)行時(shí)間。
根據(jù)式(1),LUCL負(fù)荷在 h 時(shí)段其供電或供熱功率為
(2)參與需求側(cè)響應(yīng)的熱電聯(lián)合響應(yīng)負(fù)荷模型
可參與需求響應(yīng)負(fù)荷的可調(diào)控特性主要受到負(fù)荷用戶能源需求的可調(diào)控特性制約。 可參與需求側(cè)響應(yīng)的熱電聯(lián)合響應(yīng)負(fù)荷LIL的負(fù)荷特性為
在區(qū)域級(jí)多能源系統(tǒng)中,較大比例的可再生能源發(fā)電容量接入后,可再生能源出力的不確定性和電熱負(fù)荷的不確定性將在較大程度上影響多能源系統(tǒng)功率平衡性能。因此,本文針對(duì)可再生能源和負(fù)荷不確定性進(jìn)行建模,并為多能源系統(tǒng)運(yùn)行優(yōu)化建模提供有效的不確定性信息模型。
考慮可再生能源出力不確定性,并設(shè)其不確定性服從正態(tài)分布,則區(qū)域多能源系統(tǒng)中可再生能源出力特性為
式中:PREN為多能源電網(wǎng)中可再生能源發(fā)電總出力;pη為風(fēng)速大于切入風(fēng)速且小于額定風(fēng)速時(shí)的可再生能源出力;△εη為風(fēng)速大于切入風(fēng)速且小于額定風(fēng)速時(shí)可再生能源出力的不確定性;pr為風(fēng)速大于額定風(fēng)速且小于切出風(fēng)速時(shí)可再生能源出力;△εr為風(fēng)速大于額定風(fēng)速且小于切出風(fēng)速時(shí)可再生能源出力的不確定性;hvi為風(fēng)速大于切入風(fēng)速的時(shí)間;hvr為風(fēng)速大于額定風(fēng)速時(shí)間;hvo為風(fēng)速大于切出風(fēng)速時(shí)間;hv0為風(fēng)速小于切入風(fēng)速時(shí)間。
式(5)中的可再生能源不確定性△εη和△εr的概率分布函數(shù)為
式中:ση,σr分別為區(qū)域多能源電網(wǎng)中可再生能源出力在不同風(fēng)速條件下可能出現(xiàn)的最大不確定值。
考慮不同季節(jié)、氣象條件和調(diào)度時(shí)段區(qū)域多能源電網(wǎng)中原始熱電負(fù)荷的不確定性特性,則須對(duì)式(2)和式(4)的負(fù)荷模型進(jìn)行不確定性修正。
(1)常規(guī)負(fù)荷不確定性模型
根據(jù)式(2),可得常規(guī)負(fù)荷的不確定性模型為
式中:△εLU為多能源電網(wǎng)中總的常規(guī)負(fù)荷的不確定性。
△εLU概率分布函數(shù)為
式中:σLU為區(qū)域多能源電網(wǎng)中常規(guī)負(fù)荷可能出現(xiàn)的最大不確定值。
(2)熱電聯(lián)合負(fù)荷不確定性模型
根據(jù)式(4)可得熱電聯(lián)合負(fù)荷的不確定性模型為
式中:△εL/1,△εL/2分別為多能源電網(wǎng)中熱電聯(lián)合負(fù)荷在不同熱電負(fù)荷需求度下的不確定性。
△εL/1,△εL/2概率分布函數(shù)為
式中:σL/1,σL/2分為區(qū)域多能源電網(wǎng)中熱電聯(lián)合負(fù)荷在不同熱電負(fù)荷需求度下可能出現(xiàn)的最大不確定值。
本文考慮的多能源電網(wǎng)集群協(xié)調(diào)運(yùn)行是在最大限度消納可再生能源的基礎(chǔ)上進(jìn)行的,并利用各多能源電網(wǎng)內(nèi)熱電聯(lián)合響應(yīng)資源的聯(lián)合互動(dòng)響應(yīng)能力,促進(jìn)可再生能源在各個(gè)區(qū)域多能源電網(wǎng)內(nèi)就地消納,同時(shí)選擇最優(yōu)方式實(shí)現(xiàn)區(qū)域多能源電網(wǎng)間的功率交互。
N 個(gè)多能源電網(wǎng)集群聯(lián)合運(yùn)行目標(biāo)函數(shù)為集群總運(yùn)行成本最小。
式中:PL為區(qū)域多能源電網(wǎng)集群中可調(diào)節(jié)單元的集合;Com為區(qū)域多能源電網(wǎng)集群中電源、 熱源的維護(hù)成本;Cgrid為各多能源電網(wǎng)間熱電能源交互過(guò)程中的網(wǎng)損;CMG為各多能源電網(wǎng)間熱電能量交互成本。
(1)電熱功率平衡約束
多能源電網(wǎng)集群中的電熱功率平衡及熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組出力上下限、聯(lián)絡(luò)線傳輸功率約束為
式中:PGi(h)為多能源電網(wǎng)集群中的第i 個(gè)多能源電網(wǎng)的熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組在時(shí)段h 的電熱功率聯(lián)合出力;n 為集群中多能源電網(wǎng)數(shù)量;(h) 為時(shí)段 h第i 個(gè)和第j 個(gè)多能源電網(wǎng)間的電熱功率交換值,其值為正數(shù)時(shí)表示第i 個(gè)多能源電網(wǎng)向第j個(gè)多能源電網(wǎng)出售電熱能量,反之則為購(gòu)買電熱能量;PDN(h)為第 i 個(gè)多能源電網(wǎng)在 h 時(shí)段電熱功率總需求;PGi,min,PGi,max分別為第 i 個(gè)多能源電網(wǎng)的熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組電熱功率總出力上、下限;PRi,min,PRi,max分別為第i 個(gè)多能源電網(wǎng)的可再生能源發(fā)電功率總出力上、 下限為第i 個(gè)和第j 個(gè)多能源電網(wǎng)間電熱功率交互的極限。
(2)電網(wǎng)電壓水平約束
為防止可再生能源接入?yún)^(qū)域級(jí)多能源電網(wǎng)可能會(huì)引起某些節(jié)點(diǎn)電壓越限,故考慮多能源電網(wǎng)集群中節(jié)點(diǎn)電壓約束條件為
(3)多能源電網(wǎng)的儲(chǔ)能約束
考慮各個(gè)區(qū)域多能源電網(wǎng)中均含有儲(chǔ)電和儲(chǔ)熱設(shè)備,則電熱儲(chǔ)能的聯(lián)合約束為
電熱存儲(chǔ)的總能量在某一時(shí)刻與上一時(shí)刻的能量以及電熱儲(chǔ)能總的工作狀態(tài)有關(guān),即,不僅與電能和熱能存儲(chǔ)設(shè)備的剩余能量有關(guān),還與儲(chǔ)能設(shè)備的充能和放能狀態(tài)有關(guān)。 在考慮能量存儲(chǔ)和釋放過(guò)程損耗條件下,電熱存儲(chǔ)的聯(lián)合過(guò)程可描述如下。
充能過(guò)程:
放能過(guò)程:
式中:Eb(h)為區(qū)域多能源電網(wǎng)集群中電能和熱能在 h 時(shí)段存儲(chǔ)的總能量;Pch(h)和 Pdis(h)分別為區(qū)域多能源電網(wǎng)集群中電能和熱能在h 時(shí)段充能和放能的總功率;ηch和ηdis分別為區(qū)域多能源電網(wǎng)集群中電能和熱能總的充能效率和放能效率;τ 為區(qū)域多能源電網(wǎng)集群中電能和熱能存儲(chǔ)設(shè)備總的能量自損失率。
多能源電網(wǎng)集群電熱負(fù)荷聯(lián)合運(yùn)行條件下,多能源電網(wǎng)不再是只與外部大電網(wǎng)和熱網(wǎng)存在功率交互,更多的是在多能源電網(wǎng)間彼此交換能量,只有在多能源電網(wǎng)集群總的電熱供給功率小于或者多于總電熱需求時(shí)才會(huì)與外部電熱網(wǎng)產(chǎn)生功率交換。 由于各多能源電網(wǎng)在區(qū)域級(jí)多能源電網(wǎng)集群中的地理位置不同,同時(shí)各多能源電網(wǎng)在各個(gè)時(shí)段所處的電熱供給和電熱需求狀態(tài)也不同,所以會(huì)造成各多能源電網(wǎng)內(nèi)部以及網(wǎng)間的電熱成本不同。因此,各多能源電網(wǎng)可通過(guò)系統(tǒng)內(nèi)的熱電聯(lián)合響應(yīng)能力在提高可再生能源消納能力的同時(shí),還將根據(jù)不同時(shí)段多能源電網(wǎng)集群總的電熱負(fù)荷需求與供給情況,優(yōu)化集群內(nèi)的電熱功率平衡能力與電熱總供能成本。
多能源電網(wǎng)集群電熱負(fù)荷聯(lián)合運(yùn)行策略算法流程如圖2 所示。
圖2 多能源電網(wǎng)集群聯(lián)合運(yùn)行算法流程Fig.2 Multi-energy grid cluster joint operation algorithm flow
以多能源電網(wǎng)集群運(yùn)行成本最優(yōu)為目標(biāo)建立的協(xié)調(diào)優(yōu)化運(yùn)行策略如下。
①對(duì)于電熱出力大于負(fù)荷需求的多能源電網(wǎng),剩余電出力或熱出力優(yōu)先考慮區(qū)域內(nèi)儲(chǔ)能系統(tǒng)的充能;如果儲(chǔ)能裝置無(wú)法滿足充能約束,則與其它交易成本最優(yōu)的多能源電網(wǎng)進(jìn)行功率交互。
②對(duì)于電熱出力功率不足的多能源電網(wǎng),同樣優(yōu)先考慮區(qū)域內(nèi)儲(chǔ)能裝置放能,若仍有缺額,再根據(jù)多能源電網(wǎng)集群聯(lián)調(diào)優(yōu)化結(jié)果選擇其他多能源電網(wǎng)購(gòu)能。
③考慮到參與電熱負(fù)荷需求側(cè)響應(yīng)的負(fù)荷的實(shí)際電熱能量需求度情況,當(dāng)區(qū)域多能源電網(wǎng)集群協(xié)調(diào)后仍無(wú)法滿足總電熱需求時(shí),應(yīng)考慮在電熱能源價(jià)格較低時(shí)段,向外部電網(wǎng)和熱網(wǎng)購(gòu)能。
根據(jù)東北某地區(qū)3 個(gè)多能源電網(wǎng)運(yùn)行數(shù)據(jù),以IEEE9 節(jié)點(diǎn)算例為基礎(chǔ),建立多能源系統(tǒng)集群仿真模型,仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3 所示。 由圖3 可見,7,8,9 節(jié)點(diǎn)分別接入 3 個(gè)區(qū)域多能源電網(wǎng),組成多能源電網(wǎng)集群,各多能源系統(tǒng)間分別可通過(guò)電、熱聯(lián)絡(luò)線進(jìn)行功率交互。 各多能源系統(tǒng)內(nèi),分別有可再生能源、 熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組作為電熱供能設(shè)備。 節(jié)點(diǎn) 1,2,3,4,5,6 分別接有電熱聯(lián)合負(fù)荷。
圖3 含多能源電網(wǎng)集群聯(lián)合運(yùn)行的IEEE9 節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)圖Fig.3 IEEE 9 node structure with multi energy grid cluster operation
考慮到多能源電網(wǎng)集群內(nèi)功率交互,本文選取多能源電網(wǎng)RMESC1,RMESC2 的電熱聯(lián)合最大供給容量小于負(fù)荷最大需求,多能源電網(wǎng)RMESC3 的電熱聯(lián)合最大供給容量大于負(fù)荷最大需求。 3 個(gè)多能源電網(wǎng)的電熱供給設(shè)備配置情況如表1 所示。
表1 各多能源電網(wǎng)源荷參數(shù)表Table 1 Source load parameters of multi energy grid
RMESC1,RMESC2,RMESC3 冬季典型日的可再生能源發(fā)電出力、 熱電機(jī)組出力及電熱聯(lián)合負(fù)荷曲線如圖4 所示。
圖4 RMESC1,RMESC2,RMESC3典型日源荷曲線Fig.4 Typical daily power and load curves of RMESC1,RMESC2and RMESC3
設(shè)置5 種多能源電網(wǎng)集群運(yùn)行模式(表2)。
表2 多能源電網(wǎng)集群運(yùn)行模式Table 2 Cluster operation mode of multi-energy grid
模式2 運(yùn)行方式下多能源電網(wǎng)集群聯(lián)合運(yùn)行系統(tǒng)與上級(jí)網(wǎng)絡(luò)交互功率曲線,如圖5 所示。
圖5 算例模式2 對(duì)應(yīng)的交互功率曲線Fig.5 Interactive power curve corresponding to example mode 2
由圖5 可見,通過(guò)多能源電網(wǎng)集群聯(lián)合系統(tǒng)的協(xié)同運(yùn)行,RMESC1,RMESC2,RMESC3 與上級(jí)網(wǎng)絡(luò)的交互功率曲線得到了有效的平滑,尤其是在晚高峰時(shí)段,通過(guò)整個(gè)系統(tǒng)的優(yōu)化協(xié)調(diào)將RMESC3 多余電量?jī)?yōu)先分配至RMESC1,RMESC2中。但從總的上級(jí)網(wǎng)絡(luò)交互功率曲線來(lái)看,交互功率曲線優(yōu)化結(jié)果并不明顯,在可再生能源發(fā)電出力較大的情況下,仍有大量的電量需要出售至上級(jí)網(wǎng)絡(luò)。
將多能源電網(wǎng)集群聯(lián)合運(yùn)行系統(tǒng)中的熱電聯(lián)合響應(yīng)資源考慮在內(nèi),充分利用熱電聯(lián)合響應(yīng)的響應(yīng)能力,采用本文的優(yōu)化策略,得到多能源電網(wǎng)集群聯(lián)合運(yùn)行系統(tǒng)(模式5)與上級(jí)網(wǎng)絡(luò)的交互功率曲線,如圖6 所示。
圖5 算例模式2 對(duì)應(yīng)的交互功率曲線Fig.5 Interactive power curve corresponding to example mode 2
對(duì)于RMESC1,RMESC2 晚高峰時(shí)段,電熱聯(lián)合需求側(cè)響應(yīng)與儲(chǔ)能系統(tǒng)一起為多能源電網(wǎng)提供調(diào)節(jié)能力,有效緩解了電熱負(fù)荷壓力。在可再生能源出力較足時(shí)段9:00-11:00,可利用系統(tǒng)電熱負(fù)荷聯(lián)合響應(yīng)能力和儲(chǔ)能一起消納可再生能源。
在模式5 下,以是否考慮風(fēng)電、負(fù)荷不確定性進(jìn)行仿真分析,結(jié)果表明,考慮風(fēng)電及負(fù)荷多重不確定性對(duì)于多能源電網(wǎng)集群運(yùn)行經(jīng)濟(jì)效益有極大提升(表3)。
表3 與傳統(tǒng)調(diào)度的結(jié)果對(duì)比分析Table 3 Comparative analysis with the results of traditional scheduling
本文提出基于熱電聯(lián)合響應(yīng)的多能源電網(wǎng)集群聯(lián)合系統(tǒng)協(xié)同優(yōu)化策略,通過(guò)研究可再生能源發(fā)電、熱電聯(lián)合響應(yīng)及多能源電網(wǎng)的運(yùn)行特性,考慮可再生能源發(fā)電及電熱負(fù)荷的不確定性,構(gòu)建多能源電網(wǎng)集群聯(lián)合運(yùn)行協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)。 本文提出的策略不僅可以實(shí)現(xiàn)多能源電網(wǎng)集群聯(lián)合運(yùn)行系統(tǒng)中可再生能源發(fā)電消納的最大化,而且可以平滑多能源電網(wǎng)集群聯(lián)合系統(tǒng)與上級(jí)網(wǎng)絡(luò)之間的功率波動(dòng)。 需求響應(yīng)激勵(lì)政策、負(fù)荷價(jià)格變化、電力市場(chǎng)機(jī)制等將對(duì)可再生能源與電熱聯(lián)合協(xié)調(diào)結(jié)果產(chǎn)生影響。