計(jì)及價(jià)格型需求響應(yīng)的綜合能源系統(tǒng)日前經(jīng)濟(jì)調(diào)度

張祎祺

(東北電力大學(xué)，吉林 吉林 132012)

隨著能源和環(huán)境問(wèn)題的日益嚴(yán)峻，推動(dòng)以可再生能源為主體的低碳、綠色、清潔的能源體系建設(shè)是如今發(fā)展的迫切需求，研究包含多種能源載體和網(wǎng)絡(luò)的綜合能源系統(tǒng)(IES)[1-2]已逐漸成為熱點(diǎn)問(wèn)題。IES的提出能夠?qū)崿F(xiàn)能源轉(zhuǎn)型和能源結(jié)構(gòu)的調(diào)整，在其架構(gòu)下，多種形式的能源在生產(chǎn)、傳輸、消費(fèi)等各個(gè)環(huán)節(jié)具有更強(qiáng)的耦合性，從而實(shí)現(xiàn)提高能源利用率，能源梯級(jí)利用的目的。

綜合能源系統(tǒng)按能量流動(dòng)方向可分為能源供給側(cè)和能源需求側(cè)，通過(guò)需求響應(yīng)(DR)能夠?qū)崿F(xiàn)供給側(cè)和需求側(cè)的雙向互動(dòng)。需求響應(yīng)是一種參與系統(tǒng)調(diào)峰調(diào)頻和備用的靈活性資源，其通過(guò)引導(dǎo)用戶(hù)理性用能，從而合理轉(zhuǎn)移高峰用電，達(dá)到平抑負(fù)荷峰谷以及提升電力系統(tǒng)運(yùn)行效率的目的[3]。

近年來(lái)，針對(duì)含需求響應(yīng)的IES研究者進(jìn)行了眾多研究：文獻(xiàn)[4]在建立電-氣綜合能源系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度新模型時(shí)，兼顧價(jià)格型需求側(cè)響應(yīng)以及動(dòng)態(tài)天然氣潮流方程對(duì)系統(tǒng)的優(yōu)化影響，以最小化系統(tǒng)運(yùn)行費(fèi)用為目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性；文獻(xiàn)[5]提出區(qū)域電-熱系統(tǒng)日前經(jīng)濟(jì)最優(yōu)調(diào)度策略并研究對(duì)風(fēng)電消納影響，充分利用多能源優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)的特性；文獻(xiàn)[6-7]構(gòu)建了同時(shí)考慮風(fēng)電出力和需求響應(yīng)不確定性的電力系統(tǒng)日前優(yōu)化調(diào)度模型；文獻(xiàn)[8]綜合考慮用戶(hù)側(cè)柔性負(fù)荷的可平移、可轉(zhuǎn)移、可削減的負(fù)荷特性。最終建立以總運(yùn)行成本最小為目標(biāo)的綜合能源系統(tǒng)供需聯(lián)合日前優(yōu)化調(diào)度模型；文獻(xiàn)[9]考慮上級(jí)電網(wǎng)與工業(yè)園區(qū)互動(dòng)的需求響應(yīng)，建立日前優(yōu)化調(diào)度模型。

可以看出，建立考慮需求響應(yīng)以及提高環(huán)境效益的IES是近年來(lái)研究的熱點(diǎn)。在本文中，在考慮全面的電-氣-冷-熱能源以及清潔能源的IES基礎(chǔ)上，進(jìn)行價(jià)格型需求響應(yīng)(PDR)[10]模型的構(gòu)建，提高了系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性與經(jīng)濟(jì)性。

1 綜合能源系統(tǒng)建模方法

本章綜合考慮IES中組成設(shè)備的多樣性和能量流動(dòng)的復(fù)雜性，對(duì)IES內(nèi)部各種能量流產(chǎn)生、傳輸、轉(zhuǎn)換、分配及用戶(hù)端消費(fèi)的全過(guò)程進(jìn)行分析，建立了IES中所用到的能源生產(chǎn)、能源轉(zhuǎn)換和能源儲(chǔ)存等設(shè)備的通用模型，其中能源生產(chǎn)設(shè)備包括燃?xì)廨啓C(jī)、燃?xì)忮仩t、光伏發(fā)電機(jī)組，能源轉(zhuǎn)換設(shè)備包括吸收式制冷機(jī)、電制冷機(jī)和戶(hù)用空調(diào)(中央空調(diào)等)，能源儲(chǔ)存設(shè)備包括蓄電池和儲(chǔ)熱罐，研究了其能量流描述方式和能量平衡約束模型，按照能量傳遞介質(zhì)類(lèi)型對(duì)母線進(jìn)行分類(lèi)，包括電、氣、熱、冷母線，IES供能架構(gòu)以及能量流動(dòng)見(jiàn)圖1。

圖1 IES供能架構(gòu)以及能量流動(dòng)

1.1 價(jià)格型需求相應(yīng)

本文考慮的價(jià)格型需求響應(yīng)是上級(jí)電網(wǎng)在指定日前調(diào)度計(jì)劃時(shí)可以借助價(jià)格信號(hào)在一定程度上改變用戶(hù)的用電習(xí)慣，價(jià)格信號(hào)可按時(shí)間尺度分為分時(shí)電價(jià)(1 h)和峰谷電價(jià)(數(shù) h)，本文采用分時(shí)價(jià)格來(lái)建立調(diào)度模型。在價(jià)格型需求響應(yīng)中，常采用彈性系數(shù)表示電價(jià)變化率對(duì)負(fù)荷響應(yīng)率的影響，對(duì)于時(shí)段的負(fù)荷響應(yīng)率建模如下：

(1)

式中：αΔq,t，βΔp,t分別為時(shí)段負(fù)荷的響應(yīng)率和電價(jià)變化率；E為價(jià)格型需求彈性矩陣；當(dāng)ε兩個(gè)下標(biāo)值相同時(shí)為彈性系數(shù)，不同時(shí)為交叉彈性系數(shù)。

1.2 目標(biāo)函數(shù)

考慮在分時(shí)電價(jià)條件下，本文所提綜合能源系統(tǒng)調(diào)度在滿(mǎn)足安全約束的前提下，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性的最優(yōu)，目標(biāo)函數(shù)(1)為最小化系統(tǒng)費(fèi)用，包括電網(wǎng)購(gòu)電成本，系統(tǒng)購(gòu)熱成本，購(gòu)氣成本，設(shè)備運(yùn)行維護(hù)成本、折舊成本以及啟停成本，其中設(shè)備折舊成本在本文中主要考慮蓄電池設(shè)備的折舊成本，因儲(chǔ)能設(shè)備較其他設(shè)備使用壽命較短，所以在調(diào)度周期內(nèi)主要考慮儲(chǔ)能設(shè)備折舊成本。目標(biāo)函數(shù)如下：

min(Fgrid+FH+Fgas+FOM+Fbw+Fss)

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

1.3 約束條件

a.各設(shè)備運(yùn)行約束:

(9)

(10)

(11)

(12)

b.電平衡約束。

交流母線總負(fù)荷約束：

(13)

直流母線總負(fù)荷約束：

在儲(chǔ)能充電時(shí)段：

(14)

在儲(chǔ)能放電時(shí)段：

(15)

c.熱功率約束:

(16)

d.冷功率約束:

(17)

e.價(jià)格型需求響應(yīng)約束。在整個(gè)調(diào)度周期內(nèi)，PDR之后的負(fù)荷響應(yīng)量期望值之和在整個(gè)調(diào)度周期內(nèi)為零。

2 算例分析

由于工業(yè)園區(qū)中的能源利用存在著諸多問(wèn)題，包括能源需求愈加增大、種類(lèi)繁多、結(jié)構(gòu)普遍不合理、利用率偏低、峰谷電力負(fù)荷差額大等特點(diǎn)，以IES為例，進(jìn)行算例分析。各設(shè)備主要參數(shù)見(jiàn)表1，天然氣價(jià)格為3.45元/m3,分時(shí)電價(jià)數(shù)據(jù)見(jiàn)圖2，價(jià)格型需求響應(yīng)彈性矩陣取值參考文獻(xiàn)[11]。在Matlab軟件中通過(guò)CPLEX對(duì)本文模型進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算。通過(guò)仿真分析驗(yàn)證所提方法的有效性與可靠性，得到24個(gè)調(diào)度時(shí)段的結(jié)果見(jiàn)圖3、圖4、圖5。

表1 各設(shè)備主要參數(shù)

圖2 分時(shí)電價(jià)曲線

圖3 電功率優(yōu)化調(diào)度結(jié)果

圖4 熱功率優(yōu)化調(diào)度結(jié)果

圖5 冷功率優(yōu)化調(diào)度結(jié)果

從調(diào)度結(jié)果中可以看出，虛線以及實(shí)線分別代表原始負(fù)荷以及價(jià)格型需求響應(yīng)之后的負(fù)荷，由此可見(jiàn)價(jià)格型需求響應(yīng)通過(guò)電價(jià)引導(dǎo)需求側(cè)改變其用電行為實(shí)現(xiàn)對(duì)負(fù)荷的削峰填谷。在谷時(shí)段電價(jià)較低，從電網(wǎng)購(gòu)電滿(mǎn)足電負(fù)荷更經(jīng)濟(jì)。電池儲(chǔ)能在峰時(shí)段放電，谷時(shí)段充電，平時(shí)段補(bǔ)充電量。由于該工業(yè)園區(qū)夜間仍工作，所以從圖3可知，在夜間電價(jià)谷時(shí)段，從電網(wǎng)購(gòu)電較多，并且電池儲(chǔ)能此時(shí)進(jìn)行充電。在峰時(shí)段和平時(shí)段，從電網(wǎng)購(gòu)電低于燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電收益，燃?xì)廨啓C(jī)達(dá)到滿(mǎn)發(fā)狀態(tài)。戶(hù)用空調(diào)、電制冷機(jī)和吸收式制冷機(jī)是主要的供冷設(shè)備，其中吸收式制冷機(jī)可利用余熱進(jìn)行制冷，是三者中最經(jīng)濟(jì)的制冷設(shè)備。

兩種模型優(yōu)化結(jié)果對(duì)比：模型一為未考慮價(jià)格型需求響應(yīng)，全時(shí)段調(diào)度成本為10.57×104元；模型二為本文模型，全時(shí)段調(diào)度成本為10.06×104元?？梢钥闯?，總調(diào)度成本成本節(jié)約了4.8%，可見(jiàn)，含價(jià)格型需求響應(yīng)綜合能源系統(tǒng)不僅可以降低負(fù)荷峰谷差，還可以降低成本，提高經(jīng)濟(jì)性，從而更好地實(shí)現(xiàn)多種能源互補(bǔ)協(xié)同利用，增加了能源互聯(lián)網(wǎng)中各能源置換效益，提升整體用能效率以及各能源利用率。

3 結(jié)論

本文首先構(gòu)建含電-氣-冷-熱的綜合能源系統(tǒng)模型，然后考慮價(jià)格型需求響應(yīng)對(duì)調(diào)度模型的影響，經(jīng)過(guò)算例分析可得到如下結(jié)論：多種能源協(xié)同調(diào)度能夠提升用能效率，提高需求側(cè)用能靈活性，并且價(jià)格型需求響應(yīng)使用戶(hù)能夠根據(jù)價(jià)格信號(hào)做出反應(yīng)，通過(guò)調(diào)整自身對(duì)不同類(lèi)型能源的使用需求以及用能習(xí)慣，實(shí)現(xiàn)降低用能成本,提高系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性的目的。