考慮綜合需求響應(yīng)的電熱聯(lián)合系統(tǒng)協(xié)同優(yōu)化研究

李 雍

（三峽大學(xué) 電氣與新能源學(xué)院，湖北宜昌 443002）

引言

近年來，環(huán)境氣候不斷惡化，化石能源儲量日益減少。電熱聯(lián)合系統(tǒng)因具有較高的能源利用率，在引入風(fēng)電等新能源后能進(jìn)一步降低環(huán)境的污染以及化石能源的消耗等特點得到眾多學(xué)者青睞，但其多種能源耦合及“以熱定電”的運行方式也限制了各自的出力計劃及對新能源的利用。因此，對電熱聯(lián)合進(jìn)行優(yōu)化以提升能源利用率成為目前研究的熱點[1-7]。

本研究綜合考慮新能源消納以及系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性，在傳統(tǒng)電熱負(fù)荷綜合需求響應(yīng)的基礎(chǔ)上，加入用戶對于不同能源選擇影響的研究。在由CHP機組、電鍋爐、儲能裝置等組成的電熱聯(lián)合系統(tǒng)中，同時考慮系統(tǒng)各設(shè)備運行協(xié)同性，建立考慮綜合需求響應(yīng)的電熱聯(lián)合系統(tǒng)協(xié)同優(yōu)化模型，最后算例仿真分析及對比結(jié)果驗證本方法的有效性。

1 綜合需求響應(yīng)模型

1.1 系統(tǒng)能量轉(zhuǎn)換模型

以抽汽式CHP機組為例，系統(tǒng)中能源轉(zhuǎn)換裝置的電熱能源轉(zhuǎn)換關(guān)系如下。

式中：Pg和Ph分別表示電功率和熱功率；Jg和Jh分別為兩種能源的單位熱值；ηg和ηh分別為兩種能源的利用率。

電鍋爐裝置的能源轉(zhuǎn)換系數(shù)由其轉(zhuǎn)換效率決定，而CHP機組兩種能源皆來自煤等燃料，且由同一機組產(chǎn)出。把抽汽工況下的電、熱功率折算到純凝工況下，其折算表達(dá)式為：

式中：k為CHP機組在抽汽工況下熱電特性曲線的斜率；Phit、Pgit、Phit分別為第i臺CHP機組t時刻的折合功率、電功率值和熱功率值。同時，CHP機組需滿足出力約束：

1.2 綜合需求響應(yīng)模型與約束

將能源耦合轉(zhuǎn)換與需求響應(yīng)相結(jié)合，考慮用戶對不同形式能源的選擇，建立可轉(zhuǎn)移及可轉(zhuǎn)換負(fù)荷需求響應(yīng)模型，以提升綜合需求響應(yīng)的效果。

（1）可轉(zhuǎn)移負(fù)荷

（2）可轉(zhuǎn)換負(fù)荷

可轉(zhuǎn)移負(fù)荷和可轉(zhuǎn)換負(fù)荷在概念上不是對立而是相并的，因此一部分負(fù)荷既是可轉(zhuǎn)移負(fù)荷又是可轉(zhuǎn)換負(fù)荷，基于此式（5）和式（6）可改寫為：

式中：λ和μ分別為重合負(fù)荷占可轉(zhuǎn)換負(fù)荷和可轉(zhuǎn)移負(fù)荷的比例。

同時，根據(jù)可轉(zhuǎn)移負(fù)荷和可轉(zhuǎn)換負(fù)荷的特點，需求響應(yīng)前后可轉(zhuǎn)移負(fù)荷的總量不變，需滿足約束：

式中：θ為0～1的變量，0表示電負(fù)荷，1表示熱負(fù)荷。

由于用戶需求響應(yīng)參與度受供給側(cè)的經(jīng)濟(jì)補償度影響，實際參與調(diào)度的可轉(zhuǎn)移或可轉(zhuǎn)換負(fù)荷量會隨之改變。因此需要滿足約束：

式中：?t和ωt分別為可轉(zhuǎn)移負(fù)荷和可轉(zhuǎn)換負(fù)荷的實際參與比例；?min、?max和ωmin、ωmax分別為可轉(zhuǎn)移負(fù)荷比例的最小值、最大值和可轉(zhuǎn)換負(fù)荷比例的最小值、最大值。

2 電熱聯(lián)合系統(tǒng)協(xié)同優(yōu)化模型

2.1 目標(biāo)函數(shù)

以系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)運行成本以及新能源消納最優(yōu)為目標(biāo)，綜合考慮CHP機組發(fā)電成本、電鍋爐及儲熱裝置運維成本、棄風(fēng)懲罰費用。目標(biāo)函數(shù)的表達(dá)式如下：

式中：Cz為系統(tǒng)的總調(diào)度成本；CH為CHP機組發(fā)電成本；CE為電鍋爐運維成本；CS為儲熱裝置運維成本；CW為棄風(fēng)懲罰成本；PEt為t時刻電鍋爐消耗的電功率；PS,store和PS,release為儲熱裝置儲放熱功率；PWt為t時刻的風(fēng)電實際上網(wǎng)量。

（1）CHP機組發(fā)電成本

設(shè)定CHP機組不停機運行，不考慮CHP機組啟停帶來的影響，僅考慮其運行成本：

式中：T為調(diào)度周期；NH為CHP機組臺數(shù)；ai、bi、ci分別為CHP機組的運行成本參數(shù)。

（2）電鍋爐運維成本

式中：ce為電鍋爐單位運維成本。

（3）儲熱裝置運維成本

式中：HS(t)和HS(t-1)為t和t-1時刻儲熱裝置的儲熱量；ηS,store、ηS,release為儲熱裝置t時刻儲放熱效率。因此儲熱裝置的運維成本可表示如下：

式中：cs為儲熱裝置的單位運維成本。

（4）棄風(fēng)懲罰成本

式中：Pwt,real為風(fēng)電t時刻實際風(fēng)功率；cq為單位棄風(fēng)成本。

2.2 約束條件

（1）電熱功率平衡約束

式中：Pglt和Phlt分別為不參與需求響應(yīng)的基礎(chǔ)負(fù)荷；Pgt,out和Pht,out分別為需求響應(yīng)后的各類型電熱負(fù)荷總量；ηe為電鍋爐能源轉(zhuǎn)換效率。

（2）儲熱及電鍋爐裝置約束

本研究采用搭載YALMIP及CPLEX商業(yè)求解器的MATLAB平臺對上述模型進(jìn)行求解。

3 算例及仿真分析

3.1 算例設(shè)計

所建立的電熱聯(lián)合系統(tǒng)主要由熱電聯(lián)產(chǎn)機組、儲熱裝置、風(fēng)電機組、電鍋爐以及電熱負(fù)荷組成。風(fēng)電機組功率為50 MW；儲熱裝置傳輸功率100 MW，最大容量500 MW；CHP機組具體參數(shù)詳見文獻(xiàn)[4]。系統(tǒng)調(diào)度周期T為24 h，單位調(diào)度時段為1 h。其中單位電鍋爐及儲熱運維成本為0.01元/kW；單位棄風(fēng)懲罰成本為0.05元/kW；可轉(zhuǎn)移比和可轉(zhuǎn)換比φt,ωt∈[0.1,0.9]；λ和μ在時段18～23分別為0.5和0.3，在其余時段分別為0.05和0.03。

3.2 仿真分析及對比

選取以下三個場景對所構(gòu)建算例進(jìn)行仿真分析。場景一：考慮需求響應(yīng)，不考慮需求響應(yīng)中用戶選擇不同形式能源造成的影響，考慮多種設(shè)備協(xié)同運行優(yōu)化。場景二：考慮需求響應(yīng)且考慮需求響應(yīng)中用戶選擇不同形式能源造成的影響，不考慮多設(shè)備協(xié)同運行優(yōu)化，只對電源進(jìn)行優(yōu)化。場景三：考慮需求響應(yīng)且考慮需求響應(yīng)中用戶選擇不同形式能源造成的影響，考慮多設(shè)備協(xié)同運行優(yōu)化，即本研究方法。

圖1為三種場景下優(yōu)化后的電熱負(fù)荷曲線以及優(yōu)化前負(fù)荷曲線。三種場景均考慮了需求響應(yīng)，因此電熱負(fù)荷曲線得到調(diào)整，場景二和三電負(fù)荷曲線較場景一更為平滑，這說明需求響應(yīng)中考慮用戶對能源的選擇能進(jìn)一步優(yōu)化負(fù)荷曲線。另外較優(yōu)化前曲線，場景一和三的熱負(fù)荷在電負(fù)荷峰時段有明顯下降，而場景二則相反。這是由于場景二中只對電源進(jìn)行優(yōu)化，沒有考慮多設(shè)備協(xié)同，在電高峰時段僅靠調(diào)整負(fù)荷曲線多能源解耦力度不夠，影響系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性。由式（3）和（12）可知，生產(chǎn)同樣功率的電負(fù)荷成本更高，為降低系統(tǒng)成本以及提升風(fēng)電消納，需求響應(yīng)使可轉(zhuǎn)換電負(fù)荷轉(zhuǎn)換為熱負(fù)荷，導(dǎo)致電負(fù)荷較低熱負(fù)荷較高，這也符合圖1中場景二電負(fù)荷較場景三低的現(xiàn)象。

圖2為優(yōu)化后各場景風(fēng)電消納量和設(shè)備出力，由圖2可知，相較于場景一，場景三電鍋爐及儲熱出力更高，同時場景一和三風(fēng)電實現(xiàn)了完全消納，場景二則有較大棄風(fēng)量。其原因在于，場景一未考慮了負(fù)荷側(cè)用戶能源選擇，“熱電解耦”能力比場景三差。此時為實現(xiàn)系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)，需通過其他設(shè)備來進(jìn)行額外調(diào)整，因此電鍋爐及儲熱設(shè)備出力更高。另外場景二缺乏對多設(shè)備協(xié)同運行的考慮，沒有能源儲蓄及轉(zhuǎn)換設(shè)備的參與，系統(tǒng)不夠靈活，棄風(fēng)量增加。對比圖1可知，熱出力時段均集中在電負(fù)荷高峰期，這是為了滿足電負(fù)荷需求，CHP機組需降低熱出力。而與場景二不同，在存在儲熱及電鍋爐設(shè)備時，CHP機組在熱負(fù)荷高峰電負(fù)荷低谷期增加熱出力進(jìn)行儲存，在電負(fù)荷高峰期降低熱出力，缺額由儲熱及電鍋爐設(shè)備提供，以降低系統(tǒng)運行成本。

表1為不同場景下的系統(tǒng)各項成本，在側(cè)重點不同的情況下，三種場景系統(tǒng)各項成本略有差別。較場景二而言，場景一、三的CHP機組發(fā)電成本分別降低了0.253萬元和0.255萬元，風(fēng)電消納量提升了42.1%，結(jié)合仿真分析可見電熱聯(lián)合系統(tǒng)中考慮多設(shè)備協(xié)同能提高系統(tǒng)靈活性，有效降低系統(tǒng)運行成本和棄風(fēng)量。相比場景一，場景三CHP機組發(fā)電成本和設(shè)備運維成本分別降低了0.002萬元和0.113萬元，可見考慮用戶側(cè)對能源形式的選擇能進(jìn)一步提升需求響應(yīng)的效果。

4 結(jié)論

（1）隨著各類新型能源儲存、能源轉(zhuǎn)換設(shè)備的出現(xiàn)，負(fù)荷側(cè)負(fù)荷分類界限日趨模糊，用戶能夠選擇不同形式的能源達(dá)成同樣的目標(biāo)，因此在需求響應(yīng)中考慮用戶對能源形式的選擇可以進(jìn)一步提升需求響應(yīng)效果，降低系統(tǒng)運行成本，提高新能源消納。

表1 不同場景下的系統(tǒng)各項成本

（2）目前電熱能源系統(tǒng)已朝著多能源耦合多設(shè)備協(xié)同方向發(fā)展，僅考慮單一設(shè)備優(yōu)化已不能滿足需求，需考慮系統(tǒng)運行過程中多設(shè)備的協(xié)同優(yōu)化。