基于需求側(cè)響應(yīng)的電熱綜合能源系統(tǒng)風(fēng)電消納低碳經(jīng)濟(jì)調(diào)度

王海云，楊 宇，于希娟，耿麗君，盧志剛,*

(1. 國網(wǎng)北京市電力公司，北京 100031；2. 國網(wǎng)河北省電力有限公司 新樂市供電分公司，河北 石家莊 050000；3. 燕山大學(xué) 電力電子節(jié)能與傳動(dòng)控制河北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 秦皇島 066004)

0 引言

近年來，隨著經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展和社會(huì)的持續(xù)進(jìn)步，我國正面臨著日益突出的能源和環(huán)境問題。通過大力發(fā)展太陽能、風(fēng)能和生物質(zhì)能等可再生能源發(fā)電方式，摸索和發(fā)展更加先進(jìn)的能源生產(chǎn)和能源消費(fèi)模式，已經(jīng)成為我國能源行業(yè)發(fā)展的一個(gè)新方向[1]。與此同時(shí)，風(fēng)電等新能源具有較強(qiáng)的不可預(yù)測性，其進(jìn)一步發(fā)展受到消納問題和并網(wǎng)問題等瓶頸的制約[2]。因此，通過采取一定的措施減小棄風(fēng)電量，增大風(fēng)電并網(wǎng)空間，提升消納水平，對于實(shí)現(xiàn)電熱綜合能源系統(tǒng)低碳經(jīng)濟(jì)優(yōu)化運(yùn)行有著重要的社會(huì)現(xiàn)實(shí)意義。

需求側(cè)響應(yīng)引導(dǎo)用戶根據(jù)價(jià)格信號(hào)或激勵(lì)機(jī)制改變原有用電行為，促使電力系統(tǒng)安全、可靠、經(jīng)濟(jì)、高效運(yùn)行，從而達(dá)到優(yōu)化資源配置的目的。利用需求響應(yīng)資源是提高風(fēng)電消納的一個(gè)重要措施。文獻(xiàn)[3-4]提出一種考慮需求響應(yīng)虛擬機(jī)組和碳交易的電力系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度模型，研究了系統(tǒng)的風(fēng)電消納情況和系統(tǒng)的低碳經(jīng)濟(jì)運(yùn)行成本。文獻(xiàn)[5-6]建立了電力系統(tǒng)供需側(cè)聯(lián)合調(diào)度模型，通過需求響應(yīng)將需求側(cè)資源作為供應(yīng)側(cè)電能，促進(jìn)了電力系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，提高了電力系統(tǒng)對風(fēng)電的消納能力。

針對電熱綜合能源系統(tǒng)的調(diào)度問題，文獻(xiàn)[7]建立了包括熱電聯(lián)產(chǎn)、風(fēng)能、電鍋爐和儲(chǔ)熱等多種供能方式的優(yōu)化模型，驗(yàn)證了引入電鍋爐和儲(chǔ)熱裝置提高熱電聯(lián)產(chǎn)靈活性,有效減少了棄風(fēng)電量的作用；文獻(xiàn)[8]利用區(qū)域供熱網(wǎng)絡(luò)的儲(chǔ)熱能力協(xié)調(diào)電力和區(qū)域供熱系統(tǒng)的短期運(yùn)行，有效促進(jìn)了風(fēng)電上網(wǎng)，促進(jìn)了系統(tǒng)的優(yōu)化運(yùn)行。文獻(xiàn)[9]建立了考慮風(fēng)電出力不確定性的聯(lián)合系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度模型，利用儲(chǔ)熱的靈活性實(shí)現(xiàn)聯(lián)合運(yùn)行系統(tǒng)的優(yōu)化運(yùn)行調(diào)度；文獻(xiàn)[10]研究了儲(chǔ)熱裝置對熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組的運(yùn)行特性和峰值容量的影響，驗(yàn)證了帶有儲(chǔ)熱裝置的熱電廠可以有效地促進(jìn)風(fēng)電消納，達(dá)到節(jié)約能源的目的；文獻(xiàn)[11-12]建立了包含碳捕集機(jī)組、儲(chǔ)熱裝置、電鍋爐和熱泵的電熱綜合能源系統(tǒng)調(diào)度模型，通過電熱協(xié)調(diào)的方式，提高了電熱綜合能源系統(tǒng)的風(fēng)電消納能力，碳捕集機(jī)組具有較好的低碳特性和靈活調(diào)節(jié)特性，促進(jìn)了系統(tǒng)的低碳經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

然而，上述文獻(xiàn)大都只研究了電熱綜合能源系統(tǒng)中某些設(shè)備協(xié)同優(yōu)化的風(fēng)電消納效果，并沒有詳細(xì)分析需求側(cè)響應(yīng)技術(shù)對提升系統(tǒng)風(fēng)電消納能力、實(shí)現(xiàn)削峰填谷的作用。缺少綜合考慮需求響應(yīng)、碳捕集裝置、儲(chǔ)熱裝置、電鍋爐和電儲(chǔ)能裝置的電熱綜合能源系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度模型。

因此，本文在分析以上研究內(nèi)容的基礎(chǔ)上，建立了含有碳捕集裝置、儲(chǔ)熱裝置、電鍋爐和電儲(chǔ)能裝置的電熱綜合能源系統(tǒng)低碳經(jīng)濟(jì)調(diào)度模型，利用需求側(cè)響應(yīng)對負(fù)荷曲線進(jìn)行優(yōu)化，從而達(dá)到削峰填谷和減小峰谷差的目的，利用負(fù)荷側(cè)響應(yīng)提升系統(tǒng)的風(fēng)電消納能力。算例仿真通過考慮需求側(cè)響應(yīng)與不考慮需求側(cè)響應(yīng)的情景進(jìn)行對比，分析了需求側(cè)響應(yīng)對系統(tǒng)的風(fēng)電消納和低碳經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的影響。此外，本文還研究了儲(chǔ)熱裝置、電鍋爐和電儲(chǔ)能裝置對系統(tǒng)風(fēng)電消納的影響。

1 電熱綜合能源系統(tǒng)模型

電熱綜合能源系統(tǒng)是由電力系統(tǒng)和熱力系統(tǒng)構(gòu)成的耦合系統(tǒng)，兩個(gè)子系統(tǒng)之間相互影響，電能和熱能可以相互轉(zhuǎn)化，能夠?qū)崿F(xiàn)異質(zhì)能源的優(yōu)化利用，提供足夠的風(fēng)電上網(wǎng)空間，提升消納水平。本文在熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組、風(fēng)電機(jī)組聯(lián)合運(yùn)行的基礎(chǔ)上，考慮碳排放因素的影響，增設(shè)了碳捕集機(jī)組單元，同時(shí)增加儲(chǔ)熱裝置、電鍋爐以及電儲(chǔ)能裝置實(shí)現(xiàn)更大程度上的風(fēng)電消納，電熱綜合能源系統(tǒng)的具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.1 碳捕集機(jī)組模型

碳捕集機(jī)組與常規(guī)機(jī)組的不同之處在于加裝了碳捕集設(shè)備，具備捕集二氧化碳的功能，能夠有效減少二氧化碳的排放量。碳捕集機(jī)組的發(fā)電功率由凈發(fā)電功率和捕集能耗兩部分組成，其中捕集能耗包括運(yùn)行能耗和維持能耗。碳捕集機(jī)組的功率關(guān)系如下：

PZ=PG+PC，

(1)

PC=PS+PM，

(2)

式中，碳捕集機(jī)組的總發(fā)電功率PZ等于凈發(fā)電功率PG與捕集能耗PC之和；PS，PM分別表示運(yùn)行能耗和維持能耗。

圖1 電熱綜合能源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 The structure diagram of the electricity-heating integrated energy system

碳捕集機(jī)組的燃料成本函數(shù)表示如下：

(3)

式中，T表示一天中低碳經(jīng)濟(jì)調(diào)度的時(shí)段數(shù)；NG表示綜合能源系統(tǒng)中所涉及的碳捕集機(jī)組總臺(tái)數(shù)；PZi,t為第i臺(tái)碳捕集機(jī)組在t時(shí)刻的總發(fā)電功率；aGi，bGi，cGi為碳捕集機(jī)組燃料成本的相關(guān)系數(shù)。

碳捕集機(jī)組的碳排放量函數(shù)表示如下：

(4)

式中，uGi、vGi、wGi為碳捕集機(jī)組碳排放量的相關(guān)系數(shù)。

1.2 熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組模型

熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組是電力系統(tǒng)和熱力系統(tǒng)的耦合元件，以抽汽式機(jī)組最為常見。本文以抽汽式機(jī)組作為研究對象，抽汽式機(jī)組的電熱運(yùn)行特性如圖2所示。

從圖2中可以看出，抽汽式熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組的電功率和熱功率可以在運(yùn)行區(qū)域中實(shí)現(xiàn)靈活調(diào)節(jié)，具體的電熱運(yùn)行特性公式化表達(dá)如下：

(5)

式中，PCHP，HCHP分別表示熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組的電功率和熱功率；PCHP,min，HCHP,min分別表示熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組的最小電功率和最小熱功率；PCHP,max，HCHP,max分別為熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組的最大電功率和最大熱功率；Cv表示在熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組進(jìn)汽量不變的情況下，增加單位熱功率導(dǎo)致的電功率的減小量；Cm表示熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組在背壓工況下的功率系數(shù)；Ck為與熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組運(yùn)行特性相關(guān)的常數(shù)。

圖2 熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組電熱運(yùn)行特性圖Fig.2 Diagram of electricity-heating relationship forcombined heat power units

熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組的燃料成本函數(shù)表示如下：

(6)

式中，NCHP表示電熱綜合能源系統(tǒng)中熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組的總臺(tái)數(shù)；aCi，bCi，cCi表示熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組燃料成本的相關(guān)系數(shù)。

熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組的碳排放量函數(shù)表示如下：

(7)

式中，uCi，vCi，wCi表示熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組單位碳排放量系數(shù)。

1.3 電鍋爐模型

電鍋爐作為另一電熱耦合元件，具有95%以上的電熱轉(zhuǎn)化效率。在風(fēng)電出力的高峰時(shí)段，可將多余的電能轉(zhuǎn)化為熱能，從而消納更多的風(fēng)力發(fā)電。此外，電鍋爐也能實(shí)現(xiàn)熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組的熱電解耦，即電鍋爐所提供的熱出力能夠有效降低熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組的供熱壓力。電鍋爐的運(yùn)行特性表示如下：

HEB=ηPEB，

(8)

式中，PEB表示電鍋爐的用電功率，HEB表示電鍋爐的供熱功率；η表示電鍋爐的熱與電相互轉(zhuǎn)換的效率。

1.4 儲(chǔ)熱裝置模型

儲(chǔ)熱裝置作為一種儲(chǔ)熱元件能夠?qū)崿F(xiàn)熱量的存儲(chǔ)和釋放功能，如果熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組與儲(chǔ)熱裝置進(jìn)行聯(lián)合供熱，將會(huì)沖破熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組“以熱定電”的運(yùn)行特性，提高熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組運(yùn)行的靈活性。例如，白天電力負(fù)荷處于高峰時(shí)段而熱力負(fù)荷處于低谷時(shí)段，此時(shí)增大熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組的電出力將提供充足的電能供應(yīng)，而聯(lián)動(dòng)產(chǎn)生的多余熱出力可利用儲(chǔ)熱裝置實(shí)現(xiàn)熱能的存儲(chǔ)；夜間電力負(fù)荷處于低谷時(shí)段而熱力負(fù)荷處于高峰時(shí)段，此時(shí)減小熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組的電出力和熱出力，降低電能和熱能的供應(yīng)，而因此造成的熱力供應(yīng)差額，可利用儲(chǔ)熱裝置在白天存儲(chǔ)的熱能進(jìn)行放熱，以滿足夜間熱負(fù)荷高峰時(shí)段的熱能供應(yīng)。

儲(chǔ)熱裝置的運(yùn)行特性表示如下：

(9)

1.5 電儲(chǔ)能裝置模型

電儲(chǔ)能裝置作為一種儲(chǔ)電元件能夠?qū)崿F(xiàn)電能的儲(chǔ)存和釋放功能。例如，夜晚電力負(fù)荷處于低谷時(shí)段，可利用電儲(chǔ)能裝置進(jìn)行儲(chǔ)電，白晝電力負(fù)荷處于高峰時(shí)段，可利用電儲(chǔ)能裝置進(jìn)行放電，從而為風(fēng)電的消納提供空間。目前應(yīng)用最為廣泛的鉛酸電池的充放電過程表示如下：

(10)

2 價(jià)格型需求側(cè)響應(yīng)模型

價(jià)格型需求側(cè)響應(yīng)能夠通過釋放分時(shí)電價(jià)等市場價(jià)格信號(hào)，引導(dǎo)用戶調(diào)整自身的用電結(jié)構(gòu)與用電方式，從而達(dá)到削峰填谷的作用。在用戶用電的實(shí)際過程中，某一時(shí)段電價(jià)的變化也可能引起用戶在其他一個(gè)或幾個(gè)時(shí)段內(nèi)用電方式的變化。本文利用自彈性系數(shù)描述本時(shí)段的電價(jià)變化與用電量變化的關(guān)系，而利用互彈性系數(shù)描述其他時(shí)段的電價(jià)變化與本時(shí)段的用電量變化的關(guān)系，自彈性和互彈性系數(shù)的相關(guān)表示公式分別如下：

(11)

(12)

式中，τii表示自彈性系數(shù)，即第i個(gè)時(shí)段的電價(jià)變化量和用電量變化量的比值關(guān)系，其中Ri和ΔRi表示i時(shí)段的電價(jià)及其變化量，Pi和ΔPi分別表示電價(jià)改變后i時(shí)段的用電量及其變化量。

電價(jià)的變化將會(huì)影響用戶的用電行為，其用用電特性可能發(fā)生調(diào)整轉(zhuǎn)變，因此，本文基于這種價(jià)格-電量變化的影響建立用戶需求響應(yīng)模型，實(shí)現(xiàn)用戶用電行為的仿真優(yōu)化。調(diào)度周期取為24小時(shí)，則各個(gè)時(shí)段的用電量變化與電價(jià)變化存在如下關(guān)系：

(13)

(14)

式中，τ是一個(gè)與各個(gè)時(shí)刻彈性系數(shù)相關(guān)的矩陣。

用電量-電價(jià)響應(yīng)模型表示如下：

(15)

式中，Pi表示響應(yīng)后第i個(gè)時(shí)段的用戶電力負(fù)荷；P0,i表示響應(yīng)前第i個(gè)時(shí)段的用戶原始電力負(fù)荷。

3 電熱綜合能源系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度模型

3.1 低碳經(jīng)濟(jì)調(diào)度多目標(biāo)函數(shù)

本文所研究的電熱綜合能源系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度模型經(jīng)濟(jì)性目標(biāo)經(jīng)濟(jì)成本包括兩個(gè)部分：其一是常規(guī)機(jī)組和熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組的運(yùn)行煤耗成本；其二是風(fēng)電機(jī)組的棄風(fēng)懲罰成本，具體的公式表示如下：

F1=CG+CCHP+CW，

(16)

(17)

本文所研究的電熱綜合能源系統(tǒng)的環(huán)境目標(biāo)主要指系統(tǒng)的總碳排放量，共包含3個(gè)部分：其一是常規(guī)火電機(jī)組的碳排放量；其二是碳捕集機(jī)組捕集減少的二氧化碳減少量；其三是熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組的碳排放量，具體的公式表示如下：

F2=EG-EC+ECHP，

(18)

(19)

式中，EC表示碳捕集機(jī)組捕集二氧化碳而減少的碳排放量；Pi，0和PCi,t分別表示碳捕集設(shè)備i捕集單位二氧化碳所消耗的電功率和t時(shí)刻的捕集能耗。

3.2 約束條件

3.2.1電功率平衡約束

電熱綜合能源系統(tǒng)的電功率平衡約束：

(20)

式中，PWi,t為第i臺(tái)風(fēng)電機(jī)組在t時(shí)刻調(diào)度的風(fēng)電功率；PL,t為t時(shí)刻系統(tǒng)的用電力負(fù)荷；ξ為參與分時(shí)電價(jià)政策實(shí)施的用戶占總用戶的比例；PEBi,t為t時(shí)刻電鍋爐i的有功功率；NEB和NESS分別表示系統(tǒng)中所包含的電鍋爐和電儲(chǔ)能裝置的總臺(tái)數(shù)。

3.2.2熱功率平衡約束

電熱綜合能源系統(tǒng)的熱功率平衡約束：

(21)

式中，HL,t表示t時(shí)刻系統(tǒng)中的總的熱負(fù)荷；NHS表示系統(tǒng)中所包含的儲(chǔ)熱裝置的總臺(tái)數(shù)。

3.2.3碳捕集機(jī)組約束

1) 碳捕集機(jī)組的出力上下限約束：

PZi,t=PGi,t+PCi,t，

(22)

PZi,t,min≤PZi,t≤PZi,t,max，

(23)

式中，PZi,t,min為第i臺(tái)碳捕集機(jī)組在t時(shí)刻的最小發(fā)電功率；PZi,t,max為第i臺(tái)碳捕集機(jī)組在t時(shí)刻的最大發(fā)電功率。

2) 碳捕集機(jī)組的爬坡約束：

(24)

(25)

3) 碳捕集設(shè)備的爬坡約束：

(26)

(27)

3.2.4熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組約束

1) 熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組的運(yùn)行約束：

(28)

2) 熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組的熱出力的爬坡約束：

(29)

(30)

3) 熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組的電出力的爬坡約束：

Cvi(HCHPi,t-HCHPi,t-1)，

(31)

Cvi(HCHPi.t-1-HCHPi,t)，

(32)

3.2.5電鍋爐約束

1) 電鍋爐的電熱轉(zhuǎn)換運(yùn)行特性約束：

HEBi,t=ηiPEBi,t，

(33)

2) 電鍋爐用電功率的上下限約束：

0≤PEBi,t≤PEBi,max，

(34)

式中，PEBi,max為第i臺(tái)電鍋爐的最大電功率。

3.2.6儲(chǔ)熱裝置約束

1) 儲(chǔ)熱裝置的儲(chǔ)放熱過程模型：

(35)

2) 儲(chǔ)熱裝置的容量約束：

0≤SHSi,t≤SHSi,max，

(36)

式中，SHSi,max為第i臺(tái)熱儲(chǔ)裝置的最大儲(chǔ)熱容量。

3) 儲(chǔ)熱裝置的儲(chǔ)放熱速率約束：

(37)

(38)

3.2.7電儲(chǔ)能裝置約束

1) 電儲(chǔ)能裝置的容量約束：

0≤EESSi,t≤EESSi,max，

(39)

式中，EESSi,max為第i臺(tái)電儲(chǔ)能裝置的最大儲(chǔ)電容量。

2) 電儲(chǔ)能裝置的儲(chǔ)放電速率約束：

0≤Pch,i,t≤Pch,i,max，

(40)

0≤Pdis,i,t≤Pdis,i,max，

(41)

式中，Pch,i,max，Pdis,i,max分別表示系統(tǒng)中電儲(chǔ)能裝置i的最大儲(chǔ)電和放電功率。

3.3 模型求解

為解決上建立的電熱綜合能源系統(tǒng)低碳經(jīng)濟(jì)調(diào)度多目標(biāo)優(yōu)化問題，本文采用多目標(biāo)細(xì)菌群體趨藥性(MOBCC)算法進(jìn)行模型求解，其具體求解流程如圖3所示。

MOBCC算法具有較強(qiáng)的全局搜索能力和較快的收斂速度，在實(shí)際應(yīng)用中體現(xiàn)出了良好的效果[13]。采用MOBCC算法求解多目標(biāo)低碳經(jīng)濟(jì)調(diào)度模型的具體步驟如下：

步驟1：需對分時(shí)電價(jià)及峰谷時(shí)段進(jìn)行劃分，并完成輸入，利用上文所建立的彈性系數(shù)矩陣求得分時(shí)電價(jià)響應(yīng)后的負(fù)荷曲線。

步驟2：輸入MOBCC算法的系統(tǒng)參數(shù)、機(jī)組、儲(chǔ)能裝置和電鍋爐等的參數(shù)，進(jìn)行細(xì)菌位置的初始化。其中，用每個(gè)細(xì)菌指代一種調(diào)度方案，即碳捕集機(jī)組的電出力、熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組的電出力和熱出力組成的一組決策變量。

步驟3：每個(gè)細(xì)菌通過細(xì)菌個(gè)體尋優(yōu)和細(xì)菌群體尋優(yōu)產(chǎn)生新的位置，并進(jìn)行可行性檢驗(yàn)及調(diào)整，采用邊界吸收的處理方法，將越過可行域邊界的值設(shè)置為邊界值。如果新位置優(yōu)于原位置，則該細(xì)菌選擇新位置。

步驟4：重復(fù)步驟3細(xì)菌尋找最優(yōu)目標(biāo)值的過程，如此循環(huán)迭代直至符合初始設(shè)置的精度要求。

圖3 模型求解流程圖Fig.3 The flowchart of model solving

4 算例分析

4.1 算例數(shù)據(jù)

為實(shí)現(xiàn)上述所提模型的仿真驗(yàn)證，本文采用包括2個(gè)碳捕集機(jī)組、4個(gè)熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組和1個(gè)風(fēng)電場的測試系統(tǒng)進(jìn)行分析。相關(guān)的機(jī)組煤耗特性函數(shù)以及碳排放參數(shù)取自文獻(xiàn)[11]；儲(chǔ)熱裝置的最大儲(chǔ)熱容量為300 MWh，儲(chǔ)熱和放熱的最大速率均為50 MW，電鍋爐的電熱轉(zhuǎn)換效率為0.95；電儲(chǔ)能裝置的參數(shù)取自文獻(xiàn)[14]，儲(chǔ)電的最大容量為50 MWh，最大儲(chǔ)電和放電的最大速率均為10 MW。

本文所提模型為日前優(yōu)化調(diào)度模型，24小時(shí)為一個(gè)調(diào)度周期，選取一天中9:00到次日8:00時(shí)段進(jìn)行調(diào)度，每個(gè)調(diào)度時(shí)段為1 h。電力負(fù)荷和風(fēng)電出力預(yù)測的數(shù)據(jù)分別如表1和圖4所示。

表1 系統(tǒng)負(fù)荷功率Tab.1 Load power of the system

圖4 風(fēng)電預(yù)測曲線圖Fig.4 Forecast curve of the wind power

用電量-電價(jià)的自彈性系數(shù)和互彈性系數(shù)參考文獻(xiàn)[15]，并認(rèn)為每個(gè)時(shí)段的用電量只受這一時(shí)段關(guān)系較大的前后3個(gè)小時(shí)電價(jià)的影響，算例仿真中自、互彈性系數(shù)分別取為-0.2和0.033。系統(tǒng)的分時(shí)電價(jià)及峰谷時(shí)段劃分如表2所示。

表2 分時(shí)電價(jià)方案Tab.2 TOU program

4.2 多目標(biāo)優(yōu)化結(jié)果分析

仿真算例通過MOBCC算法求得的Pareto最優(yōu)解集如圖5所示。采用TOPSIS方法進(jìn)行電熱綜合能源系統(tǒng)折中解的選取，折中解對應(yīng)的經(jīng)濟(jì)成本為946.74萬元，碳排放量為4.57萬噸。系統(tǒng)調(diào)度的經(jīng)濟(jì)性和環(huán)保性可根據(jù)決策者偏好進(jìn)行協(xié)調(diào)，當(dāng)系統(tǒng)更注重經(jīng)濟(jì)性時(shí)，可以犧牲部分環(huán)保性；反之，當(dāng)系統(tǒng)更注重環(huán)保性時(shí)，則可用部分經(jīng)濟(jì)性換取。

圖5 電熱綜合能源系統(tǒng)Pareto最優(yōu)解集Fig.5 Pareto solution set of the integration of electricity and heating systems

圖6為本文所研究的電熱綜合能源系統(tǒng)優(yōu)化得到的碳捕集機(jī)組、熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組以及風(fēng)電機(jī)組的電出力情況，圖7為熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組的熱出力。算例仿真的結(jié)果，很好地驗(yàn)證了所建立的雙目標(biāo)低碳經(jīng)濟(jì)優(yōu)化調(diào)度模型的合理性以及MOBCC求解算法的有效性。

圖6 系統(tǒng)各類型機(jī)組電出力Fig.6 Power output of different types of units in the system

4.3 需求側(cè)響應(yīng)對系統(tǒng)的影響

為了探究需求側(cè)響應(yīng)對本文所研究的電熱綜合能源系統(tǒng)低碳經(jīng)濟(jì)調(diào)度所產(chǎn)生的影響，設(shè)置以下兩種情景：

情景1：系統(tǒng)不考慮需求側(cè)響應(yīng)；

情景2：系統(tǒng)考慮需求側(cè)響應(yīng)，用戶電力負(fù)荷的70%參與分時(shí)電價(jià)政策的實(shí)施。

圖7 熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組熱出力Fig.7 Heating output of the combined heat and power

考慮需求側(cè)響應(yīng)前后的負(fù)荷曲線變化如圖8所示，可知在系統(tǒng)考慮需求側(cè)響應(yīng)后，原來電力負(fù)荷的高峰水平有所下降，而電力負(fù)荷的低谷水平有所上升，負(fù)荷曲線平時(shí)段的負(fù)荷水平基本維持不變，電力負(fù)荷的峰谷差與無分時(shí)電價(jià)政策時(shí)相比明顯減小。由此可見，分時(shí)電價(jià)政策的實(shí)施達(dá)到了削峰填谷和減小負(fù)荷峰谷差的效果。

圖8 考慮需求側(cè)響應(yīng)前后的負(fù)荷曲線對比Fig. 8 Comparison of load curves before and after considering the demand response

考慮需求側(cè)響應(yīng)前后的風(fēng)電消納曲線對比如圖9所示。在不考慮需求側(cè)響應(yīng)時(shí)，系統(tǒng)的棄風(fēng)電量109.58 MWh，而在考慮了需求側(cè)響應(yīng)后，系統(tǒng)的風(fēng)電實(shí)現(xiàn)了完全消納。棄風(fēng)電量較大的原因在于夜間1點(diǎn)到6點(diǎn)這一時(shí)段，風(fēng)電出力處于高峰，而用戶電力負(fù)荷處于低谷，從而加大了風(fēng)電消納的難度。而分時(shí)電價(jià)政策的實(shí)施引導(dǎo)用戶改變了原有的用電方式，夜間電力負(fù)荷的增加，為風(fēng)電上網(wǎng)提供了空間，風(fēng)電的消納量比分時(shí)電價(jià)政策實(shí)施前明顯增多。因此，系統(tǒng)考慮需求側(cè)響應(yīng)能夠增加低谷時(shí)段風(fēng)電的上網(wǎng)量，促進(jìn)風(fēng)電的消納。

考慮需求側(cè)響應(yīng)前后電熱綜合能源系統(tǒng)風(fēng)電消納低碳經(jīng)濟(jì)調(diào)度問題的Pareto最優(yōu)解集如圖10所示，相比于不考慮需求側(cè)響應(yīng)的優(yōu)化模型，電熱綜合能源系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)成本和碳排放量都有不同程度的下降，這恰好驗(yàn)證了分時(shí)電價(jià)政策的實(shí)施改變了用戶原有的用電模式，進(jìn)而優(yōu)化改善了電源和熱源側(cè)的出力方式。由此可知，分時(shí)電價(jià)政策的實(shí)施能夠降低機(jī)組煤耗量以及二氧化碳的排放量，起到了改善電熱綜合能源系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性和環(huán)保性的積極作用。

圖9 考慮需求側(cè)響應(yīng)前后的風(fēng)電消納曲線對比Fig. 9 Comparison of wind curtailments before and after considering the demand response

圖10 考慮系統(tǒng)需求側(cè)響應(yīng)前后的Pareto最優(yōu)解集對比Fig 10 Comparison of Pareto solution sets before and after considering the demand response

4.4 分情景分析系統(tǒng)的棄風(fēng)消納效果

為了驗(yàn)證所提出的儲(chǔ)熱裝置-電儲(chǔ)能裝置-電鍋爐-風(fēng)電的風(fēng)電消納模型的合理性，對于考慮需求側(cè)響應(yīng)的系統(tǒng)分別設(shè)置以下3種情景：

情景3：電熱綜合能源系統(tǒng)不增加儲(chǔ)熱裝置、電鍋爐和電儲(chǔ)能裝置；

情景4：電熱綜合能源系統(tǒng)增加儲(chǔ)熱裝置、電鍋爐，不增加電儲(chǔ)能裝置；

情景5：電熱綜合能源系統(tǒng)增加儲(chǔ)熱裝置、電鍋爐和電儲(chǔ)能裝置。

3種情景下系統(tǒng)的棄風(fēng)情況如圖11所示，可知情景3中不增加儲(chǔ)熱裝置、電鍋爐和電儲(chǔ)能裝置的系統(tǒng)的棄風(fēng)電量最多，達(dá)到了473.62 MW·h。情景4中增加儲(chǔ)熱裝置和電鍋爐的系統(tǒng)，棄風(fēng)問題有所緩解，棄風(fēng)電量為79.47 MW·h。情景5中增加儲(chǔ)熱裝置、電鍋爐和電儲(chǔ)能裝置的系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了風(fēng)電的完全消納，棄風(fēng)電量為0 MW·h。這是因?yàn)橄到y(tǒng)中增加了儲(chǔ)熱裝置和電鍋爐，實(shí)現(xiàn)了熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組的熱電解耦。儲(chǔ)熱裝置在白天的電力負(fù)荷高峰時(shí)段進(jìn)行儲(chǔ)熱，夜間的電力負(fù)荷低谷時(shí)段進(jìn)行放熱，同時(shí)電鍋爐在夜間的風(fēng)電高峰和電力負(fù)荷低谷時(shí)段，將多余的風(fēng)電轉(zhuǎn)化為熱能。因此，儲(chǔ)熱裝置和電鍋爐能夠有效分擔(dān)熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組的熱力負(fù)荷，為風(fēng)電消納提供了空間。

圖11 3種情景下系統(tǒng)的棄風(fēng)情況對比Fig.11 Comparison of wind curtailments of the system in three cases

情景5中系統(tǒng)儲(chǔ)熱裝置和電鍋爐的出力情況如圖12和13所示，可知儲(chǔ)熱裝置在9:00到14:00時(shí)段進(jìn)行儲(chǔ)熱，在22:00到次日7:00時(shí)段進(jìn)行放熱，承擔(dān)了部分熱負(fù)荷，突破了熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組“以熱定電”的運(yùn)行約束。此外，電鍋爐在1:00到6:00時(shí)段將多余的棄風(fēng)電量轉(zhuǎn)化為熱能，起到了填谷的作用，同樣承擔(dān)了部分熱負(fù)荷，為風(fēng)電上網(wǎng)提供了更多的空間，促進(jìn)了風(fēng)電的消納。

情景5中系統(tǒng)電儲(chǔ)能裝置的功率曲線如圖14所示，可知在01:00到07:00，系統(tǒng)電力負(fù)荷處于低谷時(shí)段，電儲(chǔ)能裝置進(jìn)行儲(chǔ)電，起到了填谷的作用。在09:00到12:00和15:00到23:00系統(tǒng)內(nèi)電力負(fù)荷較高，電儲(chǔ)能裝置釋放電能，起到了削峰的作用。電儲(chǔ)能裝置通過在不同時(shí)段進(jìn)行能量的儲(chǔ)存和釋放，有效減小了負(fù)荷峰谷差，促進(jìn)了電熱綜合能源系統(tǒng)的風(fēng)電消納。

圖12 儲(chǔ)熱裝置出力情況Fig.12 Output of the heat storage device

圖13 電鍋爐電出力情況Fig.13 Output of the electric boiler

圖14 電儲(chǔ)能裝置的出力情況Fig.14 Output of the electric energy storage device

4.5 不同儲(chǔ)放熱速率和電鍋爐功率對系統(tǒng)低碳經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的影響

為進(jìn)一步驗(yàn)證所提低碳經(jīng)濟(jì)調(diào)度模型的合理性，對于考慮需求側(cè)響應(yīng)的系統(tǒng)，分析了不同儲(chǔ)放熱速率以及電鍋爐的電功率對系統(tǒng)低碳經(jīng)濟(jì)性能的影響。圖15和圖16分別為不同儲(chǔ)放熱速率下和不同電鍋爐電功率下的Pareto最優(yōu)解集。

從圖中可以看出，隨著儲(chǔ)熱裝置儲(chǔ)放熱速率的增大以及電鍋爐電功率的增大，電熱綜合能源系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)成本和碳排放量都有一定程度的下降。由此驗(yàn)證了儲(chǔ)放熱速率和電鍋爐的電功率對于改善電熱綜合能源系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性和環(huán)保性的積極作用。然而在實(shí)際工程中，提高儲(chǔ)熱和電鍋爐的參數(shù)會(huì)增加投資成本，因此需要根據(jù)實(shí)際情況合理配置儲(chǔ)熱和電鍋爐的設(shè)施規(guī)模。

圖15 不同儲(chǔ)放熱速率下的Pareto最優(yōu)解集對比Fig.15 Comparison of Pareto optimal solution sets under different heat storage and release rates

圖16 不同電鍋爐電功率下的Pareto最優(yōu)解集對比Fig.16 Comparison of Pareto optimal solution sets under different electric power of electric boiler

5 結(jié)論

考慮需求側(cè)響應(yīng)對電熱綜合能源系統(tǒng)運(yùn)行的影響，本文建立了雙目標(biāo)低碳經(jīng)濟(jì)優(yōu)化調(diào)度模型，并通過算例仿真得到以下結(jié)論：

1) 電熱綜合能源系統(tǒng)利用峰谷分時(shí)電價(jià)政策實(shí)施的需求側(cè)響應(yīng)，能夠?qū)崿F(xiàn)削峰填谷和減小負(fù)荷峰谷差的效果，從而為風(fēng)電上網(wǎng)提供空間，促進(jìn)系統(tǒng)的低碳經(jīng)濟(jì)運(yùn)行；

2) 儲(chǔ)熱裝置、電鍋爐和熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組的協(xié)調(diào)供熱，可以實(shí)現(xiàn)熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組的熱電解耦，從而促進(jìn)風(fēng)電的消納，電儲(chǔ)能裝置的削峰填谷作用也能為風(fēng)電上網(wǎng)提供更多的空間；

3) 本文所建立的電熱綜合能源系統(tǒng)模型沒有考慮儲(chǔ)熱裝置、電鍋爐和電儲(chǔ)能裝置的初期投資成本，如何合理地配置電儲(chǔ)能裝置、電鍋爐和儲(chǔ)熱裝置，在有效促進(jìn)風(fēng)電消納的同時(shí)，保證系統(tǒng)投資和運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性，是下一步需要研究的內(nèi)容。