考慮源-儲協(xié)同優(yōu)化的區(qū)域綜合能源系統(tǒng)經(jīng)濟調(diào)度

姜 濤，許 真，張勁松，周煒然，周慧娟

（1.國網(wǎng)重慶市電力公司市北供電分公司，重慶 401147；2.國網(wǎng)四川省電力公司蒼溪縣供電分公司，四川 廣元 628000；3.國網(wǎng)河南省電力公司營銷服務中心，鄭州 450000）

0 引言

“雙碳”戰(zhàn)略目標驅(qū)動下，推動能源綠色轉(zhuǎn)型勢在必行。RIES（區(qū)域綜合能源系統(tǒng)）通過整合區(qū)域內(nèi)風、光、天然氣等多種能源，以多能互補形式開展電、氣、熱、冷能源供應，從而實現(xiàn)清潔綠色能源有效利用，減少污染物質(zhì)排放［1-2］。

CCHP（冷熱電聯(lián)供）是RIES 核心供能載體，受冬季供暖需求限制，其通常按“以熱定電”模式運行，從而使調(diào)節(jié)靈活的燃氣輪機運行受限［3］。CCHP對RIES運行的不利影響包括兩個方面：受風電反調(diào)峰特性影響，夜間負荷低谷時段風電高發(fā)，CCHP熱電耦合運行模式導致風電消納困難；白天熱負荷較低而電負荷較高時，CCHP“以熱定電”運行方式限制了燃氣輪機供電出力，增加了系統(tǒng)運行成本。

對供能環(huán)節(jié)進行優(yōu)化，通過增設新的靈活熱源以解耦熱電機組“以熱定電”運行約束，能夠減少棄風。其中，熱泵裝置憑借高能效、低排放的優(yōu)勢，在電鍋爐、燃氣鍋爐等熱源中脫穎而出。文獻［4-5］針對電鍋爐、熱泵消納風電方案及經(jīng)濟性進行了闡述。文獻［6］引入熱泵裝置提升CCHP供能靈活性，與電熱可控柔性負荷協(xié)同優(yōu)化，以提升系統(tǒng)運行效益。文獻［7］考慮熱泵與電動汽車的靈活性特點，通過源-荷協(xié)同互動來減少系統(tǒng)棄風。上述文獻驗證了熱泵對促進風電消納的有效性，但并未解決用電高峰CCHP 供電不足問題，而且研究中熱泵裝置能效比均按定值計算，與實際運行存在一定差異，從而導致風電消納存在偏差。

為提高電負荷較高時熱電機組電熱調(diào)節(jié)能力，現(xiàn)有研究多從源、荷、儲三方面展開。文獻［8-9］采用余熱發(fā)電設備對電-熱能源耦合環(huán)節(jié)進行優(yōu)化，通過調(diào)整CHP（熱電聯(lián)供）的熱電比來減少系統(tǒng)購電功率。文獻［10-11］提出計及人體舒適度與柔性負荷的電熱系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度方法，通過拓寬人體舒適度約束，增加用電高峰CHP 機組供電量，減少系統(tǒng)購電成本。文獻［12-13］引入儲熱裝置，通過增加用電高峰CHP產(chǎn)熱功率，提高熱電機組供電能力，降低系統(tǒng)運行成本。上述文獻分別從源、荷、儲不同角度對熱電機組進行優(yōu)化，其中儲熱裝置投資成本低廉、技術(shù)成熟，并且運行過程中不會影響用戶舒適度體驗，因此較其他方式而言更具優(yōu)勢。

利用源-儲協(xié)同優(yōu)化，充分發(fā)揮二者優(yōu)勢以同時應對聯(lián)供機組“以熱定電”運行方式造成的棄風及用電高峰供電不足問題，能夠提高RIES可再生能源利用水平與運行效益。然而現(xiàn)有關(guān)于源-儲協(xié)同的研究多側(cè)重于能量遠距離輸送的大型電熱互聯(lián)系統(tǒng)，通過電鍋爐與儲熱配合來改善熱電機組調(diào)節(jié)能力［14-16］。隨著“十四五”規(guī)劃以及“雙碳”戰(zhàn)略的展開，推行分布式能源建設成為現(xiàn)階段工作重點［17］。RIES 作為分布式能源集成的典型物理載體，對其積極開展源-儲協(xié)同優(yōu)化意義重大。

為此，本文提出ASHP（空氣源熱泵）與儲熱聯(lián)合調(diào)度的RIES優(yōu)化模型。從ASHP與儲熱原理入手，充分發(fā)揮源-儲協(xié)同優(yōu)化作用，即：在夜間風電高發(fā)時段，采用ASHP 消納風電供熱，與儲熱裝置放熱配合，以減少燃氣輪機熱電耦合發(fā)電功率，提升風電并網(wǎng)空間；在電負荷較高而采暖負荷較低時，利用儲熱裝置蓄熱，增加CCHP 熱電耦合發(fā)電功率，減少系統(tǒng)購電成本。源-儲協(xié)同作用可使系統(tǒng)風電消納能力與運行成本得到有效改善。

1 源－儲協(xié)同優(yōu)化RIES調(diào)度架構(gòu)

本文研究對象為社區(qū)型RIES，冬季負荷為電、熱負荷，CCHP 由燃氣輪機與溴冷機組成。由于冬季電、熱負荷呈現(xiàn)相反態(tài)勢，CCHP“以熱定電”運行方式導致燃氣輪機發(fā)電功率表現(xiàn)為“夜高晝低”，在夜間擠占風電并網(wǎng)空間，而白天系統(tǒng)供電不足。

基于源-儲協(xié)同優(yōu)化的RIES 調(diào)度架構(gòu)如圖1所示。該架構(gòu)能夠直觀展示RIES中設備之間的連接組成方式、能量流動及轉(zhuǎn)換過程，其中CCHP與ASHP 熱能轉(zhuǎn)換路徑為系統(tǒng)熱能供應提供了選擇，同時蓄熱罐通過熱能蓄放進一步提高了熱能供應的靈活性。通過對能量轉(zhuǎn)換、存儲環(huán)節(jié)進行優(yōu)化，能夠提升RIES運行靈活性與經(jīng)濟性。

圖1 區(qū)域綜合能源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.1 變工況ASHP電熱轉(zhuǎn)換建模

ASHP 運行原理為逆卡諾循環(huán)過程，通過電能驅(qū)動壓縮機運轉(zhuǎn)以驅(qū)使冷媒進行物理相變，從而實現(xiàn)供熱、制冷。

圖2為ASHP提升風電消納原理。為了促進風電并網(wǎng)消納，采用風電對ASHP 進行直接供能，在增加夜間用電負荷的同時將風電轉(zhuǎn)換為調(diào)峰熱源，以減少CCHP 承擔的供熱峰荷，從而實現(xiàn)聯(lián)供機組熱電解耦，提高風電上網(wǎng)空間。

圖2 ASHP促進風電消納原理

現(xiàn)有優(yōu)化調(diào)度研究中ASHP 能效比通常按定值計算，供熱模式下ASHP 通過吸收戶外空氣中的熱量進行制熱循環(huán)，因此室外環(huán)境溫度變化對ASHP 制熱性能ηHP，h具有直接影響?？紤]環(huán)境溫度影響的變工況ASHP電熱轉(zhuǎn)換數(shù)學模型［18］為：

式中：PHP（t）和PHP，h（t）分別為t時段ASHP消耗的電功率、電熱轉(zhuǎn)換的熱功率；Pw（t）為t時段風電機組發(fā)電功率；μwl（t）和μwd（t）分別為t時段風電分配至集電器功率系數(shù)和棄風系數(shù)；ηHP，h（t）為t時段ASHP 電熱轉(zhuǎn)換系數(shù)；θout（t）為t時段室外環(huán)境溫度。

對于冬季供熱而言，ASHP 制熱性能隨著環(huán)境溫度的降低而下降，一天中多數(shù)時段ηHP，h均低于額定值?？紤]到RIES棄風集中于夜間環(huán)境溫度最低時段［19］，忽略環(huán)境溫度對ηHP，h的影響會使系統(tǒng)風電消納存在偏差，即夜間變工況ASHP 制熱功率低于定工況運行時制熱功率，導致系統(tǒng)風電消納量低于ASHP 定工況運行模式。在實際調(diào)度中，為彌補定能效ASHP 調(diào)度差額，系統(tǒng)需要進行切負荷或額外購置能源，從而降低了供能可靠性，增加了運行成本。

1.2 基于RIES運行狀態(tài)的蓄熱罐熱能時移特性建模

蓄熱罐工作原理如圖3 所示，圖中TG為溫控參數(shù)。

圖3 蓄熱罐工作原理

蓄熱罐接入運行后，通過熱能時移，將與蓄熱容量相等的峰時熱負荷轉(zhuǎn)移至用熱低谷，實現(xiàn)對采暖負荷削峰填谷，進而提高CCHP 電熱調(diào)節(jié)能力，原理如圖4所示。夜間用熱高峰，蓄熱罐作為熱源放熱運行，通過承擔部分熱負荷來減少燃氣輪機熱電耦合發(fā)電功率，增加風電并網(wǎng)空間；白天用熱低谷，蓄熱罐作為熱負荷蓄熱運行，從而增加燃氣輪機熱電耦合發(fā)電功率，降低用電高峰RIES對主網(wǎng)的依賴程度。

圖4 蓄熱罐熱能時移調(diào)節(jié)原理

將系統(tǒng)自供電狀態(tài)Zs、棄風狀態(tài)fw作為蓄熱罐蓄、放熱標志，其中Zs表示系統(tǒng)內(nèi)部發(fā)電機組滿足用電負荷能力，fw表示系統(tǒng)對風電可再生能源消納能力。通過靈活調(diào)控不同時間段蓄熱罐運行模式，最大限度促進風電并網(wǎng)消納，降低系統(tǒng)運行成本。調(diào)度中心可根據(jù)機組信息、負荷預測數(shù)據(jù)對fw和Zs進行判斷?；谙到y(tǒng)運行狀態(tài)的蓄熱罐熱能時移特性表達式為：

式中：PH（t）和PHz（t）分別為蓄熱罐接入前和接入后t時段熱負荷；Pe（t）為t時段電負荷；H（t）為t時段蓄熱罐能量狀態(tài)；EH為蓄熱罐容量；PH，c（t）和PH，d（t）分別為t時段蓄熱罐蓄熱、放熱功率；ηH為蓄熱罐蓄放熱效率；PGT（t）和Pv（t）分別為t時段燃氣輪機、光伏發(fā)電功率；Δt為單位調(diào)度時間；Pmaxline為聯(lián)絡線最大傳輸功率；Zs=1 時蓄熱罐蓄熱，fw=1時蓄熱罐放熱。

2 源-儲協(xié)同優(yōu)化RIES經(jīng)濟調(diào)度模型

2.1 目標函數(shù)

以RIES 日前調(diào)度成本最優(yōu)為目標，通過ASHP 與蓄熱罐協(xié)同運行，從源、儲兩側(cè)共同提升CCHP 冬季電熱調(diào)節(jié)能力，從而提升系統(tǒng)風電消納能力，降低運行成本。目標函數(shù)表達式為：

式中：CRS為系統(tǒng)運行成本；CFU（t）和COM（t）分別為t時段機組燃料成本、運行維護成本；CEN（t）和CWC（t）分別為t時段系統(tǒng)環(huán)境成本、棄風懲罰成本；CEX（t）為t時段RIES 電能交互成本（含購電成本、售電收益）；CDE為新增設備（ASHP、蓄熱罐）日投資成本；T為總時段數(shù)。

2.1.1 燃料成本

系統(tǒng)需要外購天然氣以供給燃氣輪機發(fā)電，費用可表示為：

式中：ηGT為發(fā)電效率；HCH4為天然氣低熱值，取9.7 kWh/m3；DCH4為天然氣單價，取2.54元/m3。

2.1.2 運行維護成本

燃氣輪機、ASHP 以及風電、光伏在運行中需進行日常維護，費用可表示為：

式中：Kw、Kv、KGT、KHP分別為風電、光伏、燃氣輪機、ASHP功率維護單價。

2.1.3 環(huán)境成本

風電、光伏、ASHP 均為清潔能源供能，因此排污治理征收對象主要為運行中的燃氣輪機、系統(tǒng)購電功率（目前用電高峰購電功率多來自燃煤電廠），費用可表示為：

式中：δk和βk分別為燃氣輪機、購電功率第k種污染物單位排放量；W為排污種類數(shù)；ωk為第k種污染物單位治理費用。

2.1.4 棄風懲罰成本

為提升風電消納能力，對系統(tǒng)棄風功率進行按量懲罰，費用可表示為：

式中：πwd為棄風罰款單價，取0.05元/kWh。

2.1.5 電能交互成本

聯(lián)絡線功率PEX（t）分為購電與售電兩類，對應成本收益可表示為：

式中：Pbuy（t）和Psell（t）分別為t時段系統(tǒng)購、售電功率；Dbuy（t）和Dsell（t）分別為t時段系統(tǒng)購、售電電價。

2.1.6 新增設備日投資成本

ASHP與蓄熱罐作為RIES新建設備，其投資成本將會對系統(tǒng)運行經(jīng)濟性造成一定影響。將總投資成本轉(zhuǎn)化為日折舊費用進行量化考慮，表示為：

式中：CDE，HP和CDE，H分別為ASHP、蓄熱罐日投資成本；CHP和βHP分別為ASHP 規(guī)劃容量和單位容量建設成本；CH和βH分別為蓄熱罐規(guī)劃容量和單位容量建設成本；rHP和rH分別為ASHP、蓄熱罐折現(xiàn)率；γHP和γH分別為ASHP、蓄熱罐可使用年限。

此外，蓄熱罐成本中總還包括其運行維護成本COM，H，將CDE，H乘以系數(shù)λ作為其年維護成本，進一步折算至日維護成本為：

因此蓄熱罐折算至每日投資運維成本為：

2.2 約束條件

2.2.1 能量平衡約束

能量平衡主要為系統(tǒng)能源匯集分配環(huán)節(jié)，即集電器、集熱器能量流入、流出應保持實時平衡，表示為：

式中：PLB，h（t）為溴冷機t時段制熱功率。

2.2.2 能量轉(zhuǎn)換元件約束

燃氣輪機、溴冷機的能量轉(zhuǎn)換約束參考文獻［3］，ASHP能量轉(zhuǎn)換需滿足式（2）、式（3）。

2.2.3 機組運行約束

所有設備均需在允許范圍內(nèi)工作。機組運行約束主要考慮燃氣輪機、ASHP 運行功率約束、爬坡約束，具體為：

式中：和分別為燃氣輪機運行最大功率、最小功率；和分別為ASHP 運行最大功率、最小功率；和分別為燃氣輪機最大向上、向下爬坡速率；和分別為ASHP最大向上、向下爬坡速率。

2.2.4 聯(lián)絡線交互功率約束

聯(lián)絡線傳輸容量有限，各時段RIES與主網(wǎng)交互功率不能越限，表示為：

式中：和分別為交互功率上限、下限。

2.2.5 蓄熱罐運行約束

蓄熱罐運行過程中，需滿足蓄放能、儲能量等相關(guān)約束，表示為：

式中：和分別為蓄熱罐最大蓄、放熱功率；Hmax和Hmin分別為蓄熱罐最大、最小能量狀態(tài)。

2.2.6 網(wǎng)絡約束

網(wǎng)絡約束詳見文獻［20］，主要考慮電力網(wǎng)絡、天然氣網(wǎng)絡約束。

2.3 仿真工具

優(yōu)化模型中天然氣網(wǎng)絡為非線性約束，采用文獻［8］方法處理，將模型轉(zhuǎn)化為線性規(guī)劃問題。CPLEX作為優(yōu)秀的線性規(guī)劃問題求解工具，能夠應用割平面定界劃分范圍技術(shù)進行快速求解。本文在CPLEX12.6版本中實現(xiàn)仿真。

3 算例分析

3.1 算例數(shù)據(jù)

算例系統(tǒng)參考文獻［20］并進行調(diào)整，引入ASHP、蓄熱罐對熱能耦合環(huán)節(jié)進行優(yōu)化，同時去除柴油發(fā)電機組，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖5所示。源、荷預測數(shù)據(jù)取自華北地區(qū)某綠色能源示范項目，環(huán)境溫度、機組參數(shù)及電價信息見表1—3、圖6—8。ηH=0.88，βHP=1 200 元/kW，γHP=10 年，βH=380 元/kW，γH=30 年，rHP=5%，rH=10%，λ=0.5%。

圖6 ASHP工作原理

表1 機組參數(shù)

圖5 算例系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

設置3類運行場景（見表4）并分別進行仿真分析，以驗證源-儲優(yōu)化模型的優(yōu)勢。

3.2 ASHP定、變工況運行分析

表2 污染排放數(shù)據(jù)

表3 區(qū)域綜合能源系統(tǒng)電價信息

表4 場景分類

圖9為無ASHP系統(tǒng)供電調(diào)度結(jié)果。調(diào)度周期內(nèi)CCHP 按“以熱定電”模式運行，燃氣輪機需按照供熱負荷進行發(fā)電安排，導致其供電曲線呈現(xiàn)“夜高晝低”：在風電高發(fā)的1—8和24時段擠占風電上網(wǎng)空間，造成棄風；在電價較高的13—22 時段，受熱負荷制約燃氣輪機不能充分投入運行，導致系統(tǒng)供電不足，聯(lián)絡線存在較高的購電功率。因此該場景下系統(tǒng)棄風較為嚴重，運行成本較高。

圖10 為ASHP 接入后在定工況、變工況模式下的運行結(jié)果。在電價低谷的1—6 和23—24 時段，燃氣輪機度電成本高于電網(wǎng)電價，此時優(yōu)先調(diào)用ASHP 進行供熱以降低燃氣輪機供電出力；在電價較高的7—22時段，系統(tǒng)購、售電電價均高于燃氣輪機度電成本，此時CCHP 優(yōu)先供熱，ASHP在7—8棄風時段進行輔助供熱。

受環(huán)境溫度影響，在1—8和23—24時段，變工況ASHP 制熱能效均無法達到額定值，導致系統(tǒng)供熱功率存在偏差，而該部分供熱缺額需由CCHP承擔。與場景1相比，場景2燃氣輪機需要增加發(fā)電計劃以彌補供熱缺額，導致風電并網(wǎng)消納情況也存在一定偏差。

圖11 為ASHP 定工況、變工況模式下的系統(tǒng)棄風情況。在1—7 時段，場景2 棄風功率均高于場景1，偏差率為11.88%，由此可知，忽略環(huán)境溫度對ASHP 制熱能效影響，會使風電消納理想化，不利于系統(tǒng)調(diào)度計劃可靠制定。與此同時，由圖7可知，ASHP僅在低谷電價或棄風時段運行方能取得經(jīng)濟效益，并未改善用電高峰CCHP 熱電耦合而導致的系統(tǒng)供電不足現(xiàn)象。

圖7 源、荷預測數(shù)據(jù)

3.3 源-儲協(xié)同優(yōu)化運行分析

源-儲協(xié)同調(diào)度結(jié)果如圖12 所示。在電價低谷的1—6和23—24時段，燃氣輪機度電成本高于電網(wǎng)電價，ASHP 優(yōu)先于CCHP 供熱，同時蓄熱罐在圖8所示棄風標志時段進行放熱，源-儲協(xié)同共同降低燃氣輪機調(diào)度出力，促進風電并網(wǎng)消納。

圖8 環(huán)境溫度預測曲線

圖9 無ASHP調(diào)度結(jié)果

圖10 ASHP定、變工況運行結(jié)果

圖11 ASHP定、變工況棄風結(jié)果

圖12 源-儲協(xié)同調(diào)度結(jié)果

在7—22時段，燃氣輪機度電成本低于電網(wǎng)電價，CCHP 優(yōu)先進行供熱，其中在13—22 時段系統(tǒng)內(nèi)部發(fā)電機組存在供電缺額，并且在17—22 時段系統(tǒng)購電電價最高，因此蓄熱罐在該時段內(nèi)充當熱負荷進行蓄熱，增加CCHP 產(chǎn)熱功率以提高燃氣輪機用電高峰供電量，從而減少系統(tǒng)與主網(wǎng)間購電功率，提高系統(tǒng)運行經(jīng)濟性。

3.4 風電消納水平

各場景風電消納情況如圖13 所示。場景2 中ASHP 制熱能效受環(huán)境溫度影響，難以達到額定值，從而導致該場景系統(tǒng)風電消納率略低于場景1定能效ASHP 運行模式。場景3 通過ASHP 與蓄熱罐協(xié)同優(yōu)化，從源、儲兩側(cè)共同解耦CCHP 熱電耦合運行約束，調(diào)度周期內(nèi)系統(tǒng)風電消納率得到有效提升，驗證了本文模型提高RIES接納風電能力的有效性。

圖13 各場景風電消納率

3.5 成本分析

調(diào)度周期內(nèi)系統(tǒng)各場景運行成本如表5 所示。ASHP 變工況運行模式導致風電消納存在偏差，場景2棄風懲罰成本、運行成本較場景1分別提高了11.88%和0.73%。場景3 通過ASHP 與蓄熱罐協(xié)同優(yōu)化，棄風懲罰成本較場景2降低了66.62%，有效提升了系統(tǒng)風電消納能力；用電高峰燃氣輪機供電調(diào)節(jié)能力得到了有效提升，購電成本降低了47.09%，系統(tǒng)運行總成本較場景2 降低了6.84%。

表5 各場景系統(tǒng)運行成本

此外，通過源-儲協(xié)同優(yōu)化，系統(tǒng)環(huán)境成本較場景2 降低了20.32%，在提高可再生能源利用水平與運行經(jīng)濟性的同時，有效減少了污染排放，具有良好的社會環(huán)境效益。

4 結(jié)語

針對CCHP“以熱定電”導致的棄風及用電高峰供電不足問題，建立了基于源-儲協(xié)同運行的RIES 優(yōu)化模型。采用變工況ASHP 與蓄熱罐從源、儲兩側(cè)共同解耦CCHP 熱電耦合運行約束，以提高聯(lián)供機組在電、熱負荷需求不均時段的調(diào)節(jié)能力，達到促進風電并網(wǎng)消納、降低系統(tǒng)運行成本的目的。算例結(jié)論如下：

1）ASHP 制熱能效受環(huán)境溫度影響，與定工況模式相比，變工況模式下系統(tǒng)風電消納情況存在偏差，調(diào)度周期內(nèi)棄風偏差率為11.88%。

2）利用儲熱裝置熱能時移特性，基于系統(tǒng)棄風狀態(tài)、自供電狀態(tài)靈活進行蓄、放能，能夠有效改善CCHP 電熱調(diào)節(jié)能力，從而在夜間促進風電并網(wǎng)消納，在用電高峰增加CCHP供電出力。

3）優(yōu)化模型在兼顧系統(tǒng)風電消納與運行成本的同時，有效降低了污染排放，具有良好的社會環(huán)境效益。

考慮到風、光、負荷預測精度具有隨時間尺度減小而提高的特點，后續(xù)研究將結(jié)合多時間尺度進行協(xié)調(diào)優(yōu)化，以削減不確定因素對調(diào)度結(jié)果影響。