考慮非計劃離網(wǎng)期用能需求的工商業(yè)園區(qū)優(yōu)化運行

盧川，黃婧杰，孫志云，謝彬，楊洪明

(1. 湖南省清潔能源與智能電網(wǎng)協(xié)同創(chuàng)新中心(長沙理工大學(xué))，長沙410114；2. 中國能源建設(shè)集團(tuán)湖南省電力設(shè)計院有限公司，長沙410007)

0 引言

2020年，我國提出了“碳達(dá)峰、碳中和”目標(biāo)。加速工商業(yè)園區(qū)建筑供暖和熱水供應(yīng)的電氣化以提高其用能電氣化率被認(rèn)為是實現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)的重要路徑之一。在此趨勢下，熱泵、蓄熱式電采暖等電能替代技術(shù)廣泛應(yīng)用于園區(qū)[1 - 2]。但熱泵的接入使得工商業(yè)園區(qū)用電負(fù)荷和用電費用不斷攀高[3]，在主網(wǎng)供電缺失下還存在供能不足的狀況，影響正常生產(chǎn)運行，帶來經(jīng)濟(jì)損失[4]，因此如何提高工商業(yè)園區(qū)運行經(jīng)濟(jì)性和用能可靠性愈加重要。

工商業(yè)園區(qū)負(fù)荷可分為重要負(fù)荷和柔性負(fù)荷，在我國現(xiàn)行分時電價的政策下，通過引導(dǎo)柔性負(fù)荷改變用電習(xí)慣，使其參與到優(yōu)化運行中能夠改善負(fù)荷曲線，降低用電成本[5 - 6]。文獻(xiàn)[7 - 8]分別考慮柔性電負(fù)荷的價格需求響應(yīng)和柔性熱負(fù)荷的需求彈性，對柔性電、熱負(fù)荷的用能進(jìn)行調(diào)控，提高了運行的經(jīng)濟(jì)性；文獻(xiàn)[9]以運行成本最小為目標(biāo)，提出了一種考慮電熱多種負(fù)荷綜合需求響應(yīng)的園區(qū)優(yōu)化運行模型。但由于工商業(yè)園區(qū)柔性負(fù)荷響應(yīng)受滿意度限制且重要負(fù)荷與其主營生產(chǎn)密切相關(guān)，因此負(fù)荷側(cè)調(diào)節(jié)范圍有限。利用儲能可起到良好的協(xié)調(diào)作用，在工商業(yè)園區(qū)配置儲能，可以有效地促進(jìn)分時電價政策下園區(qū)負(fù)荷的削峰填谷,降低園區(qū)用戶的用電成本[10 - 11]。文獻(xiàn)[12 - 13]面向用戶側(cè)工業(yè)園區(qū)分別考慮了蓄電池、蓄熱罐的能量時移特性，對充放能時段進(jìn)行優(yōu)化，使運行經(jīng)濟(jì)性顯著提高。

但以上研究多理想化地考慮主網(wǎng)正常供電的狀況，通過儲能的低儲高放或柔性負(fù)荷的響應(yīng)來降低工商業(yè)園區(qū)運行成本，少有考慮實際運行中因自然災(zāi)害、設(shè)備線路損壞和供需不平衡等因素導(dǎo)致的非計劃離網(wǎng)期間重要電、熱負(fù)荷的用能需求。隨著電能替代下用電依賴性和電熱耦合性的增強(qiáng)，主網(wǎng)電力供應(yīng)缺失所帶來的損失和影響更加突出[14 - 15]。非計劃離網(wǎng)期間，為了滿足重要負(fù)荷的持續(xù)用能需求，除了光伏出力之外，儲能裝置也可以作為緊急響應(yīng)資源[16 - 17]，但不論是不間斷電源(uninterruptible power supply，UPS)還是常規(guī)儲能裝置均存在一定不足，UPS作為供電故障下的應(yīng)急電源，主網(wǎng)正常供電時大量閑置導(dǎo)致浪費[18]，而蓄電池和蓄熱罐在正常供電時以“低儲高放”的方式進(jìn)行儲放能，剩余能量無法確保離網(wǎng)期間持續(xù)滿足重要負(fù)荷需求。

綜合上述分析，在提升工商業(yè)用能電氣化率的背景下，本文以光伏、熱泵、電熱儲能、傳輸泵和電熱負(fù)荷構(gòu)成的工商業(yè)園區(qū)為研究對象，綜合考慮柔性電熱負(fù)荷的響應(yīng)特性和重要電熱負(fù)荷的用能可靠性，提出了一種工商業(yè)園區(qū)優(yōu)化運行模型。

1 工商業(yè)園區(qū)結(jié)構(gòu)和能源轉(zhuǎn)換設(shè)備模型

1.1 工商業(yè)園區(qū)結(jié)構(gòu)

以中小型工商業(yè)園區(qū)為研究對象。其主營生產(chǎn)、生活中對熱能品位要求不高，僅需維持溫度在舒適范圍內(nèi)。在構(gòu)建以電為核心的能源體系下，園區(qū)結(jié)構(gòu)及能量流如圖1所示。儲能包括蓄電池和蓄熱罐；熱泵為地源熱泵；傳輸泵為輸送熱能的輔助設(shè)備；重要負(fù)荷指園區(qū)的工商業(yè)用戶在主營生產(chǎn)中必須得到滿足的剛性負(fù)荷，柔性負(fù)荷指生活用能中可被調(diào)控的響應(yīng)負(fù)荷。

1.2 能源轉(zhuǎn)換設(shè)備模型

1.2.1 地源熱泵

地源熱泵是在電能驅(qū)動下利用地下淺層地?zé)豳Y源供熱的裝置，與燃煤鍋爐相比，地源熱泵制熱效率和環(huán)保性更好，數(shù)學(xué)模型表示為[19]：

Qhp(t)=ηEER-hpPhp(t)

(1)

Php(t)=Php-zj(t)+Php-cp(t)

(2)

式中：Qhp(t)、Php(t)分別為時段t內(nèi)地源熱泵系統(tǒng)的輸出熱功率、輸入電功率；Php-zj(t)、Php-cp(t)分別為熱泵系統(tǒng)中的主機(jī)、水泵的輸入電功率；ηEER-hp為制熱能效比，其含義是地源熱泵消耗單位電能提供給用戶的熱能。

1.2.2 傳輸泵及其耗電系數(shù)計算

傳輸泵為輸送熱能的輔助設(shè)備，其耗電功率與輸送熱能的關(guān)系可以用一次函數(shù)近似計算為[20]：

(3)

式中：Qcp(t)、Pcp(t)分別為時段t內(nèi)傳輸泵輸送的熱功率、輸入電功率；αcp為耗電系數(shù)。

對于αcp， 本文提出利用地源熱泵系統(tǒng)的制熱性能系數(shù)與制熱能效比來確定其大小，地源熱泵制熱性能系數(shù)ξCOP-hp的含義是地源熱泵主機(jī)消耗單位電能所產(chǎn)生的熱能，如式(4)所示，同時將式(1)進(jìn)行數(shù)學(xué)變換可得式(5)。

(4)

(5)

當(dāng)Qhp(t)一定，即提供給用戶的熱量相同時，結(jié)合式(2)—(5)，可以得到式(6)。

(6)

1.2.3 儲能裝置及其能量狀態(tài)區(qū)間劃分

儲能具有能量時移的特性，可使得園區(qū)利用電價差來獲得收益，減少運行成本。蓄電池和蓄熱罐的能量充放數(shù)學(xué)模型可以描述為[21]：

(7)

式中：Ebat(t)、Hsg(t)分別為t時刻存儲的電能、熱能；τ、μ為儲能能量自放率；Pch(t)、Pdis(t)、ηbat,ch、ηbat,dis分別為蓄電池充、放電功率和充、放電效率；Qch(t)、Qdis(t)、ηsg,ch、ηsg,dis分別為蓄熱罐儲、放熱的功率和效率；X、Y為0、1變量，表示充、放能狀態(tài)。

在實際運行中，受自然災(zāi)害、設(shè)備線路損壞、供需不平衡等突發(fā)因素影響，會存在主網(wǎng)供電缺失的情況，此時園區(qū)將非計劃轉(zhuǎn)入離網(wǎng)運行狀態(tài)，為了保證離網(wǎng)期間重要電、熱負(fù)荷短時持續(xù)用能，除光伏出力之外，還需要電、熱儲能預(yù)留一定能量。不同于與維持儲能能量始終在某一固定值以上，本文提出將儲能的能量狀態(tài)[22]劃分為如圖2所示的兩個區(qū)間。

圖2 儲能裝置能量狀態(tài)區(qū)間劃分示意圖Fig.2 Diagram of state of energy level division of energy storage

區(qū)間1是為了滿足非計劃離網(wǎng)用能需求而設(shè)置的備用容量，區(qū)間2是發(fā)揮分時電價下儲能“低儲高放”作用的靈活儲放容量。

1.3 考慮非計劃離網(wǎng)期用能需求的園區(qū)運行模式

考慮非計劃離網(wǎng)用能需求后，園區(qū)在并網(wǎng)和離網(wǎng)時的運行模式為：正常并網(wǎng)時，在滿足區(qū)間1備用容量約束下，基于分時電價信息，進(jìn)行柔性電熱負(fù)荷的響應(yīng)、發(fā)揮區(qū)間2靈活儲放容量的“低儲高放”作用，以提高運行經(jīng)濟(jì)性；故障離網(wǎng)時，優(yōu)先光伏出力供應(yīng)重要電負(fù)荷和傳輸泵，若存在缺額，則通過蓄電池的備用容量補(bǔ)足，傳輸泵利用蓄熱罐的熱備用容量對重要熱負(fù)荷供熱，滿足離網(wǎng)期重要電、熱負(fù)荷的持續(xù)用能需求。

2 柔性電、熱負(fù)荷響應(yīng)特性和儲能備用容量

2.1 柔性電負(fù)荷及其價格需求響應(yīng)特性

現(xiàn)行分時電價政策下，常用電量電價彈性矩陣來表達(dá)柔性電負(fù)荷用電量對電價的響應(yīng)[23]。

(8)

式中：ε為彈性系數(shù)；ΔPe、 Δρ、Pe、ρ0分別為柔性負(fù)荷功率變化量、電價的增加量和原始柔性電負(fù)荷需求、電價。為防止柔性電負(fù)荷響應(yīng)過度導(dǎo)致用戶用電滿意度下降，將用電滿意度γ引入電量電價彈性矩陣E中來描述需求響應(yīng)實施后負(fù)荷調(diào)整情況，引入γ后的E為：

(9)

其中

(10)

式中：εii、εij分別為自、交叉彈性系數(shù)；T為運行周期。響應(yīng)后柔性電負(fù)荷功率Pde(t)為：

(11)

2.2 柔性熱負(fù)荷及其彈性調(diào)節(jié)特性

本文中的熱負(fù)荷為供暖負(fù)荷，應(yīng)用于工商業(yè)園區(qū)的室內(nèi)建筑采暖。由于溫度在一定范圍內(nèi)時波動時，不會影響到用熱舒適度，即熱能消費存在感知上的模糊性，使得用熱功率可在一定范圍內(nèi)波動變化，將這種變化特性稱為柔性熱負(fù)荷的彈性調(diào)節(jié)特性，可采用一階熱力學(xué)模型對用熱功率與室內(nèi)溫度變化進(jìn)行描述[24]，即：

(12)

τ=RCair

(13)

式中：Qh(t)為柔性熱負(fù)荷響應(yīng)前的功率；R為建筑物等效熱阻；Tin(t)、Tout(t)為t時段建筑物室內(nèi)、室外溫度；Cair為室內(nèi)空氣熱容。

根據(jù)柔性熱負(fù)荷的彈性調(diào)節(jié)特性，對于室內(nèi)溫度有如下約束：

Tin,min≤Tin(t)≤Tin,max

(14)

熱感覺平均預(yù)測(predicted mean vote，PMV)作為量化表征用熱舒適度的指標(biāo)，可用于確定室內(nèi)溫度波動范圍，在忽略空氣流速和濕度等因素后，可以簡化計算為[8]：

(15)

式中：Ts為舒適狀態(tài)下人體皮膚平均溫度，近似取為33.5 ℃；M為人體代謝率，取為80 W/m2；Icl為服裝熱阻，取為0.11 m2·℃/W。將式(15)經(jīng)數(shù)學(xué)變換，可以得到：

(16)

PMV指標(biāo)共分為7級，當(dāng)λPMV=0時是最舒適的熱狀態(tài)。在當(dāng)λPMV±0.5間波動時，溫度變化產(chǎn)生的差異不會被用戶明顯感知，可得溫度適宜變化范圍為：

20.4 ℃≤Tin(t)≤24.9 ℃

當(dāng)考慮柔性熱負(fù)荷需求彈性特性后，t時段的實際柔性熱負(fù)荷需求Qdh(t)為：

Qdh(t)=Qh(t)-ΔQh(t)

(17)

在電能替代熱泵供熱方式下，調(diào)整熱負(fù)荷需求可實現(xiàn)電負(fù)荷需求的調(diào)整，進(jìn)而響應(yīng)分時電價信息。

2.3 考慮非計劃離網(wǎng)期用能需求的儲能備用容量

2.3.1 工商業(yè)園區(qū)重要電、熱負(fù)荷用能需求

園區(qū)中工商業(yè)用戶主營生產(chǎn)流程如圖3所示。重要電負(fù)荷包括圖中的藍(lán)色重要生產(chǎn)經(jīng)營環(huán)節(jié)用電和運行控制中心用電。重要熱負(fù)荷包括生產(chǎn)經(jīng)營過程中的生產(chǎn)要求內(nèi)用熱和運行控制中心用熱。

圖3 工商業(yè)生產(chǎn)運營流程圖Fig.3 Flow chart of Industrial and commercial production operation

一旦發(fā)生離網(wǎng)，為避免重要負(fù)荷斷電和溫度超出范圍而影響正常主營生產(chǎn)，需維持生產(chǎn)環(huán)節(jié)正常工作一段時間以完成主營生產(chǎn)材料的緊急處理，否則會造成較大經(jīng)濟(jì)損失。

2.3.2 不同時刻儲能備用容量計算

非計劃離網(wǎng)期間，除了光伏出力之外，設(shè)定儲能裝置留有一定備用容量。但若備用容量過大，則靈活儲放容量較小，影響并網(wǎng)運行經(jīng)濟(jì)性; 反之，則無法保證離網(wǎng)期間重要負(fù)荷的持續(xù)用能。由于不同時刻的負(fù)荷需求存在一定差別，因此本文提出根據(jù)園區(qū)不同時刻的用能需求靈活設(shè)置儲能備用容量以提高并網(wǎng)運行經(jīng)濟(jì)性和離網(wǎng)用能可靠性。對于蓄電池，其電備用容量計算表達(dá)式為：

(18)

對于蓄熱罐，熱備用容量計算表達(dá)式為：

(19)

式中：Pby(t)、Qby(t)分別為t時段蓄電池、蓄熱罐的備用容量；P0(t)、Q0(t)分別為t時段園區(qū)重要電、熱負(fù)荷功率；Ppv(t)為t時段光伏預(yù)測出力；t1為非計劃離網(wǎng)時刻；tcx為維持重要負(fù)荷持續(xù)用能時長。

2.3.3 維持重要負(fù)荷持續(xù)用能時長

受突發(fā)因素影響導(dǎo)致園區(qū)非計劃離網(wǎng)后，標(biāo)準(zhǔn)化配電網(wǎng)檢修時間后可知，離網(wǎng)時間一般不會超過4 h[25]。在實際應(yīng)用中，可以根據(jù)不同園區(qū)不同的主營生產(chǎn)材料緊急處理所需的時間靈活設(shè)定tcx，即：

tcx∈{0,1,2,3,4}

(20)

3 考慮非計劃離網(wǎng)期用能需求的工商業(yè)園區(qū)優(yōu)化運行模型

3.1 目標(biāo)函數(shù)

考慮非計劃離網(wǎng)期用能需求的園區(qū)優(yōu)化運行的目標(biāo)是在保障重要負(fù)荷持續(xù)用能需求的前提下降低工商業(yè)園區(qū)運行成本F，目標(biāo)函數(shù)為：

(21)

式中：Fex(t)、Fmc(t)分別為時段t內(nèi)購電成本、設(shè)備維護(hù)成本；C0(t)為分時電價；Pex(t)為時段t內(nèi)園區(qū)與配網(wǎng)的聯(lián)絡(luò)線交互功率，由總電負(fù)荷和光伏出力決定其大??；Ces、Chp為儲能裝置、地源熱泵的單位出力維護(hù)成本。

3.2 常規(guī)約束

3.2.1 電、熱功率平衡約束

Pde(t)+P0(t)+Php(t)+Pcp(t)+Pbat(t)=
Z·Pex(t)+Ppv(t)

(22)

Qdh(t)+Q0(t)+Qch(t)=Qhp(t)+Qdis(t)

(23)

式中：Pbat(t)為蓄電池的充放電功率；Z為主網(wǎng)供電狀態(tài)，為0- 1變量，0表示主網(wǎng)供電缺失，1表示主網(wǎng)供電正常。

3.2.2 聯(lián)絡(luò)線交互功率約束

Pex,min≤Pex(t)≤Pex,max

(24)

式中Pex,max、Pex,min分別為交互功率的上下限。

3.2.3 柔性負(fù)荷響應(yīng)約束

為了保證調(diào)度周期內(nèi)柔性負(fù)荷響應(yīng)前后用電、用熱負(fù)荷總量不變，有：

(25)

(26)

3.2.4 地源熱泵出力約束

0≤Php(t)≤Php,max

(27)

-Dhp,max≤Php(t+1)-Php(t)≤Uhp,max

(28)

式中：Php,max、Uhp,max、Dhp,max分別為地源熱泵最大功率和爬坡功率的上、下限。

3.2.5 用電滿意度約束

為確保用戶在可接受范圍內(nèi)調(diào)整柔性電負(fù)荷有：

γmin≤γ

(29)

3.3 考慮非計劃離網(wǎng)用能需求的儲能裝置及其備用容量約束

3.3.1 蓄電池及其電備用容量約束

蓄電池及其電備用容量約束如式(30)所示。

(30)

式中：Ebat,min(t)、Ebat,max(t)分別為蓄電池的存儲電能的最小、最大值；Pch,max、Pdis,max為最大充、放電功率，最后一項約束使得儲能調(diào)度具有周期性。

為保障非計劃離網(wǎng)期間重要電負(fù)荷的用電需求，基本前提是要保證蓄電池的剩余能量始終維持在區(qū)間1備用容量Ebat,state1(t)以上，即各時刻蓄電池的存儲能量下限等于電儲能備用容量Pby(t)，因此：

Ebat,state1(t)=Ebat,state(t)=Pby(t)

(31)

由儲能能量狀態(tài)區(qū)間劃分可知，各時刻區(qū)間2靈活儲放容量Estate2(t)為：

Ebat,state2(t)=Ebat,max(t)-Pby(t)

(32)

3.3.2 蓄熱罐及其熱備用容量約束

(33)

式中：Hsg,min(t)、Hsg,max(t)分別為蓄熱罐的存儲熱能的最小、最大值；Qch,max、Qdis,max分別為最大充、放熱功率。同樣地，為了保障非計劃離網(wǎng)期間重要熱負(fù)荷的用熱需求，對于蓄熱罐的備用容量Hsg,state1(t)和靈活儲放容量Hsg,state2(t)， 有：

Hsg,state1(t)=Hsg,min(t)=Qby(t)

(34)

Hsg,state2(t)=Hsg,max(t)-Qby(t)

(35)

上述所建立的模型為混合整數(shù)線性規(guī)劃問題，本文采用CPLEX求解器進(jìn)行求解。

4 算例仿真分析

4.1 算例基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

以某小型工商業(yè)園區(qū)為例，非計劃離網(wǎng)后園區(qū)用戶可在3 h內(nèi)完成對生產(chǎn)運營材料的緊急處理， 即tcx=3 h；T=24 h， Δt=1 h； 峰時段(10：00—10)電價為1.35元，谷時段(01：00 —06：00)電價為0.47元，其他時段為0.89元；初始設(shè)定溫度為23 ℃；Php,max為80 kW；Pex,max/Pex,min為200/0 kW；Dhp,max/Uhp,max為30/30 kW；εii取-0.2，εij取0.03，γmin取0.9；ξCOP-hp取4.52，ηEER-hp取3.34，Chp取0.026。圖4為電、熱負(fù)荷和光伏預(yù)測出力曲線，表1為儲能裝置參數(shù)。

圖4 電、熱負(fù)荷和光伏預(yù)測出力曲線Fig.4 Curves of electric and thermal loads and forecasted output of photovoltaic

表1 儲能裝置參數(shù)Tab.1 Energy storage device parameters

4.2 考慮非計劃離網(wǎng)期用能需求的儲能備用容量情況

2.3節(jié)儲能備用容量計算階段生成的蓄電池、蓄熱罐備用情況見圖5。

圖5 不同時刻電、熱儲能備用容量Fig.5 Energy storage reserve capacities at different time

可見，不同時刻儲能備用容量的大小不同。其中由于白天存在光伏出力的原因，非計劃離網(wǎng)時光伏優(yōu)先供應(yīng)重要電負(fù)荷，因此在光伏出力較大的10：00—17：00時段蓄電池的備用容量較??；在13：00—15：00時段降至為0，蓄熱罐的備用容量整體較為穩(wěn)定。

4.3 優(yōu)化運行結(jié)果分析

4.3.1 柔性電、熱負(fù)荷響應(yīng)結(jié)果分析

柔性電、熱負(fù)荷優(yōu)化結(jié)果分別見圖6—7。

圖6 柔性電負(fù)荷響應(yīng)前后負(fù)荷曲線Fig.6 Flexible electric load curves before and after response

圖7 柔性熱負(fù)荷響應(yīng)前后負(fù)荷曲線Fig.7 Flexible thermal load curves before and after response

從圖6—7可以看出，響應(yīng)后各個時段負(fù)荷的大小均發(fā)生了改變。對于柔性電負(fù)荷，在滿足用電滿意度的前提下，主要表現(xiàn)為峰電價時段出現(xiàn)的負(fù)荷高峰經(jīng)過響應(yīng)后轉(zhuǎn)移到谷電價時段，降低了白天的負(fù)荷需求，增加了夜間的負(fù)荷，減小了電負(fù)荷曲線峰谷差；對于柔性熱負(fù)荷，在考慮用熱舒適度下，主要表現(xiàn)為高電價時段熱負(fù)荷的需求降低，低電價時段熱負(fù)荷需求增加。在負(fù)荷側(cè)綜合考慮柔性電、熱負(fù)荷響應(yīng)，能夠共同促進(jìn)園區(qū)負(fù)荷曲線峰谷差的改善，減少工商業(yè)園區(qū)用電成本。

4.3.2 是否考慮非計劃離網(wǎng)用能需求運行結(jié)果分析

為了驗證本文所提方法的有效性，在考慮柔性負(fù)荷響應(yīng)下，設(shè)置以下2種并網(wǎng)運行方案進(jìn)行對比。

方案1：不考慮非計劃離網(wǎng)期用能需求，tcx=0。

方案2：考慮非計劃離網(wǎng)期用能需求，tcx=3。

由于儲能裝置采用“低儲高放”的運行方式，不同時刻的存儲能量有所不同，因此本文通過分析不同時刻儲能的存儲能量與備用容量的關(guān)系來刻畫非計劃離網(wǎng)期間園區(qū)維持重要負(fù)荷的用能需求的能力。兩種方案下運行結(jié)果如圖8、圖9所示。

圖8 方案1不同時刻儲能存儲能量和備用容量Fig.8 Storage energies and reserve capacities of energy storage devices under case 1

圖9 方案2不同時刻儲能存儲能量和備用容量Fig.9 Storage energies and reserve capacities of energy storage devices under case 2

從圖8可以看出，在運行末端時段，蓄電池、蓄熱罐的存儲能量約在20：00時刻開始小于備用容量，且隨著時間的推移儲能存儲能量逐漸降低，若此時突發(fā)非計劃離網(wǎng)，儲能的存儲能量將無法保障重要電、熱負(fù)荷的持續(xù)用能需求，影響工商業(yè)用戶生產(chǎn)運營，帶來損失。而在圖9中，由于考慮了非計劃離網(wǎng)期間的用能需求，蓄電池、蓄熱罐的存儲能量始終大于備用容量，即使發(fā)生非計劃離網(wǎng)，也能滿足重要負(fù)荷持續(xù)用能需求，主動預(yù)防了主網(wǎng)突發(fā)供電故障。在其他時段，儲能存儲能量均大于備用容量，非計劃離網(wǎng)時，在滿足重要負(fù)荷用能需求的同時盈余能量還可以供應(yīng)部分柔性負(fù)荷。

4.3.3 不同運行方案下對園區(qū)運行成本的影響分析

為了綜合分析在負(fù)荷側(cè)考慮柔性電熱負(fù)荷響應(yīng)和在儲能側(cè)劃分儲能能量狀態(tài)區(qū)間對園區(qū)運行成本的影響，增設(shè)方案3、方案4與方案1、方案2共同進(jìn)行對比，不同方案下運行成本見表2。

表2 不同運行方案下園區(qū)運行成本Tab.2 Operation costs of the park under different case

方案3：考慮非計劃離網(wǎng)用能需求(tcx=3)，但不考慮柔性電熱負(fù)荷響應(yīng)；

方案4：不考慮非計劃離網(wǎng)用能需求(tcx=0)和柔性電熱負(fù)荷響應(yīng)。

由表2，在考慮柔性負(fù)荷響應(yīng)時，方案1的運行成本為3 153.6元，而方案2由于同時考慮了非計劃離網(wǎng)期間的用能需求，在運行末端時段存在儲能備用約束，運行成本較方案1增加了25.6元；在未考慮柔性負(fù)荷響應(yīng)時，方案3運行成本較方案4增加了26.6元?？梢娍紤]非計劃離網(wǎng)期用能需求需要以較小的運行成本損失(約0.81%)為代價來保障園區(qū)重要電、熱負(fù)荷的可靠用能。在考慮離網(wǎng)期用能需求時，方案2由于同時考慮了柔性負(fù)荷響應(yīng)，運行成本為3 179.2元，較方案3減少了95.4元；在未考慮離網(wǎng)期用能需求時，方案1運行成本較方案4減少了94.4元。在負(fù)荷側(cè)考慮柔性負(fù)荷響應(yīng)后，園區(qū)運行成本降低了約3.0%，效果顯著。方案2在同時考慮柔性負(fù)荷響應(yīng)和離網(wǎng)用能需求的情況下，較均不考慮的方案4，運行成本降低了約2.2%，既提高了運行經(jīng)濟(jì)性又提高了用能可靠性，驗證了所提方法的優(yōu)越性。

4.4 儲能能量狀態(tài)區(qū)間劃分方式對優(yōu)化運行影響

為了驗證本文所提根據(jù)重要電、熱負(fù)荷的用能需求靈活劃分儲能能量狀態(tài)區(qū)間的優(yōu)越性，在考慮柔性負(fù)荷響應(yīng)，tcx=3下，與維持儲能能量始終在備用容量的最大值以上固定劃分儲能能量狀態(tài)區(qū)間的方法進(jìn)行對比，運行成本見表3。

表3 不同儲能能量狀態(tài)區(qū)間劃分方式下園區(qū)運行成本Tab.3 Operation costs under different state of energy level division

可以看出，本文所提儲能能量狀態(tài)區(qū)間劃分方法(運行成本為3 179.2元)與固定劃分的方法(運行成本3 215.7)相比，運行成本降低了36.5元(降低比例1.14%)，驗證了本文所提的儲能能量狀態(tài)區(qū)間劃分方法的優(yōu)越性。

4.5 儲能配置容量對優(yōu)化運行的影響

儲能配置容量的大小影響著儲能能量狀態(tài)區(qū)間2靈活儲放容量的大小，進(jìn)而影響園區(qū)運行經(jīng)濟(jì)性。分析儲能配置容量對運行成本的影響，能夠為園區(qū)合理配置儲能提供借鑒，因本文面向于優(yōu)化運行環(huán)節(jié)，所以暫不考慮儲能投資成本的影響。在考慮柔性負(fù)荷響應(yīng)，tcx=3時，電熱儲能配置容量與園區(qū)運行成本的關(guān)系如圖10所示。

圖10 儲能配置容量與園區(qū)運行成本的關(guān)系Fig.10 Impact of energy storage capacity on operation cost of the park

由圖10可看出，配置單位容量的蓄電池降低園區(qū)運行成本的效果好于配置單位容量的蓄熱罐。儲能配置容量越大，運行成本F越小，但當(dāng)儲能配置容量超過一定數(shù)值時(圖中虛線部分)，運行成本不再降低，說明低電價時段的存儲能量可滿足高電價時段負(fù)荷需求，再提升儲能容量上限將不再經(jīng)濟(jì)，但有利于保障非計劃離網(wǎng)期的用能可靠性。

5 結(jié)語

為滿足非計劃離網(wǎng)期用能需求而提出的各時刻儲能存儲能量下限約束，以較小的運行成本損失為代價，保障了任意時刻發(fā)生離網(wǎng)時園區(qū)重要電、熱負(fù)荷的持續(xù)可靠用能，且相比固定式儲能存儲能量約束，具有更好的經(jīng)濟(jì)性。

考慮柔性負(fù)荷響應(yīng)，有效降低了運行成本，改善負(fù)荷曲線峰谷差；不同的儲能配置容量，日常運行經(jīng)濟(jì)性和離網(wǎng)用能可靠性不同，配置容量越大，運行成本越低，保障離網(wǎng)期間園區(qū)持續(xù)用能的能力更好。

所建模型不僅提高了園區(qū)運行經(jīng)濟(jì)性，又以較小運行成本損失為代價提高了用能可靠性，可為園區(qū)運行管理決策提供參考，后續(xù)研究可考慮非計劃離網(wǎng)期用能需求對儲能容量優(yōu)化配置的影響。