計(jì)及電動(dòng)公交車V2 G響應(yīng)的區(qū)域綜合能源系統(tǒng)兩階段優(yōu)化調(diào)度

余子淳，范宏，夏世威

(1.上海電力大學(xué) 電氣工程學(xué)院，上海 200090；2.華北電力大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院，北京 102206)

0 引言

隨著全球氣候變暖、化石燃料枯竭等問(wèn)題的日益嚴(yán)重，各國(guó)將發(fā)展低碳、清潔和高效的新型能源系統(tǒng)作為一個(gè)重要的戰(zhàn)略目標(biāo)[1]。大規(guī)模電能替代和高占比可再生能源發(fā)電是實(shí)現(xiàn)“碳中和”的重要途徑，但會(huì)導(dǎo)致電力系統(tǒng)的負(fù)載增大并出現(xiàn)電網(wǎng)功率失配和電壓波動(dòng)等現(xiàn)象[2-3]。區(qū)域綜合能源系統(tǒng)（regional integrated energy system, RIES）能將電、氣、熱等能源耦合，通過(guò)協(xié)調(diào)調(diào)度來(lái)滿足區(qū)域中用戶的多種用能需求，可以提高能源利用效率以及供能可靠性[4]。

國(guó)內(nèi)外已對(duì)綜合能源系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度展開(kāi)相關(guān)研究。文獻(xiàn)[5]建立了電-氣-熱-冷系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)調(diào)度模型，對(duì)比了其耦合運(yùn)行和獨(dú)立運(yùn)行的投運(yùn)成本。文獻(xiàn)[6-7]以多種指標(biāo)最優(yōu)為目標(biāo)構(gòu)建調(diào)度模型，并通過(guò)創(chuàng)建多代表性場(chǎng)景進(jìn)行對(duì)比分析。文獻(xiàn)[8-9]構(gòu)建了含電轉(zhuǎn)氣（power to gas, P2 G）技術(shù)的電力-天然氣綜合能源系統(tǒng)調(diào)度模型，但P2 G設(shè)備昂貴且能量轉(zhuǎn)化效率較低。文獻(xiàn)[10]提出了考慮能源價(jià)格響應(yīng)的綜合能源系統(tǒng)優(yōu)化運(yùn)行模型，在不污染環(huán)境的同時(shí)提高能源利用效率，降低系統(tǒng)成本。文獻(xiàn)[11]使用博弈論和綜合需求響應(yīng)策略，協(xié)調(diào)優(yōu)化了產(chǎn)能基地、系統(tǒng)管理商和用戶的三方利益。上述研究未將碳排放、棄風(fēng)棄光量等目標(biāo)嵌入綜合能源系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)調(diào)度之中，缺少“雙碳”目標(biāo)下的重要影響指標(biāo)。

作為電能替代和出行代步的重要方式，電動(dòng)汽車近年來(lái)發(fā)展迅速，在中國(guó)的普及率日益增長(zhǎng)，尤其是電動(dòng)公交車的滲透率已經(jīng)達(dá)到了53.8%。較電池容量小、分散性廣且隨機(jī)性強(qiáng)的電動(dòng)私家車和出租車來(lái)說(shuō)，電動(dòng)公交車作為可集中調(diào)控的大功率“源-荷”在節(jié)能減排和可再生能源消納等方面有著巨大的優(yōu)勢(shì)[12]。文獻(xiàn)[13-14]將區(qū)域內(nèi)的電動(dòng)汽車與熱泵協(xié)同調(diào)度，很好地實(shí)現(xiàn)了風(fēng)光消納。文獻(xiàn)[15]制定了電池壽命的電價(jià)獎(jiǎng)懲機(jī)制引導(dǎo)電動(dòng)汽車自主充放電。文獻(xiàn)[16]建立了一個(gè)多目標(biāo)雙層規(guī)劃模型，以協(xié)同優(yōu)化單站運(yùn)行條件下混合公交車隊(duì)的車輛調(diào)度和充電調(diào)度。文獻(xiàn)[17-19]建立了電動(dòng)公交車計(jì)劃調(diào)度和有序充電策略，減少了運(yùn)行費(fèi)用和充電負(fù)荷的波動(dòng)。文獻(xiàn)[20-23]考慮了車載蓄電池的損耗，建立了多時(shí)間尺度下電動(dòng)公交車優(yōu)化充放電策略。上述研究?jī)H局限于電動(dòng)汽車集群整體的充放電策略，缺少對(duì)電動(dòng)汽車電量與行駛狀態(tài)關(guān)系的建模，也沒(méi)有將電動(dòng)公交車集群（electric bus cluster, EBC）作為規(guī)?；赊D(zhuǎn)移“源-荷”與RIES中的各種能源耦合設(shè)備進(jìn)行協(xié)調(diào)調(diào)度。

針對(duì)上述問(wèn)題，本文提出含EBC的RIES協(xié)調(diào)調(diào)度方法。考慮電動(dòng)公交車運(yùn)營(yíng)計(jì)劃，采用兩階段優(yōu)化方法調(diào)度RIES中電動(dòng)公交車以及能源耦合設(shè)備，給出最優(yōu)的經(jīng)濟(jì)低碳調(diào)度策略，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)總運(yùn)行成本最小，同時(shí)進(jìn)一步優(yōu)化區(qū)域內(nèi)的總用電負(fù)荷波動(dòng)。最后，結(jié)合含有一條電動(dòng)公交車運(yùn)營(yíng)線路的RIES進(jìn)行仿真，驗(yàn)證所提方法及模型的可行性。

1 含電動(dòng)公交車的區(qū)域綜合能源系統(tǒng)

在“雙碳”目標(biāo)下，含高滲透可再生能源的電力系統(tǒng)可能會(huì)出現(xiàn)白天可再生能源發(fā)電不能完全滿足用能需求；而夜間風(fēng)能過(guò)剩，出現(xiàn)嚴(yán)重的反調(diào)峰現(xiàn)象，導(dǎo)致系統(tǒng)被迫棄風(fēng)。因此，本文將RIES中能源耦合設(shè)備和EBC進(jìn)行協(xié)調(diào)調(diào)度，以提高系統(tǒng)風(fēng)光消納的能力和系統(tǒng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性、低碳性。

1.1 區(qū)域綜合能源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

RIES涉及多種能源的生產(chǎn)、轉(zhuǎn)換、存儲(chǔ)和使用，整個(gè)系統(tǒng)的協(xié)調(diào)調(diào)度受能源價(jià)格、風(fēng)光出力、異質(zhì)能源轉(zhuǎn)換效率和設(shè)備附加運(yùn)行費(fèi)用等多種因素的影響。本文中RIES的結(jié)構(gòu)如圖1所示，RIES與外部電網(wǎng)、供熱網(wǎng)和天然氣網(wǎng)相連，區(qū)域中居民生活和工作所必需的多能負(fù)荷為常規(guī)負(fù)荷，系統(tǒng)可以直接從外部購(gòu)入電、熱、氣能源以滿足相應(yīng)的負(fù)荷需求，也可以由風(fēng)電、光電、能源轉(zhuǎn)換設(shè)備和能源存儲(chǔ)設(shè)備等通過(guò)多源互補(bǔ)的形式實(shí)現(xiàn)能源供給。

圖1 區(qū)域綜合能源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of regional integrated energy system

RIES中的能源轉(zhuǎn)換設(shè)備包含熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組（combined heat and power, CHP）、燃?xì)忮仩t（gas boiler, GB）、電鍋爐（electric boiler, EB）和P2 G設(shè)備。CHP可將天然氣轉(zhuǎn)換為電能，對(duì)廢棄熱量進(jìn)行回收處理，同時(shí)輸出電能和熱能，實(shí)現(xiàn)能源間的梯級(jí)利用；GB可將天然氣轉(zhuǎn)換為熱能，EB可將電能轉(zhuǎn)換為熱能，P2 G設(shè)備可將電能轉(zhuǎn)換為可燃?xì)猓@三者共同實(shí)現(xiàn)了不同能源之間的單向轉(zhuǎn)換；本文將儲(chǔ)能（energy storage, ES）設(shè)備設(shè)為儲(chǔ)電設(shè)備，它可實(shí)現(xiàn)電能的存儲(chǔ)和釋放，起到負(fù)荷轉(zhuǎn)移的作用，但由于其造價(jià)昂貴，因此儲(chǔ)電設(shè)備的容量有所限制。

此外，本文提出將電動(dòng)公交車作為重要的“源-荷”嵌入到RIES之中，因?yàn)镋BC能在節(jié)能減排的同時(shí)利用自身的可轉(zhuǎn)移負(fù)荷特性來(lái)實(shí)現(xiàn)可再生能源消納；同時(shí)，V2 G技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)電動(dòng)汽車反向給電網(wǎng)供電，這賦予了EBC移動(dòng)儲(chǔ)能的特性，使得EBC與RIES之間的交互更為緊密。因此，在“雙碳”目標(biāo)的背景下，電動(dòng)公交車有序充放電策略和RIES多能互補(bǔ)特性十分契合，兩者結(jié)合能夠更好地實(shí)現(xiàn)多能供給、削峰填谷和風(fēng)光消納。

圖1中各個(gè)設(shè)備及源荷兩側(cè)的符號(hào)表示該設(shè)備單元的能源消耗功率和出力功率，例如電鍋爐兩側(cè)的分別代表EB的耗電和產(chǎn)熱功率。

1.2 電動(dòng)公交車特性分析及建模

1.2.1 電動(dòng)公交車運(yùn)行模式

電動(dòng)公交車相較于燃油公交車會(huì)受到續(xù)航里程、充電速率和運(yùn)營(yíng)計(jì)劃的影響，其行駛計(jì)劃和充放電策略較為復(fù)雜。電動(dòng)公交車需在車站停放時(shí)段內(nèi)進(jìn)行充放電，若不對(duì)其充放電策略進(jìn)行優(yōu)化，一方面可能會(huì)導(dǎo)致電動(dòng)公交車的車載電池剩余電量不足以完成所有的行駛?cè)蝿?wù)；另一方面大規(guī)模無(wú)序充電會(huì)加大系統(tǒng)用電的峰谷差，影響系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

單輛電動(dòng)公交車的行駛模式如圖2所示，行駛弧表示電動(dòng)公交車正在執(zhí)行行駛?cè)蝿?wù)，即Ttrip時(shí)段不可以實(shí)行充放電行為；停止弧表示車輛停在車站的狀態(tài)，即Tstay時(shí)段，此時(shí)段下系統(tǒng)可調(diào)度每一輛電動(dòng)公交車執(zhí)行充電、放電或停駐（既不充電也不放電）指令。因此，電動(dòng)公交車每次出行任務(wù)的電能消耗、行駛時(shí)段Ttrip和在站時(shí)段Tstay對(duì)于綜合能源-公交系統(tǒng)的調(diào)度十分重要，其中可表示為

圖2 單輛電動(dòng)公交車行駛模式Fig.2 Driving mode of a single electric bus

式中： γ 為每公里耗電量；L為出行任務(wù)線路長(zhǎng)度；Vavg為車輛平均行駛速度。

電動(dòng)公交車與綜合能源系統(tǒng)進(jìn)行能量交互的Tstay時(shí)段與Ttrip緊密相關(guān)，并且電動(dòng)公交車運(yùn)營(yíng)計(jì)劃很大程度上影響區(qū)域綜合能源-公交系統(tǒng)的協(xié)同調(diào)度。當(dāng)線路上運(yùn)營(yíng)的公交車數(shù)量確定時(shí)，運(yùn)營(yíng)計(jì)劃則基本決定了每輛電動(dòng)公交車的交互時(shí)段，圖3為EBC的時(shí)序狀態(tài)圖。

圖3 電動(dòng)公交車集群時(shí)序狀態(tài)Fig.3 Timing state of electric bus cluster

1.2.2 電動(dòng)公交車時(shí)序分析及能量建模

1.3 區(qū)域綜合能源系統(tǒng)分析及建模

1.3.1 能源子系統(tǒng)模型

區(qū)域綜合能源系統(tǒng)由電力子系統(tǒng)、熱力子系統(tǒng)和天然氣子系統(tǒng)3部分構(gòu)成。

1.3.2 能源轉(zhuǎn)換模型

1.3.3 能源存儲(chǔ)模型

2 區(qū)域綜合能源系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度模型

為了實(shí)現(xiàn)RIES的運(yùn)行成本最小，并在此基礎(chǔ)上減小系統(tǒng)總用電負(fù)荷波動(dòng)，本文采用兩階段優(yōu)化模型來(lái)實(shí)現(xiàn)調(diào)度優(yōu)化。

2.1 第一階段優(yōu)化模型

2.1.1 目標(biāo)函數(shù)

2.1.2 約束條件

2.2 第二階段優(yōu)化模型

2.2.1 目標(biāo)函數(shù)

2.2.2 約束條件

2.3 求解方法及流程

本文RIES兩階段優(yōu)化調(diào)度方法中決策變量較多，對(duì)求解速度和收斂性有較高要求，選擇在Matlab的Yalmip環(huán)境下調(diào)用Cplex來(lái)求解。

計(jì)及EBC的RIES兩階段優(yōu)化調(diào)度的求解策略如圖4所示。

圖4 調(diào)度模型求解策略Fig.4 Solving strategy of scheduling model

3 算例分析

3.1 算例說(shuō)明

本文選取某地區(qū)冬季典型日的多能常規(guī)負(fù)荷（電、氣、熱）和可再生能源預(yù)測(cè)的最大出力，如圖5所示。

圖5 可再生能源預(yù)測(cè)及多能負(fù)荷Fig.5 Renewable energy forecast and multi-energy load

RIES的電能由可再生能源和外部大電網(wǎng)供給，大電網(wǎng)電價(jià)采用分時(shí)電價(jià)；系統(tǒng)所需的天然氣從供氣網(wǎng)買入，其價(jià)格為2.5元/m3；系統(tǒng)所需熱能可由外部熱網(wǎng)買入也可由能源耦合設(shè)備產(chǎn)出[5]，相關(guān)參數(shù)如表1所示。

表1 電能、天然氣及熱能價(jià)格Table 1 Price of electricity, natural gas and thermal energy

假設(shè)大電網(wǎng)購(gòu)電為燃煤機(jī)組發(fā)電，CHP的供熱部分碳排放強(qiáng)度與GB一致，發(fā)電部分折算成供熱量的折算系數(shù)為1.67，外部熱網(wǎng)熱源的碳排放強(qiáng)度也與GB一致，碳排放稅率價(jià)格為80元/噸，相關(guān)設(shè)備參數(shù)如表2、表3所示。

表2 系統(tǒng)各設(shè)備相關(guān)運(yùn)行參數(shù)Table 2 Parameters of equipment

表3 儲(chǔ)能設(shè)備參數(shù)Table 3 Parameters of energy storage device

算例中EBC共有8輛電動(dòng)公交車，從06:00開(kāi)始每15 min依次發(fā)車，直到21:00發(fā)出最后一班車結(jié)束。本文忽略其路程中的不確定性因素，其中每輛電動(dòng)公交車的各項(xiàng)參數(shù)一致，相關(guān)參數(shù)如表4所示。

表4 電動(dòng)公交車參數(shù)Table 4 Parameters of electric bus

為了驗(yàn)證EBC和能源耦合設(shè)備協(xié)調(diào)調(diào)度對(duì)提高RIES可再生能源消納能力、減少系統(tǒng)運(yùn)行成本的有效性，本文設(shè)置了4個(gè)調(diào)度場(chǎng)景進(jìn)行對(duì)比分析。

（1）場(chǎng)景1：RIES中電、熱、氣子系統(tǒng)獨(dú)立運(yùn)行，能源轉(zhuǎn)換設(shè)備不參與系統(tǒng)調(diào)度；電動(dòng)公交車采取常規(guī)充電策略，即電動(dòng)公交車在車載電池電量不足以完成下次出行任務(wù)時(shí)進(jìn)行充電，并且不參與系統(tǒng)調(diào)度。

（2）場(chǎng)景2：RIES中電、熱、氣子系統(tǒng)相互耦合運(yùn)行，能源轉(zhuǎn)換設(shè)備參與系統(tǒng)調(diào)度；EBC與場(chǎng)景1一致，不參與系統(tǒng)調(diào)度。

（3）場(chǎng)景3：采用本文所提調(diào)度方法，RIES中電、熱、氣子系統(tǒng)相互耦合運(yùn)行，能源轉(zhuǎn)換設(shè)備參與系統(tǒng)調(diào)度，并且電動(dòng)公交車實(shí)行V2G響應(yīng)參與系統(tǒng)協(xié)調(diào)調(diào)度。

（4）場(chǎng)景4：RIES處于光伏發(fā)電高占比并且常規(guī)多能負(fù)荷不變的情況，能源轉(zhuǎn)換設(shè)備和EBC都參與系統(tǒng)協(xié)調(diào)調(diào)度。

3.2 仿真結(jié)果分析

3.2.1 系統(tǒng)調(diào)度結(jié)果分析

本文將調(diào)度的開(kāi)始時(shí)間設(shè)置為EBC最早發(fā)車的06:00，結(jié)束時(shí)間為次日06:00。由圖5 a)可以看出，此區(qū)域中可再生能源發(fā)電占比較高，但光伏機(jī)組出力相對(duì)較小且集中在06:00—18:00，居民用電可對(duì)其實(shí)現(xiàn)完全消納；而風(fēng)電在21:00—次日06:00十分充足，由于此時(shí)間段內(nèi)區(qū)域常規(guī)電負(fù)荷較小，會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的棄風(fēng)現(xiàn)象；圖5 b)是光電占比高的場(chǎng)景，不同于圖5 a)，此場(chǎng)景會(huì)在10:00—15:00出現(xiàn)嚴(yán)重的棄光現(xiàn)象。

（1）場(chǎng)景1下的調(diào)度結(jié)果。

圖6為場(chǎng)景1下電力子系統(tǒng)的出力結(jié)果，此場(chǎng)景下電、熱、氣子系統(tǒng)獨(dú)立運(yùn)行，電力子系統(tǒng)由風(fēng)電、光電和儲(chǔ)能設(shè)備放電共同提供電能，由于夜間風(fēng)電資源遠(yuǎn)超常規(guī)電負(fù)荷的需求，因此系統(tǒng)只能通過(guò)調(diào)節(jié)儲(chǔ)能設(shè)備充電和對(duì)外售電緩解棄風(fēng)問(wèn)題，由于系統(tǒng)對(duì)外傳輸功率和儲(chǔ)能設(shè)備容量限制，00:00—06:00時(shí)段內(nèi)大量風(fēng)電被迫棄用；白天由于可再生能源出力有限，系統(tǒng)需要在電價(jià)峰時(shí)和平時(shí)從外部電網(wǎng)購(gòu)入大量電能以滿足區(qū)域內(nèi)常規(guī)電負(fù)荷和EBC集中充電負(fù)荷的需求。

圖6 場(chǎng)景 1 下電力子系統(tǒng)出力結(jié)果Fig.6 Output of the power subsystem in scenario 1

由于缺少CHP、GB和EB等能源轉(zhuǎn)換設(shè)備，熱力子系統(tǒng)需要全天從外部熱網(wǎng)買入熱能，增加了整個(gè)系統(tǒng)的能源購(gòu)買成本。

（2）場(chǎng)景2下的調(diào)度結(jié)果。

圖7為電、熱、氣子系統(tǒng)耦合調(diào)度下的電力子系統(tǒng)出力結(jié)果。在此場(chǎng)景下，CHP、EB、GB與外部購(gòu)熱共同承擔(dān)系統(tǒng)的常規(guī)熱負(fù)荷需求，其中CHP機(jī)組能源轉(zhuǎn)換效率較高，將天然氣轉(zhuǎn)換為電和熱的綜合成本較低，因此在06:00—次日00:30向RIES提供電能和熱能，減少了RIES從外部購(gòu)買電能和熱能的成本；EB在11:30—次日06:30時(shí)段利用夜間溢出的風(fēng)電優(yōu)先產(chǎn)熱，由于凌晨系統(tǒng)中沒(méi)有電能缺額，CHP機(jī)組停止供能，其余熱負(fù)荷需求由GB補(bǔ)充，此時(shí)P2 G設(shè)備可將多余風(fēng)電轉(zhuǎn)換為可燃?xì)庖怨〨B產(chǎn)熱。能源轉(zhuǎn)換設(shè)備的多能互補(bǔ)不僅滿足了RIES的多能負(fù)荷需求，還在很大程度上消納了多余可再生能源的發(fā)電量，提高了系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性。

圖7 場(chǎng)景 2 下電力子系統(tǒng)出力結(jié)果Fig.7 Output of the power subsystem in scenario 2

（3）場(chǎng)景3下的調(diào)度結(jié)果。

EBC通過(guò)V2 G響應(yīng)加入RIES協(xié)調(diào)調(diào)度下的電、熱子系統(tǒng)出力結(jié)果如圖8所示。由圖8 a）可以看出，在00:45—06:00風(fēng)電資源過(guò)剩時(shí)，EBC大規(guī)模補(bǔ)電，由于P2 G設(shè)備電轉(zhuǎn)氣的能源轉(zhuǎn)換效率較低，因此在該場(chǎng)景下多余風(fēng)電優(yōu)先給EBC充電，此時(shí)EBC、電鍋爐、儲(chǔ)能設(shè)備及對(duì)外售電共同實(shí)現(xiàn)了對(duì)風(fēng)電的完全消納；此外EBC也在電價(jià)平時(shí)充電，在電價(jià)峰時(shí)進(jìn)行V2 G放電，與儲(chǔ)能設(shè)備共同實(shí)現(xiàn)削峰填谷，減少系統(tǒng)的購(gòu)電成本。

圖8 場(chǎng)景 3 下電、熱子系統(tǒng)出力結(jié)果Fig.8 Output of the power and thermal subsystem in scenario 3

圖8 b）為RIES的熱力子系統(tǒng)出力結(jié)果，CHP在07:00—21:00系統(tǒng)電力缺額時(shí)段近乎滿發(fā)，因?yàn)榇藭r(shí)段CHP單位制電、熱的成本低于購(gòu)電和購(gòu)熱成本；在00:00—06:30為了盡可能消納風(fēng)電，EB優(yōu)先優(yōu)先供熱，剩余熱力負(fù)荷需求由GB和購(gòu)熱量補(bǔ)充；在10:45—14:00時(shí)段，CHP和GB已達(dá)到功率極限，而此時(shí)電價(jià)較高，導(dǎo)致EB供熱成本較高，故此時(shí)段系統(tǒng)從外部熱網(wǎng)購(gòu)熱。

（4）場(chǎng)景4下的調(diào)度結(jié)果。

圖9 a）為RIES電力子系統(tǒng)出力結(jié)果。由于此場(chǎng)景中光伏發(fā)電充足，在09:15—16:00時(shí)段可再生能源發(fā)電超過(guò)了區(qū)域中的常規(guī)電負(fù)荷，為了避免棄光現(xiàn)象的發(fā)生，系統(tǒng)調(diào)度電鍋爐供熱、EBC充電及對(duì)外售電來(lái)消納多余光電；在16:45—次日06:00光電不足的情況下，系統(tǒng)需要從外部電網(wǎng)購(gòu)電以保證區(qū)域用電需求，同時(shí)在18:00—22:00電價(jià)高峰時(shí)，EBC與儲(chǔ)能設(shè)備向系統(tǒng)反向供電，減少RIES高峰購(gòu)電量，提高系統(tǒng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性。

圖9 場(chǎng)景 4 下電、熱子系統(tǒng)出力結(jié)果Fig.9 Output of the power and thermal subsystem in scenario 4

從圖9 b）可以看出，相較于場(chǎng)景3在09:00—15:00時(shí)段需要向外購(gòu)熱才能滿足供熱平衡，該場(chǎng)景下的熱能缺額由消納多余光電的EB即可滿足。RIES在01:00—06:00時(shí)段需要從外部購(gòu)熱，全天其余熱負(fù)荷由CHP和GB通過(guò)耗氣供熱進(jìn)行補(bǔ)充，這體現(xiàn)了RIES多能互補(bǔ)的特性。

3.2.2 風(fēng)光消納能力分析

圖10為各場(chǎng)景下棄風(fēng)棄光曲線。場(chǎng)景1下系統(tǒng)棄風(fēng)棄光問(wèn)題最為嚴(yán)重，因?yàn)樵搱?chǎng)景下RIES的電力子系統(tǒng)與其他子系統(tǒng)獨(dú)立運(yùn)行，僅靠夜間常規(guī)負(fù)荷和儲(chǔ)能設(shè)備的調(diào)節(jié)作用不足以消納大量的風(fēng)電，總棄風(fēng)量達(dá)到 3456.2 kW·h；場(chǎng)景 2 中 RIES的電、熱、氣子系統(tǒng)相互耦合運(yùn)行，通過(guò)EB、P2G的能源轉(zhuǎn)換，在場(chǎng)景1的基礎(chǔ)上消納了1651.3 kW·h的剩余風(fēng)電；場(chǎng)景3加入了EBC的V2G響應(yīng)，使得夜間風(fēng)電得到完全消納，并且場(chǎng)景4驗(yàn)證了EBC和能源耦合設(shè)備協(xié)調(diào)調(diào)度策略在光電高占比的情況下仍然能夠提高RIES的風(fēng)光消納能力。

圖10 各場(chǎng)景下棄風(fēng)棄光曲線Fig.10 Wind and photovoltaic power curtailment curves in each scenario

3.2.3 系統(tǒng)運(yùn)行成本分析

RIES在調(diào)度周期內(nèi)各種運(yùn)行成本如表5所示。由表5可知，相較于場(chǎng)景1，場(chǎng)景2通過(guò)多能互補(bǔ)使得系統(tǒng)總運(yùn)行成本、能源購(gòu)售成本及棄風(fēng)棄光成本分別減少了30.5%、37.5%和95.6%；而場(chǎng)景3通過(guò)多能互補(bǔ)和EBC的V2G響應(yīng)，在相關(guān)成本上較場(chǎng)景1分別減少了37.5%、46.3%和100%；場(chǎng)景4實(shí)現(xiàn)了100%的風(fēng)光消納。因此，本文提出的EBC與能源耦合設(shè)備協(xié)調(diào)調(diào)度方法能夠提高RIES的風(fēng)光消納能力，同時(shí)減少系統(tǒng)的運(yùn)行成本，具有一定的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。

表5 各場(chǎng)景下系統(tǒng)運(yùn)行成本Table 5 Operation cost of the system in each scenario

各場(chǎng)景下RIES電、熱、氣子系統(tǒng)產(chǎn)生的運(yùn)行成本如圖11所示。場(chǎng)景1中電、熱、氣子系統(tǒng)相互獨(dú)立解耦運(yùn)行，電力子系統(tǒng)在白天可再生能源發(fā)電不足時(shí)大量購(gòu)買電能以保證區(qū)域電力供需平衡，而在夜間風(fēng)電又難以消納，產(chǎn)生高額的棄風(fēng)棄光懲罰費(fèi)用，其運(yùn)行成本為12317.0元；熱力子系統(tǒng)所需熱能需要全部從外部熱網(wǎng)購(gòu)入，因此產(chǎn)生了14760.0元的費(fèi)用；天然氣子系統(tǒng)只需從外部購(gòu)買常規(guī)氣負(fù)荷的天然氣，其運(yùn)行成本為2882.6元。

圖11 各場(chǎng)景下電、熱、氣子系統(tǒng)運(yùn)行成本Fig.11 Operating costs of power, thermal, and gas subsystems in each scenario

場(chǎng)景2中RIES為多能耦合運(yùn)行，電力子系統(tǒng)的電能可由CHP補(bǔ)充，并且由于EB和P2 G的風(fēng)電消納減少了棄風(fēng)懲罰費(fèi)用，因此相較于場(chǎng)景1其電力子系統(tǒng)成本減少了64.2%；熱力子系統(tǒng)的熱能可由CHP、GB和EB實(shí)現(xiàn)供給，大幅減少了此子系統(tǒng)的購(gòu)熱成本，減幅為89.5%；由于天然氣子系統(tǒng)增加了CHP和GB的耗氣負(fù)荷，運(yùn)行成本增加了405.1%，但RIES總運(yùn)行成本減少了30.5%。

場(chǎng)景3中RIES加入了EBC的V2 G響應(yīng)，與儲(chǔ)能設(shè)備一同將電價(jià)峰時(shí)負(fù)荷轉(zhuǎn)移至電價(jià)谷時(shí)，減少了系統(tǒng)峰時(shí)購(gòu)電量，其電力子系統(tǒng)運(yùn)行成本較場(chǎng)景1減少了84.5%；得益于EBC的夜間充電負(fù)荷，CHP機(jī)組在凌晨依舊需要運(yùn)行，因此減少了此時(shí)段的購(gòu)熱費(fèi)用，熱力子系統(tǒng)成本減少了93.7%；天然氣子系統(tǒng)成本增加了451.1%，但系統(tǒng)總的運(yùn)行成本較場(chǎng)景1減少了37.5%。

3.2.4 電動(dòng)公交車 V2 G 響應(yīng)分析

RIES中每輛電動(dòng)公交車的電量狀態(tài)都會(huì)隨著系統(tǒng)調(diào)度策略而改變，以各場(chǎng)景下1號(hào)電動(dòng)公交車的SOC為例進(jìn)行分析。

圖12為各場(chǎng)景下電動(dòng)公交車SOC曲線，由圖12可知，各場(chǎng)景下電動(dòng)公交車的SOC都會(huì)在行駛時(shí)段出現(xiàn)下降，不同于場(chǎng)景1、2的常規(guī)充電策略，參與V2 G響應(yīng)的電動(dòng)公交車會(huì)優(yōu)先在可再生能源發(fā)電充足或電價(jià)低的時(shí)段進(jìn)行充電，如場(chǎng)景3中風(fēng)電過(guò)剩的02:00—06:00及場(chǎng)景4中光電充足的11:30—15:30時(shí)段；并且在區(qū)域用電高峰時(shí)配合ES實(shí)現(xiàn)放電，如19:00—22:00時(shí)段。EBC在能源交互時(shí)段與RIES中CHP、EB、P2 G等設(shè)備進(jìn)行協(xié)同調(diào)度，給多能互補(bǔ)的RIES帶來(lái)更大的運(yùn)行靈活性，并且所提方法適用于不同風(fēng)光占比場(chǎng)景。

圖12 各場(chǎng)景下電動(dòng)公交車 SOC 曲線Fig.12 SOC curves of electric buses in each scenario

3.2.5 系統(tǒng)總用電負(fù)荷分析

場(chǎng)景1、2、3下RIES的總用電負(fù)荷曲線如圖13所示，其總用電負(fù)荷為居民常規(guī)用電、EBC和ES充放電、電鍋爐和P2 G耗電負(fù)荷的總和。

圖13 場(chǎng)景 1、2、3 下系統(tǒng)總用電負(fù)荷Fig.13 Total electric load of RIES in scenario 1, 2 and 3

由圖13可看出，場(chǎng)景3中RIES的總用電負(fù)荷曲線相較于場(chǎng)景1和2顯得平滑穩(wěn)定，用電峰谷差和總電負(fù)荷波動(dòng)都得到明顯改善。由于常規(guī)電負(fù)荷固定不變，場(chǎng)景1中凌晨時(shí)段系統(tǒng)總用電負(fù)荷很小，而EBC在15:00—17:00和19:30—22:00的充電負(fù)荷與常規(guī)用電負(fù)荷相疊加，使得系統(tǒng)總用電峰谷差更大；場(chǎng)景2中 EB和P2 G設(shè)備能夠?qū)㈦娔苻D(zhuǎn)換為熱能和氣能，能夠有效消納夜間風(fēng)電，提高系統(tǒng)谷電水平；場(chǎng)景3實(shí)行能源耦合設(shè)備和EBC的協(xié)調(diào)調(diào)度，大規(guī)模的充電負(fù)荷被轉(zhuǎn)移至凌晨，并且EBC配合儲(chǔ)能設(shè)備在用電高峰時(shí)向系統(tǒng)放電，進(jìn)一步削峰填谷，提高了風(fēng)電消納能力，減少了系統(tǒng)的峰時(shí)購(gòu)電費(fèi)用。

3.2.6 兩階段優(yōu)化結(jié)果分析

場(chǎng)景3、4都采用兩階段優(yōu)化調(diào)度方法，兩場(chǎng)景下RIES總用電負(fù)荷的優(yōu)化結(jié)果如圖14所示。

圖14 兩階段優(yōu)化結(jié)果Fig.14 Two-stage optimization results

第一階段以RIES運(yùn)行成本最小為目標(biāo)，優(yōu)化得到EBC和ES充放電策略、能源耦合設(shè)備出力計(jì)劃和購(gòu)售能策略，由于只對(duì)運(yùn)行成本進(jìn)了優(yōu)化，因此在同一電價(jià)時(shí)段（如平時(shí)電價(jià)：13:00—18:00）內(nèi)滿足成本最小的調(diào)度策略有多個(gè)可行解，只需滿足供需平衡等基本約束即可，這樣雖然能使得調(diào)度周期內(nèi)系統(tǒng)運(yùn)行成本最優(yōu)，但是由常規(guī)電負(fù)荷、EBC和ES充放電負(fù)荷、EB和P2G耗電負(fù)荷構(gòu)成的系統(tǒng)總用電負(fù)荷在時(shí)間上波動(dòng)很大，影響系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行；第二階段在保持RIES運(yùn)行成本不變的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步優(yōu)化了系統(tǒng)內(nèi)各設(shè)備調(diào)度策略和系統(tǒng)購(gòu)售能計(jì)劃，由圖14中的二階段優(yōu)化結(jié)果可見(jiàn)，在滿足區(qū)域多種用能需求的條件下，所提方法使RIES的總用電負(fù)荷更加平滑且穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)多方面的優(yōu)化，驗(yàn)證了此模型的有效性。

4 結(jié)論

針對(duì)“雙碳”目標(biāo)下高滲透可再生能源和電動(dòng)公交車接入能源系統(tǒng)造成的棄風(fēng)棄光和總用電負(fù)荷波動(dòng)等問(wèn)題，本文研究了計(jì)及電動(dòng)公交車V2 G響應(yīng)的區(qū)域綜合能源系統(tǒng)兩階段優(yōu)化調(diào)度策略，建立了RIES經(jīng)濟(jì)低碳調(diào)度模型和求解方法，通過(guò)算例仿真分析了所提方法的可行性，并得到以下結(jié)論。

（1）將系統(tǒng)的碳排放量、棄風(fēng)量、能源購(gòu)售量和設(shè)備運(yùn)維費(fèi)用等目標(biāo)相結(jié)合，通過(guò)協(xié)調(diào)調(diào)度各能源耦合設(shè)備和電動(dòng)公交車集群，減少了系統(tǒng)的總運(yùn)行成本。

（2）將電動(dòng)公交車V2 G響應(yīng)嵌入到RIES運(yùn)行之中，與能源耦合設(shè)備出力策略相互協(xié)調(diào)，實(shí)現(xiàn)了調(diào)度周期內(nèi)區(qū)域風(fēng)電、光伏的完全消納。

（3）提出的兩階段調(diào)度方法不僅能夠提升系統(tǒng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性，還能緩解RIES的總用電負(fù)荷波動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了RIES多方面的協(xié)同優(yōu)化。

本文暫未考慮電動(dòng)公交車行車過(guò)程中可能面臨的交通、天氣和客流量等不確定性因素，并且不同運(yùn)營(yíng)計(jì)劃也會(huì)對(duì)系統(tǒng)調(diào)度產(chǎn)生影響，在后續(xù)的研究中還可將可再生能源出力的不確定性納入建模之中，開(kāi)展更多敏感性分析，進(jìn)一步探討考慮多重不確定性因素下的綜合能源-公交系統(tǒng)協(xié)同調(diào)度策略。