考慮能量樞紐間合作的優(yōu)化運(yùn)行方式

朱西平，姚顯億，付遷，羅健，李姿霖，文紅

（1.西南石油大學(xué)電氣信息學(xué)院，四川省成都市 610500；2.電子科技大學(xué)航空航天學(xué)院，四川省成都市 611731）

0 引言

近年來(lái)，化石能源不斷消耗引起的能源危機(jī)和環(huán)境污染引發(fā)人們對(duì)傳統(tǒng)能源利用模式的思考，關(guān)于電、氣、熱等能源綜合利用相關(guān)的研究開(kāi)始增多[1-2]。能源互聯(lián)網(wǎng)概念的提出，促進(jìn)了多能耦合并提升了能源利用率，能量樞紐(energy hub，EH)在“未來(lái)能源網(wǎng)絡(luò)愿景”項(xiàng)目中被提出[3]，其內(nèi)部包含熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組（combined heat and power，CHP）、燃?xì)忮仩t、電轉(zhuǎn)氣等能源轉(zhuǎn)換設(shè)備，能夠?qū)崿F(xiàn)多能互補(bǔ)，提高能源利用率并增加供能靈活性。

多能源系統(tǒng)共同為區(qū)域負(fù)荷供能已是普遍現(xiàn)象。目前，我國(guó)對(duì)多能源系統(tǒng)的研究處于起步階段，對(duì)于EH的研究大多針對(duì)單個(gè)EH的運(yùn)行。文獻(xiàn)[4]考慮氣網(wǎng)動(dòng)態(tài)過(guò)程下電氣耦合系統(tǒng)，結(jié)合需求側(cè)響應(yīng)對(duì)EH進(jìn)行調(diào)度優(yōu)化；文獻(xiàn)[5]結(jié)合電、氣、熱等多種能源，通過(guò)分層的方法，對(duì)EH的運(yùn)行進(jìn)行規(guī)劃；文獻(xiàn)[6]考慮了不確定性因素的影響，對(duì)綜合能源系統(tǒng)進(jìn)行了規(guī)劃求解。而在多EH的研究中，文獻(xiàn)[7]構(gòu)建了一種含多EH的電氣互聯(lián)綜合能源系統(tǒng)，利用機(jī)會(huì)約束規(guī)劃對(duì)運(yùn)行進(jìn)行優(yōu)化。

基于EH既可為產(chǎn)能者也可為用能者的特性，制定合適的策略參與市場(chǎng)可優(yōu)化自身收益。文獻(xiàn)[8]通過(guò)對(duì)市場(chǎng)價(jià)格進(jìn)行預(yù)測(cè)，考慮不確定性因素的影響，制定競(jìng)價(jià)策略在市場(chǎng)購(gòu)售獲取收益；文獻(xiàn)[9]考慮市場(chǎng)主體需求的市場(chǎng)決策模型對(duì)問(wèn)題求解，使競(jìng)價(jià)策略逐漸達(dá)到均衡，實(shí)現(xiàn)各方共贏和協(xié)調(diào)發(fā)展；文獻(xiàn)[10-11]從發(fā)電側(cè)的角度介紹了相關(guān)的購(gòu)能策略，追求利益的最大化；文獻(xiàn)[12]提出EH作為價(jià)格制定者的最優(yōu)競(jìng)價(jià)策略，在多個(gè)EH共存的情況下謀取經(jīng)濟(jì)最大化；文獻(xiàn)[13]考慮分布式發(fā)電，存儲(chǔ)和價(jià)格響應(yīng)的影響，提出了一種日前市場(chǎng)的最優(yōu)競(jìng)標(biāo)策略，最大程度地減少了預(yù)期凈成本。除了通過(guò)上級(jí)電網(wǎng)獲取能源外，EH間也可進(jìn)行能源調(diào)度，文獻(xiàn)[14]利用非合作博弈方式實(shí)現(xiàn)多EH場(chǎng)景下區(qū)域間負(fù)荷協(xié)調(diào)互補(bǔ)，優(yōu)化了運(yùn)行成本。在用戶方面，通過(guò)考慮需求側(cè)響應(yīng)，能更好實(shí)現(xiàn)對(duì)負(fù)荷的削峰填谷。文獻(xiàn)[15]用EH的建模方法對(duì)熱電聯(lián)供系統(tǒng)進(jìn)行建模，達(dá)到了降低運(yùn)行成本的目的，且減小了能源消耗。上述文獻(xiàn)考慮了在市場(chǎng)中的購(gòu)能方式、多能源系統(tǒng)間的交易方式以及售能方和用戶間的交易，但只涉及其中一方面，并未將它們結(jié)合。

綜上所述，本文通過(guò)合作的方式，將區(qū)域能量樞紐構(gòu)建為合作聯(lián)盟，聯(lián)盟成員制定策略參與日前和實(shí)時(shí)市場(chǎng)，并在聯(lián)盟內(nèi)部進(jìn)行能源調(diào)度，輔以電力需求響應(yīng)，對(duì)EH的運(yùn)行進(jìn)行優(yōu)化。最后在多EH模型上仿真驗(yàn)證所提方法并得出結(jié)論。

1 能量樞紐模型

EH是能將電、熱、氣等能源進(jìn)行耦合，輸出所需能源的能源轉(zhuǎn)換設(shè)施。多能源系統(tǒng)中，不同種類能源輸入后，經(jīng)過(guò)EH轉(zhuǎn)化，輸出滿足用戶側(cè)需求的能源，因此，EH可增加系統(tǒng)供能靈活性。為滿足不同種類的能源需求，不同的EH會(huì)配備不同的設(shè)備，本文所構(gòu)建的EH以配電網(wǎng)，天然氣網(wǎng)以及可再生能源發(fā)電設(shè)備供能，包含CHP，燃?xì)忮仩t，電熱泵等能源轉(zhuǎn)換設(shè)備和以蓄電池為首的儲(chǔ)能設(shè)備。在具體區(qū)域中，通常不是單個(gè)EH獨(dú)立運(yùn)行，而是多個(gè)EH共存的狀況，所以本文建立了包含N個(gè)EH的多能源網(wǎng)絡(luò)，圖1顯示了多EH結(jié)構(gòu)圖。

由于EH輸入輸出的多樣性，通過(guò)耦合矩陣對(duì)輸入和輸出的關(guān)系進(jìn)行描述，可表示為

簡(jiǎn)記為

EH的建模不僅只有能源的傳輸和轉(zhuǎn)化，為考慮儲(chǔ)能以及需求響應(yīng)對(duì)EH的影響，引入儲(chǔ)能向量M和需求響應(yīng)向量 ΔL對(duì)模型進(jìn)行修正。式(2)進(jìn)一步更改為[16]

1.1 產(chǎn)能設(shè)備模型

CHP能實(shí)現(xiàn)能源間的轉(zhuǎn)換，增加能源調(diào)度的靈活性，是EH的核心，其模型為

燃?xì)忮仩t負(fù)責(zé)為區(qū)域供熱，其模型為

電熱泵能高效地轉(zhuǎn)換電能進(jìn)行供熱，在外界溫度變化不大時(shí)，其能量轉(zhuǎn)換模型可近似表示為

1.2 儲(chǔ)能結(jié)構(gòu)

儲(chǔ)能設(shè)備是EH的關(guān)鍵設(shè)備之一，負(fù)荷低谷時(shí)能對(duì)能量進(jìn)行存儲(chǔ)，負(fù)荷高峰時(shí)補(bǔ)償能量的不足，其儲(chǔ)電設(shè)備模型構(gòu)建為

1.3 可再生能源出力

由于風(fēng)光電出力具有隨機(jī)性，通過(guò)對(duì)歷史數(shù)據(jù)的擬合并結(jié)合所提模型，利用蒙特卡洛方法生成風(fēng)光出力狀況，并進(jìn)行場(chǎng)景縮減[17]。

1) 光伏出力。

太陽(yáng)光照強(qiáng)度近似服從Beta分布，其概率密度函數(shù)可表示為[18]

式中：s、smax分別為一時(shí)間段內(nèi)的實(shí)際光強(qiáng)和最大光強(qiáng)； α和 β 分別為Beta分布的形狀參數(shù)。光伏輸出的供能模型可表示為

2) 風(fēng)電出力。

風(fēng)電出力大小受風(fēng)速v影響，將其構(gòu)建為

2 市場(chǎng)運(yùn)行方式

2.1 市場(chǎng)機(jī)制

合作機(jī)制：聯(lián)盟成員根據(jù)內(nèi)部的能源狀況，多能的EH和缺能的EH構(gòu)成合作關(guān)系，合作的參與者數(shù)量上限不定。合作成員共同供給區(qū)域負(fù)荷，根據(jù)貢獻(xiàn)度進(jìn)行利益分配。

電力需求響應(yīng)機(jī)制：各EH運(yùn)營(yíng)商與用戶簽訂負(fù)荷削減合同[19]，以保證在供能不足時(shí)削減負(fù)荷來(lái)減小供能壓力，給予用戶適當(dāng)補(bǔ)償，彌補(bǔ)其用能舒適度的改變。合同中的可削減負(fù)荷具有調(diào)節(jié)速度快的特點(diǎn)，能在實(shí)時(shí)運(yùn)行中快速響應(yīng)。

2.2 優(yōu)化運(yùn)行問(wèn)題

聯(lián)盟參與市場(chǎng)分為日前和實(shí)時(shí)2個(gè)階段，在圖2進(jìn)行了描述。在日前階段，各EH基于歷史數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)日前和實(shí)時(shí)電價(jià)，假設(shè)預(yù)測(cè)結(jié)果一致。根據(jù)日前收集的內(nèi)部負(fù)荷狀況，結(jié)合可再生能源的預(yù)測(cè)出力，對(duì)內(nèi)部設(shè)備的運(yùn)行點(diǎn)進(jìn)行規(guī)劃，并將需要購(gòu)置的能源提交日前市場(chǎng)，各EH以價(jià)格接收者的身份在規(guī)模范圍內(nèi)出清部分能源。

實(shí)時(shí)運(yùn)行中，各EH內(nèi)部機(jī)組運(yùn)行點(diǎn)不作改變。為減小不確定性的影響，得到更準(zhǔn)確的可再生能源實(shí)際出力狀況，EH在實(shí)時(shí)市場(chǎng)清算前1 h再對(duì)可再生能源出力進(jìn)行預(yù)測(cè)，由于誤差的關(guān)系，預(yù)測(cè)出力和實(shí)際出力間會(huì)存在偏差，若按日前的運(yùn)行計(jì)劃運(yùn)行，會(huì)出現(xiàn)供能不足的情況。為補(bǔ)齊偏差的能量，EH在聯(lián)盟內(nèi)部發(fā)出合作請(qǐng)求進(jìn)行能源調(diào)度，多能的EH與缺能的EH達(dá)成合作關(guān)系共同為區(qū)域用戶供能，按貢獻(xiàn)度進(jìn)行利益分配。當(dāng)聯(lián)盟內(nèi)部能源不足時(shí)，比較實(shí)時(shí)購(gòu)能和發(fā)布需求響應(yīng)指令的成本，選擇成本更低的方案補(bǔ)齊偏差。

EH既可為用能者也可為產(chǎn)能者，為獲取額外收益，在聯(lián)盟內(nèi)部各EH負(fù)荷飽和時(shí)，EH可將能源回售電網(wǎng)獲取額外收益,但價(jià)格通常低于實(shí)時(shí)電價(jià)。

2.3 目標(biāo)函數(shù)

EH的優(yōu)化目標(biāo)旨在最大化預(yù)期收益或最小化運(yùn)行成本。本文所構(gòu)建的EH運(yùn)行成本包含燃料成本、電交易成本、運(yùn)維成本以及需求響應(yīng)補(bǔ)償成本

1)燃料成本。

CHP機(jī)組與燃?xì)忮仩t運(yùn)行所需燃料的成本為

式中：Cg為天然氣價(jià)格。

2)電交易成本。

電交易成本包含電網(wǎng)購(gòu)電成本和售電收益。由于電能具有良好的傳遞性，能將各EH聯(lián)系起來(lái)，所需成本為

3)運(yùn)維成本。

式中：ypv、yw、ysto、ychp、ygb、yehp為相應(yīng)設(shè)備的單位功率運(yùn)維系數(shù)。

4)需求響應(yīng)補(bǔ)償成本。

為降低運(yùn)行成本，引入需求響應(yīng)對(duì)負(fù)荷進(jìn)行調(diào)節(jié)，考慮柔性負(fù)荷對(duì)EH運(yùn)行的影響，本文所提柔性負(fù)荷具有調(diào)節(jié)速度快的特點(diǎn)，在需要時(shí)能快速削減。EH提前收集用戶的柔性負(fù)荷信息，并細(xì)化需求響應(yīng)的等級(jí)，按遞增順序?qū)⑾鳒p量分為K個(gè)等級(jí)，利用階梯補(bǔ)償方式對(duì)用戶進(jìn)行補(bǔ)償。

式中：ycom,k,t為t時(shí)刻第k個(gè)等級(jí)的補(bǔ)償電價(jià)。

2.4 約束條件

1)負(fù)荷削減約束。

每時(shí)刻負(fù)荷削減量不得超過(guò)當(dāng)前時(shí)刻的最大可削減量

式中：DEDR,k,t表示t時(shí)刻第k個(gè)等級(jí)的負(fù)荷削減量。

2)功率平衡約束。

保證內(nèi)部負(fù)荷的供給是EH穩(wěn)定運(yùn)行的先決條件。每時(shí)刻系統(tǒng)內(nèi)部的電負(fù)荷和熱負(fù)荷都需滿足以下條件

2.5 合作問(wèn)題

1)合作前提。

EH參與合作聯(lián)盟的目的是降低運(yùn)行成本，這是先決條件，參與合作后EH的運(yùn)行成本不能超過(guò)單獨(dú)運(yùn)行時(shí)的成本，且每時(shí)刻的交互功率需在一定的范圍內(nèi)，即

2)利益分配。

合作聯(lián)盟的利益分配需保證公平，沙普利值法根據(jù)合作聯(lián)盟參與者對(duì)聯(lián)盟的貢獻(xiàn)大小對(duì)其收益進(jìn)行分配，體現(xiàn)了參與者在聯(lián)盟中的重要程度[20]。

設(shè)聯(lián)盟的參與人數(shù)為n，s為N中一個(gè)聯(lián)盟S的參與人數(shù)，則成員k參與合作構(gòu)成的規(guī)模為s的聯(lián)盟出現(xiàn)的概率 φk為

其對(duì)聯(lián)盟的貢獻(xiàn)Tk可表示為

式中：v(s)為聯(lián)盟S的收益；v(s/k)為聯(lián)盟s/k不包含成員k以s?1為規(guī)模的收益。成員k可分配得到的收益Vk可表示為

3 算例分析

為驗(yàn)證所提方法的有效性，以4個(gè)規(guī)模相近的EH為研究對(duì)象，其內(nèi)部包含的設(shè)備如圖1所示。設(shè)備容量參數(shù)及運(yùn)行參數(shù)如表1和表2。

表1 容量參數(shù)Table 1 Capacity parameters

表2 運(yùn)行參數(shù)Table 2 Operating parameters

所提問(wèn)題實(shí)為混合整數(shù)線性規(guī)劃問(wèn)題，利用Gurobi求解器對(duì)問(wèn)題進(jìn)行求解。假設(shè)天然氣價(jià)格為固定值，為2.2元/m3，熱值為9.7 kW/m3，日前和實(shí)時(shí)電價(jià)如圖3。針對(duì)需求響應(yīng)對(duì)用戶的電價(jià)補(bǔ)償，設(shè)置3個(gè)等級(jí)分為3個(gè)時(shí)段，峰時(shí)段(09:00—13:00，18:00—22:00)補(bǔ)償電價(jià)為 0.5元/kW·h；平時(shí)段 (06:00—08:00，14：00—15:00)電價(jià)為0.3元/kW·h；谷時(shí)段（01:00—05:00， 23:00—24:00）電價(jià)為0.2元/kW·h，每時(shí)刻與電網(wǎng)交互功率的上限為1500 kW，EH間交互功率的上限為1000 kW，負(fù)荷削減功率的上限為300 kW，儲(chǔ)能初始容量為500 kW。假設(shè)4個(gè)EH距離較近，能量傳輸中的損耗不作考慮。各EH運(yùn)行中機(jī)組按預(yù)定計(jì)劃出力。

以上述方法在系統(tǒng)中進(jìn)行仿真，調(diào)度周期為24 h，時(shí)間間隔為1 h，4個(gè)EH某日的負(fù)荷狀況和可再生能源出力狀況如圖4所示。

CHP機(jī)組的運(yùn)行狀況如圖5。CHP機(jī)組的運(yùn)行計(jì)劃在日前進(jìn)行配置，在01:00—03:00時(shí)段，CHP機(jī)組都不運(yùn)行，是因?yàn)橄啾扔跉夤┠埽ㄟ^(guò)從電網(wǎng)購(gòu)電，利用燃?xì)忮仩t、電熱泵供熱的方式更經(jīng)濟(jì)。以EH1為例對(duì)其他不運(yùn)行時(shí)段進(jìn)行解釋，如10:00—11:00、19:00—24:00時(shí)段不運(yùn)行，是因?yàn)轭A(yù)測(cè)的可再生能源出力能夠滿足負(fù)荷需求，且內(nèi)部的熱負(fù)荷通過(guò)燃?xì)忮仩t和電熱泵供應(yīng)更為經(jīng)濟(jì)，所以這些時(shí)段不運(yùn)行。其他EH的運(yùn)行情況也類似。

圖6描述了整個(gè)周期內(nèi)聯(lián)盟內(nèi)部能源的交互狀況，圖7為調(diào)度周期內(nèi)4個(gè)EH的能源調(diào)度狀況。結(jié)合圖6和圖7，以EH1為例對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析，其他EH分析類似，不過(guò)多贅述。在日前市場(chǎng)清算后，01:00—08:00、13:00—14:00、17:00以及20:00時(shí)段，EH1表現(xiàn)為缺電狀態(tài)，儲(chǔ)能設(shè)備先選擇性地放電，由于放電效率的制約，放電后可能并不滿足負(fù)荷需求。在內(nèi)部尋求合作能源，其中02:00－05:00通過(guò)合作，剛好補(bǔ)齊偏差，而在13:00和20:00時(shí)段，由于聯(lián)盟內(nèi)部能源不充裕，獲取合作能源后仍不滿足負(fù)荷需求，而此時(shí)通過(guò)發(fā)布負(fù)荷削減指令所需的成本小于電網(wǎng)購(gòu)能成本，所以選擇進(jìn)行負(fù)荷削減。在缺能的其他時(shí)段，因?yàn)槁?lián)盟內(nèi)沒(méi)有合作能源，08:00和14:00先進(jìn)行負(fù)荷削減，但由于可削減上限的制約，負(fù)荷仍不飽和，最后通過(guò)實(shí)時(shí)購(gòu)能補(bǔ)齊偏差。而在06:00－07:00時(shí)段，因?yàn)閷?shí)時(shí)購(gòu)能成本更低，所以直接與電網(wǎng)交易補(bǔ)齊偏差。在10:00－12:00、15:00、18:00－19:00和21:00－24:00時(shí)段，EH1表現(xiàn)為多能狀態(tài)，所以與其他缺能EH合作。而在21:00－23:00時(shí)段，合作后EH1能源仍有盈余，為獲取額外收益，將剩余能源售給電網(wǎng)。而根據(jù)圖7的出力狀況發(fā)現(xiàn)，在11:00時(shí)刻，EH1，EH3和EH4都進(jìn)行了電能的回售，是因?yàn)榇藭r(shí)可再生能源大發(fā)，各EH的負(fù)荷都已飽和，并且此時(shí)電價(jià)較高，通過(guò)向電網(wǎng)售電的方式對(duì)多余能源進(jìn)行處理。

圖8為熱調(diào)度狀況，根據(jù)圖4可知各EH的熱負(fù)荷不高。在不合作的情況下，首先，CHP機(jī)組在供電時(shí)會(huì)產(chǎn)生部分熱能，但通常情況下無(wú)法滿足熱負(fù)荷需求，其他供熱設(shè)備開(kāi)始工作。由于電熱泵的效率更高，在低電價(jià)時(shí)，電熱泵會(huì)優(yōu)先工作，但受限于設(shè)備容量，在無(wú)法滿足內(nèi)部負(fù)荷時(shí)，由燃?xì)忮仩t補(bǔ)足。而在合作后，各機(jī)組仍正常運(yùn)行但由于設(shè)備容量的差異，EH3和EH4在滿足自身負(fù)荷后電熱泵的容量仍有剩余，所以與EH1和EH2合作，向其供應(yīng)低價(jià)的熱能。

為驗(yàn)證EH間合作后帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)效益，與各EH單獨(dú)運(yùn)行的成本進(jìn)行比較，表3列出了其運(yùn)行結(jié)果。

表3 各EH單獨(dú)運(yùn)行成本與合作運(yùn)行成本對(duì)比Table 3 Comparison of isolated operation cost of each EH and cooperative operation cost of all EHs

結(jié)果顯示，應(yīng)用所提方法后，運(yùn)行成本都有一定程度的降低，表明通過(guò)合作的方式能夠?qū)ο到y(tǒng)的運(yùn)行有所優(yōu)化。

4 結(jié)論

1）多EH間構(gòu)成合作聯(lián)盟，多能的EH與缺能的EH協(xié)調(diào)供應(yīng)區(qū)域負(fù)荷的方式有效降低了運(yùn)行成本。

2）借助EH相互間的能源調(diào)度，減輕了電網(wǎng)供能壓力以及回售能源引起的電網(wǎng)波動(dòng)。

3）通過(guò)與用戶簽訂負(fù)荷削減合同，以給予用戶補(bǔ)償?shù)姆绞浇档土俗陨砉┠軌毫Α?/p>

4）EH間合作供能根據(jù)貢獻(xiàn)度分配收益，確保了分配的公平。

本文所提方法使EH同時(shí)參與日前和實(shí)時(shí)市場(chǎng)，選擇更優(yōu)的方式購(gòu)能，并使EH的能源可在聯(lián)盟內(nèi)部調(diào)度也可出售回電網(wǎng)或進(jìn)行存儲(chǔ)，增加了區(qū)域能源系統(tǒng)能源調(diào)度的靈活性，對(duì)未來(lái)區(qū)域能源系統(tǒng)的運(yùn)行提供了借鑒方式。