基于多時(shí)間尺度綜合需求響應(yīng)策略的綜合能源系統(tǒng)優(yōu)化運(yùn)行

劉至純, 李華強(qiáng), 王俊翔, 陸楊, 游祥, 何永祥

(1.智能電網(wǎng)四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(四川大學(xué)), 成都市610065；2.國(guó)網(wǎng)山東省電力公司東營(yíng)供電公司, 山東省東營(yíng)市257091；3.國(guó)網(wǎng)四川省電力公司遂寧供電公司, 四川省遂寧市629000)

0 引 言

隨著化石能源短缺、氣候變暖和環(huán)境污染加劇，建立清潔高效、多能耦合的新型能源系統(tǒng)成為應(yīng)對(duì)上述問(wèn)題的關(guān)鍵。綜合能源系統(tǒng)(integrated energy system，IES)集電力、天然氣、冷/熱等多種能源于一體[1]，通過(guò)多能源之間互動(dòng)與耦合提高了能源利用效率。在IES架構(gòu)中，“源-網(wǎng)-荷-儲(chǔ)”各環(huán)節(jié)多能耦合性強(qiáng)，在需求側(cè)表現(xiàn)為負(fù)荷種類多元化，用戶擁有在不同能流間改變用能方法的能力，也促使傳統(tǒng)電力需求響應(yīng)(demand response，DR)發(fā)展為全能源領(lǐng)域的綜合需求響應(yīng)(integrated demand response，IDR)[1-3]。

有關(guān)能源系統(tǒng)優(yōu)化運(yùn)行的研究經(jīng)歷了從單一時(shí)段優(yōu)化到日前-日內(nèi)多時(shí)段優(yōu)化的發(fā)展[4]?，F(xiàn)有研究多采用多時(shí)間尺度運(yùn)行方法解決可再生能源不確定性的問(wèn)題，文獻(xiàn)[5-6]基于模型預(yù)測(cè)控制方法建立多時(shí)間尺度優(yōu)化運(yùn)行模型，通過(guò)日前-日內(nèi)-實(shí)時(shí)調(diào)度減小風(fēng)電預(yù)測(cè)誤差，提高了運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性。文獻(xiàn)[7-8]采用激勵(lì)型DR分段參與多時(shí)間尺度運(yùn)行的策略，使DR資源在不同時(shí)間尺度下發(fā)揮不同調(diào)度效果，提升了風(fēng)電消納水平。文獻(xiàn)[9]建立考慮多種DR資源的多時(shí)間尺度調(diào)度模型，將激勵(lì)型DR的響應(yīng)時(shí)效性和價(jià)格型DR的經(jīng)濟(jì)性優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，進(jìn)一步提高系統(tǒng)風(fēng)電消納能力。在傳統(tǒng)電力系統(tǒng)優(yōu)化運(yùn)行中，對(duì)于時(shí)間尺度的劃分往往以可再生能源的不確定性作為切入點(diǎn)，沒(méi)有考慮DR本身的多時(shí)間尺度特性。在IES多能耦合架構(gòu)中，IDR涵蓋更多負(fù)荷類型的響應(yīng)資源，具有能量特性差異，表現(xiàn)為響應(yīng)時(shí)期和響應(yīng)速度的不同，因此IDR具有更顯著的多時(shí)間尺度特性。文獻(xiàn)[10-11]通過(guò)考慮區(qū)域IES中電、熱等多類負(fù)荷的耦合關(guān)系，建立了考慮IDR的多目標(biāo)優(yōu)化調(diào)度模型，但在單一時(shí)間尺度下對(duì)IDR統(tǒng)一調(diào)度，未考慮IDR自身的多時(shí)間尺度特性以及不同設(shè)備在能量轉(zhuǎn)換、儲(chǔ)存等環(huán)節(jié)存在的時(shí)間差異。文獻(xiàn)[12]指出由于工作原理和控制方式不同，各類能源設(shè)備在響應(yīng)調(diào)度時(shí)的速度不同，因而不能在同一時(shí)間尺度周期下進(jìn)行優(yōu)化管理?？偟膩?lái)說(shuō)，現(xiàn)有研究欠缺對(duì)于IDR多時(shí)間尺度特性的深入探究，阻礙了更多IDR資源參與協(xié)調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行，也未考慮能源設(shè)備在多時(shí)間尺度運(yùn)行方式中的實(shí)際響應(yīng)能力，使設(shè)備不能有效參與IES優(yōu)化運(yùn)行。

為此，本文考慮IDR和不同能源設(shè)備的響應(yīng)時(shí)間特性，提出一種基于IDR多時(shí)間尺度響應(yīng)策略的IES優(yōu)化運(yùn)行方法，充分調(diào)用更多類型IDR資源，以實(shí)現(xiàn)IES供需雙側(cè)協(xié)調(diào)運(yùn)行，從需求側(cè)角度為IES經(jīng)濟(jì)運(yùn)行提供策略建議。首先，分析價(jià)格型(price-based demand response，PBDR)、激勵(lì)型(incentive-based demand response，IBDR)和替代型(alternative demand response，ADR)3種類型IDR的多時(shí)間尺度特性，并制定了IDR多時(shí)間尺度響應(yīng)策略。其次，建立考慮IDR的IES多時(shí)間尺度優(yōu)化運(yùn)行模型：在日前階段制定經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)的日前調(diào)度計(jì)劃，在日內(nèi)階段劃分長(zhǎng)、短兩個(gè)時(shí)間尺度分別對(duì)冷/熱、電/氣相關(guān)設(shè)備出力進(jìn)行分層管理。最后，通過(guò)算例分析驗(yàn)證所提模型可以調(diào)用多種IDR資源，降低IES運(yùn)行成本，充分考慮設(shè)備響應(yīng)能力，更符合實(shí)際運(yùn)行情況。

1 綜合需求響應(yīng)的多時(shí)間尺度響應(yīng)策略

1.1 IDR多時(shí)間尺度特性分析

IDR的多時(shí)間尺度特性主要表現(xiàn)在兩個(gè)方面：一是由于定價(jià)方式和激勵(lì)機(jī)制的不同，IBDR和PBDR屬于不同時(shí)期響應(yīng)資源；二是ADR涵蓋電、氣、熱、冷負(fù)荷，不同能量在供需平衡上的時(shí)間要求不同[3]，因此不同負(fù)荷類型的ADR需要選擇不同時(shí)間尺度的優(yōu)化周期參與響應(yīng)。表1列舉了本文所考慮的3類IDR的響應(yīng)特性。

表1 各類型IDR的響應(yīng)特性

從分析可知，IDR具有相當(dāng)程度的多時(shí)間尺度特性。為保證IDR順利地參與系統(tǒng)優(yōu)化運(yùn)行，本文針對(duì)各類型IDR建立模型并制定IDR多時(shí)間尺度響應(yīng)策略。

1.2 IDR模型

1.2.1 價(jià)格型需求響應(yīng)

本文采用日前小時(shí)價(jià)格(day-ahead hourly varing price，DAP)機(jī)制，即在前一天根據(jù)第二天負(fù)荷預(yù)測(cè)結(jié)果，制定次日電/氣價(jià)格日時(shí)段劃分方案[13-14]。

PBDR受DAP機(jī)制影響，可以采用價(jià)格彈性系數(shù)表示價(jià)格變化引起負(fù)荷變化的響應(yīng)行為，進(jìn)而建立電/氣負(fù)荷PBDR模型[15]，如下式所示：

(1)

1.2.2 替代型需求響應(yīng)

在IES中，電、氣、熱、冷負(fù)荷均參與ADR，由于熱、冷能較電、氣能具有慢動(dòng)態(tài)特性[16]，因此本文考慮熱、冷ADR之間的替代作用和電、氣ADR之間的替代作用，并分別建立熱/冷ADR模型和電/氣ADR模型。

1)熱/冷ADR模型。

在IES中，部分用戶配有能源耦合設(shè)備(如吸收式制冷機(jī))，可以通過(guò)冷、熱能轉(zhuǎn)換滿足相同用能需求。熱/冷ADR模型如下：

(2)

(3)

2)電/氣ADR模型。

根據(jù)電、氣價(jià)格峰谷時(shí)段差異，選擇增發(fā)用能成本更低的設(shè)備以降低購(gòu)能成本。例如在用電高峰期，若此時(shí)氣價(jià)較低，擁有氣轉(zhuǎn)電設(shè)備(如燃料電池)的用戶可以增加氣輸入代替用電需求。電/氣ADR模型[17]如下：

(4)

(5)

1.2.3 激勵(lì)型需求響應(yīng)

本文考慮兩種不同時(shí)期的IBDR資源：1)I類IBDR屬于中長(zhǎng)期資源，在日前階段通過(guò)轉(zhuǎn)移電負(fù)荷的方式參與調(diào)峰；2)可中斷負(fù)荷(interruptible load，IL)屬于短期IBDR資源，響應(yīng)速度較快，在日內(nèi)實(shí)時(shí)響應(yīng)。

1)I類IBDR。

對(duì)I類IBDR采用分時(shí)補(bǔ)償電價(jià)策略[9]，其響應(yīng)成本計(jì)算公式為：

(6)

2)IL。

IL響應(yīng)成本包括容量費(fèi)用和能量費(fèi)用兩個(gè)部分。容量費(fèi)用是對(duì)用戶預(yù)留可中斷容量的基礎(chǔ)補(bǔ)貼，能量費(fèi)用是對(duì)用戶實(shí)際中斷負(fù)荷量的補(bǔ)償。IL響應(yīng)成本計(jì)算公式[18]如下：

(7)

1.3 IDR多時(shí)間尺度響應(yīng)策略

根據(jù)IDR的多時(shí)間尺度特性，建立如圖1所示的響應(yīng)策略：日前階段，需求側(cè)考慮PBDR和I類IBDR影響，實(shí)現(xiàn)電、氣負(fù)荷曲線初步優(yōu)化；日內(nèi)階段劃分長(zhǎng)-短兩個(gè)時(shí)間尺度，引導(dǎo)不同負(fù)荷類型的ADR分層響應(yīng)：在上層長(zhǎng)時(shí)間尺度周期考慮熱/冷ADR，優(yōu)化熱、冷負(fù)荷曲線，在下層短時(shí)間尺度周期考慮電/氣ADR和可中斷負(fù)荷，進(jìn)一步優(yōu)化電、氣負(fù)荷曲線。

圖1 IDR多時(shí)間尺度響應(yīng)策略

2 綜合能源系統(tǒng)多時(shí)間尺度優(yōu)化運(yùn)行模型

2.1 IES基本架構(gòu)

IES基本結(jié)構(gòu)如圖2所示。IES上游節(jié)點(diǎn)與外部電網(wǎng)和天然氣網(wǎng)連接；IES內(nèi)部包含能源生產(chǎn)設(shè)備、轉(zhuǎn)換設(shè)備和儲(chǔ)能裝置：能源生產(chǎn)設(shè)備包括風(fēng)力發(fā)電機(jī)、熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組(燃?xì)廨啓C(jī)和余熱鍋爐)和燃料電池；能源轉(zhuǎn)換設(shè)備包括電鍋爐、吸收式制冷機(jī)、電制冷機(jī)和電轉(zhuǎn)氣(power to gas，P2G)；儲(chǔ)能裝置包括蓄電池、儲(chǔ)氣罐和蓄熱槽；下游節(jié)點(diǎn)包括電、氣、熱、冷負(fù)荷。

圖2 IES基本結(jié)構(gòu)

1)風(fēng)力發(fā)電機(jī)。

風(fēng)力發(fā)電機(jī)(wind turbine, WT)物理模型[19]如下：

(8)

2)熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組。

熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組由燃?xì)廨啓C(jī)(gas turbine，GT)和余熱鍋爐(waste heat boiler，WHB)組成，其簡(jiǎn)化物理模型[20]如下：

(9)

(10)

3)燃料電池。

燃料電池(fuel cell，F(xiàn)C)的物理模型如下：

(11)

4)燃?xì)忮仩t。

燃?xì)忮仩t(gas boiler，GB)物理模型如下：

(12)

5)吸收式制冷機(jī)。

吸收式制冷機(jī)(absorption chiller，AC)的物理模型如下：

(13)

6)電鍋爐。

電鍋爐(electric boiler，EB)的物理模型如下：

(14)

7)電制冷機(jī)。

電制冷機(jī)(electric chiller，EC)物理模型如下：

(15)

8)電轉(zhuǎn)氣。

電轉(zhuǎn)氣為生產(chǎn)天然氣的設(shè)備，其物理模型如下：

(16)

9)儲(chǔ)能裝置。

蓄電池(energy storage，ES)、儲(chǔ)氣罐(gas storage，GS)和蓄熱槽(heat storage，HS)的物理模型具有一定共性，可以用蓄能容量、自損耗率和充放能效率三個(gè)參數(shù)表征，如下式所示：

(17)

2.2 日前優(yōu)化運(yùn)行模型

基于IDR多時(shí)間尺度響應(yīng)策略，建立IES多時(shí)間尺度優(yōu)化運(yùn)行模型，分為日前階段、日內(nèi)上層和日內(nèi)下層三個(gè)階段。日前階段為保證IES運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性，目標(biāo)函數(shù)設(shè)為IES運(yùn)行成本最小，以1 h為時(shí)間尺度、調(diào)度周期為1 d，制定日前調(diào)度計(jì)劃。

2.2.1 目標(biāo)函數(shù)

minF=Fe+Fg+Fom+FIBDR

(18)

式中：Fe、Fg、Fom、FIBDR分別為上層周期的購(gòu)電成本、購(gòu)氣成本、各設(shè)備運(yùn)行維護(hù)成本和I類IBDR響應(yīng)成本。

1)購(gòu)電成本：

(19)

2)購(gòu)氣成本：

(20)

3)設(shè)備運(yùn)行維護(hù)成本：

(21)

4)I類IBDR響應(yīng)成本：

IBDR響應(yīng)成本如式(6)所示。

2.2.2 約束條件

1)能量平衡約束：

(22)

(23)

(24)

(25)

2)設(shè)備出力約束：

(26)

3)設(shè)備爬坡約束：

(27)

4)IES與電/天然氣網(wǎng)交互功率約束：

(28)

(29)

5)儲(chǔ)能裝置約束：

(30)

(31)

(32)

6)IDR約束：

(33)

(34)

2.3 日內(nèi)優(yōu)化運(yùn)行模型

為響應(yīng)IDR引起的負(fù)荷變化，IES設(shè)備層需要調(diào)整其日前出力計(jì)劃?？紤]到不同設(shè)備具有響應(yīng)速度差異，存在其響應(yīng)時(shí)間級(jí)是否匹配運(yùn)行時(shí)間尺度的問(wèn)題。因此本文基于IDR多時(shí)間尺度響應(yīng)策略，劃分長(zhǎng)、短兩個(gè)時(shí)間尺度對(duì)設(shè)備進(jìn)行分層管理：上層長(zhǎng)時(shí)間尺度周期優(yōu)化冷、熱能，調(diào)整響應(yīng)較慢的冷/熱相關(guān)設(shè)備，如GB、EB、AC和HS等；下層短時(shí)間尺度周期優(yōu)化電、氣能，調(diào)整響應(yīng)較快的電/氣相關(guān)設(shè)備，如FC和ES等。

2.3.1 長(zhǎng)時(shí)間尺度周期

長(zhǎng)時(shí)間尺度周期以30 min為時(shí)間尺度，在需求側(cè)考慮冷/熱ADR作用，設(shè)定目標(biāo)函數(shù)為IES調(diào)整成本最小。

1)目標(biāo)函數(shù)。

上層長(zhǎng)時(shí)間尺度周期的目標(biāo)函數(shù)如下式所示：

(35)

式中：Fupper為上層周期調(diào)整成本；Fh,upper為供熱設(shè)備的調(diào)整成本，供熱設(shè)備包括熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組、GB、EB和HS；Fc,upper為供冷設(shè)備的調(diào)整成本，供冷設(shè)備包括AC和EC。

所有供熱設(shè)備的調(diào)整成本：

(36)

所有供冷設(shè)備的調(diào)整成本：

(37)

2)約束條件。

上層優(yōu)化周期中冷、熱能平衡約束、設(shè)備約束與日前一致，如式(22)—(27)所示。熱/冷ADR約束如下所示：

(38)

2.3.2 短時(shí)間尺度周期

基于日前計(jì)劃和上層調(diào)整結(jié)果，下層周期以15 min為時(shí)間尺度，設(shè)定目標(biāo)函數(shù)為IES調(diào)整成本最小。需求側(cè)考慮電/氣ADR和IL作用。

1)目標(biāo)函數(shù)。

下層短時(shí)間尺度周期的目標(biāo)函數(shù)如下式所示：

(39)

式中：Flower為下層周期IES的調(diào)整成本；Fe,lower為供電設(shè)備的調(diào)整成本，供電設(shè)備包括FC和ES；Fg,lower為供氣設(shè)備的調(diào)整成本，供氣設(shè)備包括P2G和GS；FIL為IL的響應(yīng)成本如式(7)所示。

所有供電設(shè)備的調(diào)整成本：

(40)

所有供氣設(shè)備的調(diào)整成本：

(41)

2)約束條件。

下層優(yōu)化周期中電/氣能平衡約束、設(shè)備約束和聯(lián)絡(luò)線約束與日前一致，如式(22)—(29)所示。IL和電/氣ADR約束如下：

(42)

(43)

3 IES多時(shí)間尺度優(yōu)化運(yùn)行求解流程

本文基于IDR多時(shí)間尺度響應(yīng)策略所建立的IES多時(shí)間尺度優(yōu)化運(yùn)行模型分為日前-日內(nèi)上層-日內(nèi)下層三個(gè)階段：日前模型為混合整數(shù)非線性規(guī)劃問(wèn)題，利用粒子群算法嵌套仿真軟件MATLAB的CPLEX求解器，搜尋最優(yōu)電/氣價(jià)格及PBDR響應(yīng)量，并求得運(yùn)行成本最低的日前調(diào)度計(jì)劃。日內(nèi)上層階段采用以30 min為時(shí)間尺度的長(zhǎng)時(shí)間尺度周期，需求側(cè)考慮冷/熱ADR作用，調(diào)整熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組、EB、GB、HS、AC和EC的出力值，實(shí)現(xiàn)熱、冷能供需平衡，并將上層已確定的GT、GB、EB、EC的調(diào)整值傳遞給下層優(yōu)化模型；下層階段采用以15 min為時(shí)間尺度的短時(shí)間尺度周期，需求側(cè)考慮電、氣ADR和IL作用，再通過(guò)調(diào)整P2G、FC、ES、GS與電/氣網(wǎng)交互量，實(shí)現(xiàn)電、氣能供需平衡。日內(nèi)上、下層模型均調(diào)用CPLEX進(jìn)行求解。具體求解流程如圖3所示。

圖3 IES多時(shí)間尺度優(yōu)化運(yùn)行模型求解流程

4 算例仿真

4.1 算例設(shè)置

本文選取某園區(qū)IES作為場(chǎng)景，其基本結(jié)構(gòu)如圖2所示。風(fēng)力發(fā)電機(jī)與冷/熱/電/氣負(fù)荷日前預(yù)測(cè)曲線如附錄A中圖A1所示；IES中各設(shè)備基本參數(shù)、日前基準(zhǔn)購(gòu)/售電價(jià)和基準(zhǔn)氣價(jià)以及I類IBDR用戶分時(shí)補(bǔ)償電價(jià)分別如附錄A中表A1—A4所示。

4.2 算例分析

4.2.1 日前優(yōu)化調(diào)度結(jié)果分析

在日前運(yùn)行中會(huì)得到次日DAP優(yōu)化價(jià)格和PBDR響應(yīng)量。圖4為優(yōu)化前后電、氣價(jià)格曲線，圖5為PBDR響應(yīng)前后電、氣負(fù)荷曲線。分析可知，在PBDR作用下，DAP優(yōu)化后的電/氣峰平谷價(jià)格時(shí)段與基準(zhǔn)價(jià)格保持一致，但變化幅度增大。電、氣負(fù)荷曲線變化趨勢(shì)與價(jià)格變化相一致：在負(fù)荷水平高時(shí)，價(jià)格上漲，PBDR引導(dǎo)負(fù)荷轉(zhuǎn)移到其他時(shí)刻，實(shí)現(xiàn)“削峰”；在負(fù)荷水平低時(shí)，價(jià)格降低，引導(dǎo)高峰期負(fù)荷轉(zhuǎn)移到此時(shí)進(jìn)行，實(shí)現(xiàn)“填谷”，表明考慮PBDR可以起到價(jià)格與負(fù)荷之間相互影響、彼此調(diào)節(jié)的作用。

圖4 優(yōu)化前后電/氣價(jià)格曲線

圖5 PBDR響應(yīng)前后電/氣負(fù)荷曲線

圖6為日前優(yōu)化調(diào)度結(jié)果，圖6(a)—(d)為IES內(nèi)各能量供需平衡情況。1—8時(shí)段電價(jià)處于谷時(shí)段，IES向電網(wǎng)大量購(gòu)電，一部分供給電負(fù)荷，剩余電量通過(guò)蓄電池儲(chǔ)存起來(lái)，用于電價(jià)較高時(shí)供電；1—6時(shí)段氣價(jià)水平較低，IES主要通過(guò)購(gòu)氣滿足氣負(fù)荷；熱負(fù)荷主要由余熱鍋爐和燃?xì)忮仩t供給，冷負(fù)荷則由電制冷供給，其中4—6時(shí)段電價(jià)低于氣價(jià)，故P2G、電鍋爐輔助供氣、供熱。

圖6 日前優(yōu)化調(diào)度結(jié)果

9—15、19—24時(shí)段電、氣價(jià)均處于氣價(jià)較高水平，但氣價(jià)相對(duì)于電價(jià)較低。此時(shí)段IES停止購(gòu)電，蓄電池開(kāi)始放電，此時(shí)燃?xì)廨啓C(jī)處于滿發(fā)狀態(tài)，故增發(fā)燃料電池輔助供電。由于9—15時(shí)段氣價(jià)處于較高水平，燃?xì)忮仩t減少出力，IES引導(dǎo)蓄熱槽放熱。9—15、19—24時(shí)段IES依靠吸收式制冷機(jī)供冷。

16—18時(shí)段電價(jià)處于平時(shí)段。IES主要通過(guò)購(gòu)電滿足電負(fù)荷，此時(shí)電價(jià)略低于氣價(jià)，故增發(fā)電鍋爐輔助供熱，冷負(fù)荷則由電制冷供應(yīng)。

4.2.2 日內(nèi)優(yōu)化調(diào)度結(jié)果分析

圖7—8分別為上層IDR響應(yīng)結(jié)果和設(shè)備調(diào)整結(jié)果。由圖7可知，11—18時(shí)段冷/熱ADR響應(yīng)，這是由于此時(shí)冷負(fù)荷處于高峰期，為減緩供冷壓力，部分用戶通過(guò)使用自身能源耦合設(shè)備供冷，減少冷負(fù)荷需求。由圖8可知，基于日前計(jì)劃，11—18時(shí)主要通過(guò)調(diào)整電制冷和吸收式制冷機(jī)維持冷能供需平衡，通過(guò)調(diào)整電鍋爐和燃?xì)忮仩t出力維持熱能供需平衡。

圖7 上層IDR響應(yīng)結(jié)果

圖8 上層設(shè)備調(diào)整結(jié)果

圖9—10分別為下層IDR響應(yīng)結(jié)果和設(shè)備調(diào)整結(jié)果。由圖9可知，9—15、19—23時(shí)段電/氣ADR響應(yīng)量較大，這是由于電/氣ADR響應(yīng)量與電、氣價(jià)格差成正相關(guān)，而此時(shí)電、氣價(jià)格水平相差較大。IL則在11—14、17—21用電高峰時(shí)段響應(yīng)調(diào)峰指令，切斷部分負(fù)荷。

圖9 下層IDR響應(yīng)結(jié)果

日前計(jì)劃中9—15、19—23時(shí)段主要依靠蓄電池和燃料電池供電。為避免蓄電池長(zhǎng)期快速充放電導(dǎo)致其使用壽命縮短，故在下層模型中對(duì)蓄電池調(diào)節(jié)量加以約束，因此主要減少燃料電池出力；由于20—22時(shí)段購(gòu)氣量已達(dá)上限，故增加P2G出力。

4.3 多時(shí)間尺度優(yōu)化運(yùn)行策略優(yōu)勢(shì)

4.3.1 場(chǎng)景設(shè)置

場(chǎng)景1：日前階段考慮PBDR和I類IBDR；日內(nèi)階段選取較大時(shí)間尺度(30 min)優(yōu)化周期，考慮電/氣/熱/冷ADR作用。

場(chǎng)景2：日前階段考慮PBDR和I類IBDR；日內(nèi)階段選取較短時(shí)間尺度(15 min)優(yōu)化周期，考慮電/氣ADR和IL作用。

場(chǎng)景3：日前階段考慮PBDR和I類IBDR；日內(nèi)階段劃分長(zhǎng)、短時(shí)間尺度優(yōu)化周期，考慮電/氣/熱/冷ADR和IL作用。

4.3.2 成本對(duì)比分析

通過(guò)仿真可得場(chǎng)景1—3的運(yùn)行成本如表2所示。

表2 各場(chǎng)景運(yùn)行成本

場(chǎng)景1—3的日前階段均以1 h為時(shí)間尺度、制定次日24 h的調(diào)度計(jì)劃。場(chǎng)景3即本文所提模型。分析表2可知，場(chǎng)景1和場(chǎng)景2總運(yùn)行成本高于場(chǎng)景3，主要原因如下：1)場(chǎng)景1時(shí)間尺度較大，無(wú)法調(diào)用短期資源IL以優(yōu)化高峰期電負(fù)荷曲線；2)場(chǎng)景2時(shí)間尺度過(guò)小，熱/冷ADR無(wú)法參與響應(yīng)，不能發(fā)揮自身對(duì)熱、冷需求的調(diào)節(jié)能力以優(yōu)化熱、冷負(fù)荷曲線。

圖10 下層設(shè)備調(diào)整結(jié)果

4.3.3 設(shè)備層對(duì)比分析

除了降低運(yùn)行成本，采用IDR多時(shí)間尺度響應(yīng)策略的優(yōu)勢(shì)還在于考慮了設(shè)備實(shí)際響應(yīng)能力。附錄A中表A5列出了部分能源設(shè)備響應(yīng)時(shí)間級(jí)，分析可知冷/熱相關(guān)設(shè)備相對(duì)于電/氣相關(guān)設(shè)備響應(yīng)速度較慢。這是由于構(gòu)成供電設(shè)備的元件多以電力電子器件為主，具有較快的調(diào)節(jié)速率；而燃燒類設(shè)備通常存在較大調(diào)節(jié)時(shí)間常數(shù)，因此調(diào)節(jié)速率較慢。

由于各設(shè)備響應(yīng)速度不同，因此對(duì)運(yùn)行時(shí)間尺度的要求不同，通過(guò)引入設(shè)備調(diào)整次數(shù)指標(biāo)反映各設(shè)備的日內(nèi)調(diào)整情況。設(shè)備調(diào)整次數(shù)指在一個(gè)調(diào)度周期內(nèi)，設(shè)備相對(duì)日前計(jì)劃的調(diào)整次數(shù)，用Ni表示。

表3為不同時(shí)間尺度下，采用單一和多時(shí)間尺度兩種運(yùn)行方法得到的各設(shè)備調(diào)整次數(shù)(Nd為一天內(nèi)在時(shí)間尺度d下的執(zhí)行窗口總數(shù))。

表3 不同時(shí)間尺度及運(yùn)行方法下各設(shè)備調(diào)整次數(shù)

由表3可知，在單一時(shí)間尺度運(yùn)行方式下，隨著時(shí)間尺度減小，各設(shè)備調(diào)整次數(shù)都會(huì)增加。在同一時(shí)間尺度下，同種設(shè)備采用多時(shí)間尺度運(yùn)行方法比單一時(shí)間尺度運(yùn)行方法調(diào)整次數(shù)減少，這是由于前者本質(zhì)上是對(duì)不同能量分層優(yōu)化，能夠避免所有設(shè)備作為變量參與優(yōu)化過(guò)程，導(dǎo)致增加設(shè)備頻繁出力。對(duì)于不同設(shè)備，由于響應(yīng)時(shí)間級(jí)不同，如吸收式制冷機(jī)、蓄熱槽等設(shè)備響應(yīng)較慢，無(wú)法頻繁調(diào)整出力，因此不能有效參與較小時(shí)間尺度的優(yōu)化調(diào)度周期。

因此，采用多時(shí)間尺度運(yùn)行方法對(duì)設(shè)備進(jìn)行分層優(yōu)化管理，充分考慮了設(shè)備響應(yīng)時(shí)間特性，使各設(shè)備均能有效參與日內(nèi)調(diào)整計(jì)劃。

5 結(jié) 論

本文深入挖掘IDR多時(shí)間尺度特性，建立了一種基于多時(shí)間尺度IDR策略的IES優(yōu)化運(yùn)行模型：在日前階段考慮PBDR和I類IBDR，制定經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)的日前調(diào)度計(jì)劃；在日內(nèi)階段考慮IDR能量特性差異，通過(guò)細(xì)化時(shí)間尺度對(duì)設(shè)備進(jìn)行分層優(yōu)化管理，得到日內(nèi)調(diào)整計(jì)劃。根據(jù)算例結(jié)果，本文得到主要結(jié)論如下：

1)所提IDR多時(shí)間尺度響應(yīng)策略考慮了IDR多時(shí)間尺度特性，充分挖掘了多類型IDR資源的響應(yīng)能力，提高了IES運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性。

2)所提IES多時(shí)間尺度優(yōu)化運(yùn)行模型考慮了設(shè)備層的響應(yīng)時(shí)間特性，使不同響應(yīng)能力的設(shè)備均能有效參與日內(nèi)調(diào)整計(jì)劃，更符合IES實(shí)際運(yùn)行情況。

3)本文所提出的基于IDR多時(shí)間尺度響應(yīng)策略的IES多時(shí)間尺度優(yōu)化運(yùn)行方法，可以有效應(yīng)對(duì)局部區(qū)域負(fù)荷“尖峰化”趨勢(shì)，充分發(fā)揮IDR配合電網(wǎng)削峰填谷的調(diào)節(jié)作用，為園區(qū)IES的實(shí)際運(yùn)行提供理論支撐和策略建議。