計及電熱綜合需求響應(yīng)的綜合能源系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度

林佳興，孫亮，李佳雯，陳立東

(1.東北電力大學(xué) 電氣工程學(xué)院，吉林 吉林 132012； 2.國網(wǎng)天津電力公司薊州供電分公司，天津 301900)

0 引 言

隨著國家節(jié)能減排戰(zhàn)略的提出，綜合能源系統(tǒng)IES(Integrated Energy System)應(yīng)運而生。它是含有電氣及天然氣系統(tǒng)的多能耦合系統(tǒng)，可以實現(xiàn)對各類能源的產(chǎn)生、傳輸、分配、轉(zhuǎn)換以及存儲等環(huán)節(jié)進行協(xié)調(diào)優(yōu)化[1]。其中以微型燃?xì)廨啓C為代表的熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)具有能量梯級利用率高、運行靈活等特點[2]，為實現(xiàn)風(fēng)光等可再生能源的消納提供了途徑，并且最大限度地降低系統(tǒng)運行成本，同時需求側(cè)響應(yīng)的引進能夠更大程度提高新能源利用率，減少污染氣體排放實現(xiàn)節(jié)能減排將是IES的重要發(fā)展方向[3-5]。為此國家電網(wǎng)提出要將傳統(tǒng)的電能供應(yīng)商向綜合能源服務(wù)商的的角色轉(zhuǎn)變[6]。為了使能源得到充分的利用實現(xiàn)IES的經(jīng)濟性，國內(nèi)外的研究人員圍繞著IES能源間協(xié)調(diào)優(yōu)化進行了大量的研究。文獻[7]提出了考慮電力用戶側(cè)參與的IES優(yōu)化調(diào)度模型，考慮了電力負(fù)荷具有時移特性將可控負(fù)荷參與到系統(tǒng)的優(yōu)化調(diào)度中來。文獻[8]提出了一種基于系統(tǒng)多能綜合互補利用的電熱綜合需求響應(yīng)，并以上級電網(wǎng)的調(diào)峰指令為優(yōu)化目標(biāo)得出系統(tǒng)優(yōu)化策略。文獻[9]考慮了不同的用戶負(fù)荷對電價響應(yīng)的差異性，為了能夠充分展現(xiàn)出不同負(fù)荷響應(yīng)能力，建立了多種不同負(fù)荷類型的協(xié)調(diào)控制模型。有一些文獻主要將綜合能源系統(tǒng)優(yōu)化的研究重點放在對熱力系統(tǒng)的研究上。文獻[10]和文獻[11]針對冷-熱-電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)與供熱管網(wǎng)間的關(guān)系以及熱能在管網(wǎng)的傳輸過程中具有一定的熱滯后及熱損失等特性，對供熱管網(wǎng)的熱傳輸特性進行建模進而得到最優(yōu)的調(diào)度策略。綜上所述，現(xiàn)有文獻對IES的研究主要在單個負(fù)荷的柔性調(diào)度價值上展開，而對于同時考慮電熱負(fù)荷的綜合需求響應(yīng)的研究還相對較少。因此，文章提出了一種考慮調(diào)度人員參與下的負(fù)荷跟蹤調(diào)度信號的電熱綜合需求響應(yīng)模型，構(gòu)建了考慮調(diào)度人員期望的電負(fù)荷調(diào)度模型，以人體對熱的感知具有模糊性建立了熱負(fù)荷需求響應(yīng)模型，通過對源-網(wǎng)-荷-儲的動態(tài)建模以及目標(biāo)函數(shù)的優(yōu)化實現(xiàn)IES經(jīng)濟運行[12-13]。

1 電熱多種負(fù)荷綜合需求響應(yīng)描述

1.1 電熱負(fù)荷需求響應(yīng)可調(diào)度性分析

傳統(tǒng)的需求側(cè)響應(yīng)只考慮了單能源網(wǎng)的經(jīng)濟性，用戶會考慮到自身的利益問題去調(diào)整用電安排進而參與到系統(tǒng)的調(diào)度中來[14]。隨著IES研究的不斷深入，傳統(tǒng)的響應(yīng)方式已經(jīng)不能滿足新形式下綜合能源系統(tǒng)的應(yīng)用。熱電耦合的不斷加強要求不僅要滿足用電供需平衡還要滿足用熱的供需平衡[15]。因此，文章的電力需求側(cè)響應(yīng)將會從IES的整體去研究。將部分具有可調(diào)度價值的電負(fù)荷定義為可時移負(fù)荷TSL(Time-shift Load)[16]，TSL在用電時間上具有較好的靈活性，能夠根據(jù)系統(tǒng)的經(jīng)濟優(yōu)化目標(biāo)進行負(fù)荷調(diào)整，使得各個時間段的用電量變化進而對供能端產(chǎn)生影響達到整個系統(tǒng)優(yōu)化的目的。

在IES中熱力負(fù)荷同電力負(fù)荷一樣也處于用能終端，因此熱力負(fù)荷同樣可挖掘其特有的調(diào)度價值。根據(jù)熱力用戶對溫度的感知具有一定模糊性對熱負(fù)荷進行優(yōu)化。在我國的設(shè)計規(guī)范中規(guī)定熱感覺平均標(biāo)度預(yù)測(PMV)指標(biāo)宜處于±1之間，即允許熱供應(yīng)側(cè)供應(yīng)的熱量在一定范圍內(nèi)波動。因此熱力負(fù)荷可以作為一種柔性負(fù)荷參與到整個系統(tǒng)的需求側(cè)響應(yīng)中[17]。

1.2 電負(fù)荷需求響應(yīng)建模

TSL的需求特性可以在時間軸上左右移動，D(t-τ2)和D(t+τ1)表示滯后τ2和超前τ1時間的需求特性。其群聚合特性可用如下公式表示：

(1)

式中NT為參與調(diào)度的種類，Di(t+τ1i,j)、Di(t-τ2i,k)為第i類TSL超前τ1i,j和滯后τ2i,k，mi,j、ni,k為第i類TSL超前τ1i,j和τ2i,k的數(shù)量，j和k的上限分別表示TSL在超前時間限制和滯后時間限制范圍內(nèi)時移的時間有無窮多種可能，其下限表示不轉(zhuǎn)移。由于文章考慮的是日前優(yōu)化調(diào)度，可令τ1i,j和τ2i,k為1 h，則最大超前以及滯后時間可以表示為：

(2)

引入期望信號將目標(biāo)函數(shù)定義為TSL聚合特性與期望信號的偏差最小，即：

(3)

式中X為調(diào)度后的偏差值大??；x(t)調(diào)度信號。模型的約束條件可以表示為：

(1)TSL可時移負(fù)荷的總量之和與參與用戶的總量相等，即：

(4)

式中Ni為第i類TSL參與的用戶量。

(2)超前、滯后時間約束：

(5)

式中STi、EDt為第i類負(fù)荷正常需求下起始工作時間和結(jié)束時間，通過約束保證TSL不能前至前一天開始工作, 并且在當(dāng)天結(jié)束工作。群時移電能守恒約束：

(6)

(7)

式中En、Ei為聚合特性的電量需求和為第i類TSL單位電量需求。

1.3 熱負(fù)荷需求響應(yīng)建模

用戶對供熱溫度的感知具有模糊性，因此可在某一范圍調(diào)整供熱量的大小，另一方面熱能在傳輸時具有熱慣性，基于此熱負(fù)荷可作為一種柔性負(fù)荷參與到需求側(cè)響應(yīng)中來。在熱傳導(dǎo)過程中水的比熱容為c，供熱設(shè)備在t時段提供的熱量為HHS(t)，則通過熱源質(zhì)量為QHS的水由回水溫度Th(t)上升到供水溫度Tg(t)，有：

HHS(t)=cQHS(Tg(t)-Th(t))

(8)

負(fù)荷節(jié)點在t時段內(nèi)消耗的熱量為HL(t)，則通過熱負(fù)荷質(zhì)量為QL的水由供水溫度Tg(t)下降到回水溫度Th(t)，有:

HL(t)=cQL(Tg(t)-Th(t))

(9)

考慮到要滿足用戶對溫度的舒適度，因此t時段負(fù)荷節(jié)點吸收的熱量HL(t)應(yīng)該在一定的范圍內(nèi)有:

(10)

同時要保證在T′時間段內(nèi)，熱負(fù)荷所消耗的總熱量的大小與用戶理想型的供熱需求總量大小一致，即:

(11)

T′=m×Δt

(12)

式中T′為調(diào)度周期內(nèi)最大連續(xù)參與調(diào)度時段數(shù)。供水溫度以及回水溫度的約束為：

(13)

(14)

2 電熱綜合需求響應(yīng)綜合能源系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度模型

2.1 綜合能源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成

文章研究的IES主要由風(fēng)機(WT)、光伏(PV)、燃?xì)廨啓C(MT)、電制熱鍋爐(EB)、燃?xì)忮仩t(BL)、儲能電池(EES)、儲熱罐(HS)及需求側(cè)電熱負(fù)荷組成。整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 區(qū)域型綜合能源系統(tǒng)圖

其中電力系統(tǒng)可以與大電網(wǎng)并網(wǎng)或孤島運行，并且與電網(wǎng)進行電價交易，燃?xì)廨啓C為熱電聯(lián)產(chǎn)機組(CHP)可以消耗天然氣同時產(chǎn)生電和熱，電制熱更加緊密地將電-氣-熱三者耦合起來，通過調(diào)整各個設(shè)備的出力使得整個系統(tǒng)運行在最優(yōu)狀態(tài)。

2.2 綜合能源系統(tǒng)各設(shè)備建模

(1)熱電聯(lián)產(chǎn)(CHP)模型。

熱電聯(lián)產(chǎn)機組消耗天然氣產(chǎn)生電、熱功率如下：

HMT,h(t)=PMT(t)·[1-ηMT,e-ηL]/ηMT,e

(15)

HMT(t)=HMT,h(t)·kh

(16)

式中HMT(t)、PMT(t)、HMT,h(t)分別為t時段CHP發(fā)出的熱功率、電功率和溴冷機的制熱量；ηMT,e、ηL、kh分別為發(fā)電效率、散熱損失率和制熱系數(shù)。

(2)燃?xì)忮仩t模型。

HBl(t)=ηBl·Qgas(t)·LHV

(17)

式中HBl(t)、Qgas(t)為t時刻輸出的熱功率和消耗的天然氣量；ηBl為鍋爐燃燒效率。

(3)制熱電鍋爐模型。

Heb(t)=Peb(t)·ηeb

(18)

(19)

(4)蓄電池模型。

(20)

(5)儲熱罐模型。

(21)

2.3 目標(biāo)函數(shù)

系統(tǒng)的日內(nèi)運行成本主要由三部分組成：購買能源、設(shè)備運行及調(diào)度響應(yīng)成本。第一部分為CHP機組及燃?xì)忮仩t燃燒天然氣的成本及向電網(wǎng)購電成本。第二部分為各設(shè)備出力的運行維護及啟停成本。第三部分為TSL跟蹤調(diào)度信號的響應(yīng)成本。綜合考慮電熱需求側(cè)響應(yīng)，合理安排各個設(shè)備單元的出力情況，使整個系統(tǒng)運行的總成本最小。

MinC1=Cgas+CMT+CXE+CMC+Cqt+CTSL

(22)

(23)

(24)

(25)

(26)

(27)

(28)

式中CMT(t)為t時燃?xì)獬杀荆籆CH4為天然氣氣價；Cgas(t)為調(diào)度周期內(nèi)消耗天然氣的成本；CXE、c_grid為購電成本和電價；CMC、c_mc為各設(shè)備的維護成本和維護系數(shù)；Cqt、Vn(t)為設(shè)備啟停成本和啟停狀態(tài)；CTSL、RTSL為TSL跟隨調(diào)度信號的響應(yīng)成本和響應(yīng)系數(shù)。

2.4 約束條件

(1)電力系統(tǒng)平衡約束。

(29)

式中Pload(t)為電負(fù)荷側(cè)引入期望調(diào)度信號x(t)后TSL優(yōu)化調(diào)整的需求。

(2)供熱網(wǎng)平衡約束。

(30)

式中Hload(t)為熱負(fù)荷參與需求響應(yīng)優(yōu)化調(diào)整后的熱用戶需求。

(3)可控機組爬坡約束。

-rdlΔt≤PMT(t)-PMT(t-1)≤rulΔt

(31)

式中-rdl、rul為可控CHP機組在t時段內(nèi)加載和減載的速率限值。

(4)與大電網(wǎng)交互功率約束。

32)

(5)儲能電池約束。

(33)

(6)儲熱罐約束。

(34)

3 算例分析

3.1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

算例選取我國北方冬季某一區(qū)域的IES進行分析，模型中引入決策變量后成為混合整數(shù)二次規(guī)劃問題，在yalmip工具箱下編程并使用cplex求解器在Matlab環(huán)境下求解。區(qū)域電熱負(fù)荷的原始需求特性以及風(fēng)光等可再生能源的預(yù)測出力如圖2所示。圖3中選取6類可時移負(fù)荷組成TSL群。峰時、平時及谷時電價為0.83、0.49、0.25。系統(tǒng)設(shè)備運行參數(shù)如表1所示。電儲能以及熱儲能參數(shù)如表2所示。

表1 區(qū)域綜合能源系統(tǒng)相關(guān)運行參數(shù)

表2 電/熱儲能參數(shù)

圖2 原始需求特性以及風(fēng)光預(yù)測出力

圖3 各類TSL原始需求特性

3.2 算例分析

為驗證文章所提出考慮調(diào)度人員期望曲線的電熱綜合需求響應(yīng)的可行性，對兩種不同場景下的電熱響應(yīng)進行對比分析。如圖4～圖7所示，場景1下僅慮電熱綜合能源替代的響應(yīng)，未考慮電熱負(fù)荷的可調(diào)度價值；場景2下同時考慮電熱綜合能源替代響應(yīng)以及TSL跟蹤調(diào)度信號的電熱綜合需求響應(yīng)。

圖4 場景一下電負(fù)荷平衡各機組出力曲線

圖5 場景一下熱負(fù)荷平衡各機組出力曲線

圖6 場景二下電負(fù)荷平衡各機組出力曲線

圖7 場景二下熱負(fù)荷平衡各機組出力曲線

從圖4～圖7中可以看出，情景一下的多能互補替代響應(yīng)下系統(tǒng)可以實現(xiàn)電熱能源的互補利用，在電價較高時增加熱電聯(lián)產(chǎn)的出力，在電價低谷時從電網(wǎng)購電。系統(tǒng)可以控制各分布式單元的出力及啟停狀態(tài)以保證運行在最經(jīng)濟的狀態(tài)下。此時電儲能將會在谷時電價進行充電，在平時電價時補充充電1次，在峰時電價下電儲能進行放電。電制熱在電價低谷時段增加用電量以減少燃?xì)忮仩t消耗天然氣使成本變低。相比較于情景二中的綜合需求響應(yīng)來講，情景二中將谷時用電量從432.74 kW提高到了470.28 kW，將峰時用電量從904.48 kW降低到了829.82 kW可以更好地實現(xiàn)用戶側(cè)的削峰填谷。通過負(fù)荷對調(diào)度信號的跟隨使可控柔性負(fù)荷得到充分的利用。在場景一下CHP機組出力波動性較大，此時受到以熱定電運行方式的影響使機組靈活性下降。場景二下機組在中午光伏出力較大時,有一次的波動時其余時段運行較平穩(wěn)出力波動更小。此時電儲能會消納部分新能源且放電時刻也會較場景一提前。電制熱不僅在低電價持續(xù)供熱且在平時由于負(fù)荷變動也會增加出力，使熱電系統(tǒng)的耦合性加強以及各個機組的配合更加靈活。從圖8中可以看到兩個場景夜間風(fēng)光等可再生能源的消納較高，夜間的供熱也正處于高峰時刻，在此時CHP機組以及電制熱將會受到以熱定電的影響加大出力，實現(xiàn)新能源消納。場景一下的棄風(fēng)率及棄光率為38.14%和30.02%。在場景二下由于電負(fù)荷跟蹤調(diào)度信號使負(fù)荷發(fā)生轉(zhuǎn)移，使得在谷時及平時電價下負(fù)荷增大進而將棄風(fēng)率及棄光率減小到16.41%和23.53%。

圖8 不同場景下風(fēng)光消納曲線

圖9、圖10為場景二下電負(fù)荷跟蹤調(diào)度信號以及熱負(fù)荷柔性參與調(diào)度響應(yīng)數(shù)量的曲線，可以看出電負(fù)荷在跟蹤調(diào)度信號的同時可以降低負(fù)荷的峰谷差，在用電量較少且熱量需求較高的夜晚將峰時電價下的負(fù)荷轉(zhuǎn)移到谷時及平時段。熱負(fù)荷響應(yīng)為在T’=3的情況下綜合考慮電熱耦合以及保證供熱量需求的情況下達到系統(tǒng)經(jīng)濟成本最優(yōu)。

圖9 場景二下電負(fù)荷跟隨調(diào)度信號變化情況

圖10 場景二下柔性熱負(fù)荷調(diào)度情況

4 結(jié)束語

文章建立了考慮調(diào)度人員期望信號參與的電負(fù)荷調(diào)度模型，以及針對人體對溫度的感知具有模糊性的熱負(fù)荷調(diào)度模型。通過對兩種不同情境下的優(yōu)化調(diào)度結(jié)果進行對比分析，得出當(dāng)僅考慮電熱替代響應(yīng)時系統(tǒng)能夠在一定范圍內(nèi)進行削峰填谷，但運行成本偏高且風(fēng)光可再生能源利用率偏低。當(dāng)考慮調(diào)度人員期望信號的綜合需求響應(yīng)時可以在更大程度上降低綜合能源系統(tǒng)的運行成本，提高風(fēng)光等可再生能源的利用率，通過對系統(tǒng)各機組出力、電熱儲能、能量轉(zhuǎn)換設(shè)備及電熱負(fù)荷的優(yōu)化調(diào)整，使得各單元之間相互協(xié)調(diào)與配合保證供需平衡達到源-網(wǎng)-荷-儲互動的效果。