基于舒適度的需求響應(yīng)與碳交易的園區(qū)綜合能源經(jīng)濟(jì)調(diào)度

王仕炬，劉天琪，何川，南璐，呂祥梅

(四川大學(xué) 電氣工程學(xué)院，成都 610065)

0 引 言

在電氣化、低碳化和碳中和[1]背景下，高比例新能源的消納和減排目標(biāo)的達(dá)成迫在眉睫。傳統(tǒng)熱、電分立調(diào)度制約了高比例新能源的消納。文獻(xiàn)[2]通過CHP機(jī)組和P2G設(shè)備，實(shí)現(xiàn)了電-氣間的相互轉(zhuǎn)換，電轉(zhuǎn)熱+儲(chǔ)熱打破了CHP機(jī)組電熱耦合關(guān)系，可靈活匹配新能源出力。文獻(xiàn)[3-5]引入儲(chǔ)能設(shè)備,將多余的風(fēng)能轉(zhuǎn)化為熱或氣儲(chǔ)存，提升了風(fēng)電消納能力。文獻(xiàn)[6]提出電、氣多能互補(bǔ)及電熱聯(lián)供的調(diào)度模型，并驗(yàn)證了該模型能提高新能源消納，降低運(yùn)行成本。文獻(xiàn)[7-8]利用電力需求響應(yīng)在分時(shí)電價(jià)的峰谷電價(jià)差中獲得收益，降低運(yùn)行成本。電力需求響應(yīng)實(shí)現(xiàn)了源、荷互動(dòng)，從源、荷兩側(cè)聯(lián)合協(xié)調(diào)供求關(guān)系，能有效地提升新能源的消納滲透率，從而降低園區(qū)調(diào)度運(yùn)行成本[9]。文獻(xiàn)[10]構(gòu)建了包含儲(chǔ)能和可控負(fù)荷在內(nèi)的微電網(wǎng)模型，綜合考慮參與需求響應(yīng)負(fù)荷和新能源消納率兩個(gè)指標(biāo)，以運(yùn)行成本最小為目標(biāo)的微電網(wǎng)源荷兩側(cè)聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度，仿真結(jié)果驗(yàn)證了該模型能降低運(yùn)行成本，提高對(duì)新能源的消納率。文獻(xiàn)[11]提出了風(fēng)電與蓄熱電采暖的聯(lián)合運(yùn)行模式，提高風(fēng)電消納能力的同時(shí)減少了碳排放。文獻(xiàn)[12]將空調(diào)和建筑物作為一種虛擬儲(chǔ)能裝置參與到需求響應(yīng)中，受此啟發(fā)文中將熱舒適度和室內(nèi)溫度作為虛擬儲(chǔ)熱裝置參與到聯(lián)合熱、電需求響應(yīng)中，打破CHP機(jī)組熱電耦合關(guān)系，使其靈活匹配新能源出力。文獻(xiàn)[13]建立了用戶熱舒適度模型并提出考慮用戶舒適度的熱負(fù)荷需求建模方法。文獻(xiàn)[14]考慮用戶舒適度及用電成本滿意度的多目標(biāo)模型并用遺傳算法進(jìn)行求解。文獻(xiàn)[15]將一定區(qū)域內(nèi)的熱電、風(fēng)電、光伏組成虛擬電廠，并加入風(fēng)電供熱，實(shí)現(xiàn)熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組解耦。

在碳中和背景下，文獻(xiàn)[16]基于儲(chǔ)能、電制熱等設(shè)備構(gòu)建了含風(fēng)電系統(tǒng)考慮碳交易成本的熱、電聯(lián)合調(diào)度模型。仿真驗(yàn)證表明，該模型能提高新能源消納能力，減少碳排放。為減少發(fā)電過程中的碳排放，提高風(fēng)電消納，提出了綜合考慮儲(chǔ)能及碳交易成本的電、熱聯(lián)合系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度策略[17-18]。

基于上述分析，以前相關(guān)研究已很多，但也存在一些不足：需求響應(yīng)大多為單一電或氣負(fù)荷需求響應(yīng)，且大多未考慮用戶舒適度或僅考慮單一電或熱舒適度，未能滿足用戶在電、熱兩種舒適度下充分利用聯(lián)合熱電需求響應(yīng)，發(fā)揮多能互補(bǔ)的潛力，影響用戶參與響應(yīng)積極性；在碳交易中未充分利用電轉(zhuǎn)氣設(shè)備在合成天然氣過程中吸收二氧化碳減少碳排放的經(jīng)濟(jì)效益。

文中在熱電聯(lián)供，電、氣互補(bǔ)可相互轉(zhuǎn)化的多能源園區(qū)中，提出考慮熱、電舒適度的聯(lián)合熱電需求響應(yīng)。在園區(qū)負(fù)荷高峰時(shí)，舒適度范圍內(nèi)降低熱/電負(fù)荷，減少電/熱負(fù)荷需求。如在用電高峰時(shí)段，在舒適度范圍內(nèi)削減部分熱負(fù)荷以降低電鍋爐用電量，緩解用電緊缺；同時(shí)，考慮碳交易成本，提出利用電轉(zhuǎn)氣設(shè)備合成天然氣過程中具有捕捉固定碳，減少碳排放的生態(tài)效益。提出了考慮舒適度的聯(lián)合熱電需求響應(yīng)和碳交易成本的多能源園區(qū)經(jīng)濟(jì)調(diào)度模型，在滿足用戶舒適度前提下充分發(fā)揮聯(lián)合熱電需求響應(yīng)潛力。通過算例驗(yàn)證了該模型能有效提高新能源消納率，降低園區(qū)運(yùn)行成本，實(shí)現(xiàn)園區(qū)和用戶共贏。

1 園區(qū)綜合能源構(gòu)成

綜合能源系統(tǒng)構(gòu)成如圖1所示。系統(tǒng)由風(fēng)電、光伏、熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組CHP、燃汽輪機(jī)GT、電轉(zhuǎn)氣P2G、電鍋爐EB、氣儲(chǔ)能GS、熱儲(chǔ)能HS、電負(fù)荷以及熱負(fù)荷構(gòu)成。如圖1實(shí)線部分：風(fēng)電、光伏、熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組和上級(jí)電網(wǎng)共同為系統(tǒng)供給電力；虛線部分：電鍋爐、熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組、和儲(chǔ)熱設(shè)備則供給系統(tǒng)的熱負(fù)荷；系統(tǒng)可向外界電網(wǎng)、氣網(wǎng)購、售電或氣；在用戶舒適度范圍內(nèi)電、熱負(fù)荷需求響應(yīng)靈活參與系統(tǒng)調(diào)度。

圖1 園區(qū)綜合能源系統(tǒng)

2 園區(qū)綜合能源調(diào)度模型

2.1 用戶舒適度模型

2.1.1 用電舒適度

用戶不參與需求響應(yīng)時(shí)，按需用電，此時(shí)未改變用電計(jì)劃，用電舒適度最高。在參加電力需求響應(yīng)后，改變了電負(fù)荷。定義電負(fù)荷改變程度r為用電舒適度[19]。具體為：

(1)

2.1.2 熱舒適度

人體不易察覺到一定范圍內(nèi)的溫度變化，在此范圍內(nèi)調(diào)整熱負(fù)荷改變溫度，并不影響熱舒適度，故將室內(nèi)熱負(fù)荷曲線轉(zhuǎn)化為熱負(fù)荷區(qū)間，使熱負(fù)荷成為一種柔性可調(diào)負(fù)荷參與熱需求響應(yīng)，提升系統(tǒng)調(diào)度靈活性。文中采用PMV指標(biāo)[19]表征用戶對(duì)環(huán)境溫度的感覺，PMV值與用戶的感覺關(guān)系如表1所示。

表1 PMV與舒適度關(guān)系

文獻(xiàn)[19]給出了其他因數(shù)處于舒適度時(shí)，不同溫度下的PMV取值，得到了PMV值(記為λPMV)與溫度T的關(guān)系為：

(2)

由式(2)可知，溫度在26 ℃附近時(shí)用戶舒適度最高。據(jù)ISO7733推薦PMV取值在-0.5～0.5之間最佳，由式(2)得出相應(yīng)的溫度在24.8 ℃～27.3 ℃之間。由文獻(xiàn)[20]得到熱負(fù)荷與溫度的關(guān)系為：

(3)

(4)

式中S為供熱面積，m2；μ為單位供熱面積單位溫差下室內(nèi)熱量損失，取1.037×104J/(m2·℃)；C為單位供熱面積下的熱容，取1.63×105J/(m2·℃)；Tin,t、Tout,t分別為t時(shí)段室內(nèi)和室外溫度，室內(nèi)溫度范圍24.8 ℃～27.3 ℃，室外溫度由冬季典型日室外溫度曲線[20]確定。Tmin、Tmax分別為熱舒適度下允許的室內(nèi)最低、最高溫度。

2.2 碳交易成本模型

碳交易成本就是將碳排放權(quán)作為商品自由交易，分兩種模式。我國目前采用碳排放強(qiáng)度原則。監(jiān)管機(jī)構(gòu)對(duì)同類機(jī)組分地區(qū)在歷史同期數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上進(jìn)行削減形成基準(zhǔn)值，排放超過基準(zhǔn)值的要購買配額獲得排放權(quán)，否則不能排放，低于基準(zhǔn)值的可將盈余配額賣出獲得收益，包括燃?xì)廨啓C(jī)碳交易成本、熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組碳交易成本、電轉(zhuǎn)氣設(shè)備吸收CO2減少碳排放獲得收益、系統(tǒng)碳交易總成本，分別如式(5)～式(8)所示。由文獻(xiàn)[21]得碳交易模型：

(5)

(6)

(7)

(8)

2.3 目標(biāo)函數(shù)

以系統(tǒng)運(yùn)行總成本最低為目標(biāo)(見式(9))，包括購售電成本(見式(10)、式(11))、購售氣成本(見式(12)、式(13))、棄風(fēng)、棄光懲罰成本(見式(14)、式(15))、失電負(fù)荷、失熱負(fù)荷、需求響應(yīng)中斷電負(fù)荷補(bǔ)償成本(見式(16)～式(18))。文中參考文獻(xiàn)[22]，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行建模，為簡化模型，機(jī)組啟停成本、失負(fù)荷懲罰忽略不計(jì)。

(9)

(10)

(11)

(12)

(13)

(14)

(15)

(16)

(17)

(18)

2.4 約束條件

2.4.1 能量平衡約束

系統(tǒng)運(yùn)營中需滿足電力、熱量及天然氣平衡約束。

(1)電力平衡約束。

(19)

(2)天然氣平衡約束。

(20)

(3)熱量平衡約束。

(21)

2.4.2 能量轉(zhuǎn)換約束

(1)P2G設(shè)備約束。

(22)

(23)

(2)電鍋爐約束。

電鍋爐產(chǎn)生的熱量與消耗熱量之間的關(guān)系為

(24)

(3)燃汽輪機(jī)約束。

燃?xì)廨啓C(jī)燃?xì)馀c發(fā)電功率之間的關(guān)系為：

(25)

(26)

(4)熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組約束。

熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組由小型燃?xì)廨啓C(jī)和溴冷機(jī)構(gòu)成。不考慮其他外界因數(shù)影響下其熱電關(guān)系模型為：

(27)

2.4.3 系統(tǒng)與上級(jí)網(wǎng)絡(luò)功率交換約束

與上級(jí)電網(wǎng)功率交換約束，即：

(28)

(29)

與上級(jí)氣網(wǎng)功率交換約束，即：

(30)

(31)

式中Pb,min、Pb,max分別為最小、最大購電功率，kW；Ps,min、Ps,max分別為最小、最大售電功率，kW。系統(tǒng)購、售氣約束與電類似，不再贅述。

2.4.4 需求響應(yīng)約束

文中參與需求響應(yīng)的負(fù)荷有電負(fù)荷和熱負(fù)荷兩類，其約束分別為：

(1)電力需求響應(yīng)約束。

(32)

(33)

(34)

(35)

(36)

(2)熱需求響應(yīng)約束。

(37)

(38)

2.5 模型求解

文中所建模型為混合整數(shù)線性規(guī)劃問題，可在MATLAB運(yùn)行環(huán)境下調(diào)用YALMIP工具箱中的Gurobi求解器對(duì)模型進(jìn)行求解。

3 算例仿真分析

3.1 仿真基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

約定熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組和燃?xì)廨啓C(jī)初始為停運(yùn)狀態(tài)，電鍋爐初始工作在50%額定功率，初始儲(chǔ)氣、儲(chǔ)熱量分別為10 m3、100 kW·h?？傉{(diào)度時(shí)段數(shù)為24，單位調(diào)度時(shí)間為1 h，單位調(diào)度時(shí)間內(nèi)各設(shè)備功率恒定，外界、室內(nèi)溫度不變。約定棄風(fēng)、光懲罰成本為1元/(kW·h)。

3.2 算例1

為驗(yàn)證模型有效性設(shè)置方式1～方式5。方式1～方式4逐漸增加考慮因素，如表2所示。

表2 5種運(yùn)行方式

方式5在方式4基礎(chǔ)上將碳交易價(jià)格升高為原來的4倍，即112元·t-1。方式1～方式5園區(qū)總運(yùn)行成本如表3所示。

表3 5種方式下運(yùn)行成本

分析表3知，與方式1相比，方式2引入滿足熱舒適度下的熱負(fù)荷需求響應(yīng)，在熱舒適度下，將柔性熱負(fù)荷與新能源出力及分時(shí)電價(jià)匹配，利用電、熱負(fù)荷互補(bǔ)，充分發(fā)揮熱負(fù)荷需求響應(yīng)作用，降低購電成本、增加售電收益，從而降低園區(qū)總運(yùn)行成本。方式3同時(shí)考慮熱、電舒適度下的熱電聯(lián)合需求響應(yīng)，可響應(yīng)負(fù)荷在滿足用戶舒適度前提下，匹配分時(shí)電價(jià)和新能源出力。通過多能互補(bǔ)更充分發(fā)揮聯(lián)合熱電需求響應(yīng)潛力，在方式2基礎(chǔ)上進(jìn)一步降低了園區(qū)10.6%的運(yùn)行成本。

方式4考慮碳交易成本，電轉(zhuǎn)氣設(shè)備將二氧化碳吸收，減少了碳排放并通過碳交易獲利，考慮碳交易后電轉(zhuǎn)氣設(shè)備運(yùn)行更具經(jīng)濟(jì)實(shí)用性，園區(qū)綜合能源系統(tǒng)更多地將新能源轉(zhuǎn)化為天然氣，園區(qū)運(yùn)行成本進(jìn)一步下降。隨著碳中和的推進(jìn)，配額價(jià)格上漲，方式5電轉(zhuǎn)氣及園區(qū)運(yùn)行成本會(huì)持續(xù)降低，從而達(dá)到園區(qū)經(jīng)濟(jì)最優(yōu)調(diào)度。

3.3 算例2

綜合能源系統(tǒng)打破了熱、電分離調(diào)度，充分發(fā)揮了多能互補(bǔ)消納新能源的優(yōu)勢。方式1～方式5均未出現(xiàn)棄風(fēng)、光現(xiàn)象。為驗(yàn)證系統(tǒng)提高新能源消納能力，設(shè)置運(yùn)行方式6～方式10。在方式1基礎(chǔ)上將風(fēng)、光出力增大到3.25倍得到方式6，在方式6基礎(chǔ)上方式7～方式10運(yùn)行情況分別對(duì)應(yīng)方式2～方式5。其棄風(fēng)、光情況如表4所示。

表4 方式6～方式10棄風(fēng)、棄光情況

風(fēng)、光出力增大3.25倍后遠(yuǎn)高于系統(tǒng)消耗、轉(zhuǎn)化、儲(chǔ)存能量之和，如方式6系統(tǒng)出現(xiàn)大量棄風(fēng)、光現(xiàn)象。方式7引入考慮熱舒適度的熱需求響應(yīng)后棄風(fēng)、光量減少115.7 kW·h，提高新能源消納率近58%。方式8引入考慮熱電舒適度的聯(lián)合熱電需求響應(yīng)后，進(jìn)一步降低棄風(fēng)、光量，與不考慮需求響應(yīng)的方式6對(duì)比，提高新能源消納率超62%。含P2G、電轉(zhuǎn)熱設(shè)備可實(shí)現(xiàn)能源間相互轉(zhuǎn)換，利用園區(qū)多能互補(bǔ)在新能源出力較大時(shí)，分別將電能轉(zhuǎn)化為天然氣和熱能，提高了對(duì)新能源的消納。方式9在考慮舒適度下的聯(lián)合熱電需求響應(yīng)基礎(chǔ)上引入碳交易成本，系統(tǒng)進(jìn)一步降低了棄風(fēng)、棄光量，提高了新能源消納率。隨著碳交易價(jià)格上漲，方式10提高新能源消納率的能力增強(qiáng)。

考慮熱舒適度的熱需求響應(yīng)前后室溫變化如圖2所示。

圖2 考慮熱舒適度前后系統(tǒng)優(yōu)化結(jié)果對(duì)比

未考慮熱舒適度的熱需求響應(yīng)時(shí)，室內(nèi)溫度為一固定值26 ℃。故熱負(fù)荷為一固定曲線，系統(tǒng)調(diào)峰能力較低。一旦新能源預(yù)測和實(shí)際出力出現(xiàn)偏差便會(huì)導(dǎo)致棄風(fēng)、棄光現(xiàn)象。在考慮熱舒適度的熱需求響應(yīng)后，室內(nèi)溫度在舒適度范圍內(nèi)波動(dòng)，熱負(fù)荷變?yōu)榭伸`活匹配新能源出力的區(qū)間，增大了系統(tǒng)調(diào)峰能力，可提高新能源的消納，降低運(yùn)行成本。如，1時(shí)～5時(shí)、12時(shí)～13時(shí)，新能源出力較大時(shí)，在熱舒適度范圍內(nèi)升高室內(nèi)溫度，增大熱負(fù)荷提高新能源消納率。7時(shí)～8時(shí)，新能源出力快速下降的同時(shí)電價(jià)上升(谷段轉(zhuǎn)平段)，電鍋爐制熱功率快速下降從而減少電鍋爐用電量以降低運(yùn)行成本。為降低電價(jià)最高的峰時(shí)段用電量實(shí)現(xiàn)錯(cuò)峰用電，降低園區(qū)運(yùn)行成本，系統(tǒng)在8時(shí)～10時(shí)、15時(shí)～18時(shí)，利用相對(duì)較低的平、谷時(shí)段電價(jià)增大電鍋爐制熱功率，在峰時(shí)段(10時(shí)～15時(shí)，18時(shí)～21時(shí))高電價(jià)到來前，舒適度范圍內(nèi)提前拉升室內(nèi)溫度，以降低峰時(shí)段制熱用電量?？焖俳档碗婂仩t功率以減少高峰時(shí)段購電量，降低園區(qū)運(yùn)行成本。在10時(shí)～12時(shí)、13時(shí)～15時(shí)、18時(shí)～20時(shí)，在舒適度范圍內(nèi)降低室內(nèi)溫度，減小電鍋爐在用電高峰期制熱用電量，降低園區(qū)運(yùn)行成本。

在方式3基礎(chǔ)上將風(fēng)、光出力增大4倍，對(duì)比不同熱、電舒適度下園區(qū)多能源系統(tǒng)運(yùn)行情況。其結(jié)果如表5所示。

表5 不同舒適度對(duì)園區(qū)多能源系統(tǒng)的影響

此運(yùn)行方式下，風(fēng)、光出力遠(yuǎn)大于系統(tǒng)消耗、轉(zhuǎn)化、儲(chǔ)存能量之和，園區(qū)可售出較多電量和天然氣。園區(qū)總調(diào)度運(yùn)行成本為負(fù)數(shù)(獲得收益)。當(dāng)用電舒適度不變時(shí)，PMV值越大(溫度舒適度越低)園區(qū)收益越大，棄風(fēng)、光量越少。當(dāng)熱舒適度不變時(shí)，用電舒適度越低(r值越小)，園區(qū)收益越大，新能源消納能力越強(qiáng)。

4 結(jié)束語

文中在分析熱、電聯(lián)合調(diào)度基礎(chǔ)上，提出考慮用戶舒適度的聯(lián)合熱電需求響應(yīng)和碳交易的園區(qū)綜合能源經(jīng)濟(jì)調(diào)度方法。在熱電耦合、電氣可相互轉(zhuǎn)化的園區(qū)基礎(chǔ)上引入用戶舒適度，實(shí)現(xiàn)了在不影響用戶舒適度下充分發(fā)揮聯(lián)合熱、電需求響應(yīng)作用，實(shí)現(xiàn)多能互補(bǔ)、錯(cuò)峰用能。同時(shí)，使柔性負(fù)荷靈活匹配分時(shí)電價(jià)和新能源出力，在不同時(shí)段削減或升高電、熱負(fù)荷，提高了新能源的消納，降低了園區(qū)運(yùn)行成本。

分析了不同舒適度對(duì)園區(qū)經(jīng)濟(jì)調(diào)度的影響?？紤]了用戶舒適度，使用戶積極主動(dòng)參與需求響應(yīng)，實(shí)現(xiàn)了用戶與園區(qū)共贏。考慮碳交易成本，挖掘了電轉(zhuǎn)氣設(shè)備的減排效益，進(jìn)一步降低了園區(qū)運(yùn)行成本，提高了P2G設(shè)備的經(jīng)濟(jì)實(shí)用性。