計(jì)及電-氣-熱-氫需求響應(yīng)的綜合能源系統(tǒng)多時(shí)間尺度低碳運(yùn)行優(yōu)化策略

李天格，胡志堅(jiān)，陳 志，劉盛輝

（武漢大學(xué)電氣與自動(dòng)化學(xué)院，湖北武漢 430072）

0 引言

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，傳統(tǒng)用能需求快速擴(kuò)張的同時(shí)也涌現(xiàn)出一些新興的用能需求，為實(shí)現(xiàn)人類(lèi)可持續(xù)發(fā)展與環(huán)境保護(hù)目標(biāo)，各國(guó)紛紛加快能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型進(jìn)程，制定能源低碳發(fā)展戰(zhàn)略［1-3］。對(duì)此，我國(guó)提出“雙碳”目標(biāo)，為能源電力系統(tǒng)的橫向多能互補(bǔ)與縱向“源-網(wǎng)-荷-儲(chǔ)”協(xié)調(diào)發(fā)展轉(zhuǎn)型提供條件。綜合能源系統(tǒng)（integrated energy system，IES）打破了電、氣、熱等多種傳統(tǒng)獨(dú)立運(yùn)營(yíng)的能源體系壁壘，根據(jù)能源互補(bǔ)特性與能量梯級(jí)利用的原則，將多能體系耦合進(jìn)行統(tǒng)一規(guī)劃與協(xié)調(diào)運(yùn)營(yíng)，提升綜合網(wǎng)絡(luò)的能源利用效率與系統(tǒng)可靠性［4-7］。隨著能源供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革的持續(xù)推進(jìn)，能源供給結(jié)構(gòu)不斷優(yōu)化，對(duì)IES的研究與應(yīng)用將更為深入與廣泛。

現(xiàn)有研究對(duì)IES 內(nèi)的電、氣、熱／冷負(fù)荷的綜合需求響應(yīng)已取得一定成果［8-10］。文獻(xiàn)［8］給出區(qū)域IES 的完全解耦、部分解耦與完全耦合3 種運(yùn)行模式并提出適用的混合潮流算法；文獻(xiàn)［9］通過(guò)建立含有電、氣、熱3種儲(chǔ)能的IES的運(yùn)行方式，以成本費(fèi)用最小為目標(biāo)建立優(yōu)化模型，提高清潔能源消納率；文獻(xiàn)［10］計(jì)及電、氣、熱負(fù)荷柔性特征和可調(diào)度價(jià)值，建立負(fù)荷需求響應(yīng)模型，提高了IES 內(nèi)能源利用效率。以上文獻(xiàn)大多考慮電、氣、熱／冷這類(lèi)傳統(tǒng)形式的負(fù)荷及其需求響應(yīng)，較少考慮極具應(yīng)用潛力的氫能的情形。在實(shí)現(xiàn)碳減排目標(biāo)方面，諸多文獻(xiàn)在所建立的IES 模型的經(jīng)濟(jì)目標(biāo)中引入碳排放懲罰費(fèi)用，并取得了較好的碳減排效果［11-14］。文獻(xiàn)［12］考慮用能行為的碳排放量并收取碳排放費(fèi)用，分析碳排放價(jià)格對(duì)碳減排效益的影響；文獻(xiàn)［13］在碳排放權(quán)交易與綠色證書(shū)交易機(jī)制的基礎(chǔ)上，建立碳-綠色證書(shū)聯(lián)合交易市場(chǎng)框架，并引入IES 運(yùn)行優(yōu)化模型中；文獻(xiàn)［14］利用能源-碳綜合價(jià)格來(lái)協(xié)調(diào)碳排放的傳遞與分配水平，通過(guò)雙層模型迭代響應(yīng)綜合價(jià)格的變化從而達(dá)到碳定價(jià)與碳減排的作用。上述研究中所得碳排放價(jià)格或?yàn)閱我粯?biāo)價(jià)或?yàn)楦?jìng)爭(zhēng)均衡價(jià)，前者模型對(duì)不同碳排放水平的用戶(hù)沒(méi)有起到區(qū)別作用，后者模型在實(shí)際應(yīng)用中不適用于不具規(guī)模的市場(chǎng)參與者參與競(jìng)爭(zhēng)，且較為復(fù)雜。

多時(shí)間尺度優(yōu)化調(diào)度方法最初應(yīng)用于電力系統(tǒng)，近年來(lái)也逐步推廣至IES的優(yōu)化調(diào)度問(wèn)題中［15-17］。文獻(xiàn)［15］對(duì)考慮碳捕集電廠(chǎng)參與調(diào)度的問(wèn)題建立了三階段多時(shí)間尺度調(diào)度方法；文獻(xiàn)［16］以虛擬電廠(chǎng)（virtual power plant，VPP）集群為研究對(duì)象，提出日前-日內(nèi)兩階段優(yōu)化模型指導(dǎo)VPP 集群參與市場(chǎng)交易與管控能流；文獻(xiàn)［17］基于IES 內(nèi)多能靈活性差異，提出了多時(shí)間尺度優(yōu)化調(diào)度策略，通過(guò)協(xié)調(diào)設(shè)備出力來(lái)提升系統(tǒng)靈活性與穩(wěn)定性，但是未充分考慮低碳目標(biāo)與需求響應(yīng)。

綜上所述，現(xiàn)有研究較少同時(shí)考慮多時(shí)間尺度調(diào)節(jié)、低碳目標(biāo)與需求響應(yīng)，或未涉及氫能利用場(chǎng)景，或在所建立低碳目標(biāo)上過(guò)于單一或不適用于非規(guī)模競(jìng)爭(zhēng)性主體?；诖?，本文提出一種考慮電-氣-熱-氫需求響應(yīng)與階梯式碳排放費(fèi)用機(jī)制的多時(shí)間尺度優(yōu)化運(yùn)行策略。綜合考慮階梯式碳排放費(fèi)用機(jī)制，引入氫負(fù)荷需求，優(yōu)化耦合設(shè)備的工作特性，建立日前-日內(nèi)滾動(dòng)-實(shí)時(shí)三階段的多時(shí)間尺度優(yōu)化模型。以IES 整體運(yùn)行成本、碳排放費(fèi)用成本、棄風(fēng)棄光成本最小為經(jīng)濟(jì)目標(biāo)，并且將原問(wèn)題轉(zhuǎn)化為混合整數(shù)線(xiàn)性問(wèn)題，調(diào)用Gurobi求解器求解，通過(guò)對(duì)比分析各類(lèi)情形下的優(yōu)化結(jié)果，驗(yàn)證所提策略的可行性。

1 計(jì)及電-氣-熱-氫需求的IES 低碳經(jīng)濟(jì)優(yōu)化框架

本節(jié)基于文獻(xiàn)［18］相關(guān)內(nèi)容建立IES 低碳經(jīng)濟(jì)優(yōu)化框架，并對(duì)耦合裝置組成進(jìn)行修改，在此僅對(duì)框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行描述，IES內(nèi)各元件相關(guān)模型及變量說(shuō)明見(jiàn)附錄A。

1.1 可調(diào)熱電比與天然氣-氫氣混合燃燒特性

本文針對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)（gas turbine，GT）與燃?xì)忮仩t（gas boiler，GB）的能量轉(zhuǎn)化過(guò)程進(jìn)行改進(jìn)。區(qū)別于傳統(tǒng)建模中GT、GB 只能燃燒天然氣的特點(diǎn)，本文所提出的模型允許兩者利用一定比例下的天然氣-氫氣混合氣體作為輸入；且針對(duì)傳統(tǒng)模型中GT產(chǎn)出熱電比固定不變的特點(diǎn)，本文所提出的模型允許其根據(jù)不同時(shí)刻的電價(jià)與天然氣價(jià)，對(duì)其工作過(guò)程中的發(fā)熱與發(fā)電功率比例進(jìn)行調(diào)節(jié)。

1.2 電轉(zhuǎn)氣環(huán)節(jié)解耦運(yùn)行過(guò)程與耦合設(shè)備建模

氫能具有高熱值、零排放、氫元素量多易得等特點(diǎn)，在未來(lái)清潔用能大背景下具有廣闊應(yīng)用與發(fā)展空間。電轉(zhuǎn)氣主要過(guò)程如圖1 所示，涉及電解槽（electrolyzer，EL）、甲烷反應(yīng)器（methane reactor，MR）等設(shè)備，通過(guò)解耦傳統(tǒng)的電轉(zhuǎn)氣過(guò)程，擴(kuò)大氫能利用場(chǎng)景。相關(guān)耦合設(shè)備運(yùn)行模型見(jiàn)附錄A。

圖1 電轉(zhuǎn)氣環(huán)節(jié)解耦運(yùn)行過(guò)程Fig.1 Decoupling operation process of power to gas link

1.3 階梯式碳排放費(fèi)用及固碳收益模型

為體現(xiàn)IES 低碳運(yùn)營(yíng)理念，促進(jìn)節(jié)能減排，本文采用一種階梯式碳排放費(fèi)用與固碳收益相結(jié)合的經(jīng)濟(jì)性模型。IES 中有關(guān)碳排放來(lái)源主要體現(xiàn)在如下兩方面：一是上級(jí)購(gòu)電與購(gòu)氣，二是耦合單元中的碳排放。由電能二次能源性質(zhì)所決定，電能的使用雖不產(chǎn)生直接碳排放，但通過(guò)引入“虛擬碳排放”的概念，便可衡量電能消費(fèi)行為中的碳排放量，對(duì)之合理收取費(fèi)用。同時(shí)，針對(duì)MR 的固碳效益，可對(duì)其進(jìn)行補(bǔ)貼作為經(jīng)濟(jì)收益計(jì)入IES經(jīng)濟(jì)成本模型中。

1.3.1 階梯式碳排放費(fèi)用計(jì)量模型

相較于傳統(tǒng)的單一碳排放費(fèi)用機(jī)制，為進(jìn)一步限制碳排放量，本文采取階梯式碳排放費(fèi)用機(jī)制。階梯式碳排放費(fèi)用機(jī)制劃分了多個(gè)碳排放量區(qū)間，針對(duì)一定時(shí)間內(nèi)消費(fèi)行為的碳排放量，按區(qū)間進(jìn)行區(qū)分計(jì)價(jià)，排放量越高，計(jì)費(fèi)越重。

1.3.2 MR固碳補(bǔ)貼計(jì)量模型

耦合單元中MR 設(shè)備通過(guò)氫氣與二氧化碳的合成反應(yīng)生成甲烷，起到固碳作用，可按量給予一定補(bǔ)貼。

2 考慮IES元件運(yùn)行特性的多時(shí)間尺度優(yōu)化計(jì)劃

2.1 IES元件運(yùn)行特性

IES內(nèi)所含元件主要分為耦合設(shè)備、分布式電源與儲(chǔ)能元件三大類(lèi)，其特性分別概括如下：

1）耦合設(shè)備的靈活性不及儲(chǔ)能設(shè)備，在本文模型中不作為快速調(diào)節(jié)方式，但其備用調(diào)節(jié)容量具有一定的調(diào)節(jié)作用；

2）分布式電源在出力上限范圍內(nèi)可快速棄風(fēng)棄光，其出力具有良好的可調(diào)性，但出力具有不確定性與波動(dòng)性；

3）儲(chǔ)能元件具有布置靈活、調(diào)節(jié)快速的優(yōu)勢(shì)，但儲(chǔ)能容量有一定限制，適用于對(duì)IES 內(nèi)隨機(jī)波動(dòng)的供需曲線(xiàn)進(jìn)行快速調(diào)節(jié)。

2.2 需求響應(yīng)資源的分類(lèi)

在IES 內(nèi)的電、氣、熱、氫4 類(lèi)能源負(fù)荷，均可利用需求響應(yīng)特性對(duì)其進(jìn)行需求響應(yīng)管理。參考區(qū)域電網(wǎng)對(duì)電負(fù)荷需求響應(yīng)資源的管理方式［19］，將4種需求響應(yīng)負(fù)荷分為價(jià)格型需求響應(yīng)（price-based demand response，PDR）和激勵(lì)型需求響應(yīng)（incentivebased demand response，IDR）這2 類(lèi)。本文所建模型中電能、氣能價(jià)格采用日前定價(jià)模式，因此PDR不在優(yōu)化考慮范圍內(nèi)，只需考慮IDR。IDR 根據(jù)響應(yīng)IES優(yōu)化指令時(shí)間的長(zhǎng)短，具體分為以下4類(lèi)：

1）A類(lèi)IDR，提前1 d制定計(jì)劃；

2）B類(lèi)IDR，響應(yīng)時(shí)長(zhǎng)15 min～1 h；

3）C類(lèi)IDR，響應(yīng)時(shí)長(zhǎng)5～15 min；

4）D類(lèi)IDR，實(shí)時(shí)響應(yīng)。

2.3 多時(shí)間尺度優(yōu)化計(jì)劃

本文設(shè)計(jì)的IES 多時(shí)間尺度低碳優(yōu)化框架如附錄B圖B1所示。

1）日前優(yōu)化：時(shí)間步長(zhǎng)為1 h，執(zhí)行周期為24 h。該階段需確定耦合設(shè)備的工作計(jì)劃、A 類(lèi)IDR 調(diào)用計(jì)劃。

2）日內(nèi)滾動(dòng)優(yōu)化：時(shí)間步長(zhǎng)為15 min，執(zhí)行周期為4 h。該階段需制定分布式發(fā)電的出力計(jì)劃、耦合設(shè)備備用出力計(jì)劃以及B 類(lèi)IDR 的調(diào)用計(jì)劃，用以修正日前優(yōu)化計(jì)劃的偏差。

3）實(shí)時(shí)優(yōu)化：執(zhí)行周期為5 min。該階段需制定各類(lèi)儲(chǔ)能設(shè)備的工作狀態(tài)以及C 類(lèi)和D 類(lèi)IDR 調(diào)用計(jì)劃，最終確定向上級(jí)配電網(wǎng)以及天然氣網(wǎng)的購(gòu)電量與購(gòu)氣量。

將之前階段優(yōu)化所得的控制量作為確定量代入之后階段的優(yōu)化模型中進(jìn)行計(jì)算。

3 多時(shí)間尺度協(xié)調(diào)優(yōu)化模型

3.1 日前優(yōu)化模型

考慮到各類(lèi)負(fù)荷、分布式電源出力的預(yù)測(cè)值與實(shí)際值存在偏差，本文日前優(yōu)化調(diào)度采用適用于較大不確定度的多場(chǎng)景隨機(jī)規(guī)劃方法，以保證IES 運(yùn)行安全性。

3.1.1 目標(biāo)函數(shù)

日前優(yōu)化模型的目標(biāo)函數(shù)在系統(tǒng)總運(yùn)行成本最小的基礎(chǔ)上，將棄風(fēng)棄光量和負(fù)荷缺損量折算成懲罰成本計(jì)入系統(tǒng)運(yùn)行成本中，并考慮購(gòu)能碳費(fèi)用以及固碳收益。模型表示如下：

2）耦合設(shè)備運(yùn)行約束。

IES 中各耦合設(shè)備EL、MR、GT、GB、電鍋爐（electric boiler，EB）的模型、約束條件及變量說(shuō)明見(jiàn)附錄A。再次注意，在日前優(yōu)化模型中考慮到多場(chǎng)景隨機(jī)規(guī)劃，故耦合設(shè)備的運(yùn)行也應(yīng)滿(mǎn)足多場(chǎng)景下的約束，符號(hào)變量對(duì)應(yīng)于多場(chǎng)景下的變量，如Pe，EL(t)對(duì)應(yīng)于Pe，EL，s(t)。

3）分布式發(fā)電出力約束。

分布式發(fā)電出力值應(yīng)小于其預(yù)測(cè)值，具體如式（7）所示。

4）儲(chǔ)能設(shè)備運(yùn)行約束。

儲(chǔ)能設(shè)備運(yùn)行時(shí)主要受充放能功率以及儲(chǔ)能狀態(tài)的約束。由于電、氣、熱、氫儲(chǔ)能運(yùn)行約束有一致性，現(xiàn)以電儲(chǔ)能為例進(jìn)行說(shuō)明，其他形式儲(chǔ)能約束不再贅述。

3.1.3 優(yōu)化結(jié)果處理

對(duì)日前優(yōu)化模型進(jìn)行求解，選取耦合裝置運(yùn)行狀態(tài)和A 類(lèi)IDR 調(diào)用量作為確定參數(shù)代入之后的日內(nèi)與實(shí)時(shí)優(yōu)化模型中。

3.2 日內(nèi)滾動(dòng)優(yōu)化模型

該優(yōu)化階段將實(shí)測(cè)所得的系統(tǒng)數(shù)據(jù)反饋到日內(nèi)滾動(dòng)優(yōu)化模型中，結(jié)合未來(lái)4 h內(nèi)時(shí)間步長(zhǎng)為15 min的風(fēng)、光、負(fù)荷的超短期預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)求解最優(yōu)控制序列。

3.2.1 目標(biāo)函數(shù)

與日前優(yōu)化基本相同，日內(nèi)滾動(dòng)優(yōu)化的目標(biāo)函數(shù)同樣為IES 運(yùn)行總成本最小，可調(diào)節(jié)的有耦合設(shè)備備用容量出力與IDR 類(lèi)負(fù)荷的調(diào)用成本，而A 類(lèi)IDR 參數(shù)已確定，負(fù)荷總成本為B 類(lèi)和C 類(lèi)IDR 之和。目標(biāo)函數(shù)如下：

式中：f2為日內(nèi)優(yōu)化模型的目標(biāo)函數(shù)；Ndayin為日內(nèi)優(yōu)化模型考慮場(chǎng)景數(shù)；ps，dayin為日內(nèi)優(yōu)化過(guò)程中場(chǎng)景s發(fā)生的概率；kn，IDR，C為各類(lèi)負(fù)荷C 類(lèi)IDR 的成本系數(shù)；|ΔPn，IDR，C，s(t)|為t時(shí)刻場(chǎng)景s下各類(lèi)負(fù)荷C類(lèi)IDR的調(diào)用量。

3.2.2 約束條件

日內(nèi)滾動(dòng)優(yōu)化模型同日前優(yōu)化模型一樣采用了多場(chǎng)景隨機(jī)規(guī)劃方法來(lái)應(yīng)對(duì)不確定性所帶來(lái)的影響，因而約束條件與日前優(yōu)化模型中基本一致，不再贅述。另添加C 類(lèi)IDR 的約束條件以及耦合設(shè)備備用容量出力約束如下：

3.2.3 優(yōu)化結(jié)果

日內(nèi)滾動(dòng)優(yōu)化在日前優(yōu)化確定參數(shù)的基礎(chǔ)上，確定分布式發(fā)電的出力計(jì)劃、耦合設(shè)備備用容量出力計(jì)劃和B 類(lèi)IDR 負(fù)荷調(diào)用量，并將其作為確定參數(shù)代入之后的實(shí)時(shí)優(yōu)化模型中。

3.3 實(shí)時(shí)優(yōu)化模型

實(shí)時(shí)優(yōu)化的時(shí)間步長(zhǎng)為5 min，此時(shí)間尺度下實(shí)時(shí)負(fù)荷波動(dòng)幅度已很小，多場(chǎng)景隨機(jī)優(yōu)化方法已不再適用。為此，本文采用機(jī)會(huì)約束方法，設(shè)置一定的約束條件，使得約束條件成立的概率不小于某一置信水平。

3.3.1 目標(biāo)函數(shù)

與日內(nèi)滾動(dòng)優(yōu)化基本相同，實(shí)時(shí)優(yōu)化的目標(biāo)函數(shù)同樣為IES 運(yùn)行總成本最小，變化的只有IDR 類(lèi)負(fù)荷的調(diào)用成本，具體為C 類(lèi)和D 類(lèi)IDR 之和。目標(biāo)函數(shù)如下：

式中：f3為實(shí)時(shí)優(yōu)化模型的目標(biāo)函數(shù)。

3.3.2 約束條件

對(duì)實(shí)時(shí)優(yōu)化模型采用機(jī)會(huì)約束方法。此時(shí)認(rèn)為短期預(yù)測(cè)所得的電、氣、熱、氫實(shí)時(shí)負(fù)荷的偏差值各自滿(mǎn)足某一截?cái)嗾龖B(tài)分布，對(duì)儲(chǔ)能設(shè)備的調(diào)控要求為只需滿(mǎn)足各類(lèi)負(fù)荷在各自設(shè)定的置信水平下的供給率即可，剩余的微弱偏差可通過(guò)實(shí)時(shí)的向上級(jí)購(gòu)電、購(gòu)氣以及負(fù)荷調(diào)節(jié)滿(mǎn)足平衡。故此時(shí)約束條件與不區(qū)分各類(lèi)場(chǎng)景的日前、日內(nèi)滾動(dòng)優(yōu)化的約束條件基本相同，不再贅述，但在功率平衡以及分布式發(fā)電出力的部分約束方面有所不同。

1）電功率平衡約束。

3.3.3 優(yōu)化結(jié)果

對(duì)實(shí)時(shí)優(yōu)化模型進(jìn)行計(jì)算可確定如下優(yōu)化結(jié)果：各類(lèi)儲(chǔ)能設(shè)備的工作狀態(tài)與出力；C 類(lèi)IDR 和D類(lèi)IDR調(diào)用量；IES向上級(jí)購(gòu)電、購(gòu)氣量。

3.4 模型線(xiàn)性化處理

此時(shí)所得模型為混合整數(shù)非線(xiàn)性模型，需對(duì)導(dǎo)致模型非線(xiàn)性的目標(biāo)函數(shù)中的絕對(duì)值項(xiàng)與儲(chǔ)能狀態(tài)約束進(jìn)行線(xiàn)性化，具體處理方法見(jiàn)附錄B。處理后的模型為混合整數(shù)線(xiàn)性模型，可采用MATLAB+Yalmip調(diào)用商業(yè)求解器Gurobi進(jìn)行求解。求解流程如附錄B圖B2所示。

4 算例分析

4.1 算例介紹

為驗(yàn)證本文模型的有效性，設(shè)置算例進(jìn)行分析。模型優(yōu)化周期為一天24 h，負(fù)荷和分布式發(fā)電的日前、日內(nèi)、實(shí)時(shí)的預(yù)測(cè)誤差分別設(shè)為3%、1%、0.5%和5%、3%、1%。各類(lèi)負(fù)荷以及光伏、風(fēng)電出力的日前預(yù)測(cè)基準(zhǔn)值如附錄B 圖B3 所示，其中電、氣、熱、氫負(fù)荷峰值分別設(shè)為1 000、600、400、200 kW，風(fēng)電與光伏額定容量均為400 kW。分時(shí)電價(jià)見(jiàn)附錄B表B1，天然氣價(jià)為0.35 元／（kW·h）；各類(lèi)設(shè)備運(yùn)行參數(shù)、儲(chǔ)能參數(shù)、4 類(lèi)IDR 的經(jīng)濟(jì)參數(shù)及其他參數(shù)分別見(jiàn)附錄B表B2—B5。實(shí)時(shí)優(yōu)化模型中，各類(lèi)負(fù)荷誤差率滿(mǎn)足N（0，1/1 200）的截?cái)嗾龖B(tài)分布，置信度均取0.9。

本文調(diào)用Gurobi 求解多時(shí)間尺度優(yōu)化模型，在Intel Core i7@2.90 GHz 主機(jī)算力下，日前計(jì)算用時(shí)2 s，日內(nèi)單次滾動(dòng)計(jì)算用時(shí)20 s，滾動(dòng)80 次，實(shí)時(shí)優(yōu)化計(jì)算用時(shí)15 s，滿(mǎn)足實(shí)際工作中的運(yùn)算速率的要求。

4.2 多時(shí)間尺度低碳優(yōu)化方法有效性分析

為驗(yàn)證本文所提的低碳優(yōu)化方法的有效性，選取如下3種場(chǎng)景下的IES優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析：場(chǎng)景1，不考慮碳排放經(jīng)濟(jì)目標(biāo)；場(chǎng)景2，考慮單一碳排放價(jià)格與固碳補(bǔ)貼；場(chǎng)景3，考慮階梯式碳排放價(jià)格與固碳補(bǔ)貼。

對(duì)以上3 種場(chǎng)景進(jìn)行多時(shí)間尺度計(jì)算并對(duì)比分析日前、日內(nèi)、實(shí)時(shí)階段的IES 優(yōu)化結(jié)果。各優(yōu)化階段預(yù)測(cè)負(fù)荷、分布式發(fā)電出力如附錄C 圖C1 所示，3種場(chǎng)景下日前優(yōu)化的部分結(jié)果如表1 所示，詳細(xì)結(jié)果如附錄C表C1所示。

表1 3種場(chǎng)景下日前優(yōu)化部分結(jié)果Table 1 Partial day-ahead optimal results under three scenes

由表1可知，在日前階段的優(yōu)化中，相比場(chǎng)景1，考慮碳排放經(jīng)濟(jì)目標(biāo)的場(chǎng)景2 與場(chǎng)景3 的總碳排放量分別減少了1.38%與1.57%，這表明考慮低碳經(jīng)濟(jì)目標(biāo)有助于減少I(mǎi)ES 的碳排放量。且對(duì)比場(chǎng)景2和場(chǎng)景3 的碳排放費(fèi)用發(fā)現(xiàn)后者碳排放費(fèi)用降低了27.93%并獲得了更大的碳減排效益，這說(shuō)明考慮階梯式碳排放費(fèi)用機(jī)制具有更優(yōu)的碳減排效益與經(jīng)濟(jì)效益。

各場(chǎng)景下日前階段耦合設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)如附錄C 圖C2 所示。整體而言，場(chǎng)景3 相較于場(chǎng)景1 和場(chǎng)景2，更多地調(diào)用GT 出力而較少調(diào)用EB、EL 出力，這是由于在階梯式碳排放費(fèi)用模型作用下，對(duì)過(guò)多使用電能行為造成的過(guò)高碳排費(fèi)用的修正，將用電需求轉(zhuǎn)移至購(gòu)氣替代以減少碳排放費(fèi)用。而整個(gè)周期內(nèi)MR 并未工作，這說(shuō)明在日前優(yōu)化過(guò)程中，對(duì)氫氣轉(zhuǎn)化為天然氣暫不具備經(jīng)濟(jì)性?xún)?yōu)勢(shì)，這主要是由天然氣價(jià)相對(duì)較低且分布式發(fā)電的廉價(jià)電能供應(yīng)比例較低所導(dǎo)致的。

以場(chǎng)景3 為例，對(duì)日內(nèi)滾動(dòng)優(yōu)化下的耦合設(shè)備備用容量工作情況進(jìn)行分析，如圖2 所示。由圖可知，對(duì)比日前-日內(nèi)各耦合設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)可以發(fā)現(xiàn)，在日內(nèi)預(yù)測(cè)負(fù)荷變動(dòng)的情況下，GB 工作狀態(tài)基本沒(méi)有變化，EB 在01:00—07:00 時(shí)段內(nèi)有出力的下調(diào)，EL 在22:00—24:00 時(shí)段有出力的上調(diào)，MR在20:00 前有出力的上調(diào)。結(jié)合附錄C 圖C3 所示場(chǎng)景3 負(fù)荷需求響應(yīng)中A、B、C 類(lèi)IDR 進(jìn)行分析，這是由于在負(fù)荷預(yù)測(cè)變動(dòng)與需求響應(yīng)的雙重影響下，01:00—07:00時(shí)段內(nèi)熱負(fù)荷通過(guò)需求響應(yīng)機(jī)制有較大的削減，并作用于電價(jià)相對(duì)天然氣價(jià)更高的EB的工作狀態(tài)調(diào)整中；而日內(nèi)優(yōu)化中氫負(fù)荷在全天也主要體現(xiàn)為削減，故而20:00 前MR 將削減的氫負(fù)荷需求轉(zhuǎn)化為天然氣并收取固碳收益，而20:00 之后MR不出力而EL 增加出力也是為了在最后4 h 的滾動(dòng)周期內(nèi)滿(mǎn)足全天優(yōu)化周期內(nèi)儲(chǔ)氫罐儲(chǔ)能始末狀態(tài)相等的約束。

圖2 日前-日內(nèi)階段場(chǎng)景3下各耦合設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)Fig.2 Operation status of each coupling device under Scenario 3 in day-ahead-intra-day stage

實(shí)時(shí)優(yōu)化后3種場(chǎng)景的部分結(jié)果如表2所示，詳細(xì)結(jié)果如附錄C表C2所示。

表2 3種場(chǎng)景下實(shí)時(shí)優(yōu)化部分結(jié)果Table 2 Partial real-time optimal results under three scenes

觀(guān)察表2 可知，從各類(lèi)IDR 與棄負(fù)荷成本角度，B類(lèi)負(fù)荷在3種場(chǎng)景下都近乎為0，而場(chǎng)景2與場(chǎng)景3的A 類(lèi)IDR 成本遠(yuǎn)大于場(chǎng)景1 的成本，這是碳排放機(jī)制與負(fù)荷需求響應(yīng)相互作用的結(jié)果，即通過(guò)適當(dāng)減少負(fù)荷以降低碳排放費(fèi)用，而場(chǎng)景3下B類(lèi)IDR仍在發(fā)揮作用是因?yàn)殡A梯式碳排放費(fèi)用機(jī)制所帶來(lái)的更高的碳排放費(fèi)用仍在作用于負(fù)荷需求響應(yīng)，以減少總經(jīng)濟(jì)成本。3 種場(chǎng)景下的C 類(lèi)、D 類(lèi)IDR 成本無(wú)明顯差異是由于其均滿(mǎn)足保持具有相同預(yù)測(cè)誤差的實(shí)時(shí)負(fù)荷波動(dòng)平衡與儲(chǔ)能始末狀態(tài)相等的約束。

最終，單周期多時(shí)間尺度優(yōu)化調(diào)度后IES 各組成部分出力圖見(jiàn)附錄C圖C4。

4.3 不同清潔能源發(fā)電裝機(jī)容量下的模型效益分析

為分析本文模型在不同比例分布式清潔發(fā)電情況下的工作狀態(tài)，選取模型中光伏、風(fēng)機(jī)裝機(jī)容量區(qū)間為200～1 000 kW，步長(zhǎng)為200 kW 進(jìn)行仿真，得到不同清潔能源發(fā)電裝機(jī)容量Pins下的部分結(jié)果如表3所示，詳細(xì)結(jié)果如附錄C表C3所示。

表3 不同清潔能源發(fā)電裝機(jī)容量下的部分結(jié)果Table 3 Partial results with different installed capacity of clean energy power generation單位：元

由表3可知，隨著清潔分布式發(fā)電裝機(jī)容量的提高，系統(tǒng)運(yùn)行總成本有大幅下降的趨勢(shì)，主要得益于向上級(jí)購(gòu)能總量的下降與碳排放費(fèi)用的減少。其中，在清潔能源裝機(jī)超過(guò)600 kW時(shí)可以確定購(gòu)電碳排放費(fèi)用為0，但購(gòu)氣碳排放費(fèi)用在此之后降幅緩慢，這是由電轉(zhuǎn)氣的相關(guān)裝置容量有限所導(dǎo)致的。為更好地消納更高比例的清潔能源接入，耦合裝置的裝機(jī)容量也需有一定的提升。同時(shí)，本文模型中的棄風(fēng)棄光電量與懲罰費(fèi)用的數(shù)量級(jí)都遠(yuǎn)小于總成本的數(shù)量級(jí)，表明本文模型具有良好的清潔能源消納能力。

4.4 可調(diào)熱電比與天然氣-氫氣混合利用效益分析

為了分析GT 可調(diào)電熱比以及GT、GB 天然氣-氫氣混合利用的效益，選取“天然氣價(jià)高低”、“是否可調(diào)熱電比”、“天然氣-氫氣是否可以混合”3 類(lèi)變量進(jìn)行16 組控制變量對(duì)照仿真，其中天然氣價(jià)按單價(jià)0.35、0.6、0.8、1.4 元／（kW·h）設(shè)置成低、中、高、特高4 檔，并根據(jù)熱電比可調(diào)與否以及天然氣-氫氣混合與否分為可調(diào)可混（情況1）、可調(diào)不可混（情況2）、不可調(diào)可混（情況3）、不可調(diào)不可混（情況4）4類(lèi)。仿真結(jié)果如表4和表5所示。

表4 16組仿真的經(jīng)濟(jì)成本結(jié)果Table 4 Economic cost results of 16 groups of simulation單位：元

表5 16組仿真的碳排放量結(jié)果Table 5 Carbon emission of 16 groups of simulation單位：kg

由表4可知，運(yùn)行情況1在同等天然氣價(jià)下的系統(tǒng)運(yùn)行費(fèi)用均最少，這說(shuō)明考慮可調(diào)熱電比、考慮天然氣-氫氣混合利用的方案最具普遍經(jīng)濟(jì)性。且在天然氣價(jià)較低時(shí)，情況2 較情況3 更具經(jīng)濟(jì)性，結(jié)合附錄C 圖C5 所示不同天然氣價(jià)下熱電比及天然氣-氫氣混合利用運(yùn)行情況，發(fā)現(xiàn)天然氣價(jià)越低，GT 熱電比變動(dòng)程度越明顯，其工作時(shí)段越長(zhǎng)，這說(shuō)明在低天然氣價(jià)情況下GT 的可調(diào)熱電比更能發(fā)揮經(jīng)濟(jì)性作用；反之在高天然氣價(jià)情況下，電力具有價(jià)格優(yōu)勢(shì)，從而由EL產(chǎn)生的氫氣更多地參與替代天然氣的產(chǎn)電發(fā)熱過(guò)程中，減少高昂天然氣的消費(fèi)，發(fā)揮天然氣-氫氣混合利用策略的經(jīng)濟(jì)性。

由表5 可知，在中、低天然氣價(jià)下，GT 熱電比可調(diào)性能良好可降低碳排放，而天然氣-氫氣混合利用策略因天然氣價(jià)較低經(jīng)濟(jì)性不足而幾乎沒(méi)有碳減排作用。高天然氣價(jià)下電能更多地替代天然氣進(jìn)行熱能供應(yīng)，從而帶來(lái)系統(tǒng)總碳排放量上升，此時(shí)GT 熱電比調(diào)節(jié)作用不顯著，而天然氣-氫氣混合利用策略的使用，使得電能轉(zhuǎn)換為氫能參與GT、GB 工作從而減少總體經(jīng)濟(jì)成本。

5 結(jié)論

本文在所建立的考慮電-氣-熱-氫需求響應(yīng)的IES多時(shí)間尺度低碳運(yùn)行優(yōu)化模型的基礎(chǔ)上，通過(guò)設(shè)置多類(lèi)場(chǎng)景進(jìn)行仿真，并將結(jié)果從多時(shí)間尺度、清潔能源裝機(jī)容量占比、可調(diào)熱電比等多個(gè)角度進(jìn)行分析，得到如下結(jié)論：

1）相較于傳統(tǒng)單一碳排放費(fèi)用機(jī)制，階梯式碳排放費(fèi)用機(jī)制具有更優(yōu)越的碳減排性與經(jīng)濟(jì)性；

2）考慮GT 熱電比可調(diào)以及GT、GB 天然氣-氫氣混合利用能夠根據(jù)實(shí)際的天然氣價(jià)與負(fù)荷需求，優(yōu)化能流轉(zhuǎn)換過(guò)程，提升運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性；

3）多時(shí)間尺度優(yōu)化運(yùn)行方式能夠良好地應(yīng)對(duì)不同時(shí)間維度下的負(fù)荷與新能源出力預(yù)測(cè)，并根據(jù)IES內(nèi)部設(shè)備靈活性與需求響應(yīng)等級(jí)進(jìn)行分級(jí)調(diào)節(jié)，對(duì)運(yùn)行周期內(nèi)的預(yù)測(cè)量與實(shí)測(cè)情況均能有效處理。

后續(xù)研究可考慮更大規(guī)模的IES，考慮IES 多節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)的耦合與動(dòng)態(tài)潮流問(wèn)題，并分析氫能源汽車(chē)、電動(dòng)汽車(chē)等交通網(wǎng)負(fù)荷接入IES所帶來(lái)的影響。

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