計(jì)及柔性負(fù)荷參與的綜合能源系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度

摘 要：為提高源荷匹配度，平抑負(fù)荷波動(dòng)，該文提出計(jì)及需求響應(yīng)負(fù)荷和地源熱泵出力的綜合能源系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度模型，研究柔性負(fù)荷與地源熱泵在調(diào)度順序不同的情況下對(duì)系統(tǒng)的影響。首先，以系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)成本和環(huán)境成本最小為目標(biāo)，建立綜合能源系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度模型優(yōu)化各設(shè)備的出力。其次，在考慮新能源機(jī)組出力不確定性的基礎(chǔ)上，利用地源熱泵裝置轉(zhuǎn)換效率高的特點(diǎn)改善能源互補(bǔ)能力并使其作為一種可調(diào)度資源參與系統(tǒng)的調(diào)度。最后，在需求側(cè)將柔性負(fù)荷分為可轉(zhuǎn)移、可削減負(fù)荷作為可調(diào)度資源參與調(diào)度，平滑負(fù)荷曲線。通過算例分析可得：不考慮可調(diào)度資源出力順序的情況下，能有效提高系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)和環(huán)境效益以及源荷匹配能力。

關(guān)鍵詞：調(diào)度優(yōu)化；綜合能源系統(tǒng)；數(shù)學(xué)模型；地源熱泵；柔性資源

中圖分類號(hào)：TK019 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引 言

綜合能源系統(tǒng)（integrated energy system，IES）是以電力系統(tǒng)為核心，集冷、熱、天然氣系統(tǒng)為一體的現(xiàn)代能源系統(tǒng)，是研究的重點(diǎn)。但由于綜合能源系統(tǒng)中復(fù)雜的能源耦合情況以及可再生能源的出力存在一定的不確定性等問題，增加了綜合能源系統(tǒng)調(diào)度的難度［1-3］。近年來，隨著負(fù)載側(cè)可調(diào)度資源不斷地豐富，為改善這類問題帶來了機(jī)遇，考慮風(fēng)電、光伏、儲(chǔ)能及負(fù)載側(cè)可調(diào)度資源的協(xié)調(diào)運(yùn)行成為了綜合能源系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度的主要趨勢(shì)［4-6］。

在綜合能源系統(tǒng)中，考慮需求響應(yīng)作為提高系統(tǒng)調(diào)度靈活性的方法已被廣泛應(yīng)用。文獻(xiàn)［7］建立考慮需求響應(yīng)及階梯碳交易的IES優(yōu)化調(diào)度模型，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)低碳高效運(yùn)行。文獻(xiàn)［8］將熱負(fù)荷作為一種柔性負(fù)荷參與調(diào)度，建立熱電負(fù)荷綜合需求響應(yīng)模型，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)中電、熱負(fù)荷的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)。文獻(xiàn)［9］針對(duì)多區(qū)域綜合能源系統(tǒng)在需求側(cè)建立激勵(lì)型需求響應(yīng)模型，促進(jìn)了風(fēng)電消納，實(shí)現(xiàn)了各區(qū)域綜合能源系統(tǒng)的低碳高效運(yùn)行。為進(jìn)一步提高負(fù)荷參與調(diào)度的靈活性，文獻(xiàn)［10-13］將需求響應(yīng)負(fù)荷分為可中斷、可削減和可轉(zhuǎn)移負(fù)荷，根據(jù)不同負(fù)荷具有不同的響應(yīng)特性，分析負(fù)荷響應(yīng)能力的不同對(duì)系統(tǒng)造成的影響，證明了柔性負(fù)荷參與調(diào)度可合理調(diào)整負(fù)荷曲線實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。上述研究大多在負(fù)荷側(cè)引入柔性負(fù)荷，提高了系統(tǒng)的調(diào)度能力，但隨著風(fēng)電、光伏等可再生能源的接入，為提高源荷匹配度實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)平穩(wěn)運(yùn)行帶來了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。因此，文獻(xiàn)［14-15］在優(yōu)化調(diào)度的過程中考慮了新能源機(jī)組出力不確定性帶來的影響。文獻(xiàn)［16］以源側(cè)效益和荷側(cè)效益為目標(biāo)，基于不同調(diào)度資源在響應(yīng)能力上的差異提出綜合優(yōu)化調(diào)度策略，該策略最大程度上考慮了負(fù)荷側(cè)的意愿，有效地提高了系統(tǒng)的新能源利用率，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的平穩(wěn)運(yùn)行。文獻(xiàn)［17］提出一種源荷協(xié)調(diào)優(yōu)化調(diào)度方法，該方法在源側(cè)建立風(fēng)力機(jī)-地源熱泵模型以解耦傳統(tǒng)的“以熱定電”運(yùn)行約束，在荷側(cè)分析需求響應(yīng)負(fù)荷的調(diào)度特性，通過協(xié)調(diào)源側(cè)和荷側(cè)的交互特性有效地提高了源荷匹配度。

綜上，多數(shù)研究在需求響應(yīng)和新能源出力不確定性上關(guān)注較多，很少結(jié)合以上兩點(diǎn)考慮可調(diào)度資源在調(diào)度順序上的不同對(duì)系統(tǒng)造成的影響。為研究可調(diào)度資源在調(diào)度順序上的不同對(duì)綜合能源系統(tǒng)造成的影響，與現(xiàn)有的研究相比，本文的主要貢獻(xiàn)可概括為：

1）研究了供給側(cè)和負(fù)荷側(cè)的可調(diào)度資源的調(diào)度策略及系統(tǒng)的多目標(biāo)優(yōu)化，在供給側(cè)耦合了地源熱泵作為可調(diào)度資源參與系統(tǒng)的調(diào)度，利用了地源熱泵在消耗電能的同時(shí)可以高效地轉(zhuǎn)換為冷負(fù)荷或熱負(fù)荷的特性，提高供給側(cè)和需求側(cè)的匹配度。

2）在需求側(cè)考慮了負(fù)荷的需求響應(yīng)，將負(fù)載側(cè)調(diào)度資源分為可轉(zhuǎn)移負(fù)荷（transferable load，TL）及可削減負(fù)荷（reducible load，RL）作為柔性負(fù)荷參與系統(tǒng)調(diào)度。

3）以系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)、環(huán)境成本最小為目標(biāo)，建立了考慮需求響應(yīng)負(fù)荷以及地源熱泵出力的綜合能源系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度模型，分析了包含地源熱泵以及需求響應(yīng)負(fù)荷在內(nèi)的7種不同系統(tǒng)；基于最優(yōu)系統(tǒng)提出3種調(diào)度順序不同的場(chǎng)景，比較了不同調(diào)度順序的調(diào)度結(jié)果，分析了可調(diào)度資源在調(diào)度順序上的不同對(duì)優(yōu)化調(diào)度的影響。

最后，以華北地區(qū)某小型區(qū)域綜合能源系統(tǒng)的夏季典型日進(jìn)行分析研究，結(jié)果證明了在地源熱泵和需求響應(yīng)共同作用下采用隨機(jī)調(diào)度的方法相比于其他方式能有效提高系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性和源荷匹配度，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的平穩(wěn)運(yùn)行。

1 綜合能源系統(tǒng)框架

典型的IES結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要包括：風(fēng)電、光伏發(fā)電設(shè)備、微型燃?xì)廨啓C(jī)、地源熱泵、電制冷機(jī)、蓄電池，且與外部電網(wǎng)以及市政管網(wǎng)連接，從而獲得整個(gè)系統(tǒng)所需要的電能和天然氣。

從圖1可看出綜合能源系統(tǒng)不是簡(jiǎn)單的能源類型的疊加，而是一種綜合能源服務(wù)關(guān)系。在一體化能源服務(wù)模式下，系統(tǒng)將新能源發(fā)電、儲(chǔ)能等設(shè)備映射到能源系統(tǒng)中。系統(tǒng)中的電負(fù)荷主要由風(fēng)電、光伏、儲(chǔ)能、燃機(jī)系統(tǒng)以及電網(wǎng)來承擔(dān)，冷負(fù)荷主要由地源熱泵以及電制冷機(jī)來供給。

2 模型的建立

2.1 微型燃?xì)廨啓C(jī)

微型燃?xì)廨啓C(jī)（micro-gas turbine，MT）是綜合能源系統(tǒng)中的核心設(shè)備，其消耗天然氣與輸出功率之間的關(guān)系為：

4）通過上述方法采樣[N]次，則產(chǎn)生[XK]的[N]個(gè)采樣值。

5）經(jīng)過以上4步可得到典型日下的[N]個(gè)場(chǎng)景，如圖2所示。

3.1.2 場(chǎng)景削減

為了得到具有代表性的場(chǎng)景，需對(duì)通過拉丁超立方抽樣生成的場(chǎng)景進(jìn)行一定的削減，本文參考文獻(xiàn)［23］的方法，具體過程如下：

1）初始化設(shè)置最終目標(biāo)場(chǎng)景數(shù)為[n]，初始縮減場(chǎng)景數(shù)為[n*=N]，對(duì)于有拉丁超立方抽樣生成的每一個(gè)場(chǎng)景概率均相等，即：

4 算例分析

本文以華北某園區(qū)綜合能源系統(tǒng)夏季典型日的供能情況進(jìn)行分析研究。該區(qū)域共有3棟樓宇，每棟樓有12層，每層高為4 m，總建筑面積為20736 m2。圖4給出了典型日各類負(fù)荷的數(shù)據(jù)信息。經(jīng)過計(jì)算最終得出新能源機(jī)組出力的不確定性曲線如圖5所示。本文的模型采用Matlab、Gurobi優(yōu)化求解器進(jìn)行優(yōu)化求解。

4.1 參數(shù)設(shè)置

系統(tǒng)模型主要參數(shù)如表1所示。分時(shí)電價(jià)信息如表2所示。

4.2 不同調(diào)度組合對(duì)系統(tǒng)的影響分析

為了驗(yàn)證本文所提模型的有效性，分析7種不同的調(diào)度組合對(duì)系統(tǒng)調(diào)度的影響，如表3所示。

如圖6所示，可看出隨著地源熱泵設(shè)備和需求響應(yīng)負(fù)荷的加入對(duì)綜合能源系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性影響較大，雖然兩者加入的同時(shí)負(fù)荷的調(diào)度成本以及運(yùn)行成本會(huì)有所提高，但整個(gè)系統(tǒng)此時(shí)的購(gòu)電成本以及環(huán)境成本相對(duì)來說下降更多，故可得知：在地源熱泵和需求響應(yīng)負(fù)荷的共同參與下系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性最好。此外，7種不同的系統(tǒng)組合在考慮新能源機(jī)組出力不確定性的情況下OEF值明顯提高，證明了在源荷協(xié)調(diào)能力進(jìn)一步提升，故對(duì)新能源出力的不確定性描述在綜合能源系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度研究中是必要的。此外，從圖6中還可看出隨著柔性負(fù)荷的加入，系統(tǒng)的OEF值明顯增大，證明了柔性負(fù)荷的加入有利于提高源荷匹配度。

為研究該組合下不同調(diào)度方式對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行的影響，基于最優(yōu)調(diào)度組合提出3種不同場(chǎng)景：

1）場(chǎng)景1：負(fù)載側(cè)可調(diào)度資源在地源熱泵出力前響應(yīng)。將基礎(chǔ)負(fù)荷分為固定負(fù)荷以及柔性負(fù)荷（可削減、可轉(zhuǎn)移負(fù)荷），此場(chǎng)景下先對(duì)柔性負(fù)荷進(jìn)行調(diào)度，之后再考慮地源熱泵的出力。

2）場(chǎng)景2：負(fù)載側(cè)可調(diào)度資源在地源熱泵出力后響應(yīng)。此場(chǎng)景下先通過調(diào)節(jié)地源熱泵以及吸收式制冷機(jī)出力來滿足冷負(fù)荷的需求，若地源熱泵以及吸收式制冷機(jī)出力不能滿足冷負(fù)荷需求則考慮進(jìn)行需求響應(yīng)或使電制冷機(jī)出力；之后再考慮電負(fù)荷需求，若不滿足則考慮需求響應(yīng)或從電網(wǎng)購(gòu)電，若由于滿足了冷負(fù)荷出力而導(dǎo)致電出力較多則考慮儲(chǔ)電或向電網(wǎng)賣電。

3）場(chǎng)景3：不考慮柔性負(fù)荷以及地源熱泵、吸收式制冷機(jī)出力順序進(jìn)行調(diào)度。

不同的場(chǎng)景的成本分析如表4所示。由表4可知： 場(chǎng)景1的總成本最高，這是由于先考慮需求響應(yīng)會(huì)使負(fù)荷側(cè)調(diào)度成本提高，減小了地源熱泵參與調(diào)度的能力，同時(shí)對(duì)于天然氣消耗的增加導(dǎo)致了環(huán)境成本隨之提高。

與場(chǎng)景1相比，場(chǎng)景2在地源熱泵出力后才進(jìn)行需求響應(yīng)，此方式優(yōu)先考慮了能量轉(zhuǎn)換效率較高且利用風(fēng)電資源的地源熱泵設(shè)備，提高了對(duì)新能源的利用。為滿足冷負(fù)荷的需求，通過與吸收式制冷機(jī)協(xié)調(diào)配合，優(yōu)化了燃機(jī)出力，從而減少了天然氣的消耗，降低了環(huán)境成本，使其環(huán)境成本相對(duì)于場(chǎng)景1降低了4.7%。由于此場(chǎng)景下參與調(diào)度的柔性負(fù)荷量相對(duì)減少，故此時(shí)的負(fù)荷調(diào)度成本相對(duì)于場(chǎng)景1降低較多，其總成本降低了1.03%。

在不考慮地源熱泵、需求響應(yīng)負(fù)荷調(diào)度順序的情況下，根據(jù)地源熱泵設(shè)備具有高效的能源轉(zhuǎn)換效率，它的加入可有效提高系統(tǒng)調(diào)度的靈活性，同時(shí)考慮在分時(shí)電價(jià)影響下的需求響應(yīng)，更好地達(dá)到了“削峰填谷”的效果，進(jìn)一步減輕了設(shè)備的供能壓力。相對(duì)于場(chǎng)景1，場(chǎng)景3總成本降低了3.2%，比場(chǎng)景2的經(jīng)濟(jì)效益更為明顯；相對(duì)于場(chǎng)景2，雖然調(diào)度成本比場(chǎng)景2高，但由于較好地利用了地源熱泵使環(huán)境成本降低了11.98%，最終其總成本降低了2.2%。結(jié)果表明采用場(chǎng)景3的方式經(jīng)濟(jì)效益更為明顯，有效地降低了系統(tǒng)的運(yùn)行成本，提高了調(diào)度的靈活性。

4.3 3種場(chǎng)景下源荷協(xié)調(diào)性分析

3種場(chǎng)景下OEF值如表5所示，從表5可知，場(chǎng)景3的OEF值相對(duì)于場(chǎng)景1、2分別提高了0.050和0.031。這是由于場(chǎng)景3所提方法有效地提高了柔性負(fù)荷參與調(diào)度的能力，同時(shí)與有著較高能源轉(zhuǎn)換率的地源熱泵協(xié)同作用優(yōu)化了供能側(cè)的出力，提高了源荷匹配度。

4.4 3種場(chǎng)景的調(diào)度結(jié)果分析

圖7、圖8給出了需求響應(yīng)前后負(fù)荷曲線分析。

以上為3種場(chǎng)景在需求響應(yīng)前后的電負(fù)荷和冷負(fù)荷曲線，從圖7、圖8的曲線可知：在考慮需求響應(yīng)后冷負(fù)荷和電負(fù)荷的峰谷差有所下降，能夠有效地平滑負(fù)荷曲線，同時(shí)在一定程度上對(duì)原有負(fù)荷起到“削峰填谷”的作用。

根據(jù)場(chǎng)景1的調(diào)度結(jié)果（圖9）可知：對(duì)于電負(fù)荷：此場(chǎng)景將峰時(shí)負(fù)荷轉(zhuǎn)移到谷時(shí)段，以此來更好地達(dá)到“削峰填谷”的效果，在電價(jià)低谷時(shí)購(gòu)電量增加并儲(chǔ)存一部分電量，在電價(jià)高峰期通過增大燃機(jī)出力以及使蓄電池釋放一定的電量來滿足負(fù)荷需求。對(duì)于冷負(fù)荷：此方式在地源熱泵出力時(shí)負(fù)荷已進(jìn)行了合理分配，不能達(dá)到地源熱泵出力和負(fù)荷響應(yīng)共同作用的效果。比如，在18：00—22：00時(shí)段由于此時(shí)風(fēng)電出力較大，足以滿足地源熱泵的供冷需求，但由于此時(shí)已經(jīng)進(jìn)行了負(fù)荷響應(yīng)從而導(dǎo)致了調(diào)度成本增加，系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性隨之提高。

根據(jù)場(chǎng)景2的調(diào)度結(jié)果（圖10）可知：在地源熱泵機(jī)組出力后進(jìn)行需求響應(yīng)的方式，系統(tǒng)所需的冷負(fù)荷在08：00—22：00時(shí)段優(yōu)先由地源熱泵以及吸收式制冷機(jī)來滿足，不足的由電制冷機(jī)來提供或考慮負(fù)荷響應(yīng)來滿足負(fù)荷的需求。此種方式優(yōu)先使供冷成本較低且利用風(fēng)電資源的地源熱泵出力，通過其與吸收式制冷機(jī)協(xié)調(diào)配合出力優(yōu)化了燃機(jī)出力，降低了環(huán)境成本，減小了參與響應(yīng)的負(fù)荷量，從而減小了調(diào)度成本，提高了系統(tǒng)整體的經(jīng)濟(jì)性。此場(chǎng)景下的電能調(diào)度情況與場(chǎng)景3類似。

根據(jù)場(chǎng)景3的調(diào)度結(jié)果（圖11、圖12）可知：在23：00—08：00時(shí)段，用戶的電負(fù)荷和冷負(fù)荷需求較低，此時(shí)的電負(fù)荷主要由電網(wǎng)和風(fēng)電機(jī)組來提供，冷負(fù)荷主要是由地源熱泵和吸收式制冷機(jī)來提供。此時(shí)電價(jià)較低，可通過購(gòu)電的方式將一定量的電能儲(chǔ)存在蓄電池中，在電價(jià)高峰期蓄電池再放電。對(duì)于08：00—11：00時(shí)段，隨著電負(fù)荷、冷負(fù)荷需求的提高，此時(shí)的電負(fù)荷主要由風(fēng)電機(jī)組、光伏機(jī)組、燃?xì)廨啓C(jī)來提供，由于電價(jià)較高，為減少購(gòu)電量，此時(shí)蓄電池開始釋放一定的電量。此時(shí)的冷負(fù)荷主要由吸收式制冷機(jī)以及地源熱泵來提供。對(duì)于11：00—16：00和21：00—23：00時(shí)段，此時(shí)風(fēng)電出力提高，電價(jià)為平時(shí)電價(jià)，當(dāng)供電不足時(shí)可通過電網(wǎng)買電。該時(shí)段冷負(fù)荷主要由地源熱泵和吸收式制冷機(jī)來提供，不足的則通過電制冷機(jī)或者考慮需求響應(yīng)來滿足用戶需求，此時(shí)系統(tǒng)應(yīng)該提高各能量轉(zhuǎn)換設(shè)備的出力，減少燃料的消耗以達(dá)到降低購(gòu)氣成本和環(huán)境成本的目的。對(duì)于16：00—20：00時(shí)段，此時(shí)的電價(jià)迎來第2個(gè)峰值，此時(shí)風(fēng)電機(jī)組出力較高，光伏出力呈下降趨勢(shì)，燃機(jī)保持平穩(wěn)出力，蓄電池進(jìn)行一定的放電。此時(shí)的冷負(fù)荷整體呈下降趨勢(shì)，主要由地源熱泵來提供，一定程度上提高了系統(tǒng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性。

5 結(jié) 論

本文針對(duì)IES的優(yōu)化調(diào)度問題，研究了地源熱泵、需求響應(yīng)負(fù)荷調(diào)度順序的不同對(duì)IES的影響。通過研究可得到以下主要結(jié)論：

1）通過引入可轉(zhuǎn)移、可削減負(fù)荷作為柔性負(fù)荷，有效降低了負(fù)荷的峰谷差。

2）通過分析7種不同的組合方式，可看出組合1相對(duì)于其他組合總成本分別降低了0.4%、1.5%、4.5%、10.9%、14.8%、16.4%。證明了在地源熱泵、可轉(zhuǎn)移負(fù)荷、可削減負(fù)荷共同作用下的綜合能源系統(tǒng)在經(jīng)濟(jì)和環(huán)境效益方面有著明顯的優(yōu)勢(shì)。

3）基于最優(yōu)的組合方式提出3種不同的場(chǎng)景，其中在第3種場(chǎng)景下系統(tǒng)的總成本相對(duì)場(chǎng)景1、2分別降低了3.2%、2.2%；其OEF值較場(chǎng)景1、2分別提高了0.050、0.031。證明了采用隨機(jī)調(diào)度的方式可以更好地使地源熱泵、可轉(zhuǎn)移負(fù)荷、可削減負(fù)荷之間相互配合，有效地降低了系統(tǒng)的總成本，提高了系統(tǒng)調(diào)度的靈活性。

本文暫未考慮地源熱泵的變工況運(yùn)行特性，在以后的研究中將做重點(diǎn)分析。

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OPTIMAL SCHEDULING OF INTEGRATED ENERGY SYSTEM WITH FLEXIBLE LOAD PARTICIPATION

Zhu Xiaoxun1，2，Liu Zhantian1，2，Xue Jinfei1，2，Hu Ming1，2，Han Zhonghe1，2，Wu Di1，2

Abstract：In order to improve the source-load matching degree and suppress the load fluctuation， this paper proposes an optimization scheduling model of integrated energy system taking into account the demand response load and the ground source heat pump output， and studies the influence of flexible load and ground source heat pump on the system under different scheduling sequence. Firstly， the optimization scheduling model of integrated energy system is established to optimize the output of each equipment in order to minimize the economic and environmental costs of the system. Secondly， on the basis of considering the uncertainty of the output of the new energy unit， the energy complementarity of the ground source heat pump is improved by using the characteristics of high conversion efficiency of the ground source heat pump and the energy complementarity is made to participate in the system scheduling as a kind of dispatchable resource. On the demand side， flexible loads are divided into transferable and reducable loads as schedulable resources to participate in scheduling and smooth the load curve. The results show that the economic and environmental benefits and source-load matching ability of the system can be effectively improved without considering the output order of the dispatchable resources.

Keywords：optimization scheduling； integrated energy system； mathematical models； ground source heat pump； flexible resources

收稿日期：2022-05-19

基金項(xiàng)目：中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)（2020MS145）

通信作者：朱霄珣（1985—），男，博士后、講師，主要從事電站設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)、智慧運(yùn)行等方面的研究。zhuxiaoxun@ncepu.edu.cn