白宏坤，張鵬，尹碩，楊萌，楊欽臣

(1.國(guó)網(wǎng)河南省電力公司 經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，河南 鄭州 450000；2.天津大學(xué) 電氣自動(dòng)化與信息工程學(xué)院，天津 300072)

0 引 言

可再生能源的發(fā)展是能源革命中必不可少的一環(huán)。近年來(lái)，國(guó)家能源局制定了許多有關(guān)能源清潔化、多樣化的文件。區(qū)域綜合能源系統(tǒng)(regional integrated energy system，RIES)具有能源形式多、需求側(cè)響應(yīng)迅速和可向負(fù)荷提供多種需求等優(yōu)勢(shì)。在RIES中考慮儲(chǔ)能和需求側(cè)響應(yīng)不僅可以提高用能效率，而且還可以消納新能源,降低運(yùn)行成本。

電儲(chǔ)能具有消納新能源的功效[1]。蓄熱電鍋爐可以將電能轉(zhuǎn)化成熱能供給負(fù)荷，多余的熱能可以儲(chǔ)存起來(lái)，打破了傳統(tǒng)的以熱定電模式，提高了能源利用率。電轉(zhuǎn)氣(power to gas,P2G)設(shè)備通過(guò)分解水產(chǎn)生氫氣和氧氣,達(dá)到電能與燃?xì)庵g的轉(zhuǎn)化，增加了電與氣之間的耦合聯(lián)系[2-4]。熱電聯(lián)產(chǎn) (combined heat and power，CHP)機(jī)組實(shí)現(xiàn)了不同能源之間的梯級(jí)利用，具有經(jīng)濟(jì)、環(huán)保的特點(diǎn)。隨著能源之間相互耦合程度普遍提高，考慮多種存儲(chǔ)能量設(shè)備和綜合需求響應(yīng)是系統(tǒng)的運(yùn)行優(yōu)化關(guān)鍵。電轉(zhuǎn)熱與蓄熱設(shè)備之間的聯(lián)合減少了熱電耦合約束，使可再生能源之間互動(dòng)，降低了系統(tǒng)運(yùn)行成本和復(fù)雜性[5]。通過(guò)考慮需求側(cè)響應(yīng)，使用戶用能時(shí)段改變，提升了能源出力與負(fù)荷之間的協(xié)調(diào)能力。耦合系統(tǒng)中加入儲(chǔ)能設(shè)備，提高能源利用率，在一定程度上減少了棄風(fēng)、棄光現(xiàn)象[6-8]。范龍等[9]建立含CCHP(combined cold heat and power)的系統(tǒng)和以用戶滿意度為目標(biāo)的需求側(cè)定價(jià)模型，通過(guò)調(diào)整價(jià)格使CCHP參與綜合能源供應(yīng)；陳磊等[10]考慮電價(jià)響應(yīng)，建立含風(fēng)、光、氣及儲(chǔ)電裝置的CCHP協(xié)調(diào)優(yōu)化模型，說(shuō)明了多種清潔能源與CCHP互補(bǔ)發(fā)電的優(yōu)越性；汪濤[11]建立了考慮需求響應(yīng)的能源系統(tǒng)優(yōu)化模型，結(jié)果表明該模型可有效降低運(yùn)行成本；崔鵬程[12]考慮電冷熱3種需求響應(yīng)，優(yōu)化了儲(chǔ)能與需求響應(yīng)之間的能量聯(lián)系；徐航等[13]提出一個(gè)考慮電、熱需求響應(yīng)與多儲(chǔ)能的多能源日前調(diào)度模型，結(jié)果表明，儲(chǔ)能與需求響應(yīng)有效提高了系統(tǒng)靈活性和經(jīng)濟(jì)性，但僅考慮了電、熱需求響應(yīng)；董曉晶等[14]僅采用一種電熱耦合設(shè)備，未能考慮多能設(shè)備之間耦合因素對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行的影響。

本文在區(qū)域性能源系統(tǒng)中引入儲(chǔ)能設(shè)備，對(duì)新能源出力與多種負(fù)荷之間協(xié)同運(yùn)行有益處，能增強(qiáng)能源系統(tǒng)的可控性[15]。在包含風(fēng)機(jī)、光伏陣列、微燃機(jī)、蓄熱電鍋爐、蓄電池和P2G設(shè)備基礎(chǔ)上，進(jìn)一步考慮電、熱、氣3種需求側(cè)響應(yīng)，建立以系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性成本和環(huán)保性成本最低為目標(biāo)函數(shù)的RIES經(jīng)濟(jì)調(diào)度模型，對(duì)7種不同場(chǎng)景進(jìn)行分析，在MATLAB環(huán)境下，調(diào)用Cplex優(yōu)化器，結(jié)果表明，在RIES中考慮綜合需求側(cè)響應(yīng)能提高消納能力和減少棄風(fēng)、棄光現(xiàn)象，起到削峰填谷的作用，使系統(tǒng)在運(yùn)行方面具有更好的經(jīng)濟(jì)效益及環(huán)保效益。

1 綜合需求側(cè)響應(yīng)

綜合需求側(cè)響應(yīng)(integrated demand response，IDR)主要包含電力需求響應(yīng)、熱力需求響應(yīng)和天然氣需求響應(yīng)。電力需求響應(yīng)分為價(jià)格型響應(yīng)和激勵(lì)型響應(yīng)兩大類。其中價(jià)格型響應(yīng)是指用戶方通過(guò)不同時(shí)段價(jià)格信號(hào)，主動(dòng)進(jìn)行用能的一種方式[16-17]。

1.1 電力、天然氣需求響應(yīng)

本文采用峰谷電價(jià)、天然氣價(jià)分別衡量電力和天然氣需求響應(yīng)。電量電價(jià)彈性矩陣法計(jì)算如下。

η=ΔJ/J·P/(ΔP)，

(1)

Jt=J°t+ΔJt，

(2)

J°t=[J°1J°2…J°t]T,

(3)

(4)

(5)

(6)

ΔPt=[ΔP1/P1ΔP2/P2… ΔPt/Pt]，

(7)

式中：η為電力需求彈性系數(shù)；J為電量；ΔJ為電量增量；P為電價(jià)；ΔP為電價(jià)增量；Eele為需求側(cè)電量電價(jià)彈性矩陣，J°t為需求響應(yīng)前t時(shí)段的電量；ΔJt為需求響應(yīng)后價(jià)格型t時(shí)段的電量變化量；ΔPt為響應(yīng)后t時(shí)段電價(jià)變化量；Jt為響應(yīng)后的t時(shí)段電量。

天然氣和電力均屬于當(dāng)今社會(huì)重要能源，類比于價(jià)格型電力負(fù)荷，采用氣量氣價(jià)彈性矩陣，計(jì)算如下。

ε=ΔH/H·Q/ΔQ，

(8)

(9)

Ht=H°t+ΔHt，

(10)

H°t=[H°1H°2…H°t]T,

(11)

(12)

(13)

ΔQt=[ΔQ1/Q1ΔQ2/Q2… ΔQt/Qt]， (14)

式中：各變量含義可由電力價(jià)格響應(yīng)類比；Egas為氣量氣價(jià)彈性矩陣。

1.2 熱力需求響應(yīng)

熱力需求響應(yīng)中溫度具有延遲性[18]，因此在一定范圍內(nèi)對(duì)于用戶不會(huì)產(chǎn)生太大影響。供熱系統(tǒng)的溫度特性可根據(jù)數(shù)據(jù)挖掘或物理模型得到，其供熱溫度自回歸滑動(dòng)平均(ARMA)模型為

(15)

(16)

2 考慮IDR的RIES運(yùn)行優(yōu)化模型

RIES結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要包括風(fēng)力發(fā)電機(jī)組、太陽(yáng)能電池陣列、CHP機(jī)組、電鍋爐、蓄電池、儲(chǔ)氣設(shè)備和蓄熱罐。在冬季CHP機(jī)組單獨(dú)出力易導(dǎo)致棄風(fēng)、棄光現(xiàn)象，因此，增加蓄熱電鍋爐、蓄電池和P2G設(shè)備。風(fēng)、光余量用于儲(chǔ)電、供熱/蓄熱、制氣/儲(chǔ)氣；電負(fù)荷由電力網(wǎng)、風(fēng)機(jī)、光伏、CHP機(jī)組和蓄電池供給；熱負(fù)荷由熱力網(wǎng)、太陽(yáng)能、CHP機(jī)組余熱、電鍋爐和蓄熱罐供給；氣負(fù)荷由天然氣網(wǎng)、P2G設(shè)備和儲(chǔ)氣設(shè)備供給；將電、熱、氣需求響應(yīng)靈活參與RIES中，各儲(chǔ)/產(chǎn)設(shè)備相互協(xié)調(diào)工作，實(shí)現(xiàn)RIES經(jīng)濟(jì)效益最優(yōu)[19]。

圖1RIES運(yùn)行結(jié)構(gòu)圖Fig.1Operation structure of RIES

2.1 目標(biāo)函數(shù)

RIES運(yùn)行優(yōu)化目標(biāo)包含微燃機(jī)消耗天然氣的成本、購(gòu)買天然氣成本、購(gòu)買電力成本、風(fēng)機(jī)和光伏棄用費(fèi)用、微燃機(jī)排放氣體治理費(fèi)用。本文優(yōu)化調(diào)度周期為24 h，以1 h為單位時(shí)間間隔，各設(shè)備之間按照需求側(cè)響應(yīng)出力，使RIES運(yùn)行成本最小。RIES經(jīng)濟(jì)性目標(biāo)函數(shù)為

minF=FX+Fwp+Fe+Fg+Fem，

(17)

(18)

(19)

(20)

(21)

2.2 約束條件

2.2.1 能量轉(zhuǎn)換設(shè)備約束

(1)CHP約束[20]。CHP主要包含微燃機(jī)和溴冷機(jī)。微燃機(jī)燃燒天然氣進(jìn)行發(fā)電，排出的高溫?zé)煔饨?jīng)過(guò)溴冷機(jī)用于取暖和供應(yīng)生活熱水[21]。熱電模型為

(22)

(2)電鍋爐約束。

(23)

(24)

(25)

(26)

(3)P2G設(shè)備約束。

(27)

(28)

2.2.2 電、熱、氣儲(chǔ)能約束

電、熱、氣儲(chǔ)存設(shè)備在價(jià)格低谷時(shí)進(jìn)行儲(chǔ)能，可有效提高系統(tǒng)靈活性及運(yùn)行成本。

(29)

(30)

(31)

(32)

(33)

(34)

(35)

(36)

2.2.3 與網(wǎng)絡(luò)交互功率約束

(37)

(38)

2.2.4 能量平衡約束

(1)電負(fù)荷平衡約束。

(39)

(2)熱負(fù)荷平衡約束。

熱力傳輸具有延遲性以及供熱舒適度具有模糊性，則溫度在一定范圍內(nèi)即可。其約束如下：

(40)

(3)氣負(fù)荷平衡約束。

3 算例分析

3.1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

為了驗(yàn)證本文所提模型的有效性，選取我國(guó)某區(qū)域綜合能源系統(tǒng)。以24 h為調(diào)度時(shí)長(zhǎng)，單位調(diào)度時(shí)間為1 h。圖2為電、熱、氣負(fù)荷預(yù)測(cè)曲線和風(fēng)電、光伏預(yù)測(cè)出力曲線。電力和天然氣自彈性系數(shù)分別取為-0.1，-0.581，交叉彈性系數(shù)均取為0.03。用戶峰時(shí)段為10:00—14:00、17:00—21:00；平時(shí)段為8:00—10:00、14:00—17:00、21:00—22:00，谷時(shí)段為00：00—8：00，22:00—24:00。表1為設(shè)備參數(shù),表2為峰谷平電價(jià)參數(shù)[22]。

圖2 電、熱、氣負(fù)荷預(yù)測(cè)及風(fēng)電、光伏預(yù)測(cè)出力曲線

表1 RIES相關(guān)設(shè)備參數(shù)

表2 峰谷電價(jià)參數(shù)

為驗(yàn)證電轉(zhuǎn)熱技術(shù)、電轉(zhuǎn)氣技術(shù)、儲(chǔ)氣儲(chǔ)熱儲(chǔ)電設(shè)備的有效性及考慮電熱氣需求響應(yīng)的優(yōu)勢(shì)，設(shè)置以下場(chǎng)景進(jìn)行對(duì)比。

場(chǎng)景1：只含CHP機(jī)組。

場(chǎng)景2：在場(chǎng)景1的基礎(chǔ)上增加蓄熱電鍋爐。

場(chǎng)景3：在場(chǎng)景2的基礎(chǔ)上增加P2G設(shè)備和儲(chǔ)氣裝置。

場(chǎng)景4：在場(chǎng)景3的基礎(chǔ)上增加蓄電池。

場(chǎng)景5：在場(chǎng)景4的基礎(chǔ)上考慮電力需求響應(yīng)。

場(chǎng)景6：在場(chǎng)景5的基礎(chǔ)上考慮熱力需求響應(yīng)。

場(chǎng)景7：在場(chǎng)景6的基礎(chǔ)上考慮天然氣需求響應(yīng)。

結(jié)果分析如圖3所示。

圖3 場(chǎng)景1～4微燃機(jī)的出力直方圖

由圖3可知，在場(chǎng)景2～4下，CHP機(jī)組在時(shí)段00：00—10：00和時(shí)段20：00—24：00 CHP機(jī)組的出力波動(dòng)相對(duì)于場(chǎng)景1較小，可知，在采用蓄熱電鍋爐后，大大降低了CHP機(jī)組的出力，天然氣的消耗量降低。

由圖4可知，在時(shí)段00：00—7：00和20：00—24：00之間，由于熱負(fù)荷需求較大，蓄熱電鍋爐滿負(fù)荷運(yùn)行。蓄熱電鍋爐通過(guò)在不同時(shí)段進(jìn)行儲(chǔ)熱和放熱，與其他設(shè)備之間協(xié)同運(yùn)行，以達(dá)到運(yùn)行效益最高的目的。

圖4 場(chǎng)景2～4蓄熱電鍋爐出力和儲(chǔ)熱/放熱功率直方圖

由圖5可知，在夜晚期間風(fēng)力較足，CHP機(jī)組出力減小，天然氣消耗量降低，P2G設(shè)備出力較大，轉(zhuǎn)化的天然氣較多，場(chǎng)景4與場(chǎng)景1相比，購(gòu)買天然氣的量降低。

圖5 場(chǎng)景1～4購(gòu)氣量直方圖

在場(chǎng)景4下設(shè)備功率和儲(chǔ)能設(shè)備運(yùn)行曲線如圖6～7所示，在23：00—24：00時(shí)段，供熱較大，蓄熱電鍋爐直接給需求側(cè)供熱不存在蓄熱，儲(chǔ)氣裝置儲(chǔ)氣量增長(zhǎng)；P2G設(shè)備、蓄電池以及蓄熱電鍋爐均接近滿負(fù)荷運(yùn)行，CHP機(jī)組的出力大大降低，減少了天然氣的消耗量，達(dá)到減排目的，降低了治理費(fèi)用。蓄電池主要在電負(fù)荷、電價(jià)低谷時(shí)充電，在用電高峰時(shí)放電，使經(jīng)濟(jì)效益最大化。

圖6 場(chǎng)景4各設(shè)備出力功率直方圖

圖7 場(chǎng)景4各儲(chǔ)能設(shè)備儲(chǔ)量直方圖

在場(chǎng)景5中，電價(jià)在峰時(shí)段減少用電負(fù)荷，在電價(jià)谷時(shí)段增加電負(fù)荷，一方面供給需求側(cè)，另一方面蓄電池進(jìn)行充電，蓄電池在峰時(shí)段進(jìn)行放電，減少系統(tǒng)供電成本。

在場(chǎng)景6中，電價(jià)在峰時(shí)段時(shí)降低供熱負(fù)荷，蓄熱電鍋爐出力下降，電負(fù)荷需求量降低，在電價(jià)谷時(shí)段增加熱負(fù)荷，多余的熱負(fù)荷存儲(chǔ)在蓄熱罐中，降低供熱成本。

在場(chǎng)景7中，電價(jià)谷時(shí)段購(gòu)電，P2G設(shè)備出力產(chǎn)生天然氣，降低天然氣購(gòu)買成本。

不同場(chǎng)景下需求側(cè)電、熱、氣負(fù)荷曲線如圖8～10所示。

從圖8～10可以看出，考慮需求側(cè)響應(yīng)與未考慮需求側(cè)響應(yīng)相比，負(fù)荷曲線波動(dòng)較小，考慮多種需求側(cè)響應(yīng)和考慮單一需求側(cè)響應(yīng)相比,負(fù)荷曲線波動(dòng)更小，降低了需求側(cè)電、熱、氣負(fù)荷的谷峰差，達(dá)到削峰填谷的目的。

圖8 場(chǎng)景4～7需求側(cè)電力負(fù)荷曲線

圖9 場(chǎng)景4～7需求側(cè)熱力負(fù)荷曲線

圖10 場(chǎng)景4～7需求側(cè)氣負(fù)荷曲線

3.2 經(jīng)濟(jì)效益分析

表3為各種場(chǎng)景下所需費(fèi)用明細(xì)。由表3可知，在場(chǎng)景1的基礎(chǔ)上增加蓄熱電鍋爐使微燃機(jī)出力下降，天然氣消耗量減少了33.31 kW·h，碳排放降低，棄風(fēng)、棄光減少了29.53 kW·h，運(yùn)行總費(fèi)用降低了0.26萬(wàn)元。在場(chǎng)景2的基礎(chǔ)上增加P2G設(shè)備可產(chǎn)生天然氣，購(gòu)氣量減少4.60 kW·h，棄風(fēng)、棄光減少了6.86 kW·h，運(yùn)行總費(fèi)用降低了0.13萬(wàn)元。在場(chǎng)景3的基礎(chǔ)上增加蓄電池，在不同時(shí)刻進(jìn)行充放電，購(gòu)氣量減少0.52 kW·h，棄風(fēng)、棄光減少1.34 kW·h，運(yùn)行總費(fèi)用降低了0.06萬(wàn)元。在場(chǎng)景4基礎(chǔ)上單一考慮電需求側(cè)響應(yīng)，棄風(fēng)、棄光減少了1.04 kW·h，購(gòu)氣、購(gòu)電量也有所下降，運(yùn)行總費(fèi)用降低了0.03萬(wàn)元。在場(chǎng)景5的基礎(chǔ)上考慮多種負(fù)荷需求側(cè)響應(yīng)，棄風(fēng)、棄光、購(gòu)氣量、購(gòu)電量和運(yùn)行總費(fèi)用相比于只考慮單一負(fù)荷需求側(cè)響應(yīng)有所降低。綜上可知，場(chǎng)景7為最佳運(yùn)行。

表3 場(chǎng)景1～7下棄風(fēng)電量、棄光電量、購(gòu)電量、購(gòu)氣量及總費(fèi)用

4 結(jié) 論

為了分析含電、熱、氣負(fù)荷和儲(chǔ)/產(chǎn)能設(shè)備的RIES中綜合需求側(cè)響應(yīng)對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行的影響，提出了一種考慮IDR的多儲(chǔ)能RIES運(yùn)行優(yōu)化模型，通過(guò)算例分析驗(yàn)證了該模型的有效性，得到結(jié)論如下。

(1)依次加入不同儲(chǔ)能設(shè)備，相比單一儲(chǔ)能，多種儲(chǔ)能的加入可有效減少棄風(fēng)、棄光現(xiàn)象及提高RIES可靠性與經(jīng)濟(jì)性。

(2)考慮多種需求側(cè)響應(yīng)比考慮單一需求側(cè)響應(yīng)具有削峰填谷的作用，降低了運(yùn)行成本。

(3)在含多種儲(chǔ)能設(shè)備的RIES中進(jìn)一步考慮綜合需求側(cè)響應(yīng)，可以增加能量供給，減少購(gòu)電、購(gòu)氣量以及系統(tǒng)總運(yùn)行成本。