張鴻宇，凡海波，方 輝，彭敏放

（1.湖南大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，長沙 410082；2.江西核電有限公司，江西 332000；3.江核能源有限公司，南昌 330000）

近年來，隨著我國現(xiàn)代化建設(shè)的持續(xù)加快，我國的能源消耗總量逐年增加[1]。目前我國仍是一個以煤炭等化石能源為主的國家[2]，大量化石能源的消耗使其儲量日漸枯竭的同時，對我國的生態(tài)環(huán)境也造成了極大的破壞[3]。并且由于我國的能源供應(yīng)模式以能源分供模式為主，異質(zhì)能源之間無法進(jìn)行協(xié)調(diào)規(guī)劃和互補(bǔ)利用，導(dǎo)致我國的能源利用率較低，單位國內(nèi)生產(chǎn)總值能耗偏高。因此，為解決能源危機(jī)，降低我國的碳排放量，國家大力推動能源清潔低碳安全高效利用。

十三屆全國人大四次會議上的《政府工作報告》中指出，要將“加快發(fā)展方式綠色轉(zhuǎn)型，協(xié)同推進(jìn)經(jīng)濟(jì)高質(zhì)量發(fā)展和生態(tài)環(huán)境高水平保護(hù)，單位國內(nèi)生產(chǎn)總值能耗和二氧化碳排放分別降低13.5%、18%”作為“十四五”時期的主要目標(biāo)任務(wù)；將“扎實做好碳達(dá)峰、碳中和各項工作，制定2030年前碳排放達(dá)峰行動方案”作為2021年的重點工作。因此，為了提高我國的能源利用率，降低我國的碳排放量，以風(fēng)、光等清潔能源為主的綜合能源系統(tǒng)IES（integrated energy system）逐漸成為專家學(xué)者研究的重點[4]。綜合能源系統(tǒng)耦合了電力系統(tǒng)、熱力系統(tǒng)和天然氣系統(tǒng)，依托互聯(lián)通信技術(shù)，在實現(xiàn)異質(zhì)能源間協(xié)調(diào)規(guī)劃和互補(bǔ)利用的同時，滿足了系統(tǒng)內(nèi)多元化的用能需求，有效提升了能源利用率，降低了碳排放量[5]。

目前，針對IES優(yōu)化調(diào)度的研究取得了一定的成果。文獻(xiàn)[6]總結(jié)了冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)的常用設(shè)備，提出了多能源微網(wǎng)系統(tǒng)通用建模方法。文獻(xiàn)[7]在原有研究的基礎(chǔ)上將熱泵和儲熱裝置引入到冷熱電聯(lián)供型微網(wǎng)中，提高了系統(tǒng)調(diào)節(jié)的靈活性。文獻(xiàn)[8]重點研究了IES系統(tǒng)中電儲能裝置的經(jīng)濟(jì)調(diào)度作用，提出了計及附加機(jī)會收益的動態(tài)調(diào)度模型，提高了系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)效益。文獻(xiàn)[9]將P2G技術(shù)引入電-氣互聯(lián)系統(tǒng)中，將冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)拓展為電-熱-氣互聯(lián)系統(tǒng)，并考慮了大氣污染的時空擴(kuò)散現(xiàn)象，建立了環(huán)境經(jīng)濟(jì)優(yōu)化模型。文獻(xiàn)[6-9]主要側(cè)重于通過優(yōu)化IES的供能側(cè)架構(gòu)來提高系統(tǒng)的能源利用率和經(jīng)濟(jì)效益，并未考慮需求響應(yīng)對IES運(yùn)行調(diào)度的影響。因此在對IES的進(jìn)一步研究中，有學(xué)者在現(xiàn)有供能側(cè)架構(gòu)的基礎(chǔ)上，研究了需求響應(yīng)對IES運(yùn)行調(diào)度的影響。文獻(xiàn)[10]將熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)和需求響應(yīng)相結(jié)合，提出了一種多微網(wǎng)混合能源共享框架。文獻(xiàn)[11]將直接負(fù)荷控制引入IES的優(yōu)化運(yùn)行中，研究了需求響應(yīng)對系統(tǒng)優(yōu)化運(yùn)行的影響，構(gòu)建了包含系統(tǒng)供能側(cè)和用戶側(cè)直接負(fù)荷控制的綜合優(yōu)化模型。文獻(xiàn)[12]提出了一種基于綜合需求響應(yīng)和博弈的兩階段多主體聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度策略對IES進(jìn)行優(yōu)化調(diào)度。文獻(xiàn)[10-12]考慮了需求響應(yīng)對IES運(yùn)行調(diào)度的影響，進(jìn)一步優(yōu)化了IES的調(diào)度策略。但這些研究的主要側(cè)重點在于如何利用需求響應(yīng)提高系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)效益，較少考慮需求響應(yīng)導(dǎo)致用戶的用能習(xí)慣發(fā)生了改變，影響了用戶的用能體驗。在文獻(xiàn)[6-12]的供能側(cè)架構(gòu)中，熱電耦合模塊主要選用燃?xì)鈾C(jī)組或燃煤機(jī)組，這些機(jī)組在產(chǎn)熱產(chǎn)電的同時，也產(chǎn)生了大量的含碳化合物，增加了系統(tǒng)的碳排放量。為此，文獻(xiàn)[13]將利用光熱發(fā)電的光熱電站引入綜合能源系統(tǒng)中，作為熱電耦合設(shè)備參與系統(tǒng)的優(yōu)化調(diào)度，有效降低了系統(tǒng)的碳排放量。上述文獻(xiàn)在對IES進(jìn)行調(diào)度時，系統(tǒng)中異質(zhì)能源的調(diào)度時間尺度一致，并未考慮異質(zhì)能源在供需平衡、響應(yīng)時間等方面的差異。

基于以上研究背景，本文從IES供能側(cè)和IES用戶側(cè)兩個角度研究IES的優(yōu)化運(yùn)行。首先在IES供能側(cè)，選用光熱電站作為系統(tǒng)的熱電耦合模塊配合其他能源設(shè)備組成IES供能系統(tǒng)，實現(xiàn)了系統(tǒng)的零碳排放；然后在IES用戶側(cè)，考慮柔性電負(fù)荷參與需求響應(yīng)以及用戶對熱能的變化不敏感等因素，提出了負(fù)荷偏離度的概念并建立數(shù)學(xué)模型來衡量用戶實際用能情況偏離用戶理想用能情況的程度；接著考慮電、熱、氣3種能源之間的特性差異，采用混合時間尺度對IES進(jìn)行調(diào)度；最后利用NSGA-II算法對IES優(yōu)化調(diào)度模型進(jìn)行求解，并通過算例分析驗證了該模型的可行性與合理性。

1 綜合能源系統(tǒng)的構(gòu)成

綜合能源系統(tǒng)由供能側(cè)和用戶側(cè)兩部分組成。在供能側(cè)，系統(tǒng)采用100%清潔能源進(jìn)行供能進(jìn)而達(dá)到系統(tǒng)零碳排放的目的；在用戶側(cè)，對電負(fù)荷進(jìn)行了分類，使用戶在參與需求響應(yīng)的同時可以兼顧用戶的用能體驗。綜合能源系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 綜合能源系統(tǒng)架構(gòu)Fig.1 Architecture of IES

系統(tǒng)中的電能主要由風(fēng)力發(fā)電、光伏發(fā)電、儲電裝置和光熱電站提供，當(dāng)系統(tǒng)中產(chǎn)生的電能大于負(fù)荷需求時，多余電能可存入儲電裝置中或出售給電網(wǎng)，當(dāng)系統(tǒng)中產(chǎn)生的電能小于負(fù)荷需求時，可向電網(wǎng)購電來滿足負(fù)荷需求。系統(tǒng)中的天然氣主要由電轉(zhuǎn)氣P2G（power to gas）裝置提供，儲氣裝置作為天然氣系統(tǒng)的調(diào)節(jié)模塊，可通過儲氣或放氣來維持天然氣系統(tǒng)的供需平衡。系統(tǒng)中的熱能主要由污水源熱泵和光熱電站中的儲熱裝置提供，污水源熱泵通過消耗電能產(chǎn)生熱能提供給熱負(fù)荷，光熱電站則作為系統(tǒng)中的熱電耦合模塊，既可將光場收集的熱能轉(zhuǎn)化為電能滿足電負(fù)荷需求，也可將多余的熱能用來滿足熱負(fù)荷需求。充分開發(fā)并利用光熱電站的熱電耦合特性，有助于提高IES的能源利用率。

1.1 供能側(cè)設(shè)備模型

IES供能側(cè)主要由風(fēng)光發(fā)電機(jī)組、光熱電站、污水源熱泵、P2G裝置以及儲能裝置組成，并且供能側(cè)連接外部電網(wǎng)，保證系統(tǒng)內(nèi)部的穩(wěn)定供能。

1）光熱電站模型

光熱電站主要由集熱系統(tǒng)、儲熱系統(tǒng)和發(fā)電系統(tǒng)3部分組成[14]，集熱系統(tǒng)收集太陽光熱并將熱量傳遞給導(dǎo)熱介質(zhì)，導(dǎo)熱介質(zhì)再將水加熱形成蒸氣進(jìn)而推動汽輪機(jī)發(fā)電[15]。光熱電站配備有大容量的儲熱裝置，可以根據(jù)每時段的熱電供需平衡情況進(jìn)行儲熱或放熱，在滿足發(fā)電需求的同時，提高了光熱利用率和發(fā)電機(jī)出力的靈活性。并且儲熱裝置可以在晚上繼續(xù)放熱使發(fā)電機(jī)持續(xù)發(fā)電，提高了光熱電站的供電可靠性。

光熱電站發(fā)電機(jī)的出力模型為

光熱電站儲熱裝置的模型為

式中：Pcsp,t和Hcsp,t分別為t時段光熱電站的輸出電功率和輸入熱功率；ηcsp為熱電轉(zhuǎn)換效率；為儲熱裝置在t時刻的儲熱量；σheat為儲熱裝置的自損率；Hs,t和Hr,t分別為儲熱裝置在t時段的儲熱功率和放熱功率；和分別為儲熱裝置的儲熱效率和放熱效率；Δt為調(diào)度時段。

2）儲電裝置模型

儲電裝置根據(jù)系統(tǒng)的電功率平衡情況和電網(wǎng)電價進(jìn)行充電或放電，在保證系統(tǒng)電功率平衡的同時，提高系統(tǒng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性。

式中：Eptower為儲熱裝置在t時刻的儲電量；σpower為儲電裝置的自損率；Pe,s,t和Pe,r,t分別為儲電裝置在t時段的充電功率和放電功率；和分別為儲電裝置的充電效率和放電效率。

3）污水源熱泵模型

污水源熱泵以城市污水作為熱源，通過電能驅(qū)動，借助熱泵系統(tǒng)內(nèi)部制冷劑的物態(tài)循環(huán)變化，實現(xiàn)采暖或制冷的目的。相較于其他能量轉(zhuǎn)換裝置，污水源熱泵的性能系數(shù)較高，可有效減少電能的消耗。污水源熱泵的模型為

式中：Php,t和Hhp,t分別為t時段污水源熱泵的輸入電功率和輸出熱功率；Chp為制熱系數(shù)。

4）P2G模型

P2G技術(shù)是將電能轉(zhuǎn)化為氫氣或甲烷的技術(shù)，將P2G技術(shù)運(yùn)用在IES中有助于提高風(fēng)光發(fā)電的消納水平，并且還可以吸收二氧化碳，降低系統(tǒng)周圍環(huán)境的含碳量。P2G技術(shù)主要包含電解水和氫氣甲烷化兩個步驟，反應(yīng)過程為

式中：PP2G,t和VCH4,t分別為t時段P2G裝置的電功率及生成甲烷的體積；ηP2G為P2G裝置的效率；CCH4為天然氣熱值。

5）儲氣裝置模型

將儲氣裝置配備在IES中，當(dāng)P2G產(chǎn)氣不足時，可通過釋放天然氣來滿足氣負(fù)荷需求，當(dāng)P2G產(chǎn)氣過剩時，可將多余的天然氣存儲起來。儲氣裝置在維持天然氣供需平衡的同時，也間接提高了系統(tǒng)風(fēng)光發(fā)電的消納水平。儲氣裝置的模型為

式中：E為儲氣裝置在t時刻的儲氣量；σgas為儲氣裝置的自損率；Pg,s,t和Pg,r,t分別為儲氣裝置在t時段的儲氣功率和放氣功率；和分別為儲氣效率和放氣效率。

1.2 用戶側(cè)負(fù)荷模型

用戶側(cè)負(fù)荷根據(jù)能源類型可分為電負(fù)荷、氣負(fù)荷和熱負(fù)荷，其中電負(fù)荷根據(jù)用能特性又可分為非柔性電負(fù)荷、可轉(zhuǎn)移電負(fù)荷及可中斷電負(fù)荷。在IES的優(yōu)化運(yùn)行中考慮用戶側(cè)的需求響應(yīng)以及用戶對不同能源的敏感度差異，有助于降低IES的運(yùn)行成本。

1）可轉(zhuǎn)移電負(fù)荷模型

可轉(zhuǎn)移電負(fù)荷的運(yùn)行時間可以根據(jù)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)在用戶允許的時間范圍內(nèi)進(jìn)行轉(zhuǎn)移，開始工作時不允許中斷[16]。可轉(zhuǎn)移電負(fù)荷的模型為

式中：為可轉(zhuǎn)移電負(fù)荷l在t時段的電功率；為可轉(zhuǎn)移電負(fù)荷的額定功率；為可轉(zhuǎn)移電負(fù)荷在t時段的狀態(tài)變量；Tl為可轉(zhuǎn)移電負(fù)荷完成工作所需要的時間；和分別為用戶允許可轉(zhuǎn)移電負(fù)荷工作的起始時間和結(jié)束時間。

2）可中斷電負(fù)荷模型

可中斷電負(fù)荷在運(yùn)行時可以根據(jù)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行負(fù)荷中斷和負(fù)荷轉(zhuǎn)移，相關(guān)數(shù)學(xué)模型及約束條件見文獻(xiàn)[17]。

2 系統(tǒng)運(yùn)行策略及調(diào)度方法

以光熱電站為熱電耦合模塊的IES最大的優(yōu)勢就是實現(xiàn)了供能側(cè)的零碳排放，因此在制定系統(tǒng)運(yùn)行策略時，要首先保證系統(tǒng)對于清潔能源的高效利用，在此基礎(chǔ)上，再考慮系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。并且，系統(tǒng)中有電、熱、氣3種能源，這3種能源對供需平衡和響應(yīng)速度的要求是不同的，因此采用混合時間尺度對3種能源進(jìn)行調(diào)度，提高調(diào)度方案的精細(xì)度。

2.1 系統(tǒng)運(yùn)行策略

IES中一共有3類清潔能源發(fā)電設(shè)備：風(fēng)電機(jī)組、光伏機(jī)組和光熱電站。在各個調(diào)度時段，保證這3類設(shè)備的高效發(fā)電，有利于提高系統(tǒng)的清潔能源利用率，保證系統(tǒng)供能側(cè)的零碳排放。

1）風(fēng)電、光伏機(jī)組運(yùn)行策略

風(fēng)電機(jī)組和光伏機(jī)組屬于不可控機(jī)組，在調(diào)度時段內(nèi)，采用最大功率點跟蹤控制保證其正常運(yùn)行，在系統(tǒng)調(diào)度中屬于第一優(yōu)先級。

2）光熱電站運(yùn)行策略

光熱電站因配備有大規(guī)模儲熱裝置，屬于可控型清潔能源發(fā)電設(shè)備，在系統(tǒng)調(diào)度中屬于第二優(yōu)先級。由于光熱電站的轉(zhuǎn)動慣量較大，啟動費用較為昂貴，因此在對光熱電站進(jìn)行調(diào)度時，一般不考慮對光熱電站的停機(jī)操作。在調(diào)度時段內(nèi)，當(dāng)風(fēng)電光伏出力之和大于或等于系統(tǒng)中的電負(fù)荷時，光熱電站以不低于最小運(yùn)行功率維持運(yùn)轉(zhuǎn)，此時多余的電能可向儲電裝置充電或向電網(wǎng)售電；當(dāng)風(fēng)電光伏出力之和小于系統(tǒng)中的電負(fù)荷時，光熱電站優(yōu)先利用光場收集的熱能進(jìn)行發(fā)電，若還有功率缺額，則利用儲熱裝置放熱進(jìn)行發(fā)電；若光熱電站利用光場收集的熱能進(jìn)行發(fā)電且已達(dá)最大運(yùn)行功率，多余的熱能將存儲在儲熱裝置中。

3）儲電裝置運(yùn)行策略

儲電裝置控制簡便，出力靈活，與光熱電站相比，儲電裝置的響應(yīng)速度更快，可及時彌補(bǔ)功率缺額，因此在系統(tǒng)調(diào)度中屬于第三優(yōu)先級。在調(diào)度時段內(nèi)，當(dāng)風(fēng)電、光伏及光熱電站出力之和大于或等于系統(tǒng)中的電負(fù)荷時，若此時電網(wǎng)電價較高，多余電能可出售給電網(wǎng)獲取利潤，若此時電網(wǎng)電價較低，多余電能可向儲電裝置充電；當(dāng)風(fēng)電、光伏及光熱電站出力之和小于系統(tǒng)中的電負(fù)荷時，若此時電網(wǎng)電價較高，儲電裝置放電彌補(bǔ)功率缺額，若此時電網(wǎng)電價較低，系統(tǒng)向外部電網(wǎng)購電彌補(bǔ)功率缺額。由運(yùn)行策略可知，儲電裝置除了可以保證系統(tǒng)的功率平衡，還可以根據(jù)電網(wǎng)電價調(diào)整出力計劃，提高系統(tǒng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性。IES具體的運(yùn)行策略如圖2所示，圖中和分別為光熱電站的最小輸出電功率和最大輸出電功率。

圖2 IES運(yùn)行策略Fig.2 Operation strategy for IES

2.2 系統(tǒng)調(diào)度方法

在對IES進(jìn)行優(yōu)化調(diào)度時，考慮了電、熱、氣3種能源的特性差異。電力系統(tǒng)供需兩端要時刻保持平衡，短時間的電能不平衡就可能導(dǎo)致電網(wǎng)電壓跌落，影響電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。熱能與天然氣相較于電能而言具有較大的慣性[18]，能量調(diào)度與響應(yīng)速度較慢，且短時間的熱能不平衡或天然氣不平衡對系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行影響較小。因此，相較于熱能和天然氣而言，電能的調(diào)度時段應(yīng)該更加精細(xì)化。綜合以上分析，本文采用混合時間尺度對IES進(jìn)行優(yōu)化調(diào)度，其中電力系統(tǒng)1天內(nèi)有96個調(diào)度時段（每時段15 min），熱力系統(tǒng)和天然氣系統(tǒng)1天內(nèi)有24個調(diào)度時段（每時段1 h）。調(diào)度流程如圖3所示。

3 IES多目標(biāo)優(yōu)化調(diào)度模型

本文從IES供能側(cè)和用戶側(cè)兩個角度研究IES的優(yōu)化調(diào)度，建立兼顧經(jīng)濟(jì)性和用戶用能體驗的優(yōu)化調(diào)度模型。

3.1 目標(biāo)函數(shù)

本文以IES供能側(cè)運(yùn)維成本最低和IES用戶側(cè)負(fù)荷偏離度最低為雙重目標(biāo)，目標(biāo)函數(shù)為

式中：fc為IES供能側(cè)運(yùn)維成本，fd為IES用戶側(cè)負(fù)荷偏離度。

式中：、和分別為電力系統(tǒng)、熱力系統(tǒng)和天然氣系統(tǒng)的運(yùn)維成本；Tgrid、Theat和Tgas分別為電力系統(tǒng)、熱力系統(tǒng)和天然氣系統(tǒng)的調(diào)度周期；Pw,t、PPV,t、Pcsp,t、Pgrid,t、Pcell,r,t和Pcell,s,t分別為t時段內(nèi)的風(fēng)力發(fā)電功率、光伏發(fā)電功率、光熱電站輸出電功率、電網(wǎng)交互功率、儲電裝置放電功率和充電功率；αw、αPV、αcsp和αcell分別為風(fēng)機(jī)、光伏板、光熱電站和儲電裝置的單位功率維護(hù)成本；βt為t時段內(nèi)的電價；μcell為儲電裝置的狀態(tài)變量；Hhp,t、Hr,t和Hs,t分別為t時段內(nèi)的熱泵功率、儲熱裝置放熱功率和儲熱功率；αhp和αsh分別為熱泵和儲熱裝置的單位功率維護(hù)成本；μsh為儲熱裝置的狀態(tài)變量；PP2G,t、Pg,r,t和Pg,s,t分別為t時段內(nèi)的P2G功率、儲氣裝置放氣功率和儲氣功率；αP2G和αg分別為P2G和儲氣裝置的單位功率維護(hù)成本；μg為儲氣裝置的狀態(tài)變量。

本文用負(fù)荷偏離度來衡量用戶的用能體驗，相比于熱負(fù)荷偏離度，電負(fù)荷偏離度對用戶的用能體驗影響更大，因此認(rèn)為電負(fù)荷偏離度與熱負(fù)荷偏離度對用戶負(fù)荷偏離度的影響權(quán)重比為7：3，即

式中：fd,e為電負(fù)荷偏離度；fd,h為熱負(fù)荷偏離度。

在電力需求側(cè)，由于柔性電負(fù)荷（可轉(zhuǎn)移負(fù)荷以及可中斷負(fù)荷）參與基于電價的需求響應(yīng)，使得一些用戶的用電情況發(fā)生了改變。以往關(guān)于需求響應(yīng)參與系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度的研究中，安排柔性電負(fù)荷工作時間的主要方式是根據(jù)系統(tǒng)的調(diào)度指令從用戶給定的時間段內(nèi)選擇一個工作時間使柔性電負(fù)荷完成工作，用戶對柔性電負(fù)荷的理想用電時間就包含在這個時間段內(nèi)。而調(diào)度指令往往是根據(jù)系統(tǒng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性發(fā)出的，并且認(rèn)為只要在這個時間段內(nèi)讓柔性電負(fù)荷完成工作，就不會影響用戶的用能體驗。在此基礎(chǔ)上，本文對柔性電負(fù)荷的工作時間進(jìn)行了區(qū)分和細(xì)化，認(rèn)為在用戶給定的時間段內(nèi)，柔性電負(fù)荷的實際工作時間距離用戶的理想用電時間越近，用戶的用能體驗越好；柔性電負(fù)荷的實際工作時間距離用戶的理想用電時間越遠(yuǎn)，用戶的用能體驗越差。本文把柔性電負(fù)荷的實際用電時間偏離理想用電時間的程度，稱為電負(fù)荷偏離度，計算公式為

式中：、和分別為用戶k的第m個柔性電負(fù)荷的實際起始用電時間、理想起始用電時間和允許起始用電時間；、和分別為用戶k的第m個柔性電負(fù)荷的實際結(jié)束用電時間、理想結(jié)束用電時間和允許結(jié)束用電時間；M為柔性電負(fù)荷總數(shù)；K為用戶總數(shù)。

在熱力需求側(cè)，由于能源特性的差異，用戶對熱能變化的敏感度不如電能變化的敏感度，因此熱能供應(yīng)不需要實時滿足熱負(fù)荷需求，只要將其保持在一定范圍內(nèi)即可。但實際供熱量如果偏離理想供熱量的程度過大，也會給用戶帶來不適。本文把實際供熱量偏離用戶理想供熱量的程度，稱為熱負(fù)荷偏離度，其計算公式為

式中：、和分別為用戶k在t時段內(nèi)的實際供熱量、理想供熱量和最低供熱量。

3.2 約束條件

（1）電功率平衡約束為

式中，Pload,t為t時段的電負(fù)荷功率。

（2）天然氣平衡約束為

式中，Pg,load,t為t時段的天然氣負(fù)荷功率。

（3）熱功率平衡約束為

式中：Hr,out,t和Hs,out,t分別為光熱電站儲熱裝置在t時段內(nèi)的外部放熱功率和外部儲熱功率；Hload,t為t時段內(nèi)的熱負(fù)荷功率。

（4）光熱電站出力約束為

式中：Hsun,t為光場在t時段內(nèi)收集的熱功率；Hr,in,t和Hs,in,t分別為光熱電站儲熱裝置在t時段內(nèi)的內(nèi)部放熱功率和內(nèi)部儲熱功率；和分別為光熱電站的最小輸出電功率和最大輸出電功率；和分別為光熱電站的最大向上爬坡速率和最大向下爬坡速率。

（5）儲電裝置約束為

式中：和為儲電裝置的最大放電功率和最大充電功率；為儲電裝置的最大容量。

（6）儲熱裝置約束為

式中：和分別為儲熱裝置的最大放熱功率和最大儲熱功率；為裝置的最大儲熱量。

（7）污水源熱泵出力約束為

式中，為污水源熱泵的最大輸入電功率。（8）P2G裝置出力約束

式中，為P2G裝置的最大輸入電功率。

（9）儲氣裝置約束為

式中：P和為儲氣裝置的最大放氣功率和最大儲氣功率；為儲氣裝置的最大容量。

（10）聯(lián)絡(luò)線功率約束為

式中，為IES與電網(wǎng)之間的最大傳輸功率。

為保證雙重目標(biāo)的獨立性，本文采用NSGA-II算法[19]對IES優(yōu)化調(diào)度模型求解。

4 算例分析

4.1 算例數(shù)據(jù)概述

某區(qū)域綜合能源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中，風(fēng)機(jī)和光伏板的單位功率維護(hù)成本均為0.2元儲電裝置的單位功率維護(hù)成本為0.015元，IES與電網(wǎng)之間的最大傳輸功率為1 500 kW；非柔性電負(fù)荷、風(fēng)電機(jī)組出力、光伏機(jī)組出力等數(shù)據(jù)如圖4所示；熱負(fù)荷與氣負(fù)荷的數(shù)據(jù)如圖5所示；其他能源設(shè)備的相關(guān)參數(shù)及數(shù)據(jù)如表1所示。電網(wǎng)電價采用分時電價：22：00至7：00，電網(wǎng)電價為0.35元；7：00至10：00以及14：00至17：00，電網(wǎng)電價為0.55元；10：00至14：00以及17：00至22：00，電網(wǎng)電價為0.85元。

圖4 電負(fù)荷與能源設(shè)備出力數(shù)據(jù)Fig.4 Data of electric load and energy equipment output

圖5 熱負(fù)荷與氣負(fù)荷數(shù)據(jù)Fig.5 Data of heat and gas load

表1 能源設(shè)備基本參數(shù)Tab.1 Basic parameters of energy equipment

在用戶側(cè)，以冬季某日的優(yōu)化運(yùn)行為例，該區(qū)域共500戶家庭，按照用能習(xí)慣將500戶家庭分為A、B、C、D、E五類，每類家庭100戶。每戶家庭涉及的柔性電負(fù)荷有洗衣機(jī)、洗碗機(jī)、電飯鍋、烘干機(jī)和掃地機(jī)。其中，洗衣機(jī)、洗碗機(jī)、電飯鍋和烘干機(jī)的額定功率分別為0.3 kW、1 kW、0.9 kW和1.4 kW，工作時長均為1 h，工作時不允許中斷；掃地機(jī)的額定功率為0.5 kW，充電時長為4 h，最大允許中斷次數(shù)為1，最短中斷時間和最短充電時間均為1 h。各類家庭的用能時間如表2所示。

表2 用能時間表Tab.2 Energy consumption schedule

4.2 算例結(jié)果分析

首先對IES的優(yōu)化調(diào)度情況進(jìn)行分析，以實現(xiàn)系統(tǒng)運(yùn)維成本最低的調(diào)度計劃為例，系統(tǒng)電功率平衡圖如圖6所示，系統(tǒng)熱功率平衡圖如圖7所示，天然氣平衡圖如圖8所示。

圖6 電功率平衡Fig.6 Electric power balance

圖7 熱功率平衡Fig.7 Thermal power balance

圖8 天然氣平衡Fig.8 Natural gas balance

由圖6所示，在1-16時段，風(fēng)機(jī)出力大于系統(tǒng)電負(fù)荷，所以此時段內(nèi)光熱電站出力較小，發(fā)電功率維持在最小發(fā)電功率附近，多余電量一部分出售給電網(wǎng)獲取利潤，另一部分向儲電裝置充電。在2、3、4和12時段，雖然系統(tǒng)發(fā)電量大于電負(fù)荷，但依舊發(fā)生了系統(tǒng)向電網(wǎng)購電的行為，這是因為在此時段內(nèi)，電網(wǎng)電價最低，系統(tǒng)向電網(wǎng)購電并儲存在儲電裝置中，是儲電裝置“低儲高放”的經(jīng)濟(jì)性體現(xiàn)。17-28時段，由于P2G耗電量的增加，系統(tǒng)電負(fù)荷升高，此時風(fēng)機(jī)發(fā)電量已經(jīng)小于系統(tǒng)電負(fù)荷，但由于此時段內(nèi)光照依然很弱，光熱電站出力所需的熱量主要來自儲熱裝置放熱，因此光熱電站的出力受到了儲熱裝置放熱功率的限制，并不能彌補(bǔ)功率缺額，并且17-28時段的電網(wǎng)電價依舊最低，儲電裝置仍為充電狀態(tài)，故在此時段內(nèi)，系統(tǒng)主要依靠向電網(wǎng)購電來彌補(bǔ)功率缺額。29-40時段，風(fēng)機(jī)發(fā)電量逐漸變小，光照強(qiáng)度越來越強(qiáng)，光伏出力及光熱電站出力逐漸增加，并且此時段內(nèi)電網(wǎng)電價中等，儲電裝置切換為放電狀態(tài)。但由于電負(fù)荷依舊在逐漸增加，并且光熱電站也未達(dá)到最大功率運(yùn)行狀態(tài)，因此系統(tǒng)仍需要向電網(wǎng)購電來彌補(bǔ)功率缺額。41-68時段，光熱電站所需熱量來自光場收集的熱能和儲熱裝置釋放的熱能，達(dá)到最大功率運(yùn)行狀態(tài)，并且此時段內(nèi)電網(wǎng)電價較高，儲電裝置維持在放電狀態(tài)。在此時段內(nèi)，若系統(tǒng)發(fā)電量大于系統(tǒng)電負(fù)荷，多余電量就出售給電網(wǎng)獲取利潤，若系統(tǒng)發(fā)電量小于系統(tǒng)電負(fù)荷，系統(tǒng)就向電網(wǎng)購電彌補(bǔ)功率缺額。69-88時段，隨著光照的減弱，光伏板不再出力，光熱電站的出力再次受到儲熱裝置放熱功率的限制，出力明顯減小。雖然風(fēng)機(jī)發(fā)電量逐漸增加，儲電裝置依舊為放電狀態(tài)，但此時段是負(fù)荷晚高峰時段，系統(tǒng)發(fā)電量依然不能滿足系統(tǒng)電負(fù)荷，需向電網(wǎng)購電彌補(bǔ)功率缺額。89-96時段，系統(tǒng)電負(fù)荷回落，電網(wǎng)電價最低，儲電裝置切換為充電模式，系統(tǒng)主要依靠風(fēng)機(jī)出力滿足電負(fù)荷需求。

圖7所示，1-5時段和20-24時段，熱泵出力一方面滿足系統(tǒng)熱負(fù)荷，另一方面向儲熱裝置充熱，這是由于此時段內(nèi)無光照，光熱電站出力完全依靠儲熱裝置放熱，因此熱泵需要向儲熱裝置充熱進(jìn)而滿足光熱電站的出力要求。并且此時段內(nèi)電網(wǎng)電價較低，利用低電價進(jìn)行儲熱是系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的體現(xiàn)。6-19時段，光熱電站主要依靠光場收集的熱能進(jìn)行發(fā)電，儲熱裝置的熱能可以用來滿足系統(tǒng)熱負(fù)荷，減小熱泵的耗電量。

圖8所示，無論是P2G出力還是儲氣裝置出力都顯得較無規(guī)律，這主要是因為氣負(fù)荷單點爆發(fā)式使用造成的。在早餐、午飯和晚餐的時段，氣負(fù)荷很高，在其他時段，氣負(fù)荷很低。所以P2G和儲氣裝置主要跟隨了氣負(fù)荷的變化特性，降低了對電網(wǎng)電價變化的敏感度。

若將供能系統(tǒng)中的光熱電站替換成燃?xì)廨啓C(jī)組，在日發(fā)電量相同的情況下，計算燃?xì)廨啓C(jī)組的天然氣消耗量、CO2排放量以及光熱電站的光能利用率等，相關(guān)數(shù)據(jù)如表3所示。其中，認(rèn)為天然氣的成分全部為甲烷，燃?xì)廨啓C(jī)組的發(fā)電效率、熱損失系數(shù)和余熱回收效率分別為0.35、0.15和0.85。氣體摩爾體積為24.5 L/mol。

表3 燃?xì)廨啓C(jī)組與光熱電站數(shù)據(jù)對比Tab.3 Data comparison between gas turbine unit and concentrating solar power plant

表3所示，在發(fā)電量相同的情況下，光熱電站的天然氣消耗量和CO2排放量均為0，而燃?xì)廨啓C(jī)卻有較高的天然氣消耗量和CO2排放量，說明了利用光熱電站發(fā)電能有效降低天然氣消耗量和碳排放量。并且光熱電站的光能利用率為93.98%，6.02%的棄光率主要是發(fā)電機(jī)的出力限制和儲熱裝置的充放熱功率限制導(dǎo)致的；而燃?xì)廨啓C(jī)卻無法利用光熱進(jìn)行發(fā)電，這說明以光熱電站為熱電耦合模塊的IES有著更高的光能利用率。

接下來分析引進(jìn)負(fù)荷偏離度對IES優(yōu)化調(diào)度的影響。利用遺傳算法對綜合能源系統(tǒng)優(yōu)化運(yùn)行模型求解，得出的Pareto解集如表4所示。

表4 Pareto解集Tab.4 Pareto solution set

表4所示，1號調(diào)度計劃是不考慮需求響應(yīng)時的調(diào)度計劃，8號調(diào)度計劃是只追求系統(tǒng)運(yùn)維成本最低的調(diào)度計劃。觀察數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，隨著負(fù)荷偏離度的逐漸增大，對應(yīng)的系統(tǒng)運(yùn)維成本逐漸變小。不難總結(jié)出負(fù)荷偏離度和系統(tǒng)運(yùn)維成本其實是一對相互制約的運(yùn)行目標(biāo)，造成這一現(xiàn)象的主要原因是因為電網(wǎng)電價較低的時段與大多數(shù)用戶的理想用電時間不重疊。因此，引進(jìn)負(fù)荷偏離度有利于平衡用戶用能體驗和系統(tǒng)運(yùn)維成本這一對相互制約的運(yùn)行目標(biāo)，避免在制定調(diào)度計劃時，一味地追求某一單目標(biāo)的最優(yōu)而使得另一目標(biāo)值很差。比如某一系統(tǒng)要求在負(fù)荷偏離度不高于0.3的基礎(chǔ)上運(yùn)維成本最低，此時3號調(diào)度計劃是最佳選擇而非8號調(diào)度計劃。

5 結(jié)語

本文將供能側(cè)的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行與用戶側(cè)的負(fù)荷偏離度相結(jié)合建立綜合能源系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度模型。在供能側(cè)，以光熱電站作為供能系統(tǒng)的熱電耦合模塊，配合其他能源設(shè)備共同構(gòu)建供能系統(tǒng)架構(gòu)，實現(xiàn)了零碳排放；在用戶側(cè)，考慮柔性電負(fù)荷參與需求響應(yīng)和用戶對熱能變化的敏感度不高等因素，建立負(fù)荷偏離度模型來衡量用戶實際用能情況偏離用戶理想用能情況的程度。此外，考慮到系統(tǒng)中3種異質(zhì)能源的特性差異，采用混合時間尺度對IES進(jìn)行調(diào)度，并使用NSGA-II算法對IES優(yōu)化調(diào)度模型進(jìn)行求解。最后，通過1個算例驗證了本文所建模型的可行性與合理性。

值得注意的是，隨著新能源的發(fā)展以及對IES優(yōu)化運(yùn)行研究的深入，會有更多IES參與到日常的能源優(yōu)化調(diào)度中，而多個IES之間能否協(xié)同管理和互補(bǔ)利用，如何對多個IES進(jìn)行優(yōu)化調(diào)度是后續(xù)研究工作的重點。