姜子卿，郝 然，艾 芊

（上海交通大學(xué) 電氣工程系，上海 200240）

0 引言

工業(yè)園區(qū)是以工業(yè)負(fù)荷為主的復(fù)雜能源系統(tǒng)，涵蓋多種產(chǎn)能／用能主體，涉及電、冷、熱等多種能源的生產(chǎn)、轉(zhuǎn)移和利用。其負(fù)荷需求量大、負(fù)荷特性復(fù)雜、供電可靠性要求高，對(duì)配用電系統(tǒng)的運(yùn)行調(diào)度提出了較高的要求［1］。但與此同時(shí)，傳統(tǒng)的工業(yè)園區(qū)缺乏用能的統(tǒng)一優(yōu)化，普遍存在能源浪費(fèi)、電能緊缺等問題，極大地影響了系統(tǒng)的運(yùn)行效率和經(jīng)濟(jì)環(huán)境效益［2］。近年來，隨著智能配電網(wǎng)技術(shù)和需求響應(yīng)技術(shù)的發(fā)展，有效的互動(dòng)機(jī)制成為解決該問題的一種極佳方案，通過發(fā)掘園區(qū)各主體的響應(yīng)潛力，使之與電網(wǎng)進(jìn)行良性互動(dòng)，能夠更好地滿足用戶用能需求，降低用能成本和提高綜合能源利用率［3］。而能源互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展使得多種能源系統(tǒng)能夠互動(dòng)響應(yīng)，從而使得建立具備多主體、多能源、多層次的工業(yè)園區(qū)綜合能源系統(tǒng)成為可能［4］。

目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)于電網(wǎng)與用戶的互動(dòng)研究已取得了一定的成果。文獻(xiàn)［5］從需求響應(yīng)相關(guān)理論入手，研究了電網(wǎng)與用戶雙向互動(dòng)的響應(yīng)機(jī)理和相關(guān)技術(shù)。文獻(xiàn)［6］在綜合考慮供應(yīng)側(cè)和需求側(cè)作用機(jī)理的基礎(chǔ)上，將需求響應(yīng)納入發(fā)電調(diào)度，建立了計(jì)及用戶側(cè)互動(dòng)的發(fā)電調(diào)度模型。文獻(xiàn)［7］通過建立基于系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的柔性負(fù)荷互動(dòng)模型，分析了互動(dòng)后各時(shí)段負(fù)荷變化量、響應(yīng)量等動(dòng)態(tài)特性。文獻(xiàn)［8］采用模糊綜合評(píng)價(jià)法對(duì)居民智能用電態(tài)度進(jìn)行量化評(píng)分，并分析了居民的用能偏好。文獻(xiàn)［9］基于風(fēng)電在不同時(shí)間尺度上誤差的不同以及對(duì)應(yīng)電網(wǎng)調(diào)節(jié)能力的差異，提出計(jì)及風(fēng)電不確定性的多時(shí)間尺度源-荷協(xié)調(diào)調(diào)度策略。上述研究工作主要著眼于以需求響應(yīng)為基礎(chǔ)的用電行為分析，而沒有考慮其他類型能源的產(chǎn)能、用能特性。

同時(shí)，對(duì)于多能源的優(yōu)化調(diào)度研究也得到了一定的發(fā)展。文獻(xiàn)［10］提出了基于電、熱負(fù)荷跟蹤策略的冷熱電聯(lián)產(chǎn)（CCHP）系統(tǒng)魯棒優(yōu)化調(diào)度方法，并用后悔值準(zhǔn)則來描述系統(tǒng)的運(yùn)行性能。文獻(xiàn)［11］在熱電聯(lián)產(chǎn)（CHP）型微電網(wǎng)中引入了熱泵裝置用于消納過剩風(fēng)電并承擔(dān)部分熱負(fù)荷，并建立了短期最優(yōu)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行模型。文獻(xiàn)［12］提出了基于室內(nèi)溫度優(yōu)化的CCHP系統(tǒng)和風(fēng)電聯(lián)合日前調(diào)度方法，能夠有效地解決產(chǎn)熱量較大時(shí)棄風(fēng)量較大的問題。文獻(xiàn)［13］提出了一種新型的熱電機(jī)組組合和調(diào)度仿真方法，能夠有效地評(píng)估大規(guī)模風(fēng)電在成本、可靠性方面對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行的影響。文獻(xiàn)［14］以供電和供熱總煤耗最低為目標(biāo)，建立了含儲(chǔ)熱的電力系統(tǒng)電熱綜合調(diào)度模型。文獻(xiàn)［15］提出了一種微電網(wǎng)能量管理框架，用于實(shí)現(xiàn)微電網(wǎng)各主體的聯(lián)合運(yùn)行優(yōu)化，同時(shí)考慮了價(jià)格型需求響應(yīng)。此類文獻(xiàn)多針對(duì)以CCHP系統(tǒng)為產(chǎn)能主體的微電網(wǎng)或其他自治性系統(tǒng)，以系統(tǒng)自身調(diào)度經(jīng)濟(jì)性為目標(biāo)，并沒有考慮其與電網(wǎng)或其他主體的互動(dòng)，也沒有涉及負(fù)荷側(cè)對(duì)多能源的響應(yīng)行為。

目前對(duì)多能源背景下的需求響應(yīng)也有一定的研究。文獻(xiàn)［16］通過系統(tǒng)模糊電價(jià)的計(jì)算求取柔性負(fù)荷響應(yīng)后的負(fù)荷改變量，提出了多能互補(bǔ)的綜合目標(biāo)函數(shù)對(duì)多能出力進(jìn)行調(diào)度。文獻(xiàn)［17］建立了以聯(lián)供系統(tǒng)與負(fù)荷曲線的聯(lián)合滿意度為目標(biāo)的雙向峰谷定價(jià)模型，激勵(lì)CCHP系統(tǒng)參與需求側(cè)管理。文獻(xiàn)［18］以成本和排放最小為目標(biāo)，提出了基于CHP的微電網(wǎng)多目標(biāo)能量管理模型，并考慮了電價(jià)型需求響應(yīng)。但上述文獻(xiàn)并沒有考慮用戶對(duì)多類型能源的需求特性和需求之間的轉(zhuǎn)化。

目前的研究工作較少涉及不同類型能源需求間的相互影響和廣義需求側(cè)資源的統(tǒng)一優(yōu)化調(diào)度，也較少涉及工業(yè)能源系統(tǒng)的協(xié)同互動(dòng)。而通過冷、熱、電等多種能源在價(jià)格、用能特性、用能需求上的差異性和互補(bǔ)性，設(shè)計(jì)合理的工業(yè)園區(qū)多主體、多能源互動(dòng)機(jī)制，既能有效地緩解電力缺額、提高供能可靠性，又能在一定程度上擴(kuò)大各參與主體的利益，實(shí)現(xiàn)共贏。

本文以工業(yè)園區(qū)綜合能源系統(tǒng)為研究對(duì)象，在傳統(tǒng)需求響應(yīng)互動(dòng)機(jī)制的基礎(chǔ)上，將用戶對(duì)冷、熱、電等多種能源的需求納入廣義需求側(cè)資源的范疇中，考慮多能源在價(jià)格、用能、需求特性上的差異性，CCHP系統(tǒng)多能出力特性等，以最小化互動(dòng)總成本為目標(biāo)，建立了基于多能互補(bǔ)的廣義需求響應(yīng)互動(dòng)優(yōu)化模型，實(shí)現(xiàn)了電網(wǎng)、用戶與CCHP系統(tǒng)的多向互動(dòng)，并借助算例進(jìn)行了驗(yàn)證。

1 面向工業(yè)大用戶的傳統(tǒng)需求響應(yīng)機(jī)制

傳統(tǒng)的工業(yè)園區(qū)互動(dòng)機(jī)制以大工業(yè)用戶的需求響應(yīng)調(diào)度為主要內(nèi)容，涉及電網(wǎng)公司與用戶之間的雙向溝通和互動(dòng)，并以最小化調(diào)度成本為優(yōu)化目標(biāo)。

園區(qū)管理中心代表電力公司，是整個(gè)園區(qū)互動(dòng)的協(xié)調(diào)中心。在互動(dòng)過程中，管理中心結(jié)合園區(qū)能源系統(tǒng)運(yùn)行的實(shí)際情況，將互動(dòng)指標(biāo)進(jìn)行分解，然后將具體的負(fù)荷削減指令發(fā)布給底層用戶，引導(dǎo)用戶響應(yīng)。

工業(yè)負(fù)荷是工業(yè)園區(qū)的主要負(fù)荷，工業(yè)用戶負(fù)荷量大、自動(dòng)化程度高，具有很高的互動(dòng)響應(yīng)潛力。工業(yè)負(fù)荷按負(fù)荷性質(zhì)可分為生產(chǎn)性和非生產(chǎn)性負(fù)荷，其中生產(chǎn)性負(fù)荷指與生產(chǎn)產(chǎn)品直接相關(guān)的負(fù)荷，如重要的機(jī)械設(shè)備，一般不能隨意轉(zhuǎn)移和削減；非生產(chǎn)性負(fù)荷指起輔助作用的負(fù)荷，如空調(diào)、照明設(shè)備等，其重要性較低，可以根據(jù)實(shí)際情況迅速做出響應(yīng)。

在實(shí)際的互動(dòng)過程中，將工業(yè)用戶的響應(yīng)分為價(jià)格型響應(yīng)和激勵(lì)型響應(yīng)，其中前者為用戶對(duì)價(jià)格的自動(dòng)響應(yīng)，后者則由電力公司統(tǒng)一調(diào)度安排［3］。

1.1 價(jià)格型響應(yīng)

價(jià)格型響應(yīng)指用戶根據(jù)電力公司制定的分時(shí)電價(jià)來調(diào)整優(yōu)化自身的負(fù)荷計(jì)劃，從而減少其用電支出。用戶對(duì)電價(jià)的響應(yīng)行為分為本時(shí)段內(nèi)負(fù)荷的削減以及不同時(shí)段間負(fù)荷的轉(zhuǎn)移，分別用自需求彈性和互需求彈性來表征，如式（1）所示。

其中，u、v為時(shí)段，取值范圍 1～24；當(dāng) u≠v 時(shí)，E（u，v）為時(shí)段u與時(shí)段v的交叉彈性系數(shù)，當(dāng)u=v時(shí)，E（u，v）為時(shí)段u的自彈性系數(shù)；q0，u為用戶在時(shí)段u的初始電量；ρ0，v為時(shí)段 v 的初始電價(jià)；Δρv和 Δqu分別為時(shí)段v電價(jià)變化量和時(shí)段u電量變化量。

由此得到分時(shí)電價(jià)的多時(shí)段響應(yīng)模型，用戶在時(shí)段u的用電量如式（2）所示。

1.2 激勵(lì)型響應(yīng)

激勵(lì)型響應(yīng)在工業(yè)園區(qū)的雙向互動(dòng)中主要以可中斷負(fù)荷的形式實(shí)施。電力公司與大用戶簽訂用能合同，在實(shí)際運(yùn)行中根據(jù)實(shí)際負(fù)荷狀況或其他需要，向大用戶發(fā)布負(fù)荷削減指令，用戶根據(jù)自身情況響應(yīng)并削減一定量的負(fù)荷，并獲得相應(yīng)的補(bǔ)償。

用戶獲得的可中斷補(bǔ)償與自身負(fù)荷特性和生產(chǎn)情況有關(guān)，并隨著削減電量的增加而增大?？芍袛嘌a(bǔ)償費(fèi)用為：

其中，CE，i為電力公司支付給用戶i的可中斷補(bǔ)償費(fèi)用；ΔLi，t為用戶 i在時(shí)段 t的負(fù)荷削減量；T 為總時(shí)段數(shù)，若以1 h為1個(gè)時(shí)段，則一天共有24個(gè)時(shí)段，即T＝24；αi和βi為相應(yīng)系數(shù)，與用戶自身特性和失負(fù)荷成本有關(guān)。

在實(shí)際調(diào)度過程中，為了評(píng)估負(fù)荷響應(yīng)的有效性，需要確定該用戶的基線負(fù)荷。若用戶實(shí)際負(fù)荷量小于其基線負(fù)荷與要求負(fù)荷削減量的差值，則認(rèn)定本次響應(yīng)有效。

電力公司在對(duì)可中斷負(fù)荷進(jìn)行調(diào)度時(shí)，以調(diào)度總費(fèi)用最小為優(yōu)化目標(biāo)：

其中，CE為電力公司一天內(nèi)用于可中斷負(fù)荷的總支出；n為大用戶數(shù)量。

2 考慮多能互補(bǔ)的多方互動(dòng)原理

2.1 基于多能互補(bǔ)的廣義需求響應(yīng)

在具備冷、熱、電等多種能源需求的工業(yè)園區(qū)綜合能源系統(tǒng)中，用戶對(duì)多能源的需求在時(shí)間、空間、成本等方面的不同，為綜合能源系統(tǒng)多主體、多能源的互動(dòng)響應(yīng)提供了巨大的發(fā)揮空間［19］。

本文將需求響應(yīng)的概念進(jìn)行擴(kuò)充，引入基于多能互補(bǔ)的廣義需求響應(yīng)，基于多種能源系統(tǒng)在產(chǎn)能特性、供求特性以及用能特性等的差異性，通過激勵(lì)的方式刺激或誘導(dǎo)用戶改變某一種或多種能源的需求，從而對(duì)另一種能源的供求關(guān)系產(chǎn)生影響，達(dá)到削峰填谷、緩解用能緊張等目的。

引入多能互動(dòng)后，需求響應(yīng)不再僅局限于電負(fù)荷的削減或平移，還應(yīng)包括多種能源類型之間的需求轉(zhuǎn)化，CCHP系統(tǒng)、電動(dòng)汽車、儲(chǔ)能、光伏等與用戶成為廣義的需求側(cè)資源；互動(dòng)也不再僅局限于傳統(tǒng)的電力公司和用戶的雙向互動(dòng)，所有能提供或利用其他形式能源的主體成為綜合能源系統(tǒng)互動(dòng)體系中的“第三方”。基于多能互補(bǔ)的多方互動(dòng)示意圖見圖1。

圖1 基于多能互補(bǔ)的多方互動(dòng)示意圖Fig.1 Schematic diagram of multiparty interaction based on multi-energy complementation

鑒于CCHP機(jī)組可以通過以熱定電、以電定熱、以冷定電這3種方式運(yùn)行，具有較高的靈活性，因此本文主要考慮CCHP系統(tǒng)作為工業(yè)園區(qū)冷熱能源的生產(chǎn)機(jī)組和多方互動(dòng)的主體。

2.2 多能源用能特性及需求差異

基于多能互補(bǔ)的工業(yè)園區(qū)互動(dòng)建立在用戶對(duì)各類型能源的需求特性以及能源價(jià)格差異性的基礎(chǔ)上，通過整合各類資源促進(jìn)多能互補(bǔ)，降低互動(dòng)成本。

激勵(lì)CCHP系統(tǒng)參與互動(dòng)的主要方式是通過冷、熱補(bǔ)償?shù)姆绞酱碳び脩魧?duì)熱的需求。管理中心根據(jù)用戶對(duì)熱和冷的需求特性，對(duì)用戶在某時(shí)段多出原計(jì)劃熱負(fù)荷的用能成本給予部分或全部補(bǔ)償，從而增大熱、冷負(fù)荷；由于CCHP機(jī)組以以熱定電或以冷定電的方式工作，在增加熱出力的同時(shí)也增加了發(fā)電量，若冷、熱補(bǔ)償費(fèi)用低于可中斷補(bǔ)償費(fèi)用，則CCHP機(jī)組將被優(yōu)先調(diào)度，同時(shí)總調(diào)度成本將減少。

以一個(gè)簡(jiǎn)單的例子說明其原理。圖2展示了某種情況下3類廣義需求側(cè)資源的需求特性和價(jià)格關(guān)系，包括可中斷負(fù)荷的成本曲線和用戶冷、熱需求曲線。其中，可中斷負(fù)荷補(bǔ)償價(jià)格隨著負(fù)荷削減量的增加而增加；而用戶的冷、熱負(fù)荷量隨著能源價(jià)格的降低而增加。假設(shè)園區(qū)管理中心以全價(jià)補(bǔ)貼（即補(bǔ)償價(jià)格等于能源價(jià)格）的方式對(duì)用戶多用的冷、熱資源進(jìn)行補(bǔ)償，某一時(shí)段用戶的熱負(fù)荷為a，冷負(fù)荷為b，則此時(shí)調(diào)度負(fù)荷量a-d需支出的補(bǔ)償費(fèi)用低于冷、熱補(bǔ)償費(fèi)用，管理中心將優(yōu)先調(diào)用可中斷負(fù)荷；若該時(shí)段用戶熱負(fù)荷為c，則由圖2可知，此時(shí)熱補(bǔ)償價(jià)格低于可中斷負(fù)荷的最低補(bǔ)償價(jià)格，管理中心采用激勵(lì)CCHP機(jī)組增發(fā)熱能的方式更能節(jié)約互動(dòng)成本。

圖2 多能需求特性示意圖Fig.2 Schematic diagram of multi-energy demand property

實(shí)際調(diào)度中，CCHP機(jī)組增發(fā)的冷、熱出力可以分別由儲(chǔ)冷、儲(chǔ)熱裝置暫時(shí)儲(chǔ)存，并在其他時(shí)段釋放。超出儲(chǔ)能裝置儲(chǔ)存能力的冷、熱資源再通過刺激用戶需求來消納。

2.3 CCHP機(jī)組產(chǎn)能特性

以燃?xì)廨啓C(jī)為電源的CCHP系統(tǒng)，其出力特性見圖3，在產(chǎn)熱量一定時(shí)，其發(fā)電量可在一定的范圍內(nèi)調(diào)節(jié)［20］。熱電比、熱氣比等指標(biāo)均不是定值，而是隨工作狀態(tài)的變化而改變。由圖3可看出，在產(chǎn)熱量較低的工作點(diǎn)上，發(fā)電量的可調(diào)范圍相對(duì)較大；而在產(chǎn)熱量最大值附近的運(yùn)行狀態(tài)，發(fā)電量可調(diào)范圍較小。

圖3 CCHP機(jī)組熱電出力特性Fig.3 Heat-power output characteristics of CCHP unit

CCHP機(jī)組的熱電出力關(guān)系如下：

其中，Hi，t為機(jī)組 i在時(shí)段 t的熱出力；Pi，t為發(fā)電量；Hi，max為機(jī)組熱出力最大值；Pi，max為機(jī)組最大發(fā)電量；RE，U、RE，D分別為發(fā)電量向上、向下爬坡率；RH，U、RH，D分別為產(chǎn)熱量向上、向下爬坡率為系數(shù)。

CCHP機(jī)組的冷電出力關(guān)系與熱電出力關(guān)系類似，此處不再贅述。

2.4 各互動(dòng)主體收益分析

用戶參與互動(dòng)的根本動(dòng)力是利益驅(qū)動(dòng)，而通過多種能源需求之間的相互轉(zhuǎn)化和激勵(lì)，基于多能互補(bǔ)的廣義需求響應(yīng)不僅能有效提高能源利用率、降低削峰成本，還可以實(shí)現(xiàn)多方共贏。

對(duì)互動(dòng)機(jī)制的實(shí)施方而言，其總支出如式（10）所示。由于可供調(diào)度的需求側(cè)資源增多，電力公司可以優(yōu)先選擇補(bǔ)償價(jià)格較低、性價(jià)比高的資源類型進(jìn)行調(diào)度，其調(diào)度成本與單純調(diào)度可中斷負(fù)荷相比將有明顯降低。

其中，CH為熱補(bǔ)償支出；CQ為冷補(bǔ)償支出。

工業(yè)用戶也將從多能互動(dòng)中獲得客觀的收益。用戶 i的互動(dòng)收益 CL，i如式（11）所示，其主要包括三部分：由于響應(yīng)分時(shí)電價(jià)節(jié)約的電費(fèi)支出CTOU，i，獲得的可中斷負(fù)荷補(bǔ)償CE，i以及用熱、用冷補(bǔ)償。

CCHP系統(tǒng)由于互動(dòng)而增加的冷、熱出力部分由電力公司予以補(bǔ)償，同時(shí)，隨著熱出力增加而增發(fā)的電量以統(tǒng)一收購(gòu)價(jià)格賣給電力公司，或者以合同價(jià)格直接向大用戶供電。CCHP機(jī)組i的收益為：

其中，Qi，t為機(jī)組 i在時(shí)段 t的冷出力；λE為現(xiàn)行電價(jià)；λH為 CCHP機(jī)組熱價(jià)；λQ為 CCHP機(jī)組冷價(jià)；λF為天然氣價(jià)格；Fi，t=Hi，t／μH，i為所用天然氣量，μH，i為機(jī)組i的熱氣轉(zhuǎn)化效率，與產(chǎn)熱量有關(guān)。

由上述分析可知，各方的利益相較于無互動(dòng)時(shí)均有增加，假設(shè)各參與方的行為均為理性行為，則該機(jī)制能夠有效促使各方參與互動(dòng)。

3 基于多能互補(bǔ)的工業(yè)園區(qū)互動(dòng)機(jī)制

在前文需求響應(yīng)和多能需求互動(dòng)原理的基礎(chǔ)上，提出基于多能互補(bǔ)的綜合能源系統(tǒng)多方互動(dòng)機(jī)制。園區(qū)管理中心對(duì)可中斷負(fù)荷的補(bǔ)償規(guī)則與1.2節(jié)相同。對(duì)用戶的冷、熱補(bǔ)償采取全價(jià)補(bǔ)貼的方式，即用戶在原基礎(chǔ)上多用的冷、熱資源費(fèi)用全部由管理中心承擔(dān)，并支付給CCHP機(jī)組?；?dòng)的實(shí)施應(yīng)本著“公正透明”的原則，園區(qū)各主體參與互動(dòng)削減的負(fù)荷量或增發(fā)的冷熱量以及其獲得的補(bǔ)償費(fèi)用等信息應(yīng)及時(shí)公開。

3.1 互動(dòng)執(zhí)行流程

工業(yè)園區(qū)綜合能源管理中心根據(jù)園區(qū)用戶對(duì)多能源的需求及電、冷、熱等能源的生產(chǎn)特性，對(duì)廣義需求側(cè)資源進(jìn)行調(diào)度。各類主體根據(jù)自身的用能特性、響應(yīng)潛力，響應(yīng)價(jià)格信息和調(diào)度指令，調(diào)整自身負(fù)荷或產(chǎn)能計(jì)劃，從而實(shí)現(xiàn)柔性互動(dòng)?；?dòng)流程如下。

a.園區(qū)管理中心首先進(jìn)行下一日的負(fù)荷預(yù)測(cè)，或由大用戶向管理中心提交次日的電、熱、冷用能計(jì)劃。由管理中心計(jì)算是否需要啟動(dòng)互動(dòng)機(jī)制進(jìn)行削峰。

b.園區(qū)管理中心結(jié)合電、熱、冷負(fù)荷曲線和掌握的用戶用能彈性等信息，求解考慮多能互補(bǔ)的優(yōu)化互動(dòng)調(diào)度模型，得到各時(shí)段大用戶需要削減的負(fù)荷或CCHP機(jī)組需要增加的出力。

c.管理中心向用戶下發(fā)負(fù)荷削減指令，向CCHP機(jī)組下發(fā)出力增發(fā)指令。

d.用戶根據(jù)自身的實(shí)際情況，判定是否能按要求完成相應(yīng)的負(fù)荷削減指標(biāo)，并及時(shí)向管理中心反饋。

e.若存在用戶因故不能執(zhí)行負(fù)荷削減指令的情況，則管理中心根據(jù)模型重新進(jìn)行優(yōu)化調(diào)度。

f.本日的需求響應(yīng)結(jié)束后，管理中心對(duì)用戶的響應(yīng)有效性進(jìn)行判定。

g.每月根據(jù)本月各用戶的響應(yīng)情況，進(jìn)行補(bǔ)償費(fèi)用或懲罰費(fèi)用的月度結(jié)算。

3.2 互動(dòng)優(yōu)化調(diào)度模型

基于多能互補(bǔ)的綜合能源系統(tǒng)互動(dòng)優(yōu)化調(diào)度模型，在滿足削峰硬性指標(biāo)的基礎(chǔ)上，以電力公司對(duì)廣義需求側(cè)資源調(diào)度的總補(bǔ)償支出（包括對(duì)電、熱、冷的補(bǔ)償支出）最小為優(yōu)化目標(biāo)：

其中，nC為 CCHP 機(jī)組數(shù)量；ΔHi，t為熱出力改變量；ΔQi，t為冷出力改變量。

需要考慮的約束條件包括CCHP機(jī)組、儲(chǔ)能裝置和可中斷負(fù)荷的約束等。

a.削峰指標(biāo)約束。

削峰指標(biāo)是園區(qū)互動(dòng)需滿足的硬性約束，園區(qū)在任一時(shí)段的對(duì)外總負(fù)荷須滿足削峰指標(biāo)μ，以全年最大負(fù)荷值LE，max的百分比表示。削峰指標(biāo)約束為：

其中，PG，t為時(shí)段t園區(qū)用戶向電力公司購(gòu)買的電量。

b.CCHP機(jī)組約束。

CCHP機(jī)組應(yīng)滿足2.3節(jié)所述的出力特性約束，其中CCHP機(jī)組的原計(jì)劃產(chǎn)量應(yīng)與其出力改變量滿足如下關(guān)系：

其中，H0，i，t、Q0，i，t、P0，i，t分別為原計(jì)劃產(chǎn)熱量、產(chǎn)冷量、發(fā)電量。

機(jī)組需滿足最小開停機(jī)時(shí)間約束，即：

其中分別為機(jī)組 i在時(shí)段 t已經(jīng)連續(xù)運(yùn)行、停機(jī)的時(shí)段數(shù)分別為最小連續(xù)運(yùn)行時(shí)間、停機(jī)時(shí)間為狀態(tài)變量，機(jī)組運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)為1，機(jī)組停運(yùn)時(shí)為0。

c.用戶可中斷負(fù)荷約束。

用戶削減的負(fù)荷量應(yīng)不小于其與電力公司約定的最小中斷量 ΔLi，min，不大于其最大可削減容量 ΔLi，max：

其負(fù)荷中斷的時(shí)間不能超過其最大可中斷時(shí)間：

其中為用戶 i的最大可中斷時(shí)間為用戶 i到時(shí)段t為止已經(jīng)持續(xù)中斷的時(shí)間為狀態(tài)變量，負(fù)荷中斷時(shí)為1，反之為0。

d.儲(chǔ)電裝置約束。

儲(chǔ)電裝置通過在負(fù)荷低谷期充電、在負(fù)荷高峰期放電，起到削峰填谷的作用。其荷電狀態(tài)值SE，t的變化規(guī)律為：

其中，Pch，t、Pdis，t分別為儲(chǔ)電裝置在時(shí)段 t的充、放電功率；ηE，ch、ηE，dis分別為儲(chǔ)電裝置的充、放電效率；Δt為充放電時(shí)間間隔，默認(rèn)為1 h；ΩE為儲(chǔ)電裝置容量。

儲(chǔ)電裝置荷電狀態(tài)約束為：

其中，SE，min、SE，max分別為儲(chǔ)電裝置所允許的荷電狀態(tài)最小值、最大值。

充、放電功率約束為：

其中，Pch，max、Pdis，max分別為儲(chǔ)電裝置的最大充、放電功率。

為了滿足儲(chǔ)電裝置連續(xù)運(yùn)行，需滿足調(diào)度周期始末充放電平衡約束，即：

e.儲(chǔ)熱、儲(chǔ)冷裝置約束。

CCHP機(jī)組在響應(yīng)指令時(shí)增發(fā)的冷、熱能源可以分別由儲(chǔ)冷和儲(chǔ)熱裝置暫時(shí)進(jìn)行存儲(chǔ)，并在其他時(shí)段釋放，從而減少CCHP機(jī)組的生產(chǎn)成本和電力公司的互動(dòng)成本，同時(shí)可以避免不必要的能源浪費(fèi)［14］。

儲(chǔ)熱裝置的蓄、放熱能力約束為：

其中，SH，t為儲(chǔ)熱裝置在時(shí)段t儲(chǔ)存的熱量；ΩH為儲(chǔ)熱裝置容量；Hch，t、Hdis，t分別為儲(chǔ)熱裝置在時(shí)段 t的蓄、放熱功率，需滿足式（32）、（33）所示的限制。

其中，Hch，max、Hdis，max分別為儲(chǔ)熱裝置的最大蓄、放熱功率。

此外，還應(yīng)滿足連續(xù)運(yùn)行約束，即：

儲(chǔ)冷裝置的運(yùn)行約束與儲(chǔ)熱裝置類似，在此不再贅述。

f.多能負(fù)荷平衡約束。

整個(gè)互動(dòng)過程中，需滿足電、冷、熱多種能源供給量與負(fù)荷的平衡約束，分別如式（35）—（37）所示。

其 中 ，LE0，t為 互 動(dòng) 前 時(shí) 段 t 工 業(yè) 用 戶 總 負(fù) 荷 ；LH0，i，t為用戶 i在時(shí)段 t的原始熱負(fù)荷量；ΔLH，i，t為用戶 i在時(shí)段t的熱需求變化量；HS，t為儲(chǔ)熱裝置在時(shí)段t的出力；LQ0，i，t為用戶 i在時(shí)段 t的原始冷負(fù)荷量；ΔLQ，i，t為用戶 i在時(shí)段 t的冷需求變化量；QS，t為儲(chǔ)冷裝置在時(shí)段t的出力。

g.多能源的供求關(guān)系約束。

熱、冷等能源的價(jià)格與用戶對(duì)該種能源的需求量有關(guān)，其具體關(guān)系由園區(qū)管理中心對(duì)用戶的用能分析得到，可通過需求曲線或分段函數(shù)來表示：

其中，f（·）表示函數(shù)關(guān)系。

3.3 響應(yīng)有效性判定

用戶響應(yīng)有效性按照基線負(fù)荷的方法進(jìn)行判定。具體做法是選擇用戶在需求響應(yīng)實(shí)施日前最近5個(gè)正常生產(chǎn)工作日，將其對(duì)應(yīng)響應(yīng)時(shí)段的冷、熱、電負(fù)荷曲線作為基線負(fù)荷?；€中出現(xiàn)的最大負(fù)荷稱為基線最大負(fù)荷，根據(jù)基線計(jì)算出的平均負(fù)荷稱為基線平均負(fù)荷。

如果用戶在負(fù)荷削減過程中同時(shí)滿足響應(yīng)時(shí)段最大負(fù)荷不高于基線最大負(fù)荷、響應(yīng)時(shí)段平均負(fù)荷低于基線平均負(fù)荷且其差值大于等于規(guī)定的負(fù)荷削減量，則視為有效響應(yīng)；否則視為無效響應(yīng)。

CCHP機(jī)組在互動(dòng)過程中若滿足：響應(yīng)時(shí)段每小時(shí)產(chǎn)熱量或產(chǎn)冷量大于等于對(duì)應(yīng)基線負(fù)荷值，并且差值大于等于規(guī)定的增發(fā)量，則視為有效響應(yīng)。

4 算例分析

以廣州某大型工業(yè)園區(qū)為例，分析所提互動(dòng)機(jī)制和優(yōu)化方法的效果。該園區(qū)某日的電、熱、冷負(fù)荷曲線如圖4所示。年最大電負(fù)荷為50 MW，削峰指標(biāo)為不超過年最大負(fù)荷的80%。園區(qū)有3臺(tái)CCHP機(jī)組，其中機(jī)組1、2的容量為4 MW／8t，以以熱定電的方式運(yùn)轉(zhuǎn)；機(jī)組3的容量為3 MW／5t，以以冷定電方式運(yùn)轉(zhuǎn)，具體機(jī)組參數(shù)和價(jià)格信息分別見表1、2；儲(chǔ)電裝置容量為0.6 MW／1.2 MW·h，充放電效率為90%；儲(chǔ)熱、儲(chǔ)冷裝置容量分別為1.5 t、1 t，最大蓄、放能功率為0.5 t／h；有8家大工業(yè)用戶，其可中斷負(fù)荷補(bǔ)償系數(shù)和參數(shù)見表3。用戶最大熱負(fù)荷需求為14 t／h，最大冷負(fù)荷需求為4 t／h。用戶執(zhí)行大工業(yè)峰谷電價(jià)。 高峰時(shí)段為 14∶00— 17∶00、19∶00— 22∶00，平段為 08∶00— 14∶00、17∶00— 19∶00、22∶00— 24∶00，低谷時(shí)段為 00∶00—08∶00。 按高峰電價(jià) 1.10 分／（kW·h）、平段電價(jià)0.68 分／（kW·h）、低谷電價(jià) 0.45 分／（kW·h）計(jì)費(fèi)。以1 h為單位調(diào)度時(shí)段時(shí)長(zhǎng)，即00∶00—01∶00對(duì)應(yīng)時(shí)段 1，01∶00—02∶00 對(duì)應(yīng)時(shí)段 2，依此類推，共24個(gè)時(shí)段。

圖4 電、熱、冷負(fù)荷曲線Fig.4 Electric，heating and cooling load curves

表1 CCHP機(jī)組1和2的參數(shù)Table 1 Parameters of CCHP unit 1 and 2

表2 CCHP機(jī)組3的參數(shù)Table 2 Parameters of CCHP unit 3

表3 用戶可中斷負(fù)荷參數(shù)Table 3 Parameters of users’interruptible loads

根據(jù)本文所提互動(dòng)優(yōu)化模型得到各CCHP機(jī)組響應(yīng)電網(wǎng)指令增發(fā)的冷、熱量，如圖5所示。相應(yīng)增加的電能出力和用戶可中斷負(fù)荷削減量，如圖6所示。

圖5 CCHP機(jī)組增發(fā)的冷熱出力Fig.5 Heating／cooling output increment curves of CCHP units

圖6 CCHP機(jī)組增發(fā)出力和負(fù)荷削減量Fig.6 Load shedding curves and increased power output of CCHP units

由圖5、6可以看出，共有8個(gè)時(shí)段需要通過啟動(dòng)互動(dòng)機(jī)制來滿足削峰指標(biāo)，分別為時(shí)段6、7、10—12、15—17，最大的待削峰量為7.5 MW。CCHP機(jī)組1和2的冷熱出力曲線基本相同，這是因?yàn)樵跓嶝?fù)荷一定的情況下，這2臺(tái)CCHP機(jī)組平分產(chǎn)熱量能夠?qū)崿F(xiàn)成本最低。在時(shí)段6、7，負(fù)荷的削減主要靠刺激用冷、用熱需求使CCHP機(jī)組增發(fā)電量來實(shí)現(xiàn)，由于熱價(jià)略低于冷價(jià)，因此熱出力改變量較大。在時(shí)段10—12和15—17，隨著待削峰量的增大，削峰指標(biāo)開始由冷、熱的增發(fā)出力和用戶可中斷負(fù)荷共同承擔(dān)。由表1—3可知，利用增發(fā)熱量來獲得增發(fā)電量的補(bǔ)償費(fèi)用總體上略低于冷補(bǔ)償和可中斷負(fù)荷補(bǔ)償，因此以熱定電型CCHP機(jī)組出力的增加量高于其他2類。在時(shí)段10，通過熱補(bǔ)償激勵(lì)的園區(qū)熱負(fù)荷達(dá)到用戶的熱需求極限值，CCHP機(jī)組1和2不能再增加出力，負(fù)荷削減主要由機(jī)組3和可中斷負(fù)荷承擔(dān)。此時(shí)CCHP機(jī)組的增發(fā)出力高于可中斷負(fù)荷量，而到時(shí)段11，由于CCHP機(jī)組均工作在較高的運(yùn)行點(diǎn)，機(jī)組的熱電比和冷電比較大，即增加單位電能出力所需的冷、熱增發(fā)量變大，所需支出的補(bǔ)償費(fèi)用高于部分用戶的可中斷補(bǔ)償費(fèi)用，因此可中斷負(fù)荷削減量增加，并超過了機(jī)組3的電能增發(fā)量。由于儲(chǔ)熱、儲(chǔ)冷裝置的作用，CCHP機(jī)組在非響應(yīng)時(shí)段的出力有一定程度的降低。

各用戶一天內(nèi)的可中斷負(fù)荷削減量如圖7所示。由圖7可以看出，補(bǔ)償費(fèi)用較低（即補(bǔ)償系數(shù)較?。┑挠脩魞?yōu)先被調(diào)度削減負(fù)荷；并且由于各家用戶可中斷負(fù)荷的補(bǔ)償費(fèi)用隨中斷量的增加呈非線性增長(zhǎng)，因此在時(shí)段11、12等尖峰時(shí)段，總的負(fù)荷削減指標(biāo)被近似地分?jǐn)偟礁骷矣脩?，而不是待某用戶達(dá)到其最大中斷容量后再調(diào)度其他用戶，從而減小了調(diào)度成本。

圖7 各用戶負(fù)荷削減量Fig.7 Load shedding curves of different users

圖8為計(jì)及多能互補(bǔ)前后，互動(dòng)所需的可中斷負(fù)荷削減量對(duì)比圖。在引入了多能源需求的交叉互補(bǔ)后，可中斷負(fù)荷在時(shí)段數(shù)和削減量上均明顯減少。

圖8 計(jì)及多能互補(bǔ)前后的負(fù)荷削減量Fig.8 Comparison of load shedding between with and without multi-energy complementation

互動(dòng)前后園區(qū)的電負(fù)荷曲線以及互動(dòng)后園區(qū)電、熱、冷負(fù)荷曲線分別見圖9、10。經(jīng)過互動(dòng)削減后的負(fù)荷均滿足削峰指標(biāo)要求，同時(shí)達(dá)到了總調(diào)度費(fèi)用最小化的目標(biāo)。經(jīng)計(jì)算，互動(dòng)后的各方利益見表4。計(jì)及多能互補(bǔ)時(shí)，總調(diào)度成本為40917.5元；不計(jì)及多能互補(bǔ)時(shí)，總調(diào)度成本（即可中斷負(fù)荷補(bǔ)償費(fèi)用）為48347.4元；采用本文所提基于多能互補(bǔ)的多方互動(dòng)機(jī)制和優(yōu)化調(diào)度方法使互動(dòng)總成本降低了15%，效果明顯。

圖9 互動(dòng)前后園區(qū)總負(fù)荷曲線Fig.9 Total load curves before and after interaction

圖10 互動(dòng)后園區(qū)多能負(fù)荷曲線Fig.10 Load curves of different energies after interaction

表4 互動(dòng)前后各主體收益Table 4 Profits of different parts before and after interaction 元

5 結(jié)論

本文在傳統(tǒng)需求響應(yīng)調(diào)度的基礎(chǔ)上，提出了具備多主體、多能源需求的綜合能源系統(tǒng)互動(dòng)機(jī)制。

該機(jī)制考慮多能源在產(chǎn)能、用能和價(jià)格特性上的差異性，充分利用包括冷、熱、電在內(nèi)的廣義需求側(cè)資源，促進(jìn)電網(wǎng)、用戶和CCHP機(jī)組之間的多向良性互動(dòng)，并建立了基于多能互補(bǔ)的廣義需求響應(yīng)互動(dòng)優(yōu)化模型。算例對(duì)互動(dòng)前后電、熱、冷負(fù)荷的變化量，可中斷負(fù)荷削減量，CCHP機(jī)組出力增加量等進(jìn)行了詳細(xì)分析，結(jié)果表明所提互動(dòng)機(jī)制和優(yōu)化調(diào)度方法能夠有效地激勵(lì)用戶、CCHP機(jī)組參與涉及多能需求響應(yīng)的互動(dòng)，促進(jìn)能源的綜合利用，且與傳統(tǒng)的需求響應(yīng)調(diào)度機(jī)制相比經(jīng)濟(jì)性有顯著提高。本文可為考慮多能互補(bǔ)和多能源需求特性的廣義需求響應(yīng)研究提供一定的參考。后續(xù)將進(jìn)一步研究不同能源需求間的負(fù)荷耦合特性對(duì)需求響應(yīng)的影響。

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