王義軍，陳美霖，牟雪峰，李妍妍，張哲

(1.東北電力大學(xué)電氣工程學(xué)院，吉林 吉林 132012；2.吉林機(jī)械工業(yè)學(xué)校，吉林 吉林 132012；3.杭州凱達(dá)電力建設(shè)有限公司，浙江 杭州 311100；4.國網(wǎng)吉林省電力有限公司長春供電公司，吉林 長春 130000)

隨著傳統(tǒng)化石能源的過度開采，全球能源儲(chǔ)備日漸枯竭.優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)，積極開發(fā)利用可再生能源成各國的共識(shí)[1-3].風(fēng)電是目前眾多清潔能源中技術(shù)較為成熟且最具活力的一種，但由于東北地區(qū)電源結(jié)構(gòu)、負(fù)荷需求分布、系統(tǒng)調(diào)峰能力受冬季供暖的限制致使其消納能力較弱[4-5].為改善系統(tǒng)靈活性，提高棄風(fēng)利用率，相關(guān)學(xué)者進(jìn)行了大量的研究.

在計(jì)及風(fēng)電的熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)中，通過儲(chǔ)能裝置消納棄風(fēng)的研究不在少數(shù)，主要分為電儲(chǔ)能、熱儲(chǔ)能兩種.在電儲(chǔ)能方面，文獻(xiàn)[6]建立了包含儲(chǔ)能系統(tǒng)規(guī)劃與運(yùn)行的多層模型，并對(duì)其進(jìn)行了優(yōu)化驗(yàn)證.文獻(xiàn)[7]基于風(fēng)電的不確定性，提出一種跨區(qū)域風(fēng)電優(yōu)化調(diào)度方案；在熱儲(chǔ)能方面，文獻(xiàn)[8]在電鍋爐與儲(chǔ)熱協(xié)同運(yùn)行的基礎(chǔ)上建立了優(yōu)化調(diào)度模型，該模型棄風(fēng)消納能力良好且較為經(jīng)濟(jì).文獻(xiàn)[9]提出了在二級(jí)熱網(wǎng)裝設(shè)蓄熱式電鍋爐進(jìn)行棄風(fēng)消納的方法，并與配置普通電鍋爐相比較，驗(yàn)證其在降低運(yùn)行成本的同時(shí)可提高棄風(fēng)消納能力.然而，以上文獻(xiàn)多為單一儲(chǔ)能模式的研究，對(duì)混合形式的儲(chǔ)能系統(tǒng)消納風(fēng)電能力的分析較少.文獻(xiàn)[10]通過建立綜合考慮電、熱儲(chǔ)能形式的優(yōu)化模型，研究蓄熱式電鍋爐與電儲(chǔ)能協(xié)調(diào)運(yùn)行方案，但也只說明了聯(lián)合運(yùn)行消納棄風(fēng)的可行性，棄風(fēng)和儲(chǔ)能裝置運(yùn)行狀態(tài)之間的聯(lián)系尚待研究.

需求響應(yīng)是通過調(diào)整需求側(cè)用戶的行為，緩解電力供求矛盾的有效形式.目前，需求響應(yīng)的研究在國內(nèi)外已取得較多成果.文獻(xiàn)[11]結(jié)合分時(shí)電價(jià)與需求響應(yīng)中的可轉(zhuǎn)移負(fù)荷，制定了考慮儲(chǔ)能系統(tǒng)損耗的微網(wǎng)經(jīng)濟(jì)優(yōu)化調(diào)度模型.文獻(xiàn)[12]提出基于分布式風(fēng)、光資源利用率最大化的需求響應(yīng)方法.文獻(xiàn)[13]以運(yùn)行成本最小為目標(biāo)函數(shù)，構(gòu)建基于分時(shí)電價(jià)的含微網(wǎng)層與需求響應(yīng)層的兩層優(yōu)化模型.文獻(xiàn)[14]同時(shí)計(jì)及儲(chǔ)能單元特性和負(fù)荷的需求響應(yīng)機(jī)制，建立并網(wǎng)型微網(wǎng)的優(yōu)化調(diào)度模型.文獻(xiàn)[15]提出的多層優(yōu)化方法，通過峰谷電價(jià)引導(dǎo)需求側(cè)用戶主動(dòng)參與用電時(shí)間的調(diào)節(jié)，有效減小了微網(wǎng)運(yùn)行成本.綜上研究可見，分時(shí)電價(jià)的應(yīng)用，起到了削峰填谷和提高風(fēng)電利用率的作用，同時(shí)也增進(jìn)了源荷的協(xié)同互動(dòng).但是，目前更多的是對(duì)電負(fù)荷需求響應(yīng)的研究，熱負(fù)荷的可調(diào)度問題鮮有涉獵[16].隨著電與熱的聯(lián)系日漸加深，其耦合程度更為緊密，因此，可將電力需求響應(yīng)類比為熱力需求響應(yīng)，進(jìn)一步研究它的可調(diào)度價(jià)值.同時(shí)，深入挖掘電、熱需求響應(yīng)的耦合關(guān)系，探索包含微網(wǎng)綜合能源系統(tǒng)中負(fù)荷側(cè)多種響應(yīng)能力的協(xié)同控制策略和運(yùn)行優(yōu)化方法，使得負(fù)荷資源達(dá)到最優(yōu)利用效果.

在現(xiàn)有研究的基礎(chǔ)上，本文針對(duì)傳統(tǒng)儲(chǔ)能運(yùn)行成本高、調(diào)節(jié)特性差的問題，建立包含微燃機(jī)、電鍋爐以及電制氫設(shè)備的電熱氫儲(chǔ)能系統(tǒng)模型，結(jié)合算例對(duì)比分析了考慮電熱氫儲(chǔ)能系統(tǒng)(Electro-Thermal Hydrogen Energy Storage System，ETHSS)與傳統(tǒng)電池型電熱儲(chǔ)能系統(tǒng)(Battery Energy Storage System，BESS)的兩種微網(wǎng)綜合能源系統(tǒng)優(yōu)化情況.在此基礎(chǔ)上，深入分析微網(wǎng)綜合能源系統(tǒng)中多種負(fù)荷的可調(diào)度價(jià)值，建立了包含電負(fù)荷與熱負(fù)荷綜合響應(yīng)的多源微網(wǎng)綜合能源系統(tǒng)優(yōu)化模型.以微網(wǎng)綜合運(yùn)行成本最小為目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行仿真分析，通過算例驗(yàn)證得出，本文提出的綜合需求響應(yīng)相較單一型需求響應(yīng)可有效地減少棄風(fēng)，提高能源利用效率，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行.

1 電熱氫混合儲(chǔ)能模型與特性分析

1.1 電熱氫混合儲(chǔ)能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本文所研究的電熱氫混合儲(chǔ)能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)配置如圖1所示，系統(tǒng)由電解制氫(Electrolytic Hydrogen，EH)，燃?xì)湮⑷紮C(jī)(Hydrogen Burning Microturbine，HMT)，電鍋爐(Electric Boiler，EB)、儲(chǔ)氫(Hydrogen Storage，HS)以及儲(chǔ)熱(Thermal Storage，TS)五個(gè)單元構(gòu)成.

電解槽中發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)為2H2O→2H2+O2，其產(chǎn)物僅為氫氣與氧氣，過程簡(jiǎn)單易實(shí)現(xiàn)，同時(shí)具有較高的環(huán)境價(jià)值[17].氫氣作為最有潛質(zhì)的儲(chǔ)能方式之一，具有能量高、密度大、低成本、無污染的特質(zhì)[18].目前，儲(chǔ)氫技術(shù)的研究在各國已取得較多成果，然而，將氫儲(chǔ)系統(tǒng)應(yīng)用在綜合能源系統(tǒng)中的案例較少.

在微燃機(jī)的配置方面，應(yīng)用德國2G公司設(shè)計(jì)的燃?xì)湮⑿腿細(xì)廨啓C(jī)替代以往以天然氣為燃料的微燃機(jī)，生產(chǎn)電能的同時(shí)可將余熱進(jìn)行存儲(chǔ)供熱[19].氫氣發(fā)電靈活高效且具備較高環(huán)境價(jià)值，符合未來能源發(fā)展的方向，應(yīng)用前景廣闊.

當(dāng)系統(tǒng)電量供大于求時(shí)，可將多余的電能電解為氫氣儲(chǔ)存起來，若儲(chǔ)氫系統(tǒng)達(dá)到最大容量，可啟動(dòng)電鍋爐制熱，富余的熱量可通過儲(chǔ)熱裝置進(jìn)行時(shí)段性轉(zhuǎn)移，解耦了電熱調(diào)度的不平衡；當(dāng)系統(tǒng)電量發(fā)生缺額時(shí)，燃?xì)湫臀⑷紮C(jī)運(yùn)行放電，氫能轉(zhuǎn)換為電能進(jìn)行補(bǔ)充.

綜上，本文基于已有的電轉(zhuǎn)氫技術(shù)和儲(chǔ)氫技術(shù)，建立電熱氫混合儲(chǔ)能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型，分析了其能量流通形式與運(yùn)行機(jī)制.該儲(chǔ)能系統(tǒng)與風(fēng)、光等清潔能源配合應(yīng)用在園區(qū)微網(wǎng)中可實(shí)現(xiàn)能源在時(shí)間與空間上的高效利用，改善傳統(tǒng)儲(chǔ)能形式的不足.

1.2 電熱氫混合儲(chǔ)能系統(tǒng)建模

本文所提出的混合儲(chǔ)能系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了能量的靈活耦合與互補(bǔ)，其儲(chǔ)能與放能過程的能量轉(zhuǎn)換機(jī)制可通過具體公式進(jìn)行描述：

(1)儲(chǔ)能過程

(1)

公式中：PEH，H為電解制氫功率；PET，T為電鍋爐制熱功率與PT，in的總量；PE，in、PT，in為混合儲(chǔ)能系統(tǒng)的輸入電能與輸入熱能；ηEH、ηEB為電轉(zhuǎn)氫、電轉(zhuǎn)熱的效率；β為儲(chǔ)能過程中PE，in分配到電鍋爐的功率比例.

(2)放能過程

(2)

公式中：PE，out、PT，out為混合儲(chǔ)能系統(tǒng)的輸出電能與輸出熱能；PHS、PTS為儲(chǔ)氫單元與儲(chǔ)熱單元的輸出功率；ηHMT，E、ηHMT，T為微燃機(jī)單元?dú)滢D(zhuǎn)電、氫轉(zhuǎn)熱的效率.

由圖1可見，該系統(tǒng)對(duì)外可視為一個(gè)二端口網(wǎng)絡(luò)，其對(duì)外的電、熱特性可表示為

(3)

若PE為正，表示儲(chǔ)能系統(tǒng)對(duì)外呈放電狀態(tài)，為負(fù)則呈充電狀態(tài)；同理，PT為正，對(duì)外呈放熱狀態(tài)，否則呈儲(chǔ)熱狀態(tài).

在北方冬季夜間的負(fù)荷低谷時(shí)段，電解制氫設(shè)備優(yōu)先啟動(dòng)，有效促進(jìn)棄風(fēng)消納，提高能源利用效率；在負(fù)荷高峰時(shí)段，系統(tǒng)電力發(fā)生缺額，MT機(jī)組運(yùn)行發(fā)電彌補(bǔ)電網(wǎng)調(diào)峰能力的不足.

2 電熱綜合需求響應(yīng)模型

2.1 電熱多負(fù)荷可調(diào)度性分析

需求響應(yīng)是指用戶和供電企業(yè)間的交互關(guān)系，一般分為價(jià)格型需求響應(yīng)與激勵(lì)型需求響應(yīng).二者分別指電網(wǎng)通過釋放價(jià)格信號(hào)來引導(dǎo)用戶自主地調(diào)整用電行為與對(duì)負(fù)荷削減提供一定的經(jīng)濟(jì)補(bǔ)償來使用戶主動(dòng)參與系統(tǒng)調(diào)峰的方式.

以往對(duì)于需求響應(yīng)的研究中，實(shí)行電力負(fù)荷需求響應(yīng)在改善電網(wǎng)的調(diào)峰能力、提高能源利用率方面取得了顯著效果.而熱力負(fù)荷同樣處于電網(wǎng)終端位置，受熱慣性影響其供需不必保持實(shí)時(shí)平衡，且由于用戶對(duì)供暖溫度的感知存在模糊性，故而，可考慮將熱力需求視為柔性負(fù)荷應(yīng)用到綜合能源系統(tǒng)管理的調(diào)度中.

熱力負(fù)荷的分類主要有工業(yè)熱負(fù)荷、民用熱負(fù)荷兩種.其中，工業(yè)熱負(fù)荷不可削減，只能轉(zhuǎn)移，而民用熱負(fù)荷對(duì)供熱可靠性要求較低，其值能夠在一定范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)整，是可削減熱負(fù)荷，如采暖負(fù)荷.本文將此類可削減熱負(fù)荷定義為基于熱特性的熱負(fù)荷需求響應(yīng)，并進(jìn)行熱力需求響應(yīng)建模的研究.

2.2 電負(fù)荷需求響應(yīng)模型

電力需求響應(yīng)的建模方法有多種，本文采用電量電價(jià)彈性矩陣法對(duì)價(jià)格型需求響應(yīng)進(jìn)行建模.根據(jù)經(jīng)濟(jì)學(xué)原理，電價(jià)的相對(duì)調(diào)整會(huì)使用戶購電量發(fā)生變化，它們之間的關(guān)系可通過電力負(fù)荷彈性系數(shù)進(jìn)行表示：

(4)

公式中：Δp為負(fù)荷p的變化量；Δq為電價(jià)q的變化量.

對(duì)于n個(gè)時(shí)段，電量電價(jià)彈性矩陣E為

(5)

公式中：εii為自彈性系數(shù)；εij為互彈性系數(shù).

進(jìn)而得到響應(yīng)后電負(fù)荷Pd，t的表達(dá)式為

(6)

公式中：Pt為響應(yīng)前t時(shí)段的電負(fù)荷；Pd，t為響應(yīng)后t時(shí)段的電負(fù)荷；ΔPt為引入需求響應(yīng)后t時(shí)段的電負(fù)荷變化量；Δqt為引入需求響應(yīng)后t時(shí)段的電價(jià)變化量.

2.3 熱負(fù)荷需求響應(yīng)模型

熱負(fù)荷的需求響應(yīng)由熱負(fù)荷兩方面的特性決定.其一，由于用戶對(duì)供暖溫度的感知存在不確定性，供暖不必固定在某一溫度，其值可在適當(dāng)范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)整.因此可將熱負(fù)荷視作受范圍約束的柔性負(fù)荷；其二，熱力系統(tǒng)存在熱慣性，受介質(zhì)比熱容影響，傳熱過程的溫度變化時(shí)滯很長，且熱力系統(tǒng)在停止運(yùn)行后其熱量還能持續(xù)一段時(shí)間，故不必實(shí)時(shí)運(yùn)行來滿足負(fù)荷需求，這也提高了能源消納的靈活性.

熱力系統(tǒng)的溫度動(dòng)態(tài)特性可以通過統(tǒng)計(jì)/數(shù)據(jù)挖掘或物理模型得到，其供熱系統(tǒng)溫度自回歸滑動(dòng)平均ARMA(Auto Regression Moving Average)模型為

(7)

公式中：Th，t、Tg，t、Tin，t、Tout，t表示t時(shí)系統(tǒng)的回水、供水溫度，屋內(nèi)、外溫度；α、β、γ、θ、φ、ω為表示熱慣性的物理參數(shù)；J為自回歸滑動(dòng)平均模型中的時(shí)間階次，反映了熱能傳遞過程的延遲性.

在供暖舒適度體驗(yàn)方面，用戶溫度可在適當(dāng)范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)整，這就意味著可將其視作一個(gè)區(qū)間熱負(fù)荷.設(shè)熱負(fù)荷為室內(nèi)用戶取暖，則室內(nèi)溫度變化與供暖功率的關(guān)系式可通過建筑物一階熱力學(xué)模型得出.

建筑物室內(nèi)溫度表達(dá)式為

(8)

進(jìn)而，可得到給定條件下以室內(nèi)溫度計(jì)算供熱功率的表達(dá)式為

(9)

公式中：k=e-Δt/τ.根據(jù)人體環(huán)境感知的適宜情況，室內(nèi)供暖溫度可在此范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)整：

Tmin≤Tin，t≤Tmax，

(10)

公式中：Tmin、Tmax為在人體舒適度條件下環(huán)境溫度的最低值與最高值，取18 ℃、24 ℃.

綜上，熱負(fù)荷需求響應(yīng)模型可由公式(7)～公式(10)共同表示.此模型明確了熱負(fù)荷的可調(diào)度價(jià)值，其在適當(dāng)范圍內(nèi)具有可調(diào)性，即本文所提熱負(fù)荷需求響應(yīng).

3 微網(wǎng)綜合能源系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度

本文所研究的微網(wǎng)綜合能源系統(tǒng)運(yùn)行結(jié)構(gòu)，如圖2所示.電源側(cè)主要由風(fēng)電機(jī)組、熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組構(gòu)成，儲(chǔ)能部分為本文所提電熱氫混合儲(chǔ)能系統(tǒng)，負(fù)荷側(cè)引入了電熱綜合需求響應(yīng).

圖2 ETHSS微網(wǎng)綜合能源系統(tǒng)運(yùn)行結(jié)構(gòu)

3.1 目標(biāo)函數(shù)

在一個(gè)調(diào)度周期內(nèi)，綜合考慮一次能源消耗成本、風(fēng)電棄用成本、與電(熱)網(wǎng)交互的購電(熱)成本以及儲(chǔ)能單元運(yùn)行成本，建立微網(wǎng)綜合能源系統(tǒng)總成本最小的目標(biāo)函數(shù)為

F=min(f1+f2+f3+f4)，

(11)

公式中：f1為CHP機(jī)組的燃料消耗成本；f2為風(fēng)電出力棄用成本；f3為微網(wǎng)與外部系統(tǒng)交互成本；f4為儲(chǔ)能系統(tǒng)運(yùn)行成本.

(1)CHP機(jī)組耗能成本

(12)

公式中：PMT(t)為機(jī)組t時(shí)段的電功率；ηMT為機(jī)組的發(fā)電效率；CCH4為天然氣價(jià)格，2.5元/m3；LMT為天然氣低熱值，9.7 kW·h/m3.

(2)風(fēng)電棄用成本

(13)

公式中：Xw為風(fēng)電預(yù)測(cè)誤差成本；PWf為時(shí)段t內(nèi)風(fēng)電上網(wǎng)預(yù)測(cè)值；PW為時(shí)段t內(nèi)風(fēng)電上網(wǎng)實(shí)際值.

(3)功率交互成本

，

(14)

公式中：α、β為交互狀態(tài)，取1或0；CE、CT為電網(wǎng)交互成本、熱網(wǎng)交互成本；CE，b、CE，s為購入電價(jià)、售出電價(jià)；CT，b和CT，b為購入熱價(jià)、售出熱價(jià)；Pex，E(t)、Pex，T(t)為時(shí)段t內(nèi)和電網(wǎng)、熱網(wǎng)的交互功率.

(4)儲(chǔ)能系統(tǒng)運(yùn)行成本

f4=minC儲(chǔ)=min(CEH+CHS+CTS+CHMT)，

(15)

公式中：CEH、CHS、CTS分別為制氫系統(tǒng)、儲(chǔ)氫與儲(chǔ)熱的運(yùn)行成本；CHMT為燃?xì)湫臀⑷紮C(jī)的成本.

(16)

公式中：CEH，r為電解氫的單位成本；PEH(t)為t時(shí)電解氫消耗的功率；CHS，r、CTS，r分別為儲(chǔ)氫、儲(chǔ)熱系統(tǒng)單位運(yùn)行成本；PHS(t)、PTS(t)分別為t時(shí)儲(chǔ)放氫、熱的功率，正為儲(chǔ)，負(fù)為放；Cg、Cst分別為氫成本和機(jī)組啟停成本.

3.2 設(shè)備模型及約束條件

(1)風(fēng)電機(jī)組

風(fēng)電機(jī)組出力約束：

(17)

(2)熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組

CHP單元主要由微型燃?xì)廨啓C(jī)、余熱鍋爐兩部分組成，其熱電關(guān)系如下：

PMT(t)=ηMTGMT(t)，

(18)

(19)

公式中：QMT(t)為t時(shí)段微燃機(jī)排氣余熱量；GMT(t)為時(shí)段t燃?xì)廨啓C(jī)消耗的燃?xì)饬?；ηL為散熱損失率.

微型燃?xì)廨啓C(jī)出力約束：

(20)

(21)

(3)電鍋爐

作為典型的電熱耦合設(shè)備，電鍋爐可實(shí)現(xiàn)電熱轉(zhuǎn)換以及電、熱負(fù)荷的調(diào)節(jié).在電負(fù)荷谷時(shí)段啟動(dòng)消納棄風(fēng)，產(chǎn)生的熱量在供暖之余可存入儲(chǔ)熱裝置中.

電鍋爐出力約束：

0≤PEB(t)≤PEB，max，

(22)

ΔPEB，min≤ΔPEB(t)≤ΔPEB，max，

(23)

公式中：PEB(t)、PEB，max分別為電鍋爐在時(shí)段t內(nèi)的用電功率和用電功率最大值；ΔPEB(t)為電鍋爐在時(shí)段t內(nèi)的功率變化值；ΔPEB，max、ΔPEB，min分別為電鍋爐爬坡率的上、下限.

(4)儲(chǔ)熱罐

儲(chǔ)熱裝置對(duì)能源出力波動(dòng)的平抑效果顯著，是微網(wǎng)系統(tǒng)不可或缺的組成部分.

儲(chǔ)熱罐熱功率約束：

Pct，min≤Pct(t)≤Pct，max，

(24)

公式中：Pct(t)為儲(chǔ)熱罐t時(shí)刻的儲(chǔ)熱功率；Pct，min、Pct，max為儲(chǔ)熱功率的最小值、最大值；Pct，min為負(fù)代表儲(chǔ)熱罐放熱功率的最大值.

儲(chǔ)熱罐容量約束：

ST，min≤ST(t)≤ST，max，

(25)

公式中：ST(t)為t時(shí)的儲(chǔ)熱量；ST，min、ST，max為儲(chǔ)熱量的最小值、最大值.

儲(chǔ)熱罐始末狀態(tài)約束：

S0=ST24，

(26)

公式中：S0為儲(chǔ)熱量的初始值；ST24為經(jīng)過一個(gè)調(diào)度周期后的儲(chǔ)熱量.

(5)電熱氫能量轉(zhuǎn)換單元

電解制氫的功率約束：

0≤PEH(t)≤PEH，max，

(27)

ΔPEH，min≤ΔPEH(t)≤ΔPEH，max，

(28)

公式中：PEH，max為電解氫的最大用電功率；ΔPEH(t)為注入功率在t時(shí)段內(nèi)的變化值；ΔPEH，max、ΔPEH，min為設(shè)備的最大、最小爬坡率.

儲(chǔ)氫約束：

Pch，min≤Pch(t)≤Pch，max，

(29)

SH，min≤SH(t)≤SH，max，

(30)

公式中：Pch(t)為儲(chǔ)氫t時(shí)刻的輸出功率；Pch，min、Pch，max為儲(chǔ)氫功率的最小值、最大值，Pch，min為負(fù)代表放能；SH(t)為t時(shí)的儲(chǔ)氫量；SH，min、SH，max分別為儲(chǔ)氫的最小、最大值.

HMT出力約束：

PHMT，min≤PHMT(t)≤PHMT.max，

(31)

公式中：PHMT，min、PHMT，max為燃?xì)湫臀⑷紮C(jī)的最小、最大功率.

(6)聯(lián)絡(luò)線功率約束

ex，E，min≤Pex，E(t)≤Pex，E，max，

(32)

Pex，T，min≤Pex，T(t)≤Pex，T，max，

(33)

公式中：Pex，E，min、Pex，E，max為電交互功率的最小、最大值；Pex，T，min、Pex，T，max為熱交互功率的最小、最大值.

(7)系統(tǒng)電功率平衡約束

PW(t)+PMT(t)+PE(t)+Pex，E(t)=Pload，E(t)，

(34)

公式中：Pload，E(t)為t時(shí)段微網(wǎng)的電負(fù)荷值.

(8)含熱力需求響應(yīng)的熱功率平衡約束

由于熱力負(fù)荷的供給可在一定范圍內(nèi)發(fā)生變化，因此，熱功率平衡為不等式約束：

PT(t)+QMT(t)+Pex，T(t)≥σPload，T(t)，

(35)

公式中：Pload，T(t)為t時(shí)段微網(wǎng)的熱負(fù)荷值；σ表示熱負(fù)荷調(diào)節(jié)系數(shù).

(9)電力需求響應(yīng)約束

電負(fù)荷約束：

|ΔPt|≤ΔPmax，

(36)

公式中：ΔPmax為需求側(cè)響應(yīng)后電負(fù)荷最大變化量.

電價(jià)約束：

Δqmin≤Δqt≤Δqmax，

(37)

公式中：Δqmin、Δqmax為電價(jià)的最小、最大響應(yīng)量；Δqt為t時(shí)段響應(yīng)電價(jià)的變化值.

4 算例分析

4.1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

本文選取東北某一微網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行算例仿真，驗(yàn)證所提模型的有效性.調(diào)度時(shí)長設(shè)為24 h，步長Δt=1 h.微網(wǎng)內(nèi)各設(shè)備參數(shù)如表1所示，其中BES代表電池儲(chǔ)能單元.峰、谷、平時(shí)段劃分及分時(shí)電價(jià)如表2所示.購熱價(jià)格為0.153元/kw·h；售熱價(jià)格為0.092元/kw·h.微網(wǎng)內(nèi)24 h的電、熱負(fù)荷曲線和風(fēng)電預(yù)測(cè)出力情況如圖3所示.電力需求響應(yīng)自彈性系數(shù)為-0.2，互彈性系數(shù)為0.03.熱力需求響應(yīng)中的熱阻R為18 ℃/kW，熱傳輸?shù)臅r(shí)間階次J為2.

表1 微網(wǎng)系統(tǒng)相關(guān)設(shè)備運(yùn)行參數(shù)

表2 峰、谷、平分時(shí)電價(jià)

圖3 電、熱負(fù)荷及風(fēng)電預(yù)測(cè)出力曲線

4.2 微網(wǎng)儲(chǔ)能系統(tǒng)優(yōu)化對(duì)比分析

為了驗(yàn)證本文所提混合儲(chǔ)能系統(tǒng)的有效性，首先對(duì)ETHSS型微網(wǎng)與BESS型微網(wǎng)進(jìn)行了優(yōu)化仿真，分析對(duì)比二者的運(yùn)行結(jié)果.電池儲(chǔ)能型微網(wǎng)由電鍋爐、微燃機(jī)、電池儲(chǔ)能以及儲(chǔ)熱單元組成.在此之上，電熱氫儲(chǔ)能系統(tǒng)增設(shè)了電解氫與儲(chǔ)氫裝置，無電池儲(chǔ)能單元，并將其視作一個(gè)整體進(jìn)行計(jì)算.在matlab/cplex環(huán)境下校驗(yàn)二者的運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性、棄風(fēng)消納水平與微網(wǎng)的內(nèi)部平衡能力.

圖4 電池儲(chǔ)能型微網(wǎng)電力供需平衡圖圖5 電熱氫混合儲(chǔ)能型微網(wǎng)電力供需平衡圖圖6 電池儲(chǔ)能型微網(wǎng)熱力供需平衡圖圖7 電熱氫混合儲(chǔ)能型微網(wǎng)熱力供需平衡圖

由圖4、圖5可見，在1-8、22-24時(shí)段，微網(wǎng)內(nèi)電量富余，凈負(fù)荷為負(fù)值.傳統(tǒng)電池儲(chǔ)能型微網(wǎng)可通過電鍋爐與電池來進(jìn)行富余電量的消納，但受電池充放電成本高、容量小的限制，風(fēng)電消納水平仍然較低.為提高風(fēng)電利用率，系統(tǒng)因向大電網(wǎng)賣電而產(chǎn)生交互成本；電熱氫混合儲(chǔ)能型微網(wǎng)由于電解制氫與儲(chǔ)氫裝置的存在，提高了谷時(shí)段的棄風(fēng)消納水平.同時(shí)，受谷時(shí)段售電價(jià)格為負(fù)的原則限制，微網(wǎng)與大電網(wǎng)夜間交互功率較低，基本可達(dá)到內(nèi)部供需平衡.在9-21時(shí)段，微網(wǎng)內(nèi)電量出現(xiàn)缺額，傳統(tǒng)型微網(wǎng)中的電池儲(chǔ)能系統(tǒng)放電，剩余功率缺額由CHP機(jī)組發(fā)電補(bǔ)充；混合儲(chǔ)能型微網(wǎng)中，燃?xì)湫臀⑷紮C(jī)將儲(chǔ)存的氫能轉(zhuǎn)換為電能，其成本小于購電所需費(fèi)用，從而降低了峰時(shí)段與平時(shí)段的購電量，使大電網(wǎng)的調(diào)峰更具靈活性.

由圖6、圖7可見，傳統(tǒng)電池儲(chǔ)能型微網(wǎng)在負(fù)荷峰時(shí)段(9-21)，CHP機(jī)組運(yùn)行參與調(diào)峰，產(chǎn)生熱量導(dǎo)致供大于求，系統(tǒng)會(huì)將富余的熱量出售給熱網(wǎng)獲利；電熱氫混合儲(chǔ)能型微網(wǎng)中，微燃機(jī)發(fā)電同時(shí)產(chǎn)生的熱量在供給熱負(fù)荷需求之余優(yōu)先轉(zhuǎn)存到儲(chǔ)熱裝置中.在夜間的負(fù)荷低谷期(1-8、22-24)，風(fēng)資源充裕且供熱需求較大，受CHP機(jī)組“以熱定電”影響，棄風(fēng)現(xiàn)象較為嚴(yán)重.傳統(tǒng)電池儲(chǔ)能型微網(wǎng)從外部購熱來緩解CHP的供暖壓力，盡可能多的消納棄風(fēng)；對(duì)于電熱氫混合儲(chǔ)能型微網(wǎng)，儲(chǔ)熱設(shè)備優(yōu)先進(jìn)行放熱，剩余熱負(fù)荷由CHP機(jī)組承擔(dān)，有效降低了與外部的功率交互，在緩解棄風(fēng)的同時(shí)實(shí)現(xiàn)了微網(wǎng)電、熱的產(chǎn)需平衡.兩種微網(wǎng)優(yōu)化數(shù)據(jù)如表3所示.

表3 兩種類型微網(wǎng)優(yōu)化結(jié)果對(duì)比

4.3 電熱綜合需求響應(yīng)優(yōu)化結(jié)果分析

基于本文所提電熱氫混合儲(chǔ)能型微網(wǎng)系統(tǒng)，對(duì)電熱綜合需求響應(yīng)模型的有效性進(jìn)行驗(yàn)證，并設(shè)置以下四種場(chǎng)景進(jìn)行對(duì)比：

場(chǎng)景1：無需求響應(yīng)；

場(chǎng)景2：計(jì)及電負(fù)荷需求響應(yīng)；

場(chǎng)景3：計(jì)及熱負(fù)荷需求響應(yīng)；

場(chǎng)景4：綜合考慮電熱負(fù)荷的需求響應(yīng).

如圖8、圖9，場(chǎng)景4下需求側(cè)電、熱負(fù)荷波動(dòng)較為平穩(wěn)，由此證明在微網(wǎng)綜合能源系統(tǒng)調(diào)度中計(jì)及電熱多負(fù)荷的綜合需求響應(yīng)相較僅考慮一種負(fù)荷類型的需求響應(yīng)具有削峰填谷的作用，提升了系統(tǒng)的調(diào)峰能力.由圖10可見，場(chǎng)景4下的風(fēng)電消納水平較高.在夜間負(fù)荷低谷期，風(fēng)電大發(fā)，但此時(shí)熱負(fù)荷需求較大，CHP機(jī)組受“以熱定電”的限制，電出力水平較高，風(fēng)電并網(wǎng)空間被壓縮，產(chǎn)生棄風(fēng).

圖8 不同場(chǎng)景下需求側(cè)電負(fù)荷曲線圖9 不同場(chǎng)景下需求側(cè)熱負(fù)荷曲線

由表4可見，未計(jì)及需求響應(yīng)時(shí)，微網(wǎng)的運(yùn)行成本為7 548.57元，綜合考慮電熱需求響應(yīng)后的運(yùn)行成本下降為6 056.08元，同時(shí)一次能源的利用效率也有所上升，棄風(fēng)率由未計(jì)及需求響應(yīng)時(shí)的18.6%下降到了9.8%.綜合需求響應(yīng)的引入使園區(qū)微網(wǎng)綜合能源系統(tǒng)在實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的同時(shí)能源消納水平也得到大幅提升.

表4 不同場(chǎng)景微網(wǎng)優(yōu)化結(jié)果對(duì)比

圖10 不同場(chǎng)景下風(fēng)電出力曲線

5 結(jié) 論

本文針對(duì)微網(wǎng)源荷儲(chǔ)匹配性較差以及棄風(fēng)率較高問題提出了一種考慮電熱氫混合儲(chǔ)能及電熱多負(fù)荷需求響應(yīng)的園區(qū)微網(wǎng)綜合能源系統(tǒng)優(yōu)化模型，并建立以綜合運(yùn)行成本最小為目標(biāo)函數(shù)的調(diào)度模型，通過算例仿真得出以下結(jié)論：

(1)以微燃機(jī)、電鍋爐和電制氫設(shè)備為核心的混合儲(chǔ)能系統(tǒng)相較于傳統(tǒng)含電池的電熱儲(chǔ)能運(yùn)行成本低，且能夠消納更多的棄風(fēng)，由其所構(gòu)成的微網(wǎng)系統(tǒng)內(nèi)部可達(dá)到供需平衡，實(shí)現(xiàn)自給自足.

(2)基于熱力特性的熱負(fù)荷需求響應(yīng)同電力需求響應(yīng)一樣具有削峰填谷、棄風(fēng)消納的能力，在綜合能源系統(tǒng)管理中，可將二者相結(jié)合進(jìn)行調(diào)度控制.

(3)本文僅考慮了系統(tǒng)的運(yùn)行成本，但可基于本模型進(jìn)一步研究投資成本、儲(chǔ)能容量對(duì)棄風(fēng)消納的影響.另一方面，現(xiàn)實(shí)中熱力需求響應(yīng)程度受用戶主觀意愿影響較大，關(guān)于在綜合需求響應(yīng)中計(jì)及用戶主觀意愿值得進(jìn)一步研究.