盧川，黃婧杰，孫志云，謝彬，楊洪明

(1. 湖南省清潔能源與智能電網(wǎng)協(xié)同創(chuàng)新中心(長(zhǎng)沙理工大學(xué))，長(zhǎng)沙410114；2. 中國(guó)能源建設(shè)集團(tuán)湖南省電力設(shè)計(jì)院有限公司，長(zhǎng)沙410007)

0 引言

2020年，我國(guó)提出了“碳達(dá)峰、碳中和”目標(biāo)。加速工商業(yè)園區(qū)建筑供暖和熱水供應(yīng)的電氣化以提高其用能電氣化率被認(rèn)為是實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)的重要路徑之一。在此趨勢(shì)下，熱泵、蓄熱式電采暖等電能替代技術(shù)廣泛應(yīng)用于園區(qū)[1 - 2]。但熱泵的接入使得工商業(yè)園區(qū)用電負(fù)荷和用電費(fèi)用不斷攀高[3]，在主網(wǎng)供電缺失下還存在供能不足的狀況，影響正常生產(chǎn)運(yùn)行，帶來(lái)經(jīng)濟(jì)損失[4]，因此如何提高工商業(yè)園區(qū)運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性和用能可靠性愈加重要。

工商業(yè)園區(qū)負(fù)荷可分為重要負(fù)荷和柔性負(fù)荷，在我國(guó)現(xiàn)行分時(shí)電價(jià)的政策下，通過引導(dǎo)柔性負(fù)荷改變用電習(xí)慣，使其參與到優(yōu)化運(yùn)行中能夠改善負(fù)荷曲線，降低用電成本[5 - 6]。文獻(xiàn)[7 - 8]分別考慮柔性電負(fù)荷的價(jià)格需求響應(yīng)和柔性熱負(fù)荷的需求彈性，對(duì)柔性電、熱負(fù)荷的用能進(jìn)行調(diào)控，提高了運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性；文獻(xiàn)[9]以運(yùn)行成本最小為目標(biāo)，提出了一種考慮電熱多種負(fù)荷綜合需求響應(yīng)的園區(qū)優(yōu)化運(yùn)行模型。但由于工商業(yè)園區(qū)柔性負(fù)荷響應(yīng)受滿意度限制且重要負(fù)荷與其主營(yíng)生產(chǎn)密切相關(guān)，因此負(fù)荷側(cè)調(diào)節(jié)范圍有限。利用儲(chǔ)能可起到良好的協(xié)調(diào)作用，在工商業(yè)園區(qū)配置儲(chǔ)能，可以有效地促進(jìn)分時(shí)電價(jià)政策下園區(qū)負(fù)荷的削峰填谷,降低園區(qū)用戶的用電成本[10 - 11]。文獻(xiàn)[12 - 13]面向用戶側(cè)工業(yè)園區(qū)分別考慮了蓄電池、蓄熱罐的能量時(shí)移特性，對(duì)充放能時(shí)段進(jìn)行優(yōu)化，使運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性顯著提高。

但以上研究多理想化地考慮主網(wǎng)正常供電的狀況，通過儲(chǔ)能的低儲(chǔ)高放或柔性負(fù)荷的響應(yīng)來(lái)降低工商業(yè)園區(qū)運(yùn)行成本，少有考慮實(shí)際運(yùn)行中因自然災(zāi)害、設(shè)備線路損壞和供需不平衡等因素導(dǎo)致的非計(jì)劃離網(wǎng)期間重要電、熱負(fù)荷的用能需求。隨著電能替代下用電依賴性和電熱耦合性的增強(qiáng)，主網(wǎng)電力供應(yīng)缺失所帶來(lái)的損失和影響更加突出[14 - 15]。非計(jì)劃離網(wǎng)期間，為了滿足重要負(fù)荷的持續(xù)用能需求，除了光伏出力之外，儲(chǔ)能裝置也可以作為緊急響應(yīng)資源[16 - 17]，但不論是不間斷電源(uninterruptible power supply，UPS)還是常規(guī)儲(chǔ)能裝置均存在一定不足，UPS作為供電故障下的應(yīng)急電源，主網(wǎng)正常供電時(shí)大量閑置導(dǎo)致浪費(fèi)[18]，而蓄電池和蓄熱罐在正常供電時(shí)以“低儲(chǔ)高放”的方式進(jìn)行儲(chǔ)放能，剩余能量無(wú)法確保離網(wǎng)期間持續(xù)滿足重要負(fù)荷需求。

綜合上述分析，在提升工商業(yè)用能電氣化率的背景下，本文以光伏、熱泵、電熱儲(chǔ)能、傳輸泵和電熱負(fù)荷構(gòu)成的工商業(yè)園區(qū)為研究對(duì)象，綜合考慮柔性電熱負(fù)荷的響應(yīng)特性和重要電熱負(fù)荷的用能可靠性，提出了一種工商業(yè)園區(qū)優(yōu)化運(yùn)行模型。

1 工商業(yè)園區(qū)結(jié)構(gòu)和能源轉(zhuǎn)換設(shè)備模型

1.1 工商業(yè)園區(qū)結(jié)構(gòu)

以中小型工商業(yè)園區(qū)為研究對(duì)象。其主營(yíng)生產(chǎn)、生活中對(duì)熱能品位要求不高，僅需維持溫度在舒適范圍內(nèi)。在構(gòu)建以電為核心的能源體系下，園區(qū)結(jié)構(gòu)及能量流如圖1所示。儲(chǔ)能包括蓄電池和蓄熱罐；熱泵為地源熱泵；傳輸泵為輸送熱能的輔助設(shè)備；重要負(fù)荷指園區(qū)的工商業(yè)用戶在主營(yíng)生產(chǎn)中必須得到滿足的剛性負(fù)荷，柔性負(fù)荷指生活用能中可被調(diào)控的響應(yīng)負(fù)荷。

1.2 能源轉(zhuǎn)換設(shè)備模型

1.2.1 地源熱泵

地源熱泵是在電能驅(qū)動(dòng)下利用地下淺層地?zé)豳Y源供熱的裝置，與燃煤鍋爐相比，地源熱泵制熱效率和環(huán)保性更好，數(shù)學(xué)模型表示為[19]：

Qhp(t)=ηEER-hpPhp(t)

(1)

Php(t)=Php-zj(t)+Php-cp(t)

(2)

式中：Qhp(t)、Php(t)分別為時(shí)段t內(nèi)地源熱泵系統(tǒng)的輸出熱功率、輸入電功率；Php-zj(t)、Php-cp(t)分別為熱泵系統(tǒng)中的主機(jī)、水泵的輸入電功率；ηEER-hp為制熱能效比，其含義是地源熱泵消耗單位電能提供給用戶的熱能。

1.2.2 傳輸泵及其耗電系數(shù)計(jì)算

傳輸泵為輸送熱能的輔助設(shè)備，其耗電功率與輸送熱能的關(guān)系可以用一次函數(shù)近似計(jì)算為[20]：

(3)

式中：Qcp(t)、Pcp(t)分別為時(shí)段t內(nèi)傳輸泵輸送的熱功率、輸入電功率；αcp為耗電系數(shù)。

對(duì)于αcp， 本文提出利用地源熱泵系統(tǒng)的制熱性能系數(shù)與制熱能效比來(lái)確定其大小，地源熱泵制熱性能系數(shù)ξCOP-hp的含義是地源熱泵主機(jī)消耗單位電能所產(chǎn)生的熱能，如式(4)所示，同時(shí)將式(1)進(jìn)行數(shù)學(xué)變換可得式(5)。

(4)

(5)

當(dāng)Qhp(t)一定，即提供給用戶的熱量相同時(shí)，結(jié)合式(2)—(5)，可以得到式(6)。

(6)

1.2.3 儲(chǔ)能裝置及其能量狀態(tài)區(qū)間劃分

儲(chǔ)能具有能量時(shí)移的特性，可使得園區(qū)利用電價(jià)差來(lái)獲得收益，減少運(yùn)行成本。蓄電池和蓄熱罐的能量充放數(shù)學(xué)模型可以描述為[21]：

(7)

式中：Ebat(t)、Hsg(t)分別為t時(shí)刻存儲(chǔ)的電能、熱能；τ、μ為儲(chǔ)能能量自放率；Pch(t)、Pdis(t)、ηbat,ch、ηbat,dis分別為蓄電池充、放電功率和充、放電效率；Qch(t)、Qdis(t)、ηsg,ch、ηsg,dis分別為蓄熱罐儲(chǔ)、放熱的功率和效率；X、Y為0、1變量，表示充、放能狀態(tài)。

在實(shí)際運(yùn)行中，受自然災(zāi)害、設(shè)備線路損壞、供需不平衡等突發(fā)因素影響，會(huì)存在主網(wǎng)供電缺失的情況，此時(shí)園區(qū)將非計(jì)劃轉(zhuǎn)入離網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)，為了保證離網(wǎng)期間重要電、熱負(fù)荷短時(shí)持續(xù)用能，除光伏出力之外，還需要電、熱儲(chǔ)能預(yù)留一定能量。不同于與維持儲(chǔ)能能量始終在某一固定值以上，本文提出將儲(chǔ)能的能量狀態(tài)[22]劃分為如圖2所示的兩個(gè)區(qū)間。

圖2 儲(chǔ)能裝置能量狀態(tài)區(qū)間劃分示意圖Fig.2 Diagram of state of energy level division of energy storage

區(qū)間1是為了滿足非計(jì)劃離網(wǎng)用能需求而設(shè)置的備用容量，區(qū)間2是發(fā)揮分時(shí)電價(jià)下儲(chǔ)能“低儲(chǔ)高放”作用的靈活儲(chǔ)放容量。

1.3 考慮非計(jì)劃離網(wǎng)期用能需求的園區(qū)運(yùn)行模式

考慮非計(jì)劃離網(wǎng)用能需求后，園區(qū)在并網(wǎng)和離網(wǎng)時(shí)的運(yùn)行模式為：正常并網(wǎng)時(shí)，在滿足區(qū)間1備用容量約束下，基于分時(shí)電價(jià)信息，進(jìn)行柔性電熱負(fù)荷的響應(yīng)、發(fā)揮區(qū)間2靈活儲(chǔ)放容量的“低儲(chǔ)高放”作用，以提高運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性；故障離網(wǎng)時(shí)，優(yōu)先光伏出力供應(yīng)重要電負(fù)荷和傳輸泵，若存在缺額，則通過蓄電池的備用容量補(bǔ)足，傳輸泵利用蓄熱罐的熱備用容量對(duì)重要熱負(fù)荷供熱，滿足離網(wǎng)期重要電、熱負(fù)荷的持續(xù)用能需求。

2 柔性電、熱負(fù)荷響應(yīng)特性和儲(chǔ)能備用容量

2.1 柔性電負(fù)荷及其價(jià)格需求響應(yīng)特性

現(xiàn)行分時(shí)電價(jià)政策下，常用電量電價(jià)彈性矩陣來(lái)表達(dá)柔性電負(fù)荷用電量對(duì)電價(jià)的響應(yīng)[23]。

(8)

式中：ε為彈性系數(shù)；ΔPe、 Δρ、Pe、ρ0分別為柔性負(fù)荷功率變化量、電價(jià)的增加量和原始柔性電負(fù)荷需求、電價(jià)。為防止柔性電負(fù)荷響應(yīng)過度導(dǎo)致用戶用電滿意度下降，將用電滿意度γ引入電量電價(jià)彈性矩陣E中來(lái)描述需求響應(yīng)實(shí)施后負(fù)荷調(diào)整情況，引入γ后的E為：

(9)

其中

(10)

式中：εii、εij分別為自、交叉彈性系數(shù)；T為運(yùn)行周期。響應(yīng)后柔性電負(fù)荷功率Pde(t)為：

(11)

2.2 柔性熱負(fù)荷及其彈性調(diào)節(jié)特性

本文中的熱負(fù)荷為供暖負(fù)荷，應(yīng)用于工商業(yè)園區(qū)的室內(nèi)建筑采暖。由于溫度在一定范圍內(nèi)時(shí)波動(dòng)時(shí)，不會(huì)影響到用熱舒適度，即熱能消費(fèi)存在感知上的模糊性，使得用熱功率可在一定范圍內(nèi)波動(dòng)變化，將這種變化特性稱為柔性熱負(fù)荷的彈性調(diào)節(jié)特性，可采用一階熱力學(xué)模型對(duì)用熱功率與室內(nèi)溫度變化進(jìn)行描述[24]，即：

(12)

τ=RCair

(13)

式中：Qh(t)為柔性熱負(fù)荷響應(yīng)前的功率；R為建筑物等效熱阻；Tin(t)、Tout(t)為t時(shí)段建筑物室內(nèi)、室外溫度；Cair為室內(nèi)空氣熱容。

根據(jù)柔性熱負(fù)荷的彈性調(diào)節(jié)特性，對(duì)于室內(nèi)溫度有如下約束：

Tin,min≤Tin(t)≤Tin,max

(14)

熱感覺平均預(yù)測(cè)(predicted mean vote，PMV)作為量化表征用熱舒適度的指標(biāo)，可用于確定室內(nèi)溫度波動(dòng)范圍，在忽略空氣流速和濕度等因素后，可以簡(jiǎn)化計(jì)算為[8]：

(15)

式中：Ts為舒適狀態(tài)下人體皮膚平均溫度，近似取為33.5 ℃；M為人體代謝率，取為80 W/m2；Icl為服裝熱阻，取為0.11 m2·℃/W。將式(15)經(jīng)數(shù)學(xué)變換，可以得到：

(16)

PMV指標(biāo)共分為7級(jí)，當(dāng)λPMV=0時(shí)是最舒適的熱狀態(tài)。在當(dāng)λPMV±0.5間波動(dòng)時(shí)，溫度變化產(chǎn)生的差異不會(huì)被用戶明顯感知，可得溫度適宜變化范圍為：

20.4 ℃≤Tin(t)≤24.9 ℃

當(dāng)考慮柔性熱負(fù)荷需求彈性特性后，t時(shí)段的實(shí)際柔性熱負(fù)荷需求Qdh(t)為：

Qdh(t)=Qh(t)-ΔQh(t)

(17)

在電能替代熱泵供熱方式下，調(diào)整熱負(fù)荷需求可實(shí)現(xiàn)電負(fù)荷需求的調(diào)整，進(jìn)而響應(yīng)分時(shí)電價(jià)信息。

2.3 考慮非計(jì)劃離網(wǎng)期用能需求的儲(chǔ)能備用容量

2.3.1 工商業(yè)園區(qū)重要電、熱負(fù)荷用能需求

園區(qū)中工商業(yè)用戶主營(yíng)生產(chǎn)流程如圖3所示。重要電負(fù)荷包括圖中的藍(lán)色重要生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)環(huán)節(jié)用電和運(yùn)行控制中心用電。重要熱負(fù)荷包括生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)過程中的生產(chǎn)要求內(nèi)用熱和運(yùn)行控制中心用熱。

圖3 工商業(yè)生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)流程圖Fig.3 Flow chart of Industrial and commercial production operation

一旦發(fā)生離網(wǎng)，為避免重要負(fù)荷斷電和溫度超出范圍而影響正常主營(yíng)生產(chǎn)，需維持生產(chǎn)環(huán)節(jié)正常工作一段時(shí)間以完成主營(yíng)生產(chǎn)材料的緊急處理，否則會(huì)造成較大經(jīng)濟(jì)損失。

2.3.2 不同時(shí)刻儲(chǔ)能備用容量計(jì)算

非計(jì)劃離網(wǎng)期間，除了光伏出力之外，設(shè)定儲(chǔ)能裝置留有一定備用容量。但若備用容量過大，則靈活儲(chǔ)放容量較小，影響并網(wǎng)運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性; 反之，則無(wú)法保證離網(wǎng)期間重要負(fù)荷的持續(xù)用能。由于不同時(shí)刻的負(fù)荷需求存在一定差別，因此本文提出根據(jù)園區(qū)不同時(shí)刻的用能需求靈活設(shè)置儲(chǔ)能備用容量以提高并網(wǎng)運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性和離網(wǎng)用能可靠性。對(duì)于蓄電池，其電備用容量計(jì)算表達(dá)式為：

(18)

對(duì)于蓄熱罐，熱備用容量計(jì)算表達(dá)式為：

(19)

式中：Pby(t)、Qby(t)分別為t時(shí)段蓄電池、蓄熱罐的備用容量；P0(t)、Q0(t)分別為t時(shí)段園區(qū)重要電、熱負(fù)荷功率；Ppv(t)為t時(shí)段光伏預(yù)測(cè)出力；t1為非計(jì)劃離網(wǎng)時(shí)刻；tcx為維持重要負(fù)荷持續(xù)用能時(shí)長(zhǎng)。

2.3.3 維持重要負(fù)荷持續(xù)用能時(shí)長(zhǎng)

受突發(fā)因素影響導(dǎo)致園區(qū)非計(jì)劃離網(wǎng)后，標(biāo)準(zhǔn)化配電網(wǎng)檢修時(shí)間后可知，離網(wǎng)時(shí)間一般不會(huì)超過4 h[25]。在實(shí)際應(yīng)用中，可以根據(jù)不同園區(qū)不同的主營(yíng)生產(chǎn)材料緊急處理所需的時(shí)間靈活設(shè)定tcx，即：

tcx∈{0,1,2,3,4}

(20)

3 考慮非計(jì)劃離網(wǎng)期用能需求的工商業(yè)園區(qū)優(yōu)化運(yùn)行模型

3.1 目標(biāo)函數(shù)

考慮非計(jì)劃離網(wǎng)期用能需求的園區(qū)優(yōu)化運(yùn)行的目標(biāo)是在保障重要負(fù)荷持續(xù)用能需求的前提下降低工商業(yè)園區(qū)運(yùn)行成本F，目標(biāo)函數(shù)為：

(21)

式中：Fex(t)、Fmc(t)分別為時(shí)段t內(nèi)購(gòu)電成本、設(shè)備維護(hù)成本；C0(t)為分時(shí)電價(jià)；Pex(t)為時(shí)段t內(nèi)園區(qū)與配網(wǎng)的聯(lián)絡(luò)線交互功率，由總電負(fù)荷和光伏出力決定其大?。籆es、Chp為儲(chǔ)能裝置、地源熱泵的單位出力維護(hù)成本。

3.2 常規(guī)約束

3.2.1 電、熱功率平衡約束

Pde(t)+P0(t)+Php(t)+Pcp(t)+Pbat(t)=
Z·Pex(t)+Ppv(t)

(22)

Qdh(t)+Q0(t)+Qch(t)=Qhp(t)+Qdis(t)

(23)

式中：Pbat(t)為蓄電池的充放電功率；Z為主網(wǎng)供電狀態(tài)，為0- 1變量，0表示主網(wǎng)供電缺失，1表示主網(wǎng)供電正常。

3.2.2 聯(lián)絡(luò)線交互功率約束

Pex,min≤Pex(t)≤Pex,max

(24)

式中Pex,max、Pex,min分別為交互功率的上下限。

3.2.3 柔性負(fù)荷響應(yīng)約束

為了保證調(diào)度周期內(nèi)柔性負(fù)荷響應(yīng)前后用電、用熱負(fù)荷總量不變，有：

(25)

(26)

3.2.4 地源熱泵出力約束

0≤Php(t)≤Php,max

(27)

-Dhp,max≤Php(t+1)-Php(t)≤Uhp,max

(28)

式中：Php,max、Uhp,max、Dhp,max分別為地源熱泵最大功率和爬坡功率的上、下限。

3.2.5 用電滿意度約束

為確保用戶在可接受范圍內(nèi)調(diào)整柔性電負(fù)荷有：

γmin≤γ

(29)

3.3 考慮非計(jì)劃離網(wǎng)用能需求的儲(chǔ)能裝置及其備用容量約束

3.3.1 蓄電池及其電備用容量約束

蓄電池及其電備用容量約束如式(30)所示。

(30)

式中：Ebat,min(t)、Ebat,max(t)分別為蓄電池的存儲(chǔ)電能的最小、最大值；Pch,max、Pdis,max為最大充、放電功率，最后一項(xiàng)約束使得儲(chǔ)能調(diào)度具有周期性。

為保障非計(jì)劃離網(wǎng)期間重要電負(fù)荷的用電需求，基本前提是要保證蓄電池的剩余能量始終維持在區(qū)間1備用容量Ebat,state1(t)以上，即各時(shí)刻蓄電池的存儲(chǔ)能量下限等于電儲(chǔ)能備用容量Pby(t)，因此：

Ebat,state1(t)=Ebat,state(t)=Pby(t)

(31)

由儲(chǔ)能能量狀態(tài)區(qū)間劃分可知，各時(shí)刻區(qū)間2靈活儲(chǔ)放容量Estate2(t)為：

Ebat,state2(t)=Ebat,max(t)-Pby(t)

(32)

3.3.2 蓄熱罐及其熱備用容量約束

(33)

式中：Hsg,min(t)、Hsg,max(t)分別為蓄熱罐的存儲(chǔ)熱能的最小、最大值；Qch,max、Qdis,max分別為最大充、放熱功率。同樣地，為了保障非計(jì)劃離網(wǎng)期間重要熱負(fù)荷的用熱需求，對(duì)于蓄熱罐的備用容量Hsg,state1(t)和靈活儲(chǔ)放容量Hsg,state2(t)， 有：

Hsg,state1(t)=Hsg,min(t)=Qby(t)

(34)

Hsg,state2(t)=Hsg,max(t)-Qby(t)

(35)

上述所建立的模型為混合整數(shù)線性規(guī)劃問題，本文采用CPLEX求解器進(jìn)行求解。

4 算例仿真分析

4.1 算例基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

以某小型工商業(yè)園區(qū)為例，非計(jì)劃離網(wǎng)后園區(qū)用戶可在3 h內(nèi)完成對(duì)生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)材料的緊急處理， 即tcx=3 h；T=24 h， Δt=1 h； 峰時(shí)段(10：00—10)電價(jià)為1.35元，谷時(shí)段(01：00 —06：00)電價(jià)為0.47元，其他時(shí)段為0.89元；初始設(shè)定溫度為23 ℃；Php,max為80 kW；Pex,max/Pex,min為200/0 kW；Dhp,max/Uhp,max為30/30 kW；εii取-0.2，εij取0.03，γmin取0.9；ξCOP-hp取4.52，ηEER-hp取3.34，Chp取0.026。圖4為電、熱負(fù)荷和光伏預(yù)測(cè)出力曲線，表1為儲(chǔ)能裝置參數(shù)。

圖4 電、熱負(fù)荷和光伏預(yù)測(cè)出力曲線Fig.4 Curves of electric and thermal loads and forecasted output of photovoltaic

表1 儲(chǔ)能裝置參數(shù)Tab.1 Energy storage device parameters

4.2 考慮非計(jì)劃離網(wǎng)期用能需求的儲(chǔ)能備用容量情況

2.3節(jié)儲(chǔ)能備用容量計(jì)算階段生成的蓄電池、蓄熱罐備用情況見圖5。

圖5 不同時(shí)刻電、熱儲(chǔ)能備用容量Fig.5 Energy storage reserve capacities at different time

可見，不同時(shí)刻儲(chǔ)能備用容量的大小不同。其中由于白天存在光伏出力的原因，非計(jì)劃離網(wǎng)時(shí)光伏優(yōu)先供應(yīng)重要電負(fù)荷，因此在光伏出力較大的10：00—17：00時(shí)段蓄電池的備用容量較?。辉?3：00—15：00時(shí)段降至為0，蓄熱罐的備用容量整體較為穩(wěn)定。

4.3 優(yōu)化運(yùn)行結(jié)果分析

4.3.1 柔性電、熱負(fù)荷響應(yīng)結(jié)果分析

柔性電、熱負(fù)荷優(yōu)化結(jié)果分別見圖6—7。

圖6 柔性電負(fù)荷響應(yīng)前后負(fù)荷曲線Fig.6 Flexible electric load curves before and after response

圖7 柔性熱負(fù)荷響應(yīng)前后負(fù)荷曲線Fig.7 Flexible thermal load curves before and after response

從圖6—7可以看出，響應(yīng)后各個(gè)時(shí)段負(fù)荷的大小均發(fā)生了改變。對(duì)于柔性電負(fù)荷，在滿足用電滿意度的前提下，主要表現(xiàn)為峰電價(jià)時(shí)段出現(xiàn)的負(fù)荷高峰經(jīng)過響應(yīng)后轉(zhuǎn)移到谷電價(jià)時(shí)段，降低了白天的負(fù)荷需求，增加了夜間的負(fù)荷，減小了電負(fù)荷曲線峰谷差；對(duì)于柔性熱負(fù)荷，在考慮用熱舒適度下，主要表現(xiàn)為高電價(jià)時(shí)段熱負(fù)荷的需求降低，低電價(jià)時(shí)段熱負(fù)荷需求增加。在負(fù)荷側(cè)綜合考慮柔性電、熱負(fù)荷響應(yīng)，能夠共同促進(jìn)園區(qū)負(fù)荷曲線峰谷差的改善，減少工商業(yè)園區(qū)用電成本。

4.3.2 是否考慮非計(jì)劃離網(wǎng)用能需求運(yùn)行結(jié)果分析

為了驗(yàn)證本文所提方法的有效性，在考慮柔性負(fù)荷響應(yīng)下，設(shè)置以下2種并網(wǎng)運(yùn)行方案進(jìn)行對(duì)比。

方案1：不考慮非計(jì)劃離網(wǎng)期用能需求，tcx=0。

方案2：考慮非計(jì)劃離網(wǎng)期用能需求，tcx=3。

由于儲(chǔ)能裝置采用“低儲(chǔ)高放”的運(yùn)行方式，不同時(shí)刻的存儲(chǔ)能量有所不同，因此本文通過分析不同時(shí)刻儲(chǔ)能的存儲(chǔ)能量與備用容量的關(guān)系來(lái)刻畫非計(jì)劃離網(wǎng)期間園區(qū)維持重要負(fù)荷的用能需求的能力。兩種方案下運(yùn)行結(jié)果如圖8、圖9所示。

圖8 方案1不同時(shí)刻儲(chǔ)能存儲(chǔ)能量和備用容量Fig.8 Storage energies and reserve capacities of energy storage devices under case 1

圖9 方案2不同時(shí)刻儲(chǔ)能存儲(chǔ)能量和備用容量Fig.9 Storage energies and reserve capacities of energy storage devices under case 2

從圖8可以看出，在運(yùn)行末端時(shí)段，蓄電池、蓄熱罐的存儲(chǔ)能量約在20：00時(shí)刻開始小于備用容量，且隨著時(shí)間的推移儲(chǔ)能存儲(chǔ)能量逐漸降低，若此時(shí)突發(fā)非計(jì)劃離網(wǎng)，儲(chǔ)能的存儲(chǔ)能量將無(wú)法保障重要電、熱負(fù)荷的持續(xù)用能需求，影響工商業(yè)用戶生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)，帶來(lái)?yè)p失。而在圖9中，由于考慮了非計(jì)劃離網(wǎng)期間的用能需求，蓄電池、蓄熱罐的存儲(chǔ)能量始終大于備用容量，即使發(fā)生非計(jì)劃離網(wǎng)，也能滿足重要負(fù)荷持續(xù)用能需求，主動(dòng)預(yù)防了主網(wǎng)突發(fā)供電故障。在其他時(shí)段，儲(chǔ)能存儲(chǔ)能量均大于備用容量，非計(jì)劃離網(wǎng)時(shí)，在滿足重要負(fù)荷用能需求的同時(shí)盈余能量還可以供應(yīng)部分柔性負(fù)荷。

4.3.3 不同運(yùn)行方案下對(duì)園區(qū)運(yùn)行成本的影響分析

為了綜合分析在負(fù)荷側(cè)考慮柔性電熱負(fù)荷響應(yīng)和在儲(chǔ)能側(cè)劃分儲(chǔ)能能量狀態(tài)區(qū)間對(duì)園區(qū)運(yùn)行成本的影響，增設(shè)方案3、方案4與方案1、方案2共同進(jìn)行對(duì)比，不同方案下運(yùn)行成本見表2。

表2 不同運(yùn)行方案下園區(qū)運(yùn)行成本Tab.2 Operation costs of the park under different case

方案3：考慮非計(jì)劃離網(wǎng)用能需求(tcx=3)，但不考慮柔性電熱負(fù)荷響應(yīng)；

方案4：不考慮非計(jì)劃離網(wǎng)用能需求(tcx=0)和柔性電熱負(fù)荷響應(yīng)。

由表2，在考慮柔性負(fù)荷響應(yīng)時(shí)，方案1的運(yùn)行成本為3 153.6元，而方案2由于同時(shí)考慮了非計(jì)劃離網(wǎng)期間的用能需求，在運(yùn)行末端時(shí)段存在儲(chǔ)能備用約束，運(yùn)行成本較方案1增加了25.6元；在未考慮柔性負(fù)荷響應(yīng)時(shí)，方案3運(yùn)行成本較方案4增加了26.6元。可見考慮非計(jì)劃離網(wǎng)期用能需求需要以較小的運(yùn)行成本損失(約0.81%)為代價(jià)來(lái)保障園區(qū)重要電、熱負(fù)荷的可靠用能。在考慮離網(wǎng)期用能需求時(shí)，方案2由于同時(shí)考慮了柔性負(fù)荷響應(yīng)，運(yùn)行成本為3 179.2元，較方案3減少了95.4元；在未考慮離網(wǎng)期用能需求時(shí)，方案1運(yùn)行成本較方案4減少了94.4元。在負(fù)荷側(cè)考慮柔性負(fù)荷響應(yīng)后，園區(qū)運(yùn)行成本降低了約3.0%，效果顯著。方案2在同時(shí)考慮柔性負(fù)荷響應(yīng)和離網(wǎng)用能需求的情況下，較均不考慮的方案4，運(yùn)行成本降低了約2.2%，既提高了運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性又提高了用能可靠性，驗(yàn)證了所提方法的優(yōu)越性。

4.4 儲(chǔ)能能量狀態(tài)區(qū)間劃分方式對(duì)優(yōu)化運(yùn)行影響

為了驗(yàn)證本文所提根據(jù)重要電、熱負(fù)荷的用能需求靈活劃分儲(chǔ)能能量狀態(tài)區(qū)間的優(yōu)越性，在考慮柔性負(fù)荷響應(yīng)，tcx=3下，與維持儲(chǔ)能能量始終在備用容量的最大值以上固定劃分儲(chǔ)能能量狀態(tài)區(qū)間的方法進(jìn)行對(duì)比，運(yùn)行成本見表3。

表3 不同儲(chǔ)能能量狀態(tài)區(qū)間劃分方式下園區(qū)運(yùn)行成本Tab.3 Operation costs under different state of energy level division

可以看出，本文所提儲(chǔ)能能量狀態(tài)區(qū)間劃分方法(運(yùn)行成本為3 179.2元)與固定劃分的方法(運(yùn)行成本3 215.7)相比，運(yùn)行成本降低了36.5元(降低比例1.14%)，驗(yàn)證了本文所提的儲(chǔ)能能量狀態(tài)區(qū)間劃分方法的優(yōu)越性。

4.5 儲(chǔ)能配置容量對(duì)優(yōu)化運(yùn)行的影響

儲(chǔ)能配置容量的大小影響著儲(chǔ)能能量狀態(tài)區(qū)間2靈活儲(chǔ)放容量的大小，進(jìn)而影響園區(qū)運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性。分析儲(chǔ)能配置容量對(duì)運(yùn)行成本的影響，能夠?yàn)閳@區(qū)合理配置儲(chǔ)能提供借鑒，因本文面向于優(yōu)化運(yùn)行環(huán)節(jié)，所以暫不考慮儲(chǔ)能投資成本的影響。在考慮柔性負(fù)荷響應(yīng)，tcx=3時(shí)，電熱儲(chǔ)能配置容量與園區(qū)運(yùn)行成本的關(guān)系如圖10所示。

圖10 儲(chǔ)能配置容量與園區(qū)運(yùn)行成本的關(guān)系Fig.10 Impact of energy storage capacity on operation cost of the park

由圖10可看出，配置單位容量的蓄電池降低園區(qū)運(yùn)行成本的效果好于配置單位容量的蓄熱罐。儲(chǔ)能配置容量越大，運(yùn)行成本F越小，但當(dāng)儲(chǔ)能配置容量超過一定數(shù)值時(shí)(圖中虛線部分)，運(yùn)行成本不再降低，說明低電價(jià)時(shí)段的存儲(chǔ)能量可滿足高電價(jià)時(shí)段負(fù)荷需求，再提升儲(chǔ)能容量上限將不再經(jīng)濟(jì)，但有利于保障非計(jì)劃離網(wǎng)期的用能可靠性。

5 結(jié)語(yǔ)

為滿足非計(jì)劃離網(wǎng)期用能需求而提出的各時(shí)刻儲(chǔ)能存儲(chǔ)能量下限約束，以較小的運(yùn)行成本損失為代價(jià)，保障了任意時(shí)刻發(fā)生離網(wǎng)時(shí)園區(qū)重要電、熱負(fù)荷的持續(xù)可靠用能，且相比固定式儲(chǔ)能存儲(chǔ)能量約束，具有更好的經(jīng)濟(jì)性。

考慮柔性負(fù)荷響應(yīng)，有效降低了運(yùn)行成本，改善負(fù)荷曲線峰谷差；不同的儲(chǔ)能配置容量，日常運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性和離網(wǎng)用能可靠性不同，配置容量越大，運(yùn)行成本越低，保障離網(wǎng)期間園區(qū)持續(xù)用能的能力更好。

所建模型不僅提高了園區(qū)運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性，又以較小運(yùn)行成本損失為代價(jià)提高了用能可靠性，可為園區(qū)運(yùn)行管理決策提供參考，后續(xù)研究可考慮非計(jì)劃離網(wǎng)期用能需求對(duì)儲(chǔ)能容量?jī)?yōu)化配置的影響。