余江勝，婁 柯，張 艷，何昌龍，梁馨予

(安徽工程大學(xué) 高端裝備先進(jìn)感知與智能控制教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 蕪湖 241000)

由于電力價(jià)格和能源需求在市場(chǎng)上的不可預(yù)測(cè)，于是綜合能源系統(tǒng)(Integrated Energy System,IES)應(yīng)運(yùn)而生，已廣泛應(yīng)用到能源領(lǐng)域[1]。綜合需求響應(yīng)(Integrated Demand Response,IDR)作為需求響應(yīng)(Demand Response,DR)在綜合能源系統(tǒng)中的衍生，可以調(diào)節(jié)用戶的用能方式，平緩負(fù)荷波動(dòng)[2]。為了提高IES運(yùn)行效率，國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量的研究。文獻(xiàn)[3]提出了一種基于分時(shí)電價(jià)的DR，通過設(shè)置峰、平、谷電價(jià)以價(jià)格信號(hào)來刺激用戶改變自身的習(xí)慣，實(shí)現(xiàn)調(diào)度需求側(cè)資源的目的，在提高系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性的同時(shí)，也緩解了大電網(wǎng)在用電高峰期的供能壓力，起到“削峰填谷”的作用。文獻(xiàn)[4]建立含有風(fēng)光機(jī)組、CCHP(Combined Cooling, Heating and Power)和儲(chǔ)能系統(tǒng)的IES調(diào)度模型，最后應(yīng)用Cplex對(duì)模型求解。文獻(xiàn)[5-6]在IES系統(tǒng)中引入碳交易機(jī)制，分析了不同碳交易價(jià)格對(duì)系統(tǒng)的影響。

然而，現(xiàn)有的綜合能源系統(tǒng)研究較少考慮冷熱負(fù)荷的可調(diào)度性，隨著冷熱電耦合的程度不斷加深，冷熱負(fù)荷的需求響應(yīng)同樣具有極高的調(diào)度價(jià)值。在現(xiàn)行研究的基礎(chǔ)上，本文提出了一種考慮綜合需求響應(yīng)的區(qū)域綜合能源系統(tǒng)低碳經(jīng)濟(jì)調(diào)度模型。通過集成冷熱電聯(lián)供、光伏機(jī)組、風(fēng)力渦輪機(jī)機(jī)組、蓄熱和蓄冷來降低運(yùn)行成本和排放。最后通過算例比較了不考慮需求響應(yīng)、考慮需求響應(yīng)、考慮需求響應(yīng)并考慮碳交易機(jī)制的調(diào)度結(jié)果，以驗(yàn)證文中所提模型的合理性與有效性。

1 綜合需求響應(yīng)模型

本文的能源供應(yīng)側(cè)主要包括以風(fēng)電機(jī)組(Wind Turbine, WT)、光伏發(fā)電機(jī)組(Photovoltaic, PV)及外部電網(wǎng)構(gòu)成的電力系統(tǒng)和天然氣系統(tǒng)。能源樞紐轉(zhuǎn)換側(cè)涉及的設(shè)備眾多，主要以熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)(Combined Heating and Power System, CHP)為核心。其中CHP系統(tǒng)包括燃?xì)廨啓C(jī)(Gas Turbine, GT)和余熱鍋爐(Waste Heat Boiler, WHB)。多源儲(chǔ)能設(shè)備包括蓄電池(Battery, BT)、蓄熱槽(Heat Storage Tank, HST)。此外還包括燃?xì)忮仩t(Gas Boiler, GB)、吸收式制冷機(jī)(Absorption Refrigerator, AR)、電制冷機(jī)(Air Conditioner, AC)和電鍋爐(Electric Boiler, EB)。對(duì)于用能側(cè)，則是以電、熱、冷3種負(fù)荷構(gòu)成多元用戶。綜合能源系統(tǒng)(IES)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 IES結(jié)構(gòu)

1.1 電負(fù)荷需求響應(yīng)

本章電負(fù)荷IDR模型采用常用的價(jià)格型需求響應(yīng)彈性矩陣法，通過引入峰、谷、平分時(shí)電價(jià)，激勵(lì)用戶合理調(diào)節(jié)自身用能策略，從而達(dá)到削峰填谷的目的。電價(jià)彈性矩陣法是對(duì)電負(fù)荷需求響應(yīng)建模最常用的方法，電負(fù)荷變化率和電價(jià)變化率都可以利用電量電價(jià)彈性指標(biāo)來表征，其表達(dá)式為

(1)

式中：m為電量電價(jià)彈性指標(biāo)；cp、Δcp為峰谷電價(jià)格和其固定電價(jià)相比的差額；L和ΔL為負(fù)荷響應(yīng)前的用電量與負(fù)荷響應(yīng)量。

根據(jù)分時(shí)電價(jià)與固定電價(jià)的比值，建立如下彈性矩陣，即

(2)

(3)

(4)

式中：Nii為自彈性系數(shù)；Ne為電量電價(jià)彈性矩陣；Nij為交叉彈性系數(shù)；Li和ΔLi為i時(shí)段用戶的電量及其變化量；Δcpi、cpi和cpj、Δcpj分別為i時(shí)段和j時(shí)段的電價(jià)及電價(jià)變化量。

由電價(jià)彈性矩陣Ne可得用戶負(fù)荷響應(yīng)量為

(5)

1.2 熱負(fù)荷需求響應(yīng)

熱負(fù)荷的主要調(diào)節(jié)尺度為溫度，在用戶舒適期內(nèi)調(diào)整溫度并不會(huì)對(duì)用戶造成太大影響?？刂茻嶝?fù)荷的需求響應(yīng)應(yīng)保持在特定區(qū)間內(nèi)，即

(6)

式中：Ht為時(shí)段t內(nèi)的熱負(fù)荷功率；γ、ρw為水的比熱容和密度；Th,in為初始水溫，取15 ℃；Δt為1 h。

本文所考慮的柔性熱負(fù)荷為可轉(zhuǎn)移負(fù)荷，用戶熱負(fù)荷包括固定熱負(fù)荷和可轉(zhuǎn)移熱負(fù)荷2部分，表示為

(7)

(8)

(9)

1.3 冷負(fù)荷需求響應(yīng)

冷負(fù)荷的需求響應(yīng)原理與熱負(fù)荷大致相同,即

(10)

本文所考慮的柔性冷負(fù)荷為可轉(zhuǎn)移負(fù)荷，用戶冷負(fù)荷由固定冷負(fù)荷和可轉(zhuǎn)移冷負(fù)荷2部分組成，表示為

(11)

(12)

(13)

1.4 綜合能源系統(tǒng)碳交易成本計(jì)算模型

為了控制碳排放總量，充分調(diào)動(dòng)企業(yè)節(jié)能減排的積極性，提出了一種獎(jiǎng)懲制度，即當(dāng)企業(yè)的碳排放總量低于政府所分配的碳排放額度時(shí)，政府會(huì)適當(dāng)給予一定補(bǔ)貼，高于分配的部分會(huì)進(jìn)行一定的懲罰?；诖?，本文構(gòu)建了一種獎(jiǎng)懲機(jī)制的階梯型碳交易模型，對(duì)排放量進(jìn)行區(qū)間化細(xì)分，當(dāng)碳排放量小于免費(fèi)分配的碳排放額時(shí)，Cci為負(fù)，此時(shí)企業(yè)可以在碳交易市場(chǎng)上出售多余的碳排放配額，以此來獲得收益，且碳排放量越少，碳交易的價(jià)格越高；反之，當(dāng)企業(yè)的碳排放量高于免罰分配的碳排放額時(shí)，Cci為正，此時(shí)企業(yè)為了維持正常的生產(chǎn)需求，需要在碳交易市場(chǎng)購買碳排放權(quán)，且碳排放量越大，所對(duì)應(yīng)的價(jià)格越高。具體如下

Cci=

(14)

式中：Cci為IES中碳交易成本；Eci為各機(jī)組的實(shí)際碳排放量；c為碳交易價(jià)格；λ為碳交易價(jià)格的增長幅度；h表示碳排放區(qū)間長度。

參考文獻(xiàn)[7]可知煤電廠的碳排放量為1.08 t/MWh；燃?xì)忮仩t的碳排放量為0.065 t/GJ；將電量熱算成熱量后，CCHP機(jī)組等效供熱量與燃?xì)忮仩t接近，其碳排放量也取0.065 t/GJ。

2 綜合能源系統(tǒng)優(yōu)化運(yùn)行模型

2.1 優(yōu)化運(yùn)行目標(biāo)函數(shù)

線性規(guī)劃問題，本文綜合考慮了購電成本、MT發(fā)電成本、設(shè)備維護(hù)成本、電池充放電老化成本以及碳交易成本，構(gòu)建的總成本最低低碳調(diào)度目標(biāo)為

minF=Cgrid+Cng+Ce+Cb+Cd+Cci.

(15)

系統(tǒng)的購電成本、MT發(fā)電成本、BT充放電老化成本、GB成本、設(shè)備運(yùn)維成本分別為

(16)

(17)

(18)

(19)

2.2 約束條件

IES系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)除了需要考慮設(shè)備的運(yùn)行約束，還需要滿足電、熱、冷功率平衡以及交換功率之間的約束，具體如下：

電功率平衡為

(20)

熱功率平衡為

(21)

冷功率平衡為

(22)

交換功率約束條件為

(23)

(24)

式中：Pgrid.min/Pgrid.max、Pgrid.up/Pgrid.down分別為電網(wǎng)的最大/小購電功率和爬坡率上/下限。

3 算例分析

為了驗(yàn)證本文所提出的IES模型在提升能源利用率、降低碳排放等方面的優(yōu)勢(shì)，本文基于文獻(xiàn)[7]中的機(jī)組參數(shù)及負(fù)荷數(shù)據(jù)進(jìn)行仿真分析。對(duì)應(yīng)的負(fù)荷數(shù)據(jù)如圖2所示。

圖2 典型用戶的負(fù)荷預(yù)測(cè)曲線

3.1 不同調(diào)度模型的影響

為了驗(yàn)證本文所提出的綜合能源系統(tǒng)模型的優(yōu)勢(shì)，設(shè)計(jì)了如下3種方案進(jìn)行對(duì)比分析，分析結(jié)果如表1所示。

方案1：不考慮需求響應(yīng)以及碳交易模型

方案2：考慮需求響應(yīng)但不涉及碳交易模型

方案3：考慮需求響應(yīng)并考慮碳交易模型

表1 不同運(yùn)行方案下系統(tǒng)成本組成

1) 方案1與方案2對(duì)比分析。

方案2在方案1的基礎(chǔ)上考慮了需求響應(yīng)，其響應(yīng)機(jī)制是基于價(jià)格型響應(yīng)，通過設(shè)置分時(shí)電價(jià)以及分時(shí)氣價(jià)，其變化趨勢(shì)與負(fù)荷變化趨勢(shì)基本一致，用電高峰期為峰電、氣價(jià)。在此機(jī)制的刺激下用戶考慮到價(jià)格成本主動(dòng)改變自己的用電策略。將高峰期的用能轉(zhuǎn)移到價(jià)格相對(duì)便宜的低谷期，降低了生活成本。同時(shí)也能減輕電網(wǎng)的供電壓力。從成本上來看方案2比方案1約減少2.5%。

2) 方案2與方案3對(duì)比分析。

方案3在方案2的基礎(chǔ)上增加了階梯型碳交易機(jī)制。在IES中，GT和GB的碳排放相對(duì)較少，增加GT與GB的出力可以獲得較多的碳交易收益，在降低成本的同時(shí)還可以減少碳排放。由表1可以看出：方案3的運(yùn)行成本高于方案2，但由于其在碳交易市場(chǎng)上獲得了可觀的碳交易收益，使得最終成本低于方案2；方案3相比于方案2，其成本減少了4.94%，相比于方案1，其運(yùn)行成本減少了7.3%。

綜上所述，本文所提及的IES模型在減少碳排放上存在一定的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)可以對(duì)機(jī)組進(jìn)行合理的調(diào)度安排，達(dá)到節(jié)約成本的目的，實(shí)現(xiàn)減少碳排放與降低成本的雙贏局面。

3.2 供需平衡分析

考慮綜合需求響應(yīng)并考慮碳交易機(jī)制的多能互補(bǔ)優(yōu)化調(diào)度模型優(yōu)化后的電、熱調(diào)度結(jié)果(方案3)如圖3所示。首先，對(duì)于23:00～6:00時(shí)段，此時(shí)是用電低谷期，電負(fù)荷需求低，電負(fù)荷主要由風(fēng)機(jī)及燃?xì)廨啓C(jī)提供。然后IES將多余電量出售給大電網(wǎng)或者蓄電池進(jìn)行存儲(chǔ)。對(duì)于7:00～9:00以及15:00～17:00時(shí)段，此時(shí)電負(fù)荷主要由燃?xì)廨啓C(jī)和光伏、風(fēng)機(jī)提供，若仍存在不足則從大電網(wǎng)購買。而10:00～14:00及18:00～22:00時(shí)段是用電高峰期，用電量大且價(jià)格較貴，僅靠燃?xì)廨啓C(jī)，風(fēng)機(jī)，光伏已無法滿足用電需求，此時(shí)還需要通過蓄電池放電，若仍不足則向大電網(wǎng)進(jìn)行購以滿足用電需求。

圖3 電平衡結(jié)果

用戶熱/冷能平衡調(diào)度結(jié)果如圖4～5所示。用戶熱負(fù)荷主要由余熱鍋爐、燃?xì)忮仩t2種設(shè)備提供，不足的部分由蓄熱槽提供。冷負(fù)荷由電制冷機(jī)和吸收式制冷機(jī)提供。

圖4 熱平衡調(diào)度結(jié)果

圖5 冷平衡調(diào)度結(jié)果

3.3 綜合需求響應(yīng)前后用戶負(fù)荷曲線

需求響應(yīng)前后用戶的電、熱冷負(fù)荷變化趨勢(shì)如圖6～8所示，首先對(duì)電負(fù)荷曲線進(jìn)行分析。在18:00～22:00時(shí)段，用電負(fù)荷高且對(duì)應(yīng)的電價(jià)也相對(duì)較高，用戶通過改變自身的用電習(xí)慣，將可轉(zhuǎn)移電負(fù)荷轉(zhuǎn)移到0:00～6:00，此時(shí)電價(jià)較低，且基礎(chǔ)電負(fù)荷低。需求響應(yīng)后，用戶的電負(fù)荷峰谷差降低了15.7%。曲線呈現(xiàn)出一種削峰填谷的趨勢(shì)。需求響應(yīng)前后用戶的熱負(fù)荷變化如圖7所示，可以看出，需求響應(yīng)后，用戶的冷、熱峰谷差均不同程度地降低，其中用戶的熱負(fù)荷峰谷差，在進(jìn)行需求響應(yīng)后約下降了8%，冷負(fù)荷峰谷差，需求響應(yīng)前后約下降5%。

圖6 需求響應(yīng)前后電負(fù)荷曲線

圖7 需求響應(yīng)前后用戶的熱負(fù)荷曲線

圖8 需求響應(yīng)前后用戶的冷負(fù)荷曲線

4 結(jié)論

1) 電熱負(fù)荷共同參與需求響應(yīng)，可以有效地調(diào)節(jié)負(fù)荷曲線，調(diào)節(jié)峰谷差，減少電網(wǎng)在高峰期的功能壓力。

2) 在需求響應(yīng)的同時(shí)考慮階梯型碳交易機(jī)制，可明顯減少二氧化碳的排放。

3) 本文所提方法能夠有效提高系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性、環(huán)保性，可為綜合能源系統(tǒng)低碳經(jīng)濟(jì)調(diào)度提供參考。