吳瀟雨，孔維政，代紅才

（國網(wǎng)能源研究院有限公司，北京 102200）

受環(huán)境和能源危機(jī)的影響，大力發(fā)展風(fēng)、光等可再生能源利用技術(shù)，加快能源轉(zhuǎn)型發(fā)展已經(jīng)成為世界各國的普遍共識(shí)。城市電熱綜合能源系統(tǒng)UI?HPS（urban integrated heat and power systems）將為能源轉(zhuǎn)型的落地實(shí)施和加速發(fā)展提供有力的支持[1-2]。通過大型熱電聯(lián)產(chǎn)CHP（combined heat and power）機(jī)組和分布式蓄熱DTES（distributed thermal energy storage）裝置等電熱耦合設(shè)備，可以有效利用熱力系統(tǒng)的靈活調(diào)節(jié)特性，實(shí)現(xiàn)兩種能源系統(tǒng)間的協(xié)同互補(bǔ)，顯著提升風(fēng)能等可再生能源消納水平[3]?？紤]到風(fēng)力發(fā)電機(jī)組出力強(qiáng)，隨機(jī)波動(dòng)性對系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性的影響，發(fā)展一種同時(shí)計(jì)及熱力系統(tǒng)靈活調(diào)控能力和可再生能源消納安全性的城市電熱綜合能源系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)調(diào)度模型變得尤為重要。

城市級熱力系統(tǒng)靈活調(diào)控能力主要受一級熱力管網(wǎng)和分布在一級管網(wǎng)換熱站的分布式蓄熱裝置影響。在計(jì)及城市熱力管網(wǎng)的運(yùn)行優(yōu)化研究方面，目前主要采用節(jié)點(diǎn)模型來模擬熱網(wǎng)流量和各節(jié)點(diǎn)動(dòng)態(tài)變化過程[4-5]。文獻(xiàn)[4]綜合考慮了熱網(wǎng)傳熱時(shí)延和溫度損耗特性，建立了考慮火電機(jī)組啟停和熱力網(wǎng)絡(luò)約束的熱電綜合能源系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度模型；文獻(xiàn)[5]在對熱網(wǎng)動(dòng)態(tài)特性分析的基礎(chǔ)上，建立了綜合考慮CHP機(jī)組運(yùn)行特性、風(fēng)電功率以及儲(chǔ)熱運(yùn)行策略的熱電系統(tǒng)協(xié)同調(diào)度模型。對DTES的建模，目前多通過類比電儲(chǔ)能的荷電狀態(tài)模型，建立DTES的能量狀態(tài)時(shí)序模型。文獻(xiàn)[6]以DTES的蓄熱和放熱功率為優(yōu)化變量，構(gòu)建了社區(qū)綜合能源系統(tǒng)的優(yōu)化調(diào)度模型，但未考慮不同DTES熱交換過程中介質(zhì)溫度的影響。

在處理風(fēng)電出力不確定方面，目前的主流建模方法有隨機(jī)優(yōu)化[7]和魯棒優(yōu)化[8]，但隨機(jī)優(yōu)化中的不確定變量概率分布往往與其真實(shí)的概率分布存在一定的偏差，而魯棒優(yōu)化中預(yù)先設(shè)置的不確定變量邊界可能會(huì)對優(yōu)化方案保守性產(chǎn)生較大影響。近年來，結(jié)合了隨機(jī)優(yōu)化、魯棒優(yōu)化優(yōu)點(diǎn)的分布式魯棒優(yōu)化DRO（distributionally robust optimization），逐漸成為處理可再生能源出力不確定性的常用方法之一。文獻(xiàn)[9]建立了一種考慮風(fēng)電不確定性的綜合能源系統(tǒng)DRO調(diào)度模型，依據(jù)L1范數(shù)和L∞范數(shù)調(diào)節(jié)各不確定場景的概率分布，得出出力最惡劣概率分布式下的系統(tǒng)調(diào)度方案；文獻(xiàn)[10]以Kullback-Leibler散度作為依據(jù)，度量風(fēng)電出力分布函數(shù)與參考分布之間距離，建立了綜合能源系統(tǒng)的DRO調(diào)度模型。但上述研究中，未考慮傳熱介質(zhì)溫度對熱力管網(wǎng)和分布式蓄熱裝置運(yùn)行的影響，無法準(zhǔn)確刻畫熱力系統(tǒng)的靈活調(diào)控特性。

本文面向城市電-熱綜合能源系統(tǒng)，首先建立了計(jì)及介質(zhì)溫度變化的城市熱力管網(wǎng)和分布式蓄熱設(shè)備模型，完整刻畫了熱力系統(tǒng)調(diào)控特性。在此基礎(chǔ)上，提出了一種城市電熱綜合能源系統(tǒng)分布式魯棒經(jīng)濟(jì)調(diào)度模型。通過分布式魯棒優(yōu)化理論，對風(fēng)電機(jī)組的不確定性進(jìn)行建模，進(jìn)而得到可再生能源出力最惡劣概率分布下的經(jīng)濟(jì)調(diào)度方案。

1 城市電熱綜合能源系統(tǒng)

UIHPS通過整合城市范圍內(nèi)不同種類能源資源，打破原有能源系統(tǒng)單獨(dú)規(guī)劃、獨(dú)立運(yùn)行的模式，實(shí)現(xiàn)電熱兩種能源協(xié)調(diào)發(fā)展。圖1給出了一個(gè)典型的UIHPS示意。

UIHPS中，電能供應(yīng)主要來自火電發(fā)電TPG（thermal power generation）機(jī)組、CHP機(jī)組、風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，熱能供應(yīng)主要來自CHP。城市電網(wǎng)主要負(fù)責(zé)將電能供應(yīng)設(shè)備發(fā)出的電能傳輸給用戶，連接了電源、輸配電網(wǎng)和電負(fù)荷。城市熱網(wǎng)將CHP機(jī)組發(fā)出的熱能傳輸給用戶，由一級熱網(wǎng)和二級熱網(wǎng)構(gòu)成。一級熱網(wǎng)與二級熱網(wǎng)在換熱站內(nèi)進(jìn)行熱力交互。同時(shí)，為了增強(qiáng)熱力系統(tǒng)運(yùn)行靈活性，部分換熱站會(huì)配置水蓄熱和相變蓄熱兩種類型的DTES。

1.1 發(fā)電供能設(shè)備模型

1.2 電力網(wǎng)絡(luò)模型

1.3 熱力網(wǎng)絡(luò)模型

1.4 分布式蓄熱裝置模型

1.5 換熱站模型

2 城市電熱綜合能源系統(tǒng)分布式魯棒經(jīng)濟(jì)調(diào)度

在UIHPS經(jīng)濟(jì)調(diào)度問題中，風(fēng)電機(jī)組出力波動(dòng)性對調(diào)度方案的影響尤其突出。本文基于DRO理論，提出了一種UIHPS的DRO經(jīng)濟(jì)調(diào)度模型，旨在得到風(fēng)電機(jī)組最惡劣概率分布下的最優(yōu)調(diào)度方案。

2.1 目標(biāo)函數(shù)

基于DRO的UIHPS優(yōu)化調(diào)度是一個(gè)典型的兩階段優(yōu)化模型[9]?？紤]到熱網(wǎng)的動(dòng)態(tài)特性要慢于電網(wǎng)，因此，在本文模型中，通過調(diào)節(jié)電網(wǎng)設(shè)備的出力來應(yīng)對風(fēng)電出力不確定性帶來的影響。第1階段在不計(jì)及風(fēng)電出力不確定性（即預(yù)測場景）的前提下，綜合考慮CHP機(jī)組運(yùn)行成本和DTES的運(yùn)維成本，以系統(tǒng)運(yùn)行成本最小為優(yōu)化目標(biāo)；第2階段根據(jù)各不確定場景下的風(fēng)電機(jī)組出力變化，考慮運(yùn)行安全，以TPG機(jī)組發(fā)電成本和棄風(fēng)懲罰成本最小為優(yōu)化目標(biāo)。

2.2 約束條件

3 算例分析

本文基于中國北方某城市電-熱綜合能源系統(tǒng)[19]，對所提模型的有效性進(jìn)行了驗(yàn)證。該系統(tǒng)由30節(jié)點(diǎn)電力系統(tǒng)與28節(jié)點(diǎn)熱力系統(tǒng)構(gòu)成，電力系統(tǒng)與熱力系統(tǒng)通過CHP耦合節(jié)點(diǎn)相連接，包括2臺(tái)熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組CHP1與CHP2，CHP1的最大電功率和最大熱功率輸出分別為450 MW和270 MW，CHP2的最大電功率和最大熱功率輸出分別為100 MW和125 MW，CHP機(jī)組的運(yùn)行參數(shù)見表1，系統(tǒng)中含有4臺(tái)熱電機(jī)組TPG1～TPG4與1個(gè)裝機(jī)容量為300 MW的風(fēng)電場PW，熱電機(jī)組與電力和熱力網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)參見文獻(xiàn)[19]。UIHPS拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示，系統(tǒng)最大電負(fù)荷為1 072.75 MW，最大熱負(fù)荷為359.26 MW，具體數(shù)據(jù)參見文獻(xiàn)[19]。DTES的相關(guān)技術(shù)參數(shù)如表2所示。

表1 CHP機(jī)組運(yùn)行參數(shù)Tab.1 Operating parameters CHP units

圖2 UIHPS拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.2 Topological structure of UIHPS

表2 DTES的技術(shù)參數(shù)Tab.2 Technical parameters of DTES

根據(jù)DRO優(yōu)化理論，建立以風(fēng)電預(yù)測出力值為其期望值、方差為0.6倍期望值的正態(tài)分布模型，生成100個(gè)風(fēng)電出力數(shù)據(jù)，然后利用K-means聚類得到4個(gè)不確定場景。預(yù)測場景、不確定場景下的風(fēng)電機(jī)組出力如圖3所示。

圖3 各場景下的風(fēng)電機(jī)組出力Fig.3 Wind turbine output in each scenario

3.1 風(fēng)電出力不確定性對調(diào)度結(jié)果的影響

根據(jù)是否考慮風(fēng)電出力的不確定性，設(shè)方案1為確定性調(diào)度，方案2為不確定性調(diào)度，UIHPS的運(yùn)行成本如表3所示。

表3 UIHPS在方案1和方案2中的運(yùn)行成本Tab.3 Operating costs of UIHPS in Cases 1 and 2萬元

由表3可見，考慮風(fēng)電出力的不確定性后，UI?HPS的各項(xiàng)運(yùn)行成本均發(fā)生了不同幅值的增長。其中，CHP機(jī)組運(yùn)行成本變化幅度最大，為3.2萬元；棄風(fēng)懲罰成本的變化比例最大，約為原棄風(fēng)懲罰成本的26.31%。這說明，為應(yīng)對風(fēng)電出力的不確定性，UIHPS運(yùn)營商需要棄用部分富余場景下的風(fēng)電、提高TPG機(jī)組和CHP機(jī)組出力，來保證用戶的可靠供電，增強(qiáng)風(fēng)電消納的安全性。

由于受到風(fēng)電出力不確定性的影響，CHP機(jī)組的電出力會(huì)發(fā)生改變。同時(shí)，受出力可行域約束，其熱出力也發(fā)生變化，進(jìn)而通過熱力管網(wǎng)的傳播影響DTES裝置的運(yùn)行轉(zhuǎn)態(tài)，如圖4所示。

圖4 2種方案中CHP機(jī)組和DTES的出力偏差值Fig.4 Deviation values of CHP unit output and DTES output in two cases

3.2 熱力系統(tǒng)介質(zhì)溫度特性對調(diào)度結(jié)果的影響

設(shè)方案3為不考慮熱力系統(tǒng)介質(zhì)溫度特性的不確定性調(diào)度。方案2和方案3中，UIHPS的運(yùn)行成本如表4所示，熱網(wǎng)優(yōu)化結(jié)果分別如圖5和圖6所示。

表4 UIHPS在方案2和方案3中的運(yùn)行成本Tab.4 Operating costs of UIHPS in Cases 2 and 3萬元

圖5 Case 2中熱網(wǎng)運(yùn)行結(jié)果Fig.5 Operating results of heat network in Case 2

圖6 Case 3中熱網(wǎng)運(yùn)行結(jié)果Fig.6 Operating results of heat network in Case 3

由表4可見，與方案3相比，考慮熱力系統(tǒng)介質(zhì)溫度特性后，方案2的總成本下降51.1萬元，降幅為11.55%。其中，CHP機(jī)組的運(yùn)行成本降低最多，占運(yùn)行成本降幅總量的83%。

圖5和圖6分別給出了方案2和方案3中熱力運(yùn)行優(yōu)化結(jié)果?？梢钥闯?，在考慮熱力系統(tǒng)介質(zhì)溫度特性后，整個(gè)熱力系統(tǒng)能夠在全天不同時(shí)段實(shí)現(xiàn)92 MW熱量的轉(zhuǎn)移，其調(diào)控靈活性大大增強(qiáng)，可以有效降低CHP機(jī)組的發(fā)電成本。當(dāng)不考慮熱力系統(tǒng)介質(zhì)溫度特性時(shí)，熱網(wǎng)溫度變化能夠瞬時(shí)傳遞到換熱站，各時(shí)刻完全依靠CHP機(jī)組的熱出力來滿足熱負(fù)荷，熱力系統(tǒng)的靈活性大大降低。

3.3 風(fēng)電裝機(jī)容量對調(diào)度結(jié)果的影響

風(fēng)電機(jī)組裝機(jī)容量變化意味著其發(fā)電功率隨機(jī)波動(dòng)幅度的大小對于整個(gè)系統(tǒng)調(diào)度方案也會(huì)產(chǎn)生很大影響。表5給出了不同風(fēng)電機(jī)組裝機(jī)容量下UIHPS的運(yùn)行成本。

表5 不同風(fēng)電裝機(jī)容量的UIHPS的運(yùn)行成本Tab.5 Operating costs of UIHPS for different wind power installations萬元

可以看出，隨著風(fēng)機(jī)裝機(jī)容量的增加，UIHPS的總成本呈現(xiàn)出先下降，后上升的變化趨勢。當(dāng)風(fēng)電裝機(jī)容量小于等于350 MW時(shí)，CHP和TPG機(jī)組運(yùn)行成本的減小量高于棄風(fēng)成本的增加量，系統(tǒng)總體運(yùn)行成本會(huì)逐步下降；當(dāng)風(fēng)電裝機(jī)容量大于350MW時(shí)，CHP和TPG機(jī)組運(yùn)行成本的減小量低于棄風(fēng)成本的增加量，系統(tǒng)成本會(huì)隨著風(fēng)電裝機(jī)容量的增加而增大。

這是因?yàn)?，在用戶?fù)荷不變的前提下，風(fēng)電裝機(jī)容量越高，電網(wǎng)消納的風(fēng)電功率就越高，CHP和TPG機(jī)組的出力減少，運(yùn)行成本隨之下降。但由于風(fēng)電出力具有不確定性，隨著風(fēng)電裝機(jī)容量的提高，棄風(fēng)功率會(huì)逐步增大，導(dǎo)致棄風(fēng)懲罰成本越來越高。

4 結(jié)論

本文面向城市電-熱綜合能源系統(tǒng)，提出了一種計(jì)及熱力系統(tǒng)介質(zhì)溫度特性的分布式魯棒經(jīng)濟(jì)調(diào)度模型。通過對熱力系統(tǒng)調(diào)控特性的完整刻畫，以及對風(fēng)電機(jī)組出力不確定性的分布式魯棒優(yōu)化建模，得到風(fēng)電機(jī)組最惡劣概率分布下系統(tǒng)的最優(yōu)調(diào)度方案，實(shí)現(xiàn)風(fēng)電機(jī)組最大化安全消納。通過算例分析發(fā)現(xiàn)如下結(jié)論：

（1）考慮風(fēng)電出力不確定性后，CHP機(jī)組的出力和棄風(fēng)情況會(huì)出現(xiàn)不同程度的增長。同時(shí)，風(fēng)電出力的不確定性可以通過CHP機(jī)組，影響熱力管網(wǎng)和分布式蓄熱裝置的運(yùn)行；

（2）考慮熱力系統(tǒng)介質(zhì)溫度特性，有助于改善系統(tǒng)的運(yùn)行狀況，有效降低CHP機(jī)組的運(yùn)行成本和棄風(fēng)懲罰；

（3）隨著風(fēng)電機(jī)組裝機(jī)容量的變化，系統(tǒng)運(yùn)行成本會(huì)呈現(xiàn)出先減少后增高的變化趨勢。這說明在一定的價(jià)格政策下，城市熱電綜合能源系統(tǒng)存在一個(gè)經(jīng)濟(jì)最優(yōu)的風(fēng)電裝機(jī)容量。