呼斯樂，王 淵，于 源，高 源，曹林峰，趙禹燦，楊家強

（1.內(nèi)蒙古電力（集團）有限責(zé)任公司，呼和浩特 010010；2.浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院，杭州 310027；3.內(nèi)蒙古電力（集團）有限責(zé)任公司內(nèi)蒙古電力經(jīng)濟技術(shù)研究院分公司，呼和浩特 010010）

0 引言

能源是人類社會賴以生存的重要物質(zhì)基礎(chǔ)。近年來，為了推動經(jīng)濟的發(fā)展，化石能源的無節(jié)制開發(fā)利用不僅造成資源枯竭，世界范圍內(nèi)正遭受能源短缺和全球變暖的危機[1-2]。為了應(yīng)對危機，提升非化石能源在能源體系中的占比，具有清潔環(huán)保、能源可回收特點的可再生能源受到了廣泛的關(guān)注。與傳統(tǒng)的化石燃料發(fā)電相比，可再生能源發(fā)電技術(shù)符合新型能源體系的需求。同時，基于多種異質(zhì)能源協(xié)同優(yōu)化、多能互補的綜合能源系統(tǒng)作為可再生能源的有效載體，也備受關(guān)注[3-5]。國內(nèi)各省市已陸續(xù)出臺園區(qū)級綜合能源系統(tǒng)規(guī)劃實施方案、細則，為園區(qū)級源網(wǎng)荷儲綜合能源系統(tǒng)建設(shè)提出指導(dǎo)。內(nèi)蒙古自治區(qū)于2022 年出臺六類市場化項目實施細則，其中源網(wǎng)荷儲一體化項目、綠色園區(qū)供電項目是典型的園區(qū)綜合能源系統(tǒng)，批復(fù)電源規(guī)模超過500萬千瓦、配套各類負荷超過300萬千瓦、均配套15%（4 h）以上新型儲能系統(tǒng)。并明確提出了自我消納、不向公用電網(wǎng)反送電、不占用電網(wǎng)調(diào)峰空間的技術(shù)要求，因此，如何做好園區(qū)綜合能源系統(tǒng)規(guī)劃、運行，充分釋放其靈活性、提升運行經(jīng)濟性的重要性凸顯。

在高比例風(fēng)光接入的園區(qū)級綜合能源系統(tǒng)（Park Integrated Energy System，PIES）中，風(fēng)光固有的不確定性阻礙了大規(guī)模的可再生能源并網(wǎng)，大量學(xué)者對其做了研究。文獻[6]提出了兩階段隨機規(guī)劃公式，基于情景樹的方法考慮電、熱和氣供應(yīng)的負荷小時尺度的不確定性，以及風(fēng)光能源供應(yīng)的可變性，以最大限度地減少綜合能源系統(tǒng)的日前運行和環(huán)境成本。文獻[7]根據(jù)風(fēng)光不確定性概率模型，采用蒙特卡洛模擬抽樣得到的大量場景，對場景進行機會約束等式的檢驗，篩選檢驗通過的場景來得到確定性模型。文獻[8]采用基于聯(lián)合分布隨機變量方法的機會約束規(guī)劃，在考慮新能源發(fā)電輸出和負荷不確定性的情況下，求解熱電聯(lián)產(chǎn)調(diào)度的多目標隨機優(yōu)化模型。文獻[9]構(gòu)建雙層魯棒模型，在各個時間段調(diào)整不同的魯棒參數(shù)避免風(fēng)電出力約束過于保守，然后實現(xiàn)極端風(fēng)電出力場景下系統(tǒng)日前最優(yōu)調(diào)度。文獻[10]對魯棒優(yōu)化的保守性進行改進，設(shè)計了一種改進細菌覓食算法，兼顧個體多樣性與收斂速度。

另一方面，如何保證系統(tǒng)運行的靈活性也是關(guān)注的課題。國際能源署等機構(gòu)給出了系統(tǒng)運行靈活性的概念，現(xiàn)有諸多研究聚焦于能源系統(tǒng)運行靈活性方面。文獻[11]設(shè)計了一種計及靈活性需求的綜合能源系統(tǒng)優(yōu)化配置方法，有效實現(xiàn)系統(tǒng)規(guī)劃在運行經(jīng)濟性和安全性之間的平衡。文獻[12]推導(dǎo)了靈活性需求的數(shù)學(xué)表達，建立氣、熱網(wǎng)運行靈活性的數(shù)學(xué)模型，分析表明，提高運行靈活性可有效降低系統(tǒng)運行成本。為平抑可再生能源和負荷的不確定性，文獻[13]提出一種考慮多能靈活性的綜合能源系統(tǒng)優(yōu)化策略，分析表明，所提模型可以通過協(xié)調(diào)機組出力提升系統(tǒng)運行靈活性，平抑系統(tǒng)功率波動。文獻[14]設(shè)計了一種靈活調(diào)節(jié)資源的聯(lián)合運行市場機制，分析表明，該方法在提升新能源消納水平、靈活性方面具有較好的效果?，F(xiàn)有文獻多數(shù)采用可控設(shè)備調(diào)節(jié)系統(tǒng)靈活性，極少文獻考慮引入靈活性指標對系統(tǒng)的靈活性進行量化評價。

針對上述問題，本文提出了一種功率型靈活性指標的園區(qū)級綜合能源系統(tǒng)日前調(diào)度策略，綜合平衡系統(tǒng)的經(jīng)濟性與靈活性。建立含功率型靈活性指標的綜合能源系統(tǒng)優(yōu)化模型，利用機會約束方程對風(fēng)光的不確定性提供備用服務(wù)，并將機會約束方程數(shù)學(xué)等價為可以參加線性求解的形式。此外，構(gòu)建兼顧經(jīng)濟性與靈活性約束的優(yōu)化調(diào)度模型，采用CPLEX求解，獲得最優(yōu)的調(diào)度策略。

1 日前調(diào)度的靈活性供給與需求

靈活性概念早已提出并應(yīng)用在電力系統(tǒng)的定性描述中。一般來說，系統(tǒng)的靈活性主要受靈活性供給與靈活性需求的平衡水平的影響，若失衡會對系統(tǒng)的經(jīng)濟靈活安全運行造成威脅。在本文中，針對日前調(diào)度過程的靈活性，定義為：在日前調(diào)度的時間段內(nèi)，系統(tǒng)通過合理規(guī)劃靈活性可控資源，留出靈活性裕度，在風(fēng)光功率波動的情況下，系統(tǒng)快速適應(yīng)波動變化的能力，使功率保持實時平衡。

具體來說，系統(tǒng)調(diào)度靈活性需求主要來自凈負荷的不確定性，可以通過在調(diào)度計劃內(nèi)考慮可控資源的備用服務(wù)來應(yīng)對靈活性需求的不確定性。目前，負荷預(yù)測技術(shù)已經(jīng)非常成熟，凈負荷的大部分不確定性集中體現(xiàn)在風(fēng)光中。本文通過建立靈活性可控資源備用服務(wù)的機會約束方程來應(yīng)對風(fēng)光的不確定性，可描述為：

式中：Prod{}為計算{}中的概率；σ為機會約束的置信度；ΔEVRE,t為t 時段的可再生能源出力誤差；為t時段可提供的靈活備用容量。

而電力系統(tǒng)調(diào)度靈活性供給主要來自于系統(tǒng)中可控靈活性資源。隨著靈活性資源的不斷挖掘，系統(tǒng)的決策者將面對如何充分發(fā)揮靈活資源的調(diào)節(jié)能力來滿足功率平衡的困境。靈活性的量化指標是一個重點的研究方向，通過對靈活性的量化，以較小的代價滿足靈活性需求，預(yù)防系統(tǒng)中功率的失衡情況。

此外，靈活性資源輸出功率的變化具有方向性，相應(yīng)的靈活性也具備方向性，可分為向上靈活性與向下靈活性。為了更具體化分析各個可控資源的靈活性，采用功率型靈活性指標對可控資源的靈活性水平進行評價。功率型靈活指標為設(shè)備某時刻可輸出功率調(diào)節(jié)的范圍與設(shè)備額定功率的比值，反映靈活性資源應(yīng)對功率變化的能力。本文重點以微型燃氣輪機（Micro Turbine，MT）、電儲能（Electric Energy Storage，ESS）、需求響應(yīng)（Demand Response，DR）作為可控靈活性調(diào)節(jié)資源，為系統(tǒng)提供向上、向下靈活性。

靈活性資源的功率型靈活指標：

式中：FMTup,t、FILup,t、FESSup,t為t 時段內(nèi)MT、DR、ESS的向上靈活性供應(yīng)；FMTdown,t、FILdown,t、FESSdown,t為t 時段內(nèi)MT、DR、ESS 下靈活性供應(yīng)；為MT 在t 時段內(nèi)輸出的電功率；為MT 的額定功率；、分別為MT 輸出的最大電功率與最小電功率；分別為MT的最大爬坡電功率與最小滑坡電功率；為t 時段內(nèi)MT 調(diào)用備用容量；ESSN為電儲標定容量；分別為電儲單次充放電的功率最大值；分別為電儲充放能量容量限值；ηESSch、ηESSdc為電儲充放電的效率；為電儲t 時間段的容量與調(diào)用備用容量；PL,cut,t、PL,add,t分別為DR負荷切除和增加的電負荷；Δt為調(diào)度時間間隔。

2 基于功率型靈活指標的優(yōu)化調(diào)度模型

2.1 目標函數(shù)

2.1.1 經(jīng)濟目標F1

2.1.2 靈活性目標F2

隨著靈活性資源的不斷挖掘，系統(tǒng)的決策者將面對如何充分發(fā)揮靈活資源的調(diào)節(jié)能力，以較小的代價滿足靈活性需求，保證功率實時平衡的困境。

2.2 約束條件

在本文的最優(yōu)調(diào)度模型中，約束條件包含公式（5）電功率平衡約束、公式（6）熱功率平衡約束、公式（7）氣功率平衡約束、公式（8）能量約束、公式（9）儲能約束、公式（10）旋轉(zhuǎn)備用約束，其中旋轉(zhuǎn)備用約束以燃氣輪機與儲能設(shè)備作為靈活性可控資源提供旋轉(zhuǎn)備用容量。

式中：EVRE,t為t 時間段內(nèi)計算的風(fēng)光聯(lián)合出力期望值；、PESSch為t時間段電儲最終輸出的充放電功率；為t 時間段PIES 電負荷需求；為t 時間段PIES 電負荷的時移量；為t 時間段電鍋爐的電功率；為t時間段熱儲最終輸出的充放熱功率；為PIES熱負荷需求；為t時間段PIES 熱負荷的時移量；為t 時間段燃氣鍋爐的熱功率；為購氣的上下限；為購電的上下限；為售電的上下限；為GB機組的耗氣功率；分別為MT機組實際輸出與備用容量的耗氣功率；ubuy,e、usell,e、ubuy,g是二進制變量，為購電、售電、購氣狀態(tài)；為儲能裝置t時刻容量；為t時刻充放電狀態(tài)二進制變量；為儲能裝置單次充放電的功率的上限；為t 時刻儲能裝置的充電放電功率；為儲能裝置充放容量上下限；為t時刻儲能設(shè)備的備用容量。

2.3 模型求解流程

綜上所述，本文建立了考慮風(fēng)光不確定與靈活性供給的PIES 最優(yōu)多目標調(diào)度模型。但在多目標優(yōu)化中，子目標間往往是矛盾關(guān)系，靈活性若達到最優(yōu)，系統(tǒng)會著重保障可控資源的靈活性裕度盡可能大，系統(tǒng)會傾向于向電網(wǎng)購電帶來經(jīng)濟成本的增加；相反，若經(jīng)濟性最優(yōu)，經(jīng)過調(diào)度策略的優(yōu)化，系統(tǒng)會傾向于將源荷儲閑置功率充分發(fā)揮，系統(tǒng)靈活性裕度下降。在本文中通過加權(quán)系數(shù)方法將多目標問題轉(zhuǎn)化為單目標[19]，并將機會約束轉(zhuǎn)化為等價的混合整數(shù)線性規(guī)劃數(shù)學(xué)公式[20]，可以利用CPLEX求解器穩(wěn)定求解。

3 算例分析

3.1 PIES基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

綜合能源系統(tǒng)是多能互補、優(yōu)化能源效率等理念實現(xiàn)的重要載體。本文以含高比例風(fēng)光的園區(qū)級綜合能源系統(tǒng)（見圖1）為仿真算例。系統(tǒng)中的電負荷需求由電網(wǎng)售電、風(fēng)力機組、光伏機組、燃氣輪機發(fā)電供給；熱負荷需求由電鍋爐、燃氣鍋爐供給；氣網(wǎng)的售氣一部分供給于燃氣輪機，一部分供給于燃氣鍋爐；儲電與儲熱裝置為系統(tǒng)能量緩沖部分；荷側(cè)考慮了可時移、可中斷的綜合需求響應(yīng)，具體的能量耦合狀態(tài)如圖1所示。

圖1 綜合能源園區(qū)測試系統(tǒng)Fig.1 Test system of PIES

系統(tǒng)中設(shè)備的參數(shù)如下。

（1）電網(wǎng)參數(shù)：ωre,MT=0.04元/kWh，KMT=1.6元/kWh，= 1000 kW，= 1000 kW；

（3）中斷補償參數(shù)：ωel=0.8 元/kWh，ωhl= 0.6元/kWh；

（6）PIES基礎(chǔ)數(shù)據(jù)如圖2所示。

圖2 PIES基礎(chǔ)數(shù)據(jù)Fig.2 Basic data of PIES

3.2 PIES最優(yōu)調(diào)度計劃

圖3 為PIES 的最優(yōu)供電計劃，從圖中可以看出，在電網(wǎng)分時電價較高時段（08：00—11：00，18：00—21：00），系統(tǒng)通過增加燃氣輪機出力，減少向電網(wǎng)購電，從而提高系統(tǒng)運行的經(jīng)濟效益。此外，可控負荷變量表示PIES中未消納的新能源數(shù)值，在調(diào)度周期內(nèi)新能源剩余功率始終為0，即可再生能源在本文的調(diào)度策略下完全消納，沒有產(chǎn)生棄風(fēng)棄光現(xiàn)象。

圖3 PIES最優(yōu)供電計劃Fig.3 Optimal power supply plan of PIES

圖4 為PIES 最優(yōu)供熱計劃，可以看出，電鍋爐在01：00—04：00時段承擔了大部分熱負荷，降低了該時段燃氣鍋爐的供熱功率；而在電價高峰時段，通過燃氣鍋爐消耗燃氣來供給大部分熱負荷，降低電鍋爐的供熱功率。分析表明，燃氣鍋爐和電鍋爐具有互補特性，在滿足系統(tǒng)熱需求的同時，通過提高負荷低谷時段電能的利用率，進一步降低系統(tǒng)運行成本。

圖4 PIES最優(yōu)供熱計劃Fig.4 Optimal heating plan of PIES

3.3 PIES靈活性分析

采用本文提出的功率型靈活性指標對上述最優(yōu)調(diào)度方案進行靈活性評價，得到各時段的靈活性指標。圖5展示了系統(tǒng)內(nèi)相關(guān)設(shè)備各時段靈活性指標，具體分析如下。

圖5 PIES各設(shè)備靈活性指標Fig.5 Flexibility index of each device in PIES

系統(tǒng)靈活性指標是多設(shè)備參與調(diào)節(jié)能力綜合作用的結(jié)果，從圖5 可以看出，在08：00—11：00 與18：00—21：00 時段，燃氣輪機利用率較高，其靈活性指標接近0，負荷側(cè)需求響應(yīng)能力的存在為系統(tǒng)增加了部分靈活性裕度，增強了系統(tǒng)運行的靈活性。分析表明，多種設(shè)備/資源在系統(tǒng)運行靈活性指標方面存在互補特性，相比于傳統(tǒng)僅考慮可控機組運行靈活性，多設(shè)備/資源參與的系統(tǒng)運行靈活性更強。

作為負荷側(cè)可調(diào)度資源，負荷需求響應(yīng)特性有效改善了系統(tǒng)靈活性指標，同時，對系統(tǒng)經(jīng)濟性均有影響。本節(jié)選取不同綜合需求響應(yīng)占比，進一步評估綜合需求響應(yīng)程度對PIES 運行經(jīng)濟性及其靈活性指標的影響，結(jié)果如圖6所示。

圖6 綜合需求響應(yīng)占比對PIES的影響Fig.6 Impact of the proportion of comprehensive demand response on PIES

從圖6 可以看出，隨著綜合需求占比的提高，PIES系統(tǒng)運行成本呈現(xiàn)逐步降低，當占比超過25%時，系統(tǒng)運行成本逐步升高；需求響應(yīng)運行靈活性隨著綜合需求占比的提高而一直逐步增大。就運行成本而言，綜合需求響應(yīng)改變了原始負荷的用電計劃，使負荷分配更加符合電源特性，剛開始降低了PIES運行成本。但是，隨著需求響應(yīng)的進一步增大，系統(tǒng)可自由分配的負荷變多，最終用電計劃不再改變，PIES 運行成本不再降低。此外，需求響應(yīng)占比的增加進一步增強了系統(tǒng)的靈活性，由系統(tǒng)優(yōu)化同時保持系統(tǒng)靈活性帶來的費用使綜合能源系統(tǒng)總運行成本增大。

3.4 不同置信水平下PIES備用服務(wù)分析

備用是確保PIES 系統(tǒng)穩(wěn)定運行最重要的手段之一，可以有效克服新能源不確定性對綜合能源系統(tǒng)運行的影響。本文以儲能與燃氣輪機提供備用功率，圖7 展示了不同置信水平下儲能裝置和燃氣輪機承擔備用功率的最優(yōu)計劃。

圖7 不同置信度的備用容量計劃Fig.7 Reserve capacity planning under different conficence levels

由圖7 可知，在風(fēng)光聯(lián)合運行時段（7—19 h），其平均配備的備用容量要低于其余時間段；在風(fēng)光單獨運行時間段，系統(tǒng)需要提供更多的備用容量來保障相同的置信水平，這說明風(fēng)光互補可以明顯降低輸出功率的波動水平，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

圖8 展示了在置信度90%時，PIES 系統(tǒng)備用需求最優(yōu)分配計劃?？梢钥闯觯琍IES系統(tǒng)所需備用由儲能裝置和燃氣輪機提供。由于儲能自身容量的限制，PIES系統(tǒng)所需備用主要由燃氣輪機提供。燃氣輪機備用能耗成本高于儲能裝置，PIES系統(tǒng)會優(yōu)先選擇儲能裝置提供備用，只有當儲能備用功率不足以滿足系統(tǒng)備用需求時，燃氣輪機啟動彌補PIES備用需求差，保證PIES系統(tǒng)經(jīng)濟可靠運行。

圖8 置信度90%時的備用需求分配Fig.8 Reserve demand allocation at 90% confidence level

4 結(jié)語

在承載高比例可再生能源的綜合能源系統(tǒng)中，系統(tǒng)靈活性稀缺。本文構(gòu)建了園區(qū)級綜合能源系統(tǒng)日前調(diào)度模型，通過制訂最優(yōu)調(diào)度策略，有效實現(xiàn)了方案靈活性與經(jīng)濟性協(xié)同優(yōu)化，結(jié)果表明本文建立的功率型靈活指標可以與調(diào)度目標相耦合，并參與調(diào)度過程的分析；與此同時，輸出的最優(yōu)調(diào)度計劃在靈活性水平的約束下有效利用了多種資源的互補特性，提高系統(tǒng)運行的靈活性。此外，通過機會約束方程對風(fēng)光的不確定性提供備用服務(wù)，并分析了約束方程的置信水平對備用服務(wù)的影響，隨著置信度的提高，系統(tǒng)的備用容量與運行成本提高，且系統(tǒng)會優(yōu)先采用儲能提供備用服務(wù)。