摘要：針對熱電聯(lián)供“以熱定電”約束導(dǎo)致的棄風(fēng)問題，提出計(jì)及供用能轉(zhuǎn)換促進(jìn)風(fēng)電消納的綜合能源系統(tǒng)源荷協(xié)調(diào)優(yōu)化調(diào)度方法。首先，為提高供能方式靈活性，源側(cè)引入變工況運(yùn)行的空氣源熱泵以及含余熱回收的電轉(zhuǎn)氣，優(yōu)化電氣熱耦合關(guān)系以壓縮熱電聯(lián)供出力空間，提高系統(tǒng)風(fēng)電消納水平。其次，荷側(cè)基于熱值等效原理對電、氣、熱用戶的用能轉(zhuǎn)換價(jià)值進(jìn)行分析，在多類能源價(jià)格信號的引導(dǎo)下形成含用能轉(zhuǎn)換的綜合需求響應(yīng)機(jī)制，協(xié)助風(fēng)電并網(wǎng)消納。最后，構(gòu)建計(jì)及用戶綜合用能滿意度的綜合能源系統(tǒng)源荷協(xié)調(diào)優(yōu)化模型，以最小化系統(tǒng)運(yùn)行成本為目標(biāo)優(yōu)化各時(shí)段機(jī)組出力。算例結(jié)果表明，該方法在促進(jìn)風(fēng)電消納的同時(shí)能夠降低系統(tǒng)運(yùn)行成本;含用能轉(zhuǎn)換的綜合需求響應(yīng)機(jī)制對用戶滿意度影響較小更符合用戶的實(shí)際用能情況。

　　關(guān)鍵詞：熱電聯(lián)供;空氣源熱泵;余熱回收;用能轉(zhuǎn)換;綜合能源系統(tǒng);綜合需求響應(yīng)

　　0引言

　　綜合能源系統(tǒng)1]integratedenergysystem，ES)作為能源互聯(lián)網(wǎng)的物理載體，以提升可再生能源消納水平為目標(biāo)，將各能源子系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、能源轉(zhuǎn)換元件、負(fù)荷側(cè)資源有機(jī)協(xié)調(diào)，實(shí)現(xiàn)能源統(tǒng)籌優(yōu)化、多能耦合互補(bǔ)2]，在推動能源高效清潔利用上發(fā)揮著重要作用3]。

　　能源論文范例： 水風(fēng)光混合能源短期互補(bǔ)協(xié)調(diào)調(diào)度策略研究

　　在以熱電聯(lián)供(combinedheatandpower，HP)為核心的ES中，由于供暖季HP存在“以熱定電”的剛性約束，導(dǎo)致系統(tǒng)風(fēng)電消納空間有限，負(fù)荷低谷時(shí)大量風(fēng)電被迫棄用[4，造成清潔能源嚴(yán)重浪費(fèi)。為促進(jìn)風(fēng)電消納，提高系統(tǒng)能源利用率與運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性，國內(nèi)外學(xué)者多從源、荷兩側(cè)對風(fēng)電消納機(jī)理以及運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性開展研究。源側(cè)依據(jù)電、氣、熱各類能源互補(bǔ)特性，通過多源聯(lián)合調(diào)度以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)多能互補(bǔ)優(yōu)化運(yùn)行，能夠?yàn)轱L(fēng)電消納讓渡更多并網(wǎng)空間。在電熱耦合環(huán)節(jié)，空氣源熱泵airsourceheatpump，ASHP)因其能效比較高，逐漸取代電加熱設(shè)備成為綜合能源系統(tǒng)的重要組成部分。

　　文獻(xiàn)6]從部分棄風(fēng)消納的要求出發(fā)，建立含空氣源熱泵聯(lián)合供熱模式下的電熱耦合調(diào)度模型，實(shí)現(xiàn)能源的梯級利用，驗(yàn)證了所提模型在減少棄風(fēng)、提高系統(tǒng)運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性的有效性。在電氣耦合方面，2G技術(shù)調(diào)度特性靈活，實(shí)現(xiàn)了電能向天然氣的轉(zhuǎn)換7]，從而使得電氣能源系統(tǒng)雙向互聯(lián)，強(qiáng)化能源耦合關(guān)系。

　　文獻(xiàn)10引入電轉(zhuǎn)氣powertogas，P2G)加強(qiáng)電氣能源系統(tǒng)間的耦合關(guān)系，提升了系統(tǒng)的風(fēng)電消納水平。文獻(xiàn)11]指出電轉(zhuǎn)氣循環(huán)所需熱量僅占，因此仍有大部分低溫余熱可供回收。利用有機(jī)朗肯循環(huán)等技術(shù)加強(qiáng)低溫余熱資源的回收利用，可以在一定程度上提高能源利用水平12]。上述研究中，熱泵的能效比通常被簡化為定值，而實(shí)際運(yùn)行過程中其能效比與環(huán)境溫度緊密相關(guān)，多數(shù)時(shí)段難以達(dá)到額定值，所以僅按定能效比計(jì)算會導(dǎo)致風(fēng)電消納偏于理想。

　　此外，2G甲烷化反應(yīng)時(shí)會釋放一定的化學(xué)反應(yīng)熱，現(xiàn)有研究中往往將其忽略，而低溫余熱回收技術(shù)的日趨成熟為該部分熱量再回流提供了技術(shù)支撐，從而延伸了2G消納風(fēng)電的價(jià)值。對負(fù)荷而言，需求響應(yīng)憑借能源價(jià)格調(diào)整與激勵(lì)補(bǔ)償措施，引導(dǎo)其主動改變用能行為，實(shí)現(xiàn)能源供需匹配關(guān)系優(yōu)化，從而協(xié)助風(fēng)電并網(wǎng)消納。隨著ES的發(fā)展，需求響應(yīng)也由單一能源形式下的電力需求響應(yīng)13]擴(kuò)展到電、氣、熱、冷綜合需求響應(yīng)1415]integrateddemandresponse，IDR)。

　　文獻(xiàn)16]以用戶飽和度和差異度指標(biāo)來約束DR對用戶帶來的影響，驗(yàn)證了DR在改善系統(tǒng)能耗、協(xié)助風(fēng)電消納等方面的有效性。文獻(xiàn)17]考慮柔性電熱負(fù)荷的可削減、可平移、可轉(zhuǎn)移價(jià)值，建立電熱綜合需求響應(yīng)模型，通過風(fēng)場與ES的協(xié)同運(yùn)營促進(jìn)風(fēng)電消納。文獻(xiàn)18]采用日前電價(jià)型、日內(nèi)激勵(lì)型的兩階段調(diào)度方法，有效提高了電熱聯(lián)合系統(tǒng)的風(fēng)電消納水平。上述研究多數(shù)只考慮了電熱負(fù)荷，且常限于單一能源形式需求響應(yīng)的累加，而有關(guān)氣負(fù)荷的可調(diào)度價(jià)值尚未得到挖掘。

　　此外，僅考慮負(fù)荷的削減、轉(zhuǎn)移特性，用戶用能滿意度會受到較大影響，而荷側(cè)用戶用能形式的相互轉(zhuǎn)換替代對用戶實(shí)際體驗(yàn)影響較小，構(gòu)建含用能轉(zhuǎn)換的綜合需求響應(yīng)模型具有重要意義。綜上，本文提出一種考慮供用能轉(zhuǎn)換促進(jìn)風(fēng)電消納的綜合能源系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度方法。源側(cè)為應(yīng)對棄風(fēng)消納理想化構(gòu)建了空氣源熱泵的變工況運(yùn)行模型，同時(shí)量化了2G產(chǎn)氣、制熱、耗電三者之間的關(guān)系，對化學(xué)反應(yīng)余熱進(jìn)行回收利用，延伸了2G消納風(fēng)電的價(jià)值。荷側(cè)在異質(zhì)能源價(jià)格信號的引導(dǎo)下轉(zhuǎn)換用能方式，基于電氣熱熱值等效關(guān)系構(gòu)建含用能形式轉(zhuǎn)換的綜合需求響應(yīng)模型，在保證用戶綜合用能滿意度的同時(shí)，提高系統(tǒng)風(fēng)電消納水平與運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性。

　　1考慮供用能轉(zhuǎn)換的綜合能源系統(tǒng)架構(gòu)

　　本節(jié)以華北地區(qū)某小型ES供暖季為例進(jìn)行分析，將ES劃分為能源供給側(cè)、能源轉(zhuǎn)換側(cè)以及能源需求側(cè)，其中儲能裝置安裝于源側(cè)。 能源轉(zhuǎn)換側(cè)機(jī)組根據(jù)用戶多種能源需求曲線的不同安排生產(chǎn)計(jì)劃，轉(zhuǎn)換供能形式，加強(qiáng)能源耦合;能源需求側(cè)用戶除削減負(fù)荷量、轉(zhuǎn)移用能時(shí)段外，還可根據(jù)異質(zhì)能源之間的價(jià)格差異，轉(zhuǎn)換用能形式達(dá)到同等用能需求來提高運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性。通過源荷兩側(cè)的協(xié)調(diào)優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，提高ES運(yùn)行效率。供能轉(zhuǎn)換為系統(tǒng)調(diào)度在能源價(jià)格信號的引導(dǎo)下采取的轉(zhuǎn)換能源供給方式的手段，以達(dá)到系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，促進(jìn)風(fēng)電消納。

　　1.1考慮供能可靠性的空氣源熱泵變工況模型

　　空氣源熱泵是在少量電能的驅(qū)動下，使熱量從低位熱源空氣流向高位熱源的節(jié)能裝置。與電熱鍋爐、燃?xì)忮仩t等裝置相比，ASHP具有能效比高、無污染的優(yōu)點(diǎn)。ASH運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生大量熱能供給熱負(fù)荷，源側(cè)供熱形式由HP單獨(dú)供熱轉(zhuǎn)換為HP與SHP聯(lián)合供熱，實(shí)現(xiàn)供熱形式的轉(zhuǎn)換，解耦CHP機(jī)組“以熱定電”約束的同時(shí)，等效擴(kuò)大風(fēng)電消納空間。此外“煤改電”政策推動了ASHP在農(nóng)村地區(qū)的發(fā)展，減少了燃煤空氣污染，借助供能轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)供暖需求，具有較大的市場潛力。

　　由于ASHP主機(jī)放置于室外，環(huán)境溫度變化會使熱泵運(yùn)行偏離額定工況，多數(shù)時(shí)間熱泵能效比難以達(dá)到額定值，僅按定效率進(jìn)行考慮會造成調(diào)度計(jì)劃存在較大誤差19]，轉(zhuǎn)換效率的偏差會使系統(tǒng)調(diào)度不易做出準(zhǔn)確判斷，難以給出最佳調(diào)度方案，系統(tǒng)風(fēng)電消納過于理想化。實(shí)際運(yùn)行時(shí)系統(tǒng)為彌補(bǔ)調(diào)度差額需臨時(shí)額外購能或切負(fù)荷，調(diào)度計(jì)劃的供能可靠性降低。在經(jīng)典熱泵定能效比運(yùn)行模型的基礎(chǔ)上，本文計(jì)及熱泵的變工況運(yùn)行特性從而提高熱泵模型的建模精度，使調(diào)度供能計(jì)劃更合理可靠，減少額外的購能成本。

　　2含用能轉(zhuǎn)換的綜合需求響應(yīng)模型

　　綜合需求響應(yīng)不僅指的是將電力需求響應(yīng)擴(kuò)展到電、氣、熱、冷多種能源形式中，還指用戶自身用能形式的轉(zhuǎn)換。用能轉(zhuǎn)換為不同能源形式在同一時(shí)間節(jié)點(diǎn)上的能源替代行為，包括電熱、電氣可轉(zhuǎn)換負(fù)荷，例如集中供熱負(fù)荷與ASHP供熱轉(zhuǎn)換，廚房用氣與電飯煲、電磁爐相互轉(zhuǎn)換，在異質(zhì)能源價(jià)格信號差異的引導(dǎo)下，實(shí)現(xiàn)荷側(cè)用戶的用能轉(zhuǎn)換，提高能源利用率。IES中的多能用戶可自主選擇負(fù)荷削減、轉(zhuǎn)移、轉(zhuǎn)換三種方式響應(yīng)IES運(yùn)行需求。

　　綜合需求響應(yīng)協(xié)助風(fēng)電消納機(jī)理如圖所示。電、氣坐標(biāo)圖互為映射，電、熱坐標(biāo)圖同理。為消納時(shí)段棄風(fēng)量，考慮電氣熱負(fù)荷的削減、轉(zhuǎn)移、轉(zhuǎn)換。夜間電價(jià)較低，部分用戶由管道集中供熱轉(zhuǎn)換為ASHP供熱，并存儲多余熱能在非棄風(fēng)時(shí)段放熱，增加電負(fù)荷的同時(shí)，減少CHP機(jī)組熱出力，如2,12,2所示。

　　此外還可通過削減熱負(fù)荷響應(yīng)調(diào)度需求，減少CHP供熱任務(wù)。表示因IDR造成的CHP總熱出力減少量。同理當(dāng)?shù)刃�氣價(jià)小于等效電價(jià)，部分用戶也會放棄天然氣供能而轉(zhuǎn)換為電能供能，如所示。而電負(fù)荷轉(zhuǎn)移用能時(shí)段，增加谷時(shí)用電負(fù)荷消納棄風(fēng)。通過綜合需求響應(yīng)改變用能時(shí)段或?qū)�棄風(fēng)電量轉(zhuǎn)換為其他形式能源加以利用，協(xié)助風(fēng)電消納。

　　場景為基礎(chǔ)場景，系統(tǒng)中2G不考慮余熱回收，空氣源熱泵按定工況模型運(yùn)行，調(diào)度結(jié)果如圖所示。由圖中我們可以看出，棄風(fēng)存在于夜間1:0000時(shí)段、7:00以及00時(shí)段，此時(shí)因聯(lián)絡(luò)線功率達(dá)到上限，系統(tǒng)多余風(fēng)電被迫棄用，能源浪費(fèi)嚴(yán)重。

　　而夜間電價(jià)較低，2G與空氣源熱泵處于滿發(fā)狀態(tài)，與HP機(jī)組聯(lián)合供熱，解耦HP“以熱定電”的約束，增加風(fēng)電的上網(wǎng)空間。而其余時(shí)段電價(jià)相對較高，2G與空氣源熱泵停機(jī)，由HP單獨(dú)供熱。儲能裝置在1:0000、6:0000時(shí)段將多余的棄風(fēng)電量儲存起來并在負(fù)荷用電相對較高時(shí)段如002000放電，促進(jìn)系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的同時(shí)，等效提高0.77風(fēng)電消納空間。

　　場景為空氣源熱泵變工況運(yùn)行模型，因環(huán)境溫度變化導(dǎo)致機(jī)組實(shí)際運(yùn)行工況偏離額定工況，系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行能效比小于額定能效比，相較于場景，場景風(fēng)電棄風(fēng)功率增加24.94，風(fēng)電消納率降低.9。若按定效率模型安排各機(jī)組出力，則會產(chǎn)生.9風(fēng)電消納的偏差，使得最優(yōu)調(diào)度計(jì)劃的風(fēng)電消納水平評估過于樂觀。因此需要量化實(shí)際運(yùn)行時(shí)的變工況模型與目前普遍采用的定效率模型風(fēng)電消納水平的偏差量，對理想風(fēng)電消納水平進(jìn)行修正。風(fēng)電棄風(fēng)率偏差越大則說明熱泵的變工況運(yùn)行特性不容忽視，采用變能效比模型更符合實(shí)際運(yùn)行情況。

　　5結(jié)論

　　針對供暖季CHP“以熱定電”約束導(dǎo)致的棄風(fēng)問題，本文提出了一種考慮供用能轉(zhuǎn)換促進(jìn)風(fēng)電消納的IES源荷協(xié)調(diào)優(yōu)化調(diào)度模型，通過算例分析可得到結(jié)論如下：

　　1)在調(diào)度過程中，考慮環(huán)境溫度變化而帶來的熱泵變工況運(yùn)行特性更加符合產(chǎn)能實(shí)際，提升模型精確度的同時(shí)提高了調(diào)度方案的可靠性與經(jīng)濟(jì)性。2)風(fēng)電出力較大時(shí)，P2G將富余風(fēng)電轉(zhuǎn)化為天然氣存儲或供給負(fù)荷;計(jì)及P2G余熱損耗的回收利用后，CHP機(jī)組的夜間供熱任務(wù)減輕1.18%，延伸了2G消納風(fēng)電的價(jià)值。3)源側(cè)考慮多種耦合設(shè)備的協(xié)調(diào)配合，荷側(cè)考慮能源價(jià)格與用能曲線差異性引導(dǎo)下的電氣熱綜合需求響應(yīng)，通過協(xié)調(diào)源荷兩側(cè)的可調(diào)度資源，提高了系統(tǒng)的靈活運(yùn)行能力，改善了CHP機(jī)組“以熱定電”約束帶來的棄風(fēng)問題，調(diào)度周期內(nèi)風(fēng)電消納提升.9的同時(shí)，系統(tǒng)運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性提高7.76%。本文暫未考慮綜合能源系統(tǒng)中存在的風(fēng)電出力及負(fù)荷曲線等多重不確定性因素的影響，將在未來研究中重點(diǎn)分析。

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　　作者：崔楊1，郭福音1，付小標(biāo)2，趙鈺婷1，韓傳鼎