徐業(yè)琰 ，彭思成 ，廖清芬 ，楊 錚 ，劉滌塵 ，鄒宏亮 ，2，李進(jìn)昌

（1.武漢大學(xué) 電氣工程學(xué)院，湖北 武漢 430072；2.國(guó)網(wǎng)浙江省電力公司臺(tái)州供電公司，浙江 臺(tái)州 318000）

0 引言

能源是人類生活、社會(huì)發(fā)展的基礎(chǔ)，隨著化石能源危機(jī)的日益加劇，大力發(fā)展可再生能源發(fā)電技術(shù)實(shí)現(xiàn)“開源”、提高能源利用效率，從而實(shí)現(xiàn)“節(jié)流”成為未來(lái)能源可持續(xù)發(fā)展的必然選擇［1-2］，綜合能源系統(tǒng)（IES）應(yīng)運(yùn)而生。IES是以冷熱電聯(lián)供（CCHP）機(jī)組為核心，在規(guī)劃、建設(shè)和運(yùn)行中利用冷／熱／電／氣在供給側(cè)、傳輸側(cè)和需求側(cè)協(xié)同優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)能源利用率、新能源就地消納同時(shí)最大化的能源產(chǎn)供銷一體化系統(tǒng)［1］。

IES根據(jù)研究區(qū)域可分為區(qū)域IES和多區(qū)域IES。區(qū)域IES特指由集中能源供給網(wǎng)絡(luò)和分布式用戶終端構(gòu)成的IES［3］；多區(qū)域IES通過(guò)能源傳輸網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)多個(gè)區(qū)域IES的協(xié)同運(yùn)行，充分利用各區(qū)域IES在供給側(cè)和需求側(cè)的互補(bǔ)性實(shí)現(xiàn)整體最優(yōu)運(yùn)行［3-4］。本文的研究對(duì)象——綜合能源園區(qū)是區(qū)域IES的典型代表，園區(qū)內(nèi)各分布式供能基地與用戶終端共用一個(gè)電能網(wǎng)絡(luò)和熱能網(wǎng)絡(luò)。園區(qū)運(yùn)營(yíng)商利用綜合能源供給側(cè)、需求側(cè)和傳輸側(cè)的協(xié)同優(yōu)化，通過(guò)提高能源利用效率、新能源就地消納率，獲取能源差價(jià)利潤(rùn)。

目前關(guān)于IES的優(yōu)化調(diào)度策略聚焦于調(diào)動(dòng)其源荷儲(chǔ)各要素，提升系統(tǒng)靈活性以促進(jìn)新能源消納。文獻(xiàn)［5-7］通過(guò)采用儲(chǔ)能系統(tǒng)提高IES的風(fēng)電消納率，在風(fēng)電激增時(shí)降低CCHP機(jī)組出力，采用冷／熱儲(chǔ)能系統(tǒng)滿足用戶冷／熱能需求；但隨著風(fēng)電滲透率上升，需要更大容量的儲(chǔ)能裝置平抑風(fēng)電波動(dòng)，使園區(qū)運(yùn)營(yíng)商的儲(chǔ)能設(shè)備建設(shè)和維護(hù)成本不斷提高。為了避免增加儲(chǔ)能設(shè)備，許多研究者將目光聚焦于需求側(cè)，利用需求響應(yīng)實(shí)現(xiàn)需求側(cè)與供給側(cè)的互動(dòng)，引導(dǎo)需求側(cè)增加靈活性以平抑風(fēng)電出力波動(dòng)。文獻(xiàn)［8-9］分別將用戶電熱泵和電動(dòng)汽車作為可控負(fù)荷。文獻(xiàn)［10］利用樓宇熱能調(diào)節(jié)相對(duì)緩慢的特點(diǎn)將樓宇溫控負(fù)荷作為虛擬儲(chǔ)能以削峰填谷。目前關(guān)于IES的需求側(cè)響應(yīng)研究依然集中在利用傳統(tǒng)電力需求響應(yīng)方面，文獻(xiàn)［11］雖然考慮了綜合能源用戶的用能可替代性，但仍采用傳統(tǒng)電力需求響應(yīng)的控制手段，以犧牲用戶舒適度為代價(jià)，而未聚焦于用戶內(nèi)部的能量耦合關(guān)系。

在IES的熱網(wǎng)建模及其調(diào)度應(yīng)用方面，文獻(xiàn)［12］建立了熱網(wǎng)流量平衡模型，實(shí)現(xiàn)不同區(qū)域熱能協(xié)同消納；文獻(xiàn)［13］在熱網(wǎng)流量平衡的基礎(chǔ)上建立了傳輸管道長(zhǎng)度與傳輸熱功率的關(guān)系模型。但上述文獻(xiàn)均未考慮熱電傳輸在時(shí)間尺度上的差異，只有少數(shù)文獻(xiàn)聚焦能源傳輸時(shí)間的差異，文獻(xiàn)［14-15］利用節(jié)點(diǎn)法［16］建立了集中供熱方式下熱網(wǎng)傳輸延時(shí)模型，利用熱能傳輸延時(shí)優(yōu)化機(jī)組組合，提高風(fēng)電消納率，但綜合能源園區(qū)多采用分布式供熱的環(huán)形熱網(wǎng)。

目前綜合考慮用戶能源需求特性和環(huán)形熱網(wǎng)傳輸延時(shí)特性，協(xié)同供給側(cè)、傳輸側(cè)和需求側(cè)進(jìn)行優(yōu)化運(yùn)行的研究還未見報(bào)道。對(duì)此，本文以綜合能源園區(qū)系統(tǒng)為研究對(duì)象，提出了一種利用用戶互補(bǔ)聚合響應(yīng)和環(huán)形熱網(wǎng)傳輸延時(shí)特性，實(shí)現(xiàn)綜合能源供給側(cè)、傳輸側(cè)和需求側(cè)協(xié)同優(yōu)化的園區(qū)運(yùn)營(yíng)商兩階段短期優(yōu)化調(diào)度策略。通過(guò)分析用戶的能源需求互補(bǔ)特性，提出了一種綜合需求側(cè)響應(yīng)模式——用戶互補(bǔ)聚合響應(yīng)，在不影響用戶舒適度的前提下利用價(jià)格機(jī)制引導(dǎo)不同類型用戶聚合形成一個(gè)可調(diào)節(jié)能力強(qiáng)的聚合體參與調(diào)度，并建立了環(huán)形熱網(wǎng)傳輸延時(shí)模型實(shí)現(xiàn)供需兩側(cè)的高效配合。兩階段短期優(yōu)化調(diào)度策略的日前階段通過(guò)模擬用戶互補(bǔ)聚合響應(yīng)行為制定價(jià)格引導(dǎo)機(jī)制和能源供給策略；日內(nèi)階段利用雙偏差自平抑思想，通過(guò)多種用戶側(cè)需求響應(yīng)策略平抑源荷預(yù)測(cè)偏差，綜合提高風(fēng)電就地消納率，實(shí)現(xiàn)運(yùn)營(yíng)商實(shí)際收益最大化。仿真結(jié)果驗(yàn)證了用戶互補(bǔ)聚合響應(yīng)與熱網(wǎng)傳輸延時(shí)相配合、日前優(yōu)化調(diào)度與日內(nèi)優(yōu)化調(diào)度相配合，可同時(shí)提高運(yùn)營(yíng)商收益和風(fēng)電消納能力。

1 綜合能源園區(qū)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與模型

1.1 綜合能源園區(qū)的結(jié)構(gòu)

本文所述綜合能源園區(qū)系統(tǒng)是一種在園區(qū)能源運(yùn)營(yíng)商管理下，集成冷熱電綜合能源供給單元、傳輸網(wǎng)絡(luò)與各類綜合能源用戶的冷／熱／電／氣多能協(xié)同系統(tǒng)，其物理及能量結(jié)構(gòu)如圖1所示。綜合能源園區(qū)包含多個(gè)分布式供能基地和分布式用戶，其通過(guò)環(huán)形供熱管網(wǎng)和電纜建立能量關(guān)聯(lián)關(guān)系。

圖1給出了分布式供能基地1的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，基地內(nèi)部接入上級(jí)電網(wǎng)與外部天然氣管道，由風(fēng)力發(fā)電機(jī)、微燃機(jī)、水泵、變壓器與逆變器等設(shè)備構(gòu)成。并以居民區(qū)用戶為例，給出了用戶內(nèi)部能量耦合關(guān)系，可見綜合能源用戶內(nèi)部也存在多能協(xié)同互補(bǔ)關(guān)系。

在綜合能源傳輸側(cè)，電能經(jīng)電纜傳輸，傳輸延時(shí)及損耗可忽略；熱能在熱水管道網(wǎng)絡(luò)中傳輸，受流體動(dòng)力學(xué)、溫度動(dòng)態(tài)平衡約束［14-15］而客觀存在傳輸延時(shí)。采用環(huán)形管網(wǎng)的熱能傳輸模式能避免因供熱距離過(guò)長(zhǎng)導(dǎo)致用戶側(cè)熱能需求無(wú)法及時(shí)滿足的問(wèn)題。

1.2 綜合能源園區(qū)系統(tǒng)建模分析

建立融合供給側(cè)、傳輸側(cè)和需求側(cè)模型的綜合能源園區(qū)系統(tǒng)模型，是系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度的前提。從能量流動(dòng)層面分析，綜合能源園區(qū)中的綜合能源由供給側(cè)耦合輸出，因各能源的傳輸特性不同而在傳輸側(cè)解耦傳輸至需求側(cè)。園區(qū)能量守恒需同時(shí)滿足2個(gè)實(shí)時(shí)平衡，分別是供給側(cè)輸出與傳輸側(cè)注入實(shí)時(shí)平衡、傳輸側(cè)輸出與需求側(cè)注入實(shí)時(shí)平衡。電能傳輸時(shí)間及損耗很小，園區(qū)電能供給側(cè)與需求側(cè)滿足供需實(shí)時(shí)平衡；因熱能傳輸延時(shí)，園區(qū)熱能的2個(gè)實(shí)時(shí)平衡需滿足傳輸延時(shí)模型約束。

1.3 供給側(cè)分布式供能基地建模

分布式供能基地內(nèi)部設(shè)備模型如下。

a.微燃機(jī)模型。

微燃機(jī)的功率模型如式（1）所示。

其中，PMT，t為微燃機(jī)的輸出功率；ηge為微燃機(jī)的發(fā)電效率；Fg，t為微燃機(jī)的天然氣消耗功率。

b.水泵模型。

水泵消耗電能，將由微燃機(jī)輸出熱能加熱的流體加壓輸出，其模型如式（2）［12］所示。

其中，PP，t為水泵的耗電功率；ηP為水泵的耗電輸熱比；βMT為微燃機(jī)的熱電比，微燃機(jī)采用固定熱電比模式運(yùn)行。

c.風(fēng)力發(fā)電機(jī)模型。

風(fēng)力發(fā)電機(jī)的輸出功率與風(fēng)速相關(guān)，模型如下：

圖1 綜合能源園區(qū)物理和能量結(jié)構(gòu)Fig.1 Physical and energy structure of MEP

其中，PWT，t為風(fēng)力發(fā)電機(jī)的輸出功率；v為外界風(fēng)速；vin、vout和ve分別為風(fēng)力發(fā)電機(jī)的切入風(fēng)速、切出風(fēng)速和額定風(fēng)速為風(fēng)力發(fā)電機(jī)的額定輸出功率。

根據(jù)式（1）—（3）建立供能基地的能源中心數(shù)學(xué)模型，如式（4）所示。

其中分別為供能基地 h 的輸出電功率和熱功率分別為供能基地 h 的外部購(gòu)電功率、風(fēng)力發(fā)電機(jī)輸出功率和天然氣消耗的功率；ηT和ηC分別為變壓器和逆變器的轉(zhuǎn)換效率為購(gòu)電決策變量表示不購(gòu)電表示購(gòu)電為風(fēng)電并網(wǎng)率為微燃機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)表示停機(jī)表示運(yùn)行。

2 需求側(cè)用戶互補(bǔ)聚合響應(yīng)

2.1 用戶互補(bǔ)聚合響應(yīng)概念分析

綜合能源用戶自身含有多能轉(zhuǎn)換設(shè)備，其內(nèi)部能源轉(zhuǎn)換過(guò)程如圖1所示，可見綜合能源用戶內(nèi)部的能量流動(dòng)過(guò)程也存在多能協(xié)同互補(bǔ)現(xiàn)象。類比文獻(xiàn)［17］中對(duì)能源中心輸入輸出端的定義，本文定義用戶生活行為直接所需的能源為用戶的“能源消耗”EC（Energy Consumption）；用戶對(duì)供給側(cè)和傳輸側(cè)產(chǎn)生的能源需求為“負(fù)荷需求”LD（Load Demand），代表其為綜合能源園區(qū)系統(tǒng)的綜合能源負(fù)荷。用戶的EC是用戶內(nèi)部進(jìn)行能源轉(zhuǎn)換的目的，LD是進(jìn)行內(nèi)部能源轉(zhuǎn)換而產(chǎn)生的對(duì)系統(tǒng)能源的供給需求。

根據(jù)定義，用戶的EC包括冷／熱／電EC：用戶冷EC是為了直接滿足用戶對(duì)降低室溫或使用冷水的行為；用戶熱EC是為了直接滿足用戶對(duì)提高室溫或使用熱水的行為；用戶電EC是為了直接滿足用戶生活行為中直接對(duì)電能的需求，即洗衣機(jī)、電腦、電燈照明等?？梢姡脩羰孢m度是否改變?nèi)Q于是否滿足其EC。用戶LD是從系統(tǒng)角度出發(fā)用戶內(nèi)各能源轉(zhuǎn)換設(shè)備的耗能需求。

除特殊申明外，下文出現(xiàn)的EC和LD均特指用戶內(nèi)部能流過(guò)程中的用戶EC和用戶LD。

在相同EC下，用戶能源轉(zhuǎn)換策略不同，將表征不同的LD。例如在風(fēng)電激增時(shí)，引導(dǎo)用戶降低熱LD，優(yōu)先選擇電制冷和電制熱方式滿足冷、熱EC，可在不影響舒適度的前提下增加用戶的電LD，為風(fēng)電提供上網(wǎng)空間。本文將在不改變用戶EC前提下的用戶熱、電LD反向變化的這一特性，定義為用戶LD的互補(bǔ)特性。

利用用戶LD的互補(bǔ)特性，園區(qū)運(yùn)營(yíng)商可引導(dǎo)用戶在不改變舒適度的前提下參與需求側(cè)響應(yīng)，避免降低用戶舒適度而造成額外的補(bǔ)償。

用戶LD的互補(bǔ)能力與用戶的負(fù)荷特性和內(nèi)部能源轉(zhuǎn)換設(shè)備類型的多樣性相關(guān)，園區(qū)用戶LD的互補(bǔ)能力對(duì)比如表1所示。

表1 綜合能源園區(qū)用戶LD互補(bǔ)能力對(duì)比Table 1 Comparison of LD complementation capability among different users of MEP

工作時(shí)段，居民區(qū)內(nèi)用戶大部分外出，EC處于低谷；休息時(shí)段，居民區(qū)內(nèi)用戶大量涌入使得EC劇增，LD互補(bǔ)能力隨之呈峰谷變化，互補(bǔ)能力在工作時(shí)段較弱，在休息時(shí)段較強(qiáng)。辦公區(qū)用戶的EC變化趨勢(shì)與居民區(qū)相反，LD互補(bǔ)能力在工作時(shí)段較強(qiáng)，在休息時(shí)段無(wú)EC，而不具備互補(bǔ)能力。數(shù)據(jù)處理中心僅有冷／電EC，且無(wú)明顯峰谷差，由于多能轉(zhuǎn)換設(shè)備類型少，LD互補(bǔ)能力一直較低。

可見，用戶在一個(gè)調(diào)度周期內(nèi)的LD互補(bǔ)能力存在峰谷差，且不同用戶的峰谷差存在互補(bǔ)。因此，本文利用“聚合”［18］的思想，采用引導(dǎo)機(jī)制［19］引導(dǎo)園區(qū)內(nèi)3類用戶類型聚合成一個(gè)始終具有良好LD互補(bǔ)能力的用戶終端聚合體參與園區(qū)優(yōu)化調(diào)度。本文將這種基于“聚合”思想的需求側(cè)響應(yīng)模式定義為用戶互補(bǔ)聚合響應(yīng)，互補(bǔ)一詞既指?jìng)€(gè)體用戶自身的熱／電LD互補(bǔ)特性，又表征不同用戶類型的熱／電LD互補(bǔ)能力存在互補(bǔ)關(guān)系。

2.2 用戶互補(bǔ)聚合響應(yīng)建模

用戶熱／電LD互補(bǔ)特性模型如式（5）所示。

其中分別為用戶 i的電、熱、冷 EC和分別為用戶 i的電、熱 LD；ηH、ηeh、ηec和 ηhc分別為用戶終端的換熱效率、電制熱效率、電制冷效率和熱制冷效率；αee、αeh、αhh、αec、αhc為各能源轉(zhuǎn)換方式的耗能比例。在EC不變時(shí)，改變各能源轉(zhuǎn)換方式的耗能比例，可獲得不同的熱／電LD結(jié)構(gòu)。

表1所列用戶側(cè)多能轉(zhuǎn)換設(shè)備的數(shù)學(xué)模型如下。

a.電熱泵。

電熱泵為電制熱設(shè)備，其功率模型如式（6）所示。

其中為電熱泵的耗電功率；ηEHP為電熱泵爐的制熱性能系數(shù)，對(duì)應(yīng)式（5）的電制熱效率為電熱泵輸出的熱功率。

b.HVAC系統(tǒng)。

供熱通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)（HVAC）系統(tǒng)，消耗電能使室內(nèi)溫度維持舒適值，其功率與室內(nèi)外溫差相關(guān)，即：

其中，Tin和Tout分別為室內(nèi)、室外溫度；ηHVAC為HVAC系統(tǒng)的制冷性能系數(shù)為HVAC系統(tǒng)的耗電功率。在夏季，HVAC系統(tǒng)作為電制冷設(shè)備，其制冷性能系數(shù)對(duì)應(yīng)式（5）的電制冷效率ηec。

c.吸收式制冷機(jī)。

吸收式制冷機(jī)為熱制冷設(shè)備，其模型見式（8）。

其中為吸收式制冷機(jī)的耗熱功率；ηAC為吸收式制冷機(jī)的制冷效率，對(duì)應(yīng)式（5）的熱制冷效率為吸收式制冷機(jī)輸出的冷功率。

根據(jù)各用戶能源轉(zhuǎn)換設(shè)備構(gòu)成，將式（6）—（8）代入式（5）可以得到用戶的熱／電LD互補(bǔ)特性模型，根據(jù)用戶EC便可由式（5）求解其電、熱LD，各用戶的熱／電LD進(jìn)行聚合后就可得到本文所述用戶互補(bǔ)聚合響應(yīng)的功率聚合結(jié)果。

3 熱能傳輸延時(shí)的虛擬儲(chǔ)能模型

熱能傳輸延時(shí)打破了傳統(tǒng)的熱能供需平衡約束，熱電聯(lián)產(chǎn)（CHP）機(jī)組的熱出力和用戶熱LD不必滿足實(shí)時(shí)平衡約束，對(duì)促進(jìn)供需側(cè)高效配合有重要意義：在風(fēng)電激增時(shí)，用戶側(cè)利用用戶互補(bǔ)聚合響應(yīng)增大電LD的同時(shí)，供給側(cè)與之配合可部分或全部關(guān)停CHP機(jī)組，以促進(jìn)風(fēng)電消納，此時(shí)用戶熱LD由管道內(nèi)熱儲(chǔ)滿足；在電LD高峰期，用戶將電LD轉(zhuǎn)換為熱LD，而不增加CHP機(jī)組的出力，在不影響用戶舒適度的前提下同時(shí)達(dá)到削峰效果和園區(qū)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

綜上分析，熱能傳輸網(wǎng)絡(luò)的延時(shí)效應(yīng)可等效為IES的虛擬儲(chǔ)能，在優(yōu)化調(diào)度中發(fā)揮輔助作用，其分析模型具體如下。

3.1 節(jié)點(diǎn)流體動(dòng)力學(xué)模型

對(duì)管道流體做如下假設(shè)：管道內(nèi)流體不可壓縮，管道流速固定不變；不考慮管道摩擦對(duì)流體速度和溫度的損耗；不考慮管道內(nèi)外溫差對(duì)流體溫度的影響。

環(huán)形管網(wǎng)的節(jié)點(diǎn)具有多端注入或輸出的特點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)處流體流動(dòng)過(guò)程如圖2所示，圖中方塊表示單位時(shí)間內(nèi)注入管道的流量，灰色部分表示管道最大蓄水量，陰影部分表示該時(shí)刻管道輸出流量。節(jié)點(diǎn)i處流體滿足流量守恒約束，如式（9）所示。

其中，Γg和Γm分別為節(jié)點(diǎn)i的上游節(jié)點(diǎn)集合和下游節(jié)點(diǎn)集合；Ggi和Gim分別為節(jié)點(diǎn)i上游和下游的管道流速；Ng為節(jié)點(diǎn)i的上游節(jié)點(diǎn)g的傳輸延時(shí)時(shí)間間隔數(shù)量；αg（t-kΔt）為各時(shí)刻注入管道的流體在 t時(shí)刻的輸出比例；Δt為調(diào)度時(shí)間間隔。

圖2 管道節(jié)點(diǎn)處流體流動(dòng)截面圖Fig.2 Sectional view of fluid flowing through pipeline node

節(jié)點(diǎn)i的上、下游節(jié)點(diǎn)根據(jù)該節(jié)點(diǎn)處流體流向確定，流入節(jié)點(diǎn)i的流體所經(jīng)傳輸管道的另一端定義為上游節(jié)點(diǎn)，流出節(jié)點(diǎn)i的流體所經(jīng)傳輸管道的另一端定義為下游節(jié)點(diǎn)，如圖2所示。

管道的儲(chǔ)能時(shí)間間隔φg表征單位時(shí)間注入流量在管道內(nèi)傳輸?shù)臅r(shí)長(zhǎng)，計(jì)算公式如式（10）所示。

其中，ρ為流體密度；Agi為管道截面積；Lgi為管道長(zhǎng)度；N（·）表示向上取整。

t時(shí)刻上游各管道的輸出流量如式（11）所示。

其中，Mg為t時(shí)刻各上游管道的輸出流量為各上游節(jié)點(diǎn)t-φg時(shí)刻注入流量在t時(shí)刻的輸出量。

各上游管道傳輸時(shí)延間隔數(shù)量，如式（13）所示。

由式（10）—（13）可獲得各上游節(jié)點(diǎn)在t時(shí)刻及之前時(shí)刻注入流量在多端注入節(jié)點(diǎn)的輸出比例：

3.2 節(jié)點(diǎn)溫度動(dòng)態(tài)平衡模型

流體熱量與溫度的關(guān)系如式（15）所示。

其中，Hgi為單位時(shí)間注入流量所攜帶的熱能；c為比熱容；τgi、τre分別為注入流量的溫度、熱水回收溫度。

根據(jù)熱能守恒原理，由式（9）和式（15）可得到節(jié)點(diǎn)溫度動(dòng)態(tài)平衡約束，如式（16）所示。

其中，τi（t）為節(jié)點(diǎn)i單位時(shí)間內(nèi)輸出流量的溫度。

由式（16）可見，節(jié)點(diǎn)i的輸出溫度與上游各節(jié)點(diǎn)之前時(shí)刻的流速和溫度以及下游節(jié)點(diǎn)的流速密切相關(guān)，因而具有傳輸延時(shí)的效果。

各管道注入端通過(guò)水泵加壓，將注入流量按規(guī)定流速輸出，單位時(shí)間各管道水泵消耗的電量由注入流量所攜帶的熱能決定，如式（17）所示。

其中為傳輸管道g-i上水泵的耗電功率。

4 園區(qū)運(yùn)營(yíng)商兩階段短期優(yōu)化調(diào)度策略

為了提高園區(qū)運(yùn)營(yíng)商的收益和風(fēng)電消納率，本文提出了一種充分利用用戶互補(bǔ)聚合響應(yīng)和熱能傳輸延時(shí)的兩階段短期優(yōu)化調(diào)度策略，包括日前優(yōu)化調(diào)度和日內(nèi)短時(shí)優(yōu)化調(diào)度，如圖3所示。

圖3 兩階段優(yōu)化調(diào)度策略流程圖Fig.3 Flowchart of two-stage optimal dispatch strategy

其中，日前優(yōu)化調(diào)度階段基于日前源荷預(yù)測(cè)，負(fù)責(zé)安排園區(qū)價(jià)格引導(dǎo)機(jī)制和分布式供能基地的能源供給方案，使運(yùn)營(yíng)商預(yù)計(jì)收益和風(fēng)電消納最大化。

風(fēng)電和用戶EC都存在極大的波動(dòng)性和不確定性，預(yù)測(cè)誤差通常很大，為了保證系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行并最大限度地消納風(fēng)電，在日前調(diào)度的基礎(chǔ)上進(jìn)行日內(nèi)短時(shí)優(yōu)化調(diào)度，基于雙偏差互補(bǔ)思想，利用多種需求響應(yīng)策略平抑風(fēng)電偏差和LD偏差。

4.1 一階段：日前優(yōu)化調(diào)度策略

日前優(yōu)化調(diào)度策略引導(dǎo)用戶自主互補(bǔ)聚合響應(yīng)實(shí)現(xiàn)源荷互動(dòng)，以熱能傳輸延時(shí)為虛擬儲(chǔ)能實(shí)現(xiàn)供需高效配合，最大化運(yùn)營(yíng)商預(yù)計(jì)收益和風(fēng)電消納率。

用戶自主互補(bǔ)聚合響應(yīng)是指在假定用戶均為理性的前提下，僅以統(tǒng)一的價(jià)格機(jī)制為引導(dǎo)時(shí)用戶的互補(bǔ)聚合響應(yīng)行為。為了降低日前調(diào)度對(duì)用戶自主互補(bǔ)聚合響應(yīng)行為的預(yù)測(cè)誤差，運(yùn)營(yíng)商首先模擬園區(qū)能源價(jià)格機(jī)制與用戶自主互補(bǔ)聚合響應(yīng)的關(guān)系，并以此為依據(jù)建立園區(qū)日前優(yōu)化調(diào)度模型。

4.1.1 用戶自主互補(bǔ)聚合響應(yīng)行為模擬

在EC不變時(shí)，用戶選擇不同的能源轉(zhuǎn)換策略將導(dǎo)致不同的熱／電LD，因此LD的預(yù)測(cè)誤差大。若僅根據(jù)LD預(yù)測(cè)值來(lái)制定園區(qū)能源價(jià)格，將因影響用戶舒適度而無(wú)法達(dá)到引導(dǎo)目標(biāo)，導(dǎo)致用戶的實(shí)際自主響應(yīng)行為與預(yù)估值存在較大誤差。

在理性思維影響下，用戶通常會(huì)選擇經(jīng)濟(jì)最優(yōu)的能源轉(zhuǎn)換策略，因此影響用戶能源轉(zhuǎn)換策略制定的關(guān)鍵因素是能源價(jià)格。為了降低用戶自主互補(bǔ)聚合響應(yīng)行為的預(yù)測(cè)誤差，本文根據(jù)用戶上傳的日前EC曲線［17］，以需求側(cè)各用戶購(gòu)能成本最低為目標(biāo)進(jìn)行預(yù)測(cè)性優(yōu)化計(jì)算，以優(yōu)化結(jié)果對(duì)應(yīng)的LD作為在給定能源價(jià)格引導(dǎo)機(jī)制下用戶互補(bǔ)聚合響應(yīng)預(yù)測(cè)結(jié)果，從而建立了用戶自主互補(bǔ)聚合響應(yīng)與園區(qū)能源價(jià)格間的關(guān)系模型，如式（18）所示。

其中，M為綜合能源園區(qū)的用戶數(shù)量；βi為用戶i的權(quán)重，取 1 ／M分別為用戶 i的自主互補(bǔ)聚合響應(yīng)的電LD和熱分別為t時(shí)刻園區(qū)的電價(jià)和熱電售價(jià)比。

式（18）以式（5）—（8）為約束條件，綜合考慮用戶LD互補(bǔ)特性和用戶能源轉(zhuǎn)換策略制定心理，且不影響用戶舒適度，在理論上能夠有效地降低用戶自主互補(bǔ)聚合響應(yīng)的預(yù)測(cè)誤差。

園區(qū)運(yùn)營(yíng)商的日前優(yōu)化調(diào)度流程是根據(jù)用戶上傳的日前EC曲線，以式（18）模擬用戶自主互補(bǔ)聚合響應(yīng)行為以預(yù)測(cè)用戶聚合體在給定能源價(jià)格引導(dǎo)機(jī)制下的LD結(jié)構(gòu)，以此不斷調(diào)整得到使園區(qū)運(yùn)營(yíng)商日前收益最大化的能源價(jià)格引導(dǎo)機(jī)制，并將該能源價(jià)格曲線在日前發(fā)送至各用戶。

4.1.2 園區(qū)運(yùn)營(yíng)商日前優(yōu)化調(diào)度模型

（1）目標(biāo)函數(shù)。

園區(qū)運(yùn)營(yíng)商的預(yù)計(jì)收益目標(biāo)函數(shù)如式（19）所示。

其中，C1為園區(qū)運(yùn)營(yíng)商的預(yù)計(jì)收益；Cben為運(yùn)營(yíng)商的售能收益；Cen和Ctrans分別為園區(qū)運(yùn)營(yíng)商的能源生產(chǎn)成本與傳輸成本。

其中分別為園區(qū)外部的天然氣價(jià)格和電能價(jià)格；H為園區(qū)內(nèi)分布式供能基地總數(shù)量；n為熱能傳輸網(wǎng)絡(luò)的管道數(shù)量為各傳輸管道上水泵的耗電功率，由式（17）計(jì)算。園區(qū)能源傳輸成本為熱能傳輸管道水泵耗電造成的售電損失。

（2）約束條件。

a.能源守恒約束。

園區(qū)電能供需滿足實(shí)時(shí)平衡，如式（23）所示。園區(qū)熱能滿足傳輸延時(shí)模型約束，見式（9）和式（16）。

b.分布式供能基地約束。

分布式供能基地內(nèi)部能源耦合約束如式（1）—（4）所示。為了保證上級(jí)電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行，單位時(shí)間內(nèi)園區(qū)從外部購(gòu)入的總電量滿足式（24）所示約束。

其中分別為園區(qū)從外部電網(wǎng)購(gòu)電總功率的最小值、最大值。

c.熱能傳輸管道約束。

為了延長(zhǎng)供熱管道的使用壽命，各管道的流速、溫度和水泵出力應(yīng)滿足如下約束：

其中分別為供熱管道允許的最低、最高流速分別為供熱管道內(nèi)平均溫度的最低、最高允許值分別為供熱管道水泵的最小、最大耗電功率。

熱網(wǎng)的虛擬儲(chǔ)能作用的實(shí)質(zhì)是熱網(wǎng)傳輸延時(shí)將熱能供需實(shí)時(shí)平衡解耦，其約束條件為式（9）、式（16）和熱能傳輸管道約束。

d.園區(qū)能源價(jià)格約束。

為了避免運(yùn)營(yíng)商惡意抬價(jià)，運(yùn)營(yíng)商與用戶共同達(dá)成如下能源價(jià)格約束：

其中分別為電能最低、最高售價(jià)，且園區(qū)電能均價(jià)不得高于外部電網(wǎng)均價(jià)；αmin和αmax分別為熱電售價(jià)比的最低、最高限值。

e.用戶互補(bǔ)聚合響應(yīng)約束。

用戶內(nèi)部能量耦合關(guān)系滿足能量守恒，用戶LD互補(bǔ)特性式（5）內(nèi)各能源轉(zhuǎn)換方式的能耗比滿足如下約束：

4.2 二階段：日內(nèi)短時(shí)優(yōu)化調(diào)度策略

考慮到出力頻繁調(diào)節(jié)對(duì)CHP機(jī)組使用壽命的影響、聯(lián)絡(luò)線功率波動(dòng)對(duì)上級(jí)電網(wǎng)安全性的影響，運(yùn)營(yíng)商按日前聯(lián)絡(luò)線購(gòu)電計(jì)劃與上級(jí)電網(wǎng)簽訂購(gòu)電協(xié)議。在實(shí)際運(yùn)行中，CHP機(jī)組按日前供能計(jì)劃運(yùn)行，且能源價(jià)格引導(dǎo)機(jī)制不變，采用雙偏差短時(shí)自平抑策略，通過(guò)多種需求側(cè)響應(yīng)策略實(shí)現(xiàn)園區(qū)能量守恒和風(fēng)電消納最大化，實(shí)現(xiàn)流程如圖4所示。

圖4 日內(nèi)調(diào)度雙偏差短時(shí)自平抑策略實(shí)現(xiàn)流程Fig.4 Flowchart of dual-deviation short-time selfsuppression strategy of intra-day dispatch

4.2.1 策略一：用戶互補(bǔ)聚合響應(yīng)調(diào)整策略

日內(nèi)調(diào)度周期內(nèi)電能供需偏差如式（32）所示。

其中，ΔPw，t和 ΔPd，t分別為風(fēng)電預(yù)測(cè)偏差和用戶電能需求偏差，分別如式（33）和式（34）所示。

其中分別為風(fēng)電和用戶互補(bǔ)聚合響應(yīng)電LD的實(shí)際值、預(yù)測(cè)值。

在不影響用戶舒適度和未來(lái)用戶LD的前提下，運(yùn)營(yíng)商根據(jù)式（35）制定用戶互補(bǔ)聚合響應(yīng)調(diào)整策略，約束條件包括式（5）—（8）和式（36）—（38）。

其中，T2為日內(nèi)短時(shí)調(diào)度周期；Q1作為判斷指標(biāo)，表征該策略對(duì)園區(qū)雙偏差的平抑效果表征電能供需波動(dòng)的平抑效果，如式（36）所示表征熱LD波動(dòng)平抑效果。由于CHP機(jī)組出力不變，為了保證下一時(shí)段注入用戶節(jié)點(diǎn)的流量及流體溫度與日前調(diào)度安排一致，短時(shí)熱LD總量應(yīng)與日前調(diào)度安排相同，如式（37）所示。

其中分別為策略一下各用戶電、熱 LD為用戶熱LD的日前估計(jì)值。

滿足如下約束：

因此，Q1＝0表示用戶互補(bǔ)聚合響應(yīng)調(diào)整策略完全平抑園區(qū)能量守恒波動(dòng)；Q1＞0表示未完全平抑。

4.2.2 策略二：緊急用戶需求響應(yīng)策略

當(dāng)Q1＞0時(shí)，采用緊急用戶需求響應(yīng)（EDR）策略，通過(guò)改變用戶EC（降低舒適度）協(xié)助平抑波動(dòng)，即：

其中為 EDR 策略的電 LD 平抑目標(biāo)為EDR策略的各用戶熱LD平抑目標(biāo)。

數(shù)據(jù)處理中心的電LD主要用于滿足服務(wù)器機(jī)組運(yùn)行，服務(wù)器機(jī)組模型［20］如式（40）所示。

其中為服務(wù)器機(jī)組 i的耗電功率；ps、pa分別為服務(wù)器的靜態(tài)功率和動(dòng)態(tài)功率分別為服務(wù)器機(jī)組i的服務(wù)器總量和閑置服務(wù)器數(shù)量；vs、分別為服務(wù)器額定計(jì)算速度和機(jī)組工作量。通過(guò)控制服務(wù)器機(jī)組內(nèi)的閑置服務(wù)器數(shù)量，便可改變數(shù)據(jù)處理中心的電能消耗，如式（41）所示。

其中，M2為參與 EDR 的服務(wù)器機(jī)組數(shù)量為EDR策略下閑置服務(wù)器數(shù)量為機(jī)組i電LD變化量為EDR實(shí)際響應(yīng)功率。

服務(wù)器機(jī)組的計(jì)算時(shí)間如式（42）所示。

機(jī)組計(jì)算時(shí)間受最大允許計(jì)算時(shí)間約束：

根據(jù)上述分析，建立EDR策略的目標(biāo)函數(shù)：

其中，指標(biāo)Q2表征EDR策略對(duì)園區(qū)電LD波動(dòng)的平抑效果滿足式（45）和式（46）所示約束。

Q2＝0表明能源平衡波動(dòng)完全平抑；Q2＞0表示仍存在電能供需波動(dòng)，需棄風(fēng)以保證系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。

4.2.3 園區(qū)運(yùn)營(yíng)商二階段調(diào)度成本

運(yùn)營(yíng)商在一個(gè)短時(shí)優(yōu)化調(diào)度周期內(nèi)的成本是用戶側(cè)需求響應(yīng)的補(bǔ)償成本與棄風(fēng)成本之和，即：

其中為策略一t時(shí)刻所增加的用戶購(gòu)能成本分別為 EDR 策略的電、熱 LD 調(diào)整的補(bǔ)償價(jià)格為棄風(fēng)懲罰；Δt2為時(shí)間間隔分別為實(shí)際EDR響應(yīng)功率和目標(biāo)響應(yīng)功率。

運(yùn)營(yíng)商出于經(jīng)濟(jì)性考慮，在減少棄風(fēng)而增加的用戶補(bǔ)償成本大于棄風(fēng)成本時(shí)，將選擇經(jīng)濟(jì)性棄風(fēng)。

園區(qū)運(yùn)營(yíng)商一日實(shí)際運(yùn)行收益如式（48）所示。

其中，R為日內(nèi)短時(shí)調(diào)度周期數(shù)量；C′ben為園區(qū)實(shí)際售能收益，根據(jù)式（20）計(jì)算獲得。

5 仿真驗(yàn)證

本文以圖5所示的6節(jié)點(diǎn)電網(wǎng)與5節(jié)點(diǎn)熱網(wǎng)相耦合的園區(qū)IES為算例，對(duì)所提策略進(jìn)行仿真分析。圖中實(shí)線表示電能流動(dòng)，虛線表示熱能流動(dòng)。風(fēng)電和用戶EC的預(yù)測(cè)曲線和實(shí)際曲線及園區(qū)設(shè)備參數(shù)以文獻(xiàn)［12，21-24］為依據(jù)。供能基地1中微燃機(jī)額定功率為100 kW，熱電比為1.85；水泵額定功率為200 kW，耗電輸熱比為0.02。供能基地2中微燃機(jī)額定功率為150 kW，熱電比為1.85；水泵額定功率為250 kW，耗電輸熱比為0.02。供能基地3中風(fēng)機(jī)額定功率為125 kW，聯(lián)絡(luò)線允許波動(dòng)功率為50 kW。用戶1中電熱泵額定功率為80 kW，HVAC系統(tǒng)額定功率為100kW，吸收式制冷機(jī)額定功率為100kW；用戶2中電熱泵額定功率為50 kW，HVAC系統(tǒng)額定功率為75 kW，吸收式制冷機(jī)額定功率為65 kW；用戶3中HVAC系統(tǒng)額定功率為75 kW，吸收式制冷機(jī)額定功率為25 kW。電熱泵的電制熱效率為3.4，HVAC系統(tǒng)的制冷效率為4，吸收式制冷機(jī)效率為1.2。熱網(wǎng)管道直徑為 80 mm，管道 1、2、3、4、5 的額定流速分別為 8500 kg／h、8000 kg／h、12000 kg／h、12000kg／h、12000kg／h；管道 1-4、4-2、2-3、3-5、5-1的管道長(zhǎng)度分別為 4 km、6.5 km、6 km、6.5 km、6.5km，額定流速分別為 12000kg ／h、8000kg／h、12000kg／h、8 500 kg ／h、8 000 kg ／h。 外部電網(wǎng)的電價(jià)為 0.65元／（kW·h），天然氣售價(jià)為 0.15 元／（kW·h）；園區(qū)電價(jià)范圍為 0.3～0.8元／（kW·h），熱電售價(jià)比的范圍為0.1～1；日內(nèi)優(yōu)化調(diào)度中，二階段用戶LD補(bǔ)償均為0.7 元／（kW·h）；棄風(fēng)懲罰為 4.0 元／（kW·h）。 服務(wù)器機(jī)組最大允許計(jì)算時(shí)間為1 s。日內(nèi)短時(shí)優(yōu)化調(diào)度周期為2 h，時(shí)間間隔為15 min。

圖5 6節(jié)點(diǎn)電網(wǎng)和5節(jié)點(diǎn)熱網(wǎng)耦合系統(tǒng)Fig.5 IES of 6-node electric network and 5-node thermal network

采用多場(chǎng)景仿真方法對(duì)比分析用戶互補(bǔ)聚合響應(yīng)和傳輸延時(shí)對(duì)園區(qū)運(yùn)營(yíng)商經(jīng)濟(jì)性和風(fēng)電就地消納的作用，場(chǎng)景設(shè)置如下：場(chǎng)景1，考慮用戶互補(bǔ)聚合響應(yīng)和熱網(wǎng)傳輸延時(shí)；場(chǎng)景2，僅考慮用戶互補(bǔ)聚合響應(yīng)；場(chǎng)景3，僅考慮熱網(wǎng)傳輸延時(shí)；場(chǎng)景4，不考慮用戶互補(bǔ)聚合響應(yīng)和熱網(wǎng)傳輸延時(shí)。

場(chǎng)景3和4不考慮用戶互補(bǔ)聚合響應(yīng)，用戶向運(yùn)營(yíng)商上傳LD，用戶LD預(yù)測(cè)曲線、能源價(jià)格曲線、用戶LD實(shí)際曲線分別如圖6—8所示。

圖6 不考慮用戶互補(bǔ)聚合響應(yīng)時(shí)用戶LD預(yù)測(cè)曲線Fig.6 Predicted user LD curves，without considering CAUR

圖7 不考慮用戶互補(bǔ)聚合響應(yīng)時(shí)的能源價(jià)格曲線Fig.7 Energy price curves，without considering CAUR

圖8 不考慮用戶互補(bǔ)聚合響應(yīng)時(shí)用戶LD實(shí)際曲線Fig.8 Actual user LD curves，without considering CAUR

5.1 多場(chǎng)景園區(qū)運(yùn)營(yíng)商收益對(duì)比分析

4種仿真場(chǎng)景的經(jīng)濟(jì)性比較如表2所示。

表2 多場(chǎng)景運(yùn)營(yíng)商收益對(duì)比Table 2 Comparison of operator’s benefits among scenarios 元

a.日前優(yōu)化預(yù)計(jì)收益：場(chǎng)景1最大，場(chǎng)景2和3次之，場(chǎng)景4最低。這說(shuō)明綜合考慮用戶互補(bǔ)聚合響應(yīng)和熱網(wǎng)傳輸延時(shí)對(duì)提高運(yùn)營(yíng)商收益有積極作用。

b.日內(nèi)調(diào)度成本：場(chǎng)景1最小，場(chǎng)景2、3次之，場(chǎng)景4最大。場(chǎng)景3和4僅采用EDR策略促進(jìn)風(fēng)電消納，場(chǎng)景3利用調(diào)度周期內(nèi)用戶熱LD變動(dòng)可能存在的互補(bǔ)關(guān)系，削減對(duì)用戶熱LD的調(diào)整量，以降低調(diào)度成本；場(chǎng)景2利用經(jīng)濟(jì)性最強(qiáng)的策略一平抑雙偏差，調(diào)度成本低于場(chǎng)景3和4，但因熱能供需實(shí)時(shí)平衡約束，調(diào)度成本高于場(chǎng)景1。

c.兩階段實(shí)際運(yùn)行收益：場(chǎng)景4的收益偏差最大，說(shuō)明EDR策略平抑雙偏差的效果并不理想，且調(diào)度成本高昂；場(chǎng)景3的收益偏差較小，是因?yàn)闊崮軅鬏斞訒r(shí)降低了對(duì)用戶熱LD的調(diào)整程度；場(chǎng)景2的收益偏差比場(chǎng)景3小，說(shuō)明用戶互補(bǔ)聚合調(diào)整策略可明顯地平抑雙偏差，從而降低EDR策略成本和棄風(fēng)懲罰成本；場(chǎng)景1的實(shí)際收益大于預(yù)計(jì)收益，是因?yàn)橥瑫r(shí)考慮傳輸延時(shí)和用戶互補(bǔ)聚合響應(yīng)，提高了用戶互補(bǔ)聚合響應(yīng)的雙偏差平抑能力，風(fēng)電實(shí)際消納率大于日前預(yù)測(cè)，使實(shí)際收益高于預(yù)計(jì)值。

5.2 多場(chǎng)景風(fēng)電消納率對(duì)比分析

日內(nèi)短時(shí)優(yōu)化調(diào)度策略不改變園區(qū)CHP機(jī)組的出力安排和聯(lián)絡(luò)線購(gòu)電計(jì)劃，因此在本節(jié)僅采用各場(chǎng)景日前調(diào)度供能方案分別分析用戶互補(bǔ)聚合響應(yīng)、熱網(wǎng)虛擬儲(chǔ)能及二者組合對(duì)園區(qū)CHP機(jī)組出力、風(fēng)電消納能力和運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性的影響，其結(jié)論和機(jī)理分析同樣適用于兩階段優(yōu)化調(diào)度策略。并對(duì)比有無(wú)日內(nèi)短時(shí)優(yōu)化調(diào)度策略下的園區(qū)一日實(shí)際風(fēng)電消納情況，分析日內(nèi)短時(shí)優(yōu)化調(diào)度策略對(duì)提升風(fēng)電消納的作用。

5.2.1 用戶互補(bǔ)聚合響應(yīng)的影響分析

場(chǎng)景2和4日前調(diào)度的供能方案仿真結(jié)果如圖9所示，其對(duì)比能夠反映用戶互補(bǔ)聚合響應(yīng)的作用。圖中，W、CHP1、CHP2分別為風(fēng)電場(chǎng)、CHP 機(jī)組 1 和2的出力安排；PL為外部購(gòu)電電量；ΔW為棄風(fēng)量。

圖9 場(chǎng)景2和場(chǎng)景4的日前調(diào)度供能方案Fig.9 Day-ahead energy-supply schemes for Scenario 2 and 4

a.場(chǎng)景4：風(fēng)電與用戶電LD的峰谷時(shí)段并不完全重疊，如在21∶00時(shí)風(fēng)電達(dá)到峰值，用戶的電LD較大，可完全消納風(fēng)電峰值；但在用戶電LD低谷而風(fēng)電較大時(shí)存在嚴(yán)重的棄風(fēng)現(xiàn)象，如圖9（b）中01∶00—04∶00 和 22∶00—24∶00 這 2 個(gè)時(shí)間段內(nèi)，用戶電LD處于低谷，CHP機(jī)組為滿足用戶熱LD而無(wú)法降低出力，從而造成棄用大量的風(fēng)電。

b.場(chǎng)景 2：在風(fēng)電消納能力方面，01∶00—04∶00和22∶00—24∶00棄風(fēng)嚴(yán)重時(shí)段內(nèi)，場(chǎng)景2利用用戶互補(bǔ)聚合響應(yīng)，引導(dǎo)用戶將部分熱負(fù)荷轉(zhuǎn)換為電LD，同時(shí)降低了CHP機(jī)組出力，為風(fēng)電上網(wǎng)提供更多空間，但受熱能實(shí)時(shí)平衡約束，CHP機(jī)組始終處于運(yùn)行狀態(tài)，在這2個(gè)時(shí)段仍存在棄風(fēng)現(xiàn)象；在提升園區(qū)運(yùn)營(yíng)商經(jīng)濟(jì)性方面，電LD較大而風(fēng)電較低（10∶00—20∶00）期間，場(chǎng)景2將用戶部分電負(fù)荷轉(zhuǎn)換為熱LD，以增加CHP機(jī)組出力來(lái)降低從聯(lián)絡(luò)線購(gòu)買的電量。

5.2.2 熱網(wǎng)傳輸延時(shí)的影響分析

a.熱網(wǎng)虛擬儲(chǔ)能特性分析。

熱網(wǎng)虛擬儲(chǔ)能特性可通過(guò)場(chǎng)景3的園區(qū)實(shí)時(shí)熱能供需差值體現(xiàn)，如圖10（a）所示，其中Hg代表產(chǎn)熱曲線，Hr代表熱需求曲線?？梢?，熱能供需不受實(shí)時(shí)平衡約束，在 01∶00—06∶00、22∶00—24∶00 時(shí)間段內(nèi)，產(chǎn)熱量低于熱能需求，此時(shí)熱能需求部分由供熱管道內(nèi)存儲(chǔ)的熱量滿足，熱網(wǎng)等效于對(duì)外釋放的熱量，如圖 10（a）中 Hdischarge所示；在 07∶00 — 17∶00 和19∶00—21∶00 時(shí)間段內(nèi)，產(chǎn)熱量大于熱能需求，熱網(wǎng)等效于將多余的產(chǎn)熱量存儲(chǔ)于熱網(wǎng)管道內(nèi)，如圖10（a）中Hcharge所示。因此，在考慮熱網(wǎng)管道傳輸延時(shí)特性時(shí)，熱網(wǎng)具有虛擬儲(chǔ)能的作用，用以協(xié)助提高園區(qū)的風(fēng)電消納。

b.熱網(wǎng)虛擬儲(chǔ)能對(duì)風(fēng)電消納的影響。

場(chǎng)景3日前調(diào)度的供能基地出力變化曲線如圖10（b）所示，與不考慮熱網(wǎng)虛擬儲(chǔ)能的場(chǎng)景4日前調(diào)度供能方案（圖 9（b））相比，場(chǎng)景 3 在 01∶00—04∶00和22∶00—24∶00的棄風(fēng)量大幅下降。因?yàn)闊峋W(wǎng)虛擬儲(chǔ)能的作用，在上述時(shí)段，CHP機(jī)組2停機(jī)、CHP機(jī)組1逼近最低出力，利用管道放熱滿足用戶熱負(fù)荷，使CHP機(jī)組出力降低，為風(fēng)電上網(wǎng)留出空間；CHP機(jī)組在中間時(shí)段適當(dāng)增加出力，熱網(wǎng)在滿足風(fēng)電消納的前提下進(jìn)行蓄熱，為夜間風(fēng)電消納提供熱儲(chǔ)。

圖10 場(chǎng)景3的日前優(yōu)化調(diào)度結(jié)果Fig.10 Results of day-ahead optimal dispatch for Scenario 3

5.2.3 用戶互補(bǔ)聚合響應(yīng)與熱網(wǎng)傳輸延時(shí)配合分析

場(chǎng)景1日前調(diào)度供能方案如圖11所示，在風(fēng)電較大時(shí)，CHP機(jī)組部分或全部停機(jī)，運(yùn)營(yíng)商引導(dǎo)用戶提高電LD，利用虛擬儲(chǔ)能滿足用戶熱負(fù)荷；風(fēng)電低谷時(shí)，降低用戶電負(fù)荷并增大CHP機(jī)組出力，管道蓄熱，用于滿足風(fēng)電高峰時(shí)的用戶熱LD。

圖11 場(chǎng)景1的日前調(diào)度供能方案Fig.11 Day-ahead energy-supply schemes for Scenario 1

對(duì)比圖11和圖9、圖10可見，用戶互補(bǔ)聚合響應(yīng)與熱網(wǎng)傳輸延時(shí)存在優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)。與場(chǎng)景2（圖9（a））相比，場(chǎng)景1利用熱網(wǎng)虛擬儲(chǔ)能，解決了因熱能實(shí)時(shí)平衡約束導(dǎo)致的嚴(yán)重棄風(fēng)現(xiàn)象，大幅提高了風(fēng)電消納能力；與場(chǎng)景3（圖 10（b））相比，場(chǎng)景 1利用用戶互補(bǔ)聚合響應(yīng)，在01∶00—04∶00時(shí)間段內(nèi)提高電LD從而實(shí)現(xiàn)風(fēng)電完全消納，在調(diào)度中期降低用戶電LD從而減少聯(lián)絡(luò)線購(gòu)電成本。與場(chǎng)景3相比，場(chǎng)景1在調(diào)度后期（22∶00，24∶00）的棄風(fēng)量大于場(chǎng)景 3，因?yàn)檎{(diào)度中期時(shí)段的用戶熱LD增大，使得在調(diào)度后期需要增大CHP機(jī)組的熱出力，使管道內(nèi)熱水能夠滿足下一調(diào)度周期的運(yùn)行。但從整體風(fēng)電消納情況來(lái)看，場(chǎng)景1的整體風(fēng)電消納能力最優(yōu)。

5.2.4 日內(nèi)短時(shí)優(yōu)化調(diào)度策略分析

園區(qū)采用兩階段優(yōu)化調(diào)度策略后各場(chǎng)景的風(fēng)電實(shí)際消納曲線如圖12所示，為了直觀分析日內(nèi)短時(shí)優(yōu)化調(diào)度策略對(duì)園區(qū)風(fēng)電消納和經(jīng)濟(jì)性的影響，本文取各場(chǎng)景下有、無(wú)日內(nèi)短時(shí)優(yōu)化調(diào)度策略的各時(shí)段平均棄風(fēng)增加量進(jìn)行對(duì)比（如圖13所示），來(lái)分析各場(chǎng)景的日內(nèi)實(shí)際風(fēng)電消納能力和日內(nèi)用戶互補(bǔ)聚合響應(yīng)調(diào)整策略、EDR策略的風(fēng)電消納能力。

從圖13可見，各場(chǎng)景采用日內(nèi)短時(shí)優(yōu)化調(diào)度策略均能提高風(fēng)電實(shí)際消納量，下面進(jìn)一步對(duì)各場(chǎng)景的風(fēng)電消納能力差異進(jìn)行分析。

圖12 各場(chǎng)景風(fēng)電實(shí)際消納曲線Fig.12 Actual wind-power accommodation curves for different scenarios

圖13 各場(chǎng)景有、無(wú)日內(nèi)短時(shí)優(yōu)化調(diào)度時(shí)各時(shí)段平均棄風(fēng)電量Fig.13 Average wind-power curtailment of each period with／without intra-day short-term optimal dispatch for different scenarios

a.各場(chǎng)景風(fēng)電消納能力對(duì)比分析。

對(duì)比圖 13（c）和圖 13（d）發(fā)現(xiàn)，場(chǎng)景 3 和 4 有、無(wú)日內(nèi)短時(shí)優(yōu)化調(diào)度策略時(shí)的棄風(fēng)量差值在各時(shí)段都相同，說(shuō)明僅考慮熱網(wǎng)傳輸延時(shí)在日內(nèi)調(diào)度階段并不能提高風(fēng)電消納能力。由表2可知，場(chǎng)景3的運(yùn)營(yíng)商實(shí)際收益大于場(chǎng)景4，因熱網(wǎng)傳輸延時(shí)可以利用短時(shí)優(yōu)化周期內(nèi)用戶熱負(fù)荷波動(dòng)在各時(shí)段間的互補(bǔ)，來(lái)降低運(yùn)營(yíng)商對(duì)用戶熱負(fù)荷調(diào)整的補(bǔ)償成本，其原理如圖14所示。

圖14 場(chǎng)景3短時(shí)優(yōu)化調(diào)度周期內(nèi)熱網(wǎng)蓄熱量和熱負(fù)荷曲線Fig.14 Heat storage curve and heat load curves in short-term optimal dispatch period of Scenario 3

圖 14 為場(chǎng)景 3 在（02∶15— 04∶00）短時(shí)優(yōu)化周期內(nèi)熱網(wǎng)蓄熱量與日前計(jì)劃的對(duì)比，Hr0、Hr1和Hr分別代表熱負(fù)荷的日前預(yù)測(cè)曲線、日內(nèi)短時(shí)預(yù)測(cè)曲線和調(diào)整后的實(shí)際曲線。蓄熱量變化值大于0表示熱網(wǎng)在日前計(jì)劃基礎(chǔ)上所增加的蓄熱量，反之則表示熱網(wǎng)在日前計(jì)劃基礎(chǔ)上所釋放的蓄熱量，一個(gè)短時(shí)優(yōu)化周期的蓄熱總變化量為0。由圖14可見，日內(nèi)短時(shí)預(yù)測(cè)曲線與日前預(yù)測(cè)曲線的偏差較大，場(chǎng)景3通過(guò)調(diào)整各時(shí)刻熱網(wǎng)蓄熱量的變化，使用戶熱LD實(shí)際曲線盡可能地逼近日內(nèi)短時(shí)預(yù)測(cè)曲線，從而降低對(duì)用戶的補(bǔ)償成本。

對(duì)比圖 13（a）和圖 13（b）中有、無(wú)日內(nèi)短時(shí)優(yōu)化調(diào)度策略時(shí)的棄風(fēng)量差值可以發(fā)現(xiàn)，在大部分時(shí)間，場(chǎng)景1和場(chǎng)景2日內(nèi)優(yōu)化調(diào)度策略的風(fēng)電消納能力相同，但仍有一些時(shí)間，場(chǎng)景2的差值小于場(chǎng)景1，即場(chǎng)景2的風(fēng)電消納能力低于場(chǎng)景1，例如18∶00。場(chǎng)景2利用用戶互補(bǔ)聚合響應(yīng)可顯著提高風(fēng)電消納能力，但由此造成的額外熱負(fù)荷波動(dòng)將增加補(bǔ)償成本，此時(shí)棄風(fēng)成本低于用戶補(bǔ)償成本，運(yùn)營(yíng)商選擇棄風(fēng)；場(chǎng)景1則利用熱網(wǎng)虛擬儲(chǔ)能的作用降低了對(duì)用戶熱負(fù)荷調(diào)整的補(bǔ)償成本，得以充分發(fā)揮用戶互補(bǔ)聚合響應(yīng)的風(fēng)電消納能力?？梢?，在日內(nèi)調(diào)度中，熱能傳輸延時(shí)增大了用戶互補(bǔ)聚合響應(yīng)的空間。

b.日內(nèi)短時(shí)優(yōu)化調(diào)度內(nèi)子策略對(duì)比分析。

場(chǎng)景3和4無(wú)用戶互補(bǔ)聚合響應(yīng)，日內(nèi)短時(shí)優(yōu)化調(diào)度策略僅采用策略二和策略三；場(chǎng)景1和2考慮用戶互補(bǔ)聚合響應(yīng)，在策略一的基礎(chǔ)上采用策略二和策略三。對(duì)比場(chǎng)景1和3或場(chǎng)景2和4便可直觀地反映策略一和策略二的風(fēng)電消納能力。

場(chǎng)景3有、無(wú)短時(shí)優(yōu)化調(diào)度策略時(shí)的棄風(fēng)量差值表征日內(nèi)短時(shí)優(yōu)化調(diào)度策略二的風(fēng)電消納情況，場(chǎng)景1有、無(wú)短時(shí)優(yōu)化調(diào)度策略時(shí)的棄風(fēng)量差值表征日內(nèi)短時(shí)優(yōu)化調(diào)度策略一和策略二的綜合風(fēng)電消納情況。 由圖13（a）和圖 13（c）可見，場(chǎng)景 1的棄風(fēng)量差值在 02∶00—05∶00 時(shí)段、18∶00 和 20∶00 遠(yuǎn)大于場(chǎng)景3，說(shuō)明策略一的風(fēng)電消納能力比策略二強(qiáng)。

綜上，綜合考慮用戶互補(bǔ)聚合響應(yīng)和熱網(wǎng)傳輸延時(shí)能同時(shí)提高日前和日內(nèi)風(fēng)電消納能力和運(yùn)營(yíng)商的經(jīng)濟(jì)性，且運(yùn)營(yíng)商兩階段優(yōu)化調(diào)度策略可進(jìn)一步提高園區(qū)風(fēng)電的實(shí)際消納能力。

6 結(jié)論

本文建立了綜合能源園區(qū)的需求側(cè)用戶互補(bǔ)聚合響應(yīng)模型和傳輸側(cè)熱能傳輸延時(shí)模型，并提出了一種運(yùn)營(yíng)商兩階段短期優(yōu)化調(diào)度策略。經(jīng)理論分析和仿真得到以下結(jié)論。

a.用戶互補(bǔ)聚合響應(yīng)利用綜合能源用戶LD的互補(bǔ)特性，采用價(jià)格機(jī)制引導(dǎo)不同類型用戶聚合，在不改變用戶舒適度的前提下，需求側(cè)仍保持良好的響應(yīng)能力。

b.建立了環(huán)形熱網(wǎng)傳輸延時(shí)模型?？紤]傳輸延時(shí)可將供需側(cè)熱能實(shí)時(shí)平衡解耦處理，實(shí)現(xiàn)供需兩側(cè)高效配合，在日內(nèi)調(diào)度期間還能充分發(fā)揮用戶互補(bǔ)聚合響應(yīng)，在日前預(yù)測(cè)誤差較大時(shí)將發(fā)揮更大作用。

c.運(yùn)營(yíng)商兩階段短期優(yōu)化調(diào)度策略利用用戶互補(bǔ)聚合響應(yīng)并考慮熱能傳輸延時(shí)，能夠提高園區(qū)實(shí)際運(yùn)行期間的風(fēng)電消納率和運(yùn)營(yíng)商實(shí)際收益。日前調(diào)度階段通過(guò)模擬用戶互補(bǔ)聚合響應(yīng)能夠降低需求側(cè)響應(yīng)預(yù)測(cè)偏差，日內(nèi)短時(shí)優(yōu)化調(diào)度利用多種需求側(cè)響應(yīng)，有效解決了日前預(yù)測(cè)偏差帶來(lái)的棄風(fēng)問(wèn)題。

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