張 鵬，李春燕，周 哲，王 東

（1．重慶大學(xué)輸配電裝備及系統(tǒng)安全與新技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶400030；2．國(guó)網(wǎng)重慶市電力公司電力設(shè)計(jì)院，重慶401121）

基于需求響應(yīng)的采暖期熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)風(fēng)電消納研究

張 鵬1，李春燕1，周 哲2，王 東1

（1．重慶大學(xué)輸配電裝備及系統(tǒng)安全與新技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶400030；2．國(guó)網(wǎng)重慶市電力公司電力設(shè)計(jì)院，重慶401121）

提出一種基于需求響應(yīng)的熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)風(fēng)電消納策略。綜合考慮熱負(fù)荷與電負(fù)荷需求，以及風(fēng)電功率預(yù)測(cè)上下限，制定實(shí)時(shí)電價(jià)，從而進(jìn)行居民用戶價(jià)格型需求響應(yīng)調(diào)度。同時(shí)，在保證熱負(fù)荷需求，滿足用戶基本采暖需求及溫度舒適性的前提下，通過(guò)對(duì)電采暖系統(tǒng)的溫度調(diào)節(jié)，改變工業(yè)、商業(yè)用戶電采暖負(fù)荷需求，對(duì)風(fēng)電波動(dòng)進(jìn)行實(shí)時(shí)響應(yīng)，從而實(shí)現(xiàn)電負(fù)荷需求滿足風(fēng)電機(jī)組出力的目的。算例分析表明，該方法能夠在保證用戶供暖需求的條件下，有效提高系統(tǒng)供暖期風(fēng)電消納能力，節(jié)約系統(tǒng)運(yùn)行成本。

風(fēng)電消納；需求響應(yīng)；熱電聯(lián)產(chǎn)；溫度控制

能源危機(jī)是當(dāng)今世界面臨的一大難題，開(kāi)發(fā)新能源是解決這一難題的途徑之一，因此風(fēng)能等可再生能源的利用日益受到關(guān)注。我國(guó)的風(fēng)電裝機(jī)量已處于世界領(lǐng)先地位，但風(fēng)電利用率卻并沒(méi)有提高，“三北地區(qū)”的棄風(fēng)率更是高達(dá)20%［1］。

北方地區(qū)采暖期棄風(fēng)的情況尤為嚴(yán)重，這主要是由于采暖期熱電機(jī)組的運(yùn)行原則是以熱定電［2］。機(jī)組熱點(diǎn)耦合，導(dǎo)致系統(tǒng)調(diào)峰能力下降，可調(diào)裕度不足，風(fēng)電消納難度加大。而北方地區(qū)又是風(fēng)電資源集中區(qū)域，由于外送能力有限、就地消納困難，所以造成采暖期全國(guó)風(fēng)電棄風(fēng)量的上升。

通過(guò)儲(chǔ)熱裝置，實(shí)現(xiàn)熱電解耦運(yùn)行［3－6］，能夠在一定程度上提高電網(wǎng)的調(diào)峰能力，但儲(chǔ)熱裝置有一定的熱損耗，且建設(shè)周期較長(zhǎng)，成本回收較慢。更換傳統(tǒng)鍋爐為電熱型鍋爐增加了電負(fù)荷且減少了熱負(fù)荷，進(jìn)一步增加了機(jī)組的調(diào)峰能力［7］。常規(guī)調(diào)度方式通過(guò)機(jī)組調(diào)度進(jìn)行風(fēng)電消納［8－9］，需求響應(yīng)在風(fēng)電消納中的作用日益被重視［10－12］。近來(lái)一些學(xué)者提出，需求響應(yīng)會(huì)對(duì)含風(fēng)電系統(tǒng)熱電機(jī)組的投資建設(shè)造成影響［13］。而通過(guò)電熱負(fù)荷的管理，能夠?qū)崿F(xiàn)負(fù)荷資源調(diào)度［14］，通過(guò)改變空調(diào)熱泵和熱水采暖之間的比例，提高電負(fù)荷，能夠提高風(fēng)電的利用率［15］。但是，空調(diào)并沒(méi)有大范圍普及，用戶的成本因素也沒(méi)有加以考慮。

除居民區(qū)外，工、商業(yè)用戶采暖來(lái)源為空調(diào)熱泵，且經(jīng)濟(jì)越發(fā)達(dá)地區(qū)，其空調(diào)采暖負(fù)荷耗電量越大。據(jù)此，提出一種基于負(fù)荷側(cè)響應(yīng)的熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組風(fēng)電消納策略，通過(guò)對(duì)熱泵進(jìn)行調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)電力負(fù)荷調(diào)度。與此同時(shí)，對(duì)可中斷負(fù)荷和可轉(zhuǎn)移負(fù)荷進(jìn)行調(diào)度，并通過(guò)電價(jià)激勵(lì)，對(duì)電價(jià)敏感用戶進(jìn)行調(diào)度。將需求響應(yīng)與直接電熱負(fù)荷控制相結(jié)合，在考慮用戶舒適度的前提下，提高系統(tǒng)風(fēng)電利用率。

1 風(fēng)電波動(dòng)模型

［16］，構(gòu)建考慮風(fēng)電波動(dòng)的壞場(chǎng)景集。假定風(fēng)電的實(shí)際不確定出力Pw服從基于預(yù)測(cè)功率Pw，pre的正態(tài)分布，其誤差分位點(diǎn)為α＋和α－，由數(shù)理統(tǒng)計(jì)可得風(fēng)電的波動(dòng)區(qū)間［Pw，up，Pw，down］。

圖1 風(fēng)電出力包絡(luò)線

雖然完全考慮風(fēng)電的出力上下限值能最大化滿足風(fēng)電預(yù)測(cè)波動(dòng)情況，但是實(shí)際的風(fēng)電波動(dòng)未必每次都會(huì)達(dá)到最壞情況，考慮全面反而會(huì)增加系統(tǒng)調(diào)度成本。引入NB作為誤差波動(dòng)個(gè)數(shù)，那么NB越大，誤差波動(dòng)越多，生成的場(chǎng)景集越保守。

式中：α為誤差分位點(diǎn)；T為時(shí)段數(shù)。

即可得到系統(tǒng)優(yōu)化解的可行性概率達(dá)到α。

2 熱電機(jī)組模型及熱負(fù)荷價(jià)格響應(yīng)

采暖期供暖機(jī)組按照以熱定電方式運(yùn)行，分為背壓式和抽氣式兩種，兩種機(jī)組的運(yùn)行特性見(jiàn)圖2。

圖2 機(jī)組出力特性

機(jī)組的電出力與其熱出力相關(guān)，背壓式機(jī)組在確定熱出力的情況下，電出力為確定值，不可調(diào)；而抽氣式機(jī)組在熱出力確定的情況下，電出力有一定可調(diào)范圍，但調(diào)節(jié)大小有限。抽氣式機(jī)組的出力特性為

由于采暖期用戶熱水需求量較大，電熱水器等電熱產(chǎn)品使用率較高且功率一般較大，并具有一定的保溫能力，可認(rèn)為用戶電負(fù)荷轉(zhuǎn)移能力較高。用戶的響應(yīng)行為由價(jià)格彈性來(lái)表征。

熱負(fù)荷間接限制熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組的電出力，進(jìn)而影響機(jī)組調(diào)峰能力，限制風(fēng)電消納。因此，實(shí)時(shí)電價(jià)的制定需要將熱負(fù)荷的需求加以考慮。

外界溫度降低時(shí)，為了維持室內(nèi)溫度，熱負(fù)荷值最高。其余時(shí)刻維持溫度的熱負(fù)荷量需求并不大［18］。具體的分時(shí)熱負(fù)荷需求見(jiàn)表1。

表1 分時(shí)熱負(fù)荷系數(shù)

式中：α為熱負(fù)荷對(duì)電價(jià)的影響系數(shù)；β為風(fēng)電功率對(duì)電價(jià)的影響系數(shù)；ΔLh，ΔPw分別為熱負(fù)荷需求量和風(fēng)電出力值；Lh，Pw分別為熱負(fù)荷總量和風(fēng)電機(jī)組額定出力值；Cb，ΔCreal分別為基礎(chǔ)電價(jià)和電價(jià)波動(dòng)值。

最終實(shí)時(shí)電價(jià)為

式中：Creal為考慮風(fēng)電和熱負(fù)荷的實(shí)時(shí)電價(jià)。

同時(shí)，電價(jià)不能低于成本電價(jià)，也不能高于電價(jià)峰值而影響用戶的正常用電。

此時(shí)電價(jià)中考慮風(fēng)電預(yù)測(cè)出力值，也就是理想場(chǎng)景下的風(fēng)電出力。誤差帶范圍內(nèi)的風(fēng)電波動(dòng)由激勵(lì)型負(fù)荷調(diào)度平衡。

3 調(diào)度模型的建立及求解

目標(biāo)函數(shù)為系統(tǒng)最低總運(yùn)行成本

本文的電價(jià)是在基礎(chǔ)實(shí)時(shí)電價(jià)的基礎(chǔ)上，加以電價(jià)波動(dòng)構(gòu)成的實(shí)時(shí)電價(jià)。電價(jià)的波動(dòng)值由熱負(fù)荷波動(dòng)與風(fēng)電預(yù)測(cè)出力共同決定。

式中：U為0－1變量，0表示該機(jī)組停機(jī)，1表示機(jī)組開(kāi)機(jī)；aj，bj，cj分別是常規(guī)機(jī)組的發(fā)電成本系數(shù)；ai，bi，ci分別為熱電機(jī)組的發(fā)電成本系數(shù)；αi，βi，γi分別為熱電機(jī)組的發(fā)熱成本系數(shù)；PtG，j為常規(guī)機(jī)組t時(shí)刻出力；Pth，i為熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組t時(shí)刻電出力；Ptw，use為t時(shí)刻風(fēng)電利用功率；Ptw，out為t時(shí)刻風(fēng)電實(shí)際出力；Ctw為棄風(fēng)成本，也可認(rèn)為是風(fēng)電廠棄風(fēng)后電網(wǎng)的補(bǔ)償收益；htg為熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組t時(shí)刻熱出力；CT為溫度調(diào)度補(bǔ)償成本，且溫度變化越大，CT越大；Tt為t時(shí)刻的溫度值；T為用戶初始設(shè)置溫度。

realcom

由于采暖期非供暖用戶的電負(fù)荷主要用于取暖，所以激勵(lì)型負(fù)荷調(diào)度時(shí)，應(yīng)首先考慮通過(guò)溫度調(diào)度調(diào)節(jié)負(fù)荷量并進(jìn)行補(bǔ)償，其次才是照明等負(fù)荷。而工業(yè)用戶如工廠等，采暖主要依靠鍋爐供暖，屬于熱負(fù)荷部分。

式中：T為當(dāng)前溫度；Tcom為人體感受到的舒適溫度值；Pper為單位溫度變化下的負(fù)荷變化量；ΔPTt為通過(guò)溫度調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)的負(fù)荷調(diào)整量。

式（10）、式（11）分別是相鄰時(shí)間溫度差約束以及溫度變化范圍約束。

式中：ΔTcom為相鄰時(shí)間最小溫度差；Tmin，Tmax分別為可接受的最低、最高溫度。

其余約束如下。

負(fù)荷平衡約束為

式（12）分別是系統(tǒng)電功率平衡和熱負(fù)荷平衡約束。

機(jī)組功率上下限約束為

式中：Pmaxg，Pmaxw分別是常規(guī)機(jī)組和風(fēng)電機(jī)組的出力上限。

機(jī)組爬坡約束為

本文通過(guò)GAMS軟件對(duì)模型進(jìn)行求解。

4 算例分析

假定系統(tǒng)中有2臺(tái)火電機(jī)組，3臺(tái)熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組以及1臺(tái)自備廠機(jī)組［18］，并假定熱電機(jī)組全部為抽氣式機(jī)組，擁有一定的調(diào)節(jié)能力。機(jī)組參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 機(jī)組參數(shù)

風(fēng)電預(yù)測(cè)曲線見(jiàn)圖3，熱負(fù)荷數(shù)據(jù)文獻(xiàn)［18］。

圖3 負(fù)荷曲線及風(fēng)電預(yù)測(cè)功率

以0．45元作為基準(zhǔn)電價(jià)，計(jì)及電價(jià)波動(dòng)的實(shí)時(shí)電價(jià)見(jiàn)表3。

表3 實(shí)時(shí)電價(jià)

4．1 不計(jì)風(fēng)電預(yù)測(cè)誤差的機(jī)組出力分析

假定風(fēng)電出力預(yù)測(cè)準(zhǔn)確，最終的機(jī)組出力情況見(jiàn)表4。

表4 機(jī)組運(yùn)行結(jié)果

機(jī)組運(yùn)行情況見(jiàn)圖4。熱電機(jī)組保持運(yùn)行狀態(tài)，風(fēng)電功率的波動(dòng)由電采暖系統(tǒng)和火電機(jī)組來(lái)完成。在滿足機(jī)組運(yùn)行的約束條件下，較好地完成了風(fēng)電消納任務(wù)。從圖5可以看出，系統(tǒng)棄風(fēng)量下降明顯，風(fēng)電利用率大幅上升。

圖4 機(jī)組運(yùn)行情況

用戶的溫度變化見(jiàn)圖6。溫度變化范圍符合人體正常溫度范圍，在22℃左右的范圍內(nèi)波動(dòng)。在保證正常采暖的前提下，實(shí)現(xiàn)負(fù)荷響應(yīng)。

圖6 溫度變化

該情況下的調(diào)度運(yùn)行總成本為385．86萬(wàn)元。

4．2 誤差極限情況下機(jī)組出力分析

圖7至圖10是風(fēng)電功率上下限時(shí)的機(jī)組運(yùn)行情況及用戶溫度變化情況。兩種情況下，調(diào)度運(yùn)行成本（見(jiàn)表5）分別為324．99萬(wàn)元、423．58萬(wàn)元。與不計(jì)預(yù)測(cè)誤差相比，風(fēng)電按照上限出力費(fèi)用最低，這是因?yàn)轱L(fēng)電出力大時(shí)，常規(guī)火電機(jī)組的出力下降，機(jī)組運(yùn)行成本下降。而按照出力下限分析時(shí)，機(jī)組出力最大，運(yùn)行成本最高，且用戶溫度波動(dòng)較頻繁。從調(diào)度情況來(lái)看，上、下限負(fù)荷調(diào)度情況分別為3 462．922 MW和3 418．436 MW，均高于不計(jì)誤差的3 348．001 MW。換句話說(shuō)，極限情況下負(fù)荷的調(diào)度量最大，調(diào)度成本最高。因此，在調(diào)度時(shí)完全考慮極端情況雖然保證了較高的可靠性，但是犧牲了用戶用電舒適性，造成較高的調(diào)度成本。

圖7 風(fēng)電功率預(yù)測(cè)上限時(shí)機(jī)組的出力情況

圖8 風(fēng)電功率預(yù)測(cè)上限時(shí)溫度的變化

圖9 風(fēng)電功率預(yù)測(cè)下限時(shí)機(jī)組的出力情況

圖10 風(fēng)電功率預(yù)測(cè)下限時(shí)溫度的變化

表5 系統(tǒng)調(diào)度及運(yùn)行情況

4．3 壞場(chǎng)景集仿真分析

當(dāng)置信度為0．95時(shí)，可求得NB＝8，即最壞情況點(diǎn)數(shù)達(dá)到8及以上時(shí)，置信度能夠達(dá)到0．95。利用蒙特卡洛方法，隨機(jī)產(chǎn)生NB＝8的壞場(chǎng)景集。壞場(chǎng)景集仿真數(shù)據(jù)見(jiàn)圖11。

圖11 壞場(chǎng)景集仿真數(shù)據(jù)

10個(gè)場(chǎng)景下的負(fù)荷調(diào)度情況見(jiàn)表6。

表6 負(fù)荷調(diào)度情況

壞場(chǎng)景負(fù)荷調(diào)度量平均為3 393．792 MW，平均棄風(fēng)量1 300．641 MW，期望值小于上、下限調(diào)度值。可見(jiàn)，基于壞場(chǎng)景集的調(diào)度能夠有效地降低調(diào)度成本，且保證了較高置信區(qū)間條件下調(diào)度的準(zhǔn)確性。

4．4 風(fēng)電消納能力對(duì)比

與不加需求響應(yīng)情況對(duì)比，兩者的風(fēng)電消納能力對(duì)比見(jiàn)圖12。

圖12 不同策略下風(fēng)電消納情況

通過(guò)本策略的實(shí)施，能夠有效提高風(fēng)電出力峰值時(shí)刻的風(fēng)電消納量；而在出力低谷時(shí)，由于待消納風(fēng)電量不大，消納能力對(duì)比并不明顯。從極端反峰特性風(fēng)電出力來(lái)看，該策略能夠有效提高風(fēng)電在用電低谷時(shí)期的利用率，提高采暖期風(fēng)電消納能力。

5 結(jié)論

本文建立了一種考慮熱、電負(fù)荷的基于需求響應(yīng)的熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)風(fēng)電消納調(diào)度模型。通過(guò)價(jià)格響應(yīng)和電采暖系統(tǒng)的溫度調(diào)節(jié)，在滿足熱負(fù)荷需求的同時(shí)，增大風(fēng)電的消納量：

1）在滿足熱負(fù)荷需求情況下，通過(guò)電價(jià)引導(dǎo)和電采暖系統(tǒng)溫度控制，提高系統(tǒng)風(fēng)電利用量，減少系統(tǒng)棄風(fēng)量；

2）誤差極限條件下，負(fù)荷調(diào)度量較大，調(diào)度成本較高；

3）該策略能夠顯著增加系統(tǒng)熱負(fù)荷峰值時(shí)的風(fēng)電消納量，提高采暖期熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的風(fēng)電利用率，降低棄風(fēng)量。

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A Study on theW ind Power Consumption of the CHP System During the Heating Period Based on the Demand Response

ZHANG Peng1，LIChunyan1，ZHOU Zhe2，WANG Dong1
（1．State Key Laboratory of Power Transmission Equipment＆．System Security and New Technology of Chongqing University，Chongqing 400030，China；2．Electric Power Design Institute of State Grid Chongqing Electric Power Company，Chongqing 401121，China）

This paper presents a strategy for thewind power consumption of the CHP system based on the demand re sponse．With both the demands of thermal and electrical loads and the upper and lower limits of thewind power pre diction being considered，the real time price for electricity can be setand the price based demand response dispatc hing for resident users can be implemented．On the premise that the demand of the thermal load is guaranteed，the users fundamental demand for heating and the temperature comfortableness are satisfied，the goal that the demand of the electrical load meets the output power of the wind power unit can be realized by regulating the temperature of the electric heating system，changing the demand of the electric heating load of both industrial and business users and conducting real time response to wind power fluctuations．Analysis of relevant numerical examples shows that themethod can effectively improve the capacity of the wind power consumption of the CHP system during the heat ing period and reducing its operating cost，ensuring the users demand of heating．

wind power consumption；demand response；CHP；temperature control

TM743

A

1008 8032（2017）02 0022 06

2016－11－03

該文獲重慶市電機(jī)工程學(xué)會(huì)2016年學(xué)術(shù)年會(huì)優(yōu)秀論文三等獎(jiǎng)

張 鵬（1991－），碩士研究生，研究方向?yàn)橹悄茈娋W(wǎng)需求響應(yīng)及新能源消納。