葛續(xù)濤，撖奧洋，于立濤，周生奇，張智晟(.青島大學(xué) 電氣工程學(xué)院，山東 青島 6607；.國網(wǎng)山東省電力公司青島供電公司，山東 青島 6600)

能源枯竭和環(huán)境保護問題的雙重壓力使社會各界充分認識到節(jié)能減排以及提高能源利用率的重要性[1]。隨著我國現(xiàn)代化進程的加速，城市居民對于舒適度的要求不斷提高，采用冷、熱、電集中供給的居民社區(qū)可在滿足舒適度的要求下減少能源消耗。

采用冷、熱、電集中供給的社區(qū)內(nèi)部設(shè)備及能源供給方式多樣，用能量樞紐(energy hub，EH)[2]的概念可方便描述社區(qū)內(nèi)部冷、熱、電、天然氣等能源的耦合關(guān)系。近年來泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的建設(shè)為EH的統(tǒng)一調(diào)度、需求響應(yīng)(demand response，DR)的實施等提供了平臺[3]。社區(qū)EH的優(yōu)化調(diào)度對社區(qū)能源的協(xié)調(diào)供給及降低社區(qū)EH運行成本具有巨大意義。

由于社區(qū)負荷需求多樣，本文引入綜合需求響應(yīng)(integrated demand response，IDR)[4-5]來對社區(qū)EH進行優(yōu)化調(diào)度：一是用戶根據(jù)電力市場價格信號調(diào)整從電網(wǎng)購入的電功率；二是協(xié)調(diào)社區(qū)電能與天然氣的供應(yīng)，降低社區(qū)EH運行成本。EH引入IDR已有諸多研究成果，文獻[6]將需求響應(yīng)引入微電網(wǎng)的優(yōu)化調(diào)度，研究了由此帶來的用戶用電成本的變化；文獻[7]將負荷分為電制熱負荷和純粹的電負荷，并對熱、電負荷進行聯(lián)合調(diào)度，但是沒有考慮用戶側(cè)能量轉(zhuǎn)換設(shè)備的多樣性；文獻[8]建立了多能協(xié)同的居民區(qū)EH的IDR模型，同時分析了所建模型對降低居民區(qū)EH運行成本的作用；文獻[9]將價格型需求響應(yīng)[10]與風(fēng)電的優(yōu)化調(diào)度相結(jié)合，并研究了系統(tǒng)的綜合調(diào)度成本；文獻[11]建立了商業(yè)園區(qū)EH的IDR模型，并對園區(qū)內(nèi)各設(shè)備參與IDR的情況進行了分析。

以上文獻對IDR引入EH做出了積極探索，但是對EH內(nèi)部設(shè)備的出力的具體情況，以及采用不同制冷設(shè)備對社區(qū)EH能耗及居民舒適度的影響考慮較少。針對以上問題，本文將變頻中央空調(diào)和定頻中央空調(diào)制冷下耗能情況及舒適度情況作對比，研究變頻中央空調(diào)參與IDR所引起的社區(qū)EH的用能變化；考慮儲能裝置在EH運行中的作用，對蓄電池以及儲熱裝置參與IDR時各時段的功率及居民家中用電設(shè)備參與IDR 的時段進行優(yōu)化。最后以社區(qū)EH運行成本最低為目標(biāo)函數(shù)，并采用改進粒子群算法對模型進行求解。

1 社區(qū)EH模型分析

社區(qū)EH中一般包含能量轉(zhuǎn)換、能量傳輸、能量儲存設(shè)備。本文構(gòu)建的社區(qū)EH結(jié)構(gòu)如圖1所示，供電母線吸收來自屋頂光伏(photovoltaic,PV)、燃氣輪機(gas turbine,GT)、電網(wǎng)以及蓄電池放電時產(chǎn)生的電能，供給中央空調(diào)負荷、蓄電池充電負荷以及家用電負荷；供冷母線吸收來自中央空調(diào)(inverter air conditioner,IAC)和溴化鋰制冷機(lithium bromide refrigerator，LBR)的冷功率，供給社區(qū)內(nèi)的家庭制冷負荷；供熱母線吸收余熱鍋爐(heat recovery boiler,HRB)以及儲熱裝置(heat storage，HS)放熱時所產(chǎn)生的熱功率，供給社區(qū)熱負荷及溴化鋰制冷機運行所需熱功率。EH調(diào)度中心接收分時電價信息決定社區(qū)各設(shè)備的出力。因文中涉及到的能量傳輸距離較短，故忽略能量傳輸過程中的損耗。

1.1 能量轉(zhuǎn)換設(shè)備建模

1.1.1 中央空調(diào)

中央空調(diào)主要分為定頻和變頻2種。中央空調(diào)定頻運行時壓縮機保持恒定的頻率，其數(shù)學(xué)模型如式(1)[12]所示。而變頻中央空調(diào)制冷所需電功率及輸出冷功率可隨壓縮機頻率的變化在較大范圍內(nèi)變化，三者之間的關(guān)系如式(2)和(3)[13]所示：

圖1 社區(qū)能量樞紐示意圖Fig.1 Diagram of community energy hub

qAC(t)=EEER,ACPAC(t);

(1)

qIAC(t)=af2(t)+bf(t)+c;

(2)

PIAC(t)=mf(t)+n.

(3)

式中:qAC(t)、qIAC(t)分別為t時段定頻、變頻中央空調(diào)輸出冷功率；EEER,AC為定頻中央空調(diào)制冷能效比；PAC(t)、PIAC(t)為t時段定頻、變頻中空調(diào)制冷消耗的電功率；f(t)為t時段變頻中央空調(diào)壓縮機運行頻率；a、b、c為變頻中央空調(diào)制冷出力的二次函數(shù)常系數(shù)；m、n為變頻中央空調(diào)運行功率的一次函數(shù)常系數(shù)。

圖2為2類空調(diào)的制冷工作過程。定頻中央空調(diào)制冷下的室溫在一定范圍內(nèi)波動，空調(diào)只有開和停2種工作狀態(tài)；而變頻中央空調(diào)開機后的一段時間內(nèi)，空調(diào)保持最大功率運行，室溫快速降低，待室溫降至設(shè)定溫度附近時，空調(diào)運行功率出現(xiàn)波動，并逐步趨于穩(wěn)定，室內(nèi)溫度亦逐步穩(wěn)定在設(shè)定值附近。

圖2 2類空調(diào)開機制冷工作過程Fig.2 Refrigeration process of two types of air conditioning

居民區(qū)室內(nèi)溫度和制冷量之間的關(guān)系常用一階等效熱參數(shù)模型來描述[14]，即

(4)

式中：Troom(t)為t時段室內(nèi)溫度；Tout(t)為t時段室外溫度；qair(t)為t時段空調(diào)制冷功率；R、C分別為建筑等效熱阻和等效熱容；Δt為調(diào)度時間間隔。

1.1.2 燃氣輪機和余熱鍋爐

燃氣輪機是社區(qū)EH的核心，配套的余熱鍋爐可回收利用工作時產(chǎn)生的廢熱，從而極大提高了能源利用效率。燃氣輪機輸出電功率和余熱鍋爐回收的熱功率[15]可以由式(5)和式(6)表示：

PGT(t)=ηGTeλgasvGTe(t);

(5)

HHRB(t)=PGT(t)ηHRB(1-ηGTe)/ηGTe.

(6)

式(5)、(6)中：PGT(t)、HHRB(t)分別為燃氣輪機發(fā)電功率、余熱鍋爐熱功率；ηGTe、ηHRB、vGTe(t)分別為燃氣輪發(fā)電效率、余熱鍋爐效率、t時段燃氣輪機燃氣消耗速率；λgas為天然氣熱值，取9.95 kWh/m3。設(shè)備在一定出力范圍內(nèi)，效率保持不變[16]。

1.1.3 家用燃氣熱水器

居民為滿足日常的用熱需求，通常裝有燃氣熱水器，燃氣熱水器數(shù)學(xué)模型[17]

HGB(t)=ηGBλgasvGB(t).

(7)

式中：HGB(t)為燃氣熱水器熱功率；vGB(t)為t時段燃氣熱水器燃氣消耗速率；ηGB為燃氣熱水器效率。

1.1.4 吸收式制冷機

社區(qū)制冷多采用溴化鋰制冷機，其輸入輸出關(guān)系[18]

CLBR(t)=HLBR(t)ηLBR.

(8)

式中：CLBR(t)為t時段溴化鋰制冷機輸出冷功率；HLBR(t)為t時段輸入溴化鋰制冷機的熱功率；ηLBR為溴化鋰制冷機制冷效率。社區(qū)EH內(nèi)的溴化鋰制冷機同中央空調(diào)一起提供社區(qū)的冷負荷需求。

1.2 能量儲存設(shè)備建模

1.2.1 儲熱設(shè)備

社區(qū)儲熱罐內(nèi)上層為熱水層，下層為冷水層，運行時可以忽略其熱損耗[19]。儲熱罐儲存的熱量和充、放熱功率之間的關(guān)系為:

θHS(t+1)=θHS(t)+

(HcHS(t)ηcHS-HdHS(t)/ηdHS)Δt;

(9)

HHS(t)=HcHS(t)-HdHS(t).

(10)

式(9)、(10)中：θHS(t)為t時段儲熱裝置儲存的熱量;HcHS(t)、HdHS(t)分別為儲熱裝置儲、放熱功率；ηcHS、ηdHS分別為儲熱裝置儲、放熱效率；HHS(t)為t時段儲熱裝置功率，HHS(t)>0表示儲熱，HHS(t)<0表示放熱。

1.2.2 蓄電池

社區(qū)內(nèi)的蓄電池和熱水罐一同構(gòu)成了能量儲存系統(tǒng)，蓄電池的荷電狀態(tài)、工作功率為[20]：

(11)

Pbat(t)=Pcbat(t)-Pdbat(t).

(12)

式(11)、(12)中：fSOC(t)為蓄電池在t時段的荷電狀態(tài)；Ebat為蓄電池容量；Pcbat(t)、Pdbat(t)分別為t時段蓄電池充、放電功率；ηbat,c、ηbat,d分別為蓄電池充、放電效率；Pbat(t)為t時段蓄電池功率，Pbat(t)>0表示充電，Pbat(t)<0表示放電。

1.3 負荷分類

社區(qū)EH參與IDR包含2種形式：一是負荷的需求替代，二是負荷的需求轉(zhuǎn)移?？蓪⒇摵煞譃榛矩摵?、溫控負荷、不可中斷負荷。其中基本負荷不可調(diào)度，如照明、家庭娛樂用電負荷，表現(xiàn)為剛性；溫控負荷主要考慮室內(nèi)制冷負荷；不可中斷負荷一旦啟動便不可中斷，直到工作任務(wù)結(jié)束，如洗衣機等。不可中斷負荷的數(shù)學(xué)模型為：

(13)

式中:ton,a、toff,a分別為不可中斷負荷a的啟動和停止的時間；da為不可中斷負荷a的持續(xù)時長；xa(t)為不可中斷負荷a在t時段的工作狀態(tài)，1表示負荷工作，0表示負荷停止；Pa,N為不可中斷負荷a的額定功率；Pa(t)則為不可中段負荷a在t時段的工作功率?？紤]到居民的舒適度，熱負荷不參與調(diào)度。

2 優(yōu)化調(diào)度模型

2.1 目標(biāo)函數(shù)

本文以1 d為1個調(diào)度周期，15 min為1個調(diào)度時段，將1 d分為96個調(diào)度時段，以社區(qū)EH運行成本最低為目標(biāo)函數(shù)，建立社區(qū)EH的優(yōu)化調(diào)度模型。目標(biāo)函數(shù)如式(14)—(16)所示:

(14)

(15)

(16)

式(14)—(16)中:F為1個調(diào)度周期內(nèi)社區(qū)EH運行成本；CG為購氣成本；CE為購電成本；ξG為天然氣價格；ξE(t)為電網(wǎng)實施的電價；Pgrid(t)為社區(qū)從電網(wǎng)購買的電功率。

2.2 約束條件

2.2.1 功率平衡約束

社區(qū)EH運行需滿足的電、熱、冷功率平衡約束如式(17)—(19)所示:

(17)

HGB(t)+HHRB(t)=HL(t);

(18)

CLBR(t)+qIAC(t)=CL(t).

(19)

式(17)—(19)中:PPV(t)為光伏出力；PLB(t)為基本電負荷；HL(t)為總的熱負荷；CL(t)為社區(qū)所需基本冷負荷。

2.2.2 能量轉(zhuǎn)換設(shè)備運行約束

能量轉(zhuǎn)換設(shè)備運行約束包括：

a)變頻中央空調(diào)運行約束。考慮到炎熱夏季用戶一般不愿意調(diào)整空調(diào)設(shè)定溫度，即在負荷高峰期由溴化鋰制冷機提供部分制冷需求，空調(diào)運行時，應(yīng)滿足運行頻率的上下限約束，并且參與IDR所引起的功率變化量也應(yīng)有所限制，具體約束如式(20)—(24)所示：

0≤f(t)≤fmax;

(20)

0≤PIAC(t)≤PIAC,max;

(21)

0≤ΔPIAC(t)≤PIAC,max;

(22)

CLBR(t)=ΔqIAC(t);

(23)

CLBR(t)≤CLBR,max.

(24)

式(20)—(24)中:fmax為變頻中央空調(diào)壓縮機運行的最大頻率；ΔPIAC(t)為變頻中央空調(diào)參與IDR所引起的自身所需電功率的變化；PIAC,max為變頻中央空調(diào)在最大頻率下消耗的最大電功率；ΔqIAC(t) 為變頻中央空調(diào)參與IDR所帶來的制冷出力變化；CLBR,max為溴化鋰制冷機最大功率。

b)燃氣輪機、余熱鍋爐、家用燃氣熱水器運行約束如式(25)—(27)所示:

0≤PGT(t)≤PGT,max;

(25)

0≤HHRB(t)≤HHRB,max;

(26)

0≤HGB(t)≤HGB,max.

(27)

式(25)—(27)中:PGT,max、HHRB,max、HGB,max分別為燃氣輪機最大電出力、余熱鍋爐最大熱功率及家用燃氣熱水器的最大熱功率。

2.2.3 儲能設(shè)備運行約束

蓄電池運行約束如式(28)—(32)所示：

fSOC,min≤fSOC(t)≤fSOC,max;

(28)

0≤Pcbat(t)≤cbat(t)Pcbat,max;

(29)

0≤Pdbat(t)≤dbat(t)Pdbat,max;

(30)

fSOC(1)=fSOC(96);

(31)

0≤cbat(t)+dbat(t)≤1.

(32)

式(28)—(32)中:fSOC,max、fSOC,min分別為蓄電池荷電狀態(tài)值的上限和下限，且分別取0.9和0.2；Pcbat,max、Pdbat,max分別為蓄電池組充、放電功率的上限；cbat(t)、dbat(t)分別為蓄電池組的充/放電狀態(tài)，取值為0或1。儲熱裝置的運行約束條件和蓄電池類似，這里不再贅述。

2.3 模型求解

本文需要優(yōu)化的變量集合為κ={ΔPIAC(t),PGT(t),HGB(t),HHS(t),Pbat(t),ton,a}。采用改進的粒子群算法對所提出的模型進行求解，傳統(tǒng)粒子群算法[21]中粒子更新速度和位置更新關(guān)系[22]分別為：

(33)

式中：ω為慣性權(quán)重；c1和c2為學(xué)習(xí)因子；r1、r2為[0,1]之間的隨機數(shù)；vi,k為第i個粒子在第k次迭代時的粒子飛行速度;pi,k為第i個粒子的當(dāng)前個體最優(yōu)值；xi,k為第i個粒子在第k次迭代中的位置;gk為第k次迭代中全局最優(yōu)值。

傳統(tǒng)粒子群算法中ω、c1、c2一般取定值，而改進粒子群算法在第τ次迭代計算中的ωτ、c1,τ、c2,τ可隨迭代次數(shù)變化，即：

(34)

式中：cmin、cmax分別為所取學(xué)習(xí)因子的最小值和最大值；Dmax為最大迭代次數(shù)；ωmin、ωmax分別為所取慣性權(quán)重的最小值和最大值。改進的粒子群算法可改善粒子群算法容易陷入局部最優(yōu)的情況，并且可以提高計算速度，經(jīng)過較少的迭代次數(shù)便可得到較好的解。

3 算例分析

3.1 算例介紹

以包含100戶居民的北方某社區(qū)為例，研究夏季某1 d社區(qū)EH運行情況。假設(shè)社區(qū)內(nèi)居民住宅戶型相同，R取6.8 ℃/kW，C取1.2 kWh/℃，建筑面積均為120 m2。社區(qū)EH內(nèi)各設(shè)備參數(shù)[11]見表1。

社區(qū)內(nèi)基本冷、熱電負荷及光伏出力[8]如圖3所示，夏季每戶洗澡用水熱負荷為1.5 kW,天然氣價格為2.96元/m3。

分時電價見表2。不可中斷負荷參數(shù)見表3。

3.2 仿真分析

為研究社區(qū)EH實施IDR對社區(qū)EH運行費用以及社區(qū)EH內(nèi)各設(shè)備運行情況的影響，本文設(shè)置3種情景進行仿真分析。

表1 社區(qū)EH設(shè)備參數(shù)Tab.1 EH equipment parameters of the community

圖3 社區(qū)基本負荷曲線Fig.3 Community basic load curves

情景1——社區(qū)EH不參與IDR。居民室內(nèi)制冷負荷由定頻中央空調(diào)提供；熱負荷由居民家中的家用燃氣熱水器提供，不考慮儲熱設(shè)備的影響；電負荷由電網(wǎng)以及屋頂光伏提供，蓄電池作為備用電源不參與EH的運行。

情景2——居民室內(nèi)制冷負荷由變頻中央空調(diào)提供，其他設(shè)備運行情況同情景1。

情景3——社區(qū)EH根據(jù)分時電價實施IDR。居民室內(nèi)制冷負荷由變頻中央空調(diào)和吸收式制冷機協(xié)同供給；熱負荷由余熱鍋爐、家用燃氣熱水器、儲熱設(shè)備供給；電負荷則是由電網(wǎng)、燃氣輪機、屋頂光伏提供。

在情景1和情景2中，2類空調(diào)制冷下的室溫變化及空調(diào)功率如圖4、5所示。

表2 分時電價Tab.2 Time-of-use electricity price

表3 不可中斷負荷Tab.3 Uninterruptible load

圖4 情景1社區(qū)EH運行圖Fig.4 Community EH operation chart in scenario 1

圖5 情景2社區(qū)EH運行圖Fig.5 Community EH operation chart in scenario 2

在情景1和情景2中:3類可中斷負荷由用戶根據(jù)其生活習(xí)慣手動開啟，其大多在電價高峰時段均勻分布；采用定頻空調(diào)制冷與采用變頻空調(diào)制冷相比，每次定頻空調(diào)的啟動都引起購電功率的高峰，對供電網(wǎng)有較大的沖擊；變頻空調(diào)在工作過程中引起的功率波動較小。從制冷效果來看,情景1和情景2中室內(nèi)溫度方差分別為1.061 0和0.018 8，空調(diào)用電成本分別為565.25元和531.62元。結(jié)合圖4和圖5，情景2相較于情景1室內(nèi)溫度在設(shè)定溫度上下波動更小，具有較好舒適性的同時能降低5.9%的用電成本。

圖6所示的情景3中：改進粒子群算法相較于傳統(tǒng)粒子群算法在求解模型最低成本方面有較大進步，傳統(tǒng)粒子群算法完成收斂所用的迭代次數(shù)低于改進粒子群算法，但是容易陷入局部最優(yōu)；改進粒子群算法全局搜索能力更強，能尋求到更低的成本。

圖6 成本收斂曲線Fig.6 Cost convergence curves

對模型優(yōu)化求解后，社區(qū)EH根據(jù)分時電價信息主動參與IDR，社區(qū)冷負荷的供給情況如圖7所示，即：在電價的谷時段，冷負荷由變頻中央空調(diào)提供，而在電價的平時段和峰時段，絕大部分由吸收式制冷機提供，1 d的最后幾個時段中央空調(diào)有些許出力，這是因為儲熱裝置進行儲熱以滿足約束條件所致。

圖7 情景3社區(qū)EH制冷設(shè)備出力情況Fig.7 Community EH refrigeration equipment output in scenario 3

為保證社區(qū)EH運行的經(jīng)濟性，燃氣輪機及儲熱裝置積極參與IDR，如圖8所示。圖8中：在電價的谷時段，燃氣輪機并未啟動；在電價的平時段，僅僅利用燃氣輪機發(fā)電是不經(jīng)濟的，但是將燃氣輪機發(fā)電產(chǎn)生的廢熱進行回收利用供給吸收式制冷機制冷將為社區(qū)EH的運行節(jié)省成本；在電價的峰時段，此時燃氣輪機發(fā)電成本低于購電成本，具有售電收益，燃氣輪機接近滿發(fā)；燃氣輪機不工作的谷時段社區(qū)的熱負荷由儲熱裝置放熱提供，在電價平時段，儲熱裝置大多處于放熱狀態(tài)，而在電價峰時段，為了能夠最大限度地回收利用燃氣輪機發(fā)電產(chǎn)生的廢熱，儲熱設(shè)備大多工作在儲熱狀態(tài)，避免棄熱現(xiàn)象的發(fā)生。

圖8 燃氣輪機、余熱鍋爐、儲熱工作情況Fig.8 GT,HRB and HS output

圖 9為社區(qū)蓄電池工作情況。圖9中社區(qū)內(nèi)蓄電池在電價谷時段充電，在電價的平時段有少許的放電，在電價的峰時段主要工作在放電狀態(tài)，故帶來了較為經(jīng)濟的電能，在情景3中，不可中斷負荷的開啟時間集中在電價較低的時段，不再由用戶手動開啟，這使得社區(qū)EH可以較為經(jīng)濟地運行，情景3中社區(qū)EH運行如圖10所示。

圖9 蓄電池工作情況Fig.9 Battery working condition

3種模式下社區(qū)EH運行的具體成本見表4。

圖10 情景3社區(qū)EH運行圖Fig.10 Community EH operation chart in scenario 3

表4 成本比較Tab.4 Cost comparison

由表4可知：情景1和情景2中購氣成本相同，所用天然氣均是為了滿足生活用熱水的需求；由于情景2中制冷所需成本比情景1中的低，所以情景2總成本比情景1下降了0.95%；情景1中定頻空調(diào)參與制冷造成社區(qū)EH用電功率波動較大，少量的光伏發(fā)電余量售給電網(wǎng)，帶來了少量售電收益；由于IDR的實施情景3的售電收益最高，從電網(wǎng)購電成本大幅度減少，但是購氣成本大大增加，總成本相較于情景2下降了29.34%。比較3種情景與電網(wǎng)交換電功率可知：由于光伏發(fā)電出力，情景1和情景2在第1個用電高峰時段從電網(wǎng)購電功率遠小于第2個高峰期；情景3因IDR實施，第1個高峰時段向電網(wǎng)售電，而在第2個高峰時段購入電功率較情景2大幅度減小，這也為電網(wǎng)減小了供電壓力。

4 結(jié)束語

本文以社區(qū)EH運行成本最低為目標(biāo)，建立了計及冷、熱、電、氣IDR的社區(qū)EH優(yōu)化調(diào)度模型，并且采用改進粒子群算法對模型求解。通過對比3種情景下的計算機仿真結(jié)果可知：改進粒子群算法全局搜索能力優(yōu)于傳統(tǒng)粒子群算法，在求解模型時更具優(yōu)勢；采用變頻技術(shù)的空調(diào)能在提供較好舒適度的前提下減少電能消耗，社區(qū)EH響應(yīng)分時電價信息實施IDR主動選擇供冷來源可以有效降低制冷成本，合理安排各時段儲熱裝置的儲、放熱功率，并可以調(diào)節(jié)燃氣輪機電、熱出力從而能夠使社區(qū)EH運行在一個較為經(jīng)濟的狀態(tài)；控制可中斷負荷的開啟時間可以減少用電成本；社區(qū)蓄電池通過合理的充放電可以降低社區(qū)的用電成本。該研究為計及IDR的社區(qū)EH優(yōu)化調(diào)度提供了理論支持，但社區(qū)內(nèi)可再生能源出力單一且未計及可再生能源出力的不確定性，在下一步的研究中將予以考慮。