南京工程學(xué)院電力工程學(xué)院 周玉杰 曹晾偉 劉 潛 陳資函 郭趙君 陳云浩

目前，隨著大量化石燃料的用量急劇增長(zhǎng)，化石能源的儲(chǔ)備日漸枯竭，人類(lèi)在能源使用方面正處于轉(zhuǎn)型期。一方面，化石燃料的過(guò)分開(kāi)采造成了一系列的環(huán)境問(wèn)題；另一方面，隨著科學(xué)技術(shù)的蓬勃發(fā)展，人類(lèi)也逐漸地掌握了對(duì)其他更多可再生自然能源的使用。但是如果將來(lái)只考慮天然氣供能，是不切實(shí)際的。豐富的能源形式能夠?qū)е履茉唇Y(jié)構(gòu)發(fā)生天翻地覆的改變。

1 綜合能源系統(tǒng)模型

Swiss Federal Institute of Technology in Zurich 電力系統(tǒng)和高壓實(shí)驗(yàn)室的Patrick 教授在“VOFEN”項(xiàng)目中提出能源樞紐概念，這種概念的提出為綜合能源系統(tǒng)的綜合管理提供了一個(gè)全新的方向。

右側(cè)是綜合能源系統(tǒng)的儲(chǔ)能裝置，分別是電儲(chǔ)能、氣儲(chǔ)能和熱儲(chǔ)能。而最右側(cè)是綜合能源系統(tǒng)模型的輸出側(cè)由電負(fù)荷和熱負(fù)荷組成。

圖1 綜合能源系統(tǒng)模型

1.1 負(fù)荷模型

在電力系中，根據(jù)負(fù)荷本身的所需要承擔(dān)的特性不同，大致可以將負(fù)荷分為電力非柔性負(fù)荷和電力柔性負(fù)荷。本篇文章所要建立的綜合能源系統(tǒng)包含電和熱兩種負(fù)荷。

1.1.1 電力柔性負(fù)荷

電力柔性負(fù)荷指的是負(fù)荷變動(dòng)主要是由能源的價(jià)格和負(fù)荷的削減情況導(dǎo)致的負(fù)荷。在某個(gè)特定的研究周期之內(nèi)，可以從供能不足導(dǎo)致負(fù)荷發(fā)生削減的時(shí)間點(diǎn)轉(zhuǎn)移到供能富裕的時(shí)間點(diǎn)，這樣的模型具體可表示為：

1.1.2 電力非柔性負(fù)荷

電力非柔性負(fù)荷在供能充足以及供能不足兩種情形下的模型如下所示：

1.2 儲(chǔ)能裝置模型

本篇文章只考慮了一些儲(chǔ)能。所謂儲(chǔ)能裝置，實(shí)際上本質(zhì)是不難理解的。都是實(shí)現(xiàn)不同種類(lèi)的能量在不同上的轉(zhuǎn)移，模型如下所示[1]：

1.3 能量轉(zhuǎn)換裝置模型

本文所建立的能量轉(zhuǎn)換裝置模型如式（5）所示[2]。

2 綜合能源系統(tǒng)最優(yōu)負(fù)荷削減模型

2.1 目標(biāo)函數(shù)

本文章以多能源系統(tǒng)的能源供應(yīng)成本和負(fù)荷削減懲罰成本之和最小為目標(biāo)函數(shù)：

I 為能源樞紐的輸入端口集合，包括電和氣兩種能源；j 為能源樞紐的輸出端口集合，包括電和熱兩種負(fù)荷；為第i 類(lèi)能源口t 時(shí)刻的價(jià)格；為第i類(lèi)能源t 時(shí)刻的輸入功率；βj為第j 類(lèi)負(fù)荷削減的懲罰單價(jià)；為第j 類(lèi)負(fù)荷t 時(shí)刻的負(fù)荷削減量。

2.2 約束條件

2.2.1 能量轉(zhuǎn)換約束

2.2.2 功率平衡約束

（1）天然氣功率平衡

（2）電功率平衡約束

（3）需求側(cè)功率平衡約束

（4）熱功率平衡約束

2.2.3 系統(tǒng)運(yùn)行約束

系統(tǒng)輸入輸出約束、能量轉(zhuǎn)換裝置的輸入約束組成了系統(tǒng)運(yùn)行約束包括。

2.2.4 需求響應(yīng)約束

本文章只有柔性負(fù)荷參與需求響應(yīng)，如下所示：

2.2.5 儲(chǔ)能裝置約束

3 多能源系統(tǒng)可靠性評(píng)估

3.1 Monte-Carlo 法

Monte-Carlo 的系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)分析具體有以下的步驟：

（1）假設(shè)電力系統(tǒng)有n 個(gè)元件，隨機(jī)生成n 個(gè)[0,1]均勻隨機(jī)數(shù)，考慮系統(tǒng)元件強(qiáng)迫停運(yùn)率，根據(jù)式（36）建立系統(tǒng)狀態(tài)向量，其中,Xk'為1，表示第k'個(gè)元件故障，否則正常工作。

（2）根據(jù)電力系統(tǒng)不同狀態(tài)，結(jié)合不同種負(fù)荷要求，據(jù)式（37）可求得電力不足概率LOLP 指標(biāo)，據(jù)式（38）可求取EPNS 指標(biāo)（表示電力系統(tǒng)任意時(shí)刻停電功率期望值）。

（3）根據(jù)精度要求設(shè)定方差系數(shù)值，重復(fù)步驟（1）-（3），直至β 滿(mǎn)足收斂條件，方差系數(shù)公式如下：

3.2 可靠性評(píng)估指標(biāo)

本文提出的可靠性評(píng)估指標(biāo)模型如下：

δj為第j 種負(fù)荷EENS 的提升率；為場(chǎng)景n 的第j 種負(fù)荷EENS 指標(biāo)；為無(wú)儲(chǔ)能和需求響應(yīng)協(xié)調(diào)優(yōu)化的系統(tǒng)第j 種負(fù)荷EENS 指標(biāo)。

3.3 可靠性評(píng)估算法

由本文2.2節(jié)和2.3節(jié)所涉及的能量轉(zhuǎn)換裝置模型以及儲(chǔ)能裝置模型可知，綜合需求響應(yīng)的負(fù)荷波動(dòng)調(diào)整都是時(shí)間連續(xù)過(guò)程，相應(yīng)儲(chǔ)能裝置的充放電能也是一樣，并且與系統(tǒng)的優(yōu)化運(yùn)行有著千絲萬(wàn)縷的關(guān)系。

本文評(píng)估計(jì)及綜合能源存儲(chǔ)和綜合需求響應(yīng)的多能源系統(tǒng)可靠性的步驟見(jiàn)下：

（1）輸入元件及其參數(shù)數(shù)據(jù)，按照初始狀態(tài)定義系統(tǒng)各元件；

（2）使用Monte-Carlo 法模擬抽樣得到研究周期T 內(nèi)每小時(shí)的系統(tǒng)元件狀態(tài)，以day 為單位將系統(tǒng)狀態(tài)劃分成不同區(qū)塊；

（3）初始化區(qū)塊計(jì)數(shù)d=1和模擬年數(shù)y=1；

（4）選取一個(gè)24h 區(qū)塊，模擬的系統(tǒng)元件狀態(tài)下，求解該區(qū)塊的綜合能源系統(tǒng)最優(yōu)負(fù)荷削減問(wèn)題，得到該區(qū)塊最優(yōu)負(fù)荷削減量、每小時(shí)的負(fù)荷削減狀態(tài)；

（5）如果模擬樣本數(shù)達(dá)到一年d=365，轉(zhuǎn)向步驟（6），否則令d=d+1，然后轉(zhuǎn)向步驟（4）；

（6）計(jì)算該年的系統(tǒng)可靠性指標(biāo)，并令y=y+1；

（7）如果模擬年數(shù)到達(dá)上限y>10000或者系統(tǒng)EENS 指標(biāo)方差達(dá)到精度要求ε<0.05，轉(zhuǎn)向步驟（8），否則令d=1，轉(zhuǎn)向步驟（4）；

（8）最后計(jì)算綜合能源系統(tǒng)的可靠性指標(biāo)。

4 算例分析

為了驗(yàn)證最優(yōu)負(fù)荷削減模型的準(zhǔn)確性和算法的精準(zhǔn)性，系統(tǒng)中包含了2臺(tái)變壓器、3臺(tái)機(jī)CHP 組、1臺(tái)燃?xì)忮仩t和1臺(tái)電鍋爐。這些設(shè)備的相關(guān)具體的參數(shù)見(jiàn)下表。除了上述的一些必備設(shè)備，此綜合能源系統(tǒng)還包含了3臺(tái)氣儲(chǔ)能裝置和1臺(tái)電儲(chǔ)能裝置以及1臺(tái)熱儲(chǔ)能裝置。具體的參數(shù)見(jiàn)下表2。

表1 能量轉(zhuǎn)換相關(guān)參數(shù)

表2 儲(chǔ)能裝置的相關(guān)參數(shù)

表3 負(fù)荷、價(jià)格的周和季節(jié)調(diào)整系數(shù)

下圖的圖2表征的是典型日負(fù)需求荷曲線(xiàn)，圖3表示的是典型日能源價(jià)格。在圖2中我們可以看出，電負(fù)荷的日負(fù)荷需求與熱負(fù)荷的日負(fù)荷需求在0:00到8:00是基本接近重合的?？紤]到人們的日常實(shí)際生活，在12:00和20:00時(shí)，電負(fù)荷分別會(huì)達(dá)到一次頂峰。在人們的日常生活中，熱負(fù)荷的波動(dòng)相對(duì)于電負(fù)荷來(lái)說(shuō)是比較平穩(wěn)的。如下圖3所示，我們可以看出，在一天的的分布中，電價(jià)與氣價(jià)是不完全相等的。在夜晚的時(shí)間，大致電價(jià)與氣價(jià)是相等的，然而在白天，電價(jià)是高于氣價(jià)的，甚至在某些與典型日負(fù)荷曲線(xiàn)相對(duì)應(yīng)的，電價(jià)是氣價(jià)的兩倍多。下面兩幅圖表征的是全年的典型日曲線(xiàn)，這樣的表示極大的提高了綜合能源系統(tǒng)可靠性分析計(jì)算的效率。將電負(fù)荷和熱負(fù)荷的削減成本單價(jià)分別設(shè)置，電負(fù)荷的單價(jià)為50元/(kW/h)，熱負(fù)荷的單價(jià)為40元/(kW/h)。調(diào)整最大電力柔性負(fù)荷是某時(shí)刻總體負(fù)荷的10%，并將VOFEN 模型的輸入端電負(fù)荷和氣負(fù)荷的最大輸出量分別調(diào)整，其中電負(fù)荷最大輸入量設(shè)為700kW，而氣負(fù)荷的最大輸出量設(shè)為900kW。

圖2 典型日負(fù)荷需求曲線(xiàn)

圖3 典型日能源價(jià)格

本文將綜合能源系統(tǒng)研究的場(chǎng)景分為9個(gè)不同的場(chǎng)景。場(chǎng)景1不考慮一切儲(chǔ)能和需求響應(yīng)因素；場(chǎng)景2只考慮電儲(chǔ)能因素；場(chǎng)景3只考慮氣儲(chǔ)能的因素；場(chǎng)景4只考慮熱儲(chǔ)能的因素；場(chǎng)景5考慮電儲(chǔ)能、氣儲(chǔ)能、熱儲(chǔ)能三種因素；場(chǎng)景6不考慮任何儲(chǔ)能，只考慮電性能需求響應(yīng)；場(chǎng)景7不考慮任何儲(chǔ)能，只考慮熱性能需求響應(yīng)；場(chǎng)景8不考慮任何儲(chǔ)能，只考慮電性能需求響應(yīng)和熱性能需求響應(yīng)；場(chǎng)景9考慮全部的儲(chǔ)能和全部的需求響應(yīng)。分析不同的種類(lèi)的儲(chǔ)能，以及不同樣的需求響應(yīng)對(duì)于綜合能源系統(tǒng)的多樣性、可靠性、經(jīng)濟(jì)性的研究具有重大意義。

本文采用MILP 模型來(lái)建立最優(yōu)負(fù)荷削減模型并使用Gurobi 求解器進(jìn)行求解。

4.1 可靠性分析

本章節(jié)主要分析能夠?qū)C合能源系統(tǒng)的可靠性產(chǎn)生影響的因素。從上表4可以看出，電儲(chǔ)能、氣儲(chǔ)能、熱儲(chǔ)能以及電性能需求響應(yīng)和熱性能需求響應(yīng)對(duì)于綜合能源系統(tǒng)可靠性有著極大的影響。從表5可以看出，不同場(chǎng)景的綜合能源系統(tǒng)可靠性指標(biāo)是不一樣的。由于場(chǎng)景1是不含任何儲(chǔ)能裝置和任何需求響應(yīng)的，所有我們可以以場(chǎng)景1為最初參考對(duì)象，然后分析場(chǎng)景2到場(chǎng)景9的不同的儲(chǔ)能和不同的需求響應(yīng)對(duì)綜合能源系統(tǒng)的可靠性的影響。

表4 綜合能源系統(tǒng)研究場(chǎng)景

場(chǎng)景2、場(chǎng)景3、場(chǎng)景4分別增設(shè)的是電儲(chǔ)能裝置、氣儲(chǔ)能裝置和熱儲(chǔ)能裝置。實(shí)際上，電儲(chǔ)能和氣儲(chǔ)能是相互影響的。又因?yàn)镃HP 機(jī)組的調(diào)節(jié)能力有閾值的限制，電負(fù)荷的減少量是600kW/h，熱負(fù)荷的減少量是3200kW/h。從表5可以看出，熱負(fù)荷的PLC、FLC 與EENS 分別降低了57%、63%和67%。

表5 不同場(chǎng)景的綜合能源系統(tǒng)可靠性指標(biāo)

針對(duì)于場(chǎng)景5，相比于場(chǎng)景2、場(chǎng)景3、場(chǎng)景4，同時(shí)考慮了電儲(chǔ)能、氣儲(chǔ)能、熱儲(chǔ)能。與僅僅考慮單一的儲(chǔ)能場(chǎng)景相比，場(chǎng)景5的綜合能源系統(tǒng)可靠性一起優(yōu)化了電儲(chǔ)能、氣儲(chǔ)能、熱儲(chǔ)能，極大地提升和改善了綜合能源系統(tǒng)的可靠性。

場(chǎng)景6不考慮任何儲(chǔ)能，只計(jì)及電性能需求的響應(yīng)。同時(shí)來(lái)調(diào)整電力柔性負(fù)荷，進(jìn)而調(diào)整電負(fù)荷的波動(dòng)，從而調(diào)整了熱負(fù)荷的供應(yīng)幅度。這對(duì)于大大提高電負(fù)荷和熱負(fù)荷的雙重可靠性有極大的幫助。場(chǎng)景7不考慮任何的儲(chǔ)能，只計(jì)及熱性能需求的響應(yīng)。在綜合能源系統(tǒng)中，是不存在熱轉(zhuǎn)電的裝置，所以在場(chǎng)景7僅改變了熱負(fù)荷的需求，與對(duì)于電負(fù)荷的可靠性相比，在綜合能源系統(tǒng)中極大的提高熱負(fù)荷可靠性。場(chǎng)景8不考慮任何的儲(chǔ)能裝置，但是計(jì)及了全部的需求響應(yīng)。所以場(chǎng)景8相比于單一的場(chǎng)景6和場(chǎng)景7，電綜合需求響應(yīng)和熱綜合需求響應(yīng)一起優(yōu)化，比單一的電綜合需求響應(yīng)或者單一的熱綜合需求響應(yīng)，可靠性有大幅度的改善。場(chǎng)景9計(jì)及了所有的儲(chǔ)能以及所有需求響應(yīng)，包括電儲(chǔ)能、氣儲(chǔ)能、熱儲(chǔ)能、電性能需求響應(yīng)和熱性能需求響應(yīng)。考慮了綜合能源存儲(chǔ)以及綜合需求響應(yīng)的一起優(yōu)化，綜合能源系統(tǒng)的所有可靠性指標(biāo)都有明顯的減少。從而極大的提高了綜合能源系統(tǒng)的可靠性。

4.2 儲(chǔ)能與需求響應(yīng)對(duì)綜合能源系統(tǒng)的可靠性的影響分析

儲(chǔ)能以及需求響應(yīng)對(duì)綜合能源系統(tǒng)的可靠性有著極大的影響。下面以春季具體典型的工作日來(lái)舉例，其中包含1臺(tái)變壓器和1臺(tái)燃?xì)忮仩t的故障。

如下圖4以及圖5，表征的是典型日的電負(fù)荷削減曲線(xiàn)以及典型日的熱負(fù)荷削減曲線(xiàn)。兩幅圖均只考慮了場(chǎng)景1、場(chǎng)景5和場(chǎng)景8。一旦變壓器和燃?xì)忮仩t發(fā)生故障，就會(huì)導(dǎo)致電性能需求響應(yīng)以及熱性能需求響應(yīng)出現(xiàn)供應(yīng)不足的情況。在如圖4和圖5中，在19:00-24:00出現(xiàn)了電負(fù)荷的大量削減，最大的切負(fù)荷達(dá)到117kW，在10:00-15:00和18:00-23:00出現(xiàn)熱負(fù)荷的大量削減，最大的切負(fù)荷達(dá)到147kW。

圖4 典型日的電負(fù)荷削減曲線(xiàn)

圖5 典型日的熱負(fù)荷削減曲線(xiàn)

結(jié)果如下圖6，是一個(gè)典型的日?qǐng)鼍?電儲(chǔ)、熱貯存能及充放電的功率。正常情況下在能源供給方面是一個(gè)缺乏補(bǔ)給的10:00-15:00和18:00-23:00，才會(huì)向其中釋放出熱儲(chǔ)存的能量。通過(guò)對(duì)熱儲(chǔ)能進(jìn)行了優(yōu)化，減少了負(fù)荷削減的數(shù)量和停電持續(xù)時(shí)間，10:00-15:00的負(fù)荷也不再被削減，降低了負(fù)荷被削減的頻率。

圖6 典型日?qǐng)鼍?的儲(chǔ)能充放 功率

由圖4、圖5和圖7不難看到，在10:00-15:00之內(nèi)，電傳統(tǒng)的負(fù)荷側(cè)是通過(guò)改變了傳統(tǒng)的電柔性負(fù)荷方式直接提高了電鍋爐的傳統(tǒng)熱供給，這樣就使得我們可以進(jìn)一步地提高傳統(tǒng)熱負(fù)荷的輸入和供給能力，而傳統(tǒng)的電負(fù)荷側(cè)則主要是通過(guò)改變了傳統(tǒng)電機(jī)熱柔性的輸入和供給方式直接降低了傳統(tǒng)的熱出力，二者一起工作時(shí)就可以將該一個(gè)時(shí)間段的傳統(tǒng)熱負(fù)荷削減量和傳統(tǒng)的電機(jī)熱負(fù)荷保持持續(xù)時(shí)長(zhǎng)都逐漸減小到0。在18:00-23:00，對(duì)電性能要求響應(yīng)和熱性能要求響應(yīng)分別是指通過(guò)對(duì)各自的柔性負(fù)載和熱性能要求進(jìn)行了調(diào)整，顯著減少了對(duì)各個(gè)電負(fù)載和熱性能要求負(fù)載的削弱量和停電持續(xù)時(shí)間。

圖7 典型日?qǐng)鼍?的柔性負(fù)荷調(diào) 整曲線(xiàn)