侯磊，馬濤，蔡毅，李娜，賈永會，金泰，潘崇超

(1. 國網(wǎng)河北省電力有限公司雄安新區(qū)供電公司，河北 保定 071699； 2. 哈爾濱電工儀表研究所有限公司，哈爾濱 150028； 3. 國網(wǎng)綜合能源服務(wù)集團有限公司，北京 100053； 4. 北京科技大學(xué) 智慧能源研究中心，北京 100083)

0 引 言

近年來，環(huán)境污染和能源危機等問題日趨嚴(yán)重，為世界能源產(chǎn)業(yè)帶來了巨大挑戰(zhàn)，以可再生能源為主體的能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型已經(jīng)成為我國乃至全世界的主要研究方向[1]。隨著能源互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展和能源市場化的推進，能源領(lǐng)域出現(xiàn)了新的商業(yè)模式與參與主體[2]。IES作為能源互聯(lián)網(wǎng)的物理載體，在能效提升，綠色環(huán)保等方面展現(xiàn)了極大的優(yōu)勢，可以有效實現(xiàn)多能流的梯級利用，提高系統(tǒng)的經(jīng)濟效益[3]。在此背景下，構(gòu)建多能互補系統(tǒng)，推動綜合能源服務(wù)發(fā)展，成為我國能源系統(tǒng)轉(zhuǎn)型重點發(fā)展方向；其中，孤島型IES對于解決大電網(wǎng)出現(xiàn)故障，無法保障穩(wěn)定供能等問題具有重要意義[4]。

容量配置優(yōu)化一直是IES的重點研究內(nèi)容，在孤島模式具有更重要的作用。文獻[5]通過建立柔性負荷模型，以經(jīng)濟成本最小和一次能源消耗量最少為優(yōu)化目標(biāo)，優(yōu)化系統(tǒng)配置，有效提高了系統(tǒng)的經(jīng)濟性，減少了一次能源的消耗。文獻[6]以南方某園區(qū)為例，對影響多能互補系統(tǒng)規(guī)劃的內(nèi)外部因素分別進行分析，提出了適用于區(qū)域多能互補系統(tǒng)的優(yōu)化配置框架。文獻[7]考慮系統(tǒng)的經(jīng)濟、環(huán)保、可靠性，提出計及電熱能量交易的容量配置優(yōu)化方案，降低了系統(tǒng)運行成本。文獻[8]提出了多區(qū)域多能互補系統(tǒng)的兩階段優(yōu)化配置方法，將多區(qū)域和單目標(biāo)規(guī)劃進行對比，體現(xiàn)出多區(qū)域多能互補系統(tǒng)規(guī)劃的優(yōu)越性。文獻[9]建立了風(fēng)-光氫多能互補系統(tǒng)優(yōu)化模型，并考慮了電動汽車的隨機充電需求，對系統(tǒng)進行容量配置規(guī)劃，提高了系統(tǒng)經(jīng)濟性。文獻[10]將系統(tǒng)中能源設(shè)備的配置及運行約束進行統(tǒng)一化表達，考慮設(shè)備替換的分期規(guī)劃，以經(jīng)濟性最優(yōu)為目標(biāo)，求解結(jié)果證明該方法減少了系統(tǒng)的設(shè)備投資和運行成本。

在運行階段，調(diào)度策略研究一直是該領(lǐng)域的研究重點。文獻[11]提出了計及需求側(cè)管理及儲能裝置的系統(tǒng)優(yōu)化模型，起到移峰填谷作用，并減少了系統(tǒng)運行成本。文獻[12]建立了含有蓄熱電鍋爐的多能互補系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度模型，計算得到各設(shè)備在蓄熱式電鍋爐不同運行模式下的出力情況和運行成本；文獻[13]考慮了系統(tǒng)運行的不確定性，提出了新能源負荷雙重不確定性的分布式魯棒優(yōu)化模型，降低了系統(tǒng)運行風(fēng)險。文獻[14]為提高多能互補系統(tǒng)中的可再生能源消納能力，提出含P2G過程的電氣系統(tǒng)聯(lián)合運行模型。文獻[15]結(jié)合區(qū)塊鏈技術(shù)，在多能互補系統(tǒng)中引進綠色證書跨鏈交易，促進了可再生能源的消納，緩解了政府財政補貼壓力。文獻[16]考慮了IES的電氣耦合關(guān)系，構(gòu)建了電氣IES的精細化潮流穩(wěn)態(tài)模型，并基于粒子群算法進行模型求解及有效性驗證。

綜上所述，IES在規(guī)劃與運行階段，都取得了突破性的進展，但已有的研究成果大多局限IES的并網(wǎng)模式研究，關(guān)于孤島模式下IES的容量配置與運行調(diào)度研究相對較少。基于此，根據(jù)孤島型IES結(jié)構(gòu)特點，構(gòu)建計及精細化容量配置約束與激勵型需求響應(yīng)的兩階段優(yōu)化模型，并采用混合整數(shù)非線性規(guī)劃理論進行求解。

1 孤島型IES結(jié)構(gòu)

孤島型IES是指當(dāng)大電網(wǎng)出現(xiàn)故障時，內(nèi)部用能負荷只能靠IES內(nèi)部滿足。孤島型IES的結(jié)構(gòu)如圖1所示。從圖1中可以看出：冷負荷由吸收式制冷機(Absorption Chiller ，AC)、電制冷機(Electric Chiller，EC)及蓄冷槽(Cooling Storage，CS)供應(yīng)；電負荷由風(fēng)機(Wind Turbine，WT)、光伏(Photo-Voltaic，PV)、燃氣輪機(Gas Turbines，GT)及蓄電池(Electricity Storage，ES)供應(yīng)；熱負荷由燃氣鍋爐(Gas Boiler，GB)、余熱鍋爐(Waste Heat Boiler，WHB)、地源熱泵(Ground Source Heat Pump，GSHP)及儲熱罐(Heat Storage，HS)供應(yīng)；氣負荷則由氣網(wǎng)、電轉(zhuǎn)氣(Power to Gas，P2G)及儲氣罐(Gas Storage，GS)供應(yīng)。充分考慮IES中各設(shè)備的運行特性及能量耦合特性，對各設(shè)備出力模型簡化處理，具體數(shù)學(xué)功率模型參考文獻[17-18]的表達方式，此處不在贅述。

圖1 孤島型IES結(jié)構(gòu)圖

2 孤島型IES兩階段優(yōu)化模型

2.1 規(guī)劃階段優(yōu)化模型

2.1.1 目標(biāo)函數(shù)

在規(guī)劃階段，孤島型IES以年經(jīng)濟效益作為優(yōu)化目標(biāo)：

FECO=Finv+FYOC-FRV

(1)

式中Finv為設(shè)備投資成本；FYOC為年運行成本；FRV為設(shè)備殘值費用。

(1)設(shè)備投資成本。

(2)

(3)

式中N為系統(tǒng)設(shè)備數(shù)量；Un為設(shè)備單位投資成本；Pn,rated為設(shè)備容量；r為設(shè)備折現(xiàn)率，取值0.067[17]；Ln為設(shè)備壽命。

(2)系統(tǒng)年運行費用。

(4)

(3)系統(tǒng)殘值費用。

(5)

2.1.2 約束條件

在規(guī)劃階段，主要針對設(shè)備容量配置約束建模，具體數(shù)學(xué)表達式如下：

(1)燃氣輪機。

燃氣輪機是孤島型IES的核心供電設(shè)備，其容量配置與電負荷有關(guān)，表達式如下：

(6)

(2)燃氣鍋爐。

在孤島模式下，系統(tǒng)無法向電網(wǎng)購電，GB成為IES的核心供熱設(shè)備，其容量配置由熱負荷確定：

(7)

(3)余熱鍋爐。

WHB的熱源源于GT所發(fā)出的熱，其容量取值與GT的容量有關(guān)，表達式如下：

(8)

(4)吸收式制冷機。

在孤島模式下，由于負荷需求完全由IES內(nèi)部供應(yīng)，所以吸收式制冷機將成為IES的核心供冷設(shè)備，其容量配置僅受到冷負荷的限制，表達式如下：

(9)

(5)電制冷機。

孤島模式下，電制冷機受到能源轉(zhuǎn)換特性的限制，只能作為輔助設(shè)備進行供冷，表達式如下：

(10)

(6)地源熱泵。

地源熱泵與電制冷機的能量轉(zhuǎn)化特性相似，都是以電能作為動力源，所以在孤島型IES中，作為輔助供熱設(shè)備，其容量與WHB及GB的實時出力及熱負荷有關(guān)。表達式如下:

(11)

(7)電轉(zhuǎn)氣。

P2G設(shè)備是唯一的供氣設(shè)備，其容量配置應(yīng)滿足如下約束：

(12)

儲能設(shè)備、光伏與風(fēng)機等設(shè)備的容量配置約束參考文獻[19-20]，此處不再贅述。

2.2 運行階段優(yōu)化模型

2.2.1 目標(biāo)函數(shù)

運行階段的目標(biāo)函數(shù)由系統(tǒng)的日運行成本及需求響應(yīng)補償成本組成，具體表達式如下：

(13)

FDR(t)=(cE,CDPCD(t)+cE,UPPUP(t))

(14)

式中FDR(t)為t時刻需求響應(yīng)補償成本；PCD(t)，PUP(t)分別為t時刻電負荷的削減/上行負荷；cE,CD，cE,UP分別為削減/上行單位成本；其他運行成本與規(guī)劃階段表達形式相同。

2.2.2 約束條件

(1)設(shè)備出力約束。

(15)

(2)母線平衡約束。

(a)電母線平衡約束。

(16)

(b)氣母線平衡約束。

(17)

(c)熱母線平衡約束。

QWHB(t)+QGSHP(t)+QGB(t)+QHS,D(t)=Hload(t)+QHS,C(t)

(18)

式中:QWHB(t)，QGSHP(t)，QGB(t)分別為t時刻WHB，GSHP，GB的輸出功率；QHS,C(t)，QHS,D(t)為t時刻儲熱罐的充放功率；

(d)冷母線平衡約束。

QEC(t)+QAC(t)+QCS,D(t)=Cload(t)+QCS,C(t)

(19)

式中QEC(t)，QAC(t)分別為t時刻EC，AC的輸出功率；QCS,C(t)，QCS,D(t)為t時刻蓄冷槽的充放功率；

(e)煙氣母線平衡約束。

QGT(t)=QWHBin(t)+QAC,in(t)

(20)

(3)儲能約束。

(a)狀態(tài)約束。

0≤θES,C(t)+θES,D(t)≤1

(21)

(b)上下限約束。

(22)

式中γES,C，γES,D分別為最大充放能倍率。

(c)儲能容量約束。

(23)

式中WES(t)為t時刻儲能設(shè)備的容量；SOCMin，SOCMax分別為儲能設(shè)備的最小、最大容量狀態(tài)；

(4)需求響應(yīng)約束。

主要考慮需求響應(yīng)的可中斷負荷,具體表達式如下：

(a)可中斷容量約束。

(24)

(b)單次中斷時間約束。

(25)

(c)可中斷次數(shù)約束。

(26)

式中NPE，NPS分別為調(diào)度周期內(nèi)中斷負荷的最大允許次數(shù)，取值為4。

(d)可中斷負荷削減/上行互斥約束。

ωPS(t)+ωPE(t)≤1

(27)

(e)能量守恒約束。

(28)

3 案例分析

3.1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

考慮了用能負荷的季節(jié)性特征，參考文獻[21]的典型日選取原則，將全年劃分為夏季，過渡季、冬季3個典型日場景，Dk分別取153，110，102。以河北某園區(qū)作試點案例，各典型日負荷曲線如圖2～圖4所示；風(fēng)速及光照強度等氣象數(shù)據(jù)通過專業(yè)氣象大數(shù)據(jù)軟件小麥芽WheatA獲取，污染物排放系數(shù)見表1,需求響應(yīng)削減/上行的單位補償成本分別取0.12和0.04，天然氣價格取0.25元/kW·h；孤島型IES中各設(shè)備經(jīng)濟性參數(shù)見參考文獻[20,22]，單位調(diào)度時間取1 h。所構(gòu)建的孤島型IES兩階段優(yōu)化模型，屬于混合整數(shù)非線性規(guī)劃模型，可以采用文獻[18]中提到的約束嵌套法進行線性化處理，在Matlab +Yalmip環(huán)境下建模，并調(diào)用Cplex求解器求解。

表1 污染物排放系統(tǒng)及環(huán)境治理成本

圖2 夏季典型日負荷曲線

圖3 過渡季典型日負荷曲線

圖4 冬季典型日負荷曲線

3.2 規(guī)劃階段分析

為探究儲能設(shè)備在孤島型IES中重要作用，在規(guī)劃階段通過以下兩種場景進行對比分析：

場景1是采用冷、熱、電、氣聯(lián)供的運行模式[23-25]，電負荷由可再生能源出力設(shè)備及燃氣輪機供應(yīng)，熱負荷由地源熱泵、燃氣鍋爐及余熱鍋爐供應(yīng)，冷負荷由電制冷機及吸收式制冷機供應(yīng)，氣負荷由天然氣網(wǎng)與P2G供應(yīng)；場景2是在場景1的基礎(chǔ)上引入儲能設(shè)備。

孤島型IES在規(guī)劃階段的經(jīng)濟性優(yōu)化結(jié)果如表2所示。可以看出，相較于場景1，場景2因為引入了儲能設(shè)備，導(dǎo)致投資費用及維護費用有所提高，但大大較低了系統(tǒng)的燃料費用，同時環(huán)境治理費用也有所降低，年經(jīng)濟總成本較低了196 830元，具有更高的經(jīng)濟效益。孤島模式下，大電網(wǎng)處于癱瘓故障狀態(tài)，儲能設(shè)備并不能根據(jù)峰平谷時刻做出合理的充放，所帶來的經(jīng)濟效益并不是很突出。所以，孤島型IES引入儲能最大目的是改變IES的靈活調(diào)節(jié)能力，解耦多能流的能量轉(zhuǎn)換特性，伴隨少量經(jīng)濟效益提高的同時，污染物排放量也略有下降。

表2 規(guī)劃階段經(jīng)濟性優(yōu)化結(jié)果

表3為兩種場景下的容量配置優(yōu)化結(jié)果。從表3中數(shù)據(jù)可以看出，孤島模式下的冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)成為IES的核心供能單元，燃氣輪機、余熱鍋爐及吸收式制冷機在兩種場景下都具有較高的優(yōu)化結(jié)果；因為孤島模式下IES的用能負荷僅靠內(nèi)部供應(yīng)，所以兩種場景下，P2G及儲氣罐都沒有被選中；P2G受到能源轉(zhuǎn)換特性的限制，并不適用于孤島型IES；對比場景2下四種儲能設(shè)備的容量配置優(yōu)化結(jié)果，儲氣罐并沒有被孤島型IES選中；同時，由于熱負荷需求相對較大，儲熱罐的容量配置遠大于其他儲能設(shè)備；因為可再生能源出力單元僅受到實時電負荷的約束，所以無論系統(tǒng)是否引入儲能設(shè)備，PV與WT的容量優(yōu)化結(jié)果無變化；基于可再生能源出力單元的容量配置優(yōu)化結(jié)果，構(gòu)建光伏與風(fēng)機的預(yù)測出力曲線，如圖5所示。

表3 多能互補系統(tǒng)設(shè)備容量配置優(yōu)化結(jié)果

圖5 可再生能源出力曲線

3.3 運行階段分析

在運行階段，基于規(guī)劃階段的優(yōu)化結(jié)果，對孤島型IES展開調(diào)度策略研究；為探究激勵型需求響應(yīng)對系統(tǒng)的影響，以夏季典型日為例，對以下兩種場景展開分析：場景1是日運行成本為優(yōu)化目標(biāo)，結(jié)合規(guī)劃階段場景2的優(yōu)化結(jié)果，構(gòu)建孤島型IES運行優(yōu)化模型并求解；場景2是在場景1的基礎(chǔ)上引入激勵型需求響應(yīng)，目標(biāo)函數(shù)中補充了需求響應(yīng)補償成本，約束條件中補充了精細化可中斷負荷約束。

表4為兩種場景下孤島型IES的運行階段經(jīng)濟性優(yōu)化結(jié)果，從中可以看出，場景2可以有效提高孤島型IES的經(jīng)濟效益，整個調(diào)度周期的總成本較低；

表4 運行階段經(jīng)濟性優(yōu)化結(jié)果

場景1和場景2的設(shè)備種類，型號一致，但隨著激勵型需求響應(yīng)的引入，系統(tǒng)的維護費用、燃料費用及環(huán)境治理費用皆有所減低，雖然增加了部分需求響應(yīng)補償成本，但IES日運行總費用仍降低了486.25元。

在需求響應(yīng)模式下，激勵政策都可以改變用戶的能源消費行為，從而改變負荷基線。圖6為場景2負荷優(yōu)化結(jié)果及實時改變量，圖中的柱狀圖為正時，表示該時刻負荷上行，反之表示該時刻負荷削減；從中可以看出，負荷削減發(fā)生在2∶>00～3∶>00和5∶>00～6∶>00兩個時間段，負荷上行僅發(fā)生在16∶>00～17∶>00；在整個調(diào)度周期內(nèi)，電負荷上行1次，削減2次，共轉(zhuǎn)移電能468.45 kW。

圖6 負荷優(yōu)化結(jié)果及其改變量

在系統(tǒng)容量配置與運行模式確定的情況下，IES的調(diào)度策略決定其經(jīng)濟效益，圖7為孤島型IES在夏季典型日場景2的調(diào)度優(yōu)化結(jié)果。從圖7中可以看出，孤島型IES的內(nèi)部能量需求由可再生出力設(shè)備、CCHP系統(tǒng)、地源熱泵、電制冷機及多類型儲能單元等裝置共同滿足；電制冷機、地源熱泵的輸入電功率及電負荷由可再生能源機組及燃氣輪機滿足，其中燃氣輪機作為CCHP系統(tǒng)的核心設(shè)備，是系統(tǒng)的最大電出力單元；熱負荷與冷負荷主要靠CCHP系統(tǒng)中余熱鍋爐與電制冷機滿足，其他出力單元輔助供能；氣負荷及燃氣輪機的輸入氣功率僅靠購買天然氣來滿足；由于引入了多種儲能設(shè)備及需求響應(yīng)，提高了孤島型IES的靈活調(diào)節(jié)能力，可以有效提高系統(tǒng)經(jīng)濟效益。

圖7 場景2的運行階段調(diào)度結(jié)果

圖8為孤島型IES在場景2下的冷、熱、電三種儲能設(shè)備荷電狀態(tài)，對比圖2與圖6夏季典型日的負荷結(jié)構(gòu)看出，需求響應(yīng)后的電負荷在4∶>00～7∶>00數(shù)段的需求較小，而冷負荷的需求量較大，需要CCHP系統(tǒng)滿足冷負荷，此時，蓄電池將燃氣輪機產(chǎn)生的多余電量儲存起來；而16∶>00～18∶>00時段的電負荷需求較大，且冷負荷需求開始下降，蓄電池又需要保持調(diào)度始末負荷狀態(tài)一致，所以此時又開始放電來滿足用電需求；由于夏季冷負荷的需求較大，蓄冷槽在整個調(diào)度期都處于工作狀態(tài)，隨著負荷結(jié)構(gòu)變化和新能源出力曲線變化進行合理充放；夏季典型日的熱負荷需求較少，且負荷曲線比較平緩，通過CCHP產(chǎn)生的余熱與地源熱泵便可實現(xiàn)供需平衡，所以無需儲能罐出力來平抑負荷波動，儲熱罐在整個調(diào)度期內(nèi)幾乎處于靜止?fàn)顟B(tài)，但為了抵消自損功率，滿足調(diào)度始末守恒約束，進行少量的充放。

圖8 儲能設(shè)備荷電狀態(tài)

4 結(jié)束語

文章綜合考慮了孤島型IES的結(jié)構(gòu)特性與能量耦合特性，基于混合整數(shù)非線性規(guī)劃理論構(gòu)建了孤島型IES兩階段優(yōu)化模型；在規(guī)劃階段，研究多種儲能設(shè)備的合理容量配置對系統(tǒng)年經(jīng)濟效益的影響；在運行階段，基于規(guī)劃階段的容量配置優(yōu)化結(jié)果，研究激勵型需求響應(yīng)對系統(tǒng)的影響。通過仿真計算，所得結(jié)論如下：

(1)從規(guī)劃階段的經(jīng)濟性優(yōu)化結(jié)果看出，在孤島模式下，IES主要依靠儲能設(shè)備實現(xiàn)能量供需協(xié)調(diào)，所以儲能設(shè)備的引入可以有效提高系統(tǒng)的靈活性與穩(wěn)定性，實現(xiàn)孤島型IES科學(xué)性容量配置，將系統(tǒng)的年經(jīng)濟成本降低了19.7萬元；

(2)從兩種場景的容量配置優(yōu)化結(jié)果看出，P2G設(shè)備受到能源轉(zhuǎn)換特性的限制，在沒有配電網(wǎng)的存在的情況下，IES不會受到分時電價的影響，所以無論是否引入儲能設(shè)備，P2G無法實現(xiàn)IES的電氣解耦，都沒有被選中；

(3)用戶側(cè)引入激勵型需求響應(yīng)后，通過有效的負荷轉(zhuǎn)移加強了負荷與儲能之間的互補互動的制約關(guān)系，也加強了孤島型IES供給側(cè)與用戶側(cè)耦合程度，有效提高系統(tǒng)的靈活調(diào)節(jié)能力，降低了系統(tǒng)運行成本。

在未來的工作中，將進一步研究IES的綜合效益，如考慮環(huán)境效益、能源效益及設(shè)備響應(yīng)指令快慢的問題等；同時，在電負荷需求響應(yīng)的基礎(chǔ)上，進一步考慮綜合需求響應(yīng)(冷、熱、電、氣)對系統(tǒng)的影響。