朱西平，姚顯億，付遷，羅健，李姿霖，文紅

（1.西南石油大學(xué)電氣信息學(xué)院，四川省成都市 610500；2.電子科技大學(xué)航空航天學(xué)院，四川省成都市 611731）

0 引言

近年來，化石能源不斷消耗引起的能源危機和環(huán)境污染引發(fā)人們對傳統(tǒng)能源利用模式的思考，關(guān)于電、氣、熱等能源綜合利用相關(guān)的研究開始增多[1-2]。能源互聯(lián)網(wǎng)概念的提出，促進了多能耦合并提升了能源利用率，能量樞紐(energy hub，EH)在“未來能源網(wǎng)絡(luò)愿景”項目中被提出[3]，其內(nèi)部包含熱電聯(lián)產(chǎn)機組（combined heat and power，CHP）、燃氣鍋爐、電轉(zhuǎn)氣等能源轉(zhuǎn)換設(shè)備，能夠?qū)崿F(xiàn)多能互補，提高能源利用率并增加供能靈活性。

多能源系統(tǒng)共同為區(qū)域負荷供能已是普遍現(xiàn)象。目前，我國對多能源系統(tǒng)的研究處于起步階段，對于EH的研究大多針對單個EH的運行。文獻[4]考慮氣網(wǎng)動態(tài)過程下電氣耦合系統(tǒng)，結(jié)合需求側(cè)響應(yīng)對EH進行調(diào)度優(yōu)化；文獻[5]結(jié)合電、氣、熱等多種能源，通過分層的方法，對EH的運行進行規(guī)劃；文獻[6]考慮了不確定性因素的影響，對綜合能源系統(tǒng)進行了規(guī)劃求解。而在多EH的研究中，文獻[7]構(gòu)建了一種含多EH的電氣互聯(lián)綜合能源系統(tǒng)，利用機會約束規(guī)劃對運行進行優(yōu)化。

基于EH既可為產(chǎn)能者也可為用能者的特性，制定合適的策略參與市場可優(yōu)化自身收益。文獻[8]通過對市場價格進行預(yù)測，考慮不確定性因素的影響，制定競價策略在市場購售獲取收益；文獻[9]考慮市場主體需求的市場決策模型對問題求解，使競價策略逐漸達到均衡，實現(xiàn)各方共贏和協(xié)調(diào)發(fā)展；文獻[10-11]從發(fā)電側(cè)的角度介紹了相關(guān)的購能策略，追求利益的最大化；文獻[12]提出EH作為價格制定者的最優(yōu)競價策略，在多個EH共存的情況下謀取經(jīng)濟最大化；文獻[13]考慮分布式發(fā)電，存儲和價格響應(yīng)的影響，提出了一種日前市場的最優(yōu)競標策略，最大程度地減少了預(yù)期凈成本。除了通過上級電網(wǎng)獲取能源外，EH間也可進行能源調(diào)度，文獻[14]利用非合作博弈方式實現(xiàn)多EH場景下區(qū)域間負荷協(xié)調(diào)互補，優(yōu)化了運行成本。在用戶方面，通過考慮需求側(cè)響應(yīng)，能更好實現(xiàn)對負荷的削峰填谷。文獻[15]用EH的建模方法對熱電聯(lián)供系統(tǒng)進行建模，達到了降低運行成本的目的，且減小了能源消耗。上述文獻考慮了在市場中的購能方式、多能源系統(tǒng)間的交易方式以及售能方和用戶間的交易，但只涉及其中一方面，并未將它們結(jié)合。

綜上所述，本文通過合作的方式，將區(qū)域能量樞紐構(gòu)建為合作聯(lián)盟，聯(lián)盟成員制定策略參與日前和實時市場，并在聯(lián)盟內(nèi)部進行能源調(diào)度，輔以電力需求響應(yīng)，對EH的運行進行優(yōu)化。最后在多EH模型上仿真驗證所提方法并得出結(jié)論。

1 能量樞紐模型

EH是能將電、熱、氣等能源進行耦合，輸出所需能源的能源轉(zhuǎn)換設(shè)施。多能源系統(tǒng)中，不同種類能源輸入后，經(jīng)過EH轉(zhuǎn)化，輸出滿足用戶側(cè)需求的能源，因此，EH可增加系統(tǒng)供能靈活性。為滿足不同種類的能源需求，不同的EH會配備不同的設(shè)備，本文所構(gòu)建的EH以配電網(wǎng)，天然氣網(wǎng)以及可再生能源發(fā)電設(shè)備供能，包含CHP，燃氣鍋爐，電熱泵等能源轉(zhuǎn)換設(shè)備和以蓄電池為首的儲能設(shè)備。在具體區(qū)域中，通常不是單個EH獨立運行，而是多個EH共存的狀況，所以本文建立了包含N個EH的多能源網(wǎng)絡(luò)，圖1顯示了多EH結(jié)構(gòu)圖。

由于EH輸入輸出的多樣性，通過耦合矩陣對輸入和輸出的關(guān)系進行描述，可表示為

簡記為

EH的建模不僅只有能源的傳輸和轉(zhuǎn)化，為考慮儲能以及需求響應(yīng)對EH的影響，引入儲能向量M和需求響應(yīng)向量 ΔL對模型進行修正。式(2)進一步更改為[16]

1.1 產(chǎn)能設(shè)備模型

CHP能實現(xiàn)能源間的轉(zhuǎn)換，增加能源調(diào)度的靈活性，是EH的核心，其模型為

燃氣鍋爐負責(zé)為區(qū)域供熱，其模型為

電熱泵能高效地轉(zhuǎn)換電能進行供熱，在外界溫度變化不大時，其能量轉(zhuǎn)換模型可近似表示為

1.2 儲能結(jié)構(gòu)

儲能設(shè)備是EH的關(guān)鍵設(shè)備之一，負荷低谷時能對能量進行存儲，負荷高峰時補償能量的不足，其儲電設(shè)備模型構(gòu)建為

1.3 可再生能源出力

由于風(fēng)光電出力具有隨機性，通過對歷史數(shù)據(jù)的擬合并結(jié)合所提模型，利用蒙特卡洛方法生成風(fēng)光出力狀況，并進行場景縮減[17]。

1) 光伏出力。

太陽光照強度近似服從Beta分布，其概率密度函數(shù)可表示為[18]

式中：s、smax分別為一時間段內(nèi)的實際光強和最大光強； α和 β 分別為Beta分布的形狀參數(shù)。光伏輸出的供能模型可表示為

2) 風(fēng)電出力。

風(fēng)電出力大小受風(fēng)速v影響，將其構(gòu)建為

2 市場運行方式

2.1 市場機制

合作機制：聯(lián)盟成員根據(jù)內(nèi)部的能源狀況，多能的EH和缺能的EH構(gòu)成合作關(guān)系，合作的參與者數(shù)量上限不定。合作成員共同供給區(qū)域負荷，根據(jù)貢獻度進行利益分配。

電力需求響應(yīng)機制：各EH運營商與用戶簽訂負荷削減合同[19]，以保證在供能不足時削減負荷來減小供能壓力，給予用戶適當補償，彌補其用能舒適度的改變。合同中的可削減負荷具有調(diào)節(jié)速度快的特點，能在實時運行中快速響應(yīng)。

2.2 優(yōu)化運行問題

聯(lián)盟參與市場分為日前和實時2個階段，在圖2進行了描述。在日前階段，各EH基于歷史數(shù)據(jù)預(yù)測日前和實時電價，假設(shè)預(yù)測結(jié)果一致。根據(jù)日前收集的內(nèi)部負荷狀況，結(jié)合可再生能源的預(yù)測出力，對內(nèi)部設(shè)備的運行點進行規(guī)劃，并將需要購置的能源提交日前市場，各EH以價格接收者的身份在規(guī)模范圍內(nèi)出清部分能源。

實時運行中，各EH內(nèi)部機組運行點不作改變。為減小不確定性的影響，得到更準確的可再生能源實際出力狀況，EH在實時市場清算前1 h再對可再生能源出力進行預(yù)測，由于誤差的關(guān)系，預(yù)測出力和實際出力間會存在偏差，若按日前的運行計劃運行，會出現(xiàn)供能不足的情況。為補齊偏差的能量，EH在聯(lián)盟內(nèi)部發(fā)出合作請求進行能源調(diào)度，多能的EH與缺能的EH達成合作關(guān)系共同為區(qū)域用戶供能，按貢獻度進行利益分配。當聯(lián)盟內(nèi)部能源不足時，比較實時購能和發(fā)布需求響應(yīng)指令的成本，選擇成本更低的方案補齊偏差。

EH既可為用能者也可為產(chǎn)能者，為獲取額外收益，在聯(lián)盟內(nèi)部各EH負荷飽和時，EH可將能源回售電網(wǎng)獲取額外收益,但價格通常低于實時電價。

2.3 目標函數(shù)

EH的優(yōu)化目標旨在最大化預(yù)期收益或最小化運行成本。本文所構(gòu)建的EH運行成本包含燃料成本、電交易成本、運維成本以及需求響應(yīng)補償成本

1)燃料成本。

CHP機組與燃氣鍋爐運行所需燃料的成本為

式中：Cg為天然氣價格。

2)電交易成本。

電交易成本包含電網(wǎng)購電成本和售電收益。由于電能具有良好的傳遞性，能將各EH聯(lián)系起來，所需成本為

3)運維成本。

式中：ypv、yw、ysto、ychp、ygb、yehp為相應(yīng)設(shè)備的單位功率運維系數(shù)。

4)需求響應(yīng)補償成本。

為降低運行成本，引入需求響應(yīng)對負荷進行調(diào)節(jié)，考慮柔性負荷對EH運行的影響，本文所提柔性負荷具有調(diào)節(jié)速度快的特點，在需要時能快速削減。EH提前收集用戶的柔性負荷信息，并細化需求響應(yīng)的等級，按遞增順序?qū)⑾鳒p量分為K個等級，利用階梯補償方式對用戶進行補償。

式中：ycom,k,t為t時刻第k個等級的補償電價。

2.4 約束條件

1)負荷削減約束。

每時刻負荷削減量不得超過當前時刻的最大可削減量

式中：DEDR,k,t表示t時刻第k個等級的負荷削減量。

2)功率平衡約束。

保證內(nèi)部負荷的供給是EH穩(wěn)定運行的先決條件。每時刻系統(tǒng)內(nèi)部的電負荷和熱負荷都需滿足以下條件

2.5 合作問題

1)合作前提。

EH參與合作聯(lián)盟的目的是降低運行成本，這是先決條件，參與合作后EH的運行成本不能超過單獨運行時的成本，且每時刻的交互功率需在一定的范圍內(nèi)，即

2)利益分配。

合作聯(lián)盟的利益分配需保證公平，沙普利值法根據(jù)合作聯(lián)盟參與者對聯(lián)盟的貢獻大小對其收益進行分配，體現(xiàn)了參與者在聯(lián)盟中的重要程度[20]。

設(shè)聯(lián)盟的參與人數(shù)為n，s為N中一個聯(lián)盟S的參與人數(shù)，則成員k參與合作構(gòu)成的規(guī)模為s的聯(lián)盟出現(xiàn)的概率 φk為

其對聯(lián)盟的貢獻Tk可表示為

式中：v(s)為聯(lián)盟S的收益；v(s/k)為聯(lián)盟s/k不包含成員k以s?1為規(guī)模的收益。成員k可分配得到的收益Vk可表示為

3 算例分析

為驗證所提方法的有效性，以4個規(guī)模相近的EH為研究對象，其內(nèi)部包含的設(shè)備如圖1所示。設(shè)備容量參數(shù)及運行參數(shù)如表1和表2。

表1 容量參數(shù)Table 1 Capacity parameters

表2 運行參數(shù)Table 2 Operating parameters

所提問題實為混合整數(shù)線性規(guī)劃問題，利用Gurobi求解器對問題進行求解。假設(shè)天然氣價格為固定值，為2.2元/m3，熱值為9.7 kW/m3，日前和實時電價如圖3。針對需求響應(yīng)對用戶的電價補償，設(shè)置3個等級分為3個時段，峰時段(09:00—13:00，18:00—22:00)補償電價為 0.5元/kW·h；平時段 (06:00—08:00，14：00—15:00)電價為0.3元/kW·h；谷時段（01:00—05:00， 23:00—24:00）電價為0.2元/kW·h，每時刻與電網(wǎng)交互功率的上限為1500 kW，EH間交互功率的上限為1000 kW，負荷削減功率的上限為300 kW，儲能初始容量為500 kW。假設(shè)4個EH距離較近，能量傳輸中的損耗不作考慮。各EH運行中機組按預(yù)定計劃出力。

以上述方法在系統(tǒng)中進行仿真，調(diào)度周期為24 h，時間間隔為1 h，4個EH某日的負荷狀況和可再生能源出力狀況如圖4所示。

CHP機組的運行狀況如圖5。CHP機組的運行計劃在日前進行配置，在01:00—03:00時段，CHP機組都不運行，是因為相比于氣供能，通過從電網(wǎng)購電，利用燃氣鍋爐、電熱泵供熱的方式更經(jīng)濟。以EH1為例對其他不運行時段進行解釋，如10:00—11:00、19:00—24:00時段不運行，是因為預(yù)測的可再生能源出力能夠滿足負荷需求，且內(nèi)部的熱負荷通過燃氣鍋爐和電熱泵供應(yīng)更為經(jīng)濟，所以這些時段不運行。其他EH的運行情況也類似。

圖6描述了整個周期內(nèi)聯(lián)盟內(nèi)部能源的交互狀況，圖7為調(diào)度周期內(nèi)4個EH的能源調(diào)度狀況。結(jié)合圖6和圖7，以EH1為例對結(jié)果進行分析，其他EH分析類似，不過多贅述。在日前市場清算后，01:00—08:00、13:00—14:00、17:00以及20:00時段，EH1表現(xiàn)為缺電狀態(tài)，儲能設(shè)備先選擇性地放電，由于放電效率的制約，放電后可能并不滿足負荷需求。在內(nèi)部尋求合作能源，其中02:00－05:00通過合作，剛好補齊偏差，而在13:00和20:00時段，由于聯(lián)盟內(nèi)部能源不充裕，獲取合作能源后仍不滿足負荷需求，而此時通過發(fā)布負荷削減指令所需的成本小于電網(wǎng)購能成本，所以選擇進行負荷削減。在缺能的其他時段，因為聯(lián)盟內(nèi)沒有合作能源，08:00和14:00先進行負荷削減，但由于可削減上限的制約，負荷仍不飽和，最后通過實時購能補齊偏差。而在06:00－07:00時段，因為實時購能成本更低，所以直接與電網(wǎng)交易補齊偏差。在10:00－12:00、15:00、18:00－19:00和21:00－24:00時段，EH1表現(xiàn)為多能狀態(tài)，所以與其他缺能EH合作。而在21:00－23:00時段，合作后EH1能源仍有盈余，為獲取額外收益，將剩余能源售給電網(wǎng)。而根據(jù)圖7的出力狀況發(fā)現(xiàn)，在11:00時刻，EH1，EH3和EH4都進行了電能的回售，是因為此時可再生能源大發(fā)，各EH的負荷都已飽和，并且此時電價較高，通過向電網(wǎng)售電的方式對多余能源進行處理。

圖8為熱調(diào)度狀況，根據(jù)圖4可知各EH的熱負荷不高。在不合作的情況下，首先，CHP機組在供電時會產(chǎn)生部分熱能，但通常情況下無法滿足熱負荷需求，其他供熱設(shè)備開始工作。由于電熱泵的效率更高，在低電價時，電熱泵會優(yōu)先工作，但受限于設(shè)備容量，在無法滿足內(nèi)部負荷時，由燃氣鍋爐補足。而在合作后，各機組仍正常運行但由于設(shè)備容量的差異，EH3和EH4在滿足自身負荷后電熱泵的容量仍有剩余，所以與EH1和EH2合作，向其供應(yīng)低價的熱能。

為驗證EH間合作后帶來的經(jīng)濟效益，與各EH單獨運行的成本進行比較，表3列出了其運行結(jié)果。

表3 各EH單獨運行成本與合作運行成本對比Table 3 Comparison of isolated operation cost of each EH and cooperative operation cost of all EHs

結(jié)果顯示，應(yīng)用所提方法后，運行成本都有一定程度的降低，表明通過合作的方式能夠?qū)ο到y(tǒng)的運行有所優(yōu)化。

4 結(jié)論

1）多EH間構(gòu)成合作聯(lián)盟，多能的EH與缺能的EH協(xié)調(diào)供應(yīng)區(qū)域負荷的方式有效降低了運行成本。

2）借助EH相互間的能源調(diào)度，減輕了電網(wǎng)供能壓力以及回售能源引起的電網(wǎng)波動。

3）通過與用戶簽訂負荷削減合同，以給予用戶補償?shù)姆绞浇档土俗陨砉┠軌毫Α?/p>

4）EH間合作供能根據(jù)貢獻度分配收益，確保了分配的公平。

本文所提方法使EH同時參與日前和實時市場，選擇更優(yōu)的方式購能，并使EH的能源可在聯(lián)盟內(nèi)部調(diào)度也可出售回電網(wǎng)或進行存儲，增加了區(qū)域能源系統(tǒng)能源調(diào)度的靈活性，對未來區(qū)域能源系統(tǒng)的運行提供了借鑒方式。