丁雨昊，呂干云，劉永衛(wèi)，章心因，李軍

(1.南京工程學院電力工程學院，南京211167；2.湖南電力交易中心有限公司，長沙410004)

0 引言

在全球環(huán)境污染問題日益嚴重的背景下，習近平總書記在聯(lián)合國大會上提出“碳達峰、碳中和”戰(zhàn)略目標[1]。碳排放的主要來源是能源行業(yè)，能源行業(yè)響應“雙碳”目標，降低碳排放比重，實現(xiàn)低碳電力[2]。綜合能源系統(tǒng)(integrated energy system,IES)是實現(xiàn)“雙碳”目標的重要手段，因其能源利用率高而成為未來低碳能源的主要發(fā)展方向[3]。綜合能源系統(tǒng)整合多種能源并進行協(xié)調(diào)規(guī)劃，是減少碳排放的有效措施。以“低碳經(jīng)濟”為核心的IES優(yōu)化調(diào)度是該領域的研究熱點[4]。

目前，關于IES優(yōu)化調(diào)度的理論研究主要圍繞以下3個方面。

1)新能源不確定性研究。文獻[5]分析了可再生能源的多重不確定性因素，建立了基于區(qū)間線性規(guī)劃和隨機約束規(guī)劃的IES日前優(yōu)化調(diào)度模型。文獻[6]提出了基于風光不確定性的IES兩層級協(xié)同優(yōu)化方法，通過生成典型場景集建立經(jīng)濟性配置模型。

2)負荷的響應行為研究。文獻[7]證明了需求側(cè)響應能有效降低運行成本并提升用戶的滿意度。文獻[8]等構(gòu)建了考慮用戶綜合需求響應的IES多目標優(yōu)化調(diào)度模型，發(fā)現(xiàn)利用熱力、電力需求響應可提升系統(tǒng)的能效水平。

3)模型的優(yōu)化算法研究。文獻[9]改進灰狼算法，進行非合作博弈的同時提出涵蓋負荷、儲能、產(chǎn)能、交互的IES優(yōu)化策略。文獻[10]基于分層次DBSCAN-VBSO算法，建立了IES日前和實時兩階段調(diào)度優(yōu)化模型。上述文獻未能兼顧系統(tǒng)的經(jīng)濟、低碳目標，難以滿足IES的發(fā)展需求。

在IES的低碳優(yōu)化方面，碳交易機制兼顧電力經(jīng)濟性和低碳環(huán)保性，文獻[11]詳細介紹了碳交易模型，在碳交易的基礎上構(gòu)建了聯(lián)合供電、供熱和供冷的區(qū)域IES經(jīng)濟調(diào)度模型。文獻[12]在碳交易模型中引入補償系數(shù)，提出了基于獎懲階梯碳交易機制的IES低碳經(jīng)濟運行策略，有效地約束了系統(tǒng)運行成本和碳排放量。此外，文獻[13]提出了可再生能源配額制理論，將該理論引入多園區(qū)IES調(diào)度模型中，有效減少了系統(tǒng)的碳排放并保證了系統(tǒng)的經(jīng)濟性。上述方法雖然在IES的低碳優(yōu)化上取得了一定成果，但未綜合考慮碳目標約束和需求側(cè)響應，因此有必要深入研究上述兩者協(xié)同對IES優(yōu)化調(diào)度的影響。

在已有研究的基礎上，本文綜合考慮了綜合能源系統(tǒng)的碳目標約束和需求側(cè)響應。首先，研究了基于碳信息流的IES的基本結(jié)構(gòu)及優(yōu)化策略；然后，分析了IES的經(jīng)濟目標和低碳目標，在已有約束上附加了碳排放約束；其次，建立了以經(jīng)濟成本最低和碳排放量最小為目標的綜合能源系統(tǒng)日前優(yōu)化調(diào)度模型，最后，通過仿真求解，對比分析不同場景的優(yōu)化調(diào)度結(jié)果，驗證了該模型的有效性。

1 IES的基本結(jié)構(gòu)及優(yōu)化策略

1.1 IES的基本結(jié)構(gòu)

考慮設備間碳排放信息的傳輸特性，構(gòu)建基于碳信息流的綜合能源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 基于碳信息流的綜合能源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

此IES包括能源供給端、能源耦合端、儲能端和需求端。能源供給端由電網(wǎng)、天然氣網(wǎng)、熱網(wǎng)、風力發(fā)電(wind turbine, WT)和光伏(photovoltaic, PV)發(fā)電組成；能源耦合端將電、氣、熱、冷能通過電轉(zhuǎn)氣(cogeneration power to gas, P2G)、電鍋爐(electric boiler, EB)、電制冷(electric refrigeration, ER)、燃料電池(fuel cell, FC)、燃氣鍋爐(gas boiler, GB)和冷熱電聯(lián)產(chǎn)機組(air-cooling heat-power, CCHP)實現(xiàn)耦合互補；儲能端有儲電、儲氣、儲熱、儲冷設備；需求端包含電、氣、熱、冷負荷。IES中碳信息來源于供能端、耦合端、儲能端，碳處理設備接收碳信息，處理二氧化碳，并將碳信息轉(zhuǎn)換為反饋信息輸送至需求端，需求端根據(jù)反饋信息調(diào)整負荷量，系統(tǒng)改變供給端、耦合端、儲能端出力，實現(xiàn)IES的低碳調(diào)度。

1.2 IES的優(yōu)化策略

本文所述IES的優(yōu)化調(diào)度指在滿足需求側(cè)負荷的基礎上，降低系統(tǒng)的經(jīng)濟成本和碳排放量。IES的優(yōu)化策略考慮如下：1)在系統(tǒng)內(nèi)各設備協(xié)調(diào)運行的前提下，優(yōu)先利用風力、光伏發(fā)電。2)當風力、光伏發(fā)電無法滿足需求時，考慮向電網(wǎng)、氣網(wǎng)、熱網(wǎng)購能。3)當供能端能夠滿足需求時，儲能設備儲能，若不滿足需求，儲能設備供能。4)當儲能端和供能端均無法滿足需求時，耦合設備工作，按照經(jīng)濟性、低碳性要求調(diào)度設備出力。

2 綜合需求響應模型

在綜合能源系統(tǒng)中引入綜合需求響應(intergrated demand response, IDR)[14]調(diào)節(jié)用戶用能行為，使供需儲耦合環(huán)節(jié)更加緊密。本文所構(gòu)建的需求響應模型基于電、氣、熱、冷負荷的可控性。模型包含負荷替代和負荷轉(zhuǎn)移，實現(xiàn)負荷在橫向時間上的轉(zhuǎn)移。

2.1 電負荷需求響應

本文采用電力價格型響應，用戶根據(jù)不同時段的電價差主動改變用電行為[15]。引入用電滿意度 衡量電負荷，避免因過度響應而導致用戶滿意度下降。用電滿意度和電負荷的關系如式(1)所示。

(1)

式中：P(t)、ΔP(t)分別為t時段需求響應前電負荷量和電負荷轉(zhuǎn)移量；T為調(diào)度周期。

考慮電氣間的雙向流動關系，本文利用P2G設備完成負荷替代[16]，包含負荷轉(zhuǎn)移和負荷替代的需求響應模型為：

PIDR(t)=P(t)+Re·ΔP(t)+α·ΔGP(t)

(2)

式中：PIDR(t)、ΔGP(t)分別為t時段需求響應后電負荷量和可替代氣負荷量；α為替代系數(shù)。

本文采用電量電價彈性系數(shù)構(gòu)建電負荷需求響應模型。電量電價彈性系數(shù)矩陣計算方法如下。

(3)

(4)

ΔP(t)=[P(1)…P(t)]×Ep×

(5)

式中：ε為電量電價彈性系數(shù)；ΔP和ΔD分別為電量P和電價D的改變量；Ep為電量電價彈性系數(shù)矩陣。

2.2 氣負荷需求響應

天然氣和電能具有相似的市場特性，此處參考電力價格型響應建立天然氣價格型需求響應模型。

GIDR(t)=G(t)+Rg·ΔG(t)+β·ΔPG(t)

(6)

(7)

(8)

式中：GIDR(t)、G(t)、ΔG(t)和ΔPG(t)分別為t時段需求響應后氣負荷量、需求響應前氣負荷量、氣負荷轉(zhuǎn)移量和可替代電負荷量；Rg為用氣滿意度；β為替代系數(shù)，取α·β=1；η為氣量氣價彈性系數(shù)；Eg為氣量氣價彈性系數(shù)矩陣。

2.3 熱負荷需求響應

用戶感知熱舒適度具有模糊性和延時性，室內(nèi)溫度在一定范圍波動不會影響用戶用熱舒適度[17]。在調(diào)度周期內(nèi)優(yōu)化各時段室內(nèi)溫度，有利于提升IES運行的經(jīng)濟性及穩(wěn)定性。用戶室內(nèi)溫度和供熱功率的關系為：

Tin(t+1)=Tin(t)e-Δt/τ+

[Rs·H(t)+Tout(t)](1-e-Δt/τ)

(9)

式中：Tin(t)為t時段室內(nèi)溫度；Tout(t)為t時段室外溫度；Rs為建筑物等效熱阻,K/W；H(t)為t時段的供熱功率；Δt為調(diào)度時段時長；τ為熱時間常數(shù)，τ=Rs·Cair；Cair為室內(nèi)等效熱容,J/K。

由式(9)可推導響應后的熱負荷為：

(10)

式中：HIDR(t)為t時段需求響應后熱負荷；K=e-Δt/τ。

為保證用戶舒適度，室內(nèi)溫度應滿足式(11)所示約束。

Tin,min≤Tin(t)≤Tin,max

(11)

式中：Tin,min、Tin,max分別為室內(nèi)最低舒適溫度和最高舒適溫度。

2.4 冷負荷需求響應

冷負荷與熱負荷類似，考慮用戶的用冷舒適度，供冷溫度可在一定范圍內(nèi)波動。計及用冷環(huán)境下新風系統(tǒng)運行狀況后的冷負荷為：

(12)

式中Qc(t)為t時段建筑物新風系統(tǒng)散熱量。

3 考慮碳排放的綜合能源系統(tǒng)調(diào)度模型

3.1 目標函數(shù)

本文的綜合能源系統(tǒng)以經(jīng)濟成本最低和碳排放量最小為目標優(yōu)化系統(tǒng)內(nèi)各設備出力。建立目標函數(shù)如式(13)所示。

minF=C1+C2+C3+C4-C5

(13)

式中：F為系統(tǒng)的總成本；C1為購能成本；C2為設備啟停成本；C3為設備運維成本；C4為碳處理成本；C5為售電收益。

3.1.1 外購能源成本

(14)

式中：C(t)為t時段單位購能成本，包含單位購電成本Cgrid(t)、單位購氣成本Cgas(t)、單位購熱成本Cheat(t)；Pb(t)為t時段購能功率，包含購電功率Pbuy(t)、購氣功率Gbuy(t)、購熱功率Hbuy(t)；Δt為調(diào)度時段時長。

3.1.2 設備啟停成本

(15)

3.1.3 設備運維成本

(16)

3.1.4 碳處理成本

(17)

(18)

式中：CCO2為單位碳處理成本；QCO2(t)為t時段IES碳排放總量；NCO2為碳排放設備數(shù)量，供能、耦合、儲能設備和外部購電均存在碳排放；Ex為設備x碳排放強度，指單位功率增長產(chǎn)生所的碳排放量；Px(t)為t時段設備x的輸出功率。

3.1.5 售電收益

(19)

式中：Csell為單位售電收益；Psell(t)為t時段售電功率。

3.2 約束條件

3.2.1 能量平衡約束

3.2.1.1 電能平衡約束

Ppro(t)+Pin(t)+Pdis(t)=

Pout(t)+Psell(t)+PIDR(t)

(20)

式中：Ppro(t)為t時段能源供給端供電功率；Pin(t)為t時段耦合端供電功率；Pout(t)為t時段耦合端用電功率；Pcha(t)、Pdis(t)分別為t時段儲電設備的儲電、放電功率。

3.2.1.2 天然氣平衡約束

Gbuy(t)+Gin(t)=Gout(t)+Gcha(t)+GIDR(t)

(21)

式中：Gin(t)為t時段耦合端供氣功率；Gout(t)為t時段耦合端用氣功率；Gcha(t)、Gdis(t)分別為t時段儲氣設備的儲氣、放氣功率。

3.2.1.3 熱能平衡約束

Hbuy(t)+Hin(t)+Hdis(t)=Hcha(t)+HIDR(t)

(22)

式中：Hin(t)為t時段耦合端供熱功率；Hcha(t)、Hdis(t)分別為t時段儲熱設備的儲熱、放熱功率。

3.2.3.4 冷能平衡約束

Cin(t)+Cdis(t)=Ccha(t)+CIDR(t)

(23)

式中：Cin(t)為t時段耦合設備供冷功率；Ccha(t)、Cdis(t)分別為t時段儲冷設備的儲冷、放冷功率。

3.2.2 耦合設備出力約束

(24)

3.2.3 爬坡約束

電鍋爐、燃料電池和冷熱電聯(lián)產(chǎn)機組在運行過程中需滿足機組爬坡功率約束如式(25)所示。

(25)

3.2.4 設備啟停約束

電鍋爐、燃料電池和冷熱電聯(lián)產(chǎn)機組的啟停時間應滿足約束：

(26)

(27)

3.2.5 儲能設備約束

(28)

(29)

3.2.6 碳排放約束

(30)

(31)

(32)

(33)

3.2.7 電/氣/熱網(wǎng)交互功率約束

(34)

3.2.8 用戶滿意度約束

(35)

3.3 求解方法

本文構(gòu)建的考慮碳目標約束和需求側(cè)響應的IES日前優(yōu)化調(diào)度模型屬于非線性模型，因此上述模型需轉(zhuǎn)化為線性模型，利用MATLAB調(diào)用YALMIP工具箱以及GUROBI求解器進行仿真求解，確定各時段設備出力大小使得經(jīng)濟成本最低及碳排放量最小。求解流程如圖2所示。

圖2 優(yōu)化后的調(diào)度模型求解流程圖

4 算例分析

4.1 算例基礎數(shù)據(jù)

本文對圖1所示的綜合能源系統(tǒng)進行仿真求解。IES中的可再生能源有風力、光伏發(fā)電；耦合設備有電轉(zhuǎn)氣、電鍋爐、電制冷、燃料電池、燃氣鍋爐和冷熱電聯(lián)產(chǎn)機組；儲能設備有儲電、儲氣、儲熱、儲冷設備。算例以日前24 h為調(diào)度周期，1 h為調(diào)度時段時長，調(diào)度時段內(nèi)設備功率恒定。電價和天然氣價根據(jù)響應模型分為峰平谷3個時段。峰平谷時段購電及售電價如表1所示。

峰平谷時段購氣及購熱價如表2所示。參照文獻[18]設置電價自彈性系數(shù)和互彈性系數(shù)分別為-0.2和0.03；天然氣價自彈性系數(shù)和互彈性系數(shù)分別為-0.58和1.5。設置電制冷的制冷系數(shù)為3.2，單位碳處理成本為0.252元/kg。供能、耦合設備運行參數(shù)如表3所示，主要參照文獻[19]相關國標設置。

表2 峰平谷時段購氣及購熱價

表3 供能端、耦合端運行參數(shù)

儲能設備運行參數(shù)如表4所示。設置系統(tǒng)碳排放各時段上限為100 kg，總量上限為2 000 kg。

表4 儲能設備運行參數(shù)

為驗證本文所提IES日前優(yōu)化調(diào)度模型的有效性，設置以下4種場景進行對比分析：場景1為不考慮碳目標約束和需求側(cè)響應的傳統(tǒng)IES調(diào)度；場景2為考慮綜合需求響應但不考慮碳目標約束的IES經(jīng)濟調(diào)度；場景3為考慮碳目標約束但不考慮需求側(cè)響應的IES低碳調(diào)度；場景4為考慮碳目標約束和綜合需求響應的IES低碳經(jīng)濟調(diào)度。典型日內(nèi)風電、光伏機組出力及冷、熱、氣、電負荷的預測值如圖3所示。

圖3 典型日內(nèi)風電、光伏出力及負荷預測值

4.2 1IES優(yōu)化調(diào)度結(jié)果分析

根據(jù)上述4種場景得到IES優(yōu)化調(diào)度結(jié)果如圖4—7所示。

圖4 場景1電、氣、熱、冷能24 h流向圖

圖4為場景1優(yōu)化調(diào)度結(jié)果。從圖4可以看出：電價和天然氣價是影響IES與上級網(wǎng)絡功率交匯的重要因素，也會影響耦合設備和儲能設備的使用時段。電價在谷時段時，系統(tǒng)主要從電網(wǎng)購電，儲電設備充電，電鍋爐供熱，P2G設備供氣；在峰時段時，系統(tǒng)向電網(wǎng)售電，儲電設備放電，電鍋爐和P2G停止工作，系統(tǒng)很少利用風力、光伏發(fā)電。氣價類似于電價，位于谷時段時，系統(tǒng)向天然氣網(wǎng)購氣，儲氣設備儲氣；位于峰時段時，系統(tǒng)利用儲氣設備放氣滿足系統(tǒng)用氣需求。在低電價時系統(tǒng)優(yōu)先利用電鍋爐供熱，高電價時優(yōu)先利用CCHP機組供熱，燃氣鍋爐全時段運行以滿足熱負荷需求。CCHP機組全時段供冷，電制冷機組在CCHP機組功率不足時補冷。

圖5為場景2優(yōu)化調(diào)度結(jié)果。系統(tǒng)在不影響用戶滿意度的前提下，利用氣、電負荷進行時間上的轉(zhuǎn)移。在價格谷時段，CCHP機組、電鍋爐和電制冷機組加大出力；峰時段時系統(tǒng)降低購能功率。為保證熱負荷總功率恒定，系統(tǒng)改變熱負荷的能耗時段；冷負荷隨著電負荷的響應情況而改變[20-23]。

圖5 場景2電、氣、熱、冷能24 h流向圖

圖6為場景3優(yōu)化調(diào)度結(jié)果。受碳目標約束影響，光伏和風力發(fā)電功率明顯提升，外部購電和耦合設備輸出功率下降；由于購氣、購熱未考慮碳排放，系統(tǒng)優(yōu)先從外部購氣、購熱滿足負荷需求，利用低碳設備滿足供熱供冷的需求[24-26]。

圖6 場景3電、氣、熱、冷能24 h流向圖

圖7為場景4優(yōu)化調(diào)度結(jié)果。結(jié)合碳目標約束和綜合需求響應，設備各時段出力均有所改變。相比于場景1，系統(tǒng)提高風力、光伏發(fā)電功率，降低耦合設備出力，向電網(wǎng)購電作為補充，利用電價彈性，增加谷時段購電量并降低峰時段的購電量；外部購氣功率略有下降，CCHP機組出力提升；購熱功率明顯提高，電鍋爐、燃氣鍋爐、CCHP機組出力均有所下降；系統(tǒng)在電價谷時段使用ER供冷，峰時段使用CCHP機組供冷[27-29]。

圖7 場景4電、氣、熱、冷能24 h流向圖

需求響應前后負荷對比如圖8所示。

由圖8可知，對比場景1，場景2考慮綜合需求響應，利用電價氣價彈性變化及負荷替代關系、用戶熱舒適度和新風系統(tǒng)運行狀況，引導負荷在調(diào)度周期內(nèi)進行替代轉(zhuǎn)移，實現(xiàn)負荷的“削峰填谷”；場景4在場景2的基礎上考慮了系統(tǒng)碳排放特性，抑制了負荷波動，平滑了負荷曲線，為IES的穩(wěn)定運行提供了保證。

圖8 需求響應前后負荷對比圖

考慮碳目標約束前后電網(wǎng)、風電、光伏出力對比如圖9所示。

圖9 考慮碳目標約束前后電網(wǎng)、風電、光伏出力對比圖

日前風光出力的預測值與日內(nèi)風光出力實際值存在約10%的誤差。由圖9可知，在傳統(tǒng)的IES優(yōu)化調(diào)度中，僅考慮風光發(fā)電的運維成本，新能源滲透率較低，風光無法得到有效利用。在考慮碳目標約束后，新能源得到充分利用，系統(tǒng)風力發(fā)電總功率提升了約7.72%；光伏發(fā)電總功率提升了約7.63%；系統(tǒng)的風電消納能力提高，系統(tǒng)內(nèi)風光波動性得以抑制。由于風光易受環(huán)境因素影響，不同時段出力差異較為明顯，系統(tǒng)在風力、光伏發(fā)電低谷時段向電網(wǎng)購電滿足負荷需求。在考慮了碳目標約束后，IES充分利用風力光伏發(fā)電，因此外部購電總功率下降了約21.02%。

4種場景24 h系統(tǒng)碳排放對比如圖10所示?？紤]碳目標約束后，場景3、場景4相比于場景1、場景2系統(tǒng)各時段碳排放量明顯下降，證明IES優(yōu)化調(diào)度中考慮碳目標約束可有效降低系統(tǒng)的碳排放量，減少所需的碳處理成本，實現(xiàn)IES的經(jīng)濟、低碳目標。

圖10 4種場景24 h系統(tǒng)碳排放對比圖

場景1耦合、儲能設備24 h碳排放曲線如圖11所示。場景4耦合、儲能設備24 h碳排放曲線如圖12所示。

圖11 場景1耦合、儲能設備24 h碳排放曲線

場景4根據(jù)不同耦合、儲能設備的碳排放強度及設備的出力上下限設置相應碳排放約束。對比圖11—12可知，受碳排放約束影響，場景4大多數(shù)耦合設備、儲能設備在部分時段的最大碳排放量對比場景1均有所下降，證明設置碳排放約束可抑制耦合端、儲能端的碳排放量，給IES帶來一定的環(huán)保效益。

對比4種場景的購電、購氣、購熱、售電、碳處理成本及總成本如表5所示。

由表5可知，場景2僅考慮了需求側(cè)響應，購電功率增加，可再生能源出力基本不變，其碳排放量相比于場景1變化很小，總成本降低了約2.5%；場景3僅考慮了碳目標約束，其碳排放量相比于場景1減少了約28.45%；場景4在場景3的基礎上考慮了需求側(cè)響應，其碳排放量相比場景1減少了約29.67%，總成本降低了3.5%。結(jié)果表明，在IES優(yōu)化調(diào)度考慮碳目標約束和電氣熱冷綜合需求響應可降低系統(tǒng)的碳排放量及運行總成本，證明了調(diào)度模型的有效性。

表5 不同場景下系統(tǒng)運行結(jié)果

5 結(jié)論

針對綜合能源系統(tǒng)中的低碳優(yōu)化問題，本文建立了考慮碳目標約束和需求側(cè)響應的IES日前優(yōu)化調(diào)度模型。通過建模及算例分析，得到以下結(jié)論。

1)考慮碳目標約束和需求側(cè)響應的綜合能源系統(tǒng)日前優(yōu)化調(diào)度模型通過設置低碳目標及排放約束，利用需求側(cè)的響應特性，實現(xiàn)了不同負荷的轉(zhuǎn)移替代，有效降低了系統(tǒng)的碳排放，減少了IES的運行總成本，獲得了很好的經(jīng)濟效益和環(huán)保效益。

2)IES優(yōu)化調(diào)度模型中可再生能源的出力有所提升，在降低系統(tǒng)碳排放量的同時實現(xiàn)了風光能源的就地消納，提升了系統(tǒng)新能源消納率，在IES的節(jié)能減排方面具有重要的研究意義。

本文僅考慮了電氣熱冷綜合需求響應，未考慮IDR中存在的碳排放因素，因此未來需要在該方向進一步開展研究。