章佳瑩

(國網(wǎng)紹興供電公司，浙江 紹興 312000)

近年來，隨著世界能源、環(huán)境危機(jī)的日益加劇，由此引發(fā)的附加災(zāi)害也不斷增加。為此，中國政府于2020年在“十四五”規(guī)劃建議中提出“2030年前碳達(dá)峰，2060年前碳中和”的行動方案[1]，深化能源改革思路，著力推動我國清潔能源利用向低碳經(jīng)濟(jì)高效消納方向的發(fā)展。然而，由于受風(fēng)、光能強(qiáng)間歇性、強(qiáng)波動性的影響，我國風(fēng)能僅在確保電網(wǎng)安全運(yùn)行前提下適量消納，或轉(zhuǎn)由中東部地區(qū)進(jìn)行低風(fēng)速發(fā)電，從而造成我國“三北”及中東部地區(qū)出現(xiàn)大規(guī)模棄風(fēng)限電、風(fēng)電投資成本高等問題，極大阻礙了我國可再生能源的規(guī)?；l(fā)展。

此外，在傳統(tǒng)微網(wǎng)系統(tǒng)中，為緩解可再生能源波動引起的短時供能不足及過剩問題，常通過設(shè)計凈負(fù)荷量-電價的電價激勵機(jī)制，或提前與工業(yè)用戶簽訂負(fù)荷調(diào)整協(xié)議，在必要時有選擇性地剪切、平移全部或部分負(fù)荷形式對負(fù)荷進(jìn)行優(yōu)化管理。然而，此類負(fù)荷需求側(cè)管理大多僅從用戶端出發(fā)，以犧牲用戶用能便捷性為代價，采取負(fù)荷削減或平移方式來緩解系統(tǒng)凈負(fù)荷波動問題，忽略了供能系統(tǒng)可基于能量轉(zhuǎn)換來發(fā)揮主觀能動性的問題。隨著人民生活水平提高，用戶對負(fù)荷削減的忍耐度不斷降低，如何切實降低用戶負(fù)荷響應(yīng)依賴，發(fā)揮系統(tǒng)供能主動調(diào)節(jié)性已成為現(xiàn)今綜合供能系統(tǒng)亟待解決的突出問題。

隨著用戶生活方式的日益多樣，設(shè)備用能種類也得以豐富，多種能源的交互供能為清潔能源的大量消納提供了一條新途徑。2005年，Martin Geidl博士基于P2G可通過與CCHP系統(tǒng)配合實現(xiàn)天然氣與電能靈活轉(zhuǎn)換，提出基于P2G的電-氣能雙向交互EH樞紐集成器模型[2-3]，進(jìn)一步將熱電能與天然氣能的結(jié)合優(yōu)化推向研究前沿。國內(nèi)學(xué)者又相繼對此模型進(jìn)行拓展研究，考慮系統(tǒng)運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性、環(huán)保性，將研究對象由樓宇系統(tǒng)拓展至社區(qū)供能領(lǐng)域[4]、園區(qū)綜合供能領(lǐng)域[5]，由于系統(tǒng)能源交互不再以電能為中心、研究范圍不斷擴(kuò)展，越來越多的天然氣管網(wǎng)參與儲能，系統(tǒng)清潔能源的消納能力也日益提高。此外，基于電-氣能綜合系統(tǒng)能量轉(zhuǎn)換的高靈活性，也為能量在供能側(cè)轉(zhuǎn)換，解決能量供應(yīng)短缺問題提供可能。因此，選擇區(qū)域范圍更廣的區(qū)域級綜合能源系統(tǒng)開展優(yōu)化研究，對實現(xiàn)清潔能源更大規(guī)模消納、構(gòu)建環(huán)境友好型社會有重要意義。

1 RIEGS的基本概念及結(jié)構(gòu)

RIEGS是區(qū)域電-氣綜合能源系統(tǒng)，是一種利用電力-煤氣技術(shù)協(xié)調(diào)運(yùn)行的區(qū)域綜合能源系統(tǒng)，包括多個能量樞紐(energy hub,EH)，其在EH就地協(xié)調(diào)調(diào)度基礎(chǔ)上，通過上層管理層的統(tǒng)一協(xié)調(diào)，可在計及運(yùn)營成本基礎(chǔ)在各EH之間進(jìn)行能量互通，有效打破傳統(tǒng)能源系統(tǒng)與清潔能源間、傳統(tǒng)單一EH與多個能源系統(tǒng)間的能量流通壁壘，實現(xiàn)區(qū)域范圍內(nèi)的能源高效經(jīng)濟(jì)應(yīng)用[6]。

運(yùn)行結(jié)構(gòu)分3層：EH間協(xié)調(diào)層，EH內(nèi)部協(xié)調(diào)層，基于需求響應(yīng)的能源協(xié)調(diào)層。根據(jù)EH的實際應(yīng)用環(huán)境不同，可將EH分為家居型EH、工業(yè)型EH 2種，如圖1所示。

雖2種模式下的EH內(nèi)包含的設(shè)備有所差異，但都通過CHP系統(tǒng)的氣轉(zhuǎn)電與P2G電轉(zhuǎn)氣的能量雙向循環(huán)實現(xiàn)能量交互，在此模式下系統(tǒng)的主要運(yùn)行優(yōu)勢可歸納如下。

a.促進(jìn)能量的靈活轉(zhuǎn)換、高效利用。通過在傳統(tǒng)含CHP的能源系統(tǒng)中引入P2G，將原有的能量單向轉(zhuǎn)換模式調(diào)整為雙向轉(zhuǎn)換，提高了供給側(cè)資源在不同能量形式之間轉(zhuǎn)換的頻率，同時也提升了能量在系統(tǒng)中的綜合利用效率。

b.增加清潔能源的使用率[7-8]。通過引入的P2G將原本用戶無法及時使用及儲能元件無法大規(guī)模儲存的清潔能源，與化石燃料燃燒產(chǎn)生的CO2結(jié)合轉(zhuǎn)換為天然氣，儲存到無需即發(fā)即用的天然氣管網(wǎng)中，從而提高了清潔能源消納率，同時也減少了煤炭燃燒對全球溫室效應(yīng)的影響。

c.增強(qiáng)極端條件下的系統(tǒng)復(fù)原力。由于存在多種能源的運(yùn)行互補(bǔ)，當(dāng)某種能源短時供給出現(xiàn)異常時，可快速采用其他能源彌補(bǔ)短時的供應(yīng)短缺。

2 P2G裝置和建模方法

P2G裝置作為一種能量轉(zhuǎn)換設(shè)備，可通過電解水技術(shù)，將部分地區(qū)由于強(qiáng)間歇性清潔能源接入導(dǎo)致的過量電能經(jīng)聚合物電解質(zhì)膜(PEM)電解槽轉(zhuǎn)換為H2。通過將H2與化石燃料燃燒所得的溫室氣體CO2進(jìn)行甲烷化處理，得到可直接注入天然氣管道的富氫天然氣。上述反應(yīng)的化學(xué)反應(yīng)式如下：

2H2O→2H2↑+O2↑

CO2+4H2→CH4↑+2H2O

由于P2G裝置可利用包含可再生能源在內(nèi)的剩余電力產(chǎn)生的氫與CO2進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，在環(huán)境友好性、可持續(xù)發(fā)展性及儲存持久性方面，相對于傳統(tǒng)的抽水蓄能、壓縮空氣儲能有極大優(yōu)勢。此外，由于可將過量吸納的清潔電能轉(zhuǎn)化為CH4存入天然氣管網(wǎng)，利用天然氣輸送的延遲性可將天然氣管道作為氣能緩存裝置存入大量清潔電能，而不對天然氣基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行任何改變，大大降低了系統(tǒng)儲能裝置的安裝配置成本，并提高了全壽命周期內(nèi)供能系統(tǒng)的供能經(jīng)濟(jì)性。綜上可知，P2G在RIEGS的主要應(yīng)用優(yōu)勢主要有2點(diǎn)：可將能源儲存任務(wù)分配給現(xiàn)有的天然氣管網(wǎng)，從而降低儲能設(shè)備的投資成本；可促進(jìn)工業(yè)部門清潔技術(shù)的使用，減少清潔能源的浪費(fèi)，大大改善城市空氣質(zhì)量。

3 電力需求側(cè)管理在RIEGS的應(yīng)用

3.1 傳統(tǒng)微網(wǎng)的電力需求側(cè)管理

傳統(tǒng)微網(wǎng)系統(tǒng)中，由于能量供應(yīng)種類單一，僅根據(jù)電能儲存容量大小、響應(yīng)速率配備不同規(guī)格的電能儲存系統(tǒng)。雖然大規(guī)模風(fēng)電接入可以有效降低系統(tǒng)綜合運(yùn)行成本，但其與用戶用能習(xí)慣之間存在較大差距，導(dǎo)致峰谷時段供受方負(fù)荷的峰谷差加劇。此外，儲能設(shè)備配置的容量即使足夠充足，與清潔能源接入引起的能量間歇性相比始終占比較小。為此，文獻(xiàn)[9]提出利用價格激勵的需求側(cè)響應(yīng)方式促進(jìn)用戶調(diào)整用能習(xí)慣，一方面可以提高能源供需側(cè)波動性造成的系統(tǒng)動蕩問題，另一方面也可以更大程度地消納清潔能源，緩解化石能源緊缺的危機(jī)。

依據(jù)需求側(cè)響應(yīng)方式的不同，可將響應(yīng)負(fù)荷分為可平移負(fù)荷、可削減負(fù)荷與可中斷負(fù)荷3類。

a.可剪切負(fù)荷(可中斷負(fù)荷)

可剪切負(fù)荷是供電部門為滿足系統(tǒng)調(diào)度經(jīng)濟(jì)、安全要求，通過與用戶簽訂同意供能單位在一定時段內(nèi)終止一切用能負(fù)荷，而以賠償電價的形式進(jìn)行補(bǔ)償?shù)呢?fù)荷響應(yīng)模式，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為

(1)

式中：Lcut(t)為優(yōu)化周期內(nèi)各時段可剪切負(fù)荷響應(yīng)后的負(fù)荷需求量;G為優(yōu)化周期內(nèi)參與負(fù)荷中斷響應(yīng)的時段集合。

b.可壓縮負(fù)荷(可削減負(fù)荷)

可壓縮負(fù)荷是用戶與供電部門簽訂協(xié)議，在系統(tǒng)的優(yōu)化周期內(nèi)，一定時段內(nèi)部分削減負(fù)荷需求量，以電費(fèi)適當(dāng)賠償?shù)男问綕M足系統(tǒng)優(yōu)化要求的需求響應(yīng)形式。其相對于可剪切負(fù)荷，不再直接將某用戶某一時段內(nèi)的負(fù)荷一刀切切除，而是考慮系統(tǒng)負(fù)荷要求，以設(shè)備類型、數(shù)量為單位的適量削減負(fù)荷，從而將對應(yīng)時段內(nèi)的總負(fù)荷需求量進(jìn)行壓縮，其數(shù)學(xué)表達(dá)式如下：

(2)

式中:Lcompress(t)為優(yōu)化周期內(nèi)各時段可壓縮負(fù)荷響應(yīng)后的負(fù)荷需求量;Lp(t)表示需求響應(yīng)前的負(fù)荷量;Pk為第k種設(shè)備的單位功率;J為單位用戶內(nèi)包含的設(shè)備種類數(shù)量;Ik(t)為第t時段內(nèi)第k種設(shè)備的切除數(shù)量。

c.可延遲負(fù)荷(可平移負(fù)荷)

可延遲負(fù)荷是指遵循單位周期內(nèi)總負(fù)荷水平不改變的前提下，對部分時段的部分負(fù)荷設(shè)備使用時間前后平移調(diào)整的負(fù)荷響應(yīng)形式。在微網(wǎng)系統(tǒng)總應(yīng)用中一般包含洗衣機(jī)、電動汽車等負(fù)荷設(shè)備，由于其在單位周期內(nèi)負(fù)荷水平不變，故可延遲負(fù)荷在該周期內(nèi)的平移表達(dá)約束式可寫為

Lmove(t)=Lp(t)+Lmove_in(t)-Lmove_out(t)

(3)

(4)

(5)

(6)

式中：Lmove(t)為優(yōu)化周期內(nèi)各時段進(jìn)行負(fù)荷響應(yīng)后的負(fù)荷需求量；Lmove_in、Lmove_out為各時段內(nèi)參與延遲負(fù)荷響應(yīng)的總負(fù)荷量；Ik_out(t)為第k種設(shè)備在第t時段參與調(diào)整的數(shù)量。式(6)表示在優(yōu)化周期內(nèi)各時段的總協(xié)調(diào)進(jìn)出負(fù)荷量應(yīng)維持平衡，減少對用戶利益的影響。

3.2 RIEGS中的DSM

在RIEGS含氣網(wǎng)與電網(wǎng)協(xié)調(diào)優(yōu)化的綜合能源系統(tǒng)中，由于能源種類的增多、應(yīng)用環(huán)境的轉(zhuǎn)變，負(fù)荷響應(yīng)的方法也更為多樣。

如文獻(xiàn)[10-11]中考慮傳統(tǒng)綜合能源系統(tǒng)中忽視熱能可調(diào)度性問題，提出在電能激勵響應(yīng)模式的前提下，引入基于熱能傳輸滯緩性與人類熱能感觸模糊性特點(diǎn)而構(gòu)建的熱能負(fù)荷響應(yīng)，先后建立含電熱能IDR的園區(qū)綜合能源系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)優(yōu)化及儲能配置模型。

然而，基于RIEGS的IDR均是電、熱、氣負(fù)荷為兩對立優(yōu)化對象而開展的協(xié)調(diào)規(guī)劃，忽視多種能量間在不同時空下的關(guān)聯(lián)性與統(tǒng)一性。因而，文獻(xiàn)[12-15]考慮在時空隧道中摒棄三者能量交換壁壘，從系統(tǒng)內(nèi)部設(shè)備最佳運(yùn)行狀態(tài)能量比、系統(tǒng)終端購能種類變換、系統(tǒng)終端購能量時空平移等角度出發(fā)，構(gòu)建為提高系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性、環(huán)保性而計及IDR的RIEGS模型。

文獻(xiàn)[12]從系統(tǒng)內(nèi)部設(shè)備最佳運(yùn)行狀態(tài)出發(fā)，提出CHP最優(yōu)系統(tǒng)供需側(cè)電熱負(fù)荷匹配度的概念，并由此出發(fā)，在考慮電負(fù)荷電價響應(yīng)的機(jī)制下，根據(jù)CHP最佳工作狀態(tài)的供需側(cè)電熱能比對熱負(fù)荷進(jìn)行響應(yīng)平移，從而構(gòu)建了考慮系統(tǒng)運(yùn)維、購能、環(huán)境處理費(fèi)用的多能互補(bǔ)模型，以提高能源系統(tǒng)的利用效率。

文獻(xiàn)[13]在DR方案中提出涉及能源需求轉(zhuǎn)移和能源載體轉(zhuǎn)換的綜合需求響應(yīng)，構(gòu)建了從需求側(cè)購能及購能種類2方面出發(fā)的含IEEE118節(jié)點(diǎn)的電力系統(tǒng)和比利時20節(jié)點(diǎn)總線天然氣系統(tǒng)的能源負(fù)荷響應(yīng)模型，通過調(diào)整用戶側(cè)最終的負(fù)荷需求量及市場經(jīng)濟(jì)激勵來改變消耗能源的形式[14]，從而提高系統(tǒng)的綜合經(jīng)濟(jì)效率及可再生能源的發(fā)電容納能力。

然而，上述采用的需求響應(yīng)雖結(jié)合RIEGS多能交互的特性實現(xiàn)了多能的協(xié)調(diào)響應(yīng)，但其在響應(yīng)尺度上依然固化于負(fù)荷的時空尺度內(nèi)，將電能與氣能劃分為2種能量單獨(dú)進(jìn)行負(fù)荷響應(yīng)的考慮，較少在需求側(cè)考慮能量在時間尺度與能源種類方面結(jié)合的負(fù)荷響應(yīng)，但如今隨著負(fù)荷種類的增多，需求側(cè)能量種類變換響應(yīng)正日益成為可能，且由文獻(xiàn)[15]研究可知，結(jié)合RIEGS內(nèi)部多能種類轉(zhuǎn)換與負(fù)荷時空平移所綜合的混合需求響應(yīng)在能源互聯(lián)網(wǎng)高速發(fā)展的環(huán)境下，可產(chǎn)生相較于單能源負(fù)荷響應(yīng)更加有效，顯著提高了系統(tǒng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性與可靠性，這為未來區(qū)域綜合能源系統(tǒng)中儲能設(shè)備的規(guī)劃與設(shè)計提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支撐。

此外，還有學(xué)者應(yīng)用演化博弈對區(qū)域用戶需求響應(yīng)行為進(jìn)行模擬演算，從而準(zhǔn)確分析出用戶在實時電價模式下的行為趨勢，為未來RIEGS的供應(yīng)側(cè)供能模式調(diào)整提供有效依據(jù)[16]。

4 研究展望

4.1 基于大數(shù)據(jù)的需求響應(yīng)展望

大數(shù)據(jù)技術(shù)是近年來在區(qū)域多能互補(bǔ)領(lǐng)域內(nèi)廣泛提及的技術(shù)，其核心是通過引入包含不同能源類型之間、同一能源不同時空階段間的數(shù)據(jù)集，從而對未來能源協(xié)調(diào)優(yōu)化應(yīng)用進(jìn)行適當(dāng)分析和決策的方法。在RIEGS中的應(yīng)用可包括基于大數(shù)據(jù)對于可再生能源出力[17]、用戶負(fù)荷需求預(yù)測等幾類。基于上述數(shù)據(jù)的預(yù)測，可對用戶負(fù)荷峰谷時段進(jìn)行預(yù)測，從而預(yù)算出下一階段供能價格的實時數(shù)據(jù)。通過提前將供能價格共享給用戶，促使用戶基于價格激勵機(jī)制調(diào)整負(fù)荷響應(yīng)。該模式下的需求響應(yīng)相對于過去負(fù)荷預(yù)測準(zhǔn)確性不高，僅能通過對負(fù)荷的超短期預(yù)測共享實時電價數(shù)據(jù)造成的負(fù)荷響應(yīng)滯緩等問題，在用戶需求響應(yīng)方面表現(xiàn)得更為主動、及時。

4.2 市場機(jī)制的展望

在一個開放和競爭的市場，結(jié)合統(tǒng)一的網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)策略與國家能源管理政策，建立一個安全、高效的綜合能源系統(tǒng)平臺對于能源市場的長期穩(wěn)定運(yùn)作至關(guān)重要。在未來含電能、天然氣能在內(nèi)的多種能源類型接入的能源系統(tǒng)，如何在有效協(xié)調(diào)各供能單位能量交易的前提下，提高系統(tǒng)能源的綜合利用效率、降低供能經(jīng)濟(jì)性；如何結(jié)合區(qū)塊鏈技術(shù)構(gòu)建可保障各供能單位利益、安全地向上一級的能源市場交換平臺，實現(xiàn)平臺供能資源的統(tǒng)一協(xié)調(diào)優(yōu)化將成為未來綜合能源市場亟須解決的研究問題。

5 結(jié)語

本文梳理總結(jié)了RIEGS最新的研究成果和實踐經(jīng)驗；基于對綜合能源系統(tǒng)中天然氣能傳輸延遲特性和P2G設(shè)備應(yīng)用實例的分析，各項核心技術(shù)的問題識別；結(jié)合國網(wǎng)公司對于高彈性電網(wǎng)的發(fā)展要求，對DR在綜合能源系統(tǒng)中的應(yīng)用場景、影響作用和待解決的技術(shù)難點(diǎn)進(jìn)行總結(jié)，并對DR在RIEGS中電、氣、熱能拓展的發(fā)展趨勢進(jìn)行展望，對未來我國RIEGS的市場化發(fā)展提供一定參考。