唐成虹，王靖韜，曾 博，周 靜，葉聞杰

（1. 南瑞集團有限公司（國網(wǎng)電力科學研究院有限公司），江蘇省 南京市 211106；2. 國電南瑞科技股份有限公司，江蘇省 南京市 211106；3. 智能電網(wǎng)保護和運行控制國家重點實驗室，江蘇省 南京市 211106；4. 新能源電力系統(tǒng)國家重點實驗室（華北電力大學），北京市 102206）

0 引言

傳統(tǒng)能源系統(tǒng)的能源利用效率及可再生能源消納問題正遭遇瓶頸［1］，而綜合能源系統(tǒng)能夠加強多種能源間的耦合轉換和優(yōu)化調(diào)度，有效提升能源利用效率［2-3］和促進可再生能源消納［4-5］。因此，有必要將復雜能源系統(tǒng)規(guī)劃改造成綜合能源系統(tǒng)。工業(yè)園區(qū)是典型的復雜能源系統(tǒng)，普遍存在能源利用率低的問題［6］，需通過多種能源耦合機制提升能源利用率?？紤]到近海風電發(fā)展迅猛，但多采用儲能設備消納風電，效果不夠理想［7］，且冷熱電聯(lián)產(chǎn)（combined cooling，heating and power，CCHP）機組“以熱定電”的運行模式易造成棄風限電［8］，導致系統(tǒng)風電浪費嚴重，故提出合理的風電消納策略刻不容緩。

實現(xiàn)多能互補及能量梯級利用是提高系統(tǒng)能效的重要手段。文獻［9］研究了能量梯級利用的基礎理論。目前，關于熱能梯級利用的研究較為完善。文獻［10］將鍋爐和汽輪機的余熱利用與回熱循環(huán)有機結合，動態(tài)優(yōu)化了熱能的梯級利用。為進一步提高系統(tǒng)能效，許多學者采用能源耦合設備進行多能源綜合利用。文獻［11］提出一種考慮能量梯級利用的工廠綜合能源系統(tǒng)多能協(xié)同優(yōu)化模型，實現(xiàn)冷熱電耦合。文獻［12］建立了電熱泵、吸收式熱泵等電熱耦合設備的能量品位轉換模型，實現(xiàn)電能與熱能的互濟。文獻［13-14］對高溫熱泵采用混合工質(zhì)的熱力學性能及經(jīng)濟性進行理論研究，為其實現(xiàn)能源梯級利用提供了理論基礎。但目前在綜合能源系統(tǒng)中引入高溫蒸汽熱泵（HTHP）較少，而許多工業(yè)園區(qū)具有大量高溫蒸汽需求。因此，需對HTHP 接入綜合能源系統(tǒng)實現(xiàn)不同品位能源相互轉換機理做進一步研究。

針對風電消納問題，已有許多學者提出調(diào)度消納策略。文獻［15］考慮電動汽車及熱泵協(xié)同作用促進系統(tǒng)風電消納，而電動汽車的接入受用戶充電行為的影響，風電消納不確定性高。文獻［16］采用電熱泵與燃氣鍋爐輔助消納風電，但電熱泵無法滿足工業(yè)園區(qū)對高溫蒸汽的需求，且燃氣鍋爐能源利用率偏低。文獻［17-19］通過加裝儲能裝置促進風電消納，但儲能裝置受容量及成本限制。針對上述問題，因HTHP 具有高能效比特性，能夠?qū)崿F(xiàn)能源耦合轉換，滿足工業(yè)園區(qū)的蒸汽負荷需求，可考慮在系統(tǒng)中引入HTHP 促進風電消納。

為此，本文提出一種含HTHP 的區(qū)域綜合能源系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度方法。在提出的沿海工業(yè)園區(qū)綜合能源系統(tǒng)架構基礎上，建立HTHP 的能量品位轉換模型，實現(xiàn)不同品位能源轉化及有效利用。進一步，提出一種含HTHP 的風電消納調(diào)度策略，考慮風電預測誤差造成的失負荷及棄風風險，以總運行成本最小為目標建立綜合能源系統(tǒng)隨機優(yōu)化調(diào)度模型。最后，以中國江蘇省某沿海工業(yè)園區(qū)為例，通過仿真驗證了所提方法的有效性。

1 沿海工業(yè)園區(qū)綜合能源系統(tǒng)架構

沿海地區(qū)海上風電裝機容量巨大，具有風電消納的需求，且沿海工業(yè)園區(qū)眾多，如紡織廠、造紙廠、化工廠等，包含設備及負荷種類多樣，進行工業(yè)生產(chǎn)時需要大量蒸汽，具備發(fā)展綜合能源系統(tǒng)及HTHP的地理及技術條件。沿海紡織廠、化工廠等大多實行三班倒的工作制，夜間對蒸汽仍有大量需求，而風電在夜間高發(fā)，可采用HTHP 消納風電給蒸汽負荷供能。為此，通過在常規(guī)工業(yè)園區(qū)綜合能源系統(tǒng)中引入HTHP，本文提出一種沿海工業(yè)園區(qū)綜合能源系統(tǒng)架構設想，如圖1 所示。本文改造并引入HTHP 的工業(yè)園區(qū)綜合能源系統(tǒng)宜選在靠近海上并網(wǎng)點區(qū)域。

圖1 沿海工業(yè)園區(qū)綜合能源系統(tǒng)架構Fig.1 Architecture of integrated energy system in coastal industrial parks

工業(yè)園區(qū)綜合能源系統(tǒng)中，燃氣輪機抽氣熱給蒸汽負荷供能，電熱泵產(chǎn)生中溫熱水滿足熱水負荷，區(qū)域熱網(wǎng)與儲熱水罐進行熱能交互，實現(xiàn)熱能供應；HTHP 消納風電把低品位熱水轉化為高溫蒸汽，實現(xiàn)電熱耦合及能量梯級利用。系統(tǒng)中引入HTHP后，風電高發(fā)時，HTHP 接近滿發(fā)，優(yōu)先消納風電給蒸汽負荷供能，增加中溫熱水負荷，提升熱泵的耗電量；風電少發(fā)時，若系統(tǒng)中其他設備可消納風電則HTHP 停發(fā)，若存在一定棄風則調(diào)用HTHP 消納風電。

1.1 常規(guī)機組模型

該系統(tǒng)架構中，CCHP 機組、電熱泵及儲能裝置的模型可參見文獻［8，12］，限于篇幅，本文僅詳細介紹HTHP 模型。本文中的CCHP 機組采用“以熱定電”模式運行，只考慮抽氣蒸汽熱功率，采用的儲能裝置有蓄電池和儲熱水罐。

1.2 HTHP 模型

HTHP 是在電能的驅(qū)動下利用工作介質(zhì)的節(jié)流降溫特性來實現(xiàn)熱量由低溫物質(zhì)向高溫物質(zhì)傳遞［20-21］的設備。其制熱數(shù)學模型為:

式 中:PHTHP（t）為t時 段HTHP 消 耗 的 電 功 率；HHTHP，S（t）為t時段HTHP 提供的蒸汽功率；ms為壓縮機壓縮的水蒸氣的質(zhì)量流量；hr，2（t）和hr，1（t）分別為t時段水蒸氣壓縮機出口和入口處水蒸氣的焓；ηs為等熵效率；CHTHP為HTHP 能效比系數(shù)。

2 HTHP 梯級轉換模型

2.1 含HTHP 的能量梯級利用策略

能量梯級利用原則是“電熱互補、溫度對口、梯級利用”［22］，可通過電熱能源耦合設備，發(fā)揮“電熱互補”的優(yōu)勢，提升能量梯級利用的效率和可靠性。根據(jù)溫度不同將熱能分為不同品位，遵循“溫度對口”原則對各熱負荷輸入合適品位的熱能。按照能量品位高低進行梯級利用，從總體上安排好電能、熱能、冷能等各種能量間的耦合關系，綜合利用好各種能源以提升能源的利用效率和綜合能源系統(tǒng)的經(jīng)濟性。

基于能量梯級利用原理，提出一種含HTHP 的梯級利用策略。CCHP 機組中，天然氣在燃燒室中可產(chǎn)生1 100 ℃以上的高溫煙氣，進入燃氣輪機膨脹做功帶動發(fā)電機發(fā)電，排出530 ℃高溫煙氣通過余熱鍋爐加以利用向外提供蒸汽，對余熱鍋爐排出的120 ℃低溫煙氣進行回收用于制備熱水。HTHP 在電能的驅(qū)動下，實現(xiàn)將中溫熱水轉化為高溫蒸汽，最高可達150 ℃，HTHP 與CCHP 機組一起滿足工業(yè)園區(qū)的蒸汽需求，增加的中溫熱水負荷由電熱泵進行供能，實現(xiàn)電熱耦合及能量梯級利用。所提的梯級利用策略能量流結構如附錄A 圖A1 所示。

2.2 HTHP 能量品位轉換模型

HTHP 能量轉換如圖2 所示。通過HTHP，實現(xiàn)電能與熱能之間的相互轉換，以及不同品位熱能之間的轉換，在電能的驅(qū)動下將低品位熱能中溫熱水轉化為中高品位熱能高溫蒸汽。在轉換過程中，設備驅(qū)動側輸入的高品位能量以一定的能效比系數(shù)轉換至被加熱側，提升被加熱側的熱能品位。

圖2 HTHP 能量轉換示意圖Fig.2 Schematic diagram of energy conversion of HTHP

基于熱能比焓定義和能量守恒定理，分析不同品位能量間的能量耦合關系如式（3）所示，從而求出基于比例系數(shù)如式（4）所示。據(jù)此，可在HTHP 原有數(shù)學模型基礎上，對其輸入輸出模型進行如式（5）所示的改進，構建其能量品位轉換模型。

式中:PHTHP，in（t）為t時段HTHP 驅(qū)動側輸入的電能；HHTHP，heated（t）和HHTHP，out（t）分別為t時段HTHP 被加熱側輸入和輸出熱能；mHTHP，out（t）為t時段被加熱側輸 出 的 工 質(zhì) 流 量；hbase為 常 溫 水 比 焓；hHTHP，heated和hHTHP，out分別為被加熱側輸入及輸出的熱能比焓；Δt為單位調(diào)度時段；RHTHP為HTHP 基于比例系數(shù)，是HTHP 被加熱側輸入熱能與驅(qū)動側輸入電能的比值，與CHTHP、hHTHP，heated及hHTHP，out有關。

3 含HTHP 的風電消納調(diào)度策略

3.1 考慮HTHP 消納風電的工作過程

CCHP 機組運行于“以熱定電”的固定效率模式下，根據(jù)熱負荷需求確定機組的電出力，但無法根據(jù)熱電負荷變化靈活調(diào)整機組出力。該區(qū)域綜合能源系統(tǒng)熱電供需矛盾突出，夜間風電高發(fā)時，蒸汽負荷需求較高，而電負荷處于低谷，CCHP 機組為滿足蒸汽負荷供能需求，系統(tǒng)必須棄風限電來保障CCHP機組穩(wěn)定運行，造成風電資源大量浪費。為減少夜間棄風現(xiàn)象，在系統(tǒng)中引入HTHP，構成風電-HTHP 供熱系統(tǒng)以優(yōu)化供熱結構，其系統(tǒng)結構如附錄A 圖A2 所示。HTHP 消納風電對蒸汽負荷進行供能，增加了系統(tǒng)電負荷低谷時期的用電量，并與CCHP 機組共同承擔蒸汽負荷的能量需求，解耦了CCHP 機組“以熱定電”的運行約束，減少了CCHP機組在夜間風電高發(fā)時的熱電耦合發(fā)電功率，促進了風電消納。

3.2 風電-HTHP 供熱系統(tǒng)風電消納量評估

風電-HTHP 供熱系統(tǒng)從兩個方面來促進風電消納。HTHP 作為用電負荷消納的風電功率為ΔP1，HTHP 與CCHP 機 組 共 同 承 擔 蒸 汽 負 荷 能 量需求后，CCHP 機組熱電耦合發(fā)電功率減少的部分為ΔP2。ΔP1與ΔP2共同構成風電消納提升空間，其數(shù)學表達式為:

式中:PW，HTHP（t）為t時段HTHP 消納的風電功率；tqf為調(diào)度過程中的棄風時段集合；ηGT和ηext分別為燃氣輪機發(fā)電效率和抽氣比例系數(shù)。

在系統(tǒng)中引入容量為30 kW 的HTHP，其他系統(tǒng)參數(shù)詳見后文具體算例。結合具體算例的調(diào)度結果，以夜間00:00—01:00 時段為例，HTHP 作為用電負荷消納的電功率ΔP1為30 kW，在HTHP 分擔蒸汽負荷能量需求下，CCHP 機組電出力由404 kW減少為296 kW，CCHP 機組熱電耦合發(fā)電功率減少的部分ΔP2為108 kW，風電出力消納量由223 kW升高至325 kW。為保證系統(tǒng)能量供需平衡，向電網(wǎng)售賣的功率大幅度減少，驗證了該調(diào)度策略從ΔP1與ΔP2兩方面有效促進了系統(tǒng)風電消納，提升了系統(tǒng)經(jīng)濟性。

4 綜合能源系統(tǒng)隨機優(yōu)化調(diào)度模型

風電具有較強的不確定性，難以準確預測。針對該問題，機會約束目標規(guī)劃（CCGP）具有較好的適用性。CCGP 利用概率形式的機會約束處理風電隨機出力，該模型中包含置信水平和目標偏差量，能夠綜合考慮系統(tǒng)調(diào)度計劃與風電消納區(qū)間，從而調(diào)節(jié)風電消納區(qū)間、優(yōu)化機組運行。為保障模型的一般性，充分考慮風電不確定性，基于CCGP 理論構建綜合能源系統(tǒng)隨機優(yōu)化調(diào)度模型。

4.1 風電出力預測誤差模型

本文研究重點為含風電綜合能源系統(tǒng)的優(yōu)化調(diào)度。選取風電預測功率誤差（即風電出力實際值與預測值的偏差）作為研究對象，利用正態(tài)分布描述風電預測誤差，分布參數(shù)利用文獻［23］中的經(jīng)驗公式計算得到。具體如下:

式中:ew為風電預測誤差，服從均值為μ、方差為σ的正態(tài)分布；Pwv，r和Pwv分別為風電出力觀測值和預測值；Wwv為風電額定裝機容量。

4.2 基于CCGP 的風險備用模型

由于風電預測存在誤差，需預留相應的備用容量以保障系統(tǒng)運行的安全可靠性。本文考慮燃氣輪機預留一定的正、負備用容量，建立基于CCGP 的風險備用模型如下:

式 中:CCCGP為 風 險 成 本；T為 系 統(tǒng) 調(diào) 度 周 期；uwind和uload分別為棄風風險系數(shù)和失負荷風險系數(shù)；dload（t）和dwind（t）分別為實際配置的正負備用容量和滿足概率要求所需備用容量的差額，對應于失負荷風險和棄風風險；Pres，up（t）和Pres，dw（t）分別為系統(tǒng)正備用和負備用；β為備用容量設置約束條件需要滿足的置信度；PGT（t）和PES（t）分別為t時段燃氣輪機輸出的電功率和儲能裝置功率；Pwv（t）和PEX（t）分別為t時段風能發(fā)電功率和系統(tǒng)與主網(wǎng)間的交互功率；PEL(t)為t時 段 的 電 負 荷；PHP（t）為t時 段 電 熱 泵 消耗的電功率；ew（t）為t時段風電預測誤差功率。

4.3 模型線性形式轉化

上述基于CCGP 的風險備用模型為含有概率約束的非線性規(guī)劃問題。文獻［24］中的定理指出，當機會約束內(nèi)不等式中的隨機變量可以從多項式中分離時，可實現(xiàn)將機會約束由不確定形式向確定形式的轉化。基于此，dwind（t）、dload（t）可轉化為如下確定形式:

式中:φ(?)為隨機變量ew的概率分布函數(shù)。

4.4 隨機優(yōu)化模型

4.4.1 目標函數(shù)

本文將一天劃分為24 個時段。以系統(tǒng)調(diào)度周期內(nèi)總運行成本最小為目標，求解各機組最優(yōu)出力以制定區(qū)域綜合能源系統(tǒng)調(diào)度計劃，目標函數(shù)如式（13）所示，各項成本的具體計算公式如附錄A 式（A1）所示。

式中:Call為系統(tǒng)調(diào)度周期內(nèi)的總運行成本；CFC為系統(tǒng)購買天然氣成本；COC為系統(tǒng)運行維護成本；CEN為系統(tǒng)環(huán)境保護成本；CEX為系統(tǒng)與主電網(wǎng)交互成本；CWD為系統(tǒng)棄風懲罰成本；Cres為備用成本。

4.4.2 約束條件

運行時需保證各母線上的能量供需平衡，能源設備運行過程中需滿足最大、最小功率約束與爬坡功率約束，系統(tǒng)與主網(wǎng)間的交互需滿足售購電功率及狀態(tài)約束，儲能設備需滿足儲能狀態(tài)及充放能功率約束。具體的約束條件如附錄A 式（A2）—式（A5）所示。

在隨機優(yōu)化調(diào)度模型中，將附錄A 式（A2）中電功率的確定性約束條件用式（12）所示的備用容量機會約束條件替換，其他約束條件仍需嚴格滿足確定性條件?？紤]燃氣輪機預留一定的正負備用容量，約束條件如下:

4.5 削峰填谷指標及節(jié)能性指標

為進一步驗證本文所提調(diào)度方法的優(yōu)勢，對不同場景下綜合能源系統(tǒng)削峰填谷及節(jié)能性指標進行計算分析。削峰填谷指標［15，25］采用相鄰時段內(nèi)電負荷變化率的平方和進行表征，該值越小，表明所提調(diào)度方法削減系統(tǒng)負荷峰谷差值效果越好，供電可靠性越高。節(jié)能性指標［26］采用系統(tǒng)總的能源利用效率進行評估，該指標可反映系統(tǒng)對常規(guī)能源及可再生能源利用的情況，能源利用效率提高，表明可再生能源消納量增加，所消耗的非可再生一次能源相應降低。系統(tǒng)削峰填谷及節(jié)能性指標計算公式為:

式中:FEL和ηrise分別為綜合能源系統(tǒng)削峰填谷指標和能源利用率；PEL，all（t）和PEL，all（t―1）分別為t時段和t―1 時段的總電負荷（計及蓄電池、電熱泵及HTHP 作用）；ηp和ηg分別為發(fā)電廠平均供電效率及電網(wǎng)輸電效率；PSL（t）和PHL（t）分別為t時段蒸汽負荷和熱負荷；Pbuy（t）和Psell（t）分別為t時段系統(tǒng)向主網(wǎng)購電功率和售電功率。

5 算例分析

5.1 算例參數(shù)

本文以中國江蘇省沿海某工業(yè)園區(qū)綜合能源系統(tǒng)為研究對象進行分析，系統(tǒng)中包含燃氣輪機、電熱泵、HTHP、儲熱水罐、蓄電池等設備，協(xié)同供應系統(tǒng)中的電負荷、蒸汽負荷及熱水負荷。為驗證綜合能源系統(tǒng)中引入HTHP 可促進風電消納及提升能源利用率，本文僅進行一天24 h 的典型日各設備日前出力情況分析，以1 h 劃分調(diào)度子時段，系統(tǒng)各機組參數(shù)如附錄B 表B1 所示，儲能設備參數(shù)如表B2 所示，污染物排放及處理費用數(shù)據(jù)如表B3 所示。系統(tǒng)中負荷與可再生能源出力預測如圖B1 所示，其中，風力發(fā)電及電負荷為電功率，蒸汽負荷及熱水負荷為熱功率。

發(fā)電廠平均供電效率為0.35，電網(wǎng)輸電效率為0.9；單位棄風懲罰成本為0.03 元/（kW·h）；天然氣價格及低熱值分別為2.54 元/m3和9.7（kW·h）/m3。結合該系統(tǒng)年發(fā)電量數(shù)據(jù)，選取22:00—24:00、00:00—07:00 為 谷 時 段，07:00—16:00 為 平 時 段，16:00—22:00 為峰時段，與主網(wǎng)交互的分時電價如附錄B 圖B2 所示。綜合考慮系統(tǒng)安全性和經(jīng)濟性，設置uwind為1、uload為3，優(yōu)先管控失負荷風險，設置燃氣輪機正負備用最大容量為實際電負荷的15%，給定置信度為97%。

本文對該區(qū)域綜合能源系統(tǒng)3 個場景下的調(diào)度結果進行對比分析，以驗證所提調(diào)度方法的優(yōu)勢。場景1 為傳統(tǒng)的綜合能源系統(tǒng)供能結構，場景2 考慮HTHP 進行熱電優(yōu)化，場景3 考慮HTHP 進行熱電優(yōu)化及其梯級優(yōu)化模型。

5.2 調(diào)度結果分析

1）場景1 調(diào)度結果

場景1 采用傳統(tǒng)的三聯(lián)供供能結構，不含HTHP，該場景下系統(tǒng)電負荷由電網(wǎng)交互功率、CCHP 機組電出力、風電出力及蓄電池共同滿足，蒸汽負荷由CCHP 機組熱出力供能，熱水負荷由電熱泵及儲熱水罐進行供應，其電功率優(yōu)化調(diào)度結果如圖3 所示。為滿足蒸汽負荷的供能需求，CCHP 機組受“以熱定電”約束，其電出力無法自主調(diào)節(jié)。蓄電池在電價谷、平時段充能，在電價峰時段放能，參與供電調(diào)節(jié)。夜間風電處在高發(fā)階段，CCHP 機組電出力隨蒸汽負荷變化，系統(tǒng)與主網(wǎng)之間交互功率達到上限，棄風風險較大，導致調(diào)度成本較高。

圖3 場景1 優(yōu)化調(diào)度結果Fig.3 Optimal dispatch results in scenario 1

在隨機優(yōu)化調(diào)度模型中，電功率平衡的確定性約束條件被備用容量機會約束條件替代，機組出力的優(yōu)化結果加上正、負備用容量后，以一定的置信度滿足機會約束條件。圖3 中的總輸出電功率與總電力負荷之間的功率差額分別由燃氣輪機預留的正、負備用功率進行平衡，此時求解隨機優(yōu)化模型得到的機組電功率出力安排是可靠的，預留備用功率優(yōu)化結果如附錄B 圖B3 所示。

場景1 中的失負荷風險與棄風風險如附錄B 圖B4 所示。由于優(yōu)先管控失負荷風險，且夜間風電高發(fā)，電負荷處于低谷，失負荷風險被完全消除，但棄風風險未完全消除。若繼續(xù)增加備用容量，則棄風風險有機會被進一步消除。

2）場景2 調(diào)度結果

場景2 在傳統(tǒng)的綜合能源系統(tǒng)供能結構中引入新的電熱耦合設備HTHP，需對其容量配置進行定量分析。HTHP 容量配置對綜合能源系統(tǒng)運行棄風成本影響如附錄B 表B4 所示。對于其他季節(jié)的典型日，需結合系統(tǒng)運行經(jīng)濟性及供電可靠性合理進行HTHP 的容量配置。

為充分保障系統(tǒng)供電可靠性，系統(tǒng)優(yōu)先管控失負荷風險，當HTHP 配置容量達到一定數(shù)值時，受限于電力功率的備用容量機會約束條件，無法進一步促進系統(tǒng)風電消納。為驗證本文所提調(diào)度方法的優(yōu)勢，僅構建了一個較小的工業(yè)園區(qū)架構，故HTHP在30 kW 時就達到消納上限，在實際工業(yè)園區(qū)中，可根據(jù)園區(qū)規(guī)模進行HTHP 容量配置。由附錄B表B4 可知，隨著HTHP 配置容量的增加，系統(tǒng)棄風成本呈下降趨勢，驗證了在綜合能源系統(tǒng)中引入HTHP 可有效促進風電消納并提升系統(tǒng)運行經(jīng)濟性。在HTHP 配置容量為30 kW 時，棄風成本達到最小。

基于上述HTHP 容量配置的定量分析，在供能結構中配置HTHP 的容量為30 kW，以解耦CCHP機組“以熱定電”的運行約束，與CCHP 機組共同滿足蒸汽熱泵的供能需求，該場景下電功率優(yōu)化調(diào)度結果如圖4 所示，蒸汽優(yōu)化調(diào)度結果如附錄B 圖B5所示，預留備用功率優(yōu)化結果及失負荷風險和棄風風 險 結 果 如 圖B6、圖B7 所 示。22:00—24:00、00:00—07:00 為電價谷時段，系統(tǒng)售電電價低于CCHP 機組發(fā)電成本，HTHP 制熱成本較低，此時HTHP 全部滿發(fā)，給蒸汽負荷供能，以降低CCHP機組電出力，增加電價谷時段的用電負荷，從而起到填谷的作用，提升系統(tǒng)風電消納能力。蓄電池在電價谷時段結束前將電量充滿。

圖4 場景2 優(yōu)化調(diào)度結果Fig.4 Optimal dispatch results in scenario 2

07:00—16:00 為電價平時段，系統(tǒng)購售電電價高于CCHP 機組發(fā)電成本，采用CCHP 機組優(yōu)先供電較為經(jīng)濟，蒸汽負荷優(yōu)先由CCHP 機組進行供能。在07:00—11:00 時段，系統(tǒng)與主網(wǎng)之間售電功率達到上限，調(diào)用HTHP 進行供能，消納系統(tǒng)內(nèi)多余的風電，提高系統(tǒng)運行的經(jīng)濟性。16:00—22:00為電價峰時段，蓄電池放電輔助調(diào)峰，此時系統(tǒng)購售電電價較高，蒸汽負荷全部由CCHP 機組進行供能，HTHP 停止供能。

3）場景3 調(diào)度結果

場景3 在場景2 基礎上考慮HTHP 能量品位轉換模型，優(yōu)化調(diào)度結果如圖5（a）和（b）所示，蒸汽優(yōu)化調(diào)度結果如附錄B 圖B8 所示，預留備用功率優(yōu)化結果及失負荷風險和棄風風險結果如圖B9、圖B10所示。此場景中充分考慮HTHP 對不同品位能量的耦合轉化作用，在電價谷時段，HTHP 盡可能多發(fā)，消納風電將熱水轉化為蒸汽，增加了該時段熱水負荷，提升HTHP 制熱量，實現(xiàn)高效的電熱耦合轉化，提升系統(tǒng)能源利用效率。在07:00—08:00 時段，系統(tǒng)內(nèi)存在棄風，調(diào)用HTHP 供能消納多余的風電。儲熱水罐在電價平時段通過電熱泵制熱儲存熱水，在電價峰時段釋熱。

5.3 風電消納

系統(tǒng)引入HTHP 后的風電消納情況如附錄B圖B11 所示，驗證了本文所提調(diào)度策略從HTHP 作為電負荷增加功率ΔP1與CCHP 機組“熱電耦合”減少功率ΔP2兩方面促進風電消納。為保證系統(tǒng)調(diào)度功率的平衡，波動的功率與電網(wǎng)進行交互或由蓄電池進行存儲。

3 種場景下的系統(tǒng)棄風風險如附錄B 圖B12 所示。場景1 下，由于電負荷與風電出力不匹配以及受CCHP 機組“以熱定電”運行約束，棄風風險最大；場景2、3 下，系統(tǒng)棄風風險在03:00—11:00 時段較場景1 明顯降低，驗證了HTHP 進行熱電優(yōu)化可促進系統(tǒng)風電消納，有效降低了系統(tǒng)內(nèi)棄風風險。

5.4 不同場景經(jīng)濟性分析

3 種場景下的日費用對比如表1 所示。由表1可知，場景3 較場景1 備用成本上升了8.23%，風險成本下降了16.75%，棄風懲罰成本下降了16.75%，環(huán)境成本下降了12.32%，總成本下降了6.47%，驗證了采用HTHP 這種高能效比設備進行熱電優(yōu)化并考慮其梯級優(yōu)化模型能夠帶來良好的社會經(jīng)濟效益。

表1 各場景日費用對比Table 1 Comparison of daily expenses in each scenario

5.5 負荷率及節(jié)能率對比

各場景下的削峰填谷及節(jié)能性指標對比如表2所示。相較于場景1，場景2、3 中的削峰填谷指標分別降低了7.54%和18.55%，驗證了所提調(diào)度方法可實現(xiàn)削峰填谷，提升了系統(tǒng)供電可靠性。場景3 較場景1 能源利用率提升了10.73%，主要原因是HTHP 進行熱電優(yōu)化，解耦了CCHP 機組運行約束，促進了系統(tǒng)內(nèi)風電消納。考慮HTHP 的能源梯級利用模型，在電能驅(qū)動下將低品位熱能轉化為高品位熱能，具有高效的電熱耦合轉化作用，從而大幅提升了系統(tǒng)內(nèi)的能源利用效率。

表2 各場景下的削峰填谷及能源利用率指標對比Table 2 Comparison of indices of peak shaving and valley filling and energy utilization rate in each scenario

6 結語

本文針對工業(yè)園區(qū)存在能源利用效率較低問題和棄風現(xiàn)象，提出一種含HTHP 的綜合能源系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度方法。針對風電具有較強不確定性，建立隨機優(yōu)化調(diào)度模型，以中國江蘇省沿海某工業(yè)園區(qū)綜合能源系統(tǒng)為例進行研究分析。得到主要結論如下:

1）HTHP 具有高能效比，可有效進行電熱轉換，在系統(tǒng)中引入HTHP 并進行合理的容量配置，可有效提升系統(tǒng)風電消納能力及系統(tǒng)運行的經(jīng)濟性；

2）充分挖掘HTHP 不同品位能源之間的耦合轉換關系，構建了HTHP 能量品位轉換模型，實現(xiàn)了能量梯級利用并有效提升了系統(tǒng)能源利用效率；

3）考慮風電預測誤差，系統(tǒng)預留一定的備用容量，可有效提高系統(tǒng)運行的可靠性；

4）與傳統(tǒng)綜合能源系統(tǒng)供能結構相比，本文所提調(diào)度方法日運行費用更低，能帶來更好的社會經(jīng)濟效益。

本文尚未考慮熱電負荷的隨機性，將在后續(xù)研究中考慮建立計及負荷不確定性因素的優(yōu)化模型，以進一步提升綜合能源系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度的能力。

附錄見本刊網(wǎng)絡版（http：//www.aeps-info.com/aeps/ch/index.aspx），掃英文摘要后二維碼可以閱讀網(wǎng)絡全文。