收稿日期：2022-09-14

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金（51967016）；內(nèi)蒙古自治區(qū)科技重大專項(xiàng)項(xiàng)目（2019ZD027）；內(nèi)蒙古自治區(qū)重點(diǎn)研發(fā)和成果轉(zhuǎn)化項(xiàng)目

（2023YFHH0077；2023YFHH0097）

通信作者：任永峰（1971—），男，博士、教授，主要從事新能源發(fā)電、儲(chǔ)能技術(shù)、新型電力系統(tǒng)運(yùn)行與控制方面的研究。

renyongfeng@vip.sina.com

DOI：10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-1394 文章編號(hào)：0254-0096（2023）12-0552-08

摘 要：為提高綜合能源系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)效益和運(yùn)行靈活性，從源-儲(chǔ)-荷3個(gè)層面研究分析綜合能源系統(tǒng)運(yùn)行機(jī)理，構(gòu)建含太陽能熱發(fā)電站、電轉(zhuǎn)氣及可控負(fù)荷在內(nèi)的綜合能源系統(tǒng)協(xié)調(diào)優(yōu)化調(diào)度模型。首先，提出電耦合太陽能熱發(fā)電站，實(shí)現(xiàn)電-熱能量轉(zhuǎn)換以及熱能存儲(chǔ)一體化；其次，建立電轉(zhuǎn)氫氣與電轉(zhuǎn)天然氣的雙層能量?jī)?yōu)化控制策略，為可再生能源存儲(chǔ)及消納提供新的途徑；最后，綜合考慮電負(fù)荷需求響應(yīng)及熱柔性負(fù)荷的影響機(jī)制，有效提高負(fù)荷側(cè)供給可靠性。依托內(nèi)蒙古某工業(yè)園區(qū)實(shí)際數(shù)據(jù)，驗(yàn)證多場(chǎng)景、多能源配置下的調(diào)度可行性。結(jié)果顯示，考慮可控負(fù)荷的調(diào)度模型可有效降低工業(yè)園區(qū)運(yùn)行成本，減少CO2排放，實(shí)現(xiàn)綜合能源系統(tǒng)的協(xié)同調(diào)度。

關(guān)鍵詞：綜合能源系統(tǒng)；太陽能熱發(fā)電站；電轉(zhuǎn)氣；需求響應(yīng)；優(yōu)化調(diào)度

中圖分類號(hào)：TK519""""""""""""" """""" """"""""文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引 言

在環(huán)境污染問題和能源危機(jī)問題日益嚴(yán)重的背景下，可再生能源發(fā)電占據(jù)愈發(fā)重要的地位［1-2］。高比例可再生能源的接入不僅會(huì)對(duì)電力系統(tǒng)造成沖擊，而且可再生能源的棄用現(xiàn)象也十分嚴(yán)重，電能流、氫能流、熱能流等能流協(xié)同技術(shù)的出現(xiàn)為可再生能源消納提供了新的研究方向［3］。綜合能源系統(tǒng)（integrated energy system，IES）在實(shí)現(xiàn)可持續(xù)能源發(fā)展和碳中和的方面發(fā)揮著重要作用［4］。構(gòu)建IES是貫徹落實(shí)中國(guó)能源安全新戰(zhàn)略、實(shí)現(xiàn)“30、60”雙碳?xì)夂驊?yīng)對(duì)目標(biāo)的重大需要［5］。

目前針對(duì)IES調(diào)度優(yōu)化問題已有諸多學(xué)者展開研究，但關(guān)注點(diǎn)往往集中于IES“源-儲(chǔ)-荷”其中的一側(cè)。供給側(cè)方面：電耦合太陽能熱發(fā)電站（concentrating solar power，CSP）作為靈活性電源具有提供系統(tǒng)備用與消納可再生能源的能力與作用。文獻(xiàn)［6］將電鍋爐耦合進(jìn)CSP電站將多余電能轉(zhuǎn)換為熱能，利用CSP電站儲(chǔ)熱系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)能量存儲(chǔ)，降低了熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組的調(diào)度壓力，提高了系統(tǒng)風(fēng)電利用率。太陽能熱發(fā)電站因其獨(dú)特的工作原理，具有良好的調(diào)度特性。文獻(xiàn)［7］將電加熱器與含儲(chǔ)熱的CSP電站聯(lián)合運(yùn)行，考慮電加熱器與CSP電站共同為系統(tǒng)提供旋轉(zhuǎn)備用，可有效提高系統(tǒng)調(diào)度靈活性并降低系統(tǒng)對(duì)火電機(jī)組的依賴。文獻(xiàn)［8-9］通過將CSP電站引入IES，提升了可再生能源的消納水平、提高了CSP機(jī)組的利用率、降低了系統(tǒng)碳排放。儲(chǔ)能側(cè)方面：雙層電轉(zhuǎn)氣（power-to-gas，P2G）系統(tǒng)在具有儲(chǔ)能功能的同時(shí)可實(shí)現(xiàn)能量多向流動(dòng)。文獻(xiàn)［10］中P2G技術(shù)不僅有利于解決可再生能源消納問題，而且可進(jìn)一步加深不同能源網(wǎng)絡(luò)之間的耦合，但全過程P2G能量轉(zhuǎn)換率較低，不利于能源高效利用。為此，文獻(xiàn)［11］在電-氣綜合能源系統(tǒng)中提出分級(jí)P2G系統(tǒng)，將電轉(zhuǎn)天然氣過程細(xì)分為電制氫氣和氫氣制天然氣兩步，并分別與氫燃料電池和微型燃?xì)鈾C(jī)形成雙能量閉環(huán)流動(dòng)圈，實(shí)現(xiàn)能量的多向流動(dòng)及梯級(jí)利用，但應(yīng)用場(chǎng)景較為簡(jiǎn)單。文獻(xiàn)［12］考慮可再生能源出力的隨機(jī)性，日前優(yōu)化調(diào)度含P2G混合儲(chǔ)能系統(tǒng)的綜合能源系統(tǒng)，在減少系統(tǒng)碳排放的同時(shí)提高了系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性。負(fù)荷側(cè)方面：挖掘可控負(fù)荷的運(yùn)行靈活性?？紤]熱柔性負(fù)荷在不破壞用戶體驗(yàn)的同時(shí)減少能源浪費(fèi)?？紤]負(fù)荷側(cè)需求響應(yīng)有利于實(shí)現(xiàn)可再生能源發(fā)電的最大利用，提高可再生能源發(fā)電吸收率［13］。文獻(xiàn)［14］建立了電熱柔性負(fù)荷模型，所提優(yōu)化模型及策略具有較高的經(jīng)濟(jì)性與環(huán)保性，但未考慮到用戶的用熱體驗(yàn)。文獻(xiàn)［15］建立了以溫度為調(diào)控標(biāo)準(zhǔn)的熱柔性負(fù)荷模型，證明了熱柔性負(fù)荷是一種高效、低碳的供能手段。需求響應(yīng)需要合理的分時(shí)電價(jià)引導(dǎo)。文獻(xiàn)［16］針對(duì)負(fù)荷聚類劃分峰谷時(shí)段并制定合理分時(shí)電價(jià)，提出從供需平衡的角度定義運(yùn)行靈活性評(píng)價(jià)指標(biāo)，但未考慮到用戶的用電體驗(yàn)。文獻(xiàn)［17］從用戶角度出發(fā)，引入用戶滿意度，不僅考慮網(wǎng)側(cè)的調(diào)度情況，同時(shí)考慮節(jié)約用電、減少開支和提高用戶的滿意度。隨著可再生能源裝機(jī)滲透率的不斷提高，綜合能源系統(tǒng)的調(diào)度靈活性不斷降低，從源-儲(chǔ)-荷三個(gè)方面提升綜合能源系統(tǒng)靈活性是應(yīng)對(duì)高比例可再生能源接入的關(guān)鍵。

在現(xiàn)有研究基礎(chǔ)上，本文從源-儲(chǔ)-荷三個(gè)方面考慮如何提高IES經(jīng)濟(jì)性和低碳性，提出考慮可控負(fù)荷的含電耦合CSP電站和雙層電轉(zhuǎn)氣的IES優(yōu)化調(diào)度模型。將上述IES模型經(jīng)YAMLIP工具箱導(dǎo)入Matlab平臺(tái)，輸入不同可再生能源裝機(jī)滲透率，在不同場(chǎng)景下調(diào)用CPLEX商業(yè)求解器求解，驗(yàn)證所提策略的有效性。

1 綜合能源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及模型搭建

含太陽能熱發(fā)電站、電轉(zhuǎn)氣及可控負(fù)荷在內(nèi)的綜合能源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及具體能量流動(dòng)展現(xiàn)如圖1所示。其中，發(fā)電機(jī)組由可再生能源機(jī)組（風(fēng)電、光伏和塔式太陽能熱發(fā)電站）與化石能源機(jī)組（燃煤火電）組成；主要供熱裝置包括火電余熱收集、光熱余熱收集、燃?xì)忮仩t；儲(chǔ)能設(shè)備包括氫能儲(chǔ)存以及熱能儲(chǔ)存；系統(tǒng)負(fù)荷包括電負(fù)荷、熱負(fù)荷。

1.1 電熱耦合的太陽能熱發(fā)電站

電耦合CSP電站由太陽能匯集裝置、太陽能吸收裝置、電耦合裝置、換熱裝置和熱電聯(lián)供機(jī)組組成（電耦合是指增加一條由低溫熔鹽電加熱轉(zhuǎn)變?yōu)楦邷厝埯}的通道）。由鏡場(chǎng)將太陽光聚集到集熱塔上，再將300 ℃低溫熔鹽抽至集熱塔塔頂吸收太陽光的能量，并將升溫到500 ℃的熔融鹽儲(chǔ)存到高溫熔鹽罐中，實(shí)現(xiàn)對(duì)棄風(fēng)、棄光功率的轉(zhuǎn)換和熱能儲(chǔ)存。在負(fù)荷需求高峰期由高溫熔鹽在換熱裝置中加熱蒸汽，使蒸汽輪機(jī)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)提供能量如圖2所示。根據(jù)質(zhì)量守恒定律建立數(shù)學(xué)模型：

[Ml（t+1）=Mlt-Mgt-Meht+MrtMh（t+1）=Mht+Mgt+Meht-Mrt]""" （1）

式中：[Ml]——低溫熔鹽罐中熔融鹽質(zhì)量；[Mg]——進(jìn)出集熱塔的熔融鹽質(zhì)量；[Meh]——進(jìn)出電加熱器的熔融鹽質(zhì)量；[Mr]——進(jìn)出換熱裝置的熔融鹽質(zhì)量；[Mh]——高溫熔鹽罐中熔融鹽質(zhì)量。

1.2 雙層電轉(zhuǎn)氣

P2G技術(shù)主要分為電轉(zhuǎn)氫氣和電轉(zhuǎn)天然氣兩種，電轉(zhuǎn)氫氣是電解水生成氫氣和氧氣[2H2O→e2H2+O2]，電轉(zhuǎn)天然氣是在電轉(zhuǎn)氫氣的基礎(chǔ)上，通過薩巴蒂埃催化反應(yīng)生成水和甲烷[CO2+4H2→CH4+2H2O]［10］?；谀芰刻菁?jí)利用思想，以雙層電轉(zhuǎn)氣儲(chǔ)能系統(tǒng)助力可再生能源消納，具體流程為：將棄風(fēng)棄光電量經(jīng)電解槽轉(zhuǎn)換為氫氣，儲(chǔ)存在儲(chǔ)氫罐內(nèi)以備高峰期經(jīng)燃料電池回饋電網(wǎng)。若棄風(fēng)棄光電量過多，使儲(chǔ)氫系統(tǒng)不能完全消納，可將氫氣與二氧化碳反應(yīng)生產(chǎn)天然氣，再由天然氣管道運(yùn)輸，如圖3所示盡可能多地消納可再生能源。

1.3 可控負(fù)荷

1.3.1 電負(fù)荷需求響應(yīng)

本文電負(fù)荷需求響應(yīng)分為價(jià)格型和激勵(lì)型，價(jià)格型指通過對(duì)電價(jià)的調(diào)控引導(dǎo)用戶的用電時(shí)段和習(xí)慣。而激勵(lì)型是指在電力系統(tǒng)備用不足時(shí)，通過削減用戶負(fù)荷達(dá)到用電平衡的同時(shí)用戶可得到相應(yīng)的經(jīng)濟(jì)補(bǔ)償。價(jià)格型響應(yīng)打破了傳統(tǒng)的源隨荷動(dòng)，而激勵(lì)型負(fù)荷保證了系統(tǒng)的緊急功率平衡，與此同時(shí)引入用電滿意度機(jī)制，從用電用戶角度出發(fā)，避免過度考慮經(jīng)濟(jì)因素而導(dǎo)致的用戶體驗(yàn)下降過大，而且有利于價(jià)格型和激勵(lì)型響應(yīng)的協(xié)調(diào)調(diào)度。

[PL=Pf+Pj+Pvt=1Tpjqt?Δt=t=1Tpjht?Δtmt=plqt-plhtpLqtC5=Get?pLt+λm?mt-λv?pvt]""""" （2）

式中：[PL]——總電負(fù)荷，MW；[Pf]——固定負(fù)荷，MW；[Pj]——價(jià)格型負(fù)荷，MW；[Pv]——激勵(lì)型負(fù)荷，MW；[pjq]、[pjh]——需求響應(yīng)前后價(jià)格型負(fù)荷，MW；[plq]、[plh]——需求響應(yīng)前后總電負(fù)荷，MW；[C5]——電負(fù)荷需求響應(yīng)用戶綜合成本，元/MW；[Ge]——分時(shí)電價(jià)，元/MW；[λm]——滿意度懲罰，元；[λv]——激勵(lì)負(fù)荷懲罰，元/MW。

1.3.2 熱柔性負(fù)荷響應(yīng)

人體對(duì)于室內(nèi)溫度的變化感知并不靈敏，這就使得室溫在一定溫度范圍內(nèi)小速率變化，并不會(huì)影響用戶的用熱體驗(yàn)。故在調(diào)度周期內(nèi)優(yōu)化室溫變化曲線，有利于IES低碳性和經(jīng)濟(jì)性的實(shí)現(xiàn)。根據(jù)熱力學(xué)第一定律原理，構(gòu)建模型：

[HL=Hf+HrQroomt+1-Qroomt=Δt?hrt-Rr?Tint-TouttTint=QroomtCairTmin≤Tint≤TmaxTv min≤Tint+1-Tint≤Tv min]"""""" （3）

式中：[HL]——總熱負(fù)荷，MW；[Hf]——固定熱負(fù)荷，MW；[Hr]——熱柔性負(fù)荷，MW；[Qroom]——室內(nèi)空氣所含內(nèi)能，MWh；[Rr]——等效熱阻，℃/MW；[Tin]——室內(nèi)溫度，℃；[Tout]——室外溫度，℃；[Cair]——室內(nèi)空氣等效比熱容，MWh/℃；[Tmin]、[Tmax]——室內(nèi)溫度上下限，℃；[Tvmin]、[Tvmax]——溫度變化速率上下限，℃。

1.3.3 電、熱負(fù)荷協(xié)調(diào)響應(yīng)

在綜合能源系統(tǒng)運(yùn)行過程中，各系統(tǒng)互聯(lián)互通，相互影響。在熱能需求高峰期，為了滿足熱能系統(tǒng)平衡，熱電聯(lián)供機(jī)組需在輸出更多熱能的同時(shí)也產(chǎn)生更多電能，而此時(shí)電能需求可能處于低谷期，或是與可再生能源高峰期重疊，就會(huì)導(dǎo)致電能系統(tǒng)功率過剩。那么在電能系統(tǒng)需求高峰期或是可再生能源低谷期，也同樣會(huì)影響到熱能系統(tǒng)的運(yùn)行。這就需要電熱負(fù)荷協(xié)調(diào)響應(yīng)，方案有3個(gè)：

1）熱負(fù)荷不變，電負(fù)荷需求響應(yīng)。由電負(fù)荷調(diào)峰平谷，使電負(fù)荷曲線更加適應(yīng)熱負(fù)荷曲線變化或可再生能源的變化規(guī)律。

2）電負(fù)荷不變，熱柔性負(fù)荷響應(yīng)。調(diào)整熱負(fù)荷曲線峰谷需求，通過耦合進(jìn)太陽能熱發(fā)電站的電熱能量轉(zhuǎn)換通道實(shí)現(xiàn)對(duì)過剩可再生能源的消納。

3）電熱負(fù)荷都響應(yīng)。重新構(gòu)建電、熱負(fù)荷響應(yīng)曲線，選取最佳電、熱負(fù)荷響應(yīng)曲線。

影響電、熱負(fù)荷協(xié)調(diào)響應(yīng)的因素有經(jīng)濟(jì)性和低碳性兩個(gè)，它們均已被考慮進(jìn)目標(biāo)函數(shù)，將由系統(tǒng)選取最佳的協(xié)調(diào)響應(yīng)方案。

2 綜合能源系統(tǒng)調(diào)度模型

2.1 目標(biāo)函數(shù)

本文綜合能源系統(tǒng)中各設(shè)備出力以運(yùn)行成本最低為目標(biāo)，同時(shí)由于需求側(cè)響應(yīng)是用戶導(dǎo)向，以用戶的綜合用電成本最低為目標(biāo)建立目標(biāo)函數(shù)：

[minF=α?C1+C2+C3+C4+β?C5]""" （4）

式中：[F]——系統(tǒng)運(yùn)行總成本；[α、][β]——比例參數(shù)，[α+β=1]（當(dāng)考慮電負(fù)荷需求響應(yīng)時(shí)[α=0.6]、[β=0.4]；當(dāng)不考慮電負(fù)荷需求響應(yīng)時(shí)[α=1]、[β=0]）；[C1]——設(shè)備運(yùn)維成本，元；[C2]——碳處理成本，元；[C3]——能源購(gòu)買成本，元；[C4]——棄風(fēng)棄光成本，元。

2.1.1 設(shè)備運(yùn)維成本

[C1=t=1Ti=1NCw-i?Pit] （5）

式中：[T]——總運(yùn)行時(shí)間，h；N——運(yùn)維設(shè)備數(shù)量；[Cw-i]——[i]設(shè)備的運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用，元/MWh；[Pi]——[i]設(shè)備的出力，MW。

2.1.2 碳處理成本

[C2=λCO2?3.6?λbqCH4?ηb?Hb+λtp?Ptp-λg?PCH4]""""" （6）

式中：[λCO2]——碳匯成本，元/t；[λb]——每立方米天然氣生成的二氧化碳量，t/m3；[qCH4]——天然氣熱值，J/m3；[ηb]——熱效率；[Hb]——燃?xì)忮仩t總出力，MW；[λtp]——單位火力發(fā)電電量碳排放量，t/MWh；[Ptp]——火電總出力，MW；[λg]——電轉(zhuǎn)天然氣碳收益，元/MW；[PCH4]——電轉(zhuǎn)天然氣總出力，MW。

2.1.3 能源購(gòu)買成本

[C3=Gc?μtp?Ptp+GCH4?3.6qCH4?ηb?Hb]"""" （7）

式中：[Gc]——燃煤采購(gòu)價(jià)，元/t；[μtp]——火電發(fā)電單位發(fā)電量的煤耗，t/MWh；[GCH4]——分時(shí)氣價(jià)，元/m3。

2.1.4 棄風(fēng)棄光成本

[C4=λa?Pw-a+Ppv-a]"""" （8）

式中：[λa]——可再生能源棄電量懲罰，元/MW；[Pw-a]——風(fēng)電棄電量，MW；[Ppv-a]——光伏棄電量，MW。

2.2 約束條件

2.2.1 功率平衡約束

[ptpt+pcspt+pwt+ppvt+pfct="""""""" pect+pht+pCH4t+pLthtpt+hcspt+hbt=hLt]"" （9）

式中：[pcsp]——太陽能熱發(fā)電站出力，MW；[pw]——風(fēng)電出力，MW；[ppv]——光伏出力，MW；[pfc]——燃料電池出力，MW；[pec]——電解槽功率，MW；[ph]——電加熱器功率，MW；[pL]——電負(fù)荷，MW；[htp]——火電熱出力，MW；[hcsp]——太陽能熱發(fā)電站熱出力，MW。

2.2.2 設(shè)備啟停約束

[D=oit-oit-1R=t：minT， t+Ton-1oiRange≤1-D]""" （10）

式中：[D]——啟停狀態(tài)指示變量；[oi]——二進(jìn)制變量，表示[i]設(shè)備的啟停狀態(tài)；[R]——啟動(dòng)范圍變量；[Ton]——最小連續(xù)啟動(dòng)時(shí)間。

停止約束與啟動(dòng)約束原理相同，不多贅述。

2.2.3 儲(chǔ)能系統(tǒng)約束

[Qcspmin≤Qcspt≤QcspmaxQcspt+1-ηheat?Qcspt=qmt+pHt-pcsptQcsp1=60]" （11）

式中：[Qcspmin、][Qcspmax]——熱儲(chǔ)系統(tǒng)上、下限，MWh；[Qcsp]——熱能系統(tǒng)儲(chǔ)存能量，MWh；[ηheat]——保溫系數(shù)；[qm]——太陽能熱發(fā)電站鏡場(chǎng)收集熱量值，MWh。

氫儲(chǔ)能系統(tǒng)與熱儲(chǔ)能系統(tǒng)相似，不多贅述。

2.2.4 設(shè)備出力上下限約束

[oi?tPimin≤pit≤oit?Pimax]" （12）

式中：[Pimin]、[Pimax]——[i]設(shè)備的出力上、下限。

2.2.5 機(jī)組爬坡約束

[PiCn≤pit+1-pit≤PiCp]""""" （13）

式中：[PiCn]、[PiCp]——[i]設(shè)備最大向上、向下爬坡功率。

2.2.6 可再生能源約束

[Pwmax=Pw-a+PwPpvmax=Ppv-a+Ppv]"""" （14）

式中：[Pwmax]——風(fēng)電最大可利用出力；[Ppvmax]——光伏的最大可利用出力。

2.2.7 設(shè)備矛盾約束

[ocspt+oht≤1ofct+oht≤1ofct+oect≤1]""""" （15）

該約束是防止儲(chǔ)能系統(tǒng)同時(shí)充放能量。

2.3 求解方法

本文將含有電耦合CSP和雙層電轉(zhuǎn)氣儲(chǔ)能系統(tǒng)的綜合能源系統(tǒng)經(jīng)YAMLIP工具箱導(dǎo)入Matlab平臺(tái)，輸入不同可再生能源裝機(jī)滲透率，在不同場(chǎng)景下調(diào)用CPLEX商業(yè)求解器優(yōu)化各時(shí)段各設(shè)備出力，實(shí)現(xiàn)IES的經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)、碳排放最少。求解流程如圖4所示。

3 算例分析

3.1 系統(tǒng)參數(shù)及場(chǎng)景設(shè)置

本文IES建模參考呼和浩特某工業(yè)園，IES能源采購(gòu)價(jià)格見表1。IES內(nèi)各設(shè)備的基本參數(shù)見表2。其中tp表示火電、Csp表示太陽能熱發(fā)電、Pv表示光伏、W表示風(fēng)電、Ec表示電解槽、Fc表示燃料電池、CH4表示甲烷反應(yīng)器、H表示氫

儲(chǔ)、B表示電池?？稍偕茉闯隽?、電熱負(fù)荷及室外溫度預(yù)測(cè)曲線如圖5、圖6所示。

注：電能、天然氣煤炭的價(jià)格單位分別為元/kWh、元/m3、元/t。

引入可控負(fù)荷機(jī)制，研究電負(fù)荷需求響應(yīng)和熱柔性負(fù)荷對(duì)綜合能源系統(tǒng)日前優(yōu)化調(diào)度影響。分為下列4種場(chǎng)景：

場(chǎng)景一：不引入可控負(fù)荷機(jī)制，即傳統(tǒng)的荷側(cè)無調(diào)度能力的IES日前調(diào)度優(yōu)化。

場(chǎng)景二：引入熱柔性負(fù)荷機(jī)制的IES日前調(diào)度優(yōu)化。

場(chǎng)景三：引入電負(fù)荷需求響應(yīng)的IES日前調(diào)度優(yōu)化。

場(chǎng)景四：引入可控負(fù)荷機(jī)制的IES日前調(diào)度優(yōu)化。

3.2 場(chǎng)景四調(diào)度結(jié)果分析

以綜合能源系統(tǒng)各設(shè)備出力情況以及負(fù)荷調(diào)度情況作圖7。分析可知：源側(cè)太陽能熱發(fā)電站利用其電熱能量時(shí)移特性將白天儲(chǔ)存的能量依據(jù)調(diào)度需求在夜晚釋放，提高了系統(tǒng)的運(yùn)行靈活性。儲(chǔ)側(cè)雙層電轉(zhuǎn)氣系統(tǒng)分階段消納棄風(fēng)、棄光電量，同時(shí)在負(fù)荷高峰期由燃料電池向系統(tǒng)供能，在實(shí)現(xiàn)能源存儲(chǔ)的同時(shí)，不僅加深了各能源系統(tǒng)的耦合而且實(shí)現(xiàn)了棄風(fēng)、棄光功率的分級(jí)高效消納利用。荷側(cè)電能部分利用需求響應(yīng)特性實(shí)現(xiàn)價(jià)格型負(fù)荷隨分時(shí)電價(jià)而轉(zhuǎn)移，可明顯看出其16：00—23：00時(shí)段的“削峰”作用以及01：00—07：00時(shí)段和10：00—15：00時(shí)段的“填谷”作用。在降低電力系統(tǒng)用戶側(cè)峰值調(diào)度壓力的同時(shí)減少了用戶的用電費(fèi)用，同時(shí)激勵(lì)型負(fù)荷未啟用，可當(dāng)做系統(tǒng)的緊急備用，在可再生能源出力突然下降的情況下保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。熱能部分在09：00—11：00和15：00—18：00兩個(gè)高天然氣價(jià)時(shí)段減少燃?xì)忮仩t出力，將負(fù)荷轉(zhuǎn)移到天然氣中低價(jià)時(shí)段，實(shí)現(xiàn)熱負(fù)荷隨分時(shí)天然氣價(jià)轉(zhuǎn)移，從而減少系統(tǒng)購(gòu)能成本。同時(shí)利用熱柔性負(fù)荷運(yùn)行機(jī)理，在保證用戶供熱效果不變的情況下，實(shí)現(xiàn)能源的精細(xì)化利用，使熱能供應(yīng)從傳統(tǒng)的高排放、粗放式的供能模式轉(zhuǎn)向低碳型、用戶友好型、智能型的未來供能模式。

3.3 場(chǎng)景對(duì)比結(jié)果分析

場(chǎng)景一～場(chǎng)景四的系統(tǒng)運(yùn)行總成本和總碳排見表3。分析可知，分別考慮電負(fù)荷需求響應(yīng)和熱柔性負(fù)荷都具備降低綜合能源系統(tǒng)運(yùn)行成本和碳排放的作用。電負(fù)荷需求響應(yīng)在消納可再生能源、減少碳排放上表現(xiàn)出色，而熱柔性負(fù)荷降低運(yùn)行成本效果顯著。在綜合考慮電負(fù)荷需求響應(yīng)和熱柔性負(fù)荷的情況下，系統(tǒng)運(yùn)行成本降低9.97萬元，同比減少6.68%。碳排放量減少214.6 t，同比減少13.3%。消納棄風(fēng)棄光電量96.6 MW，棄風(fēng)棄光率下降5.95%。

3.4 系統(tǒng)穩(wěn)定性分析

綜合能源系統(tǒng)中風(fēng)光不確定性是影響系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的因素之一，本文提出可行域來評(píng)估綜合能源系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定性，可行域是指在不同風(fēng)、光條件下系統(tǒng)能正常運(yùn)行的最大范圍。圖8以圖5的可再生能源預(yù)測(cè)出力為基準(zhǔn)（風(fēng)、光不確定系數(shù)為1），展示了考慮風(fēng)光不確定性的不同場(chǎng)景下綜合能源系統(tǒng)的可行域大小。風(fēng)不確定性系數(shù)僅影響風(fēng)電機(jī)組出力，而光不確定性系數(shù)影響光伏出力和太陽能熱發(fā)電站鏡場(chǎng)熱采集功率。以4個(gè)場(chǎng)景下綜合能源系統(tǒng)正常運(yùn)行極限為邊界線可將圖8分為A～E共5個(gè)部分。場(chǎng)景一的可行域?yàn)锳部分，此時(shí)的系統(tǒng)穩(wěn)定性不高，遇到較小的可再生能源出力波動(dòng)就無法運(yùn)行。場(chǎng)景二的可行域?yàn)锳、B兩部分，可看到熱柔性負(fù)荷響應(yīng)對(duì)于電能系統(tǒng)調(diào)度的幫助。場(chǎng)景三的可行域?yàn)锳、B、C三部分，綜合能源系統(tǒng)中風(fēng)電、光伏和光熱均接入電能系統(tǒng)，電負(fù)荷需求響應(yīng)對(duì)提升系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性效果較為明顯。場(chǎng)景四的可行域?yàn)锳、B、C、D四部分，是4個(gè)場(chǎng)景中最大的，系統(tǒng)穩(wěn)定性提升也最大。由此可見，綜合考慮電負(fù)荷需求響應(yīng)和熱柔性負(fù)荷協(xié)調(diào)響應(yīng)有助于提升系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定性。

3.5 可再生能源裝機(jī)滲透率分析

以前文搭建的可再生能源裝機(jī)滲透率為60%的綜合能源系統(tǒng)為基準(zhǔn)。保持總裝機(jī)量不變，等比放大系統(tǒng)內(nèi)的可再生能源裝機(jī)量，等比縮小火電裝機(jī)量直至可再生能源裝機(jī)量達(dá)到100%，得到圖9所示結(jié)果。當(dāng)可再生能源裝機(jī)量由60%增加到80%時(shí)，系統(tǒng)成本和碳排放均勻下降，這是由于可再生能源裝機(jī)量的上升，火電出力和裝機(jī)量的減小使火電設(shè)備維護(hù)成本、碳處理成本、購(gòu)買煤炭成本都得以下降。當(dāng)可再生能源裝機(jī)達(dá)到90%時(shí)，場(chǎng)景一、二都無法運(yùn)行，而場(chǎng)景三、四不僅正常運(yùn)行，運(yùn)行成本和碳排放水平也明顯下降。這是由于可再生能源的波動(dòng)性加上火電調(diào)度資源不足導(dǎo)致

場(chǎng)景一、二無法運(yùn)行，而場(chǎng)景三、四考慮了電負(fù)荷需求響應(yīng)，維持了綜合能源系統(tǒng)運(yùn)行。當(dāng)可再生能源裝機(jī)滲透率由90%增加到100%時(shí)，成本和碳排放下降趨勢(shì)放緩，因?yàn)榫C合能源系統(tǒng)在90%可再生能源裝機(jī)時(shí)就可完全依靠可再生能源供能，運(yùn)行成本和碳排放已基本無下降的空間。

3.6 100%可再生能源裝機(jī)場(chǎng)景四分析

當(dāng)可再生能源裝機(jī)達(dá)到100%時(shí)，系統(tǒng)的調(diào)度靈活性大大降低。儲(chǔ)能系統(tǒng)的工作時(shí)間、工作功率都較基礎(chǔ)情況有較大提升，這是為了替代因缺失火電而減少的調(diào)度資源。如圖10所示，電能部分06：00—10：00時(shí)段，響應(yīng)后曲線幾乎緊貼響應(yīng)前曲線，08：00—09：00時(shí)段以及19：00—21：00時(shí)段，響應(yīng)后曲線低于響應(yīng)前曲線且依靠燃料電池提供部分功率來維持平衡。這都表明系統(tǒng)的靈活性資源緊張。如果沒有用戶側(cè)需求響應(yīng)調(diào)度資源，系統(tǒng)無法穩(wěn)定運(yùn)行。熱能部分因?yàn)榛痣姷臏p少，燃?xì)忮仩t需要出力更多來維持系統(tǒng)平衡。在01：00—06：00時(shí)段燃?xì)忮仩t接近于滿功率運(yùn)行，這是由于該時(shí)段天然氣采購(gòu)價(jià)較低且室外氣溫較低，熱能需求本就較大。

4 結(jié) 論

針對(duì)綜合能源系統(tǒng)中綠色、經(jīng)濟(jì)日前調(diào)度優(yōu)化問題，本文從源-儲(chǔ)-荷三個(gè)層面建立了考慮可控負(fù)荷、太陽能熱發(fā)電站和電轉(zhuǎn)氣的綜合能源系統(tǒng)日前優(yōu)化調(diào)度模型。通過建模、場(chǎng)景對(duì)比比及結(jié)果分析，得到以下主要結(jié)論：

1）電耦合太陽能熱發(fā)電站和雙層電轉(zhuǎn)氣系統(tǒng)在綜合能源系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)了能量的轉(zhuǎn)換和存儲(chǔ)，促進(jìn)了系統(tǒng)內(nèi)能量流通和可再生能源消納。

2）分別考慮電負(fù)荷需求響應(yīng)和熱柔性負(fù)荷的運(yùn)行場(chǎng)景，利用可控負(fù)荷的影響機(jī)制實(shí)現(xiàn)負(fù)荷的轉(zhuǎn)移，有效提高了綜合能源系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性、經(jīng)濟(jì)性和低碳性。

3）本文提出的考慮可控負(fù)荷的含太陽能熱發(fā)電站和電轉(zhuǎn)氣的綜合能源系統(tǒng)，擺脫了對(duì)火電機(jī)組的依賴，電能系統(tǒng)可以依靠100%可再生能源運(yùn)行。在實(shí)現(xiàn)雙碳目標(biāo)方面具有研究?jī)r(jià)值。

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OPTIMAL SCHEDULING OF INTEGRATED ENERGY SYSTEM WITH

CSP AND P2G CONSIDERING CONTROLLABLE LOAD

Li Xingguo1，Ren Yongfeng1，Meng Qingtian1，2，Chen Jian1，He Bin1，F(xiàn)ang Chenzhi1

（1. College of Energy and Power Engineering， Inner Mongolia University of Technology， Hohhot 010052， China；

2. Inner Mongolia Electric Power Research Institute of Inner Mongolia Power Group Co.， Ltd.， Hohhot 010020， China）

Abstract：To improve the economic benefits and operational flexibility of the integrated energy system， the complex operation mechanism of integrated energy is studied and analyzed from three levels of “generation， storage and load”， then a scheduling model of integrated energy system including concentrating solar power station， power to gas and controllable load is built. Firstly， an electric-coupled photothermal power station is proposed to realize the integration of electric-thermal energy conversion and thermal energy storage. Secondly， the double-layer energy optimization control strategy of power to hydrogen and power to gas is established， which provides a new way for renewable energy storage and dissipation. Finally， comprehensively consider the impact of electric load demand response and thermal flexible load to ensure power supply. Based on the actual data of an industrial park in Inner Mongolia， the feasibility of scheduling is verified under multi scenario and multi energy configuration. The simulation results show that the proposed model can reduce operating costs and reduce CO2 emissions effectively， which further realize coordinated dispatching of integrated energy system.

Keywords：integrated energy system； CSP； power to gas； demand response； optimal scheduling