劉瑩， 宋麗敏， 龔強(qiáng)， 呂森， 陳森， 謝寧

(1. 國(guó)網(wǎng)河南省電力公司駐馬店供電分公司， 河南 駐馬店 463000；2. 上海交通大學(xué)電子信息與電氣工程學(xué)院， 上海 200240)

0 引言

隨著能源短缺和環(huán)境污染問(wèn)題日益嚴(yán)峻， 傳統(tǒng)化石能源開發(fā)利用的局限性越來(lái)越明顯， 能源結(jié)構(gòu)亟待調(diào)整， 能源多樣性亟待開發(fā)。 為此， 國(guó)內(nèi)外學(xué)者提出并研究了綜合能源系統(tǒng)(integrated energy system， IES) 的概念[1]。 IES 指在規(guī)劃、 建設(shè)和運(yùn)行等過(guò)程中， 通過(guò)對(duì)能源的產(chǎn)生、 傳輸、 轉(zhuǎn)換分配、 存儲(chǔ)、 消費(fèi)等環(huán)節(jié)進(jìn)行有機(jī)協(xié)調(diào)與優(yōu)化后， 形成的多種能源形式互補(bǔ)共濟(jì)的產(chǎn)供銷一體化系統(tǒng)，是組成能源互聯(lián)網(wǎng)的物理載體[2]。 相比于電力系統(tǒng)， 綜合能源系統(tǒng)將單一的電能形式擴(kuò)充為電、氣、 冷、 熱多種能源形式， 每種能源系統(tǒng)不僅可以利用自身的靈活性資源， 還可以利用不同能源形式之間的轉(zhuǎn)換、 替代、 互補(bǔ)共濟(jì)達(dá)成供需平衡的目標(biāo)[3]。 傳統(tǒng)的綜合能源系統(tǒng)規(guī)劃方法往往對(duì)電力網(wǎng)絡(luò)、 熱力網(wǎng)絡(luò)、 天然氣網(wǎng)絡(luò)及其配套設(shè)施進(jìn)行獨(dú)立規(guī)劃， 各種能源形式與負(fù)荷之間各自匹配。 隨著分布式能源系統(tǒng)的不斷發(fā)展， 在用戶側(cè)就地解決一部分負(fù)荷需求成為可能， 不僅損耗低， 而且利于用戶直接觀測(cè)分布式能源的出力情況， 靈活調(diào)整自身的用能行為[4]。 同時(shí)， 需求響應(yīng) ( demand response， DR)、 多元化儲(chǔ)能裝置等電力系統(tǒng)概念在綜合能源系統(tǒng)中的應(yīng)用也越來(lái)越得到重視。

文獻(xiàn)[5] 提出了一種基于冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)(combined cooling heating and power， CCHP) 耦合的區(qū)域綜合能源系統(tǒng)規(guī)劃方法， 對(duì)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)及CCHP 選址定容進(jìn)行綜合規(guī)劃， 得出結(jié)論認(rèn)為用CCHP 作為耦合樞紐的綜合能源系統(tǒng)具有更高的經(jīng)濟(jì)性。 文獻(xiàn)[6] 針對(duì)用戶側(cè)綜合能源系統(tǒng)， 耦合能量互動(dòng)機(jī)制和區(qū)間規(guī)劃方法， 以源－荷波動(dòng)的置信區(qū)間量化不確定性， 綜合考慮多個(gè)約束條件和設(shè)備容量配置優(yōu)化， 采用混合整數(shù)線性規(guī)劃求解最優(yōu)解。 文獻(xiàn)[7] 提出面向園區(qū)微網(wǎng)的綜合能源系統(tǒng)多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法， 以兩階段優(yōu)化和基于證據(jù)推理的決策方法得到最優(yōu)方案， 以年總費(fèi)用、 污染排放和能耗為優(yōu)化目標(biāo)； 結(jié)果顯示， 所提方法在經(jīng)濟(jì)、 環(huán)境和能源方面效益優(yōu)于單供系統(tǒng)和“熱電聯(lián)供” 策略。 文獻(xiàn)[8] 針對(duì)電－熱－氫綜合能源系統(tǒng)， 生成極限場(chǎng)景， 并以經(jīng)濟(jì)成本最小、 風(fēng)光消納率最大和供能不足最小為優(yōu)化目標(biāo)進(jìn)行容量配置，以考慮不確定性因素影響和兼顧多種規(guī)劃需求。 文獻(xiàn)[9] 提出了一個(gè)綜合考慮冷、 熱、 電負(fù)荷平衡的綜合能源系統(tǒng)規(guī)劃模型。 模型包括擴(kuò)建變電站、建設(shè)分布式冷熱電聯(lián)產(chǎn)和空調(diào)等投資規(guī)劃選項(xiàng)， 可實(shí)現(xiàn)更平衡、 高效的能源分配， 降低系統(tǒng)中用戶用能成本。 文獻(xiàn)[10] 針對(duì)多區(qū)域綜合能源系統(tǒng)的冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)和熱網(wǎng)提出了一種混合整數(shù)線性規(guī)劃模型； 該模型結(jié)合能量平衡約束和熱網(wǎng)模型， 考慮了節(jié)點(diǎn)流量平衡、 熱能－流量約束和熱損平衡約束等因素。 文獻(xiàn)[11] 提出了一種基于通用代數(shù)建模軟件的綜合能源系統(tǒng)規(guī)劃模型， 考慮了電力和天然氣網(wǎng)絡(luò)的綜合規(guī)劃， 以尋找CCHP 和輔助鍋爐的最優(yōu)容量和運(yùn)行方式。 文獻(xiàn)[12] 建立了以電為核心的綜合能源系統(tǒng)兩層優(yōu)化規(guī)劃模型， 以系統(tǒng)優(yōu)化運(yùn)行指標(biāo)為系統(tǒng)規(guī)劃優(yōu)化依據(jù)， 分別以經(jīng)濟(jì)性和環(huán)保性為優(yōu)化目標(biāo)； 該模型重點(diǎn)考慮采暖和空調(diào)期綜合能源系統(tǒng)的運(yùn)行約束。 文獻(xiàn)[13] 在綜合能源系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度的基礎(chǔ)上引入綜合需求響應(yīng)， 利用不同形式能源間的相互轉(zhuǎn)化關(guān)系， 實(shí)現(xiàn)削峰填谷， 提高能源利用效率； 計(jì)及綜合需求響應(yīng)策略，建立了基于電價(jià)的電力負(fù)荷需求響應(yīng)和基于激勵(lì)的熱負(fù)荷需求響應(yīng)模型； 并以運(yùn)行成本最小為目標(biāo)函數(shù)， 提出了綜合考慮供需平衡和供儲(chǔ)能設(shè)備約束的綜合能源系統(tǒng)調(diào)度模型。 文獻(xiàn)[14] 運(yùn)用場(chǎng)景分析法建?？稍偕茉闯隽﹄S機(jī)性， 并考慮設(shè)備特性建立了區(qū)域綜合能源系統(tǒng)模型； 用Yalmip 和Cplex工具箱進(jìn)行仿真分析， 求得了最佳出力、 機(jī)組組合和不同調(diào)度模式下的總運(yùn)行成本。 文獻(xiàn)[15] 提出了一種冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)的綜合能源系統(tǒng)三級(jí)協(xié)同整體優(yōu)化方法， 以年能源利用率、 二氧化碳排放量和運(yùn)行成本為目標(biāo)， 運(yùn)用離散粒子群算法確定了設(shè)備選型、 容量和運(yùn)行參數(shù)。 文獻(xiàn)[16] 引入碳交易機(jī)制， 以獎(jiǎng)懲階梯型碳交易成本模型約束碳排放量， 再建立以綜合能源系統(tǒng)投資成本、 運(yùn)行成本和碳交易成本之和最小為目標(biāo)的規(guī)劃模型， 采用兩階段魯棒優(yōu)化模型處理電負(fù)荷、 熱負(fù)荷和電熱可轉(zhuǎn)移負(fù)荷的不確定性。 文獻(xiàn)[17] 提出了考慮時(shí)序的園區(qū)綜合能源系統(tǒng)多階段規(guī)劃方法。 將規(guī)劃周期分為多個(gè)階段， 在每個(gè)階段初期增加設(shè)備投入以滿足長(zhǎng)時(shí)間尺度下負(fù)荷增長(zhǎng)需求。 以全壽命周期成本最低為目標(biāo)， 建立多階段規(guī)劃模型， 混合整數(shù)線性規(guī)劃算法進(jìn)行求解。 文獻(xiàn)[18] 提出了一種基于生－光耦合利用的鄉(xiāng)村電－熱綜合能源系統(tǒng)多目標(biāo)規(guī)劃方法， 對(duì)熱網(wǎng)虛擬儲(chǔ)能功能、 農(nóng)業(yè)生產(chǎn)可調(diào)控負(fù)荷進(jìn)行建模分析， 并以經(jīng)濟(jì)性、 環(huán)保性以及能效性為優(yōu)化目標(biāo)， 考慮投資能力、 設(shè)備運(yùn)行和能量平衡等約束， 建立了鄉(xiāng)村綜合能源系統(tǒng)規(guī)劃優(yōu)化模型。 文獻(xiàn)[19] 提出了一種包含鄉(xiāng)村多元產(chǎn)業(yè)、 垃圾廢物處理與可再生能源發(fā)電的鄉(xiāng)村綜合能源系統(tǒng)規(guī)劃模型； 對(duì)糞污制氣設(shè)施與垃圾熱解氣化發(fā)電設(shè)施的廢物處理與能源產(chǎn)出進(jìn)行建模， 并結(jié)合鄉(xiāng)村綜合能源系統(tǒng)對(duì)電、 熱、 燃?xì)舛囝愋湍茉簇?fù)荷的需求特性與耦合特性， 并考慮多元產(chǎn)業(yè)之間的協(xié)同， 建立了鄉(xiāng)村多能源綜合體的能源需求模型。 文獻(xiàn)[20]在鄉(xiāng)村能源系統(tǒng)規(guī)劃方法中考慮供能成本與碳排放權(quán)收益， 建立了基于有線能源網(wǎng)絡(luò)和移動(dòng)能源網(wǎng)絡(luò)的鄉(xiāng)村多能源供能成本、 碳排放權(quán)收益與可靠性、環(huán)境約束間的協(xié)同優(yōu)化方法與多能源網(wǎng)絡(luò)聯(lián)合規(guī)劃模型。

目前針對(duì)綜合能源系統(tǒng)規(guī)劃的研究大部分未充分考慮系統(tǒng)中靈活性資源的利用， 尤其是未充分挖掘需求響應(yīng)與儲(chǔ)能的靈活配置潛能。 本文建立的鄉(xiāng)村型綜合能源系統(tǒng)源網(wǎng)荷儲(chǔ)規(guī)劃模型考慮了綜合需求響應(yīng)及沼氣系統(tǒng)在提升能源利用效率方面的作用， 并將儲(chǔ)能設(shè)備納入模型中， 同時(shí)對(duì)系統(tǒng)的碳排放成本加以考量， 以提升減碳效益。

1 IES 源網(wǎng)荷儲(chǔ)協(xié)調(diào)規(guī)劃模型

1.1 IES 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框架及協(xié)調(diào)規(guī)劃流程

鄉(xiāng)村IES 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框架如圖1 所示， 按照能源的流動(dòng)過(guò)程可將IES 系統(tǒng)分為能量生產(chǎn)、 轉(zhuǎn)換、 利用、 儲(chǔ)存四個(gè)部分[22]。 其中， 能量生產(chǎn)是指電力、天然氣由上級(jí)天然氣網(wǎng)、 電網(wǎng)及分布式電源輸入IES 的過(guò)程； 能量轉(zhuǎn)換指天然氣及電能經(jīng)由燃?xì)忮仩t(gas boiler， GB)、 電熱鍋爐(electrical boiler，EB)、 熱電聯(lián)產(chǎn)裝置 (combined heat and power，CHP) 實(shí)現(xiàn)相互轉(zhuǎn)換、 互補(bǔ)互濟(jì)以滿足IES 系統(tǒng)中多形式能源需求的過(guò)程； 能量?jī)?chǔ)存即利用儲(chǔ)電及儲(chǔ)熱裝置實(shí)現(xiàn)能量供應(yīng)的削峰填谷、 提高能量利用效率； 能量利用即對(duì)電、 熱、 氣負(fù)荷需求節(jié)點(diǎn)直接進(jìn)行能量供應(yīng)。

圖1 鄉(xiāng)村IES 結(jié)構(gòu)框架

參考傳統(tǒng)配電網(wǎng)， 可以定義IES 在源、 網(wǎng)、荷、 儲(chǔ)四個(gè)層面的可規(guī)劃靈活性資源。 在源側(cè)， 主要考慮分布式能源系統(tǒng)， 如CHP、 EB、 GB 等可按用戶的需求就地生產(chǎn)并供應(yīng)中、 小型能量轉(zhuǎn)換利用系統(tǒng)。 在網(wǎng)側(cè)， 由于IES 涉及網(wǎng)架結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜且目前網(wǎng)架規(guī)劃方法較為成熟， 故本文不再對(duì)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)進(jìn)行規(guī)劃。 在荷側(cè)， 相對(duì)于電力系統(tǒng)中的需求響應(yīng)， IES 中存在綜合需求響應(yīng)， 在本文所構(gòu)建的協(xié)調(diào)規(guī)劃模型中考慮綜合需求響應(yīng)中的可中斷負(fù)荷。 在儲(chǔ)側(cè)， 由于IES 涉及電、 熱等多種能量形式， 因此在模型中對(duì)電儲(chǔ)能及熱儲(chǔ)能加以考慮。 在源網(wǎng)荷儲(chǔ)四個(gè)層面靈活性資源的基礎(chǔ)上， 以投資、運(yùn)行成本最小化為目標(biāo)對(duì)IES 進(jìn)行規(guī)劃。 本文所構(gòu)建的綜合能源系統(tǒng)源網(wǎng)荷儲(chǔ)協(xié)同規(guī)劃模型如圖2所示。

圖2 綜合能源系統(tǒng)源網(wǎng)荷儲(chǔ)協(xié)同規(guī)劃模型

1.2 IES 系統(tǒng)協(xié)調(diào)規(guī)劃模型

1.2.1 目標(biāo)函數(shù)

優(yōu)化模型的主要目標(biāo)是使IES 在多階段規(guī)劃中的建設(shè)和運(yùn)行成本最低， 因此以IES 建設(shè)總年預(yù)期成本作為目標(biāo)函數(shù)， 其中總年預(yù)期成本由IES 年規(guī)劃成本、 IES 年運(yùn)行成本兩部分構(gòu)成:

式中，C為不考慮綜合需求響應(yīng)時(shí)的IES 總年預(yù)期成本；Cpl為IES 年規(guī)劃成本；Cop，1為不考慮綜合需求響應(yīng)時(shí)的IES 年運(yùn)行成本；C1為IES 中各設(shè)備初始投資成本；C2為IES 中各設(shè)備運(yùn)行維護(hù)成本；κ為等年值系數(shù)；cp，i為第i種設(shè)備單位功率建設(shè)成本；Pmax，i為第i種設(shè)備額定功率；ce，i為第i種設(shè)備單位容量建設(shè)成本；Emax，i為第i種設(shè)備額定容量；cm，i為第i種設(shè)備單位功率運(yùn)行維護(hù)成本；r為貼現(xiàn)率；Cinj為IES 向上級(jí)能源網(wǎng)購(gòu)電、 氣成本；Cag為IES 中各設(shè)備老化損耗成本；Ccp為IES 碳排放懲罰成本；ce，t為t時(shí)刻IES 向上級(jí)電網(wǎng)購(gòu)電價(jià)格；cg(t)為t時(shí)刻IES 向上級(jí)天然氣網(wǎng)購(gòu)氣價(jià)格；Pi，t為第i種設(shè)備輸出功率；cd，i為第i種設(shè)備單位電量老化退化費(fèi)用；ccp，e為單位電量消耗碳排放懲罰成本；ccp，g為單位天然氣消耗量碳排放懲罰成本；Pe，in，t為t時(shí)刻上級(jí)電網(wǎng)向IES 注入功率；Pg，in，t為t時(shí)刻天然氣網(wǎng)向IES 注入天然氣功率。

1.2.2 約束條件

優(yōu)化模型的約束條件來(lái)自于兩方面， 其一為IES 整體功率平衡約束與各出力主體功率限制約束， 其二為由IES 中各設(shè)備自身技術(shù)特性決定的設(shè)備運(yùn)行特性約束。

1) 整體功率平衡約束與各出力主體功率限制約束

①IES 整體功率平衡約束

式中，PMG，t為t時(shí)刻沼氣系統(tǒng)的輸入功率， 與生物質(zhì)資源的多少、 能源需求的大小相關(guān)；Pe，out，t為t時(shí)刻IES 用電負(fù)荷；Pe，s，t為t時(shí)刻儲(chǔ)電裝置輸入功率；Ph，out，t為t時(shí)刻IES 熱能負(fù)荷；Ph，s，t為t時(shí)刻儲(chǔ)熱裝置輸入功率；Pg，out，t為t時(shí)刻IES 天然氣負(fù)荷。

②各出力主體功率限制

式中，Pg，CHP，t為t時(shí)刻CHP 機(jī)組的天然氣輸入功率；PCHP，max為CHP 機(jī)組輸入功率的最大值；Pe，EB，t為t時(shí)刻輸入EB 的電能功率；PEB，max為EB 輸入功率最大值；Pg，GB，t為t時(shí)刻輸入GB 的天然氣功率；PGB，max為GB 產(chǎn)熱功率最大值；PMG，t為沼氣系統(tǒng)t時(shí)刻的輸入功率；PMG，max為沼氣系統(tǒng)的輸入功率的最大值。

2) 設(shè)備運(yùn)行特性約束

①熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組(CHP)

式中，Pe，CHP，t為t時(shí)刻CHP 機(jī)組的電能輸出功率；Ph，CHP，t為t時(shí)刻CHP 機(jī)組的熱能輸出功率；ηe，CHP為CHP 機(jī)組的發(fā)電效率；ηh，CHP為CHP 機(jī)組的產(chǎn)熱效率。

②電熱鍋爐(EB)

式中，Ph，EB，t為t時(shí)刻電熱鍋爐的產(chǎn)熱功率；ηEB為電熱鍋爐的產(chǎn)熱效率。

③燃?xì)忮仩t(GB)

式中，Ph，GB，t為t時(shí)刻燃?xì)忮仩t的產(chǎn)熱功率；ηGB為燃?xì)忮仩t的產(chǎn)熱效率。

④儲(chǔ)能裝置

式中，Emax為儲(chǔ)能額定容量；Pmax為儲(chǔ)能額定充放能功率；β為能量倍率系數(shù)， 由儲(chǔ)能持續(xù)放能時(shí)長(zhǎng)決定；SOC，i為儲(chǔ)能設(shè)備在第i時(shí)刻的荷電狀態(tài)；Pch，i為儲(chǔ)能在第i時(shí)刻的充能功率；Pdis，i為儲(chǔ)能在第i時(shí)刻的放能功率；η為儲(chǔ)能設(shè)備的充/放能效率；SOC，max、SOC，min分別為儲(chǔ)能設(shè)備的最大、 最小荷電狀態(tài)；Bdis，i、Bch，i為限制儲(chǔ)能充、 放能狀態(tài)的變量，滿足如下約束:

⑤沼氣供能系統(tǒng)

沼氣供能系統(tǒng)主要分布于鄉(xiāng)村地區(qū)。 鄉(xiāng)村地區(qū)的生物質(zhì)資源豐富， 主要包括農(nóng)林廢棄物、 生活污水、 生活垃圾和禽畜糞便等。 生物質(zhì)資源通過(guò)厭氧消化技術(shù)產(chǎn)生沼氣， 驅(qū)動(dòng)沼氣發(fā)電機(jī)組發(fā)電， 不僅可以直接滿足氣負(fù)荷需求， 也能通過(guò)化學(xué)反應(yīng)發(fā)電滿足電負(fù)荷需求； 發(fā)電產(chǎn)生的余熱可以滿足生活供熱， 同時(shí)沼液和沼渣也可以滿足鄉(xiāng)村溫室大棚的熱負(fù)荷需求。 所以沼氣系統(tǒng)可以理解為一種同時(shí)供給電、 氣、 熱負(fù)荷的特色優(yōu)質(zhì)能源， 沼氣系統(tǒng)的模型定義如式(26) — (29) 所示[21]:

式中，vg，MG，t為t時(shí)刻沼氣池產(chǎn)氣速率；MCH4為甲烷分子質(zhì)量；Vm為甲烷氣體摩爾體積；B0為生物甲烷勢(shì)；S0為沼氣池進(jìn)料底物濃度；VMG為沼氣池容量；θ為水力滯留期；um，t為t時(shí)段微生物最大比生長(zhǎng)率；K為動(dòng)力學(xué)常數(shù)；Tliq，t為t時(shí)段料液溫度；Pliq，h，t為沼氣池加熱功率；Pliq，d，t為沼氣池散熱功率；Cliq為料液比熱容；ρliq為料液密度；Pe，MG，t為t時(shí)刻沼氣供能系統(tǒng)發(fā)電功率；Ph，MG，t為t時(shí)刻沼氣供能系統(tǒng)熱能輸出功率；Pg，MG，t為t時(shí)刻沼氣供能系統(tǒng)天然氣輸出功率；θe為用于發(fā)電的沼氣比例；θh為用于產(chǎn)熱的沼氣占比；ηe，MG、ηh，MG分別為沼氣能源等效轉(zhuǎn)化為電能、 熱能的效率；γ為單位體積沼氣的能量。

2 考慮需求響應(yīng)的IES 源網(wǎng)荷儲(chǔ)協(xié)調(diào)規(guī)劃模型

2.1 綜合需求響應(yīng)

需求側(cè)響應(yīng)根據(jù)用戶響應(yīng)處于自發(fā)亦或是被動(dòng)， 可以分為基于價(jià)格的需求側(cè)響應(yīng)和基于激勵(lì)的需求側(cè)響應(yīng)， 前者是指電力用戶響應(yīng)市場(chǎng)電價(jià)的變化， 包括實(shí)行分時(shí)電價(jià)、 實(shí)時(shí)電價(jià)和峰谷電價(jià)等。后者是指電力公司通過(guò)制定政策、 與用戶簽訂合同進(jìn)行負(fù)荷的削減和平移， 包括可中斷負(fù)荷、 可平移負(fù)荷、 可轉(zhuǎn)移負(fù)荷等。

2.1.1 可中斷負(fù)荷

可中斷負(fù)荷即在電網(wǎng)負(fù)荷高峰期或緊急情況下， 電力公司可以強(qiáng)制予以斷電的負(fù)荷， 并為用戶提供一定的補(bǔ)償費(fèi)用。 補(bǔ)償費(fèi)用通常由容量補(bǔ)償費(fèi)用和電量補(bǔ)償費(fèi)用兩部分組成。 其中容量補(bǔ)償費(fèi)用僅與用戶申報(bào)的最大中斷容量有關(guān)， 電量補(bǔ)償費(fèi)用由在實(shí)際調(diào)度中被中斷的電量和合同中規(guī)定的電量補(bǔ)償價(jià)格決定[22－23]。

式中，CIL為可中斷負(fù)荷補(bǔ)償費(fèi)用；CIL1為容量補(bǔ)償費(fèi)用；CIL2為電量補(bǔ)償費(fèi)用；PIL，t為t時(shí)段實(shí)際中斷負(fù)荷大小；EIL，t為單位中斷電量補(bǔ)償價(jià)格；γIL為表示可中斷負(fù)荷調(diào)用狀態(tài)的變量，γIL＝0 表示未調(diào)用可中斷負(fù)荷，γIL＝1 表示調(diào)用可中斷負(fù)荷；T為負(fù)荷中斷時(shí)段數(shù)；β為單位中斷容量補(bǔ)償價(jià)格；PIL，max為用戶申報(bào)的最大中斷容量。

2.1.2 可轉(zhuǎn)移負(fù)荷

可轉(zhuǎn)移負(fù)荷指在允許的一定范圍內(nèi)， 可以將負(fù)荷的工作時(shí)間由一個(gè)時(shí)段轉(zhuǎn)移至另一個(gè)時(shí)段。 負(fù)荷工作是不連續(xù)的， 只持續(xù)一個(gè)時(shí)段。 需要用戶與電力公司簽訂補(bǔ)償協(xié)議來(lái)實(shí)現(xiàn)， 補(bǔ)償費(fèi)用與負(fù)荷大小、 負(fù)荷轉(zhuǎn)移前后時(shí)段相關(guān)。

式中，CSL為可轉(zhuǎn)移負(fù)荷補(bǔ)償費(fèi)用；PSL，t為t時(shí)段實(shí)際中斷負(fù)荷大??；ESL為單位中斷電量補(bǔ)償價(jià)格。

2.1.3 可平移負(fù)荷

可平移負(fù)荷工作是連續(xù)的， 通常跨過(guò)幾個(gè)時(shí)段， 在平移過(guò)程中， 需要保持連續(xù)性， 不能拆散到不同時(shí)段。 需要用戶與電力公司簽訂補(bǔ)償協(xié)議來(lái)實(shí)現(xiàn)， 補(bǔ)償費(fèi)用與負(fù)荷大小、 負(fù)荷平移前后時(shí)段相關(guān)。

式中，CTL為可轉(zhuǎn)移負(fù)荷補(bǔ)償費(fèi)用；PTL，t為t時(shí)段實(shí)際中斷負(fù)荷大??；ETL為單位中斷電量補(bǔ)償價(jià)格。

2.2 考慮綜合需求響應(yīng)的IES 協(xié)調(diào)規(guī)劃模型

2.2.1 目標(biāo)函數(shù)

式中，C2為考慮綜合需求響應(yīng)時(shí)的IES 總年預(yù)期成本；Cop，2為考慮綜合需求響應(yīng)時(shí)的IES 年運(yùn)行成本；CDR為綜合需求響應(yīng)總補(bǔ)償成本。

2.2.2 約束條件

在考慮綜合需求響應(yīng)的條件下， 除由IES 中各設(shè)備自身技術(shù)特性決定的設(shè)備運(yùn)行特性約束以外，需要在系統(tǒng)整體功率平衡約束的基礎(chǔ)上進(jìn)行增補(bǔ)， 即:

式中，PDR，t為t時(shí)刻綜合需求響應(yīng)功率；α、β為影響因子， 取1 表示t時(shí)段接受來(lái)自其他時(shí)段的負(fù)荷， ?。? 表示t時(shí)段移出負(fù)荷至其他時(shí)段。

3 實(shí)例分析

由于所構(gòu)建的優(yōu)化模型中涉及整數(shù)變量， 采用MATLAB＋YALMIP ＋GUROBI 對(duì)所構(gòu)建的協(xié)同規(guī)劃模型進(jìn)行優(yōu)化求解， 即在MATLAB 上通過(guò)規(guī)劃工具軟件YALMIP 進(jìn)行數(shù)學(xué)建模， 利用商業(yè)優(yōu)化求解器GUROBI 進(jìn)行模型求解。

3.1 考慮綜合需求響應(yīng)的優(yōu)化配置結(jié)果

以浙江省某鄉(xiāng)村型綜合能源系統(tǒng)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)進(jìn)行算例分析， 該園區(qū)內(nèi)設(shè)有分布式光伏發(fā)電機(jī)組、微風(fēng)風(fēng)機(jī)發(fā)電機(jī)組， 裝機(jī)容量分別為405.5 kW、120 kW， 典型日光伏、 風(fēng)機(jī)出力情況如圖3 所示。該鄉(xiāng)村型IES 內(nèi)存在電、 熱、 天然氣能源需求， 典型日負(fù)荷曲線如圖4 所示。

圖3 典型日光伏、 風(fēng)機(jī)發(fā)電情況

系統(tǒng)內(nèi)各待規(guī)劃設(shè)備建設(shè)費(fèi)用參數(shù)及其他各類運(yùn)行費(fèi)用參數(shù)見表1、 表2。

表1 設(shè)備建設(shè)成本

表2 IES 運(yùn)行成本參數(shù)

將以上數(shù)據(jù)代入?yún)f(xié)調(diào)規(guī)劃模型進(jìn)行求解， 得到該鄉(xiāng)村型IES 中各設(shè)備容量配置情況見表3。

表3 考慮綜合需求響應(yīng)的IES 各設(shè)備容量配置情況

計(jì)算可得， 在考慮IES 綜合需求響應(yīng)的情況下， 系統(tǒng)年預(yù)期向上級(jí)電網(wǎng)購(gòu)電成本為8.24 萬(wàn)元，向上級(jí)天然氣網(wǎng)購(gòu)氣成本為18.92 萬(wàn)元， 二氧化碳年排放量為103.66 t。

3.2 未考慮綜合需求響應(yīng)的優(yōu)化配置結(jié)果

將相同的初始條件代入未考慮綜合需求響應(yīng)的IES 源網(wǎng)荷儲(chǔ)協(xié)調(diào)規(guī)劃模型， 可得到該鄉(xiāng)村型IES的協(xié)調(diào)規(guī)劃結(jié)果見表4。

表4 未考慮綜合需求響應(yīng)的IES 各設(shè)備容量配置情況

代入表1、 表2 中成本參數(shù)進(jìn)行計(jì)算， 可知在未考慮IES 綜合需求響應(yīng)的情況下， 購(gòu)電成本與購(gòu)氣成本分別為16.65 萬(wàn)元和15.61 萬(wàn)元， 二氧化碳年排放量為219.36 t。

對(duì)比可知， 將綜合需求響應(yīng)納入?yún)f(xié)調(diào)規(guī)劃模型可使鄉(xiāng)村型IES 向上級(jí)能源網(wǎng)購(gòu)入的電能、 天然氣得到大幅削減， 在所使用的實(shí)例中， 可使IES獲取5.1 萬(wàn)元的年運(yùn)行成本削減， 因而產(chǎn)生的碳排放削減量為115.7 t。 因此， 鄉(xiāng)村型IES 源網(wǎng)荷儲(chǔ)協(xié)同規(guī)劃模型可以在很大程度上減少IES 對(duì)于外界能源供應(yīng)的需求量， 且由于儲(chǔ)能設(shè)備的加入， 可以促進(jìn)系統(tǒng)內(nèi)可再生能源的消納， 提高能源利用效率。

4 結(jié)語(yǔ)

本文提出一種考慮綜合需求響應(yīng)的鄉(xiāng)村型綜合能源系統(tǒng)源網(wǎng)荷儲(chǔ)協(xié)調(diào)規(guī)劃模型， 在傳統(tǒng)規(guī)劃方法的基礎(chǔ)上， 考慮了多能源綜合需求響應(yīng)、 多類型分布式能源機(jī)組、 電儲(chǔ)能及熱儲(chǔ)能設(shè)備對(duì)于提升綜合能源系統(tǒng)能源利用效率與降低碳排放量的作用， 并在目標(biāo)函數(shù)中加入了碳排放懲罰成本以進(jìn)一步增強(qiáng)綜合能源系統(tǒng)節(jié)能減排特性。 以浙江省某鄉(xiāng)村型綜合能源系統(tǒng)進(jìn)行了算例分析， 結(jié)果顯示所提出的考慮綜合需求響應(yīng)的協(xié)調(diào)規(guī)劃模型在提升綜合能源系統(tǒng)能源利用效率、 減少綜合能源系統(tǒng)對(duì)外界能源供應(yīng)的依賴、 實(shí)現(xiàn)碳排放減少方面有較好效果。

在未來(lái)的研究中， 可以對(duì)儲(chǔ)能的類型加以豐富， 針對(duì)各類型儲(chǔ)能裝置充放電特性的不同對(duì)各儲(chǔ)能設(shè)備進(jìn)行合理組合， 最大化系統(tǒng)的能量利用效率； 同時(shí)， 本研究中未考慮綜合能源系統(tǒng)中的能量傳輸損耗， 未來(lái)應(yīng)在規(guī)劃模型中計(jì)入能量損耗。