蓋 超，張 凱，陳 佳，遲翔文，劉 毅

（1.國家電投集團山東能源發(fā)展有限公司，山東 濟南 250002；2.山東大學(xué)電氣工程學(xué)院，山東 濟南 250061）

0 引言

在傳統(tǒng)的能源系統(tǒng)規(guī)劃和建設(shè)中，人們習(xí)慣將電、熱、冷系統(tǒng)分開考慮，忽略了不同能源間的互補和替代作用，能源利用率和轉(zhuǎn)換效率低下，無法適應(yīng)當(dāng)前嚴(yán)峻的能源形勢。在此背景下，為提高能源利用效率，考慮電力、天然氣、熱冷等多種能源耦合，建設(shè)區(qū)域綜合能源系統(tǒng)（regional integrated energy system，RIES），成為發(fā)展趨勢。通過研究能源集線器（energy hub，EH）內(nèi)部能量流動趨勢和能源傳輸效率，提升電力系統(tǒng)與其他能源系統(tǒng)之間依賴性和共存性［1］，進而實現(xiàn)能源效率的提高。

近年來部分學(xué)者針對區(qū)域綜合能源系統(tǒng)選址定容和長期規(guī)劃開展相關(guān)研究，但仍未形成一套完整的規(guī)劃體系和方案。文獻(xiàn)［2］實現(xiàn)含電、熱、冷、氣園區(qū)綜合能源系統(tǒng)能源協(xié)同利用，以園區(qū)綜合能源系統(tǒng)某一重點示范項目為基礎(chǔ)，基于負(fù)荷預(yù)測、耦合裝置建模等方法，建立網(wǎng)損最小和經(jīng)濟性最優(yōu)的雙層規(guī)劃模型，對電源進行選址定容。文獻(xiàn)［3-4］通過雙層優(yōu)化架構(gòu)，求解考慮運行控制策略的廣義儲能資源和分布式電源的聯(lián)合規(guī)劃問題，提出不同可調(diào)控資源選址定容的方法。上述研究雖然在規(guī)劃過程中考慮了經(jīng)濟性和可靠性，但未涉及綜合需求側(cè)響應(yīng)（integrated demand response，IDR）相關(guān)研究，為探討IDR 在RIES 優(yōu)化規(guī)劃作用，文獻(xiàn)［5］建立以彈性價格為引導(dǎo)的需求響應(yīng)模型，針對該模型提出面向源荷協(xié)同增效的綜合能源系統(tǒng)（integrated energy system，IES）規(guī)劃框架。文獻(xiàn)［6］建立全調(diào)度優(yōu)化的園區(qū)RIES 雙層規(guī)劃模型，采用多階段規(guī)劃分析IDR機制對RIES 規(guī)劃結(jié)構(gòu)的影響。上述規(guī)劃研究所描述的能源動態(tài)耦合特性都是在單一場景下進行，無法驗證模型通用性。

能源集線器是能源儲存和能源轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)的重要部分，是用以表征不同能源載體的輸入、輸出、轉(zhuǎn)換、存儲的多端口裝置［7］，相比于傳統(tǒng)綜合能源系統(tǒng)，基于EH 下綜合能源系統(tǒng)考慮各耦合設(shè)備能源轉(zhuǎn)換特性，能夠清晰反映電、氣、熱、冷系統(tǒng)中各耦合設(shè)備的能源轉(zhuǎn)換特性，實現(xiàn)多源耦合，促進多源互補協(xié)同規(guī)劃。文獻(xiàn)［8］利用EH 將區(qū)域內(nèi)的熱電聯(lián)產(chǎn)機組（combined heat and power，CHP）、燃?xì)廨啓C等耦合元件統(tǒng)一建模為單一能量轉(zhuǎn)化元件，實現(xiàn)多能源耦合與能源傳輸。文獻(xiàn)［9］基于EH 理論，考慮計及電熱冷在不同場景下、不同能源類型的多能耦合規(guī)劃。文獻(xiàn)［10］設(shè)計一種基于能源集線器模型的RIES 魯棒規(guī)劃方法，考慮負(fù)荷不確定性和多能源用能需求，實現(xiàn)RIES 多能互補集成優(yōu)化效益。文獻(xiàn)［11-12］建立基于EH 的綜合能源系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度模型，重點討論熱能需求側(cè)響應(yīng)即周期性啟停熱負(fù)荷的優(yōu)化，但相關(guān)研究未涉及規(guī)劃層面。文獻(xiàn)［13］基于EH 多能耦合模型，以經(jīng)濟性和可靠性為目標(biāo)建立RIES 規(guī)劃模型，但未考慮負(fù)荷側(cè)需求響應(yīng)的影響。

將EH 與RIES 相結(jié)合，系統(tǒng)描述EH 的能量輸入端、能量輸出端以及集線器內(nèi)部耦合設(shè)備的拓?fù)潢P(guān)系，分析多能流之間的供能方式和耦合關(guān)系，重點分析工業(yè)園區(qū)、學(xué)校、港區(qū)、醫(yī)院4 種典型場景下IES的設(shè)備配置和運行模式；建立了以電-熱-冷價為引導(dǎo)的IDR 模型，并結(jié)合EH 理論建立EH-RIES 多能流混合規(guī)劃模型；以工業(yè)園區(qū)和港區(qū)2 個場景為例，將各自IES 設(shè)備配置方案代入EH-RIES 多能流模型中，形成基于不同場景的規(guī)劃模型，結(jié)合分時電價、熱氣冷價及負(fù)荷年增長率需求，設(shè)計出滿足該場景用能需求和負(fù)荷變化的區(qū)域綜合能源系統(tǒng)規(guī)劃方案。

1 不同場景下的綜合能源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.1 區(qū)域綜合能源系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

區(qū)域綜合能源系統(tǒng)通常以風(fēng)光、天然氣、電能為輸入能源，通過能源間協(xié)同利用實現(xiàn)多能耦合，提高能源利用效率。基于EH 模型的綜合能源系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 基于EH的區(qū)域綜合能源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of RIES based on EH

整體系統(tǒng)分成能源輸入、能源耦合和能源輸出3部分。能源輸入端通常以風(fēng)能、太陽能、天然氣能為主，另外包括購電、購熱等與外部交互的能源；能源耦合部分利用各種多能耦合設(shè)備實現(xiàn)電、熱、氣、冷能源之間耦合轉(zhuǎn)換，是整體系統(tǒng)的核心部分，涉及多種能量形態(tài)和能源環(huán)節(jié)；能源輸出端利用能源耦合設(shè)備將輸入能源轉(zhuǎn)換為最終所需能源，通過能源傳輸網(wǎng)絡(luò)分配給用戶，滿足用戶各類負(fù)荷需求。本文所考慮用戶側(cè)負(fù)荷主要包括電、熱、冷3 種。

1.2 典型場景下設(shè)備配置方案

基于EH 模型分析工業(yè)園區(qū)、學(xué)校、港區(qū)、醫(yī)院四類綜合能源系統(tǒng)典型應(yīng)用場景，包括負(fù)荷需求、各類能源用能比例、多能耦合設(shè)備配置，給出典型場景下綜合能源系統(tǒng)設(shè)備配置方案，根據(jù)不同配置方案，形成不同電熱冷子系統(tǒng)，用以滿足多種場景的用能需求。

1.2.1 工業(yè)園區(qū)配套方案設(shè)計

從能源配置角度考慮，工業(yè)園區(qū)中的能量傳輸過程需要經(jīng)過能源生產(chǎn)、轉(zhuǎn)換、傳輸、儲存、消費5 個環(huán)節(jié)，涉及新能源發(fā)電、天然氣供能、燃?xì)庵茻帷⑷細(xì)獍l(fā)電、電轉(zhuǎn)熱、電制冷等多種能源轉(zhuǎn)換形式［14］。電負(fù)荷曲線波動情況及年峰谷差要高于熱、冷負(fù)荷，熱、冷負(fù)荷全年波動變化不大。在節(jié)假日時工廠停產(chǎn)，但存在值班人員帶來的熱、冷負(fù)荷，此時電負(fù)荷降低；在工廠正常工作時，電負(fù)荷持續(xù)升高，在中午時達(dá)到高峰，下午各類負(fù)荷存在一定波動，但基本上維持在峰值水準(zhǔn)，到晚上工作人員下班，電負(fù)荷明顯下降，而熱、冷負(fù)荷一天變化不大。從全年看，電荷年平均值要高于熱、冷負(fù)荷，說明工業(yè)園區(qū)全年對電能需求更大，熱、冷負(fù)荷較穩(wěn)定，典型日負(fù)荷曲線如圖2 所示。

圖2 工業(yè)園區(qū)典型日負(fù)荷曲線Fig.2 Typical daily curve of industrial park

工業(yè)園區(qū)中常見耦合設(shè)備包括電制冷、CHP、冷熱電聯(lián)產(chǎn)（combined cooling heating and power，CCHP）、燃?xì)廨啓C、電轉(zhuǎn)氣（power to gas，P2G）、燃?xì)忮仩t等。工業(yè)園區(qū)中綜合能源系統(tǒng)典型配置方案如圖3 所示。

圖3 工業(yè)園區(qū)綜合能源配置Fig.3 Comprehensive energy allocation of industrial park

1.2.2 學(xué)校配套方案設(shè)計

從能源配置角度考慮，學(xué)校占地面積廣、人口密集、能源消耗大，學(xué)校區(qū)域涉及多類場所，包括教學(xué)樓、圖書館、宿舍、食堂等，不同場所負(fù)荷特性不同。從負(fù)荷需求角度考慮，某學(xué)校春季典型日負(fù)荷需求如圖4 所示。08：00 學(xué)生開始上課，電、熱、冷負(fù)荷升高，20：00 后隨著教學(xué)任務(wù)結(jié)束，電、熱、冷負(fù)荷下降。由于春季學(xué)校用電需求相比用熱、冷需求較高，因此熱、冷負(fù)荷相比電負(fù)荷水平值較低；全天教學(xué)結(jié)束后，冷、熱負(fù)荷處于最低值。學(xué)校在其他季節(jié)對電、熱、冷負(fù)荷需求變化明顯，夏季冷負(fù)荷需求最高，對電、熱負(fù)荷需求較低；冬季對熱負(fù)荷需求最高，對電、冷負(fù)荷需求較低；春秋對電負(fù)荷需求最高，三者在白天都會出現(xiàn)短暫高峰，到晚上都處于低值。

圖4 學(xué)校典型日負(fù)荷曲線Fig.4 Typical daily load curve of school

學(xué)校綜合能源系統(tǒng)典型配置方案如圖5 所示。其中，電負(fù)荷由新能源和外部電網(wǎng)供應(yīng)；冷負(fù)荷主要由電制冷設(shè)備供應(yīng)；熱負(fù)荷主要由燃?xì)忮仩t或電鍋爐供應(yīng)。

圖5 學(xué)校綜合能源配置Fig.5 Comprehensive energy allocation in schools

1.2.3 港區(qū)配套方案設(shè)計

從能源配置角度考慮，其能源類型涉及冷、熱、電和天然氣等。從負(fù)荷需求角度考慮，某港區(qū)在冬季典型日負(fù)荷需求如圖6 所示。受冬季采暖和夏季空調(diào)的影響，在冬季熱負(fù)荷需求高，其冷負(fù)荷只由CCHP 和購冷提供，負(fù)荷值較低；夏季冷負(fù)荷需求高。熱、冷負(fù)荷兩季出現(xiàn)高峰，其他季節(jié)負(fù)荷變化趨勢不明顯。碼頭作業(yè)的用電負(fù)荷曲線在春秋季非常平穩(wěn)，用電穩(wěn)定，在夏季和冬季受空調(diào)用電的影響，負(fù)荷值隨著空調(diào)用電強度的升高而升高，存在用電高峰。此外，碼頭經(jīng)常用吊車、起重運輸設(shè)備完成各種作業(yè)，其對供電可靠性要求較高。

圖6 港區(qū)典型日負(fù)荷曲線Fig.6 Typical daily load curve of port area

港區(qū)綜合能源系統(tǒng)典型配置方案如圖7 所示。其耦合設(shè)備主要包括燃料電池、電空調(diào)、電鍋爐、CCHP 等。

圖7 港區(qū)綜合能源配置Fig.7 Comprehensive energy allocation in port area

1.2.4 醫(yī)院配套方案設(shè)計

從能源配置角度考慮，醫(yī)院作為醫(yī)療、保健、服務(wù)、科研為一體的大型綜合機構(gòu)，用電量高，存在大量的用熱、用冷負(fù)荷［15］。從負(fù)荷需求角度考慮，醫(yī)院用電主要包括空調(diào)供暖用電、基礎(chǔ)設(shè)施用電、日常照明用電、其他用電等，醫(yī)院典型日負(fù)荷需求如圖8 所示。為滿足供暖需求，空調(diào)采暖占比最大，超過50%，其次為辦公樓和照明用電，用電比例達(dá)到25%。在春季和秋季電熱冷負(fù)荷變化趨勢相似，三者在白天中會出現(xiàn)兩個峰值，晚上處于最低水平。在夏季，電負(fù)荷和冷負(fù)荷的負(fù)荷曲線變化趨勢幾乎相同，熱負(fù)荷相對較低，中午和下午一般會出現(xiàn)峰值，從21：00 至次日早晨為明顯低谷時段。在冬季，電負(fù)荷與熱負(fù)荷變化趨勢幾乎相同，冷負(fù)荷相對較低。

圖8 醫(yī)院典型日負(fù)荷曲線Fig.8 Typical daily load curve of hospital

醫(yī)院綜合能源系統(tǒng)配置方案如圖9 所示。其常用耦合設(shè)備包括電空調(diào)、燃?xì)忮仩t、電鍋爐、燃?xì)廨啓C等。

圖9 醫(yī)院綜合能源配置Fig.9 comprehensive energy allocation in hospital

2 電-熱-冷IDR模型

考慮激勵型電熱冷IDR，響應(yīng)負(fù)荷類型主要包括可轉(zhuǎn)移和可消減負(fù)荷。電負(fù)荷與熱冷負(fù)荷在響應(yīng)機制上具有差異性，電負(fù)荷既要考慮可轉(zhuǎn)移負(fù)荷也要考慮消減負(fù)荷，而熱冷負(fù)荷只考慮消減負(fù)荷即可，因此需要分別建模。

2.1 電負(fù)荷IDR

將可轉(zhuǎn)移和可消減負(fù)荷作為負(fù)荷調(diào)控手段參與電負(fù)荷IDR 的研究，具體表達(dá)式為

1）可轉(zhuǎn)移負(fù)荷?？赊D(zhuǎn)移負(fù)荷是指通過調(diào)節(jié)用戶的用能行為，在用能總量不變的情況下，將高峰時段負(fù)荷平移至低谷時段，提高系統(tǒng)經(jīng)濟效益。其約束式為

式中：T為最大時段，即24 h；d0為典型日數(shù)量；為第t年第d個典型日第h時段的最大電負(fù)荷轉(zhuǎn)移量。本文假設(shè)最大負(fù)荷轉(zhuǎn)移量為對應(yīng)時段負(fù)荷量的5%。

2）可消減負(fù)荷。可消減負(fù)荷是在不影響用戶正常用能的情況下對局部負(fù)荷進行消減，并對消減的部分給予一定的經(jīng)濟補償。其約束式為

2.2 熱負(fù)荷IDR

將可消減負(fù)荷作為負(fù)荷調(diào)控手段參與熱負(fù)荷IDR 的研究，其響應(yīng)前后負(fù)荷和可消減負(fù)荷表達(dá)式為：

2.3 冷負(fù)荷IDR

將可消減負(fù)荷作為負(fù)荷調(diào)控手段參與熱負(fù)荷IDR 的研究，其響應(yīng)前后負(fù)荷和可消減負(fù)荷表達(dá)式為：

3 區(qū)域綜合能源規(guī)劃模型

3.1 目標(biāo)函數(shù)

規(guī)劃目標(biāo)為RIES 在多階段規(guī)劃中總成本Z最小，即投資成本CINV(t)、運行成本COP(t)和需求響應(yīng)補償成本之和CIDR(t)最小。具體目標(biāo)表達(dá)式為：

式中：βd為每一個典型日持續(xù)的天數(shù)；Gm為耦合設(shè)備集合，m為對應(yīng)設(shè)備，包括燃?xì)忮仩t、CHP、CCHP、燃?xì)廨啓C、P2G 裝置、電鍋爐、冷空調(diào)、燃料電池；Bm為設(shè)備m單位容量成本為設(shè)備m投運容量；xm,t為第t年設(shè)備m投運決策變量，當(dāng)決策變量為1 時表示投運，為0 時表示不投運；Om為設(shè)備m單位運行成本；Pm,t,d,h為設(shè)備m在第t年第d個典型日第h時段的出力值；Δt為時間間隔，設(shè)為1 h；Cp、Cr、Cg、Cq分別為購電、購熱、天然氣價格和購冷單位成本；Pbuy,t,d,h、Hbuy,t,d,h、Gbuy,t,d,h、Qbuy,t,d,h分別為第t年 第d個典型日第h 時段的外部購電、購熱、購氣、購冷量；γ 為資金回收率；λt為現(xiàn)值系數(shù)；λT為最后一年的現(xiàn)值系數(shù)；τ為資金折現(xiàn)率；為IDR 單位電負(fù)荷轉(zhuǎn)移成本分別為IDR 單位電、熱、冷負(fù)荷消減成本。

3.2 約束條件

規(guī)劃過程中需要考慮的約束條件包括：耦合系統(tǒng)擴容邏輯約束、耦合設(shè)備約束、EH 功率平衡約束。

3.2.1 耦合系統(tǒng)擴容邏輯約束

在規(guī)劃期內(nèi)，每個設(shè)備只投運一次，在后續(xù)規(guī)劃年將不改變其投運狀態(tài)，由此得出

3.2.2 耦合設(shè)備約束

耦合設(shè)備約束包括各耦合設(shè)備轉(zhuǎn)換模型和設(shè)備出力上下限約束。

1）耦合設(shè)備轉(zhuǎn)換模型。

a）CHP 數(shù)學(xué)模型為

b）CCHP 作為綜合能源系統(tǒng)核心設(shè)備，其數(shù)學(xué)模型為：

CCHP 制冷過程是由燃?xì)庥酂峤?jīng)制冷機轉(zhuǎn)換的過程，要求其輸出冷功率不超過余熱鍋爐輸出熱功率［16］，即

c）燃?xì)廨啓C數(shù)學(xué)模型為

d）P2G 裝置數(shù)學(xué)模型為

e）電鍋爐數(shù)學(xué)模型為

f）冷空調(diào)數(shù)學(xué)模型為

g）燃?xì)忮仩t數(shù)學(xué)模型為

h）燃料電池可以將天然氣直接轉(zhuǎn)換為電能，其轉(zhuǎn)換效率高，實用性強，數(shù)學(xué)模型［17］為

式中：Pfc,t,d,h、Gfc,t,d,h分別為燃料電池在第t年第d個典型日第h時段的產(chǎn)電和耗氣功率為燃料電池氣-電轉(zhuǎn)換效率。

2）設(shè)備出力上下限約束。

所有設(shè)備都要滿足上下限約束，即

3.2.3 EH功率平衡約束

1）集電器功率平衡約束。

區(qū)域綜合能源系統(tǒng)電負(fù)荷由風(fēng)電、光伏、外網(wǎng)和耦合設(shè)備供應(yīng)，其功率平衡關(guān)系為

風(fēng)光出力約束為

式中：Pw,t,d,h、Ppv,t,d,h分別為風(fēng)電、光伏在第t年第d個典型日第h時段的出力值；分別為風(fēng)電、光伏最大容量；ρw、ρpv分別為風(fēng)電、光伏預(yù)測概率。

集電器與外網(wǎng)交互約束為

2）集熱器功率平衡約束。

區(qū)域綜合能源系統(tǒng)熱負(fù)荷由相應(yīng)耦合設(shè)備和外部購熱供應(yīng)，其功率平衡關(guān)系為

集熱器與外網(wǎng)交互約束為

3）集冷器功率平衡約束。

區(qū)域綜合能源系統(tǒng)冷負(fù)荷由耦合設(shè)備和外部購冷供應(yīng)，其功率平衡關(guān)系為

集冷器與外網(wǎng)交互約束為

4）天然氣功率平衡約束。

集線器系統(tǒng)與氣網(wǎng)交互的能量僅考慮購氣功率和耦合設(shè)備轉(zhuǎn)換功率，不考慮氣負(fù)荷需求，其功率平衡方程為

燃?xì)庀牧恳獫M足下列約束

3.3 求解方法

構(gòu)建的RIES 規(guī)劃模型中目標(biāo)函數(shù)式（8）和約束條件式（26）中均存在非線性部分，屬于混合整數(shù)非線性規(guī)劃問題。為提高計算效率，借鑒文獻(xiàn)［18］中增量線性化的方法對目標(biāo)函數(shù)和約束條件進行線性化處理，從而轉(zhuǎn)換為混合整數(shù)線性規(guī)劃問題，利用GAMS 軟件中的CPLEX 求解器進行求解。

4 算例分析

4.1 算例參數(shù)

以工業(yè)園區(qū)、港區(qū)兩類場景的綜合能源系統(tǒng)規(guī)劃為例，驗證所提方法的有效性。算例的負(fù)荷數(shù)據(jù)基于文獻(xiàn)［19-20］改進得到。由于電、熱、冷負(fù)荷受季節(jié)特性的影響較大，春夏秋冬四季各選取一個典型日，規(guī)劃年限為30 年。分時電價如表1所示，高峰時間段為10：00—14：00、17：00—21：00，平谷時間段為06：00—10：00、14：00—17：00、21：00—22：00，低谷時間段為00：00—06：00、22：00—24：00。外部購熱、購氣、購冷單位成本分別為0.6 元/kWh、2.5 元/m3、0.6 元/kWh。電、熱、冷負(fù)荷年增長率分別為4%、3%、3%，電負(fù)荷單位負(fù)荷轉(zhuǎn)移成本為0.1 元/kWh，電、熱、冷負(fù)荷單位負(fù)荷消減成本分別為0.5 元/kWh、0.25 元/kWh、0.2 元/kWh，風(fēng)電、光伏年裝機增長率為3%，資金折現(xiàn)率為5%，資金回收率為10%。各設(shè)備參數(shù)如表2 所示。

表1 分時電價Table 1 Time-sharing electricity price 單位：元/kWh

表2 設(shè)備運行參數(shù)Table 2 Equipment operation parameters

場景1（工業(yè)園區(qū)）模型：工業(yè)園區(qū)根據(jù)其設(shè)備配置方案建模，包含風(fēng)電、光伏、燃?xì)忮仩t、CHP、CCHP、燃?xì)廨啓C、電空調(diào)和P2G 設(shè)備，其負(fù)荷典型日曲線參考圖2。其負(fù)荷特性考慮工業(yè)園區(qū)典型日負(fù)荷曲線。

場景2（港區(qū)）模型：港區(qū)根據(jù)其設(shè)備配置方案建模，包含風(fēng)電、光伏、電鍋爐、CCHP、燃料電池、電空調(diào)，其負(fù)荷典型日曲線參考圖6。

4.2 規(guī)劃結(jié)果分析

1）需求響應(yīng)前后設(shè)備配置方案對比。

表3 為工業(yè)園區(qū)和港區(qū)在響應(yīng)前后耦合設(shè)備容量。由結(jié)果可知，加入需求響應(yīng)后，耦合設(shè)備配置容量減少，說明加入響應(yīng)后通過調(diào)節(jié)負(fù)荷可以降低設(shè)備投運容量，減少了設(shè)備出力，避免資源浪費。表4為兩種場景中各設(shè)備投運情況，其結(jié)果清晰反映了不同設(shè)備在不同規(guī)劃年的投運狀態(tài)。由表4 可知，響應(yīng)后部分設(shè)備延期投運，說明調(diào)節(jié)負(fù)荷可以減少當(dāng)前規(guī)劃年設(shè)備的投運數(shù)量，使系統(tǒng)在減少設(shè)備出力及投運數(shù)量的前提下滿足電、熱、冷負(fù)荷需求，提高系統(tǒng)經(jīng)濟效益。

表3 系統(tǒng)容量配置Table 3 System capacity configuration 單位：kW

表4 設(shè)備投運情況Table 4 Operation of equipment 單位：年

工業(yè)園區(qū)所包含設(shè)備較多，共6 個耦合設(shè)備投入使用，其中氣負(fù)荷通過P2G 和外部購氣來提供，因此，在工業(yè)園區(qū)中P2G 設(shè)備配置容量較高，且第一年投運，以便通過CHP 和CCHP 為系統(tǒng)提供冷負(fù)荷。根據(jù)負(fù)荷曲線可知，工業(yè)園區(qū)電負(fù)荷全年需求量高，且負(fù)荷曲線波動幅度小，隨著運行年增加，僅靠風(fēng)光出力難以滿足電負(fù)荷需求，需要其他供電設(shè)備大量供電，因此需要燃?xì)廨啓C投運并為產(chǎn)電設(shè)備配套較高的容量來滿足負(fù)荷需求，相應(yīng)的投資成本增加。由于CHP 和CCHP 設(shè)備單位成本較高，為保證系統(tǒng)經(jīng)濟性，響應(yīng)后的系統(tǒng)顯著減少CHP 和CCHP 設(shè)備容量。港區(qū)所需耦合設(shè)備較少，其產(chǎn)電設(shè)備僅包括CCHP 設(shè)備和燃料電池。相比于工業(yè)園區(qū)，港區(qū)全年熱負(fù)荷需求量較高，冷負(fù)荷需求較低，因此電鍋爐配套較高容量以滿足熱負(fù)荷需求，同時冷空調(diào)配套較低容量，以減少能源浪費，提高港區(qū)經(jīng)濟效益，同時為避免資源浪費，響應(yīng)后的系統(tǒng)延后CCHP 和燃料電池的投運年限，避免設(shè)備過早投入造成不必要的損耗。由于港區(qū)未配套P2G 設(shè)備，氣負(fù)荷僅靠外部購氣來提供，且氣負(fù)荷成本較高，故耗氣設(shè)備所配套容量不宜過高，加入需求響應(yīng)后更凸顯出其特征。

表5 為響應(yīng)前后設(shè)備投資和運行成本，其相應(yīng)前后趨勢與上述規(guī)劃結(jié)果相同，說明加入需求響應(yīng)后降低了系統(tǒng)各方面成本。

表5 設(shè)備投資和運行成本Table 5 Equipment investment and operating cost 單位：萬元

表6 為系統(tǒng)響應(yīng)前后購能和需求響應(yīng)成本。由結(jié)果知，工業(yè)園區(qū)和港區(qū)需求響應(yīng)在優(yōu)化設(shè)備成本的同時也優(yōu)化了系統(tǒng)購能成本，減少了購能量。工業(yè)園區(qū)全年電負(fù)荷水平較高，且產(chǎn)電和耗電設(shè)備較多，因此為減少產(chǎn)電設(shè)備投運成本，應(yīng)盡量減少電負(fù)荷量，因此電負(fù)荷消減成本較高。由于CHP 和CCHP 本身轉(zhuǎn)換效率較低，熱負(fù)荷主要來源為燃?xì)廨啓C、燃?xì)忮仩t和購熱量，單位購熱成本相對較低，因此需要大量購熱來提高系統(tǒng)經(jīng)濟性、維持系統(tǒng)能源平衡。由于港區(qū)全年熱負(fù)荷需求量較高，冷負(fù)荷需求較低，為減少設(shè)備投運成本，應(yīng)消減系統(tǒng)熱負(fù)荷，盡量減少冷負(fù)荷消減量，因此熱負(fù)荷消減成本較高、冷負(fù)荷較低。

2）需求響應(yīng)前后外部成本對比。

由于現(xiàn)值系數(shù)作用，使得在同等購買能量下，年份越長對應(yīng)總成本越低。圖10 為工業(yè)園區(qū)響應(yīng)前后的年購電、購熱、購冷量。由結(jié)果知，響應(yīng)后的購電量一直低于響應(yīng)前的購電量，二者曲線趨勢逐漸重合，響應(yīng)后的購熱、購冷量在規(guī)劃前期購能總和要低于響應(yīng)前的購能總和，規(guī)劃后期相反。原因在于，規(guī)劃前期用戶對負(fù)荷需求不大，在耦合設(shè)備正常出力情況下，通過需求響應(yīng)來優(yōu)化電、熱、冷負(fù)荷，使負(fù)荷總體降低，減少系統(tǒng)與外界交互，提高系統(tǒng)經(jīng)濟效益。隨著規(guī)劃年份增高，負(fù)荷增長區(qū)間長度大于優(yōu)化負(fù)荷區(qū)間長度，在規(guī)劃后期，由于單位購電、熱、冷成本遠(yuǎn)低于耦合設(shè)備單位運行成本，在保證耦合設(shè)備容量配置最優(yōu)前提下，盡可能通過外部購電來滿足系統(tǒng)負(fù)荷需求，使得響應(yīng)后的負(fù)荷購電量可能出現(xiàn)大于響應(yīng)前的情況，但系統(tǒng)響應(yīng)前購能成本高于響應(yīng)后的購能成本。

圖10 工業(yè)園區(qū)響應(yīng)前后年購能量Fig.10 Annual purchase energy of industrial park before and after response

圖11 為港區(qū)響應(yīng)前后的年購電、購熱、購冷量。變化趨勢與工業(yè)園區(qū)相似，港區(qū)的供能設(shè)備主要是CCHP 和冷空調(diào)，由于優(yōu)化后的設(shè)備配置容量很小，使得港區(qū)供冷主要通過外部購冷來實現(xiàn)，使得響應(yīng)后的年購能量增長比響應(yīng)前要快很多，使響應(yīng)后的年購能量逐漸高于響應(yīng)前的購能量，但總購冷成本依然低于響應(yīng)前。

圖11 港區(qū)響應(yīng)前后年購能量Fig.11 Annual purchase energy of port area before and after response

圖12 為工業(yè)園區(qū)和港區(qū)在響應(yīng)前后的年購氣量。由結(jié)果可以看出兩種場景年購氣量呈現(xiàn)上升趨勢，由于單位購氣成本價格比耦合設(shè)備單位運行成本要高，因此，響應(yīng)后的購氣量應(yīng)小于響應(yīng)前的購氣量，且上升速度要比響應(yīng)前的要慢。港區(qū)沒有產(chǎn)氣裝置，天然氣來源只靠外部購氣來實現(xiàn)，但港區(qū)耗氣設(shè)備較少，其對氣負(fù)荷需求量較低。而工業(yè)園區(qū)P2G 裝置為系統(tǒng)氣負(fù)荷供氣，但工業(yè)園區(qū)耗氣設(shè)備較多，僅靠P2G 產(chǎn)氣仍不滿足系統(tǒng)供氣需求，需要外部購氣來實現(xiàn)。因此，兩個曲線上升趨勢相同，都是呈指數(shù)趨勢上升。

圖12 工業(yè)園區(qū)和港區(qū)在響應(yīng)前后的年購氣量Fig.12 Annual gas purchases by industrial parks and port areas before and after the response

5 結(jié)束語

分析工業(yè)園區(qū)、學(xué)校、港區(qū)、醫(yī)院4 種典型場景綜合能源系統(tǒng)的用能情況和負(fù)荷需求，由此給出每種場景多能耦合設(shè)備配置方案。在此基礎(chǔ)上，建立以價格引導(dǎo)的電-熱-冷IDR 模型，結(jié)合EH 理論建立以設(shè)備投資和運行成本最小為目標(biāo)的綜合能源規(guī)劃模型，以工業(yè)園區(qū)和港區(qū)場景為例驗證所提模型和方法的有效性。仿真結(jié)果表明，兩種場景下的設(shè)備容量配置和出力滿足系統(tǒng)負(fù)荷年增長需求，考慮需求響應(yīng)后設(shè)備容量配置、設(shè)備成本都得到顯著的優(yōu)化，實現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)外部能源協(xié)調(diào)利用，降低規(guī)劃成本。