楊國朝

（國網(wǎng)天津市電力公司城東供電分公司，天津 300250）

隨著人們對生態(tài)環(huán)境的重視，對生態(tài)環(huán)境保護提出了更高的要求。同時國家已經(jīng)采取了更加有力的政策和措施來進行生態(tài)環(huán)境的保護，并提出2030年前碳達峰，2060 年前碳中和的戰(zhàn)略目標(biāo)。為了實現(xiàn)這一目標(biāo)，就需要降低工業(yè)生產(chǎn)中的二氧化碳的排放，并且隨著新能源技術(shù)的發(fā)展，很多工業(yè)園區(qū)都通過新能源與傳統(tǒng)能源相結(jié)合的方式來進行園區(qū)能源提供，通過綜合能源系統(tǒng)（IES）來實現(xiàn)減少碳排放的目標(biāo)。然而要實現(xiàn)綜合能源系統(tǒng)的經(jīng)濟運行，就需要對傳統(tǒng)的能源調(diào)度方式進行優(yōu)化，充分結(jié)合設(shè)備的最優(yōu)出力區(qū)間來進行對綜合能源系統(tǒng)園區(qū)進行優(yōu)化，從而來實現(xiàn)園區(qū)能源的優(yōu)化調(diào)度和碳排放達標(biāo)。

1 最優(yōu)出力區(qū)間園區(qū)綜合能源系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度模型

1.1 基于統(tǒng)一母線式結(jié)構(gòu)園的園區(qū)綜合能源系統(tǒng)模型

考慮到園區(qū)的耗能結(jié)構(gòu)為典型的電-氣－熱耦合的典型耗能結(jié)構(gòu)，所以在進行園區(qū)綜合能源系統(tǒng)模型構(gòu)建中采用了統(tǒng)一母線結(jié)構(gòu)。并通過該系統(tǒng)來為園區(qū)內(nèi)的用戶提供電負荷、熱負荷和冷負荷，其中負荷由光伏發(fā)電裝置和熱電聯(lián)產(chǎn)（CHP）機組以及外部電網(wǎng)供電來進行提供。熱負荷通過CHP 機組、燃氣鍋爐和電鍋爐來進行提供，冷負荷則通過電制冷機（EC）和吸收式制冷機（AC）來進行提供。同時考慮到夏季的熱負荷和電負荷的需求情況通過彈性矩陣來對其需求響應(yīng)進行刻畫，而冷負荷則通過用戶滿意度模型來進行需求響應(yīng)刻畫。

1.2 需求響應(yīng)模型

首先是電負荷需求與熱負荷需求響應(yīng)根據(jù)彈性矩陣來進行刻畫，電負荷需求響應(yīng)的計算中，為了將后續(xù)的計算進行簡化，這里將電價彈性系數(shù)設(shè)置為-0.3，將彈性電負荷設(shè)置為0.6。同時考慮到電價的變化區(qū)間不能太大，所以對電價的變化量與初始電價的比值的大小進行限定，同時需要將一個調(diào)度周期內(nèi)的總電負荷設(shè)置為相同的值，熱負荷需求響應(yīng)的計算方式與電負荷需求響應(yīng)的計算方式基本相同，但是需要考慮到熱負荷的使用主要是用來對設(shè)備的正常運行進行維持，所以彈性熱負荷設(shè)置為0.3。

冷負荷需求響應(yīng)是通過舒適度模型來進行計算。在計算過程中，首先需要對室內(nèi)溫度與冷負荷之間的關(guān)系進行確定，這里根據(jù)電路模擬的等效熱參數(shù)方法來對建筑的一階熱力學(xué)模型進行構(gòu)建。同時，室內(nèi)溫度在一定范圍內(nèi)的變化人體不能進行有效感覺，所以在一定范圍內(nèi)波動的室內(nèi)溫度并不會對人們的舒適度產(chǎn)生影響，所以可以用PMV 指標(biāo)來對用戶的舒適度進行表示，這里可以根據(jù)ISO7733 的標(biāo)準(zhǔn)來將PMV的取值范圍設(shè)置在-0.5 ≤PMV ≤0.5 的范圍內(nèi)。從而就可以得到最大冷負荷和最小冷負荷的指標(biāo)，并且需要將冷負荷在一個周期內(nèi)的變化量設(shè)置為0。

1.3 園區(qū)設(shè)備模型

根據(jù)園區(qū)綜合能源系統(tǒng)可以知道CHP 能夠?qū)⑻烊粴廪D(zhuǎn)化為電能和熱能，所以CHP 機組的制熱過程可以通過公式（1）進行表示，發(fā)電過程可以通過公式（2）表示。并且CHP 的發(fā)電功率會存在一定的限制，可以通過公式（3）來進行表示，而CHP 的最大爬坡約束和最大滑坡約束則通過公式（4）和（5）來進行表示，園區(qū)其他設(shè)備均可以通過這個方式來進行模型的構(gòu)建。

而在進行電儲能的建模過程中需要考慮到充放電過程中的功率約束問題，并且還需要考慮到儲能的實時調(diào)頻功能，并根據(jù)預(yù)測的調(diào)頻容量價格線來進行調(diào)頻容量的預(yù)留。這樣就可以根據(jù)優(yōu)化計算來得到儲能容量區(qū)間和實時調(diào)頻容量價格來實現(xiàn)對當(dāng)前儲能容量在有功市場與調(diào)頻市場的分配比進行計算。同時必須在調(diào)度周期模式將儲能恢復(fù)到初始狀態(tài)來保證調(diào)度計劃的周期性。

在光伏發(fā)電的模型建設(shè)過程中需要充分考慮光伏發(fā)電的不確定性。但是當(dāng)前很難對光伏發(fā)電的出力進行準(zhǔn)確的預(yù)測，所以可以根據(jù)光伏處理的上下限來通過盒式不確定集來實現(xiàn)光伏發(fā)電出力的模型建設(shè)，

2 計算分析

本次研究中，園區(qū)的各項參數(shù)設(shè)置如表1 所示。并選取在夏季環(huán)境進行調(diào)度優(yōu)化計算，將室內(nèi)溫度維持在26 ℃來作為冷負荷需求標(biāo)準(zhǔn)來對冷負荷的上限和下限進行確定。

表1 園區(qū)各項參數(shù)

本次計算中采用了三種不同的方式來進行計算，方式1 為考慮累計負荷改變量，獲取設(shè)備最優(yōu)出力區(qū)間以及負荷改變量的上限和下限，然后根據(jù)光伏發(fā)電實際出力來對設(shè)備的出力和需求響應(yīng)在區(qū)間內(nèi)進行調(diào)整方案來進行計算；方式2 是不考慮累計負荷變量，僅考慮設(shè)備最優(yōu)出力期間，根據(jù)日前調(diào)度光伏出力預(yù)測出需求響應(yīng)，然后不對需求響應(yīng)進行調(diào)整，僅調(diào)整設(shè)備出力方案來進行計算。方式3 是通過日內(nèi)滾動優(yōu)化算法進行計算。

2.1 不確定集邊界參數(shù)和需求響應(yīng)影響分析

探究不確定集邊界和需求響應(yīng)的影響過程中，通過對算法中的參數(shù)范圍進行改變，從而來計算方式1和方式2 兩種方式的成本。計算過程中日內(nèi)實際光伏出力按照10 000 組光伏出力，且滿足10%彼岸準(zhǔn)差的預(yù)測出力值的正態(tài)分布進行計算；將碳交易的成本設(shè)置為30 元/噸，儲能調(diào)頻容量售價設(shè)置為日前預(yù)測值的5%波動。計算結(jié)果如表2 所示。

表2 方式1 和方式2 兩種情況成本對比（元）

根據(jù)表2 兩種方式的成本結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，在相同的不確定集情況下，方式1 的成本低于方式2 的成本，這是因為需求響應(yīng)雖然能夠在園區(qū)能源系統(tǒng)的用能情況進行改變，來實現(xiàn)降低成本，但是要實現(xiàn)更好的成本降低需要將能源的使用和能源的供應(yīng)進行有效的結(jié)合。所以在進行能源優(yōu)化的過程中需求響應(yīng)實施策略與新能源出力情況具有較為明顯的關(guān)系。日前優(yōu)化中通過光伏出力最壞的方式來進行方案制定所得到的方案不一定是光伏出力最壞的情況，需要根據(jù)實際情況來進行進一步的調(diào)整。所以在優(yōu)化方案中引入負荷累計改變量來對需求響應(yīng)的上下限進行確定，可以有效提升日內(nèi)調(diào)整的靈活度，從而來實現(xiàn)更高的經(jīng)濟效益。

2.2 與日內(nèi)滾動優(yōu)化算法的對比分析

日內(nèi)滾動優(yōu)化方案是根據(jù)光伏發(fā)電的日前預(yù)測出力來制定日前調(diào)度計劃以及需求響應(yīng)策略，然后在日內(nèi)調(diào)度過程中建設(shè)可以得到當(dāng)前時段和未來β 個時段的光伏出力值，并通過日前預(yù)測來對后續(xù)時段的光伏出力情況進行表示，得到的結(jié)果如表3 所示。

表3 日內(nèi)滾動優(yōu)化計算結(jié)果（元）

根據(jù)表3 可以發(fā)現(xiàn)在日內(nèi)滾動優(yōu)化計算中，隨著參數(shù)β 的增加，所得到的成本就越低，造成這種情況的原因是光伏出力的信息量對光伏出力后續(xù)的不確定性會產(chǎn)生影響，隨著信息的增多，不確定性會降低，從而對調(diào)度計劃所產(chǎn)生的影響就越小。與方式1 進行比較可以發(fā)現(xiàn)其總成本遠遠高于方式1 的總成本，在相同步確定集中僅當(dāng)β=5 時的總成本與方式1 的總成本相近，但是需要對多個時段的光伏出力進行準(zhǔn)確的預(yù)測是非常困難的，所以采取園區(qū)能源體系進行優(yōu)化計算能夠具備更好的效果。

可以發(fā)現(xiàn)，隨著碳交易價格的提升，碳交易成本將呈現(xiàn)上升后下降的趨勢，碳交易成本的最大值出現(xiàn)在碳交易價格為34 元/t 時。這是因為根據(jù)園區(qū)能源系統(tǒng)的用能方式不能實現(xiàn)經(jīng)濟性和碳排放同時達到最優(yōu)的效果。在較低碳交易價格情況下，運行成本在園區(qū)能源系統(tǒng)的用能成本中起到主導(dǎo)性作用，這時會更加注重用能的經(jīng)濟性，這會導(dǎo)致園區(qū)的減碳量較低。隨著碳交易價格的提升，碳交易價格在園區(qū)能源系統(tǒng)的用能中占據(jù)主導(dǎo)作用，這時就會選擇更低的碳排放方式來降低碳交易成本，從而有效地提升了減碳量。

3 結(jié)語

文章通過基于最優(yōu)出力區(qū)間和碳交易來對園區(qū)能源系統(tǒng)的調(diào)度算法進行優(yōu)化，在魯棒優(yōu)化調(diào)度基礎(chǔ)上來進行進一步優(yōu)化處理，從而實現(xiàn)在光伏出力最壞情況下各個設(shè)備的最優(yōu)出力區(qū)間和需求響應(yīng)中負荷累計該變量的上下限。計算結(jié)果表明通過優(yōu)化算法能夠有效降低園區(qū)碳交易成本，提升減碳量并有效降低能源使用成本，實現(xiàn)了更好的能源利用。