趙鵬翔,覃振坤,郭東旭,王旭升,叢 琳

(1.國網(wǎng)綜合能源服務集團有限公司,北京市 西城區(qū) 100050;2.上海電力大學能源與機械工程學院,上海市 浦東新區(qū) 201306)

0 引言

在能源互聯(lián)網(wǎng)高速發(fā)展的背景下,利用多能耦合來提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和經(jīng)濟性是未來的發(fā)展趨勢,綜合能源系統(tǒng)應運而生。隨著可再生能源比例的提高且用能需求更加的靈活,系統(tǒng)的波動性和不穩(wěn)定性也隨之加劇。靈活性資源(例如儲能、需求側(cè)響應資源等)能在系統(tǒng)運行時一定程度上平抑系統(tǒng)波動。靈活性資源多種多樣,并具有靈活性、環(huán)保性、經(jīng)濟性、安全性等特性,其中,靈活性的評估是分析系統(tǒng)抗干擾能力的重要手段。

文獻[1-2]探討了供需系統(tǒng)平衡在應對可再生能源接入系統(tǒng)的不確定性方面的重要性,并強調(diào)了靈活性在其中發(fā)揮的關鍵作用;文獻[3]指出,在可再生能源高滲透率的情況下,凈負荷波動會變大;文中,靈活性被定義為調(diào)度系統(tǒng)內(nèi)資源平抑凈負荷波動的能力。可看出,系統(tǒng)靈活性的重要特征在于能在系統(tǒng)供需不平衡時,快速響應并平抑波動。文獻[4]提出了靈活性調(diào)節(jié)產(chǎn)品的概念,為后續(xù)的研究奠定了基礎,但目前僅實現(xiàn)了對電力系統(tǒng)等單一系統(tǒng)的調(diào)節(jié)。文獻[5]利用電動汽車的快速響應能力,將其作為電力系統(tǒng)靈活性調(diào)節(jié)產(chǎn)品來參與系統(tǒng)的調(diào)頻工作。文獻[6]針對高滲透率分布式電源接入系統(tǒng)的情況,深入研究了如何應對系統(tǒng)用能側(cè)負荷變化;文獻[7]在全面分析配電網(wǎng)靈活性提升方案的基礎上,提出了3個能代表配電網(wǎng)靈活性的評價指標,即凈負荷峰值裕度、凈負荷谷值裕度和凈負荷允許波動裕度。這些指標有助于更好地理解和評估配電網(wǎng)的運行性能,為提高電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性提供了重要參考依據(jù)。文獻[8]提出了利用可調(diào)度性高的電動汽車作為分布式儲能,以提高高比例可再生能源系統(tǒng)的靈活性。文獻[9-10]則研究了電動汽車充電對配電網(wǎng)系統(tǒng)靈活性的影響。

在綜合能源系統(tǒng)中,靈活性資源涉及到整個系統(tǒng)的供能、輸能、用能和儲能各環(huán)節(jié)。文獻[11-12]指出,在源側(cè),傳統(tǒng)能源(包括水電、火電及核電)的裝機容量較大,但其快速調(diào)整能力較弱,啟動時間相對較長。隨著光伏、風電等可再生能源在系統(tǒng)中所占份額的增加,系統(tǒng)的安全運行受到影響,因此提高系統(tǒng)的調(diào)節(jié)能力變得尤為重要。文獻[13-14]指出,提高靈活性的潛力來自于區(qū)域能源系統(tǒng)的網(wǎng)絡布局。

在綜合能源系統(tǒng)靈活性評價指標方面,國內(nèi)外對綜合能源系統(tǒng)的效益評價大多沿用傳統(tǒng)的評價指標。文獻[15]強調(diào)了采用整體能源系統(tǒng)方法進行綜合能源系統(tǒng)評估的必要性,其中包括多維、多向量、系統(tǒng)性、未來導向、整體規(guī)劃和適用性6個特征。文獻[16]將建筑能源靈活性定義為降低峰值負荷的能力,并對不同資源的靈活性進行了分析,最后通過模擬驗證了所提出的量化模型的正確性。文獻[17]引入了靈活性能指標,并依此建立了一種給建筑靈活性打分的方法。文獻[18]提出了一種電力系統(tǒng)靈活性評估方法,該方法考慮了風電預測區(qū)間、機組和系統(tǒng)運行特性,并提出機組和系統(tǒng)運行靈活性綜合評價指標。

綜上所述,綜合能源系統(tǒng)的評估研究必須綜合考慮各類能源供應、轉(zhuǎn)換、輸配、存儲和用能等過程,需要了解綜合能源系統(tǒng)的特點及靈活性資源所特有的性質(zhì),通過這些特性,可建立綜合評價指標體系,對資源的價值進行全面評估。

本文遵循指標構建五大原則,構建了綜合能源系統(tǒng)靈活性資源評價指標體系,包含系統(tǒng)級評價指標體系和局部級評價指標體系;其次,根據(jù)綜合能源系統(tǒng)靈活性評價框架,采用層次分析法-熵值法相結合確定指標權重,通過變權法修正組合權重,再運用SPSSAU 軟件導入專家評估問卷計算出權重并進行決策評價;最后,根據(jù)實例設立8個配置方案,通過對方案進行指標權重的雷達圖分析和模糊綜合評價得出最優(yōu)配置方案。

1 綜合能源系統(tǒng)靈活性資源指標體系構建

1.1 構建指標體系的流程

綜合能源系統(tǒng)靈活性資源評價指標體系分為2個層面,第1個是系統(tǒng)級評價指標體系,第2個是局部級評價指標體系。系統(tǒng)級評價指標體系是將綜合能源系統(tǒng)靈活性資源價值評價作為目標層,局部級評價指標體系是從“源網(wǎng)荷儲”四側(cè)分別建立評價指標體系,從靈活性、經(jīng)濟性、安全性、環(huán)保性、平移性5個方面對靈活性資源進行評價。在構建評價指標體系時,需要充分考慮靈活性資源本身的特性,構建的指標體系需經(jīng)過不斷改進優(yōu)化,最終形成一套成熟的指標體系,流程如圖1所示。

1.2 系統(tǒng)級評價指標體系

系統(tǒng)級評價指標體系是將綜合能源系統(tǒng)靈活性資源價值評價作為目標層(A),包含7個二級指標,和18個三級指標,具體內(nèi)容如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)級具體評價指標Fig.2 Specific evaluation indicators at the system level

三級指標如下:

(1) 系統(tǒng)慣性滲透率是指綜合能源系統(tǒng)中的電慣性、熱慣性等結合后的系統(tǒng)綜合慣性能力,用于減緩系統(tǒng)能源供需的即時不平衡,是反映系統(tǒng)靈活性和穩(wěn)定性的指標。

式中:C11為系統(tǒng)慣性滲透率;Eit為具有供能慣性的機組的供能總量;Esp為系統(tǒng)供能總量。

(2) 快速頻率響應和快速溫度響應(C12)是系統(tǒng)的重要特性,快速頻率響應能確保系統(tǒng)在頻率異常時迅速恢復穩(wěn)定,而快速溫度響應則能保證系統(tǒng)在溫度異常時迅速恢復正常。

(3) 爬坡速率是指系統(tǒng)的升、降負荷能力。

式中:C21為爬坡速率,kW/min;為每分鐘調(diào)整出力最大值;Econ為系統(tǒng)額定容量。

(4) 最小負荷滿足度是系統(tǒng)最小凈負荷與系統(tǒng)供能總量的比率。

式中:C22為最小負荷滿足度;為最小凈負荷。

(5) 系統(tǒng)平均電源故障時間是評估電力系統(tǒng)運行可靠性的重要標準,是指單個用戶平均停電時間。它可衡量電網(wǎng)從停電到恢復供電的平均持續(xù)時間,即維持不間斷供電的能力。

式中:C31為系統(tǒng)中斷的平均持續(xù)時間;TU為用戶斷電總持續(xù)時間;na為用戶總數(shù)量。

(6) 系統(tǒng)平均故障頻率是通過在特定時間段內(nèi)系統(tǒng)故障的平均發(fā)生次數(shù)來評估系統(tǒng)運行的可靠性?！笆堋笔侵腹┠茉O備故障,包括電源故障、氣源故障、熱/冷故障等。

式中:C32為系統(tǒng)平均故障頻率;nx為系統(tǒng)發(fā)生故障的次數(shù)。

(7) 預期的系統(tǒng)能源短缺是指在系統(tǒng)故障期間,由于能源供應中斷而可能導致的損失。這種預測是基于綜合能源系統(tǒng)中電力、天然氣和熱能等能源的持續(xù)供應水平。

式中:C33為系統(tǒng)能源短缺量;Pi為負荷點i處的負荷量;Ti為負荷點i處的停電時間;I為系統(tǒng)負荷點總數(shù)。

(8) 能源互聯(lián)及區(qū)域調(diào)度是指同一區(qū)域或不同區(qū)域之間能源網(wǎng)絡的相互連接與調(diào)度能力。

式中:C41為能源互聯(lián)及區(qū)域調(diào)度能力;Eex為互聯(lián)系統(tǒng)的可交換容量;為系統(tǒng)用能最大值。

(9) 管網(wǎng)損耗率反映系統(tǒng)能量傳輸過程中的能量損失,也是影響綜合能源系統(tǒng)中靈活性調(diào)用效率的一個因素。不同能量傳輸對應的能量損耗不相同。

式中:C42為管網(wǎng)損失率;Qe為管道供能量;Qo為管道有效供能量。

(10) 系統(tǒng)網(wǎng)絡緩受益能力(C43)可反映系統(tǒng)建設降低系統(tǒng)網(wǎng)絡初期投資成本或延緩其轉(zhuǎn)型升級的能力,用有功和無功功率的單位成本表示。

(11) 需求響應占比率。

式中:C51為需求響應占比率;Edm為需求響應用能總量;Eu為系統(tǒng)用能總量。

(12) 電動汽車有序充放電管理能力(C52)指在滿足電動汽車充放電需求的前提下,運用經(jīng)濟手段及技術措施引導、控制電動汽車進行有序充放電的能力。

(13) 儲能占比率指不同儲能形式所能提供的容量空間占比。

式中:C61為儲能占比率;Est為儲能容量。

(14) 儲能效率和放能效率(C62)分別指儲能側(cè)存儲能量與輸入總能量之比以及釋放能量與循環(huán)過程中充能容量之比。

(15) 系統(tǒng)靈活性能力具體指標包括向上靈活性充裕度、向下靈活性充裕度、向上靈活性不足度和向下靈活性不足度。

式中:C71、C72、C73、C74分別為向上靈活性充裕度、向下靈活性充裕度、向上靈活性不足度、向下靈活性不足度;Eup,a、Edown,a、Eup,b和Edown,b為向上靈活性充裕量、向下靈活性充裕量、向上靈活性不足量、向下靈活性不足量;Tup,a、Tdown,a、Tup,b、Tdown,b分別為上調(diào)靈活性充裕時間、下調(diào)靈活性充裕時間、上調(diào)不足靈活性時間、下調(diào)不足靈活性時間。

1.3 局部級評價指標

局部級評價指標包括共性指標、源側(cè)靈活性指標、網(wǎng)側(cè)靈活性指標、荷側(cè)靈活性指標及儲側(cè)靈活性指標。

其中,共性指標包括:

(1) 安全性指標。

① 設備可靠性。指設備在規(guī)定時間和條件下,能無故障地完成規(guī)定功能的能力。這種能力主要反映了設備的穩(wěn)定性、精度、準確度及零件的耐用性和安全可靠性。

② 設備可用性。指設備在運行的任意時刻,設備能正常工作的概率。通常,可用性是根據(jù)設備的故障時間來衡量的。

③ 資源裕量?！霸淳W(wǎng)荷儲”四側(cè)對資源的需求有一定的裕度值,設備只有在安全裕度范圍內(nèi)運行才能保證系統(tǒng)的安全。

(2) 經(jīng)濟性指標。

① 初始投資成本。指在初始階段生產(chǎn)或改善期間的固定費用,不會因產(chǎn)品的使用或生產(chǎn)的數(shù)量而改變。

② 運行成本。指在運作過程中,每個資源的需求或需求所引起的變化產(chǎn)生的費用,屬于靈活性資源的可變費用。

③ 綜合效益。指在社會生產(chǎn)活動中,被交換的對象以物的形式被轉(zhuǎn)讓而獲得的經(jīng)濟利益。這一過程牽涉到的對象很多,考慮的因素也比較復雜。

(3) 平移性指標。

① 自然資源約束度。自然資源對靈活性資源具有一定的約束力。

② 社會資源約束度。獲得政策放寬或政策補貼的靈活性資源,其可遷移能力相對較小。

③ 受自我限制程度。靈活性資源的自我限制程度在一定程度上決定了其可遷移能力的大小。

(4) 環(huán)保性指標。

① 碳排放總量。為促進系統(tǒng)綠色環(huán)保運行,以系統(tǒng)運行時的碳排總量作為能源環(huán)保性的衡量標準。

② 一次能源消耗率。設備一次能源耗能與設備總能源耗能之比。

源側(cè)靈活性指標包括:

(1) 啟停時間。表示在系統(tǒng)及機組正常狀態(tài)下,供能設備啟動或停運所需要的時間。

(2) 最小穩(wěn)定出力,又稱技術最小出力。為保障機組安全,機組運行時所必需達到的最小出力。

(3) 可調(diào)幅值,又稱可調(diào)出力。是供能單元可向上或向下調(diào)節(jié)的供能出力值,是衡量設備調(diào)節(jié)供能能力的一個重要指標。

(4) 爬坡速率,也稱可調(diào)控速度。指設備資源的升、降負荷能力,是反映靈活調(diào)節(jié)源側(cè)靈活性調(diào)節(jié)快速響應的指標。

(5) 可持續(xù)時間。機組能在備用功率下維持運行的最大時長。

(6) 備用容量。指可用容量中超過可預測需求峰值的閑置份額,是衡量設備可用性的常用指標。

網(wǎng)側(cè)靈活性指標包括:

(1) 輸送容量裕度。是輸能線路在正常情況下允許輸送的最大容量與實際傳輸容量的差值比,是衡量輸能線路可調(diào)節(jié)靈活性的指標。

(2) 調(diào)控響應時間。指在靈活性調(diào)節(jié)過程中,能源網(wǎng)絡從接到需求命令或信息到做出響應的時間。

(3) 可調(diào)控范圍。網(wǎng)側(cè)靈活性資源的可調(diào)控范圍反應了其實際響應需求空間的調(diào)控裕度。

(4) 可調(diào)控速度。網(wǎng)側(cè)靈活性資源的可調(diào)控速度是衡量靈活性資源響應快慢的最常用指標。

荷側(cè)靈活性指標包括:

(1) 凈負荷波動率。其反映了電/冷/熱凈負荷單位時間內(nèi)的波動率。

(2) 負荷可調(diào)控量。指負荷側(cè)對各用能單位運行情況進行監(jiān)控,并在發(fā)生故障或響應需求時,能及時對各單位進行管理調(diào)度的最大范圍。

(3) 可調(diào)控速度。指將負載側(cè)反饋的數(shù)據(jù)與實際參數(shù)相結合,并考慮到所有生產(chǎn)工作方式和裝運控制指令的傳播速度。

(4) 電動汽車可調(diào)度時段。指電動汽車設定接入及離開時,供電網(wǎng)調(diào)度的時間段。

(5) 電動汽車可調(diào)度容量。指電動汽車接入電網(wǎng)時,可供電網(wǎng)調(diào)度的容量。

儲側(cè)靈活性指標包括:

(1) 儲能效率。指儲能元件儲存起來的電量與輸入能量之比。

(2) 可調(diào)容量,又叫可調(diào)出力。指儲能單元儲能出力值,其通常受成本、空間及整體容量等因素限制。

(3) 儲能響應時間。指儲能設備從收到系統(tǒng)指令開始到設備啟動開始充/放電的時間。

(4) 最大持續(xù)放電時間。指儲能設備能持續(xù)對用能系統(tǒng)放電的最長小時數(shù)。

(5) 功率補償能力。儲能的功率補償能力是指儲能系統(tǒng)在供電或放電過程中,單位時間內(nèi)儲存或釋放的能量大小。

(6) 能量/功率吞吐能力。指一定時間內(nèi)儲能設備能進行能量儲存和釋放的容量。

(7) 可輸出最大功率。指儲能設備在放電時能輸出的最大功率,由于電能和電壓是額定的,電池的輸出功率主要由放電電流決定。

2 基于綜合能源系統(tǒng)靈活性資源的綜合評估模型構建

對綜合能源系統(tǒng)靈活性資源進行評估的方法如表1所示,可見:每種評價方法都有其局限性,沒有評價方法可做到絕對全面又準確。由于現(xiàn)階段對綜合能源系統(tǒng)中靈活性資源分類仍不夠明確,本文通過將層次分析法和模糊評價法相結合,來實現(xiàn)對綜合能源系統(tǒng)靈活性資源的綜合評估。

表1 不同評價方法的優(yōu)缺點Table 1 Advantages and disadvantages of different evaluation methods

2.1 評估模型

本文構建評估模型,對綜合能源系統(tǒng)靈活性資源進行評估。首先,采用熵值法與層次分析法相結合的方法確定指標權重;然后,將2個方法求得的權重進行對應結合來確定組合權重,并考慮到綜合能源系統(tǒng)具有動態(tài)性,涉及評價靈活性資源的指標會隨系統(tǒng)變化而變化,因此通過變權法修正組合權重,最終得到變權指標權重;再采用模糊評價法進行綜合評價,最后利用SPSSAU 軟件進行計算。模型評估流程如圖3所示。

圖3 本文靈活性資源評估模型的評估流程Fig.3 Evaluation process of flexibility resource assessment model in this paper

圖4 層次分析法流程圖Fig.4 Flowchart of analytic hierarchy process

2.2 評估流程

2.2.1 評價指標權重

(1) 層次分析法。

多標準決策技術最初是為幫助個人、少數(shù)專家或特定問題中的幾個利益相關者進行復雜決策而創(chuàng)建的;隨著應用范圍的擴大、決策者數(shù)量的增加,決策不僅出現(xiàn)在理論層面,還涉及到實際參與的問題。

本文的研究對象為綜合能源系統(tǒng)的靈活性資源,評價體系包括系統(tǒng)級、局部級評價指標體系。為將定性問題轉(zhuǎn)為定量分析,在目標層的評價下,準則層各要素進行兩兩比較;準則層與指標層建立判斷矩陣,在準則層的評價下,指標層各要素進行兩兩比較。在比較過程中,采用1-9標度法將結果定量化,具體如表2所示。表中:標度值aij表示因素i相對因素j的重要性,aii=1,aij=aji。

表2 構建判斷矩陣的因素的重要性比較Table 2 Importance comparison of the factors in constructing judgment matrix

邀請行業(yè)專家填寫評分問卷,利用yaahp軟件,構造因素比較的判斷矩陣。如果比較結果與判斷結果不一致,構建出判斷矩陣后要進行一致性檢驗。檢驗與趨勢分析如下:

式中:CCI為一致性指標,當CCI=0時,判斷矩陣具有完全的一致性,CCI越大判斷矩陣一致性越差;λmax為矩陣最大特征根;n為矩陣的階數(shù)。

平均隨機一致性指標CRI是依據(jù)判斷矩陣的階數(shù)確定的常數(shù),取值如表3所示。

表3 CRI 指標對照Table 3 Comparison of CRI

一致性比率CCR為

當且僅當CCR≤1時,判斷矩陣的一致性檢驗通過,否則應重新調(diào)整判斷矩陣,最終通過檢驗。

(2) 熵值法。

熵值法是一種在具體應用過程中計算客觀權重的有效方法,該方法根據(jù)每個指數(shù)的變化過程來決定熵值。

(3) 組合權重。

主觀權重法基于屬性本身的重要性的權重,但缺乏客觀性。客觀權重法根據(jù)權重決定屬性,不考慮屬性的實際價值,因此并不能反映決策者對各種屬性的高度重視程度。在確定權重時,需要考慮到各種主觀權重方法的優(yōu)缺點及決策者對屬性的偏好,盡量減少主觀隨機性。因此,合理的加權方法應該基于指標數(shù)據(jù)與專家經(jīng)驗之間的內(nèi)在規(guī)則來對決策指標進行加權。

(4) 根據(jù)變權函數(shù)修正權重。

主流靈活性資源評價指標研究大多偏靜態(tài),然而,綜合能源系統(tǒng)是一個動態(tài)發(fā)展過程,包括電力供應、負載應用、網(wǎng)絡傳輸和存儲能源等環(huán)節(jié),每個環(huán)節(jié)都存在相互的反饋。因此,在研究綜合能源系統(tǒng)的評價指標體系時,靜態(tài)指標不能客觀評價這個動態(tài)的、相互關聯(lián)的系統(tǒng)。因此,本文采用了變權方法修正權重。

2.2.2 模糊綜合評價

本文通過制定系統(tǒng)級評價指標體系調(diào)查問卷,邀請電氣、暖通、熱能、制冷、機械等領域的專家進行評分,從而明確各指標的隸屬度。

第i個評價因素對評價結果的隸屬程度Ri=［ri1,ri2,ri3,…,rim］(i=1,2,3,…,n),構造隸屬度矩陣R如下:

式中0≤rij≤1,要根據(jù)獲得指標權重,獲得最終的指數(shù)。

在評價某一事物時,往往難以進行量化的比較,因此通常采用一些邊界較為模糊的評語來描述,例如“很小靈活”“較小靈活”“一般靈活”“較大靈活”“非常靈活”等。本文通過采用專家打分法和問卷調(diào)查相結合的方式,將評價結果進行統(tǒng)計處理,從而得到定性的指標隸屬度:

式中:U為隸屬度;u為行業(yè)專家總?cè)藬?shù);u1、u2、u3、u4、u5為不同分數(shù)段打分專家人數(shù)。

2.3 綜合能源系統(tǒng)靈活性資源價值評估

2.3.1 指標權重確定

目標層(A),對綜合能源系統(tǒng)靈活性資源價值進行評價;準則層(B),包括能源供應輸出(其指標為B1)、高比例可再生能源消納(其指標為B2)、系統(tǒng)供能可靠性(其指標為B3)、能源網(wǎng)絡互聯(lián)(其指標為B4)、負荷需求(其指標為B5)、儲能(其指標為B6)和系統(tǒng)靈活性能力(其指標為B7);具體指標層(C)為系統(tǒng)級評價指標體系中的三級指標。

A-B判斷矩陣及指標權重如表4所示,判斷矩陣的一致性檢驗已通過。

表4 A-B判斷矩陣及指標權重Table 4 A-B judgment matrix and indicator weights

以能源供給輸出準則層評價指標為例,進行指標權重的計算和數(shù)據(jù)處理,結果如表5所示。

表5 B-C判斷矩陣及其權重Table 5 B-C judgment matrix and indicator weights

將層次分析法與變權法相結合,最終確定綜合能源系統(tǒng)靈活性資源價值評價各指標權重,如表6所示。

表6 綜合能源系統(tǒng)靈活性資源價值評價各指標權重Table 6 Indicator weights for evaluating the value of flexibility resources in integrated energy system

2.3.2 定量定性指標評價標準

在確定權重的基礎上,提出針對靈活性資源評價指標體系的定性定量指標評價標準。評價等級設定為“很小靈活”“較小靈活”“一般靈活”“較大靈活”“非常靈活”5個類型。如表7所示。

表7 系統(tǒng)級評價指標評價等級區(qū)分Table 7 Grading of evaluation criteria at the system level

2.3.3 定量定性指標評價標準

利用SPSSAU 軟件,將專家評估問卷導入軟件中,確定權重向量矩陣,構造權重判斷矩陣,計算權重并進行決策評價。權重計算結果如表8所示,可見:在“很小靈活”“較小靈活”“一般靈活”“較大靈活”“非常靈活”5個評價等級中,“非常靈活”占比最高。

表8 系統(tǒng)級評價指標的評價等級Table 8 Grading of system-level evaluation indicators

3 靈活性資源實例評價分析

3.1 園區(qū)概況

本文以上海市某典型園區(qū)為例,對園區(qū)內(nèi)的靈活性資源現(xiàn)狀進行梳理和分析,并針對某一靈活性需求響應場景,提出不同的靈活性資源調(diào)度方案。根據(jù)構建的評價指標體系和綜合評估模型,對不同的靈活性調(diào)度方案進行評價。

3.2 靈活性資源調(diào)用方案匹配研究

對于城市級綜合能源系統(tǒng)或能源站,為保持電負荷曲線的平穩(wěn)并增加熱負荷的輸出,本園區(qū)可選擇燃氣三聯(lián)供分布式能源系統(tǒng)或柴油發(fā)電機。在制冷/加熱工況下,熱泵與電鍋爐及常規(guī)冷水機組和蓄能系統(tǒng)聯(lián)合進行制冷/加熱操作,起到了調(diào)節(jié)負荷的作用。在常規(guī)供熱系統(tǒng)中,蓄能設備對于穩(wěn)定末端負荷及確保分布式能源的穩(wěn)定運行具有重要作用,電鍋爐也是園區(qū)常用的供能方式。本區(qū)域園區(qū)的特色設施包括水蓄能與儲能電站,它們可提供電負荷和冷/熱負荷。根據(jù)前文所述的需求響應場景及該場景下的靈活性資源調(diào)度目標,將在本園區(qū)的靈活性資源供應的基礎上制定不同的調(diào)度方案,具體如表9所示。

表9 調(diào)度方案設計表Table 9 Design table of scheduling plans

3.3 靈活性資源評價

3.3.1 資源評價

(1) 燃氣內(nèi)燃機、柴油發(fā)電機比較。

根據(jù)局部級評價指標體系及專家評分得出圖5所示燃氣內(nèi)燃機、柴油機指標權重雷達圖,可見:燃氣內(nèi)燃機的靈活性和經(jīng)濟性優(yōu)于柴油發(fā)電機,但平移性和安全性弱于柴油發(fā)電機。

圖5 燃氣內(nèi)燃機、柴油機指標權重雷達圖Fig.5 Radar chart of indicators and weights for gas internal combustion engine and diesel engine

經(jīng)過專家打分和模糊綜合評價法得到的具體靈活性結果如表10所示,由“非常靈活”的權重數(shù)值可知:燃氣內(nèi)燃機的靈活性優(yōu)于柴油發(fā)電機。

表10 柴油發(fā)電機與燃氣內(nèi)燃機靈活性分析Table 10 Flexibility analysis of diesel generator and gas internal combustion engine

(2) 熱泵、電鍋爐、燃氣鍋爐比較。

根據(jù)專家評分得出圖6所示熱泵、燃氣鍋爐、電鍋爐指標權重雷達圖,可見:燃氣鍋爐的靈活性最好;熱泵則在經(jīng)濟性與安全性方面表現(xiàn)良好;相比之下,電鍋爐的性能較差。因此,選擇燃氣鍋爐和熱泵是比較好的選擇。

圖6 熱泵、燃氣鍋爐、電鍋爐指標權重雷達圖Fig.6 Radar chart of weight indicators for heat pump,gas boiler and electric boiler

(3) 電網(wǎng)、氣網(wǎng)比較。

根據(jù)專家評分得出圖7所示能源傳輸側(cè)指標權重雷達圖,可見:電網(wǎng)在靈活性、環(huán)保性、平移性、安全性4個方面都優(yōu)于氣網(wǎng);但在經(jīng)濟性方面,氣網(wǎng)的權重高于電網(wǎng)?？紤]到誤差及各專家打分的主觀性,這個結論是可接受的。

圖7 能源傳輸側(cè)指標權重雷達圖Fig.7 Radar chart of indicator weights on the energy transmission side

(4) 水蓄能、儲能電站比較。

本園區(qū)的儲能電站主要采用磷酸鋰鐵電池組,由圖8所示水蓄能、儲能電站評價指標權重雷達圖可見:儲能電站的靈活性和平移性優(yōu)于水蓄能;但在經(jīng)濟性和環(huán)保方面,水蓄能更優(yōu)。

圖8 水蓄能、儲能電站評價指標權重雷達圖Fig.8 Radar chart of evaluation indicator weights for pumped storage and energy storage stations

3.3.2 方案評價

根據(jù)資源評價,對不同方案進行評估,得到圖9所示雷達分析圖。

圖9 不同方案評價指標雷達圖Fig.9 Radar chart of evaluation indicators for different schemes

由圖9可見:使用柴油機的方案1—3,其環(huán)保性較差;在考慮靈活性方面,方案3顯示出最高的靈活性。在包含燃氣內(nèi)燃機的方案中,方案5、7、8展現(xiàn)出較高的靈活性,在這3種方案中,方案7、8的經(jīng)濟性更為優(yōu)秀。因此,將選取方案3—8進行模糊綜合評價。

根據(jù)本文所提出的綜合能源系統(tǒng)局部級評價指標體系,共邀請7位行業(yè)內(nèi)專家,應用模糊綜合評估方法,對不同方案的靈活性進行評分。在方案評價過程中,設置如下評語集:{非常靈活,較大靈活,一般靈活,較小靈活,很小靈活};并給出了相應的等級評分:V=［95,85,75,65,55］;B為各方案的5個靈活性程度對應的權重矩陣。

將評價結果化成百分制:P=VBT=69.01。根據(jù)模糊綜合評價法進行計算后,方案3的評分約為69分,評價結果為“較小靈活”。同理可得:方案4的評分約為71分,評價結果為“一般靈活”;方案5的評分約為81分,評價結果為“較大靈活”;方案6的評分約為67分,評價結果為“較小靈活”;方案7的評分約為77分,評價結果為“一般靈活”;方案8的評分約為78分,評價結果為“一般靈活”。

各方案得分如圖10所示,可見:靈活性得分較高的為方案5、方案7和方案8,其中方案5最高。但參考圖9可看出,方案5的經(jīng)濟性、環(huán)保性及安全性都要弱于方案7和方案8,綜合考慮下方案7、8更優(yōu)。

圖10 部分方案得分比較Fig.10 Score comparison for some schemes

4 結論

本文遵循指標構建五大原則,構建了包括系統(tǒng)級評價指標體系和局部級評價指標體系的綜合能源系統(tǒng)靈活性資源評價指標體系,并根據(jù)綜合能源系統(tǒng)靈活性評價框架,結合層次分析法與模糊評價法進行綜合評估。最后以某典型能源站供能園區(qū)為例,應用構建模型進行分析評價。通過對8種方案進行指標權重的雷達圖分析和模糊綜合評價,分析得到靈活性得分最高的為“燃氣內(nèi)燃機+燃氣鍋爐”方案,但是綜合考慮到經(jīng)濟性、環(huán)保性、安全性等多個方面,“燃氣內(nèi)燃機+熱泵+水蓄能”和“燃氣內(nèi)燃機+熱泵+儲能電站”方案更為突出。

本文主要基于靈活性資源分析理論,形成相應的評估方法。后續(xù)還應該根據(jù)靈活性資源的特性,增加相應的評價指標,并不斷完善評估模型,最終形成評估“工具包”,以便對項目的設計、建設、運營等全過程進行深入的理論和應用研究。