考虑综合需求侧响应的区域性综合能源系统运行优化

考虑综合需求侧响应的区域性综合能源系统运行优化

张文宇李冰

（国网河北省电力有限公司电力科学研究院河北省石家庄市050011）

摘要：近年来，随着可持续发展理念的不断深入，大力发展可再生能源，推动用能清洁化、低碳化是我国推行能源革命，实现能源和环境发展的必然选择。近年来，我国部分电网出现了较为严重的“弃风”现象，电转气技术(powertogas)可在一定程度上解决此问题，为综合能源系统实现高新能源渗透率提供途径。本文就考虑综合需求侧响应的区域性综合能源系统运行优化展开探讨。

关键词：综合能源系统；综合需求侧响应；能量转移；运行优化

引言

综合需求侧响应(IDＲ)正是基于这样一种背景，通过价格或激励机制刺激需求侧调整能源生产和消费方式来实现供需双侧资源的协调优化，提高可再生能源利用率，提高系统的经济性，降低系统的碳排放。在可再生能源出力低谷期，通过增加冷热电联供(CCHP)出力，燃气制热等方式降低电能消耗。在可再生能源出力高峰期，增加电制热/冷，代替其他热/冷源，提高可再生能源利用率。这种需求侧响应方式既有效的缓解了因可再生能源出力波动性造成的供应侧压力，又保证了用户的需求和舒适度不受影响，因此日益受到广泛应用。

1综合能源系统标准化建模

电力系统计算机标准化建模是电力系统自动化的重要基础，同样地，综合能源系统计算机标准化建模是未来多能源系统自动化的重要基础。本文中提出的标准化矩阵建模方法通过以能源转换设备之间的能量流作为状态变量来处理引入调度因子所导致的非线性问题。由于任意2个能量流之间的关系是线性的，因此不需要引入调度因子作为决策变量。所提出的标准化矩阵建模方法使用图论将能源转换设备的拓扑和特性转换为矩阵形式。上述综合能源系统的物理结构用图论描述可由以下2个部分构成:1)能源转换设备;2)设备的拓扑连接关系，如图1所示。利用图论中的一些基本概念，对能源综合

图1基于图论的综合能源系统物理结构描述图

综合能源系统是一个多种形式能源输入Vin，多种能源输出Vout的双端口网络，中间的能量转换环节由耦合矩阵C表示。

式中耦合矩阵C用以描述不同类型能源转换设备本身的转换特性。各种能源转换设备的转换特性如下。以内燃机、燃气轮机、微燃机、燃料电池、斯特林发动机等为原动机的热电联产(CHP)系统，

式中ηq、ηw分别为CHP设备产热、产电效率。燃气/油锅炉，

式中ηAB为锅炉产热效率。电制冷设备，

式中ηc为电制冷设备的性能系数。电制热设备，

式中ηh为电制热设备的性能系数。吸收式制冷设备，

式中ηr为吸收式制冷设备的性能系数。储能设备，储能除了充放能行为外，还包括内部储能状态(stateofcharge，SOC)的变化，

式中:ηch、ηds分别为充、放能效率;ΔE为内部储能状态的变化。储能设备t时刻的储能状态为

对能源转换设备及设备的拓扑连接关系融入综合能源系统的物理结构知识，以能源转换设备之间的能量流作为状态变量来处理引入调度因子所导致的非线性问题，可以构建相应的线性规划模型矩阵，如式(9)，进而为多能源系统灵活性分析、优化运行提供新的视角。

式中:EIES，c、EIES，h、EIES，e分别为通过能源输送网络输送至用户端的总冷量、总热量、总电量；Ec为供给电制冷设备的电量；Hh为供给吸收式制冷设备的热量；FAB为供给锅炉设备的燃料量；FCHP为供给CHP系统的燃料量；Eh为供给电制热设备的电量；Sh为光热、深层地热等产生的热量；Ei为坚强主网架供电量；Se为区域光伏产生的电量；We为区域风电产生的电量；vc，in为储冷设备充入的冷量；vc，out为储冷设备放出的冷量；vh，in为储热设备充入的热量；vh，out为储热设备放出的热量；ve，in为储电设备充入的电量；ve，out为储电设备放出的电量。为了保证所建模型的可靠性与可实施性，提出如下假设:1)能源输送网络暂只考虑电网、热网、冷网这些与能源转换设备配置密切相关的网络；2)忽略能源输送过程中管道、线路的耗散效应。

2考虑IDＲ运行优化模型

2.1考虑IDＲ的运行优化框架

在ＲIES中，由于能源的利用方式多样，因此用户可以在不改变能源需求的情况下，根据系统运行的经济性、环保性等目标合理安排不同的能源供应形式和出力策略。在本文所述的运行优化模型中，用户通过从EDS系统中可再生能源发电和外部电网购买电能以及FDS系统购买燃气来满足能源需求。系统的运行目标是在总运行期内系统的运行成本最小，约束条件是系统的冷、热、电能的平衡和CCHP、AB等能源转换设备的安全运行，决策变量是运行周期内EDS系统、FDS系统的出力和各个能源转换环节的分配系数。

2.2经济性目标函数

以综合能源系统的调度运行成本为目标函数，使系统在满足用户负荷需求的同时产生的电费最小。主要运行成本是区域运行所购入市电费用，同时考虑可再生能源发电的补贴收益及可再生能源发电成本。

结语

随着化石能源的逐渐减少和环境污染的愈发严重，新能源发电技术被世界各国高度重视，越来越多的风力、光伏发电投入使用，然而由于其具有的不确定性和波动性，给现有能源供应网络带来了一定不利影响，其自身的大量消纳也存在困难。在转向能源互联网的初始阶段中，配电网和其他能源网的耦合使得已有配电网内逐渐形成了区域综合能源系统，配电网内形成的区域综合能源系统有其自身的供能方式、用能特点和利益主体等，其存在会改变传统配电网络的组成结构，在此背景下，配电网的扩展规划面临着新的要求与挑战。

参考文献

[1]鲁宗相，李海波，乔颖.高比例可再生能源并网的电力系统灵活性评价与平衡机理[J].中国电机工程学报，2017，37(1):9－19.

[2]李海波，鲁宗相，乔颖，等.大规模风电并网的电力系统运行灵活性评估[J].电网技术，2015，39(6):1672－1678.