04解决方案：园区综合能源系统优化运行策略研究

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第 42 卷 第 2 期 中 国 电 机 工 程 学 报 Vol.42 No.2 Jan. 20, 2022 2022 年 1 月 20 日 Proceedings of the CSEE ©2022 Chin.Soc.for Elec.Eng. 573 DOI：10.13334/j.0258-8013.pcsee.201942 文章编号：0258-8013 (2022) 02-0573-16 中图分类号：TM 73 文献标识码：A 考虑冷热电需求耦合响应特性的 园区综合能源系统优化运行策略研究 赵海彭，苗世洪 *，李超，张迪，涂青宇 (强电磁工程与新技术国家重点实验室(华中科技大学电气与电子工程学院)，湖北省 武汉市 430074) Research on Optimal Operation Strategy for Park-level Integrated Energy System Considering Cold-heat-electric Demand Coupling Response Characteristics ZHAO Haipeng, MIAO Shihong*, LI Chao, ZHANG Di, TU Qingyu (State Key Laboratory of Advanced Electromagnetic Engineering and Technology (School of Electrical and Electronic Engineering, Huazhong University of Science and Technology), Wuhan 430074, Hubei Province, China) ABSTRACT: In recent years, to promote renewable energy consumption and improve energy efficiency, the integrated energy system (IES) has been widely promoted and applied. Establishing a refined integrated demand response (IDR) model is the key to realize the coordinated and optimized operation of IES. In this paper, a regional IES architecture with coupling between energy supply and demand was first constructed. Then, based on the elastic price response model of power load, a refined IDR model with coupling response characteristics of electricity-heat-cold demand was established. On this basis, with the goal of minimizing the operating cost of IES, the IES optimization operation model was established. This model achieved the coordinated optimization on both sides by optimizing the energy price of on the demand side and the operating parameters of the energy conversion equipment in the EH on the supply side. Finally, based on a regional IES system, the IDR model and IES operation model were simulated, and the results show that the proposed IDR model can accurately describe the coupling response characteristics of the participation in demand response, and the proposed IES optimal operation model can improve the economy of IES and promote the renewable energy consumption. KEY WORDS: integrated energy system; energy hub; integrated demand response; elastic matrix; coupling response 摘要：近年来，为了促进可再生能源消纳、提高能源利用效 率，园区综合能源系统得到大力推广及应用，建立精细化的 综合需求响应模型是实现园区综合能源系统供需双侧协调 基金项目：国家自然科学基金项目(51777088)。 Project Supported by National Natural Science Foundation of China (51777088). 优化运行的关键。该文首先构建了能源供需双侧同时存在耦 合的园区综合能源系统运行架构，然后基于电力负荷价格弹 性响应模型推导建立了考虑冷热电需求耦合响应特性的精 细化综合需求响应模型。在此基础上，以综合能源系统运行 成本最小为目标，建立了园区综合能源系统优化运行模型， 该模型通过优化能源需求侧的售能价格和能源供给侧的设 备运行参数等，实现能源供给侧和需求侧的协调优化。最后 基于一个典型综合能源系统对所建综合需求响应模型和园 区综合能源系统优化运行模型进行仿真计算，计算结果表 明，所提考虑冷热电需求耦合响应特性的综合需求响应模型 可以准确描述多种用户参与需求响应的耦合响应过程，所提 园区综合能源系统优化运行模型实现综合能源系统经济性 的提升，促进可再生能源的消纳。 关键词：综合能源系统；能量枢纽；综合需求响应；弹性矩 阵；耦合响应 0 引言 随着传统化石能源短缺问题和环境污染问题 的日益严重，大力发展清洁可再生能源成为了各国 政府解决能源危机和构建环境友好型社会的重要 手段[1-2]。然而，可再生能源固有的随机性和间歇性 使得电力系统在安全经济运行方面面临着巨大挑 战，严重制约了可再生能源的规模化消纳。近年来， 为了促进可再生能源消纳、提高能源利用效率，包 含电–气–热的园区综合能源系统(integrated energy system，IES)得到大力推广及应用[3]。 在综合能源系统的架构下，大量能源相互转化 的设备使得不同种类的能源在能源供给、传输、需 求环节的耦合性越来越强。例如能源供给环节的热 574 中 国 电 机 工 程 学 报 第 42 卷 电联产(combined heat and power，CHP)设备、电转 气(power to gas，P2G)设备、燃气锅炉(gas boiler， GB)，能源需求环节的中央空调(air conditioner，AC) 负荷、电热泵(electric heat pump，EHP)、吸收式制 冷机(absorption refrigerator，AF)等。此外，综合能 源系统还包括变压器(transformer，T)、换热器(heat exchanger，HE)、电池(electric storage，ES)与蓄热 器(heat storage，HS)等基本能源交换和存储设备。 多种能源之间相互耦合的特点让综合能源系统的 优化问题变得十分复杂。 为此，文献[4]首次提出了能量枢纽(energy hub，EH)的概念，该模型利用一个耦合矩阵来描述 综合能源系统多能源输入和输出之间的关系，简化 了综合能源系统的优化问题。在此基础上，国内外 学者开展了综合能源系统优化运行等相关问题的 研究。文献[5]针对多个能量枢纽之间相互协作问 题，建立了适用于能量枢纽的不可转移支付联盟博 弈模型，实现了能量枢纽之间能量的合作交互，但 是未考虑储能系统。文献[6]考虑热网储能特性和供 能网络电压、温度等节点状态约束，分析了综合能 源系统优化调度中三类储能的协调关系。以上文献 从优化和博弈角度探讨了基于能量枢纽形式的综 合能源系统优化运行问题，但并没有考虑需求侧的 用户参与。 传统的需求侧响应只是针对电力用户，根据用 户负荷需求特性分为可平移、可转移、可削减负荷， 根据响应形式又可以分为价格型和激励型。在综合 能源系统中，需求侧响应进一步被拓展为综合需求 响应(integrated demand response，IDR)[7-10]。综合需 求响应是综合能源供应主体通过一定的方式，来调 节用户冷热电等多类型能源需求的方法。文献[11] 基于主从博弈建立了配电–气能源系统供需互动模 型，通过综合负荷聚合商内部能源转换装置的合理 配置实现天然气和电能的相互替代。文献[12]针对 综合需求响应参与的商业园区能量枢纽运行问题， 对中央空调负荷进行详细建模，综合考虑中央空 调、电动汽车、换电站等综合需求响应资源，以能 量枢纽运行成本最低为目标实现了商业园区协调 运行。文献[13]引入了热电联产机组、燃气轮机、 电锅炉等多能源设备，利用热力和天然气易于长时 间储存特性，联合热-电需求响应实现了多能源园区 经济调度，提高了新能源的消纳率并减少了负荷损 失。但是上述文献中普遍采用的是简单的需求响应 量约束，没有具体描述价格变化和用户响应行为的 关系[14]，无法体现用户的自主响应能力。针对这一 问题，现有文献分别从博弈论和弹性矩阵的角度开 展研究。文献[15]针对园区综合能源系统多主体联 合优化调度问题，通过电价型综合需求响应、激励 型综合需求响应和博弈的方法，实现系统多主体多 目标联合优化。文献[16]建立包含可转移可中断电 负荷、可转移不可中断电负荷、灵活的热负荷和冷 负荷等多类型负荷的综合需求响应模型，并通过主 从博弈的方法实现系统的优化调度。文献[17]基于 节点能源价格刻画了用户与系统的互动关系，建立 了基于演化博弈的需求响应模型，通过算例对用户 响应行为进行推演并分析了用户的用能行为趋势 及其对系统节点能源价格的影响。文献[18]基于指 数弹性系数矩阵，构建了负荷变化量与电价改变量 呈指数关系的新型价格型需求响应机制，实现了源 网荷储协调优化。 综上所述，考虑综合需求响应的综合能源系统 优化问题方兴未艾，特别是在以下几个方面的研究 还不够深入：1）现有研究大多只建模描述能源供 给/需求侧的单侧能源耦合问题，没有关注能源供需 双侧互动的系统优化问题；2）现有研究对综合需 求响应建模不够精确，例如博弈论模型只从经济性 角度出发，将用户视为纯理性主体，忽略了用户实 际响应量与用户需求之间的联系；3）现有研究重 点关注综合能源系统中多种能源“供应”和“需 求”中的耦合过程，对于用户参与综合需求响应时 不同能源“需求响应量”之间的耦合响应问题没 有研究。当前，分时电价政策及电力价格需求响应 已发展得较为成熟。因此，在价格弹性响应模型基 础之上，依据能源用途对用户多能负荷进行详细划 分，并结合综合能源系统需求侧多类型能源耦合关 系，进一步研究面向分时电价的多能需求响应的耦 合特性，具有重要的理论与实际意义。 本文首先构建了能源供需双侧同时存在耦合 的园区综合能源系统运行架构。其次，结合电力负 荷价格弹性模型以及需求侧能量耦合关系，推导建 立了考虑冷热电需求耦合响应特性的综合需求响 应模型。最后，以系统运营商最小化运行成本为优 化目标，建立园区综合需求响应优化运行模型。计 算结果表明，所提考虑多能耦合响应的综合需求响 应模型可以准确描述多种能源对于能价的耦合响 应过程，所提综合能源系统优化运行模型实现了综 第 2 期 赵海彭等：考虑冷热电需求耦合响应特性的园区综合能源系统优化运行策略研究 575 合能源系统经济性提升，促进了可再生能源消纳。 1 双侧耦合的综合能源系统运行架构 本文综合能源系统优化运行主要关注能源供 给和能源需求两个过程，不考虑能源传输过程。综 合能源系统供需双侧的交互影响机理如附图 A1 所 示。在能源供给侧，系统运行商从上级能源网络购 买电力、天然气、热力等能源资源，并整合自身的 风电、光伏资源，通过变压器、热电联产机组和燃 气锅炉等设备，将上述资源交换或转化为用户能够 利用的能量形式。在能源需求侧，用户利用其掌握 的电热泵、中央空调、吸收式制冷机和换热器等用 能耦合设备，采取合理、有利的用能方式消耗能源 供给侧输送的电能和热能，满足自身的电、热、冷 等需求。能源供给侧通过制定能源价格引导需求侧 参与系统优化运行，能源需求侧通过优化能源使用 结构来改变自身用能需求，由此实现供需双侧的协 调运行。 在综合能源系统中，各个元件特性不一，能量 耦合关系复杂。能量枢纽模型能够通过构建能量枢 纽耦合矩阵，反映电气冷热多种能源的输入输出映 射关系。但是，传统的能量枢纽模型将综合能源系 统输入与输出一般性地简化为线性耦合关系，而实 际上设备的运行效率受其运行工况的影响。为精细 化地计算分析，本文采用考虑设备变工况特性的改 进能量枢纽模型，描述综合能源系统能源供给和需 求侧的复杂内部关系。 1.1 园区 IES 的系统侧与负荷侧耦合关系模型 本文研究的园区综合能源系统包含多种形式 能源，内部主体为系统运营商和多能用户[19-21]。在 能源供给侧系统运营商从上级能源网络购买多种 能源，通过优化需求侧能价和所管理设备的运行参 数，引导用户侧参与系统优化运行，实现系统运行 经济性提升，促进可再生能源消纳。在能源需求侧， 用户根据系统给出的优化能价，利用自身用能耦合 设备优化多种能源的负荷需求，积极响应参与综合 能源系统的优化运行。包含电–气–冷–热的园区综 合能源系统如图 1 所示。 在能源供给侧，综合能源系统运营商从上级能 源网络购买电力、天然气、热力等能源资源，通过 所管理能源转化设备，满足用户的多种用能需求， 可以建立能源供给侧的能量枢纽模型 C1 如式(1) 所示。 能价 负荷 换热器 中央 空调 吸收式 制冷机 电热泵 多能用户1 多能用户m … 变压器 热电 联产 燃气 锅炉 风机 光伏 系统运营商 电需求 热需求 冷需求 电 气 热 电能流 气能流 热能流 冷能流 信息流 Ee Eg Eh Dh De Dc Le Lh Ph Pe e E α e EHP α e AC α h HE α h AF α g GB α g CHP α 图 1 电-气-冷-热园区综合能源系统 Fig. 1 Integrated energy system of electricty-gas-cold-heat e e g e W V T CHP CHP g g h g h CHP CHP GB GB h 0 0 0 + 1 E P P P E P E η α η α η α η ■ ■ ■ ■ ■ ■ + | | ■ ■ = + | | | | | | | | | | ■ ■ ■ ■ ■ ■ | | ■ ■ (1) 式中：Pe 和 Ph 分别为系统运营商为用户提供的电 能和热能供应功率；Ee、Eg 和 Eh 分别为系统运营商 向上级能源网络购买的电力、天然气和热力能源资 源； T η 、 e ηCHP 、 h ηCHP 和 ηGB 分别为变压器效率、热 电联产机组电力和热力效率、燃气锅炉效率，其中 热电联产机组为背压式机组； g αCHP 和 g αGB 分别为天 然气供给热电联产机组和燃气锅炉的分配系数；PW 和 PV 为系统所接入的风电和光伏的发电功率。由 于分配因子 g αCHP 和 g αGB 以及天然气输入 Eg 都可以 为时变参数，将其视作独立的决策变量将会造成 式(1)非线性。考虑到分配系数的实际意义以及 g g CHP CHP=1 α +α ，令 g g g CHP CHP E E = α 表示热电联产机组 消耗的气流量、 g g g GB GB E E = α 表示燃气锅炉消耗的气 流量，并有 g g g CHP GB E E E + = ，将 g ECHP 、 g EGB 视作决策 变量，则式(1)为线性模型，并可以求得 g αCHP 、 g αGB 以及 g E 。 在能源需求侧，用户从系统运营商处购买电 能、热能资源，通过各类用能设备满足电、热和冷 的用能需求，可以建立用户的能量枢纽矩阵模型 C2 如式(2)所示。 e e E e h e h EHP EHP HE HE h c e h AC AC AF AF 0 D L D L D α α η α η α η α η ■ ■ ■ ■ ■ ■ | | | | = | | | | | | ■ ■ | | | | ■ ■ ■ ■ (2) 式中：De、Dh 和 Dc 分别为用户的电、热和冷的用 能需求，当用户的用能需求得到满足时，用户舒适 性没有得到影响；Le 和 Lh 分别为用户的电力和热力 负荷特性，即用户通过各类用能设备满足用能需求 时的整体负荷特性。可见，为保证用户正常供能， 系统运营商需满足 Pe=Le 与 Ph=Lh。ηEHP、ηHE、ηAC 和ηAF 分别为电热泵、换热器、中央空调和吸收式 制冷机的运行效率； e E α 、 e αEHP 和 e αAC 分别为用户 576 中 国 电 机 工 程 学 报 第 42 卷 直接电能需求设备、电热泵和中央空调在用户总电 力负荷 Le 中的分配系数； h αHE 和 h αAF 分别为用户换 热器和吸收式制冷机在用户总热力负荷 Lh 中的分 配系数，且有 e e e E EHP AC 1 α α α + + = 与 h h HE AC 1 α +α = 。 用户的用能分配系数通常和用户的设备容量有关， 可以根据用户类型进行设定。 1.2 考虑设备变工况特性的改进耦合关系模型 由于综合能源系统运行过程中，各能源设备的 运行工况复杂多变，而设备的效率与其运行状况密 切相关[22-23]。因此，本文进一步考虑设备的变工况 特性，对传统能量枢纽模型加以改进。 1）设备变工况特性。 能源设备运行效率受其运行工况的影响，其中 的主要因素有负荷率