侯健敏，路新梅，周穎，丁蘇云

（江蘇省大氣環(huán)境與裝備技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心（南京信息工程大學(xué)），江蘇省南京市210044）

0 引言

隨著人口的增長(zhǎng)和人民生活水平的提高，能源供應(yīng)形勢(shì)愈發(fā)嚴(yán)峻。綜合能源系統(tǒng)(integrated energy system,IES)對(duì)提高能源利用效率、促進(jìn)可再生能源消納及節(jié)能減排具有重要意義，已經(jīng)引起全球能源領(lǐng)域的廣泛關(guān)注[1]，是未來(lái)能源系統(tǒng)的重要發(fā)展方向。

目前，針對(duì)IES容量?jī)?yōu)化配置問(wèn)題已有學(xué)者進(jìn)行大量研究[2-4]，文獻(xiàn)[5]對(duì)影響IES規(guī)劃的外部與內(nèi)部主要因素進(jìn)行了定量分析，提出一種以園區(qū)綜合能源系統(tǒng)全壽命周期等值年成本為目標(biāo)的優(yōu)化配置方法；文獻(xiàn)[6]以最小性能指標(biāo)為目標(biāo)函數(shù)，建立了針對(duì)多種建筑群的分布式能源系統(tǒng)優(yōu)化模型；文獻(xiàn)[7]提出了同時(shí)考慮經(jīng)濟(jì)，環(huán)境和能源方面的多目標(biāo)非線性容量?jī)?yōu)化模型；文獻(xiàn)[8]提出一種計(jì)及電熱能量交易的IES容量?jī)?yōu)化配置方法，以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性、環(huán)保性及可靠性的最大化。上述文獻(xiàn)在對(duì)能源系統(tǒng)進(jìn)行配置優(yōu)化時(shí)均未考慮需求側(cè)響應(yīng)的影響。

隨著智能電表和智能插座開(kāi)始應(yīng)用于居民負(fù)荷，部分傳統(tǒng)負(fù)荷也能夠根據(jù)激勵(lì)或者電價(jià)調(diào)節(jié)自身的用電需求，具備柔性負(fù)荷的特性[9]。柔性負(fù)荷參與調(diào)度能夠促進(jìn)可再生能源消納和提升能源系統(tǒng)綜合效益[10-12]，與傳統(tǒng)的剛性負(fù)荷相比，柔性負(fù)荷通過(guò)改變自身用能時(shí)間或負(fù)荷大小來(lái)實(shí)現(xiàn)供需側(cè)雙方“互動(dòng)性”[13]。文獻(xiàn)[14]在對(duì)電熱聯(lián)合系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度時(shí)引入電力柔性負(fù)荷，降低了棄風(fēng)時(shí)段的棄風(fēng)量；文獻(xiàn)[15]結(jié)合柔性電負(fù)荷和熱負(fù)荷，對(duì)綜合能源系統(tǒng)進(jìn)行低碳經(jīng)濟(jì)優(yōu)化調(diào)度；文獻(xiàn)[16]將供能側(cè)與需求側(cè)相結(jié)合，對(duì)冷熱電負(fù)荷進(jìn)行平移，從而提高系統(tǒng)設(shè)備利用率，降低負(fù)荷峰谷差和運(yùn)行成本；文獻(xiàn)[17]基于電力需求價(jià)格彈性系數(shù)，建立引入分時(shí)電價(jià)機(jī)制的主動(dòng)配電網(wǎng)柔性負(fù)荷調(diào)度模型。但目前大多研究都只在能源系統(tǒng)的運(yùn)行調(diào)度階段中考慮柔性負(fù)荷進(jìn)行優(yōu)化研究，較少在規(guī)劃配置階段中考慮柔性負(fù)荷。隨著IES的發(fā)展，供需側(cè)的雙向互動(dòng)不斷提高，如果能夠在IES的規(guī)劃設(shè)計(jì)階段就考慮到柔性負(fù)荷進(jìn)行優(yōu)化，可以更好地提高系統(tǒng)性能。因此，有必要在規(guī)劃階段就考慮柔性電負(fù)荷和熱負(fù)荷對(duì)IES進(jìn)行容量?jī)?yōu)化配置。

基于此，本文將以經(jīng)濟(jì)成本最小和一次能源消耗量最少為目標(biāo)，對(duì)IES進(jìn)行容量?jī)?yōu)化配置。由于考慮了柔性電負(fù)荷和熱負(fù)荷對(duì)每一時(shí)段需求側(cè)的電負(fù)荷和熱負(fù)荷進(jìn)行調(diào)整，能夠使電負(fù)荷和熱負(fù)荷曲線更貼合風(fēng)光出力曲線，有利于可再生能源消納，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)節(jié)能運(yùn)行。

1 IES結(jié)構(gòu)模型

本文設(shè)計(jì)的IES結(jié)構(gòu)如圖1所示，需要配置的設(shè)備有風(fēng)電機(jī)組、光伏機(jī)組、燃?xì)廨啓C(jī)、電鍋爐、蓄電池、蓄熱箱。IES將配電網(wǎng)電能、天然氣、風(fēng)能和太陽(yáng)能作為能量來(lái)源，滿足用戶的電負(fù)荷和熱負(fù)荷需求，電負(fù)荷和熱負(fù)荷均由固定負(fù)荷和柔性負(fù)荷組成。其中，風(fēng)電機(jī)組、光伏機(jī)組和燃?xì)廨啓C(jī)用于供電，如果有多余的電能則儲(chǔ)存到蓄電池中；燃?xì)廨啓C(jī)和電鍋爐用于提供熱量，包括空間供熱和生活熱水，如果有多余的熱能則儲(chǔ)存到蓄熱箱中。

圖1 IES結(jié)構(gòu)圖Fig.1 IES structure chart

1.1 能源轉(zhuǎn)換設(shè)備模型

1.1.1 風(fēng)力發(fā)電機(jī)模型

風(fēng)力發(fā)電機(jī)的出力情況隨風(fēng)速變化而變化，時(shí)段t的輸出電功率PWT,t可按如下的分段函數(shù)來(lái)表示[18]：

式中：vt表示t時(shí) 段的風(fēng)速；vci表示切入風(fēng)速，為2 m/s；vco表示切出風(fēng)速，為25 m/s；vr表示額定風(fēng)速，為12 m/s；Pr表示風(fēng)力發(fā)電機(jī)額定輸出功率。

1.1.2 太陽(yáng)能光伏模型

太陽(yáng)能光伏時(shí)段t的輸出電功率PPV,t與光照輻射密度Hs,t基本上是線性關(guān)系，其數(shù)學(xué)模型為：式中：ηPV表示光伏發(fā)電轉(zhuǎn)換效率；APV表示單個(gè)光伏電池板的面積；N表示光伏電池板的數(shù)量；

HSTC表示標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件下的光照輻射密度。

1.1.3 電鍋爐模型

電鍋爐時(shí)段t的輸出熱功率QEB,t與輸入電功率PEB,t是線性關(guān)系，其數(shù)學(xué)模型為：

式 中：ηEB表示電鍋爐的熱轉(zhuǎn)換效率。

1.1.4 燃?xì)廨啓C(jī)模型

燃?xì)廨啓C(jī)是IES中常見(jiàn)的原動(dòng)機(jī)，通過(guò)燃燒天然氣同時(shí)產(chǎn)生電能和熱能。

燃?xì)廨啓C(jī)時(shí)段t的發(fā)電功率PGT,t數(shù)學(xué)模型為：

燃?xì)廨啓C(jī)t時(shí)段的發(fā)熱功率QGT,t數(shù)學(xué)模型為：

1.2 能源存儲(chǔ)設(shè)備模型

儲(chǔ)能是IES的重要組成部分，能夠解決能源生產(chǎn)與消費(fèi)的不匹配問(wèn)題，滿足供能可靠性的要求。

儲(chǔ)能的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型如下所示：

式中：Ei,t表示時(shí)段t儲(chǔ) 能設(shè)備i的儲(chǔ)能量；σi表示儲(chǔ)能設(shè)備i的自耗率；分別表示時(shí)段t儲(chǔ)能設(shè)備i 的充放能功率；分別表示儲(chǔ)能設(shè)備 i的充放能效率。

儲(chǔ)能設(shè)備調(diào)度初始與結(jié)束時(shí)狀態(tài)一致：

2 柔性電負(fù)荷和熱負(fù)荷模型

2.1 電力柔性負(fù)荷模型

根據(jù)負(fù)荷調(diào)度響應(yīng)的方式，可將電力柔性負(fù)荷分為3類：可平移負(fù)荷、可轉(zhuǎn)移負(fù)荷和可削減負(fù)荷[19]。

2.1.1 可平移負(fù)荷模型

可平移負(fù)荷是指對(duì)時(shí)間連續(xù)性要求很高的負(fù)荷，需占據(jù)多個(gè)連續(xù)的時(shí)間段，期間不能中斷，比如洗衣機(jī)、烘干機(jī)和電烤箱的負(fù)荷等：

可平移負(fù)荷可接受的平移區(qū)間為[tsh?,tsh+]，tsh?取 8，tsh+取22，負(fù)荷平移前后保持所需電能不變可約束為：

負(fù)荷平移前后為避免用戶電費(fèi)增加可約束為：

式中： λpg,t表示時(shí)段t單位電能的價(jià)格。

當(dāng)負(fù)荷平移到以τ為起始時(shí)刻的區(qū)間內(nèi)時(shí)，為保證運(yùn)行時(shí)間連續(xù)，應(yīng)滿足：

式中：ts表 示可平移負(fù)荷的持續(xù)時(shí)間，為1 h；yt為判斷負(fù)荷是否發(fā)生平移的0?1狀態(tài)變量，yt=1表示時(shí)段t負(fù)荷發(fā)生平移。

2.1.2 可轉(zhuǎn)移負(fù)荷模型

可轉(zhuǎn)移負(fù)荷沒(méi)有連續(xù)性的約束，工作時(shí)長(zhǎng)和工作時(shí)段皆可調(diào)，運(yùn)行靈活性較高，需維持一個(gè)調(diào)度周期內(nèi)用電總量不變：

可轉(zhuǎn)移負(fù)荷可接受的轉(zhuǎn)移區(qū)間為[ttr?,ttr+]，[ttr?,ttr+]為 [1,7]∪[18,24]，負(fù)荷轉(zhuǎn)移前后保持所需電能不變可約束為[13]：

負(fù)荷轉(zhuǎn)移前后為避免用戶電費(fèi)增加可約束為：

2.1.3 可削減負(fù)荷模型

可削減負(fù)荷是指運(yùn)行時(shí)段不改變、運(yùn)行功率可削減的柔性負(fù)荷，例如燈光的使用數(shù)量和強(qiáng)度，空調(diào)負(fù)荷的運(yùn)行強(qiáng)度等。

用電力需求價(jià)格彈性系數(shù)來(lái)描述一定時(shí)期內(nèi)，可削減負(fù)荷的單位補(bǔ)償價(jià)格變動(dòng)所引起的負(fù)荷削減量的變動(dòng)情況：式中：E t t表 示自彈性系數(shù)，用于反應(yīng)時(shí)段t可削減負(fù)荷的單位功率補(bǔ)償價(jià)格對(duì)可削減負(fù)荷削減量的影響，取表示時(shí)段t可削減負(fù)荷的負(fù)荷削減量；表示可削減負(fù)荷的單位功率補(bǔ)償價(jià)格；表示時(shí)段t的可削減負(fù)荷功率。

可削減負(fù)荷可在滿足用戶需求的情況下進(jìn)行

部分削減。負(fù)荷削減后時(shí)段t的 功率為：

調(diào)度后給予用戶的補(bǔ)償費(fèi)用Ccut為：

2.2 熱力柔性負(fù)荷模型

在實(shí)際生活中，由于人體對(duì)溫度感知的模糊性，只需將室溫控制在一定范圍內(nèi)，人體均可感到舒適，相當(dāng)于熱負(fù)荷在一定范圍內(nèi)可調(diào)，因此可將空間熱負(fù)荷作為熱負(fù)荷的柔性負(fù)荷參與綜合能源系統(tǒng)配置優(yōu)化。時(shí)段t的空間熱負(fù)荷Qgongre,t的模型可以表示為[21]：

式中：S為供熱面積，m2；ω表示建筑物內(nèi)外溫差散熱系數(shù)，取值分別表示t時(shí)段的室內(nèi)外溫度。

為滿足人體舒適度，對(duì)室內(nèi)溫度有如下約束：

為保證供暖質(zhì)量，將室內(nèi)溫度均值調(diào)節(jié)為24?C。

式中：Tn表示冬季典型日建筑物室內(nèi)溫度的平均值(?C)。

3 綜合能源系統(tǒng)優(yōu)化配置模型

3.1 目標(biāo)函數(shù)

本文從經(jīng)濟(jì)和節(jié)能兩方面建立優(yōu)化目標(biāo)，以實(shí)現(xiàn)IES的綜合性能優(yōu)化，目標(biāo)函數(shù)為：

式中：f1表 示系統(tǒng)年總經(jīng)濟(jì)成本；f2表示系統(tǒng)的一次能源消耗量；w1表示系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)成本的權(quán)重；表示系統(tǒng)年總經(jīng)濟(jì)成本的獨(dú)立最優(yōu)解；w2表示系統(tǒng)一次能源消耗量的權(quán)重；表示系統(tǒng)一次能源消耗量的獨(dú)立最優(yōu)解。在對(duì)IES進(jìn)行多目標(biāo)規(guī)劃過(guò)程時(shí)，經(jīng)濟(jì)目標(biāo)往往占有較大權(quán)重，而節(jié)能目標(biāo)通常作為附加指標(biāo)，因此在本文中，w1取0.7，w2取0.3。

年總經(jīng)濟(jì)成本f1表 示為用能成本Cfu、運(yùn)行維護(hù)成本Com、設(shè)備投資成本Cinv和用戶補(bǔ)償成本Ccom的總和：

用能成本：

式中：λng,t表示時(shí)段t每立方米天然氣的價(jià)格；Pbuy,e,t表示時(shí)段t的電網(wǎng)購(gòu)電量。

運(yùn)行維護(hù)成本：

設(shè)備投資成本：

式中：Cj,inv表示設(shè)備j的單位容量安裝成本；w j表示設(shè)備j的容量；R j表示設(shè)備j的投資回收系數(shù)； r表示貼現(xiàn)率，取6.7%；N j表示設(shè)備j的使用壽命。

用戶補(bǔ)償成本：

一次能源消耗量f2表示為天然氣和電網(wǎng)電力消耗量的總和，計(jì)算公式為：

由于不同能源的質(zhì)量不同，因此將所有輸入的一次能源轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)煤。

式中：αng和αgp分別表示天然氣和電網(wǎng)電力的標(biāo)準(zhǔn)煤換算系數(shù)，取1.19和0.123。

3.2 約束條件

3.2.1 能量平衡約束

1）電能平衡約束

式中：Pload,t表示時(shí)段t的 總電負(fù)荷功率；表示時(shí)段t的固定電負(fù)荷功率；分別表示蓄電池在時(shí)段t的充放電功率。

2）熱能平衡約束

式中：Qload,t表示時(shí)段t的 總熱負(fù)荷功率；Qreshui,t表示時(shí)段t的熱水負(fù)荷功率；分別表示蓄熱罐在時(shí)段t的充放熱功率。

3.2.2 設(shè)備出力上下限約束

式中：P j,max和P j,min分別表示設(shè)備j輸出功率的上下限。

3.2.3 儲(chǔ)能設(shè)備約束

1）儲(chǔ)能狀態(tài)約束

式中：Ei,min和Ei,max分別表示儲(chǔ)能設(shè)備i的最小和最大儲(chǔ)能狀態(tài)。

2）運(yùn)行特性約束

3.2.4 購(gòu)電功率約束

式中：Pbuy,e,max和Pbuy,e,min分別表示向電網(wǎng)購(gòu)電功率的上下限。

3.3 求解方法

根據(jù)前面對(duì)各元件的建模，最終得到的將是一個(gè)混合整數(shù)線性規(guī)劃模型。本文采用MATLAB中的YALMIP工具箱對(duì)該混合整數(shù)線性規(guī)劃問(wèn)題進(jìn)行編譯，調(diào)用CPLEX求解器進(jìn)行求解，算法流程圖如附錄A附圖A1所示，優(yōu)化的變量為能源轉(zhuǎn)換設(shè)備、儲(chǔ)能設(shè)備的配置容量和電/熱柔性負(fù)荷以及各能源設(shè)備各時(shí)段的出力。

4 算例分析

4.1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

算例選取上海某建筑為研究對(duì)象，建筑使用面積約為53330 m2[22]。系統(tǒng)中需要配置的能源轉(zhuǎn)換設(shè)備為風(fēng)機(jī)、光伏、電鍋爐和燃?xì)廨啓C(jī)，其設(shè)備參數(shù)見(jiàn)附錄A附表A1[4,18,23]；需要配置的儲(chǔ)能設(shè)備為蓄電池和蓄熱罐，其設(shè)備參數(shù)見(jiàn)附錄A附表A2[3]。三個(gè)典型日的電負(fù)荷曲線和熱水負(fù)荷曲線見(jiàn)圖2，熱負(fù)荷分為熱水負(fù)荷和空間熱負(fù)荷，夏季和過(guò)渡季節(jié)典型日只考慮熱水負(fù)荷，冬季典型日考慮熱水負(fù)荷和空間熱負(fù)荷，在實(shí)際運(yùn)算時(shí)統(tǒng)一作為熱負(fù)荷考慮，冬季典型日戶外溫度見(jiàn)附錄A附圖A2。三個(gè)典型日的風(fēng)速曲線和太陽(yáng)輻射密度曲線見(jiàn)圖3。能源價(jià)格見(jiàn)附錄A附表A3；各類電力柔性負(fù)荷設(shè)備用電特性及其數(shù)量見(jiàn)附錄A附表A4；假設(shè)用戶同意參與互動(dòng)的可平移負(fù)荷和可轉(zhuǎn)移負(fù)荷的比例與單位功率負(fù)荷補(bǔ)償價(jià)格為正比例關(guān)系，經(jīng)過(guò)市場(chǎng)調(diào)研，單位功率可平移負(fù)荷的補(bǔ)償價(jià)格為0.1元/kWh，用戶同意參與互動(dòng)的可平移負(fù)荷比例為1，因此α取10；單位功率可轉(zhuǎn)移負(fù)荷的補(bǔ)償價(jià)格為0.2元/kWh，用戶同意參與互動(dòng)的可轉(zhuǎn)移負(fù)荷比例為1，因此β取5；各時(shí)段可平移負(fù)荷設(shè)備數(shù)量、可轉(zhuǎn)移負(fù)荷設(shè)備數(shù)量和可削減負(fù)荷設(shè)備數(shù)量見(jiàn)附錄A附表A5—A7。

圖2 三個(gè)典型日的電負(fù)荷曲線和熱水負(fù)荷曲線Fig.2 Electric load curve and hot water load curve in three typical days

本文設(shè)置以下2種場(chǎng)景對(duì)其優(yōu)化配置結(jié)果進(jìn)行分析，驗(yàn)證考慮柔性電負(fù)荷和柔性熱負(fù)荷配置方法的優(yōu)越性：場(chǎng)景1為不考慮柔性負(fù)荷；場(chǎng)景2為綜合考慮柔性電負(fù)荷和熱負(fù)荷。

4.2 柔性電負(fù)荷和熱負(fù)荷優(yōu)化

為了該建筑獲得更好的經(jīng)濟(jì)節(jié)能效益，本文對(duì)其進(jìn)行了柔性電負(fù)荷和熱負(fù)荷優(yōu)化。

圖4 為用戶同意參與互動(dòng)的電力柔性負(fù)荷結(jié)果，圖5為三個(gè)典型日優(yōu)化后的電力柔性負(fù)荷結(jié)果。場(chǎng)景1不考慮柔性負(fù)荷，負(fù)荷不發(fā)生變化。場(chǎng)景2中優(yōu)化后可平移負(fù)荷、可轉(zhuǎn)移負(fù)荷和可削減負(fù)荷的單位功率補(bǔ)償價(jià)格分別為0.074元、0.163元和0.44元。

對(duì)比圖4和圖5可以看出，在夏季典型日，發(fā)生負(fù)荷平移的功率為736.88 kW，可平移負(fù)荷從8：00—11:00、17:00和20:00—22:00時(shí)段平移到12:00—16:00和18:00—19:00時(shí)段，從圖2、圖3和附錄B附圖B1、附圖B4可以看出，8:00—11:00時(shí)段風(fēng)光發(fā)電較低，17:00時(shí)段風(fēng)機(jī)出力較低，20:00—22:00時(shí)段是熱水負(fù)荷的高峰期，也是電鍋爐耗電的高峰期；在過(guò)渡季節(jié)典型日，發(fā)生負(fù)荷平移的功率為714.45 kW，可平移負(fù)荷從9:00—11:00時(shí)段和18:00—22:00時(shí)段平移到8:00和12:00—17:00時(shí)段，從圖2、圖3和附錄B附圖B2、附圖B5可以看出，9:00—11:00時(shí)段風(fēng)光發(fā)電較低，18:00—22:00時(shí)段是熱水負(fù)荷高峰期；在冬季典型日，發(fā)生負(fù)荷平移的功率為736.1 kW，可平移負(fù)荷從9:00—10:00、12:00、15:00和19:00—22:00時(shí)段平移到8:00、11:00、13:00—14:00和16:00—18:00時(shí)段，從圖2、圖3和附錄B附圖B3、附圖B6可以看出，在9:00—10:00、12:00和15:00時(shí)段，電負(fù)荷較高，然而風(fēng)機(jī)出力較低；19:00—22:00時(shí)段是熱水負(fù)荷高峰期。綜上所述，可平移負(fù)荷從風(fēng)光出力較低的時(shí)段或者熱水負(fù)荷的高峰期平移到其他時(shí)段，來(lái)降低因風(fēng)光出力下降或電鍋爐耗電高峰期帶來(lái)的供電壓力。

圖4 用戶同意參與互動(dòng)的電力柔性負(fù)荷Fig.4 The flexible electrical load the users agreed to participate in interaction

圖5 三個(gè)典型日優(yōu)化后的電力柔性負(fù)荷Fig.5 Optimized flexible electrical load in three typical days

在夏季典型日，發(fā)生負(fù)荷轉(zhuǎn)移的功率為590.1 kW，可轉(zhuǎn)移負(fù)荷從3:00、21:00—22:00和24:00時(shí)段轉(zhuǎn)移到其他時(shí)段；從圖2、圖3和附錄B附圖B1、附圖B4可以看出，3:00和24:00時(shí)段風(fēng)速較低，風(fēng)機(jī)出力較小，21:00—22:00時(shí)段是熱水負(fù)荷的高峰期，電鍋爐耗電較高，且21:00—22:00時(shí)段風(fēng)光出力較低，因此將這些時(shí)段的可轉(zhuǎn)移負(fù)荷轉(zhuǎn)移到其他時(shí)段，有助于緩解供電壓力。在過(guò)渡季節(jié)典型日，發(fā)生負(fù)荷轉(zhuǎn)移的功率為1551 kW，可轉(zhuǎn)移負(fù)荷從19:00—23:00時(shí)段轉(zhuǎn)移到其他時(shí)段；從圖2和附錄B附圖B2、附圖B5可以看出，19:00—23:00時(shí)段是熱水負(fù)荷高峰期，因此也是電鍋爐耗電高峰期，將該時(shí)段的電負(fù)荷轉(zhuǎn)移到其他時(shí)段來(lái)降低電負(fù)荷峰值。在冬季典型日，發(fā)生負(fù)荷轉(zhuǎn)移的功率為1988.2 kW，可轉(zhuǎn)移負(fù)荷從18:00—24:00時(shí)段轉(zhuǎn)移到1:00—7:00時(shí)段；從圖2、圖3和附錄B附圖B3、附圖B6可以看出，1:00—7:00時(shí)段電負(fù)荷和熱水負(fù)荷較低，電鍋爐耗電較少，并且1:00—2:00時(shí)段，風(fēng)速較大，因此將電負(fù)荷轉(zhuǎn)移到該時(shí)段，有利于促進(jìn)風(fēng)電消納。

在三個(gè)典型日中，發(fā)生負(fù)荷削減的功率為1035.79 kW。可削減負(fù)荷在8:00—10:00時(shí)段均出現(xiàn)消減，從附錄B附圖B1—附圖B3可以看出，該時(shí)段風(fēng)光出力較低，因此對(duì)負(fù)荷進(jìn)行消減可緩解因風(fēng)光出力下降造成的供電壓力。

對(duì)比附圖B7和附圖B10可以看出，在夏季典型日，優(yōu)化前燃?xì)廨啓C(jī)的熱出力為28104 kW，優(yōu)化后出力為17801 kW，因此天然氣的消耗量得到降低；優(yōu)化前電鍋爐的熱出力為14428 kW，優(yōu)化后出力為23705 kW，有利于消納更多的可再生能源發(fā)電。對(duì)比附圖B8和附圖B11可以看出，在過(guò)渡季節(jié)典型日，優(yōu)化前燃?xì)廨啓C(jī)的熱出力為32077 kW，優(yōu)化后出力為19124 kW，燃?xì)廨啓C(jī)燃燒的天然氣有所減少；優(yōu)化前電鍋爐的出力為25693 kW，優(yōu)化后出力增長(zhǎng)為35483 kW，電鍋爐消納的可再生能源發(fā)電功率得到提高。對(duì)比附圖B9和附圖B12可以看出，在冬季典型日，優(yōu)化前燃?xì)廨啓C(jī)出力為47668 kW，優(yōu)化后降低至18410 kW，有效降低了天然氣的消耗；優(yōu)化前電鍋爐出力為75923 kW，優(yōu)化后增長(zhǎng)為104616 kW，有助于促進(jìn)風(fēng)光發(fā)電的消納。

圖6 、圖7和圖8分別給出了不同場(chǎng)景下冬季典型日的室內(nèi)溫度曲線、空間熱負(fù)荷曲線和總熱負(fù)荷曲線。在場(chǎng)景1中，室內(nèi)溫度維持在24℃；在場(chǎng)景2中，室內(nèi)溫度在22℃到26℃之間變化，因此空間熱負(fù)荷也發(fā)生了變化。結(jié)合圖2、圖3和附錄B附圖B9、附圖B12可以看出，場(chǎng)景2在1:00—5:00、7:00和24:00時(shí)段室內(nèi)溫度大于24℃，這是因?yàn)樵诙镜湫腿盏?:00—5:00、7:00時(shí)段，風(fēng)速較大，熱水負(fù)荷和電負(fù)荷較低，所以將1:00—5:00、7:00時(shí)段的室內(nèi)溫度維持在較高溫度，有利于促進(jìn)風(fēng)電消納；在6:00時(shí)段，室內(nèi)溫度低于24℃，這是因?yàn)樵?:00時(shí)段，熱水負(fù)荷達(dá)到一個(gè)小高峰，而此時(shí)風(fēng)光出力較低，因此降低室內(nèi)溫度來(lái)降低空間供暖熱負(fù)荷；在8:00—10:00時(shí)段，室內(nèi)溫度低于24℃，處于低谷期，該時(shí)段的風(fēng)速和太陽(yáng)輻射強(qiáng)度都比較低，因此通過(guò)降低室內(nèi)溫度來(lái)彌補(bǔ)風(fēng)光出力下降造成的影響；在11:00、13:00—15:00時(shí)段室內(nèi)溫度均大于25℃，該時(shí)段熱水負(fù)荷較低，太陽(yáng)輻射強(qiáng)度較大，因此該時(shí)段調(diào)高室內(nèi)溫度有利于促進(jìn)光伏發(fā)電消納和提高總熱負(fù)荷谷值；在12:00時(shí)段，室內(nèi)溫度維持在24℃，雖然該時(shí)段風(fēng)速較低，但太陽(yáng)輻射強(qiáng)度較高，且該時(shí)段處于供暖熱負(fù)荷的低谷期，溫度維持在24℃以便消納光電；在16:00—17:00時(shí)段，室內(nèi)溫度略大于24 ℃，雖然該時(shí)段風(fēng)速較低，但太陽(yáng)輻射強(qiáng)度仍處于較大時(shí)段，該時(shí)段提高室內(nèi)溫度有利于促進(jìn)光電消納；在18:00—23:00時(shí)段，室內(nèi)溫度低于24℃，處于低谷期，這是因?yàn)樵摃r(shí)段處于熱水負(fù)荷的高峰期，因此通過(guò)降低室內(nèi)溫度來(lái)降低空間熱負(fù)荷，從而降低總熱負(fù)荷峰值。綜上所述，考慮柔性熱負(fù)荷后，空間熱負(fù)荷曲線在風(fēng)光出力較大時(shí)段有所提高，有利于促進(jìn)風(fēng)光發(fā)電消納；在熱水負(fù)荷較大時(shí)段有所下降，有利于總熱負(fù)荷的削峰填谷。

附圖 A2冬季典型日戶外溫度Fig.A2 Outdoor temperature of typical winter day

圖6 不同場(chǎng)景下冬季典型日的室內(nèi)溫度曲線Fig.6 Indoor temperature curves of typical winter days in different scenarios

圖7 不同場(chǎng)景下冬季典型日的空間熱負(fù)荷曲線Fig.7 Space heat load curves of typical winter days in different scenarios

圖8 不同場(chǎng)景下冬季典型日的總熱負(fù)荷曲線Fig.8 The total heat load curve of typical winter days in different scenarios

4.3 系統(tǒng)容量配置優(yōu)化

通過(guò)求解上述優(yōu)化問(wèn)題，得到不同情景下的設(shè)備優(yōu)化配置、成本優(yōu)化結(jié)果和一次能源消耗量?jī)?yōu)化結(jié)果，如表1—表3所示。

表1 不同場(chǎng)景下的設(shè)備優(yōu)化配置Table 1 Optimized configuration of equipment under different scenarios

表2 不同場(chǎng)景下的成本優(yōu)化結(jié)果Table 2 Cost optimization results under different scenarios

表3 不同場(chǎng)景下的一次能源消耗量?jī)?yōu)化結(jié)果Table 3 Optimized results of primary energy consumption under different scenarios

對(duì)比設(shè)備優(yōu)化配置結(jié)果可以看出，綜合考慮柔性電負(fù)荷和熱負(fù)荷后，可再生能源裝機(jī)容量上升，其中風(fēng)機(jī)容量增加了1621.6 kW；光伏容量略微有所下降；電鍋爐容量增加了1682.8 kW；燃?xì)廨啓C(jī)容量降低了1519 kW；由于可再生能源發(fā)電量的增長(zhǎng)，蓄電池容量增長(zhǎng)了1132.7 kW；蓄熱罐容量降低了2026.3 kW。

由于場(chǎng)景1不考慮柔性負(fù)荷，故不計(jì)其補(bǔ)償成本。場(chǎng)景2綜合考慮柔性電負(fù)荷和熱負(fù)荷后，系統(tǒng)總成本由538.23萬(wàn)元降低至514.27萬(wàn)元，其中投資成本大幅度下降，由521.52萬(wàn)元降低到496.6萬(wàn)元，結(jié)果說(shuō)明考慮柔性電負(fù)荷和熱負(fù)荷的IES容量?jī)?yōu)化配置模型可以提高系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性。

綜合考慮柔性電負(fù)荷和熱負(fù)荷后，一次能源消耗量從40781 kgce下降到33536 kgce；其中電網(wǎng)購(gòu)電量由132350 kWh增長(zhǎng)為170440 kW；天然氣消耗量由20590 m3下降到10564 m3。

5 結(jié)語(yǔ)

考慮柔性電負(fù)荷和熱負(fù)荷后，有利于負(fù)荷曲線貼合風(fēng)光出力曲線，從而提高可再生能源裝機(jī)量；可再生能源滲透率為可再生能源發(fā)電量與總發(fā)電量的比值，從51.27%增長(zhǎng)到了82.55%；一次能源消耗量降低了17.77%；經(jīng)濟(jì)成本下降了4.45%，達(dá)到經(jīng)濟(jì)節(jié)能的效果，具有一定的實(shí)際工程意義。

然而在實(shí)際規(guī)劃中風(fēng)光和負(fù)荷存在不確定性，因此后續(xù)研究將圍繞風(fēng)光出力和負(fù)荷預(yù)測(cè)的不確定性展開(kāi)。

（本刊附錄請(qǐng)見(jiàn)網(wǎng)絡(luò)版，印刷版略）

附錄A

附表A1能源轉(zhuǎn)換設(shè)備參數(shù)[4,18,23]Table A1 Parameters of energy conversion equipment[4,18,23]

附表A2儲(chǔ)能設(shè)備參數(shù)[3]Table A2 Parameters of energy storage equipment[3]

附表A3能源價(jià)格Table A3 Energy prices

附表A4各類電力柔性負(fù)荷設(shè)備用電特性及其數(shù)量Table A4 Power consumption characteristics and quantity of various flexible electrical load equipments

附表A5各時(shí)段可平移負(fù)荷設(shè)備數(shù)量Table A5 The number of shiftable load devices in various time-intervals

附表A6 各時(shí)段可轉(zhuǎn)移負(fù)荷設(shè)備數(shù)量Table A6 The number of equipments with transferable loads in each period

附表A7 各時(shí)段可削減負(fù)荷設(shè)備數(shù)量Table A7 The numbers of equipments with cuttable loads in various time-intervals

附圖A1算法流程圖Fig.A1 Algorithm flowchart

附錄B

圖B1情景1夏季典型日電能供需平衡圖Fig.B1 Scenario 1 Electric energy supply and demand balance chart of typical summer day

圖B2情景1過(guò)渡季節(jié)典型日電能供需平衡圖Fig.B2 Scenario 1 Electric energy supply and demand balance chart of typical day in transition season

圖B3情景1冬季典型日電能供需平衡圖Fig.B3 Scenario 1 Electric energy supply and demand balance chart of typical winter day

圖B4情景2夏季典型日電能供需平衡圖Fig.B4 Scenario 2 Electric energy supply and demand balance chart in typical summer day

圖B5情景2過(guò)渡季節(jié)典型日電能供需平衡圖Fig.B5 Scenario 2 Electric energy supply and demand balance chart of typical day in transition season

圖B6情景2冬季典型日電能供需平衡圖Fig.B6 Scenario 2 Electric energy supply and demand balance chart in typical winter day

圖B7情景1夏季典型日熱能供需平衡圖Fig.B7 Scenario 1 Heat supply and demand balance chart in typical summer day

圖B8情景1過(guò)渡季節(jié)典型日熱能供需平衡圖Fig.B8 Scenario 1 Heat supply and demand balance chart of typical day in transition season

圖B9情景1冬季典型日熱能供需平衡圖Fig.B9 Scenario 1 Heat supply and demand balance chart in typical winter day

圖B10情景2夏季典型日熱能供需平衡圖Fig.B10 Scenario 2 Heat supply and demand balance chart in typical summer day

圖B11情景2過(guò)渡季節(jié)典型日熱能供需平衡圖Fig.B11 Scenario 2 Heat supply and demand balance chart of typical day in transition season

圖B12情景2冬季典型日熱能供需平衡圖Fig.B12 Scenario 2 Heat supply and demand balance chart in typical winter day