孫軼愷，漆淘懿，張利軍，胡怡霜，俞楚天

(1. 國網(wǎng)浙江省電力有限公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，杭州310008；2. 浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院，杭州310027)

0 引言

為實(shí)現(xiàn)“碳達(dá)峰，碳中和”的目標(biāo)，推進(jìn)能源改革，提高能源利用效率勢在必行[1]。綜合能源系統(tǒng)由新能源發(fā)電、儲能、燃?xì)廨啓C(jī)等設(shè)備組成，通過電、熱、冷各種能源間的協(xié)調(diào)互補(bǔ)，在滿足系統(tǒng)多能需求的基礎(chǔ)上，能夠提高能源效率，促進(jìn)可再生能源的消納[2]?；诰C合能源系統(tǒng)的多種優(yōu)勢，世界上許多國家都在大力推進(jìn)綜合能源系統(tǒng)的研究和落地工程[3 - 8]。以我國為例，北京大興機(jī)場建設(shè)了包含分布式地源熱泵，光伏發(fā)電和儲能等設(shè)施的綜合能源系統(tǒng)，能夠?qū)C(jī)場運(yùn)營中所需的電力、供熱和制冷進(jìn)行有效補(bǔ)充[9]。上海迪士尼園區(qū)基于能量梯級利用的冷、熱、電和壓縮空氣四聯(lián)供技術(shù)，將一次能源利用率提升到80%以上[10]。

然而，綜合能源系統(tǒng)的發(fā)展一直被高昂的建設(shè)成本和復(fù)雜的運(yùn)營優(yōu)化所困擾[11 - 12]。隨著通信技術(shù)的飛速發(fā)展，綜合能源系統(tǒng)對內(nèi)部負(fù)荷資源的控制能力不斷增強(qiáng)[13]。通過對靈活負(fù)荷更加精準(zhǔn)地進(jìn)行調(diào)控，綜合能源系統(tǒng)不僅能夠響應(yīng)現(xiàn)貨市場中實(shí)時(shí)電價(jià)，還能利用靈活負(fù)荷的需求響應(yīng)能力參與輔助服務(wù)市場。山東、江蘇、浙江等地針對負(fù)荷側(cè)資源參與輔助服務(wù)市場已出臺相關(guān)政策，制定了負(fù)荷側(cè)主體參與輔助服務(wù)市場的準(zhǔn)入條件、結(jié)算方法、考核機(jī)制等規(guī)則[14 - 16]。因此，綜合能源系統(tǒng)通過提供調(diào)頻備用(regulation reserve, RR)、同步備用(synchronized reserve, SR)等輔助服務(wù)，能夠獲取市場補(bǔ)貼從而進(jìn)一步降低系統(tǒng)運(yùn)行成本。

由于燃?xì)廨啓C(jī)、蓄電池等傳統(tǒng)設(shè)備的響應(yīng)潛力有限，亟需挖掘新的靈活資源為綜合能源系統(tǒng)提供響應(yīng)容量。冰蓄冷空調(diào)包括制冷機(jī)、制冰機(jī)和蓄冰槽等組件，可以在夜間低電價(jià)時(shí)段制冰并儲存在蓄冰槽內(nèi)，白天高電價(jià)時(shí)段融冰制冷從而降低制冷機(jī)功率，是綜合能源系統(tǒng)重要的制冷和儲冷設(shè)備[17]。文獻(xiàn)[18]對深圳地區(qū)的電冰蓄冷空調(diào)的典型工程應(yīng)用進(jìn)行了經(jīng)濟(jì)型研究，結(jié)果證明了冰蓄冷空調(diào)的削峰填谷作用有利于電網(wǎng)的健康運(yùn)行和有序發(fā)展。文獻(xiàn)[19]針對冷熱電聯(lián)供型微網(wǎng)提出了含冰蓄冷空調(diào)的多時(shí)間尺度優(yōu)化模型，有效平抑了日內(nèi)需求側(cè)的隨機(jī)波動，實(shí)現(xiàn)微網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)穩(wěn)定運(yùn)行。文獻(xiàn)[20]在含冰蓄冷空調(diào)的工廠綜合能源系統(tǒng)中，利用冰蓄冷空調(diào)夜間蓄冰，白天融冰制冷，降低工廠運(yùn)營成本。

然而，以上研究只關(guān)注了冰蓄冷空調(diào)的蓄冰時(shí)段優(yōu)化，忽視了冰蓄冷空調(diào)在白天的負(fù)荷調(diào)節(jié)能力。白天冰蓄冷空調(diào)的制冷量來源于制冷機(jī)和融冰兩部分，可以根據(jù)需求優(yōu)化其各自的制冷量。在尖峰電價(jià)時(shí)段，冰蓄冷空調(diào)可以增加融冰制冷量，從而降低制冷機(jī)的電功率以減少用電成本。此外，不同負(fù)荷率下制冷機(jī)的能效比不同，優(yōu)化過程中能效比也是必須要考慮的因素。在高電價(jià)時(shí)期，大幅降低制冷機(jī)功率而增加融冰制冷功率，不僅會使制冷機(jī)能效比顯著下降，還會加速蓄冰量消耗。因此，需要綜合考慮冰蓄冷空調(diào)的能效比、蓄冰量、電價(jià)等因素，實(shí)現(xiàn)其經(jīng)濟(jì)最優(yōu)運(yùn)行。

因此，本文充分挖掘了綜合能源系統(tǒng)內(nèi)冰蓄冷空調(diào)、蓄電池、燃?xì)廨啓C(jī)等可調(diào)節(jié)資源的需求響應(yīng)潛力，并在現(xiàn)貨市場和輔助服務(wù)市場中，優(yōu)化了綜合能源系統(tǒng)的多能需求和響應(yīng)容量，從而降低系統(tǒng)的運(yùn)營成本。首先，本文針對綜合能源系統(tǒng)，提出了考慮需求響應(yīng)的設(shè)備通用運(yùn)行模型。隨后，針對綜合能源系統(tǒng)中的冰蓄冷空調(diào)、燃?xì)廨啓C(jī)、蓄電池，分別建立了不同的精細(xì)化需求響應(yīng)模型，并擬合了冰蓄冷空調(diào)在不同負(fù)載率下的能效比曲線。進(jìn)而以經(jīng)濟(jì)最優(yōu)為目標(biāo)，基于設(shè)備的需求響應(yīng)模型，采用大M法對優(yōu)化系統(tǒng)運(yùn)行中的購電量和需求響應(yīng)容量。最后通過算例證明了所提優(yōu)化方法在市場環(huán)境下能夠有效提高綜合能源系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性。

1 綜合能源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及其參與市場的條件

圖1展示了含冰蓄冷空調(diào)綜合能源系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和能量轉(zhuǎn)移過程，主要包括能量輸入、能量生產(chǎn)、能量轉(zhuǎn)換、能量儲存和能量消耗5個(gè)環(huán)節(jié)。綜合能源系統(tǒng)內(nèi)能量的主要形式為電、熱和冷，因此系統(tǒng)內(nèi)包含電流，熱流和冷流3種能量流動。

圖1 含冰蓄冷空調(diào)的綜合能源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 Integrated energy system structure including ice-storage air-conditioning

綜合能源系統(tǒng)中能量的來源主要有兩種形式，分布式發(fā)電、燃?xì)廨啓C(jī)和余熱鍋爐等系統(tǒng)自身設(shè)備的生產(chǎn)能量和外部購買的電力、天然氣等能量。為滿足系統(tǒng)實(shí)時(shí)變化的各種能量需求，不同類型的能量可通過能量轉(zhuǎn)換設(shè)備彼此轉(zhuǎn)換。同時(shí)，能量儲存設(shè)備可以為綜合能源系統(tǒng)儲存一定的能量，提高系統(tǒng)的靈活性。以冰蓄冷空調(diào)為例，其不僅可以通過制冷機(jī)將電量轉(zhuǎn)換為冷量，還可以利用自身的蓄冰槽儲存冷量。根據(jù)需求優(yōu)化調(diào)整能量生產(chǎn)、能量轉(zhuǎn)換和能量儲存3個(gè)環(huán)節(jié)，以滿足不同類型負(fù)荷的用能需求。

綜合能源系統(tǒng)中設(shè)備具有靈活的運(yùn)行方式和能量儲存能力，因此其可以調(diào)整內(nèi)部設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，改變其對外界能源輸入需求，從而為電力系統(tǒng)提供輔助服務(wù)。因此，針對綜合能源系統(tǒng)中的冰蓄冷空調(diào)、蓄電池等設(shè)備，需要評估其能夠提供的需求響應(yīng)能量，通過對設(shè)備的優(yōu)化調(diào)節(jié)以提供輔助服務(wù)獲取補(bǔ)貼，從而降低綜合能源系統(tǒng)的運(yùn)行成本。

綜合能源系統(tǒng)可以提供的輔助服務(wù)主要有調(diào)頻備用和同步備用，在提供需求響應(yīng)服務(wù)時(shí)，響應(yīng)資源需要符合系統(tǒng)運(yùn)營商設(shè)定的響應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)。因此，首先需要對設(shè)備的需求響應(yīng)潛力進(jìn)行評估，主要包括備用容量、響應(yīng)時(shí)間和持續(xù)時(shí)間。美國PJM輔助市場中對需求側(cè)資源最小備用容量、響應(yīng)時(shí)間和持續(xù)時(shí)間有要求[21]：需求側(cè)資源提供調(diào)頻備用時(shí)，最小備用容量為0.1 MW，在5 min內(nèi)響應(yīng)并持續(xù)1 h；提供同步備用時(shí)，最小備用容量0.1 MW，在15 min內(nèi)響應(yīng)并持續(xù)1 h。最小備用容量是單個(gè)參與者需要提供的最小響應(yīng)容量；響應(yīng)時(shí)間是指從接收需求響應(yīng)信號到滿足需求的時(shí)間間隔；持續(xù)時(shí)間是指需求響應(yīng)資源可以保持備用容量或跟隨需求響應(yīng)信號的持續(xù)時(shí)間。盡管現(xiàn)階段我國包含負(fù)荷參與的輔助服務(wù)市場建設(shè)還不夠完善，但是隨著電力市場改革的進(jìn)一步深化，具有負(fù)荷調(diào)節(jié)能力的綜合能源系統(tǒng)會逐漸參與到市場中來，響應(yīng)電力系統(tǒng)的調(diào)度指令或者市場價(jià)格信號，為系統(tǒng)提供調(diào)峰、備用等輔助服務(wù)。

設(shè)備在實(shí)時(shí)運(yùn)行過程中，只有滿足響應(yīng)要求時(shí)，才能提供輔助服務(wù)。為評估各設(shè)備的需求響應(yīng)潛力，提出了考慮需求響應(yīng)的設(shè)備運(yùn)行模型，如圖2所示。當(dāng)設(shè)備提供調(diào)頻備用時(shí)，主要用于平抑可再生能源的出力波動，它需要在持續(xù)時(shí)間內(nèi)提供足夠的上下容量，如圖2(a)所示。當(dāng)設(shè)備提供同步備用時(shí)，需要提供下調(diào)容量以解決需要削減負(fù)荷的能源短缺問題，如圖2(b)所示。此外，設(shè)備的工作功率可能會在調(diào)頻備用或同步備用的響應(yīng)持續(xù)時(shí)間內(nèi)發(fā)生變化。因此，需要在整個(gè)響應(yīng)期間確保有足夠的調(diào)頻備用或同步備用容量。

圖2 設(shè)備提供輔助服務(wù)時(shí)的運(yùn)行模型Fig.2 Operation model when equipment provides auxiliary service

2 綜合能源系統(tǒng)設(shè)備模型

綜合能源系統(tǒng)中包含多種設(shè)備，不同設(shè)備具有顯著的響應(yīng)特性差異。為準(zhǔn)確描述設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)及需求響應(yīng)潛力，本節(jié)針對不同設(shè)備，建立了考慮需求響應(yīng)的精細(xì)化模型。

2.1 冰蓄冷空調(diào)

冰蓄冷空調(diào)主要包括制冷機(jī)、制冰機(jī)和蓄冰槽3個(gè)組件，其運(yùn)行可以分為制冰蓄冷和融冰制冷兩個(gè)階段。夜間氣溫低于白天，冷負(fù)荷需求較少，制冷機(jī)可以獨(dú)立滿足冷負(fù)荷需求。同時(shí)，夜間的電價(jià)較低，在夜間制冰蓄冷然后在白天融冰制冷，能夠降低運(yùn)行成本。

2.1.1 蓄冰過程

冰蓄冷空調(diào)在夜間蓄冰過程中，蓄冰槽不能同時(shí)融冰制冷，因此融冰制冷功率為0，由制冷機(jī)滿足所有的系統(tǒng)冷功率需求，如式(1)所示。

(1)

蓄冰過程中，冰蓄冷空調(diào)的功率為制冷機(jī)和制冰機(jī)的功率之和，制冷電功率、制冰電功率與冷功率之間的關(guān)系可以表示為：

(2)

2.1.2 融冰過程

白天冰蓄冷空調(diào)的制冷量由制冷機(jī)和蓄冰槽融冰共同提供。根據(jù)實(shí)時(shí)的供冷需求和冰蓄冷空調(diào)的運(yùn)行狀態(tài)，在可調(diào)區(qū)間內(nèi)，制冷功率區(qū)間可以靈活分配融冰制冷量和制冷機(jī)制冷量，如式(3)所示。

(3)

(4)

2.1.3 冰蓄冷空調(diào)能效比

能效比是描述制冷機(jī)或者制冰機(jī)效率的指標(biāo)，能效比越高，單位電量就能轉(zhuǎn)換為更多的冷量。冰蓄冷空調(diào)制冰機(jī)的工作功率是恒定的，其制冰能效比可看作常量。而制冷機(jī)的功率會根據(jù)冷量需求實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)，其能效比ηEER和負(fù)載水平密切相關(guān)，不同負(fù)載下冰蓄冷空調(diào)的效率具有顯著差異。本文對冰蓄冷空調(diào)進(jìn)行了部分負(fù)荷性能曲線擬合，結(jié)果如下：

(5)

式中：a、b、c和d分別為冰蓄冷空調(diào)能效比的擬合系數(shù)；RPL為負(fù)載比；Preal和Prated分別為制冷機(jī)的實(shí)際功率和額定功率。

從圖3冰蓄冷空調(diào)能效比與負(fù)載率的擬合結(jié)果可以看出，在負(fù)載率小于80%的時(shí)候，制冷機(jī)的能效比與負(fù)載率大致呈線性關(guān)系，隨著負(fù)載率的增加，能效比也隨之提高。制冷機(jī)的最高能效比能夠達(dá)到5.5，但是最低能效比只有2.23。因此，在冰蓄冷空調(diào)制冷機(jī)制冷量和融冰制冷量的優(yōu)化分配過程中，能效比是不可忽視的一個(gè)因素，應(yīng)盡量保證冰蓄冷空調(diào)運(yùn)行在高效區(qū)間。

圖3 冰蓄冷空調(diào)能效比與負(fù)載率之間的關(guān)系Fig.3 Relationship between EER and PLR of ice-storage air-conditioner

2.1.4 備用約束

(6)

(7)

此外，在提供調(diào)頻備用或者同步備用過程中，從響應(yīng)開始到響應(yīng)結(jié)束期間，冰蓄冷空調(diào)提供的調(diào)頻備用容量和同步備用容量都必須保持不變，如式(8)所示。

(8)

式中DSR為提供輔助服務(wù)的持續(xù)時(shí)間。

2.2 燃?xì)廨啓C(jī)

燃?xì)廨啓C(jī)是綜合能源系統(tǒng)中的典型能源生產(chǎn)設(shè)備，大多數(shù)燃?xì)廨啓C(jī)都配備有余熱鍋爐。燃?xì)廨啓C(jī)以天然氣作為能源，輸出電能和熱能。電能和熱能的生產(chǎn)可以表示為：

(9)

燃?xì)廨啓C(jī)參與需求響應(yīng)時(shí)的約束和冰蓄冷空調(diào)類似，可參照式(6)—(8)得到，此處不再贅述。

2.3 燃?xì)忮仩t

燃?xì)忮仩t是綜合能源系統(tǒng)中重要的能源轉(zhuǎn)換設(shè)備，燃?xì)忮仩t以天然氣為能量來源，產(chǎn)生熱蒸汽從而滿足綜合能源系統(tǒng)的熱負(fù)荷需求，其產(chǎn)熱功率可以表示為：

(10)

燃?xì)忮仩t既不消耗也不產(chǎn)生電能，不能提供輔助服務(wù)。通過優(yōu)化其運(yùn)行時(shí)間，可以補(bǔ)充其他設(shè)備由于提供輔助服務(wù)而減少的熱量供應(yīng)。

2.4 吸收式制冷機(jī)

吸收式制冷機(jī)將熱量轉(zhuǎn)化為冷量，可以有效利用能源生產(chǎn)過程中的余熱，補(bǔ)充綜合能源系統(tǒng)的冷負(fù)荷需求。吸收式制冷機(jī)的制冷功率和吸熱量成正比，如式(11)所示[22]。

(11)

吸收式制冷機(jī)既可以作為綜合能源系統(tǒng)供冷的補(bǔ)充，也可以為電力系統(tǒng)提供輔助服務(wù)，其參與需求響應(yīng)的約束可以參照式(6)—(8)得到。

2.5 蓄電池

能量存儲設(shè)備可以存儲能量，并在需要時(shí)釋放能量，打破能量供需同時(shí)性的限制。以蓄電池為例，蓄電池的放電和充電過程可以表示為：

(12)

在蓄電池充放電過程中，充放電速率不能超過最大值，其約束可表示為：

(13)

為保證在提供需求響應(yīng)服務(wù)的持續(xù)時(shí)間內(nèi)都能夠提供足夠的同步備用和調(diào)頻備用容量，避免在響應(yīng)未結(jié)束時(shí)電池就無法提供響應(yīng)容量，因此電池的實(shí)時(shí)電量不能超過最大和最小電量，其約束可表示為：

(14)

(15)

站在2018年的歲尾回望一路走來的歷程，我相信，自豪感會充斥在每一個(gè)人的心中。而面對未來，我們的任務(wù)將更加艱巨，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、人工智能和智慧工廠等全新的詞匯出現(xiàn)在大眾視野中，學(xué)習(xí)創(chuàng)新是必不可少的，這一代人肩負(fù)著由大到強(qiáng)的光榮使命，站在新的轉(zhuǎn)折點(diǎn)上，很多企業(yè)都積極進(jìn)行技術(shù)改革創(chuàng)新，抓住時(shí)代機(jī)遇。

3 市場環(huán)境下綜合能源系統(tǒng)優(yōu)化運(yùn)行模型

基于以上考慮需求響應(yīng)的設(shè)備模型，本節(jié)提出綜合能源系統(tǒng)的最優(yōu)運(yùn)行模型。然后，對部分非線性約束進(jìn)行線性化處理，以降低計(jì)算難度。最后，通過求解線性化后形成的整數(shù)線性規(guī)劃問題，獲得最優(yōu)運(yùn)行結(jié)果。

3.1 優(yōu)化目標(biāo)

(16)

(17)

3.2 約束條件

綜合能源系統(tǒng)的運(yùn)行除了受電力系統(tǒng)約束，供熱系統(tǒng)約束，制冷系統(tǒng)約束，系統(tǒng)中各組件還需要滿足文章第2節(jié)“綜合能源系統(tǒng)設(shè)備模型”中所述的運(yùn)行約束。

如式(18)所示，綜合能源系統(tǒng)產(chǎn)生的電力和購買的電力之和應(yīng)始終等于電力消耗。同時(shí)，綜合能源系統(tǒng)中通常同時(shí)存在交流系統(tǒng)和直流系統(tǒng)。式(18)為交流系統(tǒng)約束，式(19)為直流系統(tǒng)約束。式(20)表示這兩個(gè)系統(tǒng)之間的轉(zhuǎn)換。

(18)

(19)

(20)

系統(tǒng)的熱量應(yīng)滿足熱水、蒸汽、空間加熱以及吸收式制冷機(jī)的需求。冷卻能量主要滿足部分設(shè)備的冷卻需求和空間冷卻。因此，供熱和冷卻系統(tǒng)的約束可以分別表示為：

(21)

(22)

3.3 求解方法

由于設(shè)備參與需求響應(yīng)的過程中存在非線性約束，求解難度較大，因此，本文采用大M法對約束進(jìn)行線性化處理。大M法能夠?qū)?-1變量非線性約束線性化，通過引入人為設(shè)定的M值，在0-1變量的取值為0或1時(shí)，分別松弛掉兩個(gè)互補(bǔ)條件中不起作用的一個(gè)條件[23]。以式(6)為例，使用大M法可以將其轉(zhuǎn)換為式(23)。

(23)

式中M為一個(gè)非常大的正整數(shù)。其余各式的非線性約束，可以通過類似的方法轉(zhuǎn)換成線性約束，此處不再贅述。

式(20)為分段函數(shù)，可以用以下線性表達(dá)式替換。

(24)

4 算例分析

基于第3節(jié)給出的設(shè)備需求響應(yīng)模型和求解方法，本文以中國廣州某工廠為研究對象，建立了含冰蓄冷空調(diào)的綜合能源系統(tǒng)模型，并利用美國PJM市場中的實(shí)際數(shù)據(jù)進(jìn)行了仿真分析[24]。綜合能源系統(tǒng)中各設(shè)備的相關(guān)參數(shù)如表1所示，每日的交流負(fù)荷和直流負(fù)荷如圖4所示，每日的冷負(fù)荷和熱負(fù)荷的需求如圖5所示。

表1 綜合能源系統(tǒng)設(shè)備參數(shù)Tab.1 Equipment parameters of integrated energy system

圖4 綜合能源系統(tǒng)的日交直流負(fù)荷曲線Fig.4 AC/DC load curves of integrated energy system

圖5 綜合能源系統(tǒng)的日冷熱負(fù)荷曲線Fig.5 Daily cooling and heating load curves of integrated energy system

表2中列出了綜合能源系統(tǒng)內(nèi)部可以提供不同類型需求響應(yīng)的設(shè)備，其中Y和N分別表示設(shè)備可以提供或不能提供相應(yīng)的輔助服務(wù)。

表2 綜合能源系統(tǒng)設(shè)備及需求響應(yīng)能力Tab.2 Components of the IES and their DR ability

圖6展示了2020年6月2日PJM數(shù)據(jù)中的電價(jià)，調(diào)頻備用的價(jià)格和同步備用的價(jià)格[25]。并將天然氣價(jià)格設(shè)定為5美元/千立方英尺，蒸汽價(jià)格設(shè)置為5美元/千立方英尺(1立方英尺約為0.028 317 m3)。仿真的優(yōu)化步長設(shè)置為15 min。

圖6 實(shí)時(shí)電價(jià)、調(diào)頻備用價(jià)格和同步備用價(jià)格Fig.6 Real time electricity prices, RR prices and SR prices

圖7為綜合能源系統(tǒng)內(nèi)部的交流側(cè)電量、直流側(cè)電量、冷量和熱量的生產(chǎn)及消耗情況。從圖7(a)和(b)中可以看出，在49—80時(shí)段內(nèi)，電價(jià)相對較高。為降低綜合能源系統(tǒng)的購電費(fèi)用，交流側(cè)的燃?xì)廨啓C(jī)開始工作，同時(shí)直流側(cè)的電池開始放電以滿足系統(tǒng)用電需求。從圖7(c)中可以看出，冰蓄冷空調(diào)也降低了用電功率，減少的制冷量由融冰制冷和吸收式制冷機(jī)共同補(bǔ)充以滿足系統(tǒng)需求。圖7(d)中余熱鍋爐隨著燃?xì)廨啓C(jī)的啟動也開始產(chǎn)生熱量，因此系統(tǒng)的購熱量也隨之降低。

圖7 綜合能源系統(tǒng)優(yōu)化運(yùn)行結(jié)果Fig.7 Optimized operation results of integrated energy system

圖8為冰蓄冷空調(diào)的運(yùn)行情況，從圖中可以看出，在1—40時(shí)段，此時(shí)電價(jià)最低，為冰蓄冷空調(diào)的蓄冰過程，因此融冰制冷量小于0，此時(shí)冰蓄冷空調(diào)的制冷量全部由制冷機(jī)提供。在40—84時(shí)段，冷負(fù)荷需求較高，同時(shí)電價(jià)也高于夜間，因此蓄冰槽開始融冰制冷，和制冷機(jī)聯(lián)合滿足冷負(fù)荷需求。在考慮不同負(fù)載率下制冷機(jī)的能效比差異顯著的情況下，制冷機(jī)一直維持在相對穩(wěn)定的功率，因此能效比也一直維持在較高水平。

圖8 冰蓄冷空調(diào)運(yùn)行情況Fig.8 Operation status of ice-storage air-conditioning

圖9為冰蓄冷空調(diào)和電池的輔助服務(wù)提供情況。冰蓄冷空調(diào)可以同時(shí)提供調(diào)頻備用和同步備用，空調(diào)會根據(jù)實(shí)時(shí)的調(diào)頻備用和同步備用價(jià)格調(diào)整制冷機(jī)制冷量和融冰制冷量。在50—56時(shí)段，調(diào)頻備用價(jià)格較高，因此冰蓄冷空調(diào)降低電功率，增加融冰量滿足系統(tǒng)需求，從而增加調(diào)頻備用。例如在64—67時(shí)段，調(diào)頻備用價(jià)格大幅降低，因此制冷機(jī)增加功率減少調(diào)頻備用，減少融冰量以用在隨后需要降低制冷機(jī)功率的時(shí)期。

圖9 冰蓄冷空調(diào)和電池的輔助服務(wù)提供情況Fig.9 Ancillary services provided by ice storage air-conditioning and battery system

表3為冰蓄冷空調(diào)優(yōu)化前后的運(yùn)行費(fèi)用對比。從表中可以看出，冰蓄冷空調(diào)運(yùn)行優(yōu)化后，購電費(fèi)用從原本的278美元上升至282美元，增加了4美元。這是由于在提供輔助服務(wù)時(shí)，冰蓄冷空調(diào)需要實(shí)時(shí)調(diào)整電制冷量和融冰制冷量，導(dǎo)致效率稍有降低。但是通過提供調(diào)頻備用和同步備用服務(wù)，冰蓄冷空調(diào)分別獲得了115美元和24美元的收益，使得最終運(yùn)行成本從278美元下降為153美元，大幅降低了冰蓄冷空調(diào)的運(yùn)行成本。

表3 冰蓄冷空調(diào)優(yōu)化前后運(yùn)行費(fèi)用Tab.3 Operation cost of ice-storage air-conditioner before and after optimization美元

電池相較于冰蓄冷空調(diào)，主要提供調(diào)頻備用。在11—12時(shí)段，由于調(diào)頻備用價(jià)格突然增加，電池的充電功率迅速從1.14 MW下降到0，將調(diào)頻備用從270 kW迅速提升到了1 500 kW。在65—69時(shí)段，調(diào)頻備用價(jià)格大幅下降，電池也隨之將調(diào)頻備用功率降為0。但是在提供輔助服務(wù)期間，電池不會完全充滿電或者用完電，需要一直為調(diào)頻備用保留一定的余量。

參與輔助服務(wù)可以為電力系統(tǒng)提供更多可調(diào)節(jié)的容量，并減少綜合能源系統(tǒng)的運(yùn)營成本。表4為綜合能源系統(tǒng)優(yōu)化前后的運(yùn)行費(fèi)用對比，綜合能源系統(tǒng)運(yùn)行成本從3 762美元降低至3 160美元，降低了16%。和冰蓄冷空調(diào)類似，優(yōu)化前后系統(tǒng)的購電和購熱費(fèi)用幾乎沒有差別。系統(tǒng)運(yùn)行總費(fèi)用的降低主要來自于提供同步備用和調(diào)頻備用獲得的收益。

表4 綜合能源系統(tǒng)優(yōu)化前后運(yùn)行費(fèi)用Tab.4 Operation cost of IES before and after optimization 美元

5 結(jié)語

綜合能源系統(tǒng)的最優(yōu)運(yùn)行在消納可再生能源和提高能源效率方面發(fā)揮著重要作用。為降低綜合能源系統(tǒng)運(yùn)營成本并促進(jìn)其發(fā)展，本文充分發(fā)掘了冰蓄冷空調(diào)的調(diào)度潛力，通過優(yōu)化冰蓄冷空調(diào)的電制冷量和融冰制冷量，提高了綜合能源系統(tǒng)的需求響應(yīng)容量。仿真結(jié)果表明，市場環(huán)境下綜合能源系統(tǒng)能夠根據(jù)實(shí)時(shí)的電價(jià)、調(diào)頻備用價(jià)格和同步備用價(jià)格，調(diào)度系統(tǒng)內(nèi)各設(shè)備以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)最優(yōu)運(yùn)行。經(jīng)過優(yōu)化，綜合能源系統(tǒng)中冰蓄冷空調(diào)的運(yùn)行成本降低了45%，系統(tǒng)運(yùn)行成本降幅也達(dá)到了16%，具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益。