代帥帥，高 巖

（上海理工大學(xué) 管理學(xué)院，上海 200093）

0 引 言

化石燃料的快速枯竭和環(huán)境污染的加劇，使得以清潔和可再生能源為基礎(chǔ)的綜合能源系統(tǒng)（Integrated Energy System，IES）更加適用。IES是一種高效、低碳、優(yōu)化規(guī)劃與調(diào)度的能源供應(yīng)系統(tǒng)，其可根據(jù)不同時段能源價格差異，選擇其它能源等質(zhì)轉(zhuǎn)換來滿足用戶多種能源需求，顯著提高了系統(tǒng)能源利用率和運行經(jīng)濟性。

目前，國內(nèi)外學(xué)者對IES的深入研究已取得一定成果。其中，文獻［2］基于需求響應(yīng)（Demand response，DR）提出一種多區(qū)域IES實時定價與優(yōu)化調(diào)度策略，該策略降低了電負荷消耗和碳排放。文獻［3］中提出一種新型的冷、熱、電多儲能相結(jié)合的分布式IES，通過優(yōu)化系統(tǒng)配置，使能源損耗接近于0。文獻［4］針對電、熱、氣的協(xié)同作用，提出一種并網(wǎng)式IES。系統(tǒng)利用沼氣－太陽能－風能的互補性，有效地降低了CO排放和能源損耗。文獻［5］構(gòu)建了一個可替代的熱電一體化能源系統(tǒng)，以綜合能源碳價格作為優(yōu)化目標，使系統(tǒng)總生產(chǎn)成本和碳排放成本達到最小，碳排放成本在此指IES與用戶因消耗天然氣排放碳類污染物需向相關(guān)部門交付的環(huán)保成本。文獻［6］研究了電、熱、冷等多能互補分布式能源系統(tǒng)規(guī)劃問題，所建模型可使系統(tǒng)低碳運行，并提高可再生能源利用率。文獻［7－8］均將電轉(zhuǎn)氣（Power to Gas，P2G）技術(shù)引入IES中，降低了CO排放和天然氣系統(tǒng)運行成本。文獻［9］提出一種基于改進譜聚類方法的電－氫－氣－熱一體化IES隨機優(yōu)化調(diào)度策略，有效解決了P2G產(chǎn)氣效率低以及負荷不確定性問題，實現(xiàn)多能源之間的協(xié)同作用。文獻［10］采用隨機場景法和魯棒優(yōu)化法對購能價格、風光出力和綜合需求響應(yīng)等多重不確定性進行建模，降低了系統(tǒng)運行成本，實現(xiàn)經(jīng)濟性與魯棒性的協(xié)調(diào)優(yōu)化。

IES通過控制實時定價或分時定價，來促進和調(diào)動用戶參與需求響應(yīng)，實現(xiàn)真正意義上的削峰填谷。文獻［11］建立了考慮需求響應(yīng)的雙層規(guī)劃模型，來協(xié)調(diào)電力市場主從層次關(guān)系，提高了社會總福利，但上層模型忽略了供應(yīng)商發(fā)電時的環(huán)保成本。文獻［12］提出一種綜合考慮電源側(cè)與負荷側(cè)特性的雙層互動調(diào)度策略，該策略降低了負荷峰谷差，提高了電力系統(tǒng)運行的經(jīng)濟性和調(diào)節(jié)能力。文獻［13］構(gòu)建了以設(shè)計峰谷分時電、熱價為依托的綜合型價格需求響應(yīng)模型，通過價格激勵引導(dǎo)用戶合理用能，有效提高了系統(tǒng)凈收益。文獻［14］建立了基于電價的電負荷需求響應(yīng)和基于激勵的熱負荷需求響應(yīng)模型，降低了電、熱負荷峰谷差，提高了能源整體利用率。

綜上所述，文獻［3－6］中各系統(tǒng)內(nèi)用戶均未參與需求響應(yīng)，以此降低能源消耗和系統(tǒng)運行成本。但文獻［7－9］均未對P2G產(chǎn)生的過剩熱能回收再利用，造成了資源浪費。文獻［12－14］未考慮系統(tǒng)耗氣造成的碳排放成本，而碳排放成本的引入，可有效減少系統(tǒng)CO排放量和天然氣消耗量。此外，IES的諸多研究領(lǐng)域中大都以用戶電、熱負荷為研究主體，分析需求響應(yīng)或者碳排放對系統(tǒng)運行穩(wěn)定性及其經(jīng)濟性的影響，很少將兩者綜合考慮，同時也忽略了用戶對天然氣使用的靈活性。為此，本文以用戶電、熱、氣需求為研究對象，建立了考慮碳排放和需求響應(yīng)的園區(qū)IES雙層優(yōu)化調(diào)度模型。針對雙層模型，本文將采用對偶理論、KKT條件、Big－M法把下層模型轉(zhuǎn)換為上層目標函數(shù)的線性約束條件后求解。通過仿真實驗，驗證IES中所建立模型的經(jīng)濟性、環(huán)保性。

1 園區(qū)綜合能源系統(tǒng)建模

IES內(nèi)包含風電機組（Wind Turbine，WT）、蝶式斯特林光熱系統(tǒng)（Disc－type Stirling photothermal system，DSPS）、燃氣鍋爐（Gas boiler，GB）、熱電聯(lián)產(chǎn)（Combined Heat and Power，CHP）機組、電鍋爐（Electric boiler，EB）、P2G、儲電池（Battery Storage，BS）、蓄熱罐（Heat storage tank，HST）及儲氣罐（Gas Storage Tank，GST）等能源生產(chǎn)、存儲和轉(zhuǎn)換設(shè)備；系統(tǒng)僅考慮與電網(wǎng)交互（Grid Interactions，GI）以及用戶電、熱、氣負荷的需求響應(yīng)，其運行結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 園區(qū)IES結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure diagram of IES in the park

1.1 能源生產(chǎn)－轉(zhuǎn)換設(shè)備模型

1.1.1 蝶式斯特林光熱系統(tǒng)模型

DSPS是一種具備高效發(fā)電、產(chǎn)熱的清潔能源設(shè)備，且其產(chǎn)能成本較低，近年來在各個IES內(nèi)受到廣泛使用。

1.1.2 風電機組模型

風能屬于可再生資源，且中國風力資源豐富，利用風力產(chǎn)電可有效降低化石能源消耗和環(huán)境污染度。

式中，P為風電出力；為實際風速；v、v為輸入輸出風速；P為風電裝機容量；v為額定風速。

1.1.3 CHP機組模型

CHP機組是由燃氣輪機和余熱鍋爐組成，通過消耗天然氣驅(qū)動渦輪葉片做功發(fā)電，排出的高溫余熱煙氣經(jīng)余熱鍋爐為用戶提供熱能。

1.1.4 GB模型

GB是IES內(nèi)以天然氣為燃料的主要熱源設(shè)備，其產(chǎn)熱性能高。

式中，、為時刻GB產(chǎn)熱、燃氣功率；為GB產(chǎn)熱效率；為GB產(chǎn)熱額定功率；、為EB爬坡速率的上、下限。

1.1.5 EB模型

EB主要通過消耗電能高效轉(zhuǎn)化為熱能的熱源設(shè)備。

式中，、為時刻EB產(chǎn)熱，耗電功率；為EB電轉(zhuǎn)熱效率；為EB產(chǎn)熱額定功率。

1.1.6 改進后P2G模型

P2G分為電制氫和氫制甲烷兩部分，后者在催化劑作用下具有放熱反應(yīng)。相較于傳統(tǒng)P2G技術(shù)，為防止熱污染和資源浪費，本文將對該反應(yīng)熱回收再利用。改進后P2G運行過程如圖2所示，模型如下：

圖2 改進后P2G運行圖Fig.2 Improved P2G operating diagram

1.2 儲能設(shè)備模型

IES儲能設(shè)備由儲電池、蓄熱罐、儲氣罐構(gòu)成。

1.2.1 儲能設(shè)備容量約束

1.2.2 儲能設(shè)備存儲量約束

式中，E為儲能設(shè)備最大容量；S、S為儲能設(shè)備存儲能力上、下限；E為儲能設(shè)備初始時刻存儲量；S為儲能設(shè)備初始時刻的存儲能力。

1.2.3 儲能設(shè)備起止容量平衡約束

1.2.4 儲能設(shè)備充放能功率約束

2 雙層優(yōu)化調(diào)度模型

以往文獻中IES雙層優(yōu)化模型中，上層模型主要規(guī)劃IES日運行成本最優(yōu)問題，下層模型負責求解用戶日用能成本最小化問題。而本文與之區(qū)別是：上層同時考慮了系統(tǒng)轉(zhuǎn)換能時的碳排放成本和激勵用戶參與需求響應(yīng)的補償成本；下層計入了用戶使用天然氣時的碳排放成本。

2.1 上層模型目標函數(shù)

上層模型目標函數(shù)以IES運行成本最小為目標，由IES從外網(wǎng)購買熱、天然氣能成本、電能交互成本、各產(chǎn)能設(shè)備維護成本、碳排放成本以及激勵用戶參與需求響應(yīng)的補償成本等構(gòu)成。

式中，C為IES向外網(wǎng)購買熱、氣能成本；C為系統(tǒng)運行維護成本；C為IES與電網(wǎng)交互成本；C為系統(tǒng)燃氣時碳排放成本；C為IES對用戶參與需求響應(yīng)的補償成本。

（1）IES向外網(wǎng)購熱、氣成本計算公式：

式中，p，p為IES向外網(wǎng)購買熱、氣單價，P，P為IES內(nèi)熱、氣能購買量。（2）IES運行維護成本計算公式：

式中，c，c，c，c，c，c為IES內(nèi)WT機組、DSPS、GB、CHP、EB等設(shè)備運行維護成本系數(shù)；P為時刻P2G產(chǎn)氣功率；c，c，c為BS、HST、GST運行維護成本系數(shù)。

（3）IES與電網(wǎng)間的交互成本計算公式：

式中，p，p為IES向電網(wǎng)購、售電價格，P，P為IES向電網(wǎng)購售電功率。

（4）IES的碳排放成本計算公式：

式中，p為碳稅價格（0.3元／Kg），β為燃氣發(fā)電、產(chǎn)熱時的等效碳排放系數(shù)（0.47 Kg／kW）。

（5）IES對用戶需求響應(yīng)補償成本計算公式：

式中，p，p，p，p，p，p為用戶參與電、熱、氣負荷可削減、可轉(zhuǎn)出響應(yīng)時的補償收益系數(shù)；P，P，P和P，P，P為時刻用戶可削減、可轉(zhuǎn)出的電、熱、氣負荷量。

2.2 上層模型約束條件

（1）電負荷功率平衡約束：

（2）熱負荷功率平衡約束：

（3）天然氣功率平衡約束：

（4）電網(wǎng)交互功率約束：

式中，P、P為IES與電網(wǎng)交互功率上、下限。

2.3 下層模型目標函數(shù)

下層模型目標函數(shù)以用戶綜合用能成本最低為最優(yōu)化目標，其包含用戶從IES購入電、熱、天然氣等綜合能源成本，用戶參與需求響應(yīng)獲得IES補償收益以及用戶使用天然氣產(chǎn)生的碳排放成本。

式中，C為用戶從IES購能成本；C為用戶需求響應(yīng)獲得的補償收益；C為用戶耗氣時的碳排放成本。

（1）用戶向IES購能成本：

式中，p、p、p為用戶購電、熱、氣單價。

（2）用戶耗氣時碳排放成本：

2.4 下層模型約束條件

IES內(nèi)用戶需求負荷分為基本負荷（不因價格變化而變化）和可響應(yīng)負荷兩種類型?？身憫?yīng)負荷具有較強的靈活性，其包括可削減和可轉(zhuǎn)移負荷。根據(jù)系統(tǒng)能源供應(yīng)情況，可靈活調(diào)整用能負荷量及用能時段。電、熱、氣負荷需求響應(yīng)模型如下：

3 仿真實驗

針對上述雙層混合整數(shù)規(guī)劃問題，根據(jù)對偶理論、KKT條件和Big－M法，將下層模型轉(zhuǎn)換為上層模型的線性約束條件，最后利用MATLAB－YALMIP求解器對單目標函數(shù)求解。

3.1 場景描述

為驗證所建模型的經(jīng)濟性和環(huán)保性，本文將分為4個場景，對不同結(jié)構(gòu)組成的園區(qū)IES優(yōu)化調(diào)度策略進行探討分析研究，具體分類見表1。

表1 場景分類Tab.1 Scene classification

3.2 日負荷及可再生能源日出力功率預(yù)測

根據(jù)系統(tǒng)各設(shè)備模型及其參數(shù)，對可再生能源日出力與電、熱、氣負荷需求量進行預(yù)測，（本文暫不考慮預(yù)測存在的細微誤差），預(yù)測曲線如圖3所示。

圖3 日負荷及可再生能源日出力功率預(yù)測曲線Fig.3 Daily load and renewable energy sunrise power prediction curve

3.3 能源交易價格與需求響應(yīng)策略

園區(qū)IES能源交易價格采用分時定價，詳見表2。

表2 能源交易價格（單位：元／kW）Tab.2 Energy transaction price（Unit：Yuan／kW）

用戶參與需求響應(yīng)時，其各時段最大負荷削減量占該時段負荷消耗量的5%；最大負荷轉(zhuǎn)移量占該時段負荷消耗量的8%。負荷可轉(zhuǎn)移時段不同于可削減時段；前者為5：00－22：00，而后者為全天24 h。IES為鼓勵用戶參與需求響應(yīng)，將給予一定的經(jīng)濟補償。系統(tǒng)內(nèi)電負荷在每時段可削減、可轉(zhuǎn)出補償成本系數(shù)分別為0.6元／kW和0.3元／kW；熱負荷在每時段可削減、可轉(zhuǎn)出補償成本系數(shù)分別為0.3元／kW和0.15元／kW；氣負荷在每時段可削減、可轉(zhuǎn)出補償成本系數(shù)分別為0.2元／kW和0.1元／kW。

3.4 系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度結(jié)果分析

本文主要根據(jù)場景4中IES內(nèi)各負荷供需平衡圖，對系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度結(jié)果進行分析，如圖4。

場景4相較于其它場景，IES綜合考慮了CHP機組、P2G技術(shù)的使用以及用戶需求響應(yīng)的參與。

由圖4（a）可見，1：00～4：00和23：00～24：00是電能需求低谷時段，用戶不參與電負荷響應(yīng)，此時風電機組產(chǎn)電過剩。為減少能源浪費，將多余的電能分別輸送給P2G、EB及BS，用于生產(chǎn)天然氣、熱能或者進行電能存儲。9：00～13：00和18：00～21：00是電能需求高峰時段，參與電負荷響應(yīng)后的用戶用電量明顯減少。在CHP、風光發(fā)電及儲電池放電的協(xié)作配合下，系統(tǒng)供電壓力減弱；此時段售電價格相對較高，可將多余電能上網(wǎng)售賣獲利。14：00～17：00是電價平峰期，用戶用電增加。為降低IES經(jīng)濟成本，系統(tǒng)從外網(wǎng)購電滿足其需求，并對儲電池充電，保持系統(tǒng)供需平衡。

圖4 場景4優(yōu)化調(diào)度結(jié)果Fig.4 Scenario 4 optimized scheduling results

由圖4（b）得，在1：00～2：00和23：00～24：00時段，IES向熱網(wǎng)購熱能力受限，P2G產(chǎn)熱不足；利用EB、GB產(chǎn)熱效率高的特性，配合蓄熱罐放熱來滿足用戶熱能需求。在3：00～8：00時段，EB、GB產(chǎn)熱明顯增多；CHP、PSDS也啟動產(chǎn)熱，多余熱能輸送給蓄熱罐。9：00～13：00和18：00～21：00時段由于用戶熱負荷響應(yīng)的參與，熱能需求顯著降低，第二時段光熱系統(tǒng)停止供熱，不足部分由蓄熱罐放熱滿足，既可提高能源利用率；也能降低IES外網(wǎng)購熱成本。14：00～17：00是熱價平峰期，外網(wǎng)低價購熱對蓄熱罐充熱。

由圖4（c）得，用戶參與需求響應(yīng)使得天然氣在日周期內(nèi)消耗量大大減少。1：00～4：00時段，P2G吸收CO合成天然氣，降低IES外網(wǎng)購氣量；9：00～13：00和18：00～21：00時段，為維持系統(tǒng)穩(wěn)定，儲氣罐放氣加以IES外網(wǎng)購氣共同滿足CHP、GB產(chǎn)熱耗氣需求；在氣價低谷和平峰期，IES內(nèi)用戶氣能需求量相對較低，該時段持續(xù)對儲氣罐充氣以維持儲能系統(tǒng)性能穩(wěn)定。

3.5 電、熱、氣負荷需求響應(yīng)分析

由圖5可知，9：00～13：00和18：00～21：00為用能高峰時段，由于購能價格較高，用戶均選擇相應(yīng)的轉(zhuǎn)出和削減，以降低用能需求。其中4：00～9：00和22：00～24：00以及14：00～17：00分別是能源價格低谷和平價時段，用戶用能需求均上升，可見負荷需求量總體呈現(xiàn)由用能高峰時段向低谷時段轉(zhuǎn)移。由圖可知，可削減和可轉(zhuǎn)出負荷量明顯高于可轉(zhuǎn)入負荷量，用戶能源總需求量減少，節(jié)約了能源消耗。

圖5 需求響應(yīng)前后電熱氣負荷需求對比圖Fig.5 Comparison of electric heating and gas load demand before and after demand response

通過綜合分析可得，電、熱、氣負荷參與需求響應(yīng)后，在分時電價、熱價、氣價及系統(tǒng)補償激勵的引導(dǎo)下，負荷峰谷差顯著變小，真正意義上實現(xiàn)了削峰填谷。

3.6 不同場景下經(jīng)濟成本分析

園區(qū)IES內(nèi)不同場景優(yōu)化后的各項成本，以及總運行成本見表3。由于用戶在場景1、2、3下的購能成本、補償收益以及總用能成本相同，本文僅以場景1、4作主要對比分析（見表4）。

表3 園區(qū)IES運行成本Tab.3 Operating cost of IES in the park 元

表4 用戶用能成本Tab.4 Energy cost for users 元

由表3中場景1、2的經(jīng)濟分析結(jié)果可知，IES增加CHP機組為用戶供能，可節(jié)約6%的購能經(jīng)濟成本，增加2.1%的設(shè)備維護成本，整體上節(jié)約2.3%的日運行成本；由場景2、3的經(jīng)濟分析結(jié)果可知，IES在前者的基礎(chǔ)上增加P2G設(shè)備，節(jié)約2.6%的日碳排放成本和0.3%的日運行成本；由場景3、4的經(jīng)濟分析結(jié)果可知，用戶參與負荷需求響應(yīng)，可為系統(tǒng)節(jié)省17.3%的購能經(jīng)濟成本、1%的設(shè)備維護成本以及6.7%的日運行成本。由此可見，CHP、P2G以及DR的共同參與，顯著降低了IES日運行總成本。其中，IES內(nèi)碳排放成本的降低，體現(xiàn)了CO排放量的減少。

由表4中場景1、4的經(jīng)濟分析結(jié)果可知，在電熱氣協(xié)同優(yōu)化的作用下，需求響應(yīng)的參與降低了用戶7.4%的購能成本、5.7%的碳排放成本以及10.7%的日用能成本。因此，用戶可積極參與IES制定的能源需求響應(yīng)策略。綜上所述，本文所建立的雙層模型有效降低了IES日運行成本和用戶日用能成本，且減少了系統(tǒng)產(chǎn)能和用戶用能產(chǎn)生的碳排放量，具有一定的經(jīng)濟性和環(huán)保性。

4 結(jié)束語

本文根據(jù)能源生產(chǎn)、轉(zhuǎn)換、存儲等設(shè)備特性，提出了計及電、熱、氣負荷需求響應(yīng)的園區(qū)IES優(yōu)化調(diào)度運行策略。通過仿真實驗分析與對比，得到以下主要結(jié)論：

（1）實施電、熱、氣能需求響應(yīng)可將負荷從用能高峰期轉(zhuǎn)移至低谷期，起到削峰填谷的作用，這使得用戶總能源消耗量和系統(tǒng)外網(wǎng)購能成本均有所減少。

（2）IES在傳統(tǒng)P2G技術(shù)的基礎(chǔ)上，增加余熱回收裝置，降低了熱能的污染和浪費。電鍋爐、燃氣鍋爐、CHP機組、光熱系統(tǒng)以及風電機組之間的協(xié)作供能，有效地提高整體能源利用率和保障系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。

（3）對用戶參與需求響應(yīng)給予相應(yīng)的經(jīng)濟補貼，不僅減少了用戶天然氣消耗時的碳排放量，還節(jié)省了日用能成本。

（4）該雙層模型降低了電、熱能源的大規(guī)模消耗，改善了系統(tǒng)的靈活性，具有一定的經(jīng)濟性和環(huán)保性。

本文在這里僅研究了小型單一園區(qū)IES的優(yōu)化調(diào)度運行策略。隨著新型信息技術(shù)對電、氣、冷、熱等多種能源生產(chǎn)、轉(zhuǎn)換、存儲進行綜合管理和協(xié)調(diào)優(yōu)化的IESs研究和發(fā)展，可更加有效地提高能源利用率，降低各系統(tǒng)運行成本，減少環(huán)境污染。基于此，接下來將結(jié)合新型低碳能源、高效產(chǎn)能設(shè)備、不同優(yōu)化策略對IES調(diào)度問題進一步深入研究。