章佳瑩

(國(guó)網(wǎng)紹興供電公司，浙江 紹興 312000)

近年來(lái)，隨著世界能源、環(huán)境危機(jī)的日益加劇，由此引發(fā)的附加災(zāi)害也不斷增加。為此，中國(guó)政府于2020年在“十四五”規(guī)劃建議中提出“2030年前碳達(dá)峰，2060年前碳中和”的行動(dòng)方案[1]，深化能源改革思路，著力推動(dòng)我國(guó)清潔能源利用向低碳經(jīng)濟(jì)高效消納方向的發(fā)展。然而，由于受風(fēng)、光能強(qiáng)間歇性、強(qiáng)波動(dòng)性的影響，我國(guó)風(fēng)能僅在確保電網(wǎng)安全運(yùn)行前提下適量消納，或轉(zhuǎn)由中東部地區(qū)進(jìn)行低風(fēng)速發(fā)電，從而造成我國(guó)“三北”及中東部地區(qū)出現(xiàn)大規(guī)模棄風(fēng)限電、風(fēng)電投資成本高等問(wèn)題，極大阻礙了我國(guó)可再生能源的規(guī)?；l(fā)展。

此外，在傳統(tǒng)微網(wǎng)系統(tǒng)中，為緩解可再生能源波動(dòng)引起的短時(shí)供能不足及過(guò)剩問(wèn)題，常通過(guò)設(shè)計(jì)凈負(fù)荷量-電價(jià)的電價(jià)激勵(lì)機(jī)制，或提前與工業(yè)用戶簽訂負(fù)荷調(diào)整協(xié)議，在必要時(shí)有選擇性地剪切、平移全部或部分負(fù)荷形式對(duì)負(fù)荷進(jìn)行優(yōu)化管理。然而，此類負(fù)荷需求側(cè)管理大多僅從用戶端出發(fā)，以犧牲用戶用能便捷性為代價(jià)，采取負(fù)荷削減或平移方式來(lái)緩解系統(tǒng)凈負(fù)荷波動(dòng)問(wèn)題，忽略了供能系統(tǒng)可基于能量轉(zhuǎn)換來(lái)發(fā)揮主觀能動(dòng)性的問(wèn)題。隨著人民生活水平提高，用戶對(duì)負(fù)荷削減的忍耐度不斷降低，如何切實(shí)降低用戶負(fù)荷響應(yīng)依賴，發(fā)揮系統(tǒng)供能主動(dòng)調(diào)節(jié)性已成為現(xiàn)今綜合供能系統(tǒng)亟待解決的突出問(wèn)題。

隨著用戶生活方式的日益多樣，設(shè)備用能種類也得以豐富，多種能源的交互供能為清潔能源的大量消納提供了一條新途徑。2005年，Martin Geidl博士基于P2G可通過(guò)與CCHP系統(tǒng)配合實(shí)現(xiàn)天然氣與電能靈活轉(zhuǎn)換，提出基于P2G的電-氣能雙向交互EH樞紐集成器模型[2-3]，進(jìn)一步將熱電能與天然氣能的結(jié)合優(yōu)化推向研究前沿。國(guó)內(nèi)學(xué)者又相繼對(duì)此模型進(jìn)行拓展研究，考慮系統(tǒng)運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性、環(huán)保性，將研究對(duì)象由樓宇系統(tǒng)拓展至社區(qū)供能領(lǐng)域[4]、園區(qū)綜合供能領(lǐng)域[5]，由于系統(tǒng)能源交互不再以電能為中心、研究范圍不斷擴(kuò)展，越來(lái)越多的天然氣管網(wǎng)參與儲(chǔ)能，系統(tǒng)清潔能源的消納能力也日益提高。此外，基于電-氣能綜合系統(tǒng)能量轉(zhuǎn)換的高靈活性，也為能量在供能側(cè)轉(zhuǎn)換，解決能量供應(yīng)短缺問(wèn)題提供可能。因此，選擇區(qū)域范圍更廣的區(qū)域級(jí)綜合能源系統(tǒng)開(kāi)展優(yōu)化研究，對(duì)實(shí)現(xiàn)清潔能源更大規(guī)模消納、構(gòu)建環(huán)境友好型社會(huì)有重要意義。

1 RIEGS的基本概念及結(jié)構(gòu)

RIEGS是區(qū)域電-氣綜合能源系統(tǒng)，是一種利用電力-煤氣技術(shù)協(xié)調(diào)運(yùn)行的區(qū)域綜合能源系統(tǒng)，包括多個(gè)能量樞紐(energy hub,EH)，其在EH就地協(xié)調(diào)調(diào)度基礎(chǔ)上，通過(guò)上層管理層的統(tǒng)一協(xié)調(diào)，可在計(jì)及運(yùn)營(yíng)成本基礎(chǔ)在各EH之間進(jìn)行能量互通，有效打破傳統(tǒng)能源系統(tǒng)與清潔能源間、傳統(tǒng)單一EH與多個(gè)能源系統(tǒng)間的能量流通壁壘，實(shí)現(xiàn)區(qū)域范圍內(nèi)的能源高效經(jīng)濟(jì)應(yīng)用[6]。

運(yùn)行結(jié)構(gòu)分3層：EH間協(xié)調(diào)層，EH內(nèi)部協(xié)調(diào)層，基于需求響應(yīng)的能源協(xié)調(diào)層。根據(jù)EH的實(shí)際應(yīng)用環(huán)境不同，可將EH分為家居型EH、工業(yè)型EH 2種，如圖1所示。

雖2種模式下的EH內(nèi)包含的設(shè)備有所差異，但都通過(guò)CHP系統(tǒng)的氣轉(zhuǎn)電與P2G電轉(zhuǎn)氣的能量雙向循環(huán)實(shí)現(xiàn)能量交互，在此模式下系統(tǒng)的主要運(yùn)行優(yōu)勢(shì)可歸納如下。

a.促進(jìn)能量的靈活轉(zhuǎn)換、高效利用。通過(guò)在傳統(tǒng)含CHP的能源系統(tǒng)中引入P2G，將原有的能量單向轉(zhuǎn)換模式調(diào)整為雙向轉(zhuǎn)換，提高了供給側(cè)資源在不同能量形式之間轉(zhuǎn)換的頻率，同時(shí)也提升了能量在系統(tǒng)中的綜合利用效率。

b.增加清潔能源的使用率[7-8]。通過(guò)引入的P2G將原本用戶無(wú)法及時(shí)使用及儲(chǔ)能元件無(wú)法大規(guī)模儲(chǔ)存的清潔能源，與化石燃料燃燒產(chǎn)生的CO2結(jié)合轉(zhuǎn)換為天然氣，儲(chǔ)存到無(wú)需即發(fā)即用的天然氣管網(wǎng)中，從而提高了清潔能源消納率，同時(shí)也減少了煤炭燃燒對(duì)全球溫室效應(yīng)的影響。

c.增強(qiáng)極端條件下的系統(tǒng)復(fù)原力。由于存在多種能源的運(yùn)行互補(bǔ)，當(dāng)某種能源短時(shí)供給出現(xiàn)異常時(shí)，可快速采用其他能源彌補(bǔ)短時(shí)的供應(yīng)短缺。

2 P2G裝置和建模方法

P2G裝置作為一種能量轉(zhuǎn)換設(shè)備，可通過(guò)電解水技術(shù)，將部分地區(qū)由于強(qiáng)間歇性清潔能源接入導(dǎo)致的過(guò)量電能經(jīng)聚合物電解質(zhì)膜(PEM)電解槽轉(zhuǎn)換為H2。通過(guò)將H2與化石燃料燃燒所得的溫室氣體CO2進(jìn)行甲烷化處理，得到可直接注入天然氣管道的富氫天然氣。上述反應(yīng)的化學(xué)反應(yīng)式如下：

2H2O→2H2↑+O2↑

CO2+4H2→CH4↑+2H2O

由于P2G裝置可利用包含可再生能源在內(nèi)的剩余電力產(chǎn)生的氫與CO2進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，在環(huán)境友好性、可持續(xù)發(fā)展性及儲(chǔ)存持久性方面，相對(duì)于傳統(tǒng)的抽水蓄能、壓縮空氣儲(chǔ)能有極大優(yōu)勢(shì)。此外，由于可將過(guò)量吸納的清潔電能轉(zhuǎn)化為CH4存入天然氣管網(wǎng)，利用天然氣輸送的延遲性可將天然氣管道作為氣能緩存裝置存入大量清潔電能，而不對(duì)天然氣基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行任何改變，大大降低了系統(tǒng)儲(chǔ)能裝置的安裝配置成本，并提高了全壽命周期內(nèi)供能系統(tǒng)的供能經(jīng)濟(jì)性。綜上可知，P2G在RIEGS的主要應(yīng)用優(yōu)勢(shì)主要有2點(diǎn)：可將能源儲(chǔ)存任務(wù)分配給現(xiàn)有的天然氣管網(wǎng)，從而降低儲(chǔ)能設(shè)備的投資成本；可促進(jìn)工業(yè)部門(mén)清潔技術(shù)的使用，減少清潔能源的浪費(fèi)，大大改善城市空氣質(zhì)量。

3 電力需求側(cè)管理在RIEGS的應(yīng)用

3.1 傳統(tǒng)微網(wǎng)的電力需求側(cè)管理

傳統(tǒng)微網(wǎng)系統(tǒng)中，由于能量供應(yīng)種類單一，僅根據(jù)電能儲(chǔ)存容量大小、響應(yīng)速率配備不同規(guī)格的電能儲(chǔ)存系統(tǒng)。雖然大規(guī)模風(fēng)電接入可以有效降低系統(tǒng)綜合運(yùn)行成本，但其與用戶用能習(xí)慣之間存在較大差距，導(dǎo)致峰谷時(shí)段供受方負(fù)荷的峰谷差加劇。此外，儲(chǔ)能設(shè)備配置的容量即使足夠充足，與清潔能源接入引起的能量間歇性相比始終占比較小。為此，文獻(xiàn)[9]提出利用價(jià)格激勵(lì)的需求側(cè)響應(yīng)方式促進(jìn)用戶調(diào)整用能習(xí)慣，一方面可以提高能源供需側(cè)波動(dòng)性造成的系統(tǒng)動(dòng)蕩問(wèn)題，另一方面也可以更大程度地消納清潔能源，緩解化石能源緊缺的危機(jī)。

依據(jù)需求側(cè)響應(yīng)方式的不同，可將響應(yīng)負(fù)荷分為可平移負(fù)荷、可削減負(fù)荷與可中斷負(fù)荷3類。

a.可剪切負(fù)荷(可中斷負(fù)荷)

可剪切負(fù)荷是供電部門(mén)為滿足系統(tǒng)調(diào)度經(jīng)濟(jì)、安全要求，通過(guò)與用戶簽訂同意供能單位在一定時(shí)段內(nèi)終止一切用能負(fù)荷，而以賠償電價(jià)的形式進(jìn)行補(bǔ)償?shù)呢?fù)荷響應(yīng)模式，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為

(1)

式中：Lcut(t)為優(yōu)化周期內(nèi)各時(shí)段可剪切負(fù)荷響應(yīng)后的負(fù)荷需求量;G為優(yōu)化周期內(nèi)參與負(fù)荷中斷響應(yīng)的時(shí)段集合。

b.可壓縮負(fù)荷(可削減負(fù)荷)

可壓縮負(fù)荷是用戶與供電部門(mén)簽訂協(xié)議，在系統(tǒng)的優(yōu)化周期內(nèi)，一定時(shí)段內(nèi)部分削減負(fù)荷需求量，以電費(fèi)適當(dāng)賠償?shù)男问綕M足系統(tǒng)優(yōu)化要求的需求響應(yīng)形式。其相對(duì)于可剪切負(fù)荷，不再直接將某用戶某一時(shí)段內(nèi)的負(fù)荷一刀切切除，而是考慮系統(tǒng)負(fù)荷要求，以設(shè)備類型、數(shù)量為單位的適量削減負(fù)荷，從而將對(duì)應(yīng)時(shí)段內(nèi)的總負(fù)荷需求量進(jìn)行壓縮，其數(shù)學(xué)表達(dá)式如下：

(2)

式中:Lcompress(t)為優(yōu)化周期內(nèi)各時(shí)段可壓縮負(fù)荷響應(yīng)后的負(fù)荷需求量;Lp(t)表示需求響應(yīng)前的負(fù)荷量;Pk為第k種設(shè)備的單位功率;J為單位用戶內(nèi)包含的設(shè)備種類數(shù)量;Ik(t)為第t時(shí)段內(nèi)第k種設(shè)備的切除數(shù)量。

c.可延遲負(fù)荷(可平移負(fù)荷)

可延遲負(fù)荷是指遵循單位周期內(nèi)總負(fù)荷水平不改變的前提下，對(duì)部分時(shí)段的部分負(fù)荷設(shè)備使用時(shí)間前后平移調(diào)整的負(fù)荷響應(yīng)形式。在微網(wǎng)系統(tǒng)總應(yīng)用中一般包含洗衣機(jī)、電動(dòng)汽車(chē)等負(fù)荷設(shè)備，由于其在單位周期內(nèi)負(fù)荷水平不變，故可延遲負(fù)荷在該周期內(nèi)的平移表達(dá)約束式可寫(xiě)為

Lmove(t)=Lp(t)+Lmove_in(t)-Lmove_out(t)

(3)

(4)

(5)

(6)

式中：Lmove(t)為優(yōu)化周期內(nèi)各時(shí)段進(jìn)行負(fù)荷響應(yīng)后的負(fù)荷需求量；Lmove_in、Lmove_out為各時(shí)段內(nèi)參與延遲負(fù)荷響應(yīng)的總負(fù)荷量；Ik_out(t)為第k種設(shè)備在第t時(shí)段參與調(diào)整的數(shù)量。式(6)表示在優(yōu)化周期內(nèi)各時(shí)段的總協(xié)調(diào)進(jìn)出負(fù)荷量應(yīng)維持平衡，減少對(duì)用戶利益的影響。

3.2 RIEGS中的DSM

在RIEGS含氣網(wǎng)與電網(wǎng)協(xié)調(diào)優(yōu)化的綜合能源系統(tǒng)中，由于能源種類的增多、應(yīng)用環(huán)境的轉(zhuǎn)變，負(fù)荷響應(yīng)的方法也更為多樣。

如文獻(xiàn)[10-11]中考慮傳統(tǒng)綜合能源系統(tǒng)中忽視熱能可調(diào)度性問(wèn)題，提出在電能激勵(lì)響應(yīng)模式的前提下，引入基于熱能傳輸滯緩性與人類熱能感觸模糊性特點(diǎn)而構(gòu)建的熱能負(fù)荷響應(yīng)，先后建立含電熱能IDR的園區(qū)綜合能源系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)優(yōu)化及儲(chǔ)能配置模型。

然而，基于RIEGS的IDR均是電、熱、氣負(fù)荷為兩對(duì)立優(yōu)化對(duì)象而開(kāi)展的協(xié)調(diào)規(guī)劃，忽視多種能量間在不同時(shí)空下的關(guān)聯(lián)性與統(tǒng)一性。因而，文獻(xiàn)[12-15]考慮在時(shí)空隧道中摒棄三者能量交換壁壘，從系統(tǒng)內(nèi)部設(shè)備最佳運(yùn)行狀態(tài)能量比、系統(tǒng)終端購(gòu)能種類變換、系統(tǒng)終端購(gòu)能量時(shí)空平移等角度出發(fā)，構(gòu)建為提高系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性、環(huán)保性而計(jì)及IDR的RIEGS模型。

文獻(xiàn)[12]從系統(tǒng)內(nèi)部設(shè)備最佳運(yùn)行狀態(tài)出發(fā)，提出CHP最優(yōu)系統(tǒng)供需側(cè)電熱負(fù)荷匹配度的概念，并由此出發(fā)，在考慮電負(fù)荷電價(jià)響應(yīng)的機(jī)制下，根據(jù)CHP最佳工作狀態(tài)的供需側(cè)電熱能比對(duì)熱負(fù)荷進(jìn)行響應(yīng)平移，從而構(gòu)建了考慮系統(tǒng)運(yùn)維、購(gòu)能、環(huán)境處理費(fèi)用的多能互補(bǔ)模型，以提高能源系統(tǒng)的利用效率。

文獻(xiàn)[13]在DR方案中提出涉及能源需求轉(zhuǎn)移和能源載體轉(zhuǎn)換的綜合需求響應(yīng)，構(gòu)建了從需求側(cè)購(gòu)能及購(gòu)能種類2方面出發(fā)的含IEEE118節(jié)點(diǎn)的電力系統(tǒng)和比利時(shí)20節(jié)點(diǎn)總線天然氣系統(tǒng)的能源負(fù)荷響應(yīng)模型，通過(guò)調(diào)整用戶側(cè)最終的負(fù)荷需求量及市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)激勵(lì)來(lái)改變消耗能源的形式[14]，從而提高系統(tǒng)的綜合經(jīng)濟(jì)效率及可再生能源的發(fā)電容納能力。

然而，上述采用的需求響應(yīng)雖結(jié)合RIEGS多能交互的特性實(shí)現(xiàn)了多能的協(xié)調(diào)響應(yīng)，但其在響應(yīng)尺度上依然固化于負(fù)荷的時(shí)空尺度內(nèi)，將電能與氣能劃分為2種能量單獨(dú)進(jìn)行負(fù)荷響應(yīng)的考慮，較少在需求側(cè)考慮能量在時(shí)間尺度與能源種類方面結(jié)合的負(fù)荷響應(yīng)，但如今隨著負(fù)荷種類的增多，需求側(cè)能量種類變換響應(yīng)正日益成為可能，且由文獻(xiàn)[15]研究可知，結(jié)合RIEGS內(nèi)部多能種類轉(zhuǎn)換與負(fù)荷時(shí)空平移所綜合的混合需求響應(yīng)在能源互聯(lián)網(wǎng)高速發(fā)展的環(huán)境下，可產(chǎn)生相較于單能源負(fù)荷響應(yīng)更加有效，顯著提高了系統(tǒng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性與可靠性，這為未來(lái)區(qū)域綜合能源系統(tǒng)中儲(chǔ)能設(shè)備的規(guī)劃與設(shè)計(jì)提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支撐。

此外，還有學(xué)者應(yīng)用演化博弈對(duì)區(qū)域用戶需求響應(yīng)行為進(jìn)行模擬演算，從而準(zhǔn)確分析出用戶在實(shí)時(shí)電價(jià)模式下的行為趨勢(shì)，為未來(lái)RIEGS的供應(yīng)側(cè)供能模式調(diào)整提供有效依據(jù)[16]。

4 研究展望

4.1 基于大數(shù)據(jù)的需求響應(yīng)展望

大數(shù)據(jù)技術(shù)是近年來(lái)在區(qū)域多能互補(bǔ)領(lǐng)域內(nèi)廣泛提及的技術(shù)，其核心是通過(guò)引入包含不同能源類型之間、同一能源不同時(shí)空階段間的數(shù)據(jù)集，從而對(duì)未來(lái)能源協(xié)調(diào)優(yōu)化應(yīng)用進(jìn)行適當(dāng)分析和決策的方法。在RIEGS中的應(yīng)用可包括基于大數(shù)據(jù)對(duì)于可再生能源出力[17]、用戶負(fù)荷需求預(yù)測(cè)等幾類。基于上述數(shù)據(jù)的預(yù)測(cè)，可對(duì)用戶負(fù)荷峰谷時(shí)段進(jìn)行預(yù)測(cè)，從而預(yù)算出下一階段供能價(jià)格的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。通過(guò)提前將供能價(jià)格共享給用戶，促使用戶基于價(jià)格激勵(lì)機(jī)制調(diào)整負(fù)荷響應(yīng)。該模式下的需求響應(yīng)相對(duì)于過(guò)去負(fù)荷預(yù)測(cè)準(zhǔn)確性不高，僅能通過(guò)對(duì)負(fù)荷的超短期預(yù)測(cè)共享實(shí)時(shí)電價(jià)數(shù)據(jù)造成的負(fù)荷響應(yīng)滯緩等問(wèn)題，在用戶需求響應(yīng)方面表現(xiàn)得更為主動(dòng)、及時(shí)。

4.2 市場(chǎng)機(jī)制的展望

在一個(gè)開(kāi)放和競(jìng)爭(zhēng)的市場(chǎng)，結(jié)合統(tǒng)一的網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)策略與國(guó)家能源管理政策，建立一個(gè)安全、高效的綜合能源系統(tǒng)平臺(tái)對(duì)于能源市場(chǎng)的長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)作至關(guān)重要。在未來(lái)含電能、天然氣能在內(nèi)的多種能源類型接入的能源系統(tǒng)，如何在有效協(xié)調(diào)各供能單位能量交易的前提下，提高系統(tǒng)能源的綜合利用效率、降低供能經(jīng)濟(jì)性；如何結(jié)合區(qū)塊鏈技術(shù)構(gòu)建可保障各供能單位利益、安全地向上一級(jí)的能源市場(chǎng)交換平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)平臺(tái)供能資源的統(tǒng)一協(xié)調(diào)優(yōu)化將成為未來(lái)綜合能源市場(chǎng)亟須解決的研究問(wèn)題。

5 結(jié)語(yǔ)

本文梳理總結(jié)了RIEGS最新的研究成果和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)；基于對(duì)綜合能源系統(tǒng)中天然氣能傳輸延遲特性和P2G設(shè)備應(yīng)用實(shí)例的分析，各項(xiàng)核心技術(shù)的問(wèn)題識(shí)別；結(jié)合國(guó)網(wǎng)公司對(duì)于高彈性電網(wǎng)的發(fā)展要求，對(duì)DR在綜合能源系統(tǒng)中的應(yīng)用場(chǎng)景、影響作用和待解決的技術(shù)難點(diǎn)進(jìn)行總結(jié)，并對(duì)DR在RIEGS中電、氣、熱能拓展的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行展望，對(duì)未來(lái)我國(guó)RIEGS的市場(chǎng)化發(fā)展提供一定參考。