考慮多能靈活性的綜合能源系統(tǒng)多時(shí)間尺度優(yōu)化調(diào)度

湯翔鷹，胡 炎，耿 琪，徐新星

（電力傳輸與功率變換控制教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（上海交通大學(xué)），上海市200240）

0 引言

隨著化石燃料枯竭導(dǎo)致的能源供需關(guān)系日益緊張和環(huán)境污染問(wèn)題日益嚴(yán)重，建設(shè)清潔低碳、安全高效的現(xiàn)代能源體系對(duì)于提高能源利用率、減少污染氣體具有重要意義［1-5］。含電熱氣多種能源的綜合能源系統(tǒng)（integrated energy system，IES）作為能源互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的重要載體，強(qiáng)調(diào)電、熱、氣不同能源之間的轉(zhuǎn)換和協(xié)調(diào)，實(shí)現(xiàn)了多能互動(dòng)，可以有效提高系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性和環(huán)保性［6-8］。

IES 中，可再生能源和負(fù)荷產(chǎn)生的波動(dòng)性和不確定性，給系統(tǒng)的靈活運(yùn)行帶來(lái)了挑戰(zhàn)。此外，IES還包含產(chǎn)能、儲(chǔ)能、能源轉(zhuǎn)換等多種設(shè)備，不同設(shè)備調(diào)節(jié)能力不同、應(yīng)對(duì)系統(tǒng)不確定性的能力不同，為了滿(mǎn)足電熱氣多種能源的供需平衡，在IES 的運(yùn)行優(yōu)化中，需要充分調(diào)動(dòng)各設(shè)備的潛力來(lái)提升IES 的運(yùn)行靈活性。

目前，對(duì)IES 優(yōu)化運(yùn)行研究主要聚焦于提升能源利用率和運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性。文獻(xiàn)［9］分析了儲(chǔ)熱裝置與電鍋爐協(xié)調(diào)供熱時(shí)的棄風(fēng)消納效果；文獻(xiàn)［10］利用含儲(chǔ)熱光熱電站可控的出力特性，建立計(jì)及條件風(fēng)險(xiǎn)的經(jīng)濟(jì)調(diào)度模型；文獻(xiàn)［11］提出含儲(chǔ)熱光熱電站與火電機(jī)組經(jīng)濟(jì)最優(yōu)的聯(lián)合出力調(diào)度策略來(lái)降低系統(tǒng)的運(yùn)行成本；文獻(xiàn)［12］建立了計(jì)及碳交易成本的多區(qū)域IES 分散調(diào)度模型；文獻(xiàn)［13］通過(guò)溫控負(fù)荷來(lái)降低IES 的成本；文獻(xiàn)［14］通過(guò)電、熱、氣3 種儲(chǔ)能協(xié)調(diào)運(yùn)行的方式來(lái)提高IES 的風(fēng)電利用率；文獻(xiàn)［15］考慮熱電聯(lián)合需求響應(yīng)，建立多能源園區(qū)日前經(jīng)濟(jì)調(diào)度模型。

上述研究較少?gòu)南到y(tǒng)靈活性的角度來(lái)進(jìn)行分析，無(wú)法準(zhǔn)確評(píng)估和刻畫(huà)系統(tǒng)內(nèi)多種能源的靈活性供需關(guān)系。針對(duì)多種能源形式的靈活性問(wèn)題，文獻(xiàn)［16］提出了一種考慮電熱爬坡能力的熱電聯(lián)產(chǎn)微電網(wǎng)調(diào)度策略來(lái)提升運(yùn)行靈活性；文獻(xiàn)［17］利用能源轉(zhuǎn)換和儲(chǔ)能設(shè)備的靈活性來(lái)提高社區(qū)的靈活性；文獻(xiàn)［18］提出了一種量化氣網(wǎng)向電力系統(tǒng)提供靈活性的方法，引入了基于管存的指標(biāo)來(lái)評(píng)估電氣聯(lián)合系統(tǒng)靈活性。但上述研究只單獨(dú)分析了多種能源的靈活性，沒(méi)有針對(duì)系統(tǒng)中可再生能源和負(fù)荷的不確定性建立IES 多能靈活性的定義方法。

同時(shí)，為了減小功率波動(dòng)對(duì)系統(tǒng)帶來(lái)的不利影響，大量研究提出了多時(shí)間尺度的優(yōu)化模型。文獻(xiàn)［19］提出了計(jì)及用戶(hù)訴求多時(shí)間尺度優(yōu)化調(diào)度；文獻(xiàn)［20］通過(guò)多時(shí)間尺度優(yōu)化保證樓宇室內(nèi)溫度舒適度，平抑微網(wǎng)聯(lián)絡(luò)線(xiàn)波動(dòng)；文獻(xiàn)［21］建立了日前、日內(nèi)和實(shí)時(shí)的優(yōu)化模型，保證了IES 的運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性，也有效降低了波動(dòng)性的影響。多時(shí)間尺度優(yōu)化模型在一定程度上提高了系統(tǒng)的安全運(yùn)行能力，但沒(méi)有考慮到電能的瞬時(shí)響應(yīng)能力以及熱氣能的延遲響應(yīng)特性，在實(shí)際運(yùn)行中可能產(chǎn)生不利影響。文獻(xiàn)［22-23］雖然計(jì)及了氣能、冷熱能和電能在不同時(shí)間尺度上的差異性，但都沒(méi)有考慮到系統(tǒng)靈活性的因素。

基于以上問(wèn)題，本文建立了考慮多能靈活性和電熱氣能分時(shí)間尺度的日前-日內(nèi)多時(shí)間尺度優(yōu)化調(diào)度策略。在日前調(diào)度中，計(jì)及可再生能源和負(fù)荷的波動(dòng)性對(duì)IES 運(yùn)行靈活性的影響，構(gòu)建了波動(dòng)場(chǎng)景下IES 多能靈活性的調(diào)度模型，使日前運(yùn)行計(jì)劃可以為系統(tǒng)的靈活運(yùn)行提供一定的裕度；在日內(nèi)滾動(dòng)優(yōu)化中，基于日前調(diào)度計(jì)劃，先在小時(shí)級(jí)的長(zhǎng)時(shí)間尺度上針對(duì)電熱氣能的功率波動(dòng)進(jìn)行各設(shè)備出力的修正，再在15 min 級(jí)的短時(shí)間尺度上對(duì)電能的快速波動(dòng)進(jìn)行功率平抑。最后，通過(guò)算例驗(yàn)證了本文所提出模型的合理性和有效性。

1 含電熱氣的IES 數(shù)學(xué)模型

1.1 IES 結(jié)構(gòu)

本文的IES 結(jié)構(gòu)如圖1 所示，系統(tǒng)中包含能量供給側(cè)、能量轉(zhuǎn)換設(shè)備、儲(chǔ)能設(shè)備和負(fù)荷四大部分。能量供給側(cè)包括風(fēng)機(jī)、光伏、上層電網(wǎng)和上層氣網(wǎng)；能量轉(zhuǎn)換設(shè)備包括電轉(zhuǎn)氣（power to gas，P2G）設(shè)備、燃?xì)廨啓C(jī)（gas turbine，GT）、電鍋爐（electric boiler，EB）；儲(chǔ)能設(shè)備包括蓄電池、超級(jí)電容器、蓄熱罐和儲(chǔ)氣罐；負(fù)荷包括電負(fù)荷、熱負(fù)荷和氣負(fù)荷。

圖1 IES 結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure of IES

1.2 設(shè)備數(shù)學(xué)模型

1.2.1 GT

GT 是一種將天然氣轉(zhuǎn)換為電能和熱能的設(shè)備。其數(shù)學(xué)模型和約束條件如式（1）所示。

式中：GGT，t為GT 吸收天然氣后產(chǎn)生的氣功率；Kgas為天然氣低位燃燒熱值；FGT，t為GT 進(jìn)氣量；PGT，t和HGT，t分 別 為GT 產(chǎn) 生 的 電、熱 功 率為GT 發(fā) 電效 率；為GT 輸 出 的 電 熱 功 率 比；下 標(biāo)t 表 示 時(shí)刻；uGT，t為t 時(shí)刻GT 運(yùn)行狀態(tài)，0 表示停運(yùn)，1 表示運(yùn)行；和分別為GT 輸出電功率最小、最大值；和分別為GT 輸出電功率爬坡率下限和上限。

1.2.2 EB

EB 是常用的供熱設(shè)備，其數(shù)學(xué)模型和運(yùn)行約束為：

1.2.3 P2G 設(shè)備

P2G 設(shè)備可以實(shí)現(xiàn)電能到氣能的轉(zhuǎn)換，其數(shù)學(xué)模型和運(yùn)行約束為：

1.2.5 蓄熱罐、儲(chǔ)氣罐

蓄熱罐和儲(chǔ)氣罐的數(shù)學(xué)模型與運(yùn)行約束為：

1.2.6 購(gòu)電、購(gòu)氣

購(gòu)電和購(gòu)氣可以彌補(bǔ)電功率和氣功率的不足，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的功率平衡。需要滿(mǎn)足上下限約束和爬坡約束：

2 多能靈活性

IES 中電熱氣負(fù)荷、可再生能源波動(dòng)會(huì)影響系統(tǒng)的靈活運(yùn)行，為了充分調(diào)動(dòng)系統(tǒng)中靈活性資源的靈活性調(diào)節(jié)能力，本文提出了多能靈活性的概念：風(fēng)機(jī)、光伏以及電熱氣負(fù)荷的功率因波動(dòng)和預(yù)測(cè)誤差會(huì)產(chǎn)生電熱氣多種能源的上下調(diào)能量需求，IES 通過(guò)調(diào)節(jié)各個(gè)環(huán)節(jié)的出力功率預(yù)留一定的能量裕度，保證足夠的上下調(diào)能量供給來(lái)滿(mǎn)足上述能量需求。按照能量供給、負(fù)荷、儲(chǔ)能、能量轉(zhuǎn)換和懲罰環(huán)節(jié)5 個(gè)環(huán)節(jié)來(lái)分析系統(tǒng)中的靈活性關(guān)系。

2.1 能量供給環(huán)節(jié)

系統(tǒng)中的能量供給環(huán)節(jié)可以為系統(tǒng)提供靈活性供給。

2.1.1 購(gòu)電、購(gòu)氣

增加購(gòu)買(mǎi)量可以提供上調(diào)供給，減小購(gòu)買(mǎi)量可以提供下調(diào)供給。購(gòu)電和購(gòu)氣能夠產(chǎn)生的供給為：

2.1.2 風(fēng)機(jī)、光伏

根據(jù)日前預(yù)測(cè)結(jié)果可以得到風(fēng)機(jī)和光伏提供的靈活性供給。風(fēng)機(jī)和光伏存在一定的波動(dòng)性和隨機(jī)性，通過(guò)設(shè)定波動(dòng)系數(shù)來(lái)調(diào)整風(fēng)機(jī)和光伏的供給，有

2.2 負(fù)荷環(huán)節(jié)

電、熱、氣負(fù)荷在系統(tǒng)中產(chǎn)生靈活性需求，通常負(fù)荷產(chǎn)生的需求是將t 時(shí)刻的負(fù)荷功率減去t-1 時(shí)刻的負(fù)荷功率得到。但如果預(yù)測(cè)結(jié)果是產(chǎn)生上調(diào)需求，而實(shí)際情況卻產(chǎn)生了下調(diào)需求，那么結(jié)算結(jié)果會(huì)出現(xiàn)偏差。為了更全面地刻畫(huà)負(fù)荷波動(dòng)產(chǎn)生的需求，本文定義了負(fù)荷波動(dòng)的上、下限。

以電負(fù)荷為例，將電負(fù)荷預(yù)測(cè)結(jié)果分別乘以一個(gè)波動(dòng)系數(shù)，得到電負(fù)荷的波動(dòng)上、下限：

圖2 負(fù)荷波動(dòng)示意圖Fig.2 Schematic diagram of load fluctuation

同理，熱負(fù)荷和氣負(fù)荷產(chǎn)生的需求分別為：

2.3 儲(chǔ)能環(huán)節(jié)

2.3.1 蓄電池

蓄電池放電產(chǎn)生上調(diào)供給，充電產(chǎn)生下調(diào)供給：

2.3.2 蓄熱罐、儲(chǔ)氣罐

蓄熱罐、儲(chǔ)氣罐與蓄電池類(lèi)似：

2.4 能量轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)

2.4.1 GT

GT 在電能側(cè)和熱能側(cè)產(chǎn)生供給，在氣能側(cè)產(chǎn)生需求。

2.4.2 EB

EB 在電能側(cè)產(chǎn)生靈活性需求，在熱能側(cè)產(chǎn)生靈活性供給。

2.5 懲罰環(huán)節(jié)

2.5.1 棄風(fēng)棄光

當(dāng)系統(tǒng)中風(fēng)機(jī)、光伏的出力無(wú)法消納時(shí)，棄風(fēng)棄光可以為系統(tǒng)提供下調(diào)供給。棄風(fēng)棄光的約束條件為：

2.5.2 切負(fù)荷

當(dāng)系統(tǒng)中各個(gè)環(huán)節(jié)和靈活性資源無(wú)法滿(mǎn)足負(fù)荷需求時(shí)，需要通過(guò)切負(fù)荷為系統(tǒng)提供上調(diào)供給。切負(fù)荷的約束條件為：

一般情況下，調(diào)度過(guò)程中要避免通過(guò)懲罰環(huán)節(jié)來(lái)提供靈活性，只有當(dāng)系統(tǒng)中的其他環(huán)節(jié)無(wú)法滿(mǎn)足靈活性供需關(guān)系時(shí)，才會(huì)由懲罰環(huán)節(jié)來(lái)提供相應(yīng)的靈活性。

2.6 多能靈活性狀態(tài)方程

根據(jù)上述靈活性需求和供給分析，將5 個(gè)環(huán)節(jié)的供需量整理為5 個(gè)狀態(tài)方程：

式中：Rsup，t、Rsto，t、Rload，t、Rcon，t、Rpun，t分別為t 時(shí)刻能量供給、儲(chǔ)能、負(fù)荷、能量轉(zhuǎn)換和懲罰環(huán)節(jié)的狀態(tài)方程，Rcon，t中第1、2、3 列分別表示電、熱、氣能；i 表示需求狀態(tài)，i=du 表示上調(diào)需求，i=dd 表示下調(diào)需求；j表示供給狀態(tài)，j=su 表示上調(diào)供給，j=sd 表示下調(diào)供給。

根據(jù)狀態(tài)方程和靈活性供需分析，可以整理得到多能靈活性供需的狀態(tài)方程：

建立通用的多能靈活性狀態(tài)方程將五大環(huán)節(jié)聯(lián)系起來(lái)，分析各個(gè)環(huán)節(jié)的靈活性供給和需求的計(jì)算方法，更清晰地表示電熱氣等不同能量形式的靈活性耦合關(guān)系，便于求解。

3 多時(shí)間尺度優(yōu)化調(diào)度策略

本文從日前調(diào)度和日內(nèi)滾動(dòng)調(diào)度2 個(gè)尺度提出了多時(shí)間尺度優(yōu)化調(diào)度策略。日前調(diào)度為小時(shí)級(jí)調(diào)度，考慮多能靈活性約束，得到各設(shè)備24 h 的日前運(yùn)行計(jì)劃；日內(nèi)滾動(dòng)調(diào)度遵從日前計(jì)劃，考慮電熱氣能在調(diào)節(jié)時(shí)間尺度上的差異，分為小時(shí)級(jí)的長(zhǎng)時(shí)間尺度調(diào)度和15 min 級(jí)的短時(shí)間尺度調(diào)度，通過(guò)滾動(dòng)優(yōu)化來(lái)降低功率波動(dòng)的影響。

由于新能源和負(fù)荷的日前、日內(nèi)預(yù)測(cè)會(huì)存在差異，因此在日前調(diào)度時(shí)考慮了預(yù)測(cè)結(jié)果的波動(dòng)性和系統(tǒng)的多能靈活性，使日前運(yùn)行計(jì)劃可以應(yīng)對(duì)日前和日內(nèi)預(yù)測(cè)功率的差異，為系統(tǒng)的靈活運(yùn)行提供裕度。日內(nèi)調(diào)度通過(guò)調(diào)整各設(shè)備出力來(lái)平抑功率波動(dòng)。

本文的多時(shí)間尺度優(yōu)化框架如圖3 所示。求解流程圖如圖4 所示。

圖3 多時(shí)間尺度優(yōu)化策略框架Fig.3 Framework of multi-time-scale optimization strategy

圖4 多時(shí)間尺度優(yōu)化策略求解流程圖Fig.4 Flow chart of multi-time-scale optimization strategy

3.1 日前調(diào)度模型

日前調(diào)度以IES 的日運(yùn)行成本最小為目標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化，目標(biāo)函數(shù)為：

式中：Ctotal為IES 日運(yùn)行成本；Cbuy、Cdev、Caban、Ccut分別為購(gòu)電購(gòu)氣費(fèi)用、設(shè)備運(yùn)行費(fèi)用、棄風(fēng)棄光懲罰費(fèi)用 和 切 負(fù) 荷 懲 罰 費(fèi) 用；λe，buy，t和λg，buy，t分 別 為 實(shí) 時(shí) 電價(jià)和氣價(jià)；λm和λn分別為儲(chǔ)能設(shè)備m 和能量轉(zhuǎn)換設(shè)備n 的單 位運(yùn)行成 本；和分別為 儲(chǔ)能設(shè)備m的充、放能功率；Pn，t為能量轉(zhuǎn)換設(shè)備n 的運(yùn)行功率；m 表示儲(chǔ)能類(lèi)型；n 表示轉(zhuǎn)換設(shè)備類(lèi)型；λe，aban和λk，cut分別為棄風(fēng)棄光單位懲罰成本和能量k 的切負(fù)荷成本。

約束條件除了設(shè)備約束之外，還包括電、熱、氣的功率平衡約束以及多能靈活性約束。

1）功率平衡約束

2）靈活性供需約束

3.2 日內(nèi)調(diào)度模型

日內(nèi)調(diào)度模型中，通過(guò)分時(shí)間尺度來(lái)平抑不同能量的功率波動(dòng)。長(zhǎng)時(shí)間尺度遵從日前計(jì)劃各設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，根據(jù)可再生能源和負(fù)荷的功率波動(dòng)調(diào)整設(shè)備t0至t0+1 h 時(shí)段的運(yùn)行功率，對(duì)電熱氣能的功率波動(dòng)進(jìn)行平抑。短時(shí)間尺度中各設(shè)備遵從t0至t0+1 h 時(shí)段的長(zhǎng)時(shí)間尺度調(diào)整后的運(yùn)行功率，通過(guò)改變購(gòu)電功率、棄風(fēng)棄光功率、切負(fù)荷功率，同時(shí)引入超級(jí)電容器來(lái)對(duì)調(diào)度時(shí)長(zhǎng)較短的電功率進(jìn)行平抑。超級(jí)電容器作為功率型儲(chǔ)能，一方面由于功率密度大，可以瞬時(shí)大功率輸出，另一方面可循環(huán)次數(shù)較多，滿(mǎn)足頻繁充放電的需求［24］，因此可以平抑快速波動(dòng)的電功率。

3.2.1 長(zhǎng)時(shí)間尺度調(diào)度模型

長(zhǎng)時(shí)間尺度模型的目標(biāo)函數(shù)為盡可能減少各設(shè)備的功率變化：

式中：Cshort為短時(shí)間尺度模型的目標(biāo)函數(shù)；ΔCe，buy為購(gòu)電功率變化懲罰成本；μe，buy為購(gòu)電功率變化的單位懲罰成本；ΔPe，buy，t為購(gòu)電功率變化量；Csc和λsc分別為超級(jí)電容器運(yùn)行成本和單位運(yùn)行成本和分別為超級(jí)電容器的充放電功率。

約束條件包括電功率平衡、超級(jí)電容器運(yùn)行約束和其他設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)約束。

4 算例分析

本文以某綠色能源實(shí)驗(yàn)中心的IES 為研究對(duì)象，其結(jié)構(gòu)如圖1 所示。算例系統(tǒng)中各設(shè)備參數(shù)見(jiàn)附錄A 表A1，電網(wǎng)分時(shí)電價(jià)［25］和氣價(jià)見(jiàn)附錄A 表A2。電熱氣負(fù)荷、風(fēng)機(jī)、光伏的日前與日內(nèi)預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)和預(yù)測(cè)誤差分別見(jiàn)附錄A 圖A1 和附錄A 表A3。本文在CPU 為Inter（R）Core（TM）i5-8250U，主頻為1.8 GHz 的環(huán)境下，基于MATLAB 平臺(tái)與Yalmip 工具箱構(gòu)建IES 的數(shù)學(xué)模型與約束，采用Gurobi 求解器進(jìn)行求解。

4.1 日前調(diào)度及多能靈活性結(jié)果分析

在日前調(diào)度運(yùn)行中，設(shè)定2 種案例，分析2 種案例求解得到的調(diào)度結(jié)果中，電、熱、氣3 種能量的靈活性供給和需求。

案例1：考慮多能靈活性。在電熱氣負(fù)荷和可再生能源日前預(yù)測(cè)結(jié)果的基礎(chǔ)上，通過(guò)增加負(fù)荷的需求，減小風(fēng)機(jī)、光伏的供給來(lái)構(gòu)建波動(dòng)場(chǎng)景，在滿(mǎn)足靈活性約束的基礎(chǔ)上對(duì)各設(shè)備的出力進(jìn)行調(diào)度優(yōu)化。

案例2：不考慮多能靈活性。直接根據(jù)日前預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行優(yōu)化，不需要滿(mǎn)足靈活性指標(biāo)約束。根據(jù)優(yōu)化結(jié)果再針對(duì)負(fù)荷和可再生能源波動(dòng)場(chǎng)景計(jì)算電、熱、氣的靈活性供需關(guān)系。

4.1.1 案例2 電、熱、氣能靈活性分析

案例2 電能的調(diào)度結(jié)果和靈活性供需關(guān)系見(jiàn)附錄B 圖B1 和附錄B 圖B2。

案例2 熱能的調(diào)度結(jié)果和靈活性供需關(guān)系見(jiàn)附錄B 圖B3 和 附 錄B 圖B4。

案例2 氣能的調(diào)度結(jié)果和靈活性供需關(guān)系見(jiàn)附錄B 圖B5 和 附 錄B 圖B6。

根據(jù)附錄分析可知，在不考慮靈活性約束的案例2 中，當(dāng)負(fù)荷和可再生能源產(chǎn)生波動(dòng)時(shí)，優(yōu)化結(jié)果在部分時(shí)刻無(wú)法滿(mǎn)足靈活性指標(biāo)要求，導(dǎo)致系統(tǒng)的日前調(diào)度結(jié)果無(wú)法應(yīng)對(duì)波動(dòng)性和不確定性帶來(lái)的變化。

4.1.2 案例1 和案例2 結(jié)果對(duì)比分析

案例1 在優(yōu)化中考慮了多能靈活性，其靈活性供需關(guān)系見(jiàn)附錄B 圖B7。由圖可知，考慮多能靈活性約束的優(yōu)化方法，在負(fù)荷和新能源波動(dòng)的條件下，通過(guò)協(xié)調(diào)各設(shè)備的出力大小，充分發(fā)揮各設(shè)備的靈活性調(diào)節(jié)能力，使得電、熱、氣3 種能源的上、下調(diào)靈活性供給都能夠滿(mǎn)足上、下調(diào)靈活性需求。

2 種場(chǎng)景下各設(shè)備的運(yùn)行費(fèi)用和總費(fèi)用如表1所示。表1 中，案例1 和案例2 均沒(méi)有切負(fù)荷，案例2有棄風(fēng)棄光現(xiàn)象，案例1 則沒(méi)有棄風(fēng)棄光量，說(shuō)明考慮多能靈活性可以減少棄風(fēng)棄光的現(xiàn)象。案例1 的購(gòu)電費(fèi)用、購(gòu)氣費(fèi)用和設(shè)備運(yùn)行費(fèi)用比案例2 高，雖然總費(fèi)用提升了6.44%，但是考慮靈活性的方法可以通過(guò)協(xié)調(diào)設(shè)備出力來(lái)滿(mǎn)足負(fù)荷和可再生能源波動(dòng)所帶來(lái)的影響。因此，案例1 的方法可以在小幅降低經(jīng)濟(jì)性的基礎(chǔ)上保證系統(tǒng)的靈活性，同時(shí)減小棄風(fēng)棄光量。在附錄B 圖B7 中，部分時(shí)刻上下調(diào)供給遠(yuǎn)高于上下調(diào)需求，說(shuō)明在這些時(shí)刻系統(tǒng)的靈活性裕度較大，靈活性供給能力較強(qiáng)。

表1 日前調(diào)度方案經(jīng)濟(jì)性對(duì)比Table 1 Economic comparison of day-ahead scheduling scheme

4.2 日內(nèi)調(diào)度結(jié)果分析

日內(nèi)調(diào)度以日前調(diào)度中案例1 的結(jié)果為日前計(jì)劃進(jìn)行調(diào)度。

長(zhǎng)時(shí)間尺度上各設(shè)備的出力與日前調(diào)度結(jié)果的對(duì)比曲線(xiàn)見(jiàn)附錄B 圖B8。可以看到，在本文案例的波動(dòng)條件下，日內(nèi)的長(zhǎng)時(shí)間尺度優(yōu)化在遵從案例1中日前調(diào)度各設(shè)備出力狀態(tài)的基礎(chǔ)上，可以通過(guò)調(diào)整設(shè)備的出力大小來(lái)平抑功率波動(dòng)。如果日內(nèi)調(diào)度遵從日前調(diào)度中案例2 的結(jié)果，則會(huì)出現(xiàn)在部分功率波動(dòng)較大的時(shí)刻，無(wú)法通過(guò)調(diào)節(jié)設(shè)備出力來(lái)平抑功率波動(dòng)，導(dǎo)致功率無(wú)法平衡的情況，說(shuō)明在日前調(diào)度中考慮多能靈活性約束可以幫助日內(nèi)調(diào)度應(yīng)對(duì)功率波動(dòng)的影響。

短時(shí)間尺度的電能調(diào)度結(jié)合長(zhǎng)時(shí)間尺度的調(diào)度結(jié)果，引入超級(jí)電容器來(lái)平抑電功率的波動(dòng)。短時(shí)間尺度與長(zhǎng)時(shí)間尺度的購(gòu)電功率對(duì)比曲線(xiàn)與超級(jí)電容器的充放電功率曲線(xiàn)見(jiàn)附錄B 圖B9。超級(jí)電容器的引入可以有效減小購(gòu)電功率的波動(dòng)，使其最大程度上遵循長(zhǎng)時(shí)間尺度的調(diào)度結(jié)果。本算例中沒(méi)有棄風(fēng)棄光功率和切負(fù)荷功率。

4.3 不同策略的調(diào)度結(jié)果對(duì)比

為了驗(yàn)證本文日內(nèi)調(diào)度方法的有效性，將本文的方法與DA-P（day-ahead programming）策略［21］進(jìn)行對(duì)比。DA-P 策略是在遵從日前調(diào)度的基礎(chǔ)上僅通過(guò)購(gòu)電和購(gòu)氣來(lái)平抑預(yù)測(cè)誤差帶來(lái)的功率波動(dòng)。其中，長(zhǎng)時(shí)間尺度上，熱功率的波動(dòng)通過(guò)EB 轉(zhuǎn)化為電功率進(jìn)行平抑，電功率的波動(dòng)通過(guò)調(diào)整購(gòu)電功率來(lái)平抑，氣功率的波動(dòng)通過(guò)調(diào)整購(gòu)氣功率來(lái)平抑；短時(shí)間尺度上，電功率波動(dòng)通過(guò)購(gòu)電、棄風(fēng)棄光和切負(fù)荷來(lái)平抑。

為了更好地說(shuō)明分時(shí)間尺度方法在功率平抑上的有效性，本文設(shè)定了3 種功率波動(dòng)場(chǎng)景：場(chǎng)景1——負(fù)荷功率波動(dòng)較大、風(fēng)機(jī)和光伏功率波動(dòng)較小；場(chǎng)景2——負(fù)荷功率波動(dòng)較小、風(fēng)機(jī)和光伏功率波動(dòng)較大；場(chǎng)景3——負(fù)荷波動(dòng)較大、風(fēng)機(jī)和光伏波動(dòng)較大。

3 種場(chǎng)景的平均功率波動(dòng)量和平均運(yùn)行費(fèi)用如表2 所示。

表2 不同策略的結(jié)果對(duì)比Table 2 Result comparison of different strategies

由表2 結(jié)果可知，本文的日內(nèi)分時(shí)間尺度策略在遵從日前調(diào)度結(jié)果的基礎(chǔ)上通過(guò)調(diào)整各個(gè)設(shè)備的出力來(lái)平抑電熱氣功率的波動(dòng)，同時(shí)，在短時(shí)間尺度的電功率平衡上，充分發(fā)揮超級(jí)電容器的作用，降低購(gòu)電功率的波動(dòng)量，避免了棄風(fēng)棄光的不利影響。而DA-P 策略則是完全通過(guò)調(diào)整購(gòu)電和購(gòu)氣功率以及棄風(fēng)棄光來(lái)平抑波動(dòng)，電、熱、氣功率的波動(dòng)反映在系統(tǒng)與外界聯(lián)絡(luò)線(xiàn)的功率波動(dòng)中，使得聯(lián)絡(luò)線(xiàn)波動(dòng)大大增加，再加上棄風(fēng)棄光的懲罰成本，導(dǎo)致運(yùn)行成本的增加。因此，相比于DA-P 策略，本文的分時(shí)間尺度策略使購(gòu)電功率和購(gòu)氣功率的平均波動(dòng)量分別降低了67.35%和29.45%，在功率平抑上的效果明顯好于DA-P 策略。本文策略的平均棄風(fēng)棄光量為0，DA-P 策略則存棄風(fēng)棄光的情況。日內(nèi)運(yùn)行費(fèi)用比DA-P 策略減少了2.92%，說(shuō)明在運(yùn)行成本接近的條件下，分時(shí)間尺度策略可以有效降低與外界聯(lián)絡(luò)線(xiàn)上的功率波動(dòng)量，超級(jí)電容器的引入可以有效降低棄風(fēng)棄光的情況，避免棄風(fēng)棄光帶來(lái)的成本增長(zhǎng)，提高能源利用率。

5 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)含有電熱氣多種能源的IES 的運(yùn)行靈活性問(wèn)題和功率平抑問(wèn)題，提出了多能靈活性的概念，構(gòu)建了日前-日內(nèi)的多時(shí)間尺度優(yōu)化調(diào)度策略，并得到如下結(jié)論。

1）在日前調(diào)度中，建立多能靈活性狀態(tài)關(guān)系方程，在約束條件中考慮了波動(dòng)場(chǎng)景下的多能靈活性約束，充分發(fā)揮系統(tǒng)中各個(gè)環(huán)節(jié)的靈活性調(diào)節(jié)能力，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)運(yùn)行靈活性的提升。

2）日內(nèi)調(diào)度以日前調(diào)度計(jì)劃為參考，考慮不同能量的響應(yīng)能力差異，分別建立長(zhǎng)時(shí)間尺度和短時(shí)間尺度的滾動(dòng)優(yōu)化模型，通過(guò)調(diào)節(jié)設(shè)備出力來(lái)平抑功率波動(dòng)，在運(yùn)行費(fèi)用接近的情況下有效地滿(mǎn)足功率波動(dòng)的需求，同時(shí)提高能源利用率。

因此，本文所提出的考慮多能靈活性的多時(shí)間尺度優(yōu)化調(diào)度策略可以在不明顯降低經(jīng)濟(jì)性的前提下有效提升系統(tǒng)的靈活性和聯(lián)絡(luò)線(xiàn)功率平抑能力。需要說(shuō)明的是，本文針對(duì)的IES 規(guī)模和傳輸范圍較小，暫時(shí)未考慮電熱氣網(wǎng)絡(luò)約束對(duì)系統(tǒng)靈活性的影響。在今后的研究中，針對(duì)大型的電熱氣聯(lián)合系統(tǒng)，還需要對(duì)不同能量系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行動(dòng)態(tài)建模，充分考慮網(wǎng)絡(luò)約束對(duì)系統(tǒng)靈活性帶來(lái)的影響。

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