基于舒適度的需求響應與碳交易的園區綜合能源經濟調度

王仕炬，劉天琪，何川，南璐，呂祥梅

(四川大學 電氣工程學院，成都 610065)

0 引 言

在電氣化、低碳化和碳中和[1]背景下，高比例新能源的消納和減排目標的達成迫在眉睫。傳統熱、電分立調度制約了高比例新能源的消納。文獻[2]通過CHP機組和P2G設備，實現了電-氣間的相互轉換，電轉熱+儲熱打破了CHP機組電熱耦合關系，可靈活匹配新能源出力。文獻[3-5]引入儲能設備,將多余的風能轉化為熱或氣儲存，提升了風電消納能力。文獻[6]提出電、氣多能互補及電熱聯供的調度模型，并驗證了該模型能提高新能源消納，降低運行成本。文獻[7-8]利用電力需求響應在分時電價的峰谷電價差中獲得收益，降低運行成本。電力需求響應實現了源、荷互動，從源、荷兩側聯合協調供求關系，能有效地提升新能源的消納滲透率，從而降低園區調度運行成本[9]。文獻[10]構建了包含儲能和可控負荷在內的微電網模型，綜合考慮參與需求響應負荷和新能源消納率兩個指標，以運行成本最小為目標的微電網源荷兩側聯合優化調度，仿真結果驗證了該模型能降低運行成本，提高對新能源的消納率。文獻[11]提出了風電與蓄熱電采暖的聯合運行模式，提高風電消納能力的同時減少了碳排放。文獻[12]將空調和建筑物作為一種虛擬儲能裝置參與到需求響應中，受此啟發文中將熱舒適度和室內溫度作為虛擬儲熱裝置參與到聯合熱、電需求響應中，打破CHP機組熱電耦合關系，使其靈活匹配新能源出力。文獻[13]建立了用戶熱舒適度模型并提出考慮用戶舒適度的熱負荷需求建模方法。文獻[14]考慮用戶舒適度及用電成本滿意度的多目標模型并用遺傳算法進行求解。文獻[15]將一定區域內的熱電、風電、光伏組成虛擬電廠，并加入風電供熱，實現熱電聯產機組解耦。

在碳中和背景下，文獻[16]基于儲能、電制熱等設備構建了含風電系統考慮碳交易成本的熱、電聯合調度模型。仿真驗證表明，該模型能提高新能源消納能力，減少碳排放。為減少發電過程中的碳排放，提高風電消納，提出了綜合考慮儲能及碳交易成本的電、熱聯合系統優化調度策略[17-18]。

基于上述分析，以前相關研究已很多，但也存在一些不足：需求響應大多為單一電或氣負荷需求響應，且大多未考慮用戶舒適度或僅考慮單一電或熱舒適度，未能滿足用戶在電、熱兩種舒適度下充分利用聯合熱電需求響應，發揮多能互補的潛力，影響用戶參與響應積極性；在碳交易中未充分利用電轉氣設備在合成天然氣過程中吸收二氧化碳減少碳排放的經濟效益。

文中在熱電聯供，電、氣互補可相互轉化的多能源園區中，提出考慮熱、電舒適度的聯合熱電需求響應。在園區負荷高峰時，舒適度范圍內降低熱/電負荷，減少電/熱負荷需求。如在用電高峰時段，在舒適度范圍內削減部分熱負荷以降低電鍋爐用電量，緩解用電緊缺；同時，考慮碳交易成本，提出利用電轉氣設備合成天然氣過程中具有捕捉固定碳，減少碳排放的生態效益。提出了考慮舒適度的聯合熱電需求響應和碳交易成本的多能源園區經濟調度模型，在滿足用戶舒適度前提下充分發揮聯合熱電需求響應潛力。通過算例驗證了該模型能有效提高新能源消納率，降低園區運行成本，實現園區和用戶共贏。

1 園區綜合能源構成

綜合能源系統構成如圖1所示。系統由風電、光伏、熱電聯產機組CHP、燃汽輪機GT、電轉氣P2G、電鍋爐EB、氣儲能GS、熱儲能HS、電負荷以及熱負荷構成。如圖1實線部分：風電、光伏、熱電聯產機組和上級電網共同為系統供給電力；虛線部分：電鍋爐、熱電聯產機組、和儲熱設備則供給系統的熱負荷；系統可向外界電網、氣網購、售電或氣；在用戶舒適度范圍內電、熱負荷需求響應靈活參與系統調度。

圖1 園區綜合能源系統

2 園區綜合能源調度模型

2.1 用戶舒適度模型

2.1.1 用電舒適度

用戶不參與需求響應時，按需用電，此時未改變用電計劃，用電舒適度最高。在參加電力需求響應后，改變了電負荷。定義電負荷改變程度r為用電舒適度[19]。具體為：

(1)

2.1.2 熱舒適度

人體不易察覺到一定范圍內的溫度變化，在此范圍內調整熱負荷改變溫度，并不影響熱舒適度，故將室內熱負荷曲線轉化為熱負荷區間，使熱負荷成為一種柔性可調負荷參與熱需求響應，提升系統調度靈活性。文中采用PMV指標[19]表征用戶對環境溫度的感覺，PMV值與用戶的感覺關系如表1所示。

表1 PMV與舒適度關系

文獻[19]給出了其他因數處于舒適度時，不同溫度下的PMV取值，得到了PMV值(記為λPMV)與溫度T的關系為：

(2)

由式(2)可知，溫度在26 ℃附近時用戶舒適度最高。據ISO7733推薦PMV取值在-0.5～0.5之間最佳，由式(2)得出相應的溫度在24.8 ℃～27.3 ℃之間。由文獻[20]得到熱負荷與溫度的關系為：

(3)

(4)

式中S為供熱面積，m2；μ為單位供熱面積單位溫差下室內熱量損失，取1.037×104J/(m2·℃)；C為單位供熱面積下的熱容，取1.63×105J/(m2·℃)；Tin,t、Tout,t分別為t時段室內和室外溫度，室內溫度范圍24.8 ℃～27.3 ℃，室外溫度由冬季典型日室外溫度曲線[20]確定。Tmin、Tmax分別為熱舒適度下允許的室內最低、最高溫度。

2.2 碳交易成本模型

碳交易成本就是將碳排放權作為商品自由交易，分兩種模式。我國目前采用碳排放強度原則。監管機構對同類機組分地區在歷史同期數據基礎上進行削減形成基準值，排放超過基準值的要購買配額獲得排放權，否則不能排放，低于基準值的可將盈余配額賣出獲得收益，包括燃氣輪機碳交易成本、熱電聯產機組碳交易成本、電轉氣設備吸收CO2減少碳排放獲得收益、系統碳交易總成本，分別如式(5)～式(8)所示。由文獻[21]得碳交易模型：

(5)

(6)

(7)

(8)

2.3 目標函數

以系統運行總成本最低為目標(見式(9))，包括購售電成本(見式(10)、式(11))、購售氣成本(見式(12)、式(13))、棄風、棄光懲罰成本(見式(14)、式(15))、失電負荷、失熱負荷、需求響應中斷電負荷補償成本(見式(16)～式(18))。文中參考文獻[22]，對系統進行建模，為簡化模型，機組啟停成本、失負荷懲罰忽略不計。

(9)

(10)

(11)

(12)

(13)

(14)

(15)

(16)

(17)

(18)

2.4 約束條件

2.4.1 能量平衡約束

系統運營中需滿足電力、熱量及天然氣平衡約束。

(1)電力平衡約束。

(19)

(2)天然氣平衡約束。

(20)

(3)熱量平衡約束。

(21)

2.4.2 能量轉換約束

(1)P2G設備約束。

(22)

(23)

(2)電鍋爐約束。

電鍋爐產生的熱量與消耗熱量之間的關系為

(24)

(3)燃汽輪機約束。

燃氣輪機燃氣與發電功率之間的關系為：

(25)

(26)

(4)熱電聯產機組約束。

熱電聯產機組由小型燃氣輪機和溴冷機構成。不考慮其他外界因數影響下其熱電關系模型為：

(27)

2.4.3 系統與上級網絡功率交換約束

與上級電網功率交換約束，即：

(28)

(29)

與上級氣網功率交換約束，即：

(30)

(31)

式中Pb,min、Pb,max分別為最小、最大購電功率，kW；Ps,min、Ps,max分別為最小、最大售電功率，kW。系統購、售氣約束與電類似，不再贅述。

2.4.4 需求響應約束

文中參與需求響應的負荷有電負荷和熱負荷兩類，其約束分別為：

(1)電力需求響應約束。

(32)

(33)

(34)

(35)

(36)

(2)熱需求響應約束。

(37)

(38)

2.5 模型求解

文中所建模型為混合整數線性規劃問題，可在MATLAB運行環境下調用YALMIP工具箱中的Gurobi求解器對模型進行求解。

3 算例仿真分析

3.1 仿真基礎數據

約定熱電聯產機組和燃氣輪機初始為停運狀態，電鍋爐初始工作在50%額定功率，初始儲氣、儲熱量分別為10 m3、100 kW·h。總調度時段數為24，單位調度時間為1 h，單位調度時間內各設備功率恒定，外界、室內溫度不變。約定棄風、光懲罰成本為1元/(kW·h)。

3.2 算例1

為驗證模型有效性設置方式1～方式5。方式1～方式4逐漸增加考慮因素，如表2所示。

表2 5種運行方式

方式5在方式4基礎上將碳交易價格升高為原來的4倍，即112元·t-1。方式1～方式5園區總運行成本如表3所示。

表3 5種方式下運行成本

分析表3知，與方式1相比，方式2引入滿足熱舒適度下的熱負荷需求響應，在熱舒適度下，將柔性熱負荷與新能源出力及分時電價匹配，利用電、熱負荷互補，充分發揮熱負荷需求響應作用，降低購電成本、增加售電收益，從而降低園區總運行成本。方式3同時考慮熱、電舒適度下的熱電聯合需求響應，可響應負荷在滿足用戶舒適度前提下，匹配分時電價和新能源出力。通過多能互補更充分發揮聯合熱電需求響應潛力，在方式2基礎上進一步降低了園區10.6%的運行成本。

方式4考慮碳交易成本，電轉氣設備將二氧化碳吸收，減少了碳排放并通過碳交易獲利，考慮碳交易后電轉氣設備運行更具經濟實用性，園區綜合能源系統更多地將新能源轉化為天然氣，園區運行成本進一步下降。隨著碳中和的推進，配額價格上漲，方式5電轉氣及園區運行成本會持續降低，從而達到園區經濟最優調度。

3.3 算例2

綜合能源系統打破了熱、電分離調度，充分發揮了多能互補消納新能源的優勢。方式1～方式5均未出現棄風、光現象。為驗證系統提高新能源消納能力，設置運行方式6～方式10。在方式1基礎上將風、光出力增大到3.25倍得到方式6，在方式6基礎上方式7～方式10運行情況分別對應方式2～方式5。其棄風、光情況如表4所示。

表4 方式6～方式10棄風、棄光情況

風、光出力增大3.25倍后遠高于系統消耗、轉化、儲存能量之和，如方式6系統出現大量棄風、光現象。方式7引入考慮熱舒適度的熱需求響應后棄風、光量減少115.7 kW·h，提高新能源消納率近58%。方式8引入考慮熱電舒適度的聯合熱電需求響應后，進一步降低棄風、光量，與不考慮需求響應的方式6對比，提高新能源消納率超62%。含P2G、電轉熱設備可實現能源間相互轉換，利用園區多能互補在新能源出力較大時，分別將電能轉化為天然氣和熱能，提高了對新能源的消納。方式9在考慮舒適度下的聯合熱電需求響應基礎上引入碳交易成本，系統進一步降低了棄風、棄光量，提高了新能源消納率。隨著碳交易價格上漲，方式10提高新能源消納率的能力增強。

考慮熱舒適度的熱需求響應前后室溫變化如圖2所示。

圖2 考慮熱舒適度前后系統優化結果對比

未考慮熱舒適度的熱需求響應時，室內溫度為一固定值26 ℃。故熱負荷為一固定曲線，系統調峰能力較低。一旦新能源預測和實際出力出現偏差便會導致棄風、棄光現象。在考慮熱舒適度的熱需求響應后，室內溫度在舒適度范圍內波動，熱負荷變為可靈活匹配新能源出力的區間，增大了系統調峰能力，可提高新能源的消納，降低運行成本。如，1時～5時、12時～13時，新能源出力較大時，在熱舒適度范圍內升高室內溫度，增大熱負荷提高新能源消納率。7時～8時，新能源出力快速下降的同時電價上升(谷段轉平段)，電鍋爐制熱功率快速下降從而減少電鍋爐用電量以降低運行成本。為降低電價最高的峰時段用電量實現錯峰用電，降低園區運行成本，系統在8時～10時、15時～18時，利用相對較低的平、谷時段電價增大電鍋爐制熱功率，在峰時段(10時～15時，18時～21時)高電價到來前，舒適度范圍內提前拉升室內溫度，以降低峰時段制熱用電量。快速降低電鍋爐功率以減少高峰時段購電量，降低園區運行成本。在10時～12時、13時～15時、18時～20時，在舒適度范圍內降低室內溫度，減小電鍋爐在用電高峰期制熱用電量，降低園區運行成本。

在方式3基礎上將風、光出力增大4倍，對比不同熱、電舒適度下園區多能源系統運行情況。其結果如表5所示。

表5 不同舒適度對園區多能源系統的影響

此運行方式下，風、光出力遠大于系統消耗、轉化、儲存能量之和，園區可售出較多電量和天然氣。園區總調度運行成本為負數(獲得收益)。當用電舒適度不變時，PMV值越大(溫度舒適度越低)園區收益越大，棄風、光量越少。當熱舒適度不變時，用電舒適度越低(r值越小)，園區收益越大，新能源消納能力越強。

4 結束語

文中在分析熱、電聯合調度基礎上，提出考慮用戶舒適度的聯合熱電需求響應和碳交易的園區綜合能源經濟調度方法。在熱電耦合、電氣可相互轉化的園區基礎上引入用戶舒適度，實現了在不影響用戶舒適度下充分發揮聯合熱、電需求響應作用，實現多能互補、錯峰用能。同時，使柔性負荷靈活匹配分時電價和新能源出力，在不同時段削減或升高電、熱負荷，提高了新能源的消納，降低了園區運行成本。

分析了不同舒適度對園區經濟調度的影響。考慮了用戶舒適度，使用戶積極主動參與需求響應，實現了用戶與園區共贏。考慮碳交易成本，挖掘了電轉氣設備的減排效益，進一步降低了園區運行成本，提高了P2G設備的經濟實用性。