考慮綜合需求響應的工業(yè)園區(qū)負荷管理方法

魏景東，張 耀，王建學，雍維楨

（陜西省智能電網(wǎng)重點實驗室，西安交通大學 電氣工程學院，西安 710049）

0 引言

工業(yè)園區(qū)是政府為了經(jīng)濟發(fā)展，通過行政手段將各種生產(chǎn)要素進行科學整合，打造的現(xiàn)代化產(chǎn)業(yè)分工協(xié)作生產(chǎn)區(qū)。工業(yè)園區(qū)是典型的綜合能源系統(tǒng)［1—2］，通常伴隨著大量的能源需求，例如電力和天然氣。在很多國家，例如中國和美國，工業(yè)園區(qū)的電費一般按兩部制電價［3］計費。在兩部制電價下，工業(yè)園區(qū)的電費賬單包含需量電費和電度電費2個組成部分［4—6］。需量電費通常基于月度最大電力負荷進行收費，而電度電費則基于賬單周期內(nèi)的實際電能消耗量進行收費。電度電費電價在不同時段一般是不同的，通常采用分時電價。例如在中國，分時電價一般包含峰、平、谷3個收費標準［7］。

工業(yè)園區(qū)的需量電費一般在總電費中的占比很高，最高可達總電費的50%～70%［3］。因此，如何有效運用工業(yè)園區(qū)負荷管理方法來降低峰值負荷，成為研究熱點。有效的負荷管理方法不僅可以提升經(jīng)濟性，還可以促進工業(yè)園區(qū)的持續(xù)健康發(fā)展?；陔姵貎δ芟到y(tǒng)的電力需求響應是實現(xiàn)工業(yè)園區(qū)負荷管理的常用方法，電池儲能可以在電價谷時段充電存儲電能，在電價峰時段放電供應用戶的用能?；陔姵貎δ芟到y(tǒng)的負荷管理技術(shù)已有一些文章進行研究［7—9］。文獻［7］闡述了一種利用光伏和電池儲能組合實現(xiàn)工商業(yè)樓宇負荷管理的方法。文獻［8］研究了基于儲能的電動汽車快速充電單元負荷管理方法，減輕電動汽車負載對配電網(wǎng)的影響。為了最小化用戶兩部制電價下的電費，文獻［9］提出了一種考慮可再生能源和現(xiàn)貨電價的電池儲能優(yōu)化管理方法。

另一方面，隨著綜合能源系統(tǒng)的發(fā)展，需求響應逐漸由電力需求響應擴展到綜合需求響應［10］。與傳統(tǒng)的電力需求響應相比，綜合需求響應不依賴于靈活電力負荷，可以利用多能耦合設備來削減電力峰值負荷。到目前為止，綜合需求響應已有一定的研究，涉及基本概念、負荷響應模型、電-氣耦合優(yōu)化運行和市場機制等［10—11］。然而，尚未有研究將綜合需求響應應用于工業(yè)園區(qū)的負荷管理。同時，工業(yè)園區(qū)中的熱電聯(lián)供機組一般工作在以熱定電模式，在實施綜合需求響應時運行靈活性受限。

為了解決這些挑戰(zhàn)，本文基于熱電聯(lián)供機組和熱儲能裝置，提出了實現(xiàn)工業(yè)園區(qū)負荷管理的新思路。首先，闡述了利用熱電聯(lián)供機組綜合需求響應實現(xiàn)工業(yè)園區(qū)負荷管理的方法:引入熱儲能裝置來實現(xiàn)工業(yè)園區(qū)中各工業(yè)用戶的熱力存儲和共享，釋放熱電聯(lián)供機組的運行靈活性；然后，建立工業(yè)園區(qū)負荷管理的優(yōu)化模型；最后，對所提方法進行算例分析，算例結(jié)果表明，所提方法可以有效降低工業(yè)園區(qū)的需量電費，提升其經(jīng)濟效益。

1 工業(yè)園區(qū)負荷管理的總體架構(gòu)

1.1 工業(yè)園區(qū)的基本結(jié)構(gòu)

含N個工業(yè)用戶的工業(yè)園區(qū)基本結(jié)構(gòu)如圖1所示，配電線路經(jīng)過變壓器連接上級電網(wǎng)和各個用戶。每個用戶配置了熱電聯(lián)供機組和分布式光伏面板來供應電力負荷和熱力負荷。由于工業(yè)用戶一般有比較大的熱力和電力需求，為了提升能源利用效率，這種設備配置模式是比較常見的。

圖1 含熱電聯(lián)供機組的工業(yè)園區(qū)基本結(jié)構(gòu)Fig.1 Basic structure of industrial park with combined heat and power units

工業(yè)園區(qū)依據(jù)電網(wǎng)的兩部制電價機制支付總電費，然后將這筆電費重新分配給所有用戶。這種模式具有激勵相容性的優(yōu)點，既可以減少每個用戶的賬單，又不會損害任何用戶的利益。

1.2 考慮綜合需求響應的工業(yè)園區(qū)負荷管理方法

熱電聯(lián)供機組作為常規(guī)配置，可滿足各個工業(yè)用戶自身的熱力和電力需求。利用各用戶熱電聯(lián)供機組的綜合需求響應特性，可以實現(xiàn)整個工業(yè)園區(qū)的負荷管理。例如，熱電聯(lián)供機組可以響應上級電網(wǎng)發(fā)布的峰、平、谷分時電價，在電價高峰時段（通常也是電力峰值負荷時段）增加其電力輸出以供應電力負荷，從而降低整個園區(qū)從上級電網(wǎng)的購電功率，進而降低工業(yè)園區(qū)的峰值負荷，實現(xiàn)節(jié)省需量電費的目的。

值得注意的是，雖然上述方法可以利用熱電聯(lián)供機組的綜合需求響應特性實現(xiàn)工業(yè)園區(qū)的負荷管理，但是在峰值負荷時段，熱電聯(lián)供機組產(chǎn)生的大量熱能將被廢棄。這是由于為減少峰值負荷時段從上級電網(wǎng)購買的電能，熱電聯(lián)供機組在增加電力輸出的同時也增加熱力輸出。這時熱電聯(lián)供機組增加的熱量輸出，可能會超出單個工業(yè)用戶的實際熱力需求。因此，熱電聯(lián)供機組產(chǎn)生的多余熱量將被廢棄，使得工業(yè)園區(qū)的能源利用效率降低。為解決這一問題，引入了集中式熱儲能來實現(xiàn)各工業(yè)用戶間熱力的存儲和共享，如圖2 所示。熱儲能系統(tǒng)可以存儲熱電聯(lián)供機組在峰值負荷時段產(chǎn)生的多余熱量，在非峰荷時段再將這些熱量釋放出來向各個工業(yè)用戶供熱。

圖2 含熱電聯(lián)供機組和熱儲能系統(tǒng)的工業(yè)園區(qū)結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of industrial park with combined heat and power units and thermal storage

2 工業(yè)園區(qū)負荷管理的優(yōu)化模型

2.1 目標函數(shù)

在兩部制電價機制下，用電成本包括2個部分:電度電費和需量電費。用氣成本指的是所有用戶熱電聯(lián)供機組消耗天然氣的總費用。工業(yè)園區(qū)負荷管理以月度總用電成本和月度總用氣成本最小為目標函數(shù)，如下所示

式中:i、k、t分別為工業(yè)用戶、典型日、時段的序號；為電度電費電價，元/kWh；λm為需量電費費率，元/kW；λgas為天然氣價格，元/m3；為工業(yè)園區(qū)從上級電網(wǎng)的購電功率，kW；Pˉm為整個工業(yè)園區(qū)月度最大需量；為熱電聯(lián)供機組的天然氣消耗量，m3/h。

2.2 約束條件

工業(yè)園區(qū)負荷管理的優(yōu)化模型的約束條件包含如下4個部分。

（1）工業(yè)園區(qū)電熱功率平衡約束

整個園區(qū)的電功率平衡如下

式中:為工業(yè)園區(qū)從上級電網(wǎng)的購電功率；為各用戶熱電聯(lián)供機組發(fā)電功率；為光伏出力；為用戶i在第k天的第t個時段的電力需求。

由于集中式熱儲能的參與，各個用戶熱電聯(lián)供機組的熱力輸出以及集中式熱儲能的充、放熱功率共同滿足所有用戶的熱力需求。

式中:為用戶i在第k天的第t個時段的熱力需求。

（2）工業(yè)園區(qū)最大需量約束

工業(yè)園區(qū)的最大需量是任意時段從上級電網(wǎng)購電功率的最大值，計算如下

（3）各工業(yè)用戶自有設備約束

用戶自有設備約束包括熱電聯(lián)供機組運行約束:

熱電聯(lián)供機組的電力輸出范圍如下

熱電聯(lián)供機組電力輸出與天然氣消耗量的關(guān)系如下

式中:ρLHV為天然氣的低熱值；為熱電聯(lián)供機組的發(fā)電效率系數(shù)。

熱電聯(lián)供機組的熱功率輸出如下

分布式光伏的電力輸出范圍如下

式中:為用戶i的分布式光伏在第k天的第t個時段的預測出力。

（4）工業(yè)園區(qū)集中式熱儲能約束

集中式熱儲能約束包含:

充放熱功率的上、下限約束如下

式中:為集中式熱儲能的熱功率上限。

充、放熱功率與熱儲能存儲熱量的時段耦合約束如下

式中:為熱儲 能系統(tǒng)在第k天的第t個時段所存儲的熱量；ηch、ηdis分別為熱儲能系統(tǒng)的充、放熱效率。

熱儲能存儲熱量的上、下限約束如下

每天熱儲能系統(tǒng)的初值約束如下

式中:ETS,init為熱儲能系統(tǒng)的熱量存儲初值。

值得注意的是，式（1）中的第三項自然保證了集中式熱儲能不會同時充、放熱。這是因為熱儲能同時充、放熱會造成更高的熱力損耗，進而造成更多的天然氣消耗，這與目標函數(shù)中最小化天然氣消耗成本相矛盾。

3 算例分析

我們將通過一個含3個用戶的示例性工業(yè)園區(qū)來驗證提出的考慮綜合需求響應的工業(yè)園區(qū)負荷管理方法。我們選取了4個典型日來代表一個月，其中每個典型日代表一周。一周中的典型日選擇出現(xiàn)峰值電力負荷的一天，同時我們將4個典型日中具有最大峰值負荷的典型日選為月度峰值負荷典型日。分時電價采用西安市大工業(yè)用戶的峰、平、谷電價，高峰電價0.876 9元/kWh（7:30—11:30，19:30—23:30）、平段電價0.550 2元/kWh（11:30—19:30）、低谷電價0.223 5 元/kWh（23:30—次日7:30）。需量電費電價為31 元/kVA。集中式熱儲能采用4 MW/8 h儲熱罐，所提優(yōu)化模型在基于MATLAB的YALMIP工具箱中進行編程實現(xiàn)，并采用IBM公司的Cplex求解器在i7-8700處理器，16 GB內(nèi)存的臺式機上進行求解。

為了證明所提負荷管理方法的有效性，我們設計了3個場景進行對比:

場景1:工業(yè)園區(qū)沒有負荷管理。園區(qū)中的熱電聯(lián)供機組工作在以熱定電的模式下，不能實現(xiàn)基于上級電網(wǎng)分時電價的綜合需求相應。工業(yè)園區(qū)從上級電網(wǎng)購電滿足電力負荷需求。

場景2:基于熱電聯(lián)供機組的工業(yè)園區(qū)負荷管理。園區(qū)中的熱電聯(lián)供機組不受以熱定電的模式限制，在峰值負荷時段增加電力輸出來滿足園區(qū)中的電力負荷需求。

場景3:基于熱電聯(lián)供機組和集中式熱儲能的工業(yè)園區(qū)負荷管理。在場景2的基礎(chǔ)上引入集中式熱儲能實現(xiàn)整個園區(qū)熱力的存儲和共享，提升能源利用效率。場景1和場景2的對比結(jié)果如表1和圖3所示。

表1 場景1和場景2的能源消耗費用對比Table 1 Comparison of energy bill between scenario 1 and scenario 2

圖3 場景1和場景2下工業(yè)園區(qū)從上級電網(wǎng)購電量對比（月度峰值負荷典型日）Fig.3 Comparison of electricity power purchased from utilities between scenario 1 and scenario 2（monthly peak?load typical day）

由表1可以看出，從場景1到場景2，工業(yè)園區(qū)的最大需量減少了21.63%。同時，工業(yè)園區(qū)從上級電網(wǎng)的購電量和電度電費也分別減少了13.29%和17.23%。充分展現(xiàn)了本文所提出的基于熱電聯(lián)供機組綜合需求響應實現(xiàn)工業(yè)園區(qū)負荷管理方法的有效性。主要原因是當熱電聯(lián)供機組不運行在以熱定電模式時，可以在峰值負荷時段增加電功率出力，滿足園區(qū)電力負荷需求。因此，正如表1和圖3所示，工業(yè)園區(qū)最大需量以及從上級電網(wǎng)的購電量都顯著降低，使得在考慮綜合需求響應后，工業(yè)園區(qū)的需量電費和電度電費均大幅度減少。雖然整個園區(qū)的天然氣消耗成本增加了74.30%，但是總能源消耗成本降低了5.12%，這表明我們提出的方法比沒有考慮綜合需求響應的傳統(tǒng)方法有更好的經(jīng)濟性。

天然氣消耗成本的顯著增加主要是由于實施負荷管理時熱電聯(lián)供機組的電力輸出增加，使得在峰值負荷時段消耗了更多的天然氣。事實上，在此過程中，熱電聯(lián)供機組同時增加了熱力輸出，如圖4所示。增加的熱力輸出超出了園區(qū)的熱負荷需求，導致熱電聯(lián)供機組發(fā)出的多余熱量被棄掉。由表1可以看出，被棄掉的熱量將近1 200 MWh，導致整個園區(qū)能源利用效率低下。

圖4 場景1和場景2下熱電聯(lián)供機組供熱量對比（月度峰值負荷典型日）Fig.4 Comparison of heat power provided by combined heat and power units between scenario 1 and scenario 2（monthly peak?load typical day）

為充分利用熱電聯(lián)供機組的棄熱、提升能源利用效率，引入了集中式熱儲能，在各個用戶間實現(xiàn)熱力共享和存儲。對比結(jié)果如表2和圖5所示。

表2 場景2和場景3的能源消耗費用對比Table 2 Comparison of energy consumption cost between scenario 2 and scenario 3

由表2可以看出，場景2和場景3的工業(yè)園區(qū)最大需量非常接近，偏差僅僅為3.87%。另一方面，雖然由場景2到場景3總電費增加了6.87%，但熱電聯(lián)供機組的天然氣消耗成本降低了將近36%。此外，由于集中式熱儲能的存在，場景3的棄熱量為0。

圖5 場景2和場景3下工業(yè)園區(qū)從上級電網(wǎng)購電量對比以及集中式熱儲能的充、放熱功率（月度峰值負荷典型日）Fig.5 Comparison of electricity power purchased from utilities between scenario 2 and scenario 3 as well as charging and discharging heat power of centralized thermalstorage（monthly peak?load typical day）

由圖5 可知，熱儲能在峰荷時段（8:00—11:00，20:00—23:00）存儲熱電聯(lián)供機組產(chǎn)生的多余熱量，在非峰荷時段釋放存儲的熱量以滿足用戶熱力需求。因此，棄熱量被充分利用，使得非峰荷時段的燃氣消耗量顯著降低。

4 結(jié)束語

本文提出了一種考慮熱電聯(lián)供機組和熱儲能裝置綜合需求響應的工業(yè)園區(qū)負荷管理方法。算例分析結(jié)果驗證了所提方法的有效性。通過實施熱電聯(lián)供機組綜合需求響應，電力峰值負荷以及從上級電網(wǎng)購買的電能都顯著降低，從而降低了工業(yè)園區(qū)的需量電費和電度電費；在引入集中式熱儲能之后，由于熱儲能有效地利用了余熱、提升了工業(yè)園區(qū)總體的能源利用效率，使得工業(yè)園區(qū)的總能源消耗費用進一步降低。