考慮柔性電負(fù)荷和熱負(fù)荷的綜合能源系統(tǒng)容量優(yōu)化配置

侯健敏，路新梅，周穎，丁蘇云

（江蘇省大氣環(huán)境與裝備技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心（南京信息工程大學(xué)），江蘇省南京市210044）

0 引言

隨著人口的增長和人民生活水平的提高，能源供應(yīng)形勢愈發(fā)嚴(yán)峻。綜合能源系統(tǒng)(integrated energy system,IES)對提高能源利用效率、促進(jìn)可再生能源消納及節(jié)能減排具有重要意義，已經(jīng)引起全球能源領(lǐng)域的廣泛關(guān)注[1]，是未來能源系統(tǒng)的重要發(fā)展方向。

目前，針對IES容量優(yōu)化配置問題已有學(xué)者進(jìn)行大量研究[2-4]，文獻(xiàn)[5]對影響IES規(guī)劃的外部與內(nèi)部主要因素進(jìn)行了定量分析，提出一種以園區(qū)綜合能源系統(tǒng)全壽命周期等值年成本為目標(biāo)的優(yōu)化配置方法；文獻(xiàn)[6]以最小性能指標(biāo)為目標(biāo)函數(shù)，建立了針對多種建筑群的分布式能源系統(tǒng)優(yōu)化模型；文獻(xiàn)[7]提出了同時考慮經(jīng)濟(jì)，環(huán)境和能源方面的多目標(biāo)非線性容量優(yōu)化模型；文獻(xiàn)[8]提出一種計及電熱能量交易的IES容量優(yōu)化配置方法，以實現(xiàn)系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性、環(huán)保性及可靠性的最大化。上述文獻(xiàn)在對能源系統(tǒng)進(jìn)行配置優(yōu)化時均未考慮需求側(cè)響應(yīng)的影響。

隨著智能電表和智能插座開始應(yīng)用于居民負(fù)荷，部分傳統(tǒng)負(fù)荷也能夠根據(jù)激勵或者電價調(diào)節(jié)自身的用電需求，具備柔性負(fù)荷的特性[9]。柔性負(fù)荷參與調(diào)度能夠促進(jìn)可再生能源消納和提升能源系統(tǒng)綜合效益[10-12]，與傳統(tǒng)的剛性負(fù)荷相比，柔性負(fù)荷通過改變自身用能時間或負(fù)荷大小來實現(xiàn)供需側(cè)雙方“互動性”[13]。文獻(xiàn)[14]在對電熱聯(lián)合系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度時引入電力柔性負(fù)荷，降低了棄風(fēng)時段的棄風(fēng)量；文獻(xiàn)[15]結(jié)合柔性電負(fù)荷和熱負(fù)荷，對綜合能源系統(tǒng)進(jìn)行低碳經(jīng)濟(jì)優(yōu)化調(diào)度；文獻(xiàn)[16]將供能側(cè)與需求側(cè)相結(jié)合，對冷熱電負(fù)荷進(jìn)行平移，從而提高系統(tǒng)設(shè)備利用率，降低負(fù)荷峰谷差和運行成本；文獻(xiàn)[17]基于電力需求價格彈性系數(shù)，建立引入分時電價機制的主動配電網(wǎng)柔性負(fù)荷調(diào)度模型。但目前大多研究都只在能源系統(tǒng)的運行調(diào)度階段中考慮柔性負(fù)荷進(jìn)行優(yōu)化研究，較少在規(guī)劃配置階段中考慮柔性負(fù)荷。隨著IES的發(fā)展，供需側(cè)的雙向互動不斷提高，如果能夠在IES的規(guī)劃設(shè)計階段就考慮到柔性負(fù)荷進(jìn)行優(yōu)化，可以更好地提高系統(tǒng)性能。因此，有必要在規(guī)劃階段就考慮柔性電負(fù)荷和熱負(fù)荷對IES進(jìn)行容量優(yōu)化配置。

基于此，本文將以經(jīng)濟(jì)成本最小和一次能源消耗量最少為目標(biāo)，對IES進(jìn)行容量優(yōu)化配置。由于考慮了柔性電負(fù)荷和熱負(fù)荷對每一時段需求側(cè)的電負(fù)荷和熱負(fù)荷進(jìn)行調(diào)整，能夠使電負(fù)荷和熱負(fù)荷曲線更貼合風(fēng)光出力曲線，有利于可再生能源消納，實現(xiàn)系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)節(jié)能運行。

1 IES結(jié)構(gòu)模型

本文設(shè)計的IES結(jié)構(gòu)如圖1所示，需要配置的設(shè)備有風(fēng)電機組、光伏機組、燃?xì)廨啓C、電鍋爐、蓄電池、蓄熱箱。IES將配電網(wǎng)電能、天然氣、風(fēng)能和太陽能作為能量來源，滿足用戶的電負(fù)荷和熱負(fù)荷需求，電負(fù)荷和熱負(fù)荷均由固定負(fù)荷和柔性負(fù)荷組成。其中，風(fēng)電機組、光伏機組和燃?xì)廨啓C用于供電，如果有多余的電能則儲存到蓄電池中；燃?xì)廨啓C和電鍋爐用于提供熱量，包括空間供熱和生活熱水，如果有多余的熱能則儲存到蓄熱箱中。

圖1 IES結(jié)構(gòu)圖Fig.1 IES structure chart

1.1 能源轉(zhuǎn)換設(shè)備模型

1.1.1 風(fēng)力發(fā)電機模型

風(fēng)力發(fā)電機的出力情況隨風(fēng)速變化而變化，時段t的輸出電功率PWT,t可按如下的分段函數(shù)來表示[18]：

式中：vt表示t時 段的風(fēng)速；vci表示切入風(fēng)速，為2 m/s；vco表示切出風(fēng)速，為25 m/s；vr表示額定風(fēng)速，為12 m/s；Pr表示風(fēng)力發(fā)電機額定輸出功率。

1.1.2 太陽能光伏模型

太陽能光伏時段t的輸出電功率PPV,t與光照輻射密度Hs,t基本上是線性關(guān)系，其數(shù)學(xué)模型為：式中：ηPV表示光伏發(fā)電轉(zhuǎn)換效率；APV表示單個光伏電池板的面積；N表示光伏電池板的數(shù)量；

HSTC表示標(biāo)準(zhǔn)測試條件下的光照輻射密度。

1.1.3 電鍋爐模型

電鍋爐時段t的輸出熱功率QEB,t與輸入電功率PEB,t是線性關(guān)系，其數(shù)學(xué)模型為：

式 中：ηEB表示電鍋爐的熱轉(zhuǎn)換效率。

1.1.4 燃?xì)廨啓C模型

燃?xì)廨啓C是IES中常見的原動機，通過燃燒天然氣同時產(chǎn)生電能和熱能。

燃?xì)廨啓C時段t的發(fā)電功率PGT,t數(shù)學(xué)模型為：

燃?xì)廨啓Ct時段的發(fā)熱功率QGT,t數(shù)學(xué)模型為：

1.2 能源存儲設(shè)備模型

儲能是IES的重要組成部分，能夠解決能源生產(chǎn)與消費的不匹配問題，滿足供能可靠性的要求。

儲能的動態(tài)數(shù)學(xué)模型如下所示：

式中：Ei,t表示時段t儲 能設(shè)備i的儲能量；σi表示儲能設(shè)備i的自耗率；分別表示時段t儲能設(shè)備i 的充放能功率；分別表示儲能設(shè)備 i的充放能效率。

儲能設(shè)備調(diào)度初始與結(jié)束時狀態(tài)一致：

2 柔性電負(fù)荷和熱負(fù)荷模型

2.1 電力柔性負(fù)荷模型

根據(jù)負(fù)荷調(diào)度響應(yīng)的方式，可將電力柔性負(fù)荷分為3類：可平移負(fù)荷、可轉(zhuǎn)移負(fù)荷和可削減負(fù)荷[19]。

2.1.1 可平移負(fù)荷模型

可平移負(fù)荷是指對時間連續(xù)性要求很高的負(fù)荷，需占據(jù)多個連續(xù)的時間段，期間不能中斷，比如洗衣機、烘干機和電烤箱的負(fù)荷等：

可平移負(fù)荷可接受的平移區(qū)間為[tsh?,tsh+]，tsh?取 8，tsh+取22，負(fù)荷平移前后保持所需電能不變可約束為：

負(fù)荷平移前后為避免用戶電費增加可約束為：

式中： λpg,t表示時段t單位電能的價格。

當(dāng)負(fù)荷平移到以τ為起始時刻的區(qū)間內(nèi)時，為保證運行時間連續(xù)，應(yīng)滿足：

式中：ts表 示可平移負(fù)荷的持續(xù)時間，為1 h；yt為判斷負(fù)荷是否發(fā)生平移的0?1狀態(tài)變量，yt=1表示時段t負(fù)荷發(fā)生平移。

2.1.2 可轉(zhuǎn)移負(fù)荷模型

可轉(zhuǎn)移負(fù)荷沒有連續(xù)性的約束，工作時長和工作時段皆可調(diào)，運行靈活性較高，需維持一個調(diào)度周期內(nèi)用電總量不變：

可轉(zhuǎn)移負(fù)荷可接受的轉(zhuǎn)移區(qū)間為[ttr?,ttr+]，[ttr?,ttr+]為 [1,7]∪[18,24]，負(fù)荷轉(zhuǎn)移前后保持所需電能不變可約束為[13]：

負(fù)荷轉(zhuǎn)移前后為避免用戶電費增加可約束為：

2.1.3 可削減負(fù)荷模型

可削減負(fù)荷是指運行時段不改變、運行功率可削減的柔性負(fù)荷，例如燈光的使用數(shù)量和強度，空調(diào)負(fù)荷的運行強度等。

用電力需求價格彈性系數(shù)來描述一定時期內(nèi)，可削減負(fù)荷的單位補償價格變動所引起的負(fù)荷削減量的變動情況：式中：E t t表 示自彈性系數(shù)，用于反應(yīng)時段t可削減負(fù)荷的單位功率補償價格對可削減負(fù)荷削減量的影響，取表示時段t可削減負(fù)荷的負(fù)荷削減量；表示可削減負(fù)荷的單位功率補償價格；表示時段t的可削減負(fù)荷功率。

可削減負(fù)荷可在滿足用戶需求的情況下進(jìn)行

部分削減。負(fù)荷削減后時段t的 功率為：

調(diào)度后給予用戶的補償費用Ccut為：

2.2 熱力柔性負(fù)荷模型

在實際生活中，由于人體對溫度感知的模糊性，只需將室溫控制在一定范圍內(nèi)，人體均可感到舒適，相當(dāng)于熱負(fù)荷在一定范圍內(nèi)可調(diào)，因此可將空間熱負(fù)荷作為熱負(fù)荷的柔性負(fù)荷參與綜合能源系統(tǒng)配置優(yōu)化。時段t的空間熱負(fù)荷Qgongre,t的模型可以表示為[21]：

式中：S為供熱面積，m2；ω表示建筑物內(nèi)外溫差散熱系數(shù)，取值分別表示t時段的室內(nèi)外溫度。

為滿足人體舒適度，對室內(nèi)溫度有如下約束：

為保證供暖質(zhì)量，將室內(nèi)溫度均值調(diào)節(jié)為24?C。

式中：Tn表示冬季典型日建筑物室內(nèi)溫度的平均值(?C)。

3 綜合能源系統(tǒng)優(yōu)化配置模型

3.1 目標(biāo)函數(shù)

本文從經(jīng)濟(jì)和節(jié)能兩方面建立優(yōu)化目標(biāo)，以實現(xiàn)IES的綜合性能優(yōu)化，目標(biāo)函數(shù)為：

式中：f1表 示系統(tǒng)年總經(jīng)濟(jì)成本；f2表示系統(tǒng)的一次能源消耗量；w1表示系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)成本的權(quán)重；表示系統(tǒng)年總經(jīng)濟(jì)成本的獨立最優(yōu)解；w2表示系統(tǒng)一次能源消耗量的權(quán)重；表示系統(tǒng)一次能源消耗量的獨立最優(yōu)解。在對IES進(jìn)行多目標(biāo)規(guī)劃過程時，經(jīng)濟(jì)目標(biāo)往往占有較大權(quán)重，而節(jié)能目標(biāo)通常作為附加指標(biāo)，因此在本文中，w1取0.7，w2取0.3。

年總經(jīng)濟(jì)成本f1表 示為用能成本Cfu、運行維護(hù)成本Com、設(shè)備投資成本Cinv和用戶補償成本Ccom的總和：

用能成本：

式中：λng,t表示時段t每立方米天然氣的價格；Pbuy,e,t表示時段t的電網(wǎng)購電量。

運行維護(hù)成本：

設(shè)備投資成本：

式中：Cj,inv表示設(shè)備j的單位容量安裝成本；w j表示設(shè)備j的容量；R j表示設(shè)備j的投資回收系數(shù)； r表示貼現(xiàn)率，取6.7%；N j表示設(shè)備j的使用壽命。

用戶補償成本：

一次能源消耗量f2表示為天然氣和電網(wǎng)電力消耗量的總和，計算公式為：

由于不同能源的質(zhì)量不同，因此將所有輸入的一次能源轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)煤。

式中：αng和αgp分別表示天然氣和電網(wǎng)電力的標(biāo)準(zhǔn)煤換算系數(shù)，取1.19和0.123。

3.2 約束條件

3.2.1 能量平衡約束

1）電能平衡約束

式中：Pload,t表示時段t的 總電負(fù)荷功率；表示時段t的固定電負(fù)荷功率；分別表示蓄電池在時段t的充放電功率。

2）熱能平衡約束

式中：Qload,t表示時段t的 總熱負(fù)荷功率；Qreshui,t表示時段t的熱水負(fù)荷功率；分別表示蓄熱罐在時段t的充放熱功率。

3.2.2 設(shè)備出力上下限約束

式中：P j,max和P j,min分別表示設(shè)備j輸出功率的上下限。

3.2.3 儲能設(shè)備約束

1）儲能狀態(tài)約束

式中：Ei,min和Ei,max分別表示儲能設(shè)備i的最小和最大儲能狀態(tài)。

2）運行特性約束

3.2.4 購電功率約束

式中：Pbuy,e,max和Pbuy,e,min分別表示向電網(wǎng)購電功率的上下限。

3.3 求解方法

根據(jù)前面對各元件的建模，最終得到的將是一個混合整數(shù)線性規(guī)劃模型。本文采用MATLAB中的YALMIP工具箱對該混合整數(shù)線性規(guī)劃問題進(jìn)行編譯，調(diào)用CPLEX求解器進(jìn)行求解，算法流程圖如附錄A附圖A1所示，優(yōu)化的變量為能源轉(zhuǎn)換設(shè)備、儲能設(shè)備的配置容量和電/熱柔性負(fù)荷以及各能源設(shè)備各時段的出力。

4 算例分析

4.1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

算例選取上海某建筑為研究對象，建筑使用面積約為53330 m2[22]。系統(tǒng)中需要配置的能源轉(zhuǎn)換設(shè)備為風(fēng)機、光伏、電鍋爐和燃?xì)廨啓C，其設(shè)備參數(shù)見附錄A附表A1[4,18,23]；需要配置的儲能設(shè)備為蓄電池和蓄熱罐，其設(shè)備參數(shù)見附錄A附表A2[3]。三個典型日的電負(fù)荷曲線和熱水負(fù)荷曲線見圖2，熱負(fù)荷分為熱水負(fù)荷和空間熱負(fù)荷，夏季和過渡季節(jié)典型日只考慮熱水負(fù)荷，冬季典型日考慮熱水負(fù)荷和空間熱負(fù)荷，在實際運算時統(tǒng)一作為熱負(fù)荷考慮，冬季典型日戶外溫度見附錄A附圖A2。三個典型日的風(fēng)速曲線和太陽輻射密度曲線見圖3。能源價格見附錄A附表A3；各類電力柔性負(fù)荷設(shè)備用電特性及其數(shù)量見附錄A附表A4；假設(shè)用戶同意參與互動的可平移負(fù)荷和可轉(zhuǎn)移負(fù)荷的比例與單位功率負(fù)荷補償價格為正比例關(guān)系，經(jīng)過市場調(diào)研，單位功率可平移負(fù)荷的補償價格為0.1元/kWh，用戶同意參與互動的可平移負(fù)荷比例為1，因此α取10；單位功率可轉(zhuǎn)移負(fù)荷的補償價格為0.2元/kWh，用戶同意參與互動的可轉(zhuǎn)移負(fù)荷比例為1，因此β取5；各時段可平移負(fù)荷設(shè)備數(shù)量、可轉(zhuǎn)移負(fù)荷設(shè)備數(shù)量和可削減負(fù)荷設(shè)備數(shù)量見附錄A附表A5—A7。

圖2 三個典型日的電負(fù)荷曲線和熱水負(fù)荷曲線Fig.2 Electric load curve and hot water load curve in three typical days

本文設(shè)置以下2種場景對其優(yōu)化配置結(jié)果進(jìn)行分析，驗證考慮柔性電負(fù)荷和柔性熱負(fù)荷配置方法的優(yōu)越性：場景1為不考慮柔性負(fù)荷；場景2為綜合考慮柔性電負(fù)荷和熱負(fù)荷。

4.2 柔性電負(fù)荷和熱負(fù)荷優(yōu)化

為了該建筑獲得更好的經(jīng)濟(jì)節(jié)能效益，本文對其進(jìn)行了柔性電負(fù)荷和熱負(fù)荷優(yōu)化。

圖4 為用戶同意參與互動的電力柔性負(fù)荷結(jié)果，圖5為三個典型日優(yōu)化后的電力柔性負(fù)荷結(jié)果。場景1不考慮柔性負(fù)荷，負(fù)荷不發(fā)生變化。場景2中優(yōu)化后可平移負(fù)荷、可轉(zhuǎn)移負(fù)荷和可削減負(fù)荷的單位功率補償價格分別為0.074元、0.163元和0.44元。

對比圖4和圖5可以看出，在夏季典型日，發(fā)生負(fù)荷平移的功率為736.88 kW，可平移負(fù)荷從8：00—11:00、17:00和20:00—22:00時段平移到12:00—16:00和18:00—19:00時段，從圖2、圖3和附錄B附圖B1、附圖B4可以看出，8:00—11:00時段風(fēng)光發(fā)電較低，17:00時段風(fēng)機出力較低，20:00—22:00時段是熱水負(fù)荷的高峰期，也是電鍋爐耗電的高峰期；在過渡季節(jié)典型日，發(fā)生負(fù)荷平移的功率為714.45 kW，可平移負(fù)荷從9:00—11:00時段和18:00—22:00時段平移到8:00和12:00—17:00時段，從圖2、圖3和附錄B附圖B2、附圖B5可以看出，9:00—11:00時段風(fēng)光發(fā)電較低，18:00—22:00時段是熱水負(fù)荷高峰期；在冬季典型日，發(fā)生負(fù)荷平移的功率為736.1 kW，可平移負(fù)荷從9:00—10:00、12:00、15:00和19:00—22:00時段平移到8:00、11:00、13:00—14:00和16:00—18:00時段，從圖2、圖3和附錄B附圖B3、附圖B6可以看出，在9:00—10:00、12:00和15:00時段，電負(fù)荷較高，然而風(fēng)機出力較低；19:00—22:00時段是熱水負(fù)荷高峰期。綜上所述，可平移負(fù)荷從風(fēng)光出力較低的時段或者熱水負(fù)荷的高峰期平移到其他時段，來降低因風(fēng)光出力下降或電鍋爐耗電高峰期帶來的供電壓力。

圖4 用戶同意參與互動的電力柔性負(fù)荷Fig.4 The flexible electrical load the users agreed to participate in interaction

圖5 三個典型日優(yōu)化后的電力柔性負(fù)荷Fig.5 Optimized flexible electrical load in three typical days

在夏季典型日，發(fā)生負(fù)荷轉(zhuǎn)移的功率為590.1 kW，可轉(zhuǎn)移負(fù)荷從3:00、21:00—22:00和24:00時段轉(zhuǎn)移到其他時段；從圖2、圖3和附錄B附圖B1、附圖B4可以看出，3:00和24:00時段風(fēng)速較低，風(fēng)機出力較小，21:00—22:00時段是熱水負(fù)荷的高峰期，電鍋爐耗電較高，且21:00—22:00時段風(fēng)光出力較低，因此將這些時段的可轉(zhuǎn)移負(fù)荷轉(zhuǎn)移到其他時段，有助于緩解供電壓力。在過渡季節(jié)典型日，發(fā)生負(fù)荷轉(zhuǎn)移的功率為1551 kW，可轉(zhuǎn)移負(fù)荷從19:00—23:00時段轉(zhuǎn)移到其他時段；從圖2和附錄B附圖B2、附圖B5可以看出，19:00—23:00時段是熱水負(fù)荷高峰期，因此也是電鍋爐耗電高峰期，將該時段的電負(fù)荷轉(zhuǎn)移到其他時段來降低電負(fù)荷峰值。在冬季典型日，發(fā)生負(fù)荷轉(zhuǎn)移的功率為1988.2 kW，可轉(zhuǎn)移負(fù)荷從18:00—24:00時段轉(zhuǎn)移到1:00—7:00時段；從圖2、圖3和附錄B附圖B3、附圖B6可以看出，1:00—7:00時段電負(fù)荷和熱水負(fù)荷較低，電鍋爐耗電較少，并且1:00—2:00時段，風(fēng)速較大，因此將電負(fù)荷轉(zhuǎn)移到該時段，有利于促進(jìn)風(fēng)電消納。

在三個典型日中，發(fā)生負(fù)荷削減的功率為1035.79 kW。可削減負(fù)荷在8:00—10:00時段均出現(xiàn)消減，從附錄B附圖B1—附圖B3可以看出，該時段風(fēng)光出力較低，因此對負(fù)荷進(jìn)行消減可緩解因風(fēng)光出力下降造成的供電壓力。

對比附圖B7和附圖B10可以看出，在夏季典型日，優(yōu)化前燃?xì)廨啓C的熱出力為28104 kW，優(yōu)化后出力為17801 kW，因此天然氣的消耗量得到降低；優(yōu)化前電鍋爐的熱出力為14428 kW，優(yōu)化后出力為23705 kW，有利于消納更多的可再生能源發(fā)電。對比附圖B8和附圖B11可以看出，在過渡季節(jié)典型日，優(yōu)化前燃?xì)廨啓C的熱出力為32077 kW，優(yōu)化后出力為19124 kW，燃?xì)廨啓C燃燒的天然氣有所減少；優(yōu)化前電鍋爐的出力為25693 kW，優(yōu)化后出力增長為35483 kW，電鍋爐消納的可再生能源發(fā)電功率得到提高。對比附圖B9和附圖B12可以看出，在冬季典型日，優(yōu)化前燃?xì)廨啓C出力為47668 kW，優(yōu)化后降低至18410 kW，有效降低了天然氣的消耗；優(yōu)化前電鍋爐出力為75923 kW，優(yōu)化后增長為104616 kW，有助于促進(jìn)風(fēng)光發(fā)電的消納。

圖6 、圖7和圖8分別給出了不同場景下冬季典型日的室內(nèi)溫度曲線、空間熱負(fù)荷曲線和總熱負(fù)荷曲線。在場景1中，室內(nèi)溫度維持在24℃；在場景2中，室內(nèi)溫度在22℃到26℃之間變化，因此空間熱負(fù)荷也發(fā)生了變化。結(jié)合圖2、圖3和附錄B附圖B9、附圖B12可以看出，場景2在1:00—5:00、7:00和24:00時段室內(nèi)溫度大于24℃，這是因為在冬季典型日的1:00—5:00、7:00時段，風(fēng)速較大，熱水負(fù)荷和電負(fù)荷較低，所以將1:00—5:00、7:00時段的室內(nèi)溫度維持在較高溫度，有利于促進(jìn)風(fēng)電消納；在6:00時段，室內(nèi)溫度低于24℃，這是因為在6:00時段，熱水負(fù)荷達(dá)到一個小高峰，而此時風(fēng)光出力較低，因此降低室內(nèi)溫度來降低空間供暖熱負(fù)荷；在8:00—10:00時段，室內(nèi)溫度低于24℃，處于低谷期，該時段的風(fēng)速和太陽輻射強度都比較低，因此通過降低室內(nèi)溫度來彌補風(fēng)光出力下降造成的影響；在11:00、13:00—15:00時段室內(nèi)溫度均大于25℃，該時段熱水負(fù)荷較低，太陽輻射強度較大，因此該時段調(diào)高室內(nèi)溫度有利于促進(jìn)光伏發(fā)電消納和提高總熱負(fù)荷谷值；在12:00時段，室內(nèi)溫度維持在24℃，雖然該時段風(fēng)速較低，但太陽輻射強度較高，且該時段處于供暖熱負(fù)荷的低谷期，溫度維持在24℃以便消納光電；在16:00—17:00時段，室內(nèi)溫度略大于24 ℃，雖然該時段風(fēng)速較低，但太陽輻射強度仍處于較大時段，該時段提高室內(nèi)溫度有利于促進(jìn)光電消納；在18:00—23:00時段，室內(nèi)溫度低于24℃，處于低谷期，這是因為該時段處于熱水負(fù)荷的高峰期，因此通過降低室內(nèi)溫度來降低空間熱負(fù)荷，從而降低總熱負(fù)荷峰值。綜上所述，考慮柔性熱負(fù)荷后，空間熱負(fù)荷曲線在風(fēng)光出力較大時段有所提高，有利于促進(jìn)風(fēng)光發(fā)電消納；在熱水負(fù)荷較大時段有所下降，有利于總熱負(fù)荷的削峰填谷。

附圖 A2冬季典型日戶外溫度Fig.A2 Outdoor temperature of typical winter day

圖6 不同場景下冬季典型日的室內(nèi)溫度曲線Fig.6 Indoor temperature curves of typical winter days in different scenarios

圖7 不同場景下冬季典型日的空間熱負(fù)荷曲線Fig.7 Space heat load curves of typical winter days in different scenarios

圖8 不同場景下冬季典型日的總熱負(fù)荷曲線Fig.8 The total heat load curve of typical winter days in different scenarios

4.3 系統(tǒng)容量配置優(yōu)化

通過求解上述優(yōu)化問題，得到不同情景下的設(shè)備優(yōu)化配置、成本優(yōu)化結(jié)果和一次能源消耗量優(yōu)化結(jié)果，如表1—表3所示。

表1 不同場景下的設(shè)備優(yōu)化配置Table 1 Optimized configuration of equipment under different scenarios

表2 不同場景下的成本優(yōu)化結(jié)果Table 2 Cost optimization results under different scenarios

表3 不同場景下的一次能源消耗量優(yōu)化結(jié)果Table 3 Optimized results of primary energy consumption under different scenarios

對比設(shè)備優(yōu)化配置結(jié)果可以看出，綜合考慮柔性電負(fù)荷和熱負(fù)荷后，可再生能源裝機容量上升，其中風(fēng)機容量增加了1621.6 kW；光伏容量略微有所下降；電鍋爐容量增加了1682.8 kW；燃?xì)廨啓C容量降低了1519 kW；由于可再生能源發(fā)電量的增長，蓄電池容量增長了1132.7 kW；蓄熱罐容量降低了2026.3 kW。

由于場景1不考慮柔性負(fù)荷，故不計其補償成本。場景2綜合考慮柔性電負(fù)荷和熱負(fù)荷后，系統(tǒng)總成本由538.23萬元降低至514.27萬元，其中投資成本大幅度下降，由521.52萬元降低到496.6萬元，結(jié)果說明考慮柔性電負(fù)荷和熱負(fù)荷的IES容量優(yōu)化配置模型可以提高系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性。

綜合考慮柔性電負(fù)荷和熱負(fù)荷后，一次能源消耗量從40781 kgce下降到33536 kgce；其中電網(wǎng)購電量由132350 kWh增長為170440 kW；天然氣消耗量由20590 m3下降到10564 m3。

5 結(jié)語

考慮柔性電負(fù)荷和熱負(fù)荷后，有利于負(fù)荷曲線貼合風(fēng)光出力曲線，從而提高可再生能源裝機量；可再生能源滲透率為可再生能源發(fā)電量與總發(fā)電量的比值，從51.27%增長到了82.55%；一次能源消耗量降低了17.77%；經(jīng)濟(jì)成本下降了4.45%，達(dá)到經(jīng)濟(jì)節(jié)能的效果，具有一定的實際工程意義。

然而在實際規(guī)劃中風(fēng)光和負(fù)荷存在不確定性，因此后續(xù)研究將圍繞風(fēng)光出力和負(fù)荷預(yù)測的不確定性展開。

（本刊附錄請見網(wǎng)絡(luò)版，印刷版略）

附錄A

附表A1能源轉(zhuǎn)換設(shè)備參數(shù)[4,18,23]Table A1 Parameters of energy conversion equipment[4,18,23]

附表A2儲能設(shè)備參數(shù)[3]Table A2 Parameters of energy storage equipment[3]

附表A3能源價格Table A3 Energy prices

附表A4各類電力柔性負(fù)荷設(shè)備用電特性及其數(shù)量Table A4 Power consumption characteristics and quantity of various flexible electrical load equipments

附表A5各時段可平移負(fù)荷設(shè)備數(shù)量Table A5 The number of shiftable load devices in various time-intervals

附表A6 各時段可轉(zhuǎn)移負(fù)荷設(shè)備數(shù)量Table A6 The number of equipments with transferable loads in each period

附表A7 各時段可削減負(fù)荷設(shè)備數(shù)量Table A7 The numbers of equipments with cuttable loads in various time-intervals

附圖A1算法流程圖Fig.A1 Algorithm flowchart

附錄B

圖B1情景1夏季典型日電能供需平衡圖Fig.B1 Scenario 1 Electric energy supply and demand balance chart of typical summer day

圖B2情景1過渡季節(jié)典型日電能供需平衡圖Fig.B2 Scenario 1 Electric energy supply and demand balance chart of typical day in transition season

圖B3情景1冬季典型日電能供需平衡圖Fig.B3 Scenario 1 Electric energy supply and demand balance chart of typical winter day

圖B4情景2夏季典型日電能供需平衡圖Fig.B4 Scenario 2 Electric energy supply and demand balance chart in typical summer day

圖B5情景2過渡季節(jié)典型日電能供需平衡圖Fig.B5 Scenario 2 Electric energy supply and demand balance chart of typical day in transition season

圖B6情景2冬季典型日電能供需平衡圖Fig.B6 Scenario 2 Electric energy supply and demand balance chart in typical winter day

圖B7情景1夏季典型日熱能供需平衡圖Fig.B7 Scenario 1 Heat supply and demand balance chart in typical summer day

圖B8情景1過渡季節(jié)典型日熱能供需平衡圖Fig.B8 Scenario 1 Heat supply and demand balance chart of typical day in transition season

圖B9情景1冬季典型日熱能供需平衡圖Fig.B9 Scenario 1 Heat supply and demand balance chart in typical winter day

圖B10情景2夏季典型日熱能供需平衡圖Fig.B10 Scenario 2 Heat supply and demand balance chart in typical summer day

圖B11情景2過渡季節(jié)典型日熱能供需平衡圖Fig.B11 Scenario 2 Heat supply and demand balance chart of typical day in transition season

圖B12情景2冬季典型日熱能供需平衡圖Fig.B12 Scenario 2 Heat supply and demand balance chart in typical winter day