考慮負(fù)荷裕度的區(qū)域綜合能源系統(tǒng)儲(chǔ)能雙層優(yōu)化配置

劉書琪，顧 潔，賴柏希，金之儉

（上海交通大學(xué)電子信息與電氣工程學(xué)院，上海 200240）

0 引言

綜合能源系統(tǒng)IES（Integrated Energy System）作為能源互聯(lián)網(wǎng)的重要實(shí)現(xiàn)形式，將是未來(lái)電力系統(tǒng)發(fā)展的重要方向之一。在運(yùn)行時(shí)，IES需要預(yù)留一定的負(fù)荷裕度以應(yīng)對(duì)系統(tǒng)供需的快速變化，但由于耦合了多種能源，IES在供能側(cè)與用能側(cè)都存在更多的不確定性；同時(shí)，負(fù)荷和分布式電源DG（Distributed Generation）出力的波動(dòng)性導(dǎo)致系統(tǒng)在不同時(shí)刻所擁有的負(fù)荷裕度差異巨大，運(yùn)行過(guò)程中面臨的不確定性因素也更多，這為IES 的運(yùn)行帶來(lái)了較大的風(fēng)險(xiǎn)。作為IES 融合的紐帶，儲(chǔ)能及其優(yōu)化配置和運(yùn)行為IES抵御風(fēng)險(xiǎn)、實(shí)現(xiàn)安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行提供了重要保障。

目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)儲(chǔ)能優(yōu)化配置的研究主要存在以下問(wèn)題。①以投資主體的單一利益為目標(biāo)進(jìn)行規(guī)劃，可能忽略了儲(chǔ)能的其他隱性價(jià)值。一方面，部分文獻(xiàn)以某一類型儲(chǔ)能帶來(lái)的社會(huì)效益最佳為目標(biāo)進(jìn)行規(guī)劃：在電力系統(tǒng)范疇，?？紤]儲(chǔ)能投資和運(yùn)行成本最低［1-2］、年綜合失負(fù)荷成本最?。?］，或儲(chǔ)能對(duì)配電網(wǎng)網(wǎng)損和節(jié)點(diǎn)電壓波動(dòng)的改善程度［4］；在IES 范疇，儲(chǔ)能配置拓展為電／熱／冷／氣等多能存儲(chǔ)的規(guī)劃研究，如文獻(xiàn)［5-7］均從實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)的角度進(jìn)行了IES 儲(chǔ)電／儲(chǔ)熱設(shè)備的容量配置。但上述文獻(xiàn)僅考慮了配置儲(chǔ)能后傳統(tǒng)的系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性，忽略了儲(chǔ)能在平抑負(fù)荷和DG 出力波動(dòng)、均衡系統(tǒng)負(fù)荷裕度方面所帶來(lái)的社會(huì)效益。另一方面，以提升負(fù)荷裕度為研究重點(diǎn)的文獻(xiàn)多采用切負(fù)荷、進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償和優(yōu)化機(jī)組出力等策略［8-10］，忽略了儲(chǔ)能在提高IES 負(fù)荷裕度方面的作用。文獻(xiàn)［11］通過(guò)控制儲(chǔ)能進(jìn)行有序充放電來(lái)緩解DG 出力與負(fù)荷需求的錯(cuò)峰問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了配電網(wǎng)負(fù)荷裕度的均衡分布；文獻(xiàn)［12］研究了電動(dòng)汽車充電、儲(chǔ)能和可中斷負(fù)荷調(diào)度對(duì)配電網(wǎng)負(fù)荷峰值和谷值裕度的提升能力，但并沒(méi)有考慮系統(tǒng)全時(shí)段負(fù)荷裕度的均衡性，上述研究主要針對(duì)電力系統(tǒng)，不能完全適用于含多能耦合的IES。②忽略了IES 中儲(chǔ)能的規(guī)劃和運(yùn)行問(wèn)題之間的相互影響。文獻(xiàn)［13］將儲(chǔ)能的規(guī)劃與運(yùn)行進(jìn)行協(xié)同考慮，但研究對(duì)象為單一供能網(wǎng)絡(luò)，并未涉及IES。文獻(xiàn)［14-15］均考慮了IES 中多元儲(chǔ)能的互補(bǔ)協(xié)調(diào)特性，分別從儲(chǔ)能配置和調(diào)度兩方面進(jìn)行了研究，但在儲(chǔ)能規(guī)劃的過(guò)程中也應(yīng)考慮儲(chǔ)能建成之后的運(yùn)行問(wèn)題，用運(yùn)行來(lái)指導(dǎo)規(guī)劃，這樣雖然增加了優(yōu)化的難度，但能使儲(chǔ)能的規(guī)劃更加合理，同時(shí)使IES 的運(yùn)行更具經(jīng)濟(jì)性。

綜上，本文將儲(chǔ)能規(guī)劃和運(yùn)行問(wèn)題相結(jié)合，并將其作為改善IES 負(fù)荷裕度的手段，提出一種考慮負(fù)荷裕度的IES 儲(chǔ)能優(yōu)化配置方法。首先，明確包含電／熱／氣3種能源形式的區(qū)域綜合能源系統(tǒng)RIES（Regional Integrated Energy System）結(jié)構(gòu)，并建立含儲(chǔ)能的RIES 模型。綜合考慮RIES 能量耦合、儲(chǔ)能運(yùn)行特性、負(fù)荷裕度的時(shí)空均衡分布、DG 出力和負(fù)荷需求的波動(dòng)性，建立了一種考慮負(fù)荷裕度的RIES儲(chǔ)能配置雙層優(yōu)化模型，通過(guò)上／下層模型之間的相互作用與反饋，在最小化社會(huì)綜合成本的同時(shí)，也實(shí)現(xiàn)了儲(chǔ)能容量配置及其充、放能計(jì)劃的最優(yōu)化，提高了RIES負(fù)荷裕度均衡度。

1 含儲(chǔ)能的RIES模型

1.1 RIES結(jié)構(gòu)

本文所研究的對(duì)象為RIES，在RIES 中，主要存在以下3 個(gè)利益主體：能量樞紐運(yùn)營(yíng)商EHO（Energy Hub Operator）、終端用戶（部分含光伏）和儲(chǔ)能運(yùn)營(yíng)商ESO（Energy Storage Operator）。

1）EHO。在RIES的市場(chǎng)機(jī)制下，EHO 作為能源網(wǎng)絡(luò)與用戶之間的媒介，融合了電、熱、氣為用戶提供能源服務(wù)，同時(shí)投資建設(shè)熱電聯(lián)供CHP（Combined Heat and Power）系統(tǒng)以豐富能量來(lái)源并降低購(gòu)能成本，以此獲得更高的利潤(rùn)［16］。

2）終端用戶。在RIES 中，除了傳統(tǒng)用戶，部分用戶擁有光伏發(fā)電的控制權(quán)，其可利用光伏發(fā)電以及自主用能管理降低用能成本。

3）ESO。ESO 同時(shí)經(jīng)營(yíng)著儲(chǔ)電設(shè)備和儲(chǔ)熱設(shè)備，兩者與其他設(shè)備（如CHP 和DG 等）相配合，可以提高RIES 對(duì)新能源的消納能力，發(fā)揮減少能源浪費(fèi)并降低用能成本的作用。

1.2 RIES建模

1.2.1 供能網(wǎng)絡(luò)模型

1）電網(wǎng)模型。

輻射形配電網(wǎng)的潮流模型可用如下線性化后的DistFlow模型來(lái)表述：

式（1）、（2）分別為配電網(wǎng)的有功、無(wú)功平衡模型；式（3）為線路(i，j)的壓降模型；式（4）為功率、電壓和電流之間的關(guān)系式；式（5）—（7）分別為電流、電壓和發(fā)電機(jī)出力的上下限約束。

2）熱網(wǎng)模型。

本文忽略二次熱網(wǎng)熱能傳輸損耗及延時(shí)，將換熱站與二次熱網(wǎng)等效為熱網(wǎng)負(fù)荷節(jié)點(diǎn)，根據(jù)質(zhì)調(diào)節(jié)方式，建立計(jì)及供／回水管道的熱網(wǎng)熱力模型如下：

3）天然氣網(wǎng)絡(luò)模型。

天然氣網(wǎng)絡(luò)包括氣源中心、天然氣管道、壓縮機(jī)和天然氣負(fù)荷，對(duì)天然氣管道的建模如下：

式中：fij為管道(i，j)流過(guò)的天然氣流量；ε為管道傳輸效率；sij=sign(pi-pj)為管道(i，j)潮流方向，即天然氣從高氣壓側(cè)流向低氣壓側(cè)，其中sign(·)為符號(hào)函數(shù)；Mk為連接節(jié)點(diǎn)i和j的管道k的計(jì)算參數(shù)；pi和pj分別為節(jié)點(diǎn)i和節(jié)點(diǎn)j的氣壓；T0和p0分別為標(biāo)準(zhǔn)溫度（15 ℃）和標(biāo)準(zhǔn)大氣壓（101.325 kPa）；Dk為管道k的內(nèi)直徑；G為天然氣的相對(duì)密度，取0.6；Lk為管道k的長(zhǎng)度；Tka為流過(guò)管道k的天然氣的平均溫度，取環(huán)境溫度25 ℃；Za為天然氣的平均壓縮系數(shù)，取1。

天然氣在傳輸過(guò)程中會(huì)與管道發(fā)生摩擦并出現(xiàn)氣壓降低的現(xiàn)象，為保證配氣網(wǎng)絡(luò)的正常運(yùn)行，在部分管道接入天然氣壓縮機(jī)，對(duì)其的建模如下：

式中：fim為壓縮機(jī)出口節(jié)點(diǎn)m流入網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)i的流量；fc為壓縮機(jī)消耗的天然氣流量；fnj為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)j流入壓縮機(jī)入口節(jié)點(diǎn)n的天然氣流量；Bk為管道k壓縮機(jī)參數(shù)；fk為管道k流過(guò)的天然氣流量；α為天然氣的比熱容，取1.3 J／（kg·K）；ηk為管道k壓縮效率；pn/pm為壓縮比。

1.2.2 電／熱耦合環(huán)節(jié)模型

在本文所研究的RIES 中，電／熱耦合環(huán)節(jié)是通過(guò)CHP 實(shí)現(xiàn)的，可用能量樞紐來(lái)描述其中的能源耦合關(guān)系，其基本結(jié)構(gòu)如圖1所示［17］。

圖1 能量樞紐結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of energy hub

本文所采用的CHP 由電力變壓器、微型燃?xì)廨啓C(jī)MT（MicroTurbine）和燃?xì)忮仩tGB（Gas Boiler）共同構(gòu)成。輸入環(huán)節(jié)包括電能和天然氣，前者直接輸入變壓器，而后者同時(shí)輸入到MT和GB；輸出環(huán)節(jié)包含了電能和冷熱能兩部分，前者由變壓器和MT 供給，而后者則由GB 和MT 共同產(chǎn)生。由此可以得到輸入／輸出能源耦合關(guān)系式如下：

1.2.3 儲(chǔ)能能量狀態(tài)模型

儲(chǔ)電設(shè)備和儲(chǔ)熱設(shè)備的運(yùn)行特性基本相同，為更好地體現(xiàn)兩者間的協(xié)調(diào)關(guān)系，可建立如下統(tǒng)一的電／熱儲(chǔ)能能量狀態(tài)SOE（State Of Energy）模型，均以電能及電功率來(lái)進(jìn)行表述：

1.2.4 RIES負(fù)荷裕度模型

在電力系統(tǒng)中，最大供電能力LSC（Load Supply Capacity）與供電裕度LSM（Load Supply Margin）等指標(biāo)被廣泛應(yīng)用于負(fù)荷裕度水平的評(píng)價(jià)。然而，這2 個(gè)指標(biāo)不能直接適用于含多能耦合的RIES，因?yàn)橹苯訉?duì)RIES 各子網(wǎng)的能源進(jìn)行疊加是不合理的。因此，本文一方面通過(guò)上文建立的RIES 的耦合環(huán)節(jié)模型實(shí)現(xiàn)子網(wǎng)間能源的耦合，另一方面將在下文考慮儲(chǔ)電和儲(chǔ)熱設(shè)備的能量耦合關(guān)系，并將LSC 和LSM 拓展為最大供能能力ESC（Energy Supply Capacity）和供能裕度ESM（Energy Supply Margin），用以評(píng)價(jià)RIES 各子網(wǎng)的負(fù)荷裕度水平。若各子網(wǎng)在研究時(shí)段內(nèi)均能實(shí)現(xiàn)負(fù)荷裕度均衡度最優(yōu)，則表示RIES整體運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)得到了降低。

1）ESC。

RIES 中，各子網(wǎng)的ESC 是指在滿足供能、用能平衡約束，且所有設(shè)備均不發(fā)生過(guò)負(fù)荷現(xiàn)象時(shí)網(wǎng)絡(luò)所能供應(yīng)負(fù)荷的最大值［18-20］。在滿足文獻(xiàn)［21］所提約束條件下，其計(jì)算方法如下：

式中：N為所研究的子網(wǎng)負(fù)荷節(jié)點(diǎn)數(shù)；fESCi為所研究的子網(wǎng)的負(fù)荷節(jié)點(diǎn)i在最大運(yùn)行方式下的供能負(fù)荷大小，其既可以是電負(fù)荷，也可以是熱負(fù)荷；Li為負(fù)荷節(jié)點(diǎn)i消耗的能量；ηi為負(fù)荷節(jié)點(diǎn)i供能設(shè)備的供能能力系數(shù)，即該節(jié)點(diǎn)額定負(fù)荷Li，n與實(shí)際消耗能量Li的比值。

2）ESM。

ESM 是指在子網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)不變、負(fù)荷不變且滿足安全運(yùn)行約束的情況下，網(wǎng)絡(luò)可以額外接入的負(fù)荷量，其計(jì)算方法為：

式中：fESMi為所研究的子網(wǎng)的負(fù)荷節(jié)點(diǎn)i在最大運(yùn)行方式下的負(fù)荷裕度大小。

式（22）表明，Li的大小將直接影響RIES 負(fù)荷裕度的大小和分布。負(fù)荷裕度的分布不均可能導(dǎo)致RIES 總體負(fù)荷裕度充足，但部分時(shí)段部分節(jié)點(diǎn)負(fù)荷裕度不足的問(wèn)題。因此，對(duì)負(fù)荷裕度的優(yōu)化目標(biāo)應(yīng)是對(duì)其分布進(jìn)行均衡化處理［11］，即通過(guò)控制儲(chǔ)能設(shè)備進(jìn)行有序充、放能，以應(yīng)對(duì)負(fù)荷需求的驟變，同時(shí)調(diào)和DG出力同負(fù)荷需求的錯(cuò)峰問(wèn)題。

2 考慮負(fù)荷裕度的RIES 儲(chǔ)能雙層優(yōu)化配置模型

優(yōu)化配置與優(yōu)化運(yùn)行兩者聯(lián)系緊密：一方面，前者是后者的基礎(chǔ)；另一方面，后者給前者方案的形成提供了數(shù)據(jù)參考，這符合雙層規(guī)劃的特征。在上層模型中，對(duì)于儲(chǔ)能優(yōu)化配置問(wèn)題，考慮規(guī)劃層面配置方案的社會(huì)綜合成本盡可能最優(yōu)；在下層模型中，考慮運(yùn)行層面的負(fù)荷裕度均衡度最優(yōu)，并用于指導(dǎo)儲(chǔ)能的充、放能計(jì)劃。為了充分發(fā)揮RIES 不同能源轉(zhuǎn)換、互補(bǔ)等耦合特性的優(yōu)勢(shì)，本文建立了考慮負(fù)荷裕度的RIES儲(chǔ)能雙層優(yōu)化配置模型。

2.1 上層規(guī)劃的數(shù)學(xué)模型

上層規(guī)劃的數(shù)學(xué)模型以儲(chǔ)能接入容量為決策變量，以RIES 社會(huì)年綜合成本C最小為目標(biāo)，綜合考慮RIES 電／氣能耗成本CEG、儲(chǔ)能的投資成本CINV、設(shè)備運(yùn)維成本COM以及碳交易成本CCAB，建立上層規(guī)劃的目標(biāo)函數(shù)如下：

式中：r為貼現(xiàn)率，取6%；Ness為儲(chǔ)能安裝數(shù)量；cessi為節(jié)點(diǎn)i處儲(chǔ)能的安裝費(fèi)用，與其類型有關(guān)；n為儲(chǔ)能使用年限；nessi為節(jié)點(diǎn)i處安裝的儲(chǔ)能數(shù)量。

3）設(shè)備運(yùn)維成本COM。

式中：gcoal為配電網(wǎng)供電耗煤量；ucoal為排放因子；ωCAB為碳排放稅。

上層規(guī)劃模型的約束條件如下。

1）儲(chǔ)能接入容量與功率約束。

2）儲(chǔ)能安裝位置數(shù)量約束。

2.2 下層規(guī)劃的數(shù)學(xué)模型

在下層規(guī)劃的數(shù)學(xué)模型中，本文以各時(shí)段儲(chǔ)能充、放能功率為決策變量，以RIES 負(fù)荷裕度最大為目標(biāo)，同時(shí)考慮其均衡分布，建立如下的負(fù)荷裕度均衡度優(yōu)化模型：

由于受到潮流和DG 出力波動(dòng)的影響，僅以負(fù)荷裕度最大為目標(biāo)時(shí)會(huì)導(dǎo)致ESM 在時(shí)間和空間上的分布不均衡，為此引入均衡項(xiàng)λt Abal，通過(guò)調(diào)整該項(xiàng)在式（30）中所占的比例，可達(dá)到調(diào)控ESM 在時(shí)間尺度上的均衡性的效果。

理論上，若fESCi/Li在某時(shí)段偏小，則表明此時(shí)系統(tǒng)運(yùn)行越限將面臨較大的切負(fù)荷風(fēng)險(xiǎn)，因此賦給該時(shí)段一個(gè)較大的λt值，增大均衡項(xiàng)的作用效果，并鼓勵(lì)儲(chǔ)能在此時(shí)段釋放能量；相反，若處于谷時(shí)段時(shí)系統(tǒng)越限的概率低，則賦給該時(shí)段一個(gè)較小的λt，降低均衡項(xiàng)的作用效果，并鼓勵(lì)儲(chǔ)能在此時(shí)段儲(chǔ)存能量。綜上所述，λt的取值方法如下：

下層規(guī)劃模型的約束條件如下。

1）拓?fù)浼s束。

電力、天然氣和熱力系統(tǒng)之間的生產(chǎn)、轉(zhuǎn)換及需求環(huán)節(jié)存在的耦合關(guān)系，以及DG 和儲(chǔ)能設(shè)備的接入，使得RIES 的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和特性與傳統(tǒng)電網(wǎng)有所不同。因此，參考文獻(xiàn)［11］，以生成樹原理為基礎(chǔ)形成RIES拓?fù)浼s束如下：

式中：βl，ij為表示線路l潮流方向的0-1 整數(shù)變量，當(dāng)βl，ij=1 時(shí)線路l的功率從節(jié)點(diǎn)i流向節(jié)點(diǎn)j，反之則從節(jié)點(diǎn)j流向節(jié)點(diǎn)i；A(i，l)為網(wǎng)絡(luò)的無(wú)向關(guān)聯(lián)矩陣的元素，若節(jié)點(diǎn)i與支路l相關(guān)聯(lián)，則A(i，l)=1，否則A(i，l)=0；B為RIES的線路總數(shù)。

2）供能網(wǎng)絡(luò)安全約束。

同時(shí)，還需要滿足式（5）—（7）分別所示的電流、電壓和發(fā)電機(jī)出力約束，以及式（12）所示的節(jié)點(diǎn)溫度約束。

3）聯(lián)絡(luò)線功率約束。

4）節(jié)點(diǎn)功率平衡約束。

RIES 的節(jié)點(diǎn)功率平衡約束包括配電網(wǎng)功率平衡約束式（1）和式（2）、配熱網(wǎng)功率平衡約束式（8）和配氣網(wǎng)功率平衡約束式（15）。

3 模型簡(jiǎn)化與求解

3.1 非線性項(xiàng)處理

由于供能網(wǎng)絡(luò)的非線性和儲(chǔ)能充、放能狀態(tài)的0-1約束，本文所建立的模型是混合整數(shù)非線性規(guī)劃問(wèn)題。對(duì)此，本文參考文獻(xiàn)［15］所提方法對(duì)模型中的非線性項(xiàng)進(jìn)行處理，以降低求解難度。

3.2 模型求解思路

經(jīng)過(guò)3.1節(jié)的處理后，上層規(guī)劃模型為一個(gè)僅含線性不等式約束的混合整數(shù)非線性規(guī)劃問(wèn)題，下層屬于混合整數(shù)二階錐規(guī)劃問(wèn)題。求解時(shí)通常采用上下層交替優(yōu)化，上層模型考慮下層模型返回的各時(shí)段RIES 負(fù)荷裕度優(yōu)化結(jié)果，以解決多場(chǎng)景下儲(chǔ)能容量?jī)?yōu)化配置問(wèn)題，下層依據(jù)上層給出的儲(chǔ)能配置容量，優(yōu)化儲(chǔ)能的充、放能計(jì)劃，最大化RIES 負(fù)荷裕度均衡度，以解決每個(gè)場(chǎng)景下RIES 的負(fù)荷裕度優(yōu)化問(wèn)題。本文采用改進(jìn)遺傳算法與Gurobi求解器的混合策略求解上述雙層優(yōu)化模型，具體求解思路如附錄A圖A1所示。

4 算例分析

為了驗(yàn)證本文所提出的考慮儲(chǔ)能配置的RIES負(fù)荷裕度雙層優(yōu)化模型的有效性，本節(jié)將基于由IEEE 33節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)、比利時(shí)14節(jié)點(diǎn)配氣系統(tǒng)、12節(jié)點(diǎn)配熱系統(tǒng)和4 個(gè)能量樞紐（CHP1—CHP4）所組成的RIES進(jìn)行仿真，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見(jiàn)附錄A圖A2［22］。為探索ESO 儲(chǔ)能設(shè)備容量規(guī)劃的最優(yōu)值，以CHP4的接入點(diǎn)為例進(jìn)行負(fù)荷裕度優(yōu)化。

4.1 算例參數(shù)

如1.1 節(jié)所述，RIES 的電／氣／熱耦合環(huán)節(jié)是通過(guò)CHP 實(shí)現(xiàn)的，故為了盈利，EHO 必須充分利用CHP，將低價(jià)購(gòu)入的天然氣生產(chǎn)為電能與熱能高價(jià)售出。本文采用的CHP 的各個(gè)設(shè)備參數(shù)見(jiàn)附錄B表B1。

配電網(wǎng)、配熱網(wǎng)與配氣網(wǎng)的聯(lián)絡(luò)線或聯(lián)絡(luò)管道的容量決定了EHO 可以向各個(gè)網(wǎng)絡(luò)購(gòu)能或售能的最大功率，其參數(shù)見(jiàn)附錄B表B2。

通過(guò)對(duì)某地區(qū)負(fù)荷／光伏年時(shí)序數(shù)據(jù)進(jìn)行場(chǎng)景削減，得到春夏秋冬中4 個(gè)典型日用于表征規(guī)劃年。4 個(gè)規(guī)劃典型日的電、熱負(fù)荷以及光伏出力變化見(jiàn)附錄C 圖C1—C3，該系統(tǒng)總電、熱負(fù)荷值分別為5.5 MW+j3.4 Mvar和4 MW。

在本文所配置的儲(chǔ)能設(shè)備中，儲(chǔ)電設(shè)備接入DG所在電節(jié)點(diǎn)，作為DG 的輔助設(shè)備；儲(chǔ)熱設(shè)備接入CHP 設(shè)備所在熱節(jié)點(diǎn)，作為熱源的輔助設(shè)備。待配置儲(chǔ)能的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)參數(shù)分別見(jiàn)附錄C 表C1 和表C2。

ESO 向EHO 的購(gòu)能或售能價(jià)格見(jiàn)附錄C 圖C4［22］。上述因素（儲(chǔ)能設(shè)備的技術(shù)／經(jīng)濟(jì)參數(shù)和購(gòu)、售能價(jià)格等）將為本文后續(xù)優(yōu)化方案的選擇提供依據(jù)。

4.2 場(chǎng)景設(shè)置

為驗(yàn)證本文所提模型的有效性，設(shè)定以下不同的規(guī)劃場(chǎng)景進(jìn)行分析對(duì)比。

1）場(chǎng)景1：不考慮儲(chǔ)能配置，電網(wǎng)負(fù)荷由大電網(wǎng)、DG和CHP設(shè)備承擔(dān)，熱網(wǎng)負(fù)荷由CHP設(shè)備承擔(dān)。

2）場(chǎng)景2：在場(chǎng)景1 的基礎(chǔ)上考慮電儲(chǔ)能的配置，不考慮熱儲(chǔ)能，將儲(chǔ)電設(shè)備作為輔助設(shè)備參與負(fù)荷裕度優(yōu)化。

3）場(chǎng)景3：在場(chǎng)景1 的基礎(chǔ)上考慮熱儲(chǔ)能的配置，不考慮電儲(chǔ)能，將儲(chǔ)熱設(shè)備作為輔助設(shè)備參與負(fù)荷裕度優(yōu)化。

4）場(chǎng)景4：在前3種場(chǎng)景的基礎(chǔ)上加入電／熱儲(chǔ)能，考慮儲(chǔ)電設(shè)備與儲(chǔ)熱設(shè)備的協(xié)調(diào)運(yùn)行，并采用本文所提模型進(jìn)行負(fù)荷裕度優(yōu)化。

4.3 仿真結(jié)果及分析

4.3.1 規(guī)劃方案經(jīng)濟(jì)性分析

表1 為4 種規(guī)劃場(chǎng)景下所得到的儲(chǔ)能配置及各項(xiàng)成本的比較結(jié)果。在表中所示的儲(chǔ)能配置結(jié)果中，括號(hào)內(nèi)的數(shù)字表示儲(chǔ)電設(shè)備（儲(chǔ)熱設(shè)備）在配電網(wǎng)（配熱網(wǎng)）中的安裝位置，括號(hào)外的數(shù)字表示安裝容量或功率，如（e21）6.71表示在配電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)21處配置6.71 MW·h 的儲(chǔ)電設(shè)備；（h5）8.54 表示在配熱網(wǎng)節(jié)點(diǎn)5處配置8.54 MW·h的儲(chǔ)熱設(shè)備。

表1 規(guī)劃方案結(jié)果Table 1 Results of planning schemes

對(duì)表1 所得的規(guī)劃結(jié)果進(jìn)行分析對(duì)比可得以下結(jié)論。

1）與場(chǎng)景1 相比，后3 種場(chǎng)景所需運(yùn)維成本更高，原因在于這3 種場(chǎng)景下的儲(chǔ)能裝置有較高的運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用。

2）與場(chǎng)景1 相比，后3 種場(chǎng)景所需能耗費(fèi)用更低，原因在于后3 種場(chǎng)景下通過(guò)更合理的儲(chǔ)能配置及其相應(yīng)的充、放能計(jì)劃，緩解了ESC與負(fù)荷需求的錯(cuò)峰問(wèn)題，減小了RIES 對(duì)上級(jí)電網(wǎng)的依賴程度。另外，場(chǎng)景4 由于考慮了RIES 負(fù)荷裕度均衡分布和儲(chǔ)能的協(xié)同運(yùn)行，突破了單一儲(chǔ)能的運(yùn)行限制，提高了RIES 對(duì)DG 的利用效率和靈活性，進(jìn)一步降低了系統(tǒng)的能耗成本。

3）場(chǎng)景4的碳交易成本僅為14.8萬(wàn)元，相比前3種場(chǎng)景分別降低了11.4%、3.9%和5.1%，原因在于在儲(chǔ)電設(shè)備和儲(chǔ)熱設(shè)備的協(xié)同作用下，場(chǎng)景4 中DG利用率得到了提高，且向上級(jí)電網(wǎng)的購(gòu)電量也有所降低。

4）場(chǎng)景4 下的社會(huì)年綜合成本比場(chǎng)景1—3 分別降低了104.3、10.2、116.1萬(wàn)元。由此可見(jiàn)，雖然場(chǎng)景4 下的儲(chǔ)能投資成本較高，但在綜合考慮多項(xiàng)成本、效益指標(biāo)后，該方案實(shí)現(xiàn)了社會(huì)綜合成本的最小化。

在經(jīng)濟(jì)性分析的基礎(chǔ)上，下文將首先分析場(chǎng)景1 下（即未進(jìn)行負(fù)荷裕度優(yōu)化）的RIES 供能能力，然后對(duì)優(yōu)化前后的RIES負(fù)荷裕度進(jìn)行對(duì)比分析。

4.3.2 RIES供能能力分析

由于RIES 的負(fù)荷需求隨時(shí)間變化而變化，且各子網(wǎng)變化趨勢(shì)有差異，故本文選取某典型日分別對(duì)場(chǎng)景1 下RIES 的配電網(wǎng)和配熱網(wǎng)進(jìn)行供能能力分析，結(jié)果如圖2所示。

圖2 配電網(wǎng)、配熱網(wǎng)一天內(nèi)的ESC變化曲線Fig.2 Curve of ESC variation in whole day for distributed power network and distributed heat network

由圖2 可以看出，無(wú)論是配電網(wǎng)還是配熱網(wǎng)，其ESC 的變化都與一天內(nèi)的用戶側(cè)負(fù)荷變化相反：在峰時(shí)段，允許額外接入的負(fù)荷較小，子網(wǎng)的負(fù)荷裕度較??；在平時(shí)段或谷時(shí)段，子網(wǎng)的負(fù)荷裕度較大。

以上結(jié)論說(shuō)明當(dāng)不考慮負(fù)荷裕度均衡分布時(shí)，RIES 的ESC 變化與負(fù)荷需求存在錯(cuò)峰問(wèn)題，在負(fù)荷需求上升時(shí)，其ESC 出現(xiàn)下降，而在負(fù)荷需求下降時(shí)，其ESC反而上升。因此，有必要通過(guò)合理的儲(chǔ)能配置提高負(fù)荷裕度均衡度。

4.3.3 RIES負(fù)荷裕度優(yōu)化結(jié)果分析

本節(jié)選取場(chǎng)景1、2 和場(chǎng)景4 下某典型日對(duì)配電網(wǎng)負(fù)荷裕度優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，選取場(chǎng)景1、3和場(chǎng)景4 下某典型日對(duì)配熱網(wǎng)負(fù)荷裕度優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。

1）配電網(wǎng)負(fù)荷裕度優(yōu)化。

圖3 展示了優(yōu)化前后配電網(wǎng)負(fù)荷裕度的對(duì)比，可以得到以下結(jié)論。

圖3 配電網(wǎng)負(fù)荷裕度優(yōu)化前后對(duì)比Fig.3 Comparison of load margin for distributed power network between before and after optimization

1）在優(yōu)化前（即場(chǎng)景1），10:00—18:00時(shí)段系統(tǒng)的負(fù)荷裕度處于較低水平，且16:00—18:00 時(shí)段負(fù)荷裕度小于0，表明RIES已經(jīng)運(yùn)行在不安全狀態(tài)。

2）根據(jù)場(chǎng)景2、4 的負(fù)荷裕度優(yōu)化結(jié)果可得，在儲(chǔ)電設(shè)備的參與下，21:00—24:00、01:00—08:00時(shí)段負(fù)荷裕度有所削減（儲(chǔ)電設(shè)備充能）；09:00—18:00時(shí)段負(fù)荷裕度有所提高（儲(chǔ)電設(shè)備放能），且此時(shí)段恰好是負(fù)荷高峰期，失負(fù)荷風(fēng)險(xiǎn)較大，證明了儲(chǔ)能設(shè)備的參與對(duì)調(diào)整負(fù)荷裕度的有效性。

3）由于在下層模型的目標(biāo)函數(shù)中考慮了負(fù)荷裕度均衡度，場(chǎng)景4 下RIES 的負(fù)荷裕度變化相較于其他場(chǎng)景更加平緩，其方差由場(chǎng)景1 下的0.034 縮小為0.011，負(fù)荷裕度與負(fù)荷需求錯(cuò)峰問(wèn)題得到緩解。

4）場(chǎng)景4對(duì)負(fù)荷裕度的均衡度優(yōu)于場(chǎng)景2，這是由于場(chǎng)景2下儲(chǔ)電設(shè)備僅用于緩解DG 出力波動(dòng)，故即使在部分時(shí)段（如03:00—06:00時(shí)段）其負(fù)荷裕度值大于場(chǎng)景4，但其總體波動(dòng)性也更大。

2）配熱網(wǎng)負(fù)荷裕度優(yōu)化。

圖4 展示了優(yōu)化前后配熱網(wǎng)負(fù)荷裕度的對(duì)比，可以得到以下結(jié)論。

圖4 配熱網(wǎng)負(fù)荷裕度優(yōu)化前后對(duì)比圖Fig.4 Comparison of load margin for distributed heat network between before and after optimization

1）對(duì)于場(chǎng)景1，由于沒(méi)有儲(chǔ)能設(shè)備的參與，多個(gè)時(shí)段均出現(xiàn)了負(fù)荷裕度小于0，即配熱網(wǎng)運(yùn)行在不安全狀態(tài)的情況。

2）對(duì)于場(chǎng)景3，由于01:00—05:00 時(shí)段EHO的售熱價(jià)格非常低，僅為0.3 元／（kW·h）左右，而06:00—12:00 時(shí)段則為0.75 元／（kW·h）左右。因此，場(chǎng)景3 下ESO 的儲(chǔ)熱設(shè)備會(huì)選擇在01:00—05:00 時(shí)段以較大功率進(jìn)行儲(chǔ)熱，并在06:00 時(shí)開始放熱。由于RIES 中CHP 系統(tǒng)容量較小，EHO 不得不從配熱網(wǎng)直接購(gòu)買大量熱能來(lái)滿足ESO的儲(chǔ)熱需要，導(dǎo)致配熱網(wǎng)處于不安全運(yùn)行狀態(tài)。

3）對(duì)于場(chǎng)景4，隨著負(fù)荷水平的降低，雖然其在部分時(shí)段的負(fù)荷裕度相較于場(chǎng)景1、3 有所下降，但縱觀一天24 h，場(chǎng)景4下均不存在負(fù)荷裕度小于0的情況，即使是在負(fù)荷高峰期，場(chǎng)景4 下RIES 的配熱網(wǎng)也能保有400 kW左右的裕度。

4.3.4 儲(chǔ)能設(shè)備充、放能分析

為了分析考慮RIES 負(fù)荷裕度對(duì)儲(chǔ)能充、放能計(jì)劃的調(diào)節(jié)作用，本節(jié)選取場(chǎng)景2和場(chǎng)景4下的ESO儲(chǔ)電設(shè)備優(yōu)化充、放電計(jì)劃，以及場(chǎng)景3 和場(chǎng)景4 下的ESO儲(chǔ)熱設(shè)備優(yōu)化充、放熱計(jì)劃進(jìn)行對(duì)比分析。

圖5 展示了儲(chǔ)電和儲(chǔ)熱設(shè)備充、放能計(jì)劃優(yōu)化結(jié)果，圖中功率為正表示放能，功率為負(fù)表示儲(chǔ)能，由此得出以下結(jié)論。

圖5 儲(chǔ)電和儲(chǔ)熱設(shè)備充、放能計(jì)劃優(yōu)化結(jié)果Fig.5 Optimal results of charging and discharging energy plan of electric storage and heat storage equipment

1）在考慮負(fù)荷裕度均衡后，儲(chǔ)電設(shè)備在負(fù)荷需求較低且負(fù)荷裕度較充足的23:00—24:00、01:00—05:00 時(shí)段進(jìn)行充電，在負(fù)荷需求攀升但DG 出力不足的07:00—10:00、17:00—23:00 時(shí)段進(jìn)行放電，在DG 出力充足的10:00—15:00 時(shí)段進(jìn)行充電?？梢?jiàn)充放電控制合理，較好地均衡了負(fù)荷裕度的時(shí)間分布。

2）在場(chǎng)景2 下，由于ESO 會(huì)以最大化經(jīng)濟(jì)利益為目標(biāo)制定充、放電計(jì)劃，即使配電網(wǎng)的負(fù)荷裕度在17:00—18:00時(shí)段已小于0，即系統(tǒng)運(yùn)行在不安全的狀態(tài)下，ESO 依然會(huì)避免在此時(shí)大幅放電；相比之下，場(chǎng)景4 下的儲(chǔ)電設(shè)備在17:00—18:00 時(shí)段的放電功率有所提高，雖然此時(shí)放電的收益更低，但卻保證了配電網(wǎng)運(yùn)行在安全范圍內(nèi)，且獲得了1 000 kW左右的負(fù)荷裕度。

3）在電、熱負(fù)荷晚高峰時(shí)段（19:00—23:00 時(shí)段），場(chǎng)景4 下的CHP4將增加供熱功率和發(fā)電功率，此時(shí)儲(chǔ)熱設(shè)備蓄熱，儲(chǔ)電設(shè)備放電，兩者協(xié)調(diào)運(yùn)行對(duì)RIES起到了削峰填谷的作用。

4）在場(chǎng)景4 下，由于考慮了負(fù)荷裕度均衡，ESO放棄了在熱價(jià)最低時(shí)段（01:00—05:00時(shí)段）以最大功率儲(chǔ)熱，而是選擇在時(shí)間更長(zhǎng)時(shí)段以較平緩的功率蓄熱，使得場(chǎng)景3 下凌晨的負(fù)荷裕度驟降的現(xiàn)象消失。

以上結(jié)果證明由于考慮了負(fù)荷裕度均衡度，本文所建立的雙層優(yōu)化模型對(duì)合理調(diào)整ESO儲(chǔ)電以及儲(chǔ)熱設(shè)備充、放能計(jì)劃具有指導(dǎo)意義。

5 結(jié)論

本文首先建立了RIES 模型及其耦合環(huán)節(jié)模型，定義了ESC 與ESM 這2 個(gè)指標(biāo)以刻畫RIES 的負(fù)荷裕度，最后建立了考慮負(fù)荷裕度的RIES 儲(chǔ)能雙層優(yōu)化配置模型。為了驗(yàn)證所提模型的有效性，基于典型RIES進(jìn)行了仿真，并得出以下結(jié)論。

1）本文的雙層優(yōu)化模型將規(guī)劃與運(yùn)行問(wèn)題相結(jié)合，在優(yōu)化儲(chǔ)能配置的同時(shí)，也優(yōu)化了其充、放能計(jì)劃，并實(shí)現(xiàn)了RIES 負(fù)荷裕度均衡化。與其他規(guī)劃方案相比，在本文配置方案下儲(chǔ)能協(xié)同配置減少了單類型儲(chǔ)能的配置需求，有效降低了社會(huì)綜合成本，使RIES的運(yùn)行具有更高的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益。

2）電儲(chǔ)能和熱儲(chǔ)能協(xié)調(diào)運(yùn)行能有效削峰填谷和緩解DG出力波動(dòng)性，提高了DG消納能力和RIES負(fù)荷裕度均衡度，并實(shí)現(xiàn)了多能存儲(chǔ)方面的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)。

3）本文在優(yōu)化配置儲(chǔ)能容量的基礎(chǔ)上，通過(guò)考慮負(fù)荷裕度均衡性，進(jìn)一步優(yōu)化了儲(chǔ)能設(shè)備的充、放能計(jì)劃，由于各類儲(chǔ)能充、放能時(shí)段不同，使RIES 在各時(shí)段均具有一定能量?jī)?chǔ)備，提高了系統(tǒng)可靠性。

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