計及含蒸汽熱泵工業(yè)園區(qū)能量品位轉(zhuǎn)換的綜合能源優(yōu)化調(diào)度

唐成虹，王靖韜，曾 博，周 靜，葉聞杰

（1. 南瑞集團有限公司（國網(wǎng)電力科學(xué)研究院有限公司），江蘇省 南京市 211106；2. 國電南瑞科技股份有限公司，江蘇省 南京市 211106；3. 智能電網(wǎng)保護和運行控制國家重點實驗室，江蘇省 南京市 211106；4. 新能源電力系統(tǒng)國家重點實驗室（華北電力大學(xué)），北京市 102206）

0 引言

傳統(tǒng)能源系統(tǒng)的能源利用效率及可再生能源消納問題正遭遇瓶頸［1］，而綜合能源系統(tǒng)能夠加強多種能源間的耦合轉(zhuǎn)換和優(yōu)化調(diào)度，有效提升能源利用效率［2-3］和促進可再生能源消納［4-5］。因此，有必要將復(fù)雜能源系統(tǒng)規(guī)劃改造成綜合能源系統(tǒng)。工業(yè)園區(qū)是典型的復(fù)雜能源系統(tǒng)，普遍存在能源利用率低的問題［6］，需通過多種能源耦合機制提升能源利用率?？紤]到近海風(fēng)電發(fā)展迅猛，但多采用儲能設(shè)備消納風(fēng)電，效果不夠理想［7］，且冷熱電聯(lián)產(chǎn)（combined cooling，heating and power，CCHP）機組“以熱定電”的運行模式易造成棄風(fēng)限電［8］，導(dǎo)致系統(tǒng)風(fēng)電浪費嚴(yán)重，故提出合理的風(fēng)電消納策略刻不容緩。

實現(xiàn)多能互補及能量梯級利用是提高系統(tǒng)能效的重要手段。文獻［9］研究了能量梯級利用的基礎(chǔ)理論。目前，關(guān)于熱能梯級利用的研究較為完善。文獻［10］將鍋爐和汽輪機的余熱利用與回?zé)嵫h(huán)有機結(jié)合，動態(tài)優(yōu)化了熱能的梯級利用。為進一步提高系統(tǒng)能效，許多學(xué)者采用能源耦合設(shè)備進行多能源綜合利用。文獻［11］提出一種考慮能量梯級利用的工廠綜合能源系統(tǒng)多能協(xié)同優(yōu)化模型，實現(xiàn)冷熱電耦合。文獻［12］建立了電熱泵、吸收式熱泵等電熱耦合設(shè)備的能量品位轉(zhuǎn)換模型，實現(xiàn)電能與熱能的互濟。文獻［13-14］對高溫?zé)岜貌捎没旌瞎べ|(zhì)的熱力學(xué)性能及經(jīng)濟性進行理論研究，為其實現(xiàn)能源梯級利用提供了理論基礎(chǔ)。但目前在綜合能源系統(tǒng)中引入高溫蒸汽熱泵（HTHP）較少，而許多工業(yè)園區(qū)具有大量高溫蒸汽需求。因此，需對HTHP 接入綜合能源系統(tǒng)實現(xiàn)不同品位能源相互轉(zhuǎn)換機理做進一步研究。

針對風(fēng)電消納問題，已有許多學(xué)者提出調(diào)度消納策略。文獻［15］考慮電動汽車及熱泵協(xié)同作用促進系統(tǒng)風(fēng)電消納，而電動汽車的接入受用戶充電行為的影響，風(fēng)電消納不確定性高。文獻［16］采用電熱泵與燃?xì)忮仩t輔助消納風(fēng)電，但電熱泵無法滿足工業(yè)園區(qū)對高溫蒸汽的需求，且燃?xì)忮仩t能源利用率偏低。文獻［17-19］通過加裝儲能裝置促進風(fēng)電消納，但儲能裝置受容量及成本限制。針對上述問題，因HTHP 具有高能效比特性，能夠?qū)崿F(xiàn)能源耦合轉(zhuǎn)換，滿足工業(yè)園區(qū)的蒸汽負(fù)荷需求，可考慮在系統(tǒng)中引入HTHP 促進風(fēng)電消納。

為此，本文提出一種含HTHP 的區(qū)域綜合能源系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度方法。在提出的沿海工業(yè)園區(qū)綜合能源系統(tǒng)架構(gòu)基礎(chǔ)上，建立HTHP 的能量品位轉(zhuǎn)換模型，實現(xiàn)不同品位能源轉(zhuǎn)化及有效利用。進一步，提出一種含HTHP 的風(fēng)電消納調(diào)度策略，考慮風(fēng)電預(yù)測誤差造成的失負(fù)荷及棄風(fēng)風(fēng)險，以總運行成本最小為目標(biāo)建立綜合能源系統(tǒng)隨機優(yōu)化調(diào)度模型。最后，以中國江蘇省某沿海工業(yè)園區(qū)為例，通過仿真驗證了所提方法的有效性。

1 沿海工業(yè)園區(qū)綜合能源系統(tǒng)架構(gòu)

沿海地區(qū)海上風(fēng)電裝機容量巨大，具有風(fēng)電消納的需求，且沿海工業(yè)園區(qū)眾多，如紡織廠、造紙廠、化工廠等，包含設(shè)備及負(fù)荷種類多樣，進行工業(yè)生產(chǎn)時需要大量蒸汽，具備發(fā)展綜合能源系統(tǒng)及HTHP的地理及技術(shù)條件。沿海紡織廠、化工廠等大多實行三班倒的工作制，夜間對蒸汽仍有大量需求，而風(fēng)電在夜間高發(fā)，可采用HTHP 消納風(fēng)電給蒸汽負(fù)荷供能。為此，通過在常規(guī)工業(yè)園區(qū)綜合能源系統(tǒng)中引入HTHP，本文提出一種沿海工業(yè)園區(qū)綜合能源系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)想，如圖1 所示。本文改造并引入HTHP 的工業(yè)園區(qū)綜合能源系統(tǒng)宜選在靠近海上并網(wǎng)點區(qū)域。

圖1 沿海工業(yè)園區(qū)綜合能源系統(tǒng)架構(gòu)Fig.1 Architecture of integrated energy system in coastal industrial parks

工業(yè)園區(qū)綜合能源系統(tǒng)中，燃?xì)廨啓C抽氣熱給蒸汽負(fù)荷供能，電熱泵產(chǎn)生中溫?zé)崴疂M足熱水負(fù)荷，區(qū)域熱網(wǎng)與儲熱水罐進行熱能交互，實現(xiàn)熱能供應(yīng)；HTHP 消納風(fēng)電把低品位熱水轉(zhuǎn)化為高溫蒸汽，實現(xiàn)電熱耦合及能量梯級利用。系統(tǒng)中引入HTHP后，風(fēng)電高發(fā)時，HTHP 接近滿發(fā)，優(yōu)先消納風(fēng)電給蒸汽負(fù)荷供能，增加中溫?zé)崴?fù)荷，提升熱泵的耗電量；風(fēng)電少發(fā)時，若系統(tǒng)中其他設(shè)備可消納風(fēng)電則HTHP 停發(fā)，若存在一定棄風(fēng)則調(diào)用HTHP 消納風(fēng)電。

1.1 常規(guī)機組模型

該系統(tǒng)架構(gòu)中，CCHP 機組、電熱泵及儲能裝置的模型可參見文獻［8，12］，限于篇幅，本文僅詳細(xì)介紹HTHP 模型。本文中的CCHP 機組采用“以熱定電”模式運行，只考慮抽氣蒸汽熱功率，采用的儲能裝置有蓄電池和儲熱水罐。

1.2 HTHP 模型

HTHP 是在電能的驅(qū)動下利用工作介質(zhì)的節(jié)流降溫特性來實現(xiàn)熱量由低溫物質(zhì)向高溫物質(zhì)傳遞［20-21］的設(shè)備。其制熱數(shù)學(xué)模型為:

式 中:PHTHP（t）為t時 段HTHP 消 耗 的 電 功 率；HHTHP，S（t）為t時段HTHP 提供的蒸汽功率；ms為壓縮機壓縮的水蒸氣的質(zhì)量流量；hr，2（t）和hr，1（t）分別為t時段水蒸氣壓縮機出口和入口處水蒸氣的焓；ηs為等熵效率；CHTHP為HTHP 能效比系數(shù)。

2 HTHP 梯級轉(zhuǎn)換模型

2.1 含HTHP 的能量梯級利用策略

能量梯級利用原則是“電熱互補、溫度對口、梯級利用”［22］，可通過電熱能源耦合設(shè)備，發(fā)揮“電熱互補”的優(yōu)勢，提升能量梯級利用的效率和可靠性。根據(jù)溫度不同將熱能分為不同品位，遵循“溫度對口”原則對各熱負(fù)荷輸入合適品位的熱能。按照能量品位高低進行梯級利用，從總體上安排好電能、熱能、冷能等各種能量間的耦合關(guān)系，綜合利用好各種能源以提升能源的利用效率和綜合能源系統(tǒng)的經(jīng)濟性。

基于能量梯級利用原理，提出一種含HTHP 的梯級利用策略。CCHP 機組中，天然氣在燃燒室中可產(chǎn)生1 100 ℃以上的高溫?zé)煔?，進入燃?xì)廨啓C膨脹做功帶動發(fā)電機發(fā)電，排出530 ℃高溫?zé)煔馔ㄟ^余熱鍋爐加以利用向外提供蒸汽，對余熱鍋爐排出的120 ℃低溫?zé)煔膺M行回收用于制備熱水。HTHP 在電能的驅(qū)動下，實現(xiàn)將中溫?zé)崴D(zhuǎn)化為高溫蒸汽，最高可達150 ℃，HTHP 與CCHP 機組一起滿足工業(yè)園區(qū)的蒸汽需求，增加的中溫?zé)崴?fù)荷由電熱泵進行供能，實現(xiàn)電熱耦合及能量梯級利用。所提的梯級利用策略能量流結(jié)構(gòu)如附錄A 圖A1 所示。

2.2 HTHP 能量品位轉(zhuǎn)換模型

HTHP 能量轉(zhuǎn)換如圖2 所示。通過HTHP，實現(xiàn)電能與熱能之間的相互轉(zhuǎn)換，以及不同品位熱能之間的轉(zhuǎn)換，在電能的驅(qū)動下將低品位熱能中溫?zé)崴D(zhuǎn)化為中高品位熱能高溫蒸汽。在轉(zhuǎn)換過程中，設(shè)備驅(qū)動側(cè)輸入的高品位能量以一定的能效比系數(shù)轉(zhuǎn)換至被加熱側(cè)，提升被加熱側(cè)的熱能品位。

圖2 HTHP 能量轉(zhuǎn)換示意圖Fig.2 Schematic diagram of energy conversion of HTHP

基于熱能比焓定義和能量守恒定理，分析不同品位能量間的能量耦合關(guān)系如式（3）所示，從而求出基于比例系數(shù)如式（4）所示。據(jù)此，可在HTHP 原有數(shù)學(xué)模型基礎(chǔ)上，對其輸入輸出模型進行如式（5）所示的改進，構(gòu)建其能量品位轉(zhuǎn)換模型。

式中:PHTHP，in（t）為t時段HTHP 驅(qū)動側(cè)輸入的電能；HHTHP，heated（t）和HHTHP，out（t）分別為t時段HTHP 被加熱側(cè)輸入和輸出熱能；mHTHP，out（t）為t時段被加熱側(cè)輸 出 的 工 質(zhì) 流 量；hbase為 常 溫 水 比 焓；hHTHP，heated和hHTHP，out分別為被加熱側(cè)輸入及輸出的熱能比焓；Δt為單位調(diào)度時段；RHTHP為HTHP 基于比例系數(shù)，是HTHP 被加熱側(cè)輸入熱能與驅(qū)動側(cè)輸入電能的比值，與CHTHP、hHTHP，heated及hHTHP，out有關(guān)。

3 含HTHP 的風(fēng)電消納調(diào)度策略

3.1 考慮HTHP 消納風(fēng)電的工作過程

CCHP 機組運行于“以熱定電”的固定效率模式下，根據(jù)熱負(fù)荷需求確定機組的電出力，但無法根據(jù)熱電負(fù)荷變化靈活調(diào)整機組出力。該區(qū)域綜合能源系統(tǒng)熱電供需矛盾突出，夜間風(fēng)電高發(fā)時，蒸汽負(fù)荷需求較高，而電負(fù)荷處于低谷，CCHP 機組為滿足蒸汽負(fù)荷供能需求，系統(tǒng)必須棄風(fēng)限電來保障CCHP機組穩(wěn)定運行，造成風(fēng)電資源大量浪費。為減少夜間棄風(fēng)現(xiàn)象，在系統(tǒng)中引入HTHP，構(gòu)成風(fēng)電-HTHP 供熱系統(tǒng)以優(yōu)化供熱結(jié)構(gòu)，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如附錄A 圖A2 所示。HTHP 消納風(fēng)電對蒸汽負(fù)荷進行供能，增加了系統(tǒng)電負(fù)荷低谷時期的用電量，并與CCHP 機組共同承擔(dān)蒸汽負(fù)荷的能量需求，解耦了CCHP 機組“以熱定電”的運行約束，減少了CCHP機組在夜間風(fēng)電高發(fā)時的熱電耦合發(fā)電功率，促進了風(fēng)電消納。

3.2 風(fēng)電-HTHP 供熱系統(tǒng)風(fēng)電消納量評估

風(fēng)電-HTHP 供熱系統(tǒng)從兩個方面來促進風(fēng)電消納。HTHP 作為用電負(fù)荷消納的風(fēng)電功率為ΔP1，HTHP 與CCHP 機 組 共 同 承 擔(dān) 蒸 汽 負(fù) 荷 能 量需求后，CCHP 機組熱電耦合發(fā)電功率減少的部分為ΔP2。ΔP1與ΔP2共同構(gòu)成風(fēng)電消納提升空間，其數(shù)學(xué)表達式為:

式中:PW，HTHP（t）為t時段HTHP 消納的風(fēng)電功率；tqf為調(diào)度過程中的棄風(fēng)時段集合；ηGT和ηext分別為燃?xì)廨啓C發(fā)電效率和抽氣比例系數(shù)。

在系統(tǒng)中引入容量為30 kW 的HTHP，其他系統(tǒng)參數(shù)詳見后文具體算例。結(jié)合具體算例的調(diào)度結(jié)果，以夜間00:00—01:00 時段為例，HTHP 作為用電負(fù)荷消納的電功率ΔP1為30 kW，在HTHP 分擔(dān)蒸汽負(fù)荷能量需求下，CCHP 機組電出力由404 kW減少為296 kW，CCHP 機組熱電耦合發(fā)電功率減少的部分ΔP2為108 kW，風(fēng)電出力消納量由223 kW升高至325 kW。為保證系統(tǒng)能量供需平衡，向電網(wǎng)售賣的功率大幅度減少，驗證了該調(diào)度策略從ΔP1與ΔP2兩方面有效促進了系統(tǒng)風(fēng)電消納，提升了系統(tǒng)經(jīng)濟性。

4 綜合能源系統(tǒng)隨機優(yōu)化調(diào)度模型

風(fēng)電具有較強的不確定性，難以準(zhǔn)確預(yù)測。針對該問題，機會約束目標(biāo)規(guī)劃（CCGP）具有較好的適用性。CCGP 利用概率形式的機會約束處理風(fēng)電隨機出力，該模型中包含置信水平和目標(biāo)偏差量，能夠綜合考慮系統(tǒng)調(diào)度計劃與風(fēng)電消納區(qū)間，從而調(diào)節(jié)風(fēng)電消納區(qū)間、優(yōu)化機組運行。為保障模型的一般性，充分考慮風(fēng)電不確定性，基于CCGP 理論構(gòu)建綜合能源系統(tǒng)隨機優(yōu)化調(diào)度模型。

4.1 風(fēng)電出力預(yù)測誤差模型

本文研究重點為含風(fēng)電綜合能源系統(tǒng)的優(yōu)化調(diào)度。選取風(fēng)電預(yù)測功率誤差（即風(fēng)電出力實際值與預(yù)測值的偏差）作為研究對象，利用正態(tài)分布描述風(fēng)電預(yù)測誤差，分布參數(shù)利用文獻［23］中的經(jīng)驗公式計算得到。具體如下:

式中:ew為風(fēng)電預(yù)測誤差，服從均值為μ、方差為σ的正態(tài)分布；Pwv，r和Pwv分別為風(fēng)電出力觀測值和預(yù)測值；Wwv為風(fēng)電額定裝機容量。

4.2 基于CCGP 的風(fēng)險備用模型

由于風(fēng)電預(yù)測存在誤差，需預(yù)留相應(yīng)的備用容量以保障系統(tǒng)運行的安全可靠性。本文考慮燃?xì)廨啓C預(yù)留一定的正、負(fù)備用容量，建立基于CCGP 的風(fēng)險備用模型如下:

式 中:CCCGP為 風(fēng) 險 成 本；T為 系 統(tǒng) 調(diào) 度 周 期；uwind和uload分別為棄風(fēng)風(fēng)險系數(shù)和失負(fù)荷風(fēng)險系數(shù)；dload（t）和dwind（t）分別為實際配置的正負(fù)備用容量和滿足概率要求所需備用容量的差額，對應(yīng)于失負(fù)荷風(fēng)險和棄風(fēng)風(fēng)險；Pres，up（t）和Pres，dw（t）分別為系統(tǒng)正備用和負(fù)備用；β為備用容量設(shè)置約束條件需要滿足的置信度；PGT（t）和PES（t）分別為t時段燃?xì)廨啓C輸出的電功率和儲能裝置功率；Pwv（t）和PEX（t）分別為t時段風(fēng)能發(fā)電功率和系統(tǒng)與主網(wǎng)間的交互功率；PEL(t)為t時 段 的 電 負(fù) 荷；PHP（t）為t時 段 電 熱 泵 消耗的電功率；ew（t）為t時段風(fēng)電預(yù)測誤差功率。

4.3 模型線性形式轉(zhuǎn)化

上述基于CCGP 的風(fēng)險備用模型為含有概率約束的非線性規(guī)劃問題。文獻［24］中的定理指出，當(dāng)機會約束內(nèi)不等式中的隨機變量可以從多項式中分離時，可實現(xiàn)將機會約束由不確定形式向確定形式的轉(zhuǎn)化?；诖?，dwind（t）、dload（t）可轉(zhuǎn)化為如下確定形式:

式中:φ(?)為隨機變量ew的概率分布函數(shù)。

4.4 隨機優(yōu)化模型

4.4.1 目標(biāo)函數(shù)

本文將一天劃分為24 個時段。以系統(tǒng)調(diào)度周期內(nèi)總運行成本最小為目標(biāo)，求解各機組最優(yōu)出力以制定區(qū)域綜合能源系統(tǒng)調(diào)度計劃，目標(biāo)函數(shù)如式（13）所示，各項成本的具體計算公式如附錄A 式（A1）所示。

式中:Call為系統(tǒng)調(diào)度周期內(nèi)的總運行成本；CFC為系統(tǒng)購買天然氣成本；COC為系統(tǒng)運行維護成本；CEN為系統(tǒng)環(huán)境保護成本；CEX為系統(tǒng)與主電網(wǎng)交互成本；CWD為系統(tǒng)棄風(fēng)懲罰成本；Cres為備用成本。

4.4.2 約束條件

運行時需保證各母線上的能量供需平衡，能源設(shè)備運行過程中需滿足最大、最小功率約束與爬坡功率約束，系統(tǒng)與主網(wǎng)間的交互需滿足售購電功率及狀態(tài)約束，儲能設(shè)備需滿足儲能狀態(tài)及充放能功率約束。具體的約束條件如附錄A 式（A2）—式（A5）所示。

在隨機優(yōu)化調(diào)度模型中，將附錄A 式（A2）中電功率的確定性約束條件用式（12）所示的備用容量機會約束條件替換，其他約束條件仍需嚴(yán)格滿足確定性條件。考慮燃?xì)廨啓C預(yù)留一定的正負(fù)備用容量，約束條件如下:

4.5 削峰填谷指標(biāo)及節(jié)能性指標(biāo)

為進一步驗證本文所提調(diào)度方法的優(yōu)勢，對不同場景下綜合能源系統(tǒng)削峰填谷及節(jié)能性指標(biāo)進行計算分析。削峰填谷指標(biāo)［15，25］采用相鄰時段內(nèi)電負(fù)荷變化率的平方和進行表征，該值越小，表明所提調(diào)度方法削減系統(tǒng)負(fù)荷峰谷差值效果越好，供電可靠性越高。節(jié)能性指標(biāo)［26］采用系統(tǒng)總的能源利用效率進行評估，該指標(biāo)可反映系統(tǒng)對常規(guī)能源及可再生能源利用的情況，能源利用效率提高，表明可再生能源消納量增加，所消耗的非可再生一次能源相應(yīng)降低。系統(tǒng)削峰填谷及節(jié)能性指標(biāo)計算公式為:

式中:FEL和ηrise分別為綜合能源系統(tǒng)削峰填谷指標(biāo)和能源利用率；PEL，all（t）和PEL，all（t―1）分別為t時段和t―1 時段的總電負(fù)荷（計及蓄電池、電熱泵及HTHP 作用）；ηp和ηg分別為發(fā)電廠平均供電效率及電網(wǎng)輸電效率；PSL（t）和PHL（t）分別為t時段蒸汽負(fù)荷和熱負(fù)荷；Pbuy（t）和Psell（t）分別為t時段系統(tǒng)向主網(wǎng)購電功率和售電功率。

5 算例分析

5.1 算例參數(shù)

本文以中國江蘇省沿海某工業(yè)園區(qū)綜合能源系統(tǒng)為研究對象進行分析，系統(tǒng)中包含燃?xì)廨啓C、電熱泵、HTHP、儲熱水罐、蓄電池等設(shè)備，協(xié)同供應(yīng)系統(tǒng)中的電負(fù)荷、蒸汽負(fù)荷及熱水負(fù)荷。為驗證綜合能源系統(tǒng)中引入HTHP 可促進風(fēng)電消納及提升能源利用率，本文僅進行一天24 h 的典型日各設(shè)備日前出力情況分析，以1 h 劃分調(diào)度子時段，系統(tǒng)各機組參數(shù)如附錄B 表B1 所示，儲能設(shè)備參數(shù)如表B2 所示，污染物排放及處理費用數(shù)據(jù)如表B3 所示。系統(tǒng)中負(fù)荷與可再生能源出力預(yù)測如圖B1 所示，其中，風(fēng)力發(fā)電及電負(fù)荷為電功率，蒸汽負(fù)荷及熱水負(fù)荷為熱功率。

發(fā)電廠平均供電效率為0.35，電網(wǎng)輸電效率為0.9；單位棄風(fēng)懲罰成本為0.03 元/（kW·h）；天然氣價格及低熱值分別為2.54 元/m3和9.7（kW·h）/m3。結(jié)合該系統(tǒng)年發(fā)電量數(shù)據(jù)，選取22:00—24:00、00:00—07:00 為 谷 時 段，07:00—16:00 為 平 時 段，16:00—22:00 為峰時段，與主網(wǎng)交互的分時電價如附錄B 圖B2 所示。綜合考慮系統(tǒng)安全性和經(jīng)濟性，設(shè)置uwind為1、uload為3，優(yōu)先管控失負(fù)荷風(fēng)險，設(shè)置燃?xì)廨啓C正負(fù)備用最大容量為實際電負(fù)荷的15%，給定置信度為97%。

本文對該區(qū)域綜合能源系統(tǒng)3 個場景下的調(diào)度結(jié)果進行對比分析，以驗證所提調(diào)度方法的優(yōu)勢。場景1 為傳統(tǒng)的綜合能源系統(tǒng)供能結(jié)構(gòu)，場景2 考慮HTHP 進行熱電優(yōu)化，場景3 考慮HTHP 進行熱電優(yōu)化及其梯級優(yōu)化模型。

5.2 調(diào)度結(jié)果分析

1）場景1 調(diào)度結(jié)果

場景1 采用傳統(tǒng)的三聯(lián)供供能結(jié)構(gòu)，不含HTHP，該場景下系統(tǒng)電負(fù)荷由電網(wǎng)交互功率、CCHP 機組電出力、風(fēng)電出力及蓄電池共同滿足，蒸汽負(fù)荷由CCHP 機組熱出力供能，熱水負(fù)荷由電熱泵及儲熱水罐進行供應(yīng)，其電功率優(yōu)化調(diào)度結(jié)果如圖3 所示。為滿足蒸汽負(fù)荷的供能需求，CCHP 機組受“以熱定電”約束，其電出力無法自主調(diào)節(jié)。蓄電池在電價谷、平時段充能，在電價峰時段放能，參與供電調(diào)節(jié)。夜間風(fēng)電處在高發(fā)階段，CCHP 機組電出力隨蒸汽負(fù)荷變化，系統(tǒng)與主網(wǎng)之間交互功率達到上限，棄風(fēng)風(fēng)險較大，導(dǎo)致調(diào)度成本較高。

圖3 場景1 優(yōu)化調(diào)度結(jié)果Fig.3 Optimal dispatch results in scenario 1

在隨機優(yōu)化調(diào)度模型中，電功率平衡的確定性約束條件被備用容量機會約束條件替代，機組出力的優(yōu)化結(jié)果加上正、負(fù)備用容量后，以一定的置信度滿足機會約束條件。圖3 中的總輸出電功率與總電力負(fù)荷之間的功率差額分別由燃?xì)廨啓C預(yù)留的正、負(fù)備用功率進行平衡，此時求解隨機優(yōu)化模型得到的機組電功率出力安排是可靠的，預(yù)留備用功率優(yōu)化結(jié)果如附錄B 圖B3 所示。

場景1 中的失負(fù)荷風(fēng)險與棄風(fēng)風(fēng)險如附錄B 圖B4 所示。由于優(yōu)先管控失負(fù)荷風(fēng)險，且夜間風(fēng)電高發(fā)，電負(fù)荷處于低谷，失負(fù)荷風(fēng)險被完全消除，但棄風(fēng)風(fēng)險未完全消除。若繼續(xù)增加備用容量，則棄風(fēng)風(fēng)險有機會被進一步消除。

2）場景2 調(diào)度結(jié)果

場景2 在傳統(tǒng)的綜合能源系統(tǒng)供能結(jié)構(gòu)中引入新的電熱耦合設(shè)備HTHP，需對其容量配置進行定量分析。HTHP 容量配置對綜合能源系統(tǒng)運行棄風(fēng)成本影響如附錄B 表B4 所示。對于其他季節(jié)的典型日，需結(jié)合系統(tǒng)運行經(jīng)濟性及供電可靠性合理進行HTHP 的容量配置。

為充分保障系統(tǒng)供電可靠性，系統(tǒng)優(yōu)先管控失負(fù)荷風(fēng)險，當(dāng)HTHP 配置容量達到一定數(shù)值時，受限于電力功率的備用容量機會約束條件，無法進一步促進系統(tǒng)風(fēng)電消納。為驗證本文所提調(diào)度方法的優(yōu)勢，僅構(gòu)建了一個較小的工業(yè)園區(qū)架構(gòu)，故HTHP在30 kW 時就達到消納上限，在實際工業(yè)園區(qū)中，可根據(jù)園區(qū)規(guī)模進行HTHP 容量配置。由附錄B表B4 可知，隨著HTHP 配置容量的增加，系統(tǒng)棄風(fēng)成本呈下降趨勢，驗證了在綜合能源系統(tǒng)中引入HTHP 可有效促進風(fēng)電消納并提升系統(tǒng)運行經(jīng)濟性。在HTHP 配置容量為30 kW 時，棄風(fēng)成本達到最小。

基于上述HTHP 容量配置的定量分析，在供能結(jié)構(gòu)中配置HTHP 的容量為30 kW，以解耦CCHP機組“以熱定電”的運行約束，與CCHP 機組共同滿足蒸汽熱泵的供能需求，該場景下電功率優(yōu)化調(diào)度結(jié)果如圖4 所示，蒸汽優(yōu)化調(diào)度結(jié)果如附錄B 圖B5所示，預(yù)留備用功率優(yōu)化結(jié)果及失負(fù)荷風(fēng)險和棄風(fēng)風(fēng) 險 結(jié) 果 如 圖B6、圖B7 所 示。22:00—24:00、00:00—07:00 為電價谷時段，系統(tǒng)售電電價低于CCHP 機組發(fā)電成本，HTHP 制熱成本較低，此時HTHP 全部滿發(fā)，給蒸汽負(fù)荷供能，以降低CCHP機組電出力，增加電價谷時段的用電負(fù)荷，從而起到填谷的作用，提升系統(tǒng)風(fēng)電消納能力。蓄電池在電價谷時段結(jié)束前將電量充滿。

圖4 場景2 優(yōu)化調(diào)度結(jié)果Fig.4 Optimal dispatch results in scenario 2

07:00—16:00 為電價平時段，系統(tǒng)購售電電價高于CCHP 機組發(fā)電成本，采用CCHP 機組優(yōu)先供電較為經(jīng)濟，蒸汽負(fù)荷優(yōu)先由CCHP 機組進行供能。在07:00—11:00 時段，系統(tǒng)與主網(wǎng)之間售電功率達到上限，調(diào)用HTHP 進行供能，消納系統(tǒng)內(nèi)多余的風(fēng)電，提高系統(tǒng)運行的經(jīng)濟性。16:00—22:00為電價峰時段，蓄電池放電輔助調(diào)峰，此時系統(tǒng)購售電電價較高，蒸汽負(fù)荷全部由CCHP 機組進行供能，HTHP 停止供能。

3）場景3 調(diào)度結(jié)果

場景3 在場景2 基礎(chǔ)上考慮HTHP 能量品位轉(zhuǎn)換模型，優(yōu)化調(diào)度結(jié)果如圖5（a）和（b）所示，蒸汽優(yōu)化調(diào)度結(jié)果如附錄B 圖B8 所示，預(yù)留備用功率優(yōu)化結(jié)果及失負(fù)荷風(fēng)險和棄風(fēng)風(fēng)險結(jié)果如圖B9、圖B10所示。此場景中充分考慮HTHP 對不同品位能量的耦合轉(zhuǎn)化作用，在電價谷時段，HTHP 盡可能多發(fā)，消納風(fēng)電將熱水轉(zhuǎn)化為蒸汽，增加了該時段熱水負(fù)荷，提升HTHP 制熱量，實現(xiàn)高效的電熱耦合轉(zhuǎn)化，提升系統(tǒng)能源利用效率。在07:00—08:00 時段，系統(tǒng)內(nèi)存在棄風(fēng)，調(diào)用HTHP 供能消納多余的風(fēng)電。儲熱水罐在電價平時段通過電熱泵制熱儲存熱水，在電價峰時段釋熱。

5.3 風(fēng)電消納

系統(tǒng)引入HTHP 后的風(fēng)電消納情況如附錄B圖B11 所示，驗證了本文所提調(diào)度策略從HTHP 作為電負(fù)荷增加功率ΔP1與CCHP 機組“熱電耦合”減少功率ΔP2兩方面促進風(fēng)電消納。為保證系統(tǒng)調(diào)度功率的平衡，波動的功率與電網(wǎng)進行交互或由蓄電池進行存儲。

3 種場景下的系統(tǒng)棄風(fēng)風(fēng)險如附錄B 圖B12 所示。場景1 下，由于電負(fù)荷與風(fēng)電出力不匹配以及受CCHP 機組“以熱定電”運行約束，棄風(fēng)風(fēng)險最大；場景2、3 下，系統(tǒng)棄風(fēng)風(fēng)險在03:00—11:00 時段較場景1 明顯降低，驗證了HTHP 進行熱電優(yōu)化可促進系統(tǒng)風(fēng)電消納，有效降低了系統(tǒng)內(nèi)棄風(fēng)風(fēng)險。

5.4 不同場景經(jīng)濟性分析

3 種場景下的日費用對比如表1 所示。由表1可知，場景3 較場景1 備用成本上升了8.23%，風(fēng)險成本下降了16.75%，棄風(fēng)懲罰成本下降了16.75%，環(huán)境成本下降了12.32%，總成本下降了6.47%，驗證了采用HTHP 這種高能效比設(shè)備進行熱電優(yōu)化并考慮其梯級優(yōu)化模型能夠帶來良好的社會經(jīng)濟效益。

表1 各場景日費用對比Table 1 Comparison of daily expenses in each scenario

5.5 負(fù)荷率及節(jié)能率對比

各場景下的削峰填谷及節(jié)能性指標(biāo)對比如表2所示。相較于場景1，場景2、3 中的削峰填谷指標(biāo)分別降低了7.54%和18.55%，驗證了所提調(diào)度方法可實現(xiàn)削峰填谷，提升了系統(tǒng)供電可靠性。場景3 較場景1 能源利用率提升了10.73%，主要原因是HTHP 進行熱電優(yōu)化，解耦了CCHP 機組運行約束，促進了系統(tǒng)內(nèi)風(fēng)電消納。考慮HTHP 的能源梯級利用模型，在電能驅(qū)動下將低品位熱能轉(zhuǎn)化為高品位熱能，具有高效的電熱耦合轉(zhuǎn)化作用，從而大幅提升了系統(tǒng)內(nèi)的能源利用效率。

表2 各場景下的削峰填谷及能源利用率指標(biāo)對比Table 2 Comparison of indices of peak shaving and valley filling and energy utilization rate in each scenario

6 結(jié)語

本文針對工業(yè)園區(qū)存在能源利用效率較低問題和棄風(fēng)現(xiàn)象，提出一種含HTHP 的綜合能源系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度方法。針對風(fēng)電具有較強不確定性，建立隨機優(yōu)化調(diào)度模型，以中國江蘇省沿海某工業(yè)園區(qū)綜合能源系統(tǒng)為例進行研究分析。得到主要結(jié)論如下:

1）HTHP 具有高能效比，可有效進行電熱轉(zhuǎn)換，在系統(tǒng)中引入HTHP 并進行合理的容量配置，可有效提升系統(tǒng)風(fēng)電消納能力及系統(tǒng)運行的經(jīng)濟性；

2）充分挖掘HTHP 不同品位能源之間的耦合轉(zhuǎn)換關(guān)系，構(gòu)建了HTHP 能量品位轉(zhuǎn)換模型，實現(xiàn)了能量梯級利用并有效提升了系統(tǒng)能源利用效率；

3）考慮風(fēng)電預(yù)測誤差，系統(tǒng)預(yù)留一定的備用容量，可有效提高系統(tǒng)運行的可靠性；

4）與傳統(tǒng)綜合能源系統(tǒng)供能結(jié)構(gòu)相比，本文所提調(diào)度方法日運行費用更低，能帶來更好的社會經(jīng)濟效益。

本文尚未考慮熱電負(fù)荷的隨機性，將在后續(xù)研究中考慮建立計及負(fù)荷不確定性因素的優(yōu)化模型，以進一步提升綜合能源系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度的能力。

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