供用能转换促进风电消纳的综合能源系统源荷协调优化调度

　　摘要：针对热电联供“以热定电”约束导致的弃风问题，提出计及供用能转换促进风电消纳的综合能源系统源荷协调优化调度方法。首先，为提高供能方式灵活性，源侧引入变工况运行的空气源热泵以及含余热回收的电转气，优化电气热耦合关系以压缩热电联供出力空间，提高系统风电消纳水平。其次，荷侧基于热值等效原理对电、气、热用户的用能转换价值进行分析，在多类能源价格信号的引导下形成含用能转换的综合需求响应机制，协助风电并网消纳。最后，构建计及用户综合用能满意度的综合能源系统源荷协调优化模型，以最小化系统运行成本为目标优化各时段机组出力。算例结果表明，该方法在促进风电消纳的同时能够降低系统运行成本;含用能转换的综合需求响应机制对用户满意度影响较小更符合用户的实际用能情况。

　　关键词：热电联供;空气源热泵;余热回收;用能转换;综合能源系统;综合需求响应

　　0引言

　　综合能源系统1]integratedenergysystem，ES)作为能源互联网的物理载体，以提升可再生能源消纳水平为目标，将各能源子系统的网络架构、能源转换元件、负荷侧资源有机协调，实现能源统筹优化、多能耦合互补2]，在推动能源高效清洁利用上发挥着重要作用3]。

　　能源论文范例： 水风光混合能源短期互补协调调度策略研究

　　在以热电联供(combinedheatandpower，HP)为核心的ES中，由于供暖季HP存在“以热定电”的刚性约束，导致系统风电消纳空间有限，负荷低谷时大量风电被迫弃用[4，造成清洁能源严重浪费。为促进风电消纳，提高系统能源利用率与运行经济性，国内外学者多从源、荷两侧对风电消纳机理以及运行经济性开展研究。源侧依据电、气、热各类能源互补特性，通过多源联合调度以实现系统多能互补优化运行，能够为风电消纳让渡更多并网空间。在电热耦合环节，空气源热泵airsourceheatpump，ASHP)因其能效比较高，逐渐取代电加热设备成为综合能源系统的重要组成部分。

　　文献6]从部分弃风消纳的要求出发，建立含空气源热泵联合供热模式下的电热耦合调度模型，实现能源的梯级利用，验证了所提模型在减少弃风、提高系统运行经济性的有效性。在电气耦合方面，2G技术调度特性灵活，实现了电能向天然气的转换7]，从而使得电气能源系统双向互联，强化能源耦合关系。

　　文献10引入电转气powertogas，P2G)加强电气能源系统间的耦合关系，提升了系统的风电消纳水平。文献11]指出电转气循环所需热量仅占，因此仍有大部分低温余热可供回收。利用有机朗肯循环等技术加强低温余热资源的回收利用，可以在一定程度上提高能源利用水平12]。上述研究中，热泵的能效比通常被简化为定值，而实际运行过程中其能效比与环境温度紧密相关，多数时段难以达到额定值，所以仅按定能效比计算会导致风电消纳偏于理想。

　　此外，2G甲烷化反应时会释放一定的化学反应热，现有研究中往往将其忽略，而低温余热回收技术的日趋成熟为该部分热量再回流提供了技术支撑，从而延伸了2G消纳风电的价值。对负荷而言，需求响应凭借能源价格调整与激励补偿措施，引导其主动改变用能行为，实现能源供需匹配关系优化，从而协助风电并网消纳。随着ES的发展，需求响应也由单一能源形式下的电力需求响应13]扩展到电、气、热、冷综合需求响应1415]integrateddemandresponse，IDR)。

　　文献16]以用户饱和度和差异度指标来约束DR对用户带来的影响，验证了DR在改善系统能耗、协助风电消纳等方面的有效性。文献17]考虑柔性电热负荷的可削减、可平移、可转移价值，建立电热综合需求响应模型，通过风场与ES的协同运营促进风电消纳。文献18]采用日前电价型、日内激励型的两阶段调度方法，有效提高了电热联合系统的风电消纳水平。上述研究多数只考虑了电热负荷，且常限于单一能源形式需求响应的累加，而有关气负荷的可调度价值尚未得到挖掘。

　　此外，仅考虑负荷的削减、转移特性，用户用能满意度会受到较大影响，而荷侧用户用能形式的相互转换替代对用户实际体验影响较小，构建含用能转换的综合需求响应模型具有重要意义。综上，本文提出一种考虑供用能转换促进风电消纳的综合能源系统优化调度方法。源侧为应对弃风消纳理想化构建了空气源热泵的变工况运行模型，同时量化了2G产气、制热、耗电三者之间的关系，对化学反应余热进行回收利用，延伸了2G消纳风电的价值。荷侧在异质能源价格信号的引导下转换用能方式，基于电气热热值等效关系构建含用能形式转换的综合需求响应模型，在保证用户综合用能满意度的同时，提高系统风电消纳水平与运行经济性。

　　1考虑供用能转换的综合能源系统架构

　　本节以华北地区某小型ES供暖季为例进行分析，将ES划分为能源供给侧、能源转换侧以及能源需求侧，其中储能装置安装于源侧。 能源转换侧机组根据用户多种能源需求曲线的不同安排生产计划，转换供能形式，加强能源耦合;能源需求侧用户除削减负荷量、转移用能时段外，还可根据异质能源之间的价格差异，转换用能形式达到同等用能需求来提高运行经济性。通过源荷两侧的协调优化，实现经济运行，提高ES运行效率。供能转换为系统调度在能源价格信号的引导下采取的转换能源供给方式的手段，以达到系统经济运行，促进风电消纳。

　　1.1考虑供能可靠性的空气源热泵变工况模型

　　空气源热泵是在少量电能的驱动下，使热量从低位热源空气流向高位热源的节能装置。与电热锅炉、燃气锅炉等装置相比，ASHP具有能效比高、无污染的优点。ASH运行时产生大量热能供给热负荷，源侧供热形式由HP单独供热转换为HP与SHP联合供热，实现供热形式的转换，解耦CHP机组“以热定电”约束的同时，等效扩大风电消纳空间。此外“煤改电”政策推动了ASHP在农村地区的发展，减少了燃煤空气污染，借助供能转换实现供暖需求，具有较大的市场潜力。

　　由于ASHP主机放置于室外，环境温度变化会使热泵运行偏离额定工况，多数时间热泵能效比难以达到额定值，仅按定效率进行考虑会造成调度计划存在较大误差19]，转换效率的偏差会使系统调度不易做出准确判断，难以给出最佳调度方案，系统风电消纳过于理想化。实际运行时系统为弥补调度差额需临时额外购能或切负荷，调度计划的供能可靠性降低。在经典热泵定能效比运行模型的基础上，本文计及热泵的变工况运行特性从而提高热泵模型的建模精度，使调度供能计划更合理可靠，减少额外的购能成本。

　　2含用能转换的综合需求响应模型

　　综合需求响应不仅指的是将电力需求响应扩展到电、气、热、冷多种能源形式中，还指用户自身用能形式的转换。用能转换为不同能源形式在同一时间节点上的能源替代行为，包括电热、电气可转换负荷，例如集中供热负荷与ASHP供热转换，厨房用气与电饭煲、电磁炉相互转换，在异质能源价格信号差异的引导下，实现荷侧用户的用能转换，提高能源利用率。IES中的多能用户可自主选择负荷削减、转移、转换三种方式响应IES运行需求。

　　综合需求响应协助风电消纳机理如图所示。电、气坐标图互为映射，电、热坐标图同理。为消纳时段弃风量，考虑电气热负荷的削减、转移、转换。夜间电价较低，部分用户由管道集中供热转换为ASHP供热，并存储多余热能在非弃风时段放热，增加电负荷的同时，减少CHP机组热出力，如2,12,2所示。

　　此外还可通过削减热负荷响应调度需求，减少CHP供热任务。表示因IDR造成的CHP总热出力减少量。同理当等效气价小于等效电价，部分用户也会放弃天然气供能而转换为电能供能，如所示。而电负荷转移用能时段，增加谷时用电负荷消纳弃风。通过综合需求响应改变用能时段或将弃风电量转换为其他形式能源加以利用，协助风电消纳。

　　场景为基础场景，系统中2G不考虑余热回收，空气源热泵按定工况模型运行，调度结果如图所示。由图中我们可以看出，弃风存在于夜间1:0000时段、7:00以及00时段，此时因联络线功率达到上限，系统多余风电被迫弃用，能源浪费严重。

　　而夜间电价较低，2G与空气源热泵处于满发状态，与HP机组联合供热，解耦HP“以热定电”的约束，增加风电的上网空间。而其余时段电价相对较高，2G与空气源热泵停机，由HP单独供热。储能装置在1:0000、6:0000时段将多余的弃风电量储存起来并在负荷用电相对较高时段如002000放电，促进系统经济运行的同时，等效提高0.77风电消纳空间。

　　场景为空气源热泵变工况运行模型，因环境温度变化导致机组实际运行工况偏离额定工况，系统实际运行能效比小于额定能效比，相较于场景，场景风电弃风功率增加24.94，风电消纳率降低.9。若按定效率模型安排各机组出力，则会产生.9风电消纳的偏差，使得最优调度计划的风电消纳水平评估过于乐观。因此需要量化实际运行时的变工况模型与目前普遍采用的定效率模型风电消纳水平的偏差量，对理想风电消纳水平进行修正。风电弃风率偏差越大则说明热泵的变工况运行特性不容忽视，采用变能效比模型更符合实际运行情况。

　　5结论

　　针对供暖季CHP“以热定电”约束导致的弃风问题，本文提出了一种考虑供用能转换促进风电消纳的IES源荷协调优化调度模型，通过算例分析可得到结论如下：

　　1)在调度过程中，考虑环境温度变化而带来的热泵变工况运行特性更加符合产能实际，提升模型精确度的同时提高了调度方案的可靠性与经济性。2)风电出力较大时，P2G将富余风电转化为天然气存储或供给负荷;计及P2G余热损耗的回收利用后，CHP机组的夜间供热任务减轻1.18%，延伸了2G消纳风电的价值。3)源侧考虑多种耦合设备的协调配合，荷侧考虑能源价格与用能曲线差异性引导下的电气热综合需求响应，通过协调源荷两侧的可调度资源，提高了系统的灵活运行能力，改善了CHP机组“以热定电”约束带来的弃风问题，调度周期内风电消纳提升.9的同时，系统运行经济性提高7.76%。本文暂未考虑综合能源系统中存在的风电出力及负荷曲线等多重不确定性因素的影响，将在未来研究中重点分析。

　　参考文献

　　[1]孙宏斌，郭庆来，潘昭光，等.能源互联网：驱动力、评述与展望[J].电网技术，2015，39(11)：30053013.SunHongbin，GuoQinglai，PanZhaoguang，etal.Energyinternet：drivingforce，reviewandoutlook[J].PowerSystemTechnology，2015，39(11)：30053013(inChinese).

　　[2]国家发展评改委，国家能源局.关于促进智能电网发展的指导意见发改运行EB/OL].20150707].

　　[3]KimI，JamesJA，CrittendenJ.ThecasestudyofcombinedcoolingheatandpowerandphotovoltaicsystemsforbuildingcustomersusingHOMER software[J].ElectricPowerSystemsResearch，2017，143：490502.

　　[4]杨丽君，梁旭日，王心蕊，等.考虑调峰权交易提高风电二次消纳能力的热电联合经济调度[J].电网技术，2020，44(05)：18721880.YangLijun，ianguri，Wanginrui，etal.Combinedheatandpowereconomicdispatchingconsideringpeakregulationrighttradingtoimprovesecondaryaccommodationcapabilityofwindpower[J].PowerSystemTechnology，2020，05：18721880(inChinese).

　　作者：崔杨1，郭福音1，付小标2，赵钰婷1，韩传鼎