考虑用户满意度的热电储系统日前优化调度

代怡重，王晓晶，葛宽宽，肖 群，梁郭江，张紫薇

(1.新疆大学电气工程学院，新疆 乌鲁木齐 830047；2.国网石嘴山供电公司，宁夏 石嘴山 753000)

近年来，风能凭借其清洁、成本低、取用不尽等特点，使得风力发电日益受到重视。在我国“三北”地区有着大量的风电资源，然而，在冬季供暖期为满足供热需求，热电机组需要“以热定电”的方式运行，导致系统的调峰能力下降从而造成大量的弃风[1-3]；同时，风电的反调峰特性也是风电难以消纳的重要原因[4-6]。根据国家能源局发布的2017年风电数据显示我国年平均弃风率达到了12%，其中甘肃、新疆、吉林、内蒙古分别弃风33%、29%、21%、15%[7]。“三北”地区的严重弃风已经影响到了我国风电的发展速度。

国内外学者当前主要从热电解耦、调节风电出力特性、用户需求响应等方面研究风电消纳问题。文献[8]通过储能装置的时移特性调节风电出力特性，增加夜间的风电消纳水平，同时利用储能系统建立跨区域风电消纳模型，提升风电跨区域消纳水平。文献[9]为解耦电热耦合关系，提出一种电热联合储能方法，利用储能装置的时移特性和电、热系统耦合关系，促进风电消纳。并引入弃风惩罚，建立以系统运行成本最小为目标的综合调度模型。文献[10]建立了多目标电热综合能源系统低碳经济调度模型，考虑需求侧响应，通过分时电价优化负荷需求曲线，有效削减负荷峰谷差，增大风电上网空间。文献[11]引入用户舒适度，把热负荷需求转变为可变区间，作为系统运行约束，在满足用户舒适度的同时调整热电联产机组出力，促进风电消纳。

综上可知，热电联合储能系统、考虑用户需求响应优化电负荷需求曲线、考虑用户热舒适度优化热负荷需求曲线的方法均能有效提高风电消纳。本文在以上方法的基础上，首先建立了综合考虑用户用电舒适度和用电经济度的用电满意度模型，然后根据用户的热舒适度指标建立了热用户的热满意度模型，最后以用户的满意度最大化和系统运行成本最小为目标函数，建立考虑用户满意度的热电储系统日前优化调度模型。通过算例验证了该模型能够进一步提高系统的风电接纳空间，促进风电消纳，降低系统的煤耗成本，同时提高用户用电的经济性。

1 热电储系统构成及风电消纳机理

热电储系统由热电厂、火电厂、风电场、储电装置、电锅炉、储热装置以及电热传输网络构成，热电储系统结构如图1所示。热电储系统通过储电装置的时移特性改变风电出力，把负荷低谷期的弃风电量储存起来，在负荷高峰期供给用户，从而促进风电消纳；通过储热装置和电锅炉改变热负荷等效需求，在风电出力高峰、热负荷需求低谷期，电锅炉消纳弃风把电功率转换成热功率供给用户，在配合热电联产机组满足供热的情况下，把剩余热量用储热装置储存起来，在风电低谷期供给用户，降低热电联产机组的热出力，解耦机组的电热耦合关系，从而提高风电的接纳空间。

图1 热电储系统结构示意

2 用户满意度建模

2.1 用电满意度

电用户为降低用电的费用响应分时电价，从而改变用电习惯，降低用电的舒适度，因此定义用户的用电满意度为

θ1=δε1+(1-δ)ε2

(1)

式中，θ1为用户用电满意度；δ为用户用电经济度权重；ε1为用户用电经济度；ε2为用户用电舒适度。

2.1.1 用电经济度

用户响应分时电价，改变用电习惯，使得用电费用发生改变。定义用户需求响应前后，用户用电费用的改变比为用户的用电经济度。

(2)

其中，用户响应分时电价后的电负荷需求PL，t与分时电价的关系为

(3)

2.1.2 用电舒适度

电用户在未响应分时电价前，可以随意根据自己的需求使用电，此时用户的用电舒适度最高，响应分时电价之后，用户改变用电习惯，把如洗衣机、电动车、电热水器等柔性负荷转移到谷时电价时段，从而降低用电舒适度。定义用户用电舒适度为

(4)

2.2 用热满意度

通过调节用户的热满意度，改变热负荷的需求，从而降低系统的供热成本。系统对用户的热满意度的调节，首先要保证用户的热舒适度。因此要把用户的热舒适度作为约束条件。

热舒适度指标PMV是衡量环境温度、相对湿度、空气流速、穿衣情况等因素对人体热感觉影响程度的指标。文献[13]对热舒适度模型进行简化，仅将室内温度和相对湿度作为输入参数

IPMV，t=0.5Tin，t-5.38ρt-8.772

(5)

式中，IPMV，t为t时刻人体热舒适度指标值；Tin，t为t时刻室内温度；ρt为t时刻室内空气相对湿度，取60%。

根据式(5)得出人体舒适度指标值对应的温度如表1所示。

表1 PMV与体感、温度对应关系

为保证用户的热舒适度，我国规定IPMV取值在-0.9～0.9之间[14]。因此室温在22.2 ℃～25.8 ℃之间人体热舒适度较佳。根据人体热舒适度对应的温度区间，求解用户t时刻的热满意度

(6)

式中，ε3，t为用户t时刻的热满意度；Tin，min为保证用户热舒适度的最低室内温度，取22.2 ℃；Tin，fit为最适室内温度，取24 ℃；Tin，max为保证用户热舒适度的最高室内温度，取25.8 ℃。

对系统调度周期内热用户总的满意度进行归一化，得出综合热满意度为

(7)

式中，ε3min，t为t时刻用户最小热满意度，取0；ε3max，t为t时刻用户最大热满意度，取1。

室内温度和热负荷需求关系为[15]

(8)

式中，HH，t为t时刻的热负荷需求；S为供热面积；μ为单位热量损失，取1.037×104J/(m2℃)；C为单位供热面积下的热容，取1.63×105J/(m2℃)；Tout，t为t时刻的室外温度。

3 考虑用户满意度的热电储系统日前优化调度模型

3.1 目标函数

考虑用户满意度的热电储系统日前优化调度模型以用户的电、热满意度最大和热电储系统的运行成本最小构建目标函数

maxf1=θ1=δε1+(1-δ)ε2

(9)

(10)

式中，f1为用户用电满意度；f2为用户热满意度；热电储系统的运行成本包括火电机组发电成本、热电联产机组发电成本、储电装置运维成本、电锅炉运维成本、储热装置运维成本以及弃风惩罚成本。

(11)

(12)

综上，系统的目标函数为

maxF=ω1f1+ω2f2+ω3f3

(13)

式中，ω1、ω2、ω3为权重，且ω1+ω2+ω3=1。

3.2 系统运行成本

本文研究系统的日前优化调度，而机组的启停时间比较长，因此不考虑机组的启停成本。火电机组的发电成本仅考虑火电机组的煤耗成本，发电成本公式为

(14)

式中，N为火电机组台数；αi、βi、χi为第i台火电机组的煤耗系数；Ph，i，t为第i台火电机组t时刻出力。

抽气式热电联产机组纯凝工况下的电功率为

Pe，j，t=Pchp，j，t+cvHchp，j，t

(15)

式中，Pchp，j，t为第j台热电联产机组t时刻的发电功率；Hchp，j，t为第j台热电联产机组t时刻的产热功率；cv为固定进气量下每多发单位供热量时电出力的减小值，取0.15。

热电联产机组的发电成本为

(16)

式中，M为热电联产机组的台数；aj、bj、cj为第j台热电机组的煤耗系数。

储电装置运维成本为

Ccd=keQdcf

(17)

式中，ke为单位能量的运维成本；Qdcf为运行周期内储电装置放电量。

电锅炉运行成本为

(18)

式中，kdgl为电锅炉单位用电量的维护成本；Pdgl，t为电锅炉t时刻的用电功率。

储热装置运行成本为

Ccr=kcrQcr

(19)

式中，kcr为储热装置单位维护成本；Qcr为储热装置运行周期的储热量。

为促进风电的消纳，引入弃风惩罚机制，未消纳的风电要被惩罚。弃风惩罚成本为

(20)

3.3 系统运行约束

3.3.1 火电机组运行约束

纯凝工况下的机组出力约束为

Ph，i，min≤Ph，i，t≤Ph，i，max

(21)

式中，Ph，i，max、Ph，i，min分别为火电机组i的最大、最小发电功率。

机组爬坡约束

-ΔPh，i，down≤Ph，i，t-Ph，i，t-1≤ΔPh，i，up

(22)

式中，ΔPh，i，down为火电机组i向下爬坡的最大爬坡率；ΔPh，i，up为火电机组i向上爬坡的最大爬坡率。

机组旋转备用约束

(23)

式中，Uu、Ud分别为常规火电机组的正、负旋转备用；λu、λd为火电机组的正、负备用系数；σu、σd分别为风电并网的旋转备用系数。

3.3.2 热电联产机组运行约束

抽气式热电联产机组电出力约束

(24)

式中，κj为热电机组i电功率与热功率的弹性比值，取0.75；cv为热电比，即机组蒸汽输入量恒定时，每多发单位供热量时电出力的减小值，取0.15。

机组热出力约束

Hchp，j，min≤Hchp，j，t≤Hchp，j，max

(25)

式中，Hchp，j，min为热电联产机组最小热出力；Hchp，j，max为热电联产机组最大热出力。

机组爬坡约束

-ΔHchp，j，down≤Hchp，j，t-Hchp，j，t-1≤ΔHchp，j，up

(26)

式中，ΔHchp，j，down为热电联产机组j的热功率向下爬坡的最大爬坡率；ΔHchp，j，up为热电联产机组j的热功率向上爬坡的最大爬坡率。

-ΔPchp，j，down≤Pchp，j，t-Pchp，j，t-1≤ΔPchp，j，up

(27)

式中，ΔPchp，j，down为热电联产机组j的电功率向下爬坡的最大爬坡率；ΔPchp，j，up为热电联产机组j的电功率向上爬坡的最大爬坡率。

3.3.3 风电出力约束

风电出力约束为

(28)

3.3.4 电锅炉运行约束

电锅炉运行约束为

(29)

式中，Pdgl，t为电锅炉t时刻的功率，为促进风电消纳，电锅炉只使用风电和储电装置储存的风电，因此，Pdgl，t要小于Pw，t-Pdc，t；Pdgl，max为电锅炉最大功率；Pdc，t>0储电装置处于充电状态，Pdc，t=0储电装置不工作，Pdc，t<0储电装置处于放电状态；Hdgl，t为电锅炉t时刻的产热功率；ψ1为电热转换系数，取98%。

3.3.5 储电装置运行约束

储电装置运行约束为

(30)

式中，Pfd，max为储电装置最大放电速率；Pcd，max为储电装置最大充电速率；E0为初始容量；Et为储电装置t时刻的储电量，同一个调度周期内充电量要等于放电量，因此初始容量E0要等于T时刻的容量Et；Et-1为储电装置t-1时刻的储电量；V1为储电装置充、放电效率，本文取92%。

3.3.6 储热装置运行约束

储热装置运行约束为

(31)

式中，Hfr，max为储热装置最大放热速率;Hxr，max为储热装置最大储热速率;Hcr，t>0，储热装置处于储热状态，Hcr，t=0储热装置不工作，Hcr，t<0储热装置处于放热状态；S0为初始容量；St为储热装置t时刻的蓄热量，同一个调度周期内储热装置的储热量要等于放热量，因此S0要等于St；St-1为储热装置t-1时刻的蓄热量；V2为储热装置的储、放热效率，取92%。

3.3.7 功率平衡约束

电功率平衡公式为

(32)

热功率平衡公式为

(33)

4 算例验证

4.1 算例参数设置

以北方某地区的运行数据为例，冬季典型室外温度曲线如图2所示，风电预测出力曲线如图3所示。系统含有常规火电机组4台(机组具体参数见表2)；热电联产机组1台，其最大发电功率300 MW，最小发电功率90 MW，最大热功率400 MW，最小热功率100 MW，向上爬坡率150 MW·h，向下爬坡率150 MW·h，煤耗系数aj、bj、cj分别为0.008 13、27.79、515.5；电锅炉最大功率为300 MW；储热装置容量300 MW，初始容量50 MW，储放热功率50 MW·h；储电装置容量为300 MW，初始容量50 MW，储放电功率50 MW·h；弃风惩罚为490 元/(MW·h)；系统调度周期为24 h(22∶00～次日22∶00)；峰谷平电价如表3所示，采用分时电价前的电价为450元/(MW·h)。

表2 常规火电机组参数

表3 分时电价

图2 冬季典型室外温度曲线

图3 风电预测曲线

4.2 算例对比分析

为验证考虑用户满意度的电热储系统日前优化调度的合理性、有效性，设置以下3种运行情景：①用户不响应分时电价，不对用户热满意度进行调节(即价格弹性系数为0，室内温度恒温24 ℃)；②不考虑用户满意度，仅以系统运行成本最低为目标函数；③用户响应分时电价，以用户电热满意度和系统运行成本为优化目标。

3种情景的电负荷需求曲线如图4所示。情景①用户不响应分时电价，此时的电负荷需求曲线为原始负荷需求，电负荷峰谷差较大，22∶00～07∶00电负荷需求较低，而此时段是风电高发时期，系统风电接纳空间很小，造成大量弃风。情景②用户响应分时电价，且不考虑用户的用电满意度，此时用户最大响应分时电价，调整用电的时间段，把负荷高峰期的部分用电转移到负荷低谷期的夜间使用，减少负荷峰谷差，为风电高发期提供更多的风电接纳空间。情景③用户响应分时电价，且调度时考虑用户的用电满意度，在兼顾用户满意度时提高风电接纳空间。

图4 3种情景的电负荷需求曲线

3种情景的热负荷需求曲线如图5所示。情景①的热负荷需求为原始热负荷需求，此时用户的热满意度最高为1。情景②、③在保证用户舒适度较佳的温度范围内，调节用户室内温度，从而改变热负荷需求。在夜间风电高发时期让室内温度略高于24 ℃，使夜间热负荷需求增多，从而增大风电的消纳空间，白天让室内温度略低于24 ℃，减少风电低谷期的热负荷需求，从而降低储热装置的运行成本。情景②不考虑用户热满意度，此时用户的热满意度最低，牺牲用户的热满意度获得更多的风电消纳空间。3种情景的风电出力曲线如图6所示，情景①弃风最多；情景②不考虑用户满意度风电消纳最多；情景③兼顾用户满意度较情景①也提高了风电消纳量。

图5 3种情景的热负荷需求曲线

图6 3种情景的风电出力曲线

3种情景的系统运行结果如表5所示，情景②的煤耗成本、系统运行总成本、用户用电成本和弃风率均是最高的；情景②的机组煤耗成本、系统运行成本、用户用电成本和弃风率均是最低的，但是用户的热满意度最低；情景③用户的电、热满意度均较佳，比情景①发电侧节约发电成本220 390元，为用户侧减少用电成本238 630元。

表5 3种情景仿真结果

5 结 论

针对“三北”地区大规模弃风问题，本文提出一种考虑用户满意度的热电储系统日前优化调度方法。用户满意度包含用户用电满意度和用热满意度，其中用电满意度又包含了用电舒适度和用电经济度，用户通过响应分时电价，牺牲部分用电舒适度，减少用电成本提高了用电经济度，同时降低了用电负荷的峰谷差，增大了风电上网空间；用热满意度根据热舒适度指标，在保证用户热舒适的前提下，把室内温度的舒适区间转换成用户满意度区间，通过适当的提高或者降低室内温度，从而提高风电的接纳空间，同时可以降低系统的煤耗成本。算例仿真结果表明：考虑用户满意度时热电储系统的弃风率和运行成本明显降低，此时用户的满意度也处于较高的水平，并为电力系统日前调度提供数据参考。