基于舒适度的需求响应与碳交易的园区综合能源经济调度

王仕炬，刘天琪，何川，南璐，吕祥梅

(四川大学 电气工程学院，成都 610065)

0 引 言

在电气化、低碳化和碳中和[1]背景下，高比例新能源的消纳和减排目标的达成迫在眉睫。传统热、电分立调度制约了高比例新能源的消纳。文献[2]通过CHP机组和P2G设备，实现了电-气间的相互转换，电转热+储热打破了CHP机组电热耦合关系，可灵活匹配新能源出力。文献[3-5]引入储能设备,将多余的风能转化为热或气储存，提升了风电消纳能力。文献[6]提出电、气多能互补及电热联供的调度模型，并验证了该模型能提高新能源消纳，降低运行成本。文献[7-8]利用电力需求响应在分时电价的峰谷电价差中获得收益，降低运行成本。电力需求响应实现了源、荷互动，从源、荷两侧联合协调供求关系，能有效地提升新能源的消纳渗透率，从而降低园区调度运行成本[9]。文献[10]构建了包含储能和可控负荷在内的微电网模型，综合考虑参与需求响应负荷和新能源消纳率两个指标，以运行成本最小为目标的微电网源荷两侧联合优化调度，仿真结果验证了该模型能降低运行成本，提高对新能源的消纳率。文献[11]提出了风电与蓄热电采暖的联合运行模式，提高风电消纳能力的同时减少了碳排放。文献[12]将空调和建筑物作为一种虚拟储能装置参与到需求响应中，受此启发文中将热舒适度和室内温度作为虚拟储热装置参与到联合热、电需求响应中，打破CHP机组热电耦合关系，使其灵活匹配新能源出力。文献[13]建立了用户热舒适度模型并提出考虑用户舒适度的热负荷需求建模方法。文献[14]考虑用户舒适度及用电成本满意度的多目标模型并用遗传算法进行求解。文献[15]将一定区域内的热电、风电、光伏组成虚拟电厂，并加入风电供热，实现热电联产机组解耦。

在碳中和背景下，文献[16]基于储能、电制热等设备构建了含风电系统考虑碳交易成本的热、电联合调度模型。仿真验证表明，该模型能提高新能源消纳能力，减少碳排放。为减少发电过程中的碳排放，提高风电消纳，提出了综合考虑储能及碳交易成本的电、热联合系统优化调度策略[17-18]。

基于上述分析，以前相关研究已很多，但也存在一些不足：需求响应大多为单一电或气负荷需求响应，且大多未考虑用户舒适度或仅考虑单一电或热舒适度，未能满足用户在电、热两种舒适度下充分利用联合热电需求响应，发挥多能互补的潜力，影响用户参与响应积极性；在碳交易中未充分利用电转气设备在合成天然气过程中吸收二氧化碳减少碳排放的经济效益。

文中在热电联供，电、气互补可相互转化的多能源园区中，提出考虑热、电舒适度的联合热电需求响应。在园区负荷高峰时，舒适度范围内降低热/电负荷，减少电/热负荷需求。如在用电高峰时段，在舒适度范围内削减部分热负荷以降低电锅炉用电量，缓解用电紧缺；同时，考虑碳交易成本，提出利用电转气设备合成天然气过程中具有捕捉固定碳，减少碳排放的生态效益。提出了考虑舒适度的联合热电需求响应和碳交易成本的多能源园区经济调度模型，在满足用户舒适度前提下充分发挥联合热电需求响应潜力。通过算例验证了该模型能有效提高新能源消纳率，降低园区运行成本，实现园区和用户共赢。

1 园区综合能源构成

综合能源系统构成如图1所示。系统由风电、光伏、热电联产机组CHP、燃汽轮机GT、电转气P2G、电锅炉EB、气储能GS、热储能HS、电负荷以及热负荷构成。如图1实线部分：风电、光伏、热电联产机组和上级电网共同为系统供给电力；虚线部分：电锅炉、热电联产机组、和储热设备则供给系统的热负荷；系统可向外界电网、气网购、售电或气；在用户舒适度范围内电、热负荷需求响应灵活参与系统调度。

图1 园区综合能源系统

2 园区综合能源调度模型

2.1 用户舒适度模型

2.1.1 用电舒适度

用户不参与需求响应时，按需用电，此时未改变用电计划，用电舒适度最高。在参加电力需求响应后，改变了电负荷。定义电负荷改变程度r为用电舒适度[19]。具体为：

(1)

2.1.2 热舒适度

人体不易察觉到一定范围内的温度变化，在此范围内调整热负荷改变温度，并不影响热舒适度，故将室内热负荷曲线转化为热负荷区间，使热负荷成为一种柔性可调负荷参与热需求响应，提升系统调度灵活性。文中采用PMV指标[19]表征用户对环境温度的感觉，PMV值与用户的感觉关系如表1所示。

表1 PMV与舒适度关系

文献[19]给出了其他因数处于舒适度时，不同温度下的PMV取值，得到了PMV值(记为λPMV)与温度T的关系为：

(2)

由式(2)可知，温度在26 ℃附近时用户舒适度最高。据ISO7733推荐PMV取值在-0.5～0.5之间最佳，由式(2)得出相应的温度在24.8 ℃～27.3 ℃之间。由文献[20]得到热负荷与温度的关系为：

(3)

(4)

式中S为供热面积，m2；μ为单位供热面积单位温差下室内热量损失，取1.037×104J/(m2·℃)；C为单位供热面积下的热容，取1.63×105J/(m2·℃)；Tin,t、Tout,t分别为t时段室内和室外温度，室内温度范围24.8 ℃～27.3 ℃，室外温度由冬季典型日室外温度曲线[20]确定。Tmin、Tmax分别为热舒适度下允许的室内最低、最高温度。

2.2 碳交易成本模型

碳交易成本就是将碳排放权作为商品自由交易，分两种模式。我国目前采用碳排放强度原则。监管机构对同类机组分地区在历史同期数据基础上进行削减形成基准值，排放超过基准值的要购买配额获得排放权，否则不能排放，低于基准值的可将盈余配额卖出获得收益，包括燃气轮机碳交易成本、热电联产机组碳交易成本、电转气设备吸收CO2减少碳排放获得收益、系统碳交易总成本，分别如式(5)～式(8)所示。由文献[21]得碳交易模型：

(5)

(6)

(7)

(8)

2.3 目标函数

以系统运行总成本最低为目标(见式(9))，包括购售电成本(见式(10)、式(11))、购售气成本(见式(12)、式(13))、弃风、弃光惩罚成本(见式(14)、式(15))、失电负荷、失热负荷、需求响应中断电负荷补偿成本(见式(16)～式(18))。文中参考文献[22]，对系统进行建模，为简化模型，机组启停成本、失负荷惩罚忽略不计。

(9)

(10)

(11)

(12)

(13)

(14)

(15)

(16)

(17)

(18)

2.4 约束条件

2.4.1 能量平衡约束

系统运营中需满足电力、热量及天然气平衡约束。

(1)电力平衡约束。

(19)

(2)天然气平衡约束。

(20)

(3)热量平衡约束。

(21)

2.4.2 能量转换约束

(1)P2G设备约束。

(22)

(23)

(2)电锅炉约束。

电锅炉产生的热量与消耗热量之间的关系为

(24)

(3)燃汽轮机约束。

燃气轮机燃气与发电功率之间的关系为：

(25)

(26)

(4)热电联产机组约束。

热电联产机组由小型燃气轮机和溴冷机构成。不考虑其他外界因数影响下其热电关系模型为：

(27)

2.4.3 系统与上级网络功率交换约束

与上级电网功率交换约束，即：

(28)

(29)

与上级气网功率交换约束，即：

(30)

(31)

式中Pb,min、Pb,max分别为最小、最大购电功率，kW；Ps,min、Ps,max分别为最小、最大售电功率，kW。系统购、售气约束与电类似，不再赘述。

2.4.4 需求响应约束

文中参与需求响应的负荷有电负荷和热负荷两类，其约束分别为：

(1)电力需求响应约束。

(32)

(33)

(34)

(35)

(36)

(2)热需求响应约束。

(37)

(38)

2.5 模型求解

文中所建模型为混合整数线性规划问题，可在MATLAB运行环境下调用YALMIP工具箱中的Gurobi求解器对模型进行求解。

3 算例仿真分析

3.1 仿真基础数据

约定热电联产机组和燃气轮机初始为停运状态，电锅炉初始工作在50%额定功率，初始储气、储热量分别为10 m3、100 kW·h。总调度时段数为24，单位调度时间为1 h，单位调度时间内各设备功率恒定，外界、室内温度不变。约定弃风、光惩罚成本为1元/(kW·h)。

3.2 算例1

为验证模型有效性设置方式1～方式5。方式1～方式4逐渐增加考虑因素，如表2所示。

表2 5种运行方式

方式5在方式4基础上将碳交易价格升高为原来的4倍，即112元·t-1。方式1～方式5园区总运行成本如表3所示。

表3 5种方式下运行成本

分析表3知，与方式1相比，方式2引入满足热舒适度下的热负荷需求响应，在热舒适度下，将柔性热负荷与新能源出力及分时电价匹配，利用电、热负荷互补，充分发挥热负荷需求响应作用，降低购电成本、增加售电收益，从而降低园区总运行成本。方式3同时考虑热、电舒适度下的热电联合需求响应，可响应负荷在满足用户舒适度前提下，匹配分时电价和新能源出力。通过多能互补更充分发挥联合热电需求响应潜力，在方式2基础上进一步降低了园区10.6%的运行成本。

方式4考虑碳交易成本，电转气设备将二氧化碳吸收，减少了碳排放并通过碳交易获利，考虑碳交易后电转气设备运行更具经济实用性，园区综合能源系统更多地将新能源转化为天然气，园区运行成本进一步下降。随着碳中和的推进，配额价格上涨，方式5电转气及园区运行成本会持续降低，从而达到园区经济最优调度。

3.3 算例2

综合能源系统打破了热、电分离调度，充分发挥了多能互补消纳新能源的优势。方式1～方式5均未出现弃风、光现象。为验证系统提高新能源消纳能力，设置运行方式6～方式10。在方式1基础上将风、光出力增大到3.25倍得到方式6，在方式6基础上方式7～方式10运行情况分别对应方式2～方式5。其弃风、光情况如表4所示。

表4 方式6～方式10弃风、弃光情况

风、光出力增大3.25倍后远高于系统消耗、转化、储存能量之和，如方式6系统出现大量弃风、光现象。方式7引入考虑热舒适度的热需求响应后弃风、光量减少115.7 kW·h，提高新能源消纳率近58%。方式8引入考虑热电舒适度的联合热电需求响应后，进一步降低弃风、光量，与不考虑需求响应的方式6对比，提高新能源消纳率超62%。含P2G、电转热设备可实现能源间相互转换，利用园区多能互补在新能源出力较大时，分别将电能转化为天然气和热能，提高了对新能源的消纳。方式9在考虑舒适度下的联合热电需求响应基础上引入碳交易成本，系统进一步降低了弃风、弃光量，提高了新能源消纳率。随着碳交易价格上涨，方式10提高新能源消纳率的能力增强。

考虑热舒适度的热需求响应前后室温变化如图2所示。

图2 考虑热舒适度前后系统优化结果对比

未考虑热舒适度的热需求响应时，室内温度为一固定值26 ℃。故热负荷为一固定曲线，系统调峰能力较低。一旦新能源预测和实际出力出现偏差便会导致弃风、弃光现象。在考虑热舒适度的热需求响应后，室内温度在舒适度范围内波动，热负荷变为可灵活匹配新能源出力的区间，增大了系统调峰能力，可提高新能源的消纳，降低运行成本。如，1时～5时、12时～13时，新能源出力较大时，在热舒适度范围内升高室内温度，增大热负荷提高新能源消纳率。7时～8时，新能源出力快速下降的同时电价上升(谷段转平段)，电锅炉制热功率快速下降从而减少电锅炉用电量以降低运行成本。为降低电价最高的峰时段用电量实现错峰用电，降低园区运行成本，系统在8时～10时、15时～18时，利用相对较低的平、谷时段电价增大电锅炉制热功率，在峰时段(10时～15时，18时～21时)高电价到来前，舒适度范围内提前拉升室内温度，以降低峰时段制热用电量。快速降低电锅炉功率以减少高峰时段购电量，降低园区运行成本。在10时～12时、13时～15时、18时～20时，在舒适度范围内降低室内温度，减小电锅炉在用电高峰期制热用电量，降低园区运行成本。

在方式3基础上将风、光出力增大4倍，对比不同热、电舒适度下园区多能源系统运行情况。其结果如表5所示。

表5 不同舒适度对园区多能源系统的影响

此运行方式下，风、光出力远大于系统消耗、转化、储存能量之和，园区可售出较多电量和天然气。园区总调度运行成本为负数(获得收益)。当用电舒适度不变时，PMV值越大(温度舒适度越低)园区收益越大，弃风、光量越少。当热舒适度不变时，用电舒适度越低(r值越小)，园区收益越大，新能源消纳能力越强。

4 结束语

文中在分析热、电联合调度基础上，提出考虑用户舒适度的联合热电需求响应和碳交易的园区综合能源经济调度方法。在热电耦合、电气可相互转化的园区基础上引入用户舒适度，实现了在不影响用户舒适度下充分发挥联合热、电需求响应作用，实现多能互补、错峰用能。同时，使柔性负荷灵活匹配分时电价和新能源出力，在不同时段削减或升高电、热负荷，提高了新能源的消纳，降低了园区运行成本。

分析了不同舒适度对园区经济调度的影响。考虑了用户舒适度，使用户积极主动参与需求响应，实现了用户与园区共赢。考虑碳交易成本，挖掘了电转气设备的减排效益，进一步降低了园区运行成本，提高了P2G设备的经济实用性。