考虑可再生能源消纳的建筑综合能源系统日前经济调度模型_任炬光.pdf

新型电力系统DOI:10.15961/j.jsuese.202200925考虑可再生能源消纳的建筑综合能源系统日前经济调度模型任炬光1,2，张力1,2*，金立1，唐杨1，唐侨1,2，刘小兵1(1.西华大学 流体及动力机械教育部重点实验室，四川 成都 610039；2.西华大学 电气与电子信息学院，四川 成都 610039)摘要：“双碳”战略目标下，随着以新能源为主体的新型电力系统与分布式智能电网建设的不断推进，具有随机性特点的可再生能源发电大规模并网消纳问题日益凸显。本文面向建筑综合能源系统提出一种日前经济调度模型，旨在利用其多元化负荷需求与灵活性调节的特点，在满足用能需求与电网交互的基础上最大程度实现可再生能源的就地消纳。首先，根据建筑能耗特性，通过配置地源热泵等具有高能效比的电制热设备来解耦热电联产“以热定电”的运行模式、并引入含有蓄电池和储热罐的混合储能装置来进一步增强系统调节能力。然后，考虑供需平衡、设备出力、储能运行、联络线交换功率等约束条件，以含有机组启停、弃风弃光损失等费用在内的总运行成本最小为目标函数，建立日前经济调度模型，并调用CPLEX求解该混合整数线性规划问题。最后，根据设置的不同场景，以系统运行成本、能源利用率和可再生能源消纳能力为评价指标进行算例仿真。仿真结果表明：相较于传统的热电分供模式，设置地源热泵和混合储能系统的综合能源系统可以降低约50%的运行成本，能够提高近50%的能源利用率，且可以完全消纳可再生能源，并随着能量转换装置能效比的提升能够进一步的降低运行成本，具有较好的可操作性与社会经济效益。关键词：建筑综合能源系统；可再生能源消纳；地源热泵；混合储能中图分类号：TM721文献标志码：A文章编号：2096-3246（2023）02-0160-11Day-ahead Economic Dispatch Model of Building Integrated Energy SystemsConsidering the Renewable Energy ConsumptionREN Juguang1,2，ZHANG Li1,2*，JIN Li1，TANG Yang1，TANG Qiao1,2，LIU Xiaobing1(1.Key Lab.of Fluid and Power Machinery,Ministry of Education,Xihua Univ.,Chengdu 610039,China;2.School of Electrical and Electronic Info.,Xihua Univ.,Chengdu 610039,China)Abstract:With the continuous advancement of the construction of the power system with renewable energy as the main body and the distributedsmart grid,the problem of the large-scale integration and consumption of renewable energy generations with random characteristics has becomeincreasingly prominent under the strategic goals of“double carbon”.A day-ahead economic dispatch model for the building integrated energy sys-tem(BIES)was proposed in this paper.With its characteristics of multiple load requirements and flexible regulation,this model aimed to maxim-ize the local consumption of the renewable energy on the basis of meeting the energy demand and grid interaction.First of all,according to thecharacteristics of the building energy consumption,the“determining power generation by heat”operation mode of the combined heat and power(CHP)system was decoupled by configuring the ground source heat pump and other electrical heating equipment with high energy efficiency ra-tio.The hybrid energy storage system with battery and heat storage tank was also introduced to further enhance the system adjustment ability.Then,considering the constraints such as the supply and demand balance,the equipment output,the energy storage operation,and the tie-linepower exchange,the minimum total operating cost was taken as the objective function including the unit start-up,the unit shutdown,the loss of收稿日期:2022 08 31基金项目:国家重点研发计划项目（2018YFB0905200）；四川省教育厅自然科学重点项目（11ZA280）作者简介:任炬光（1997），男，硕士生.研究方向：综合能源系统运行优化.E-mail：*通信作者:张力，副教授，E-mail：网络出版时间:2023 02 26 19:42:43 网络出版地址:https:/ http:/http:/ 第 55 卷 第 2 期工 程 科 学 与 技 术Vol.55 No.22023 年 3 月ADVANCED ENGINEERING SCIENCESMar.2023wind and photovoltaic power generations.The day-ahead economic dispatch optimization model of the system was further established,andCPLEX was used to solve this mixed integer linear programming problem.Finally,the system operation cost,the energy utilization rate and therenewable energy consumption capacity were taken as the evaluation indicators for simulations under different scenarios.The simulation resultsshow that,compared with the traditional“heat and power distribution”mode,the BIES with the ground source heat pump and the hybrid energystorage system can reduce the operation cost by about 50%,and improve the energy utilization rate by about 50%.It can also completely con-sume the renewable energy generations.With the increase of the energy efficiency ratio of the energy conversion equipment,its operation cost canbe further reduced,which has good operability and socio-economic benefits.Key words:building integrated energy systems(BIES);renewable energy consumption;ground source heat pump;hybrid energy storage 随着可再生能源装机容量的不断升高，风电、光伏大规模并网消纳成为了制约新型电力系统快速发展的主要问题13。同时，建筑能耗约占能源总消耗量的40%，碳排放总量约占全国能源碳排放总量的50%，并且随着建筑总量的增加，该比例还将不断增高45。现有建筑普遍存在用能成本高、能源利用率低的问题。随着能源低碳化转型的提出和可再生能源的普及，光伏发电、风力发电、热电联产系统（com-bined heating and power，CHP）等技术应用于各类建筑，可以有效提高能源的利用效率，实现建筑物的节能减排，降低用能成本67。但由于电、热负荷之间的供需矛盾，CHP设备“以热定电”的运行模式易导致弃风弃光频发，造成可再生能源的严重浪费。因此，考虑基于建筑自身的能耗特性来构建综合能源系统将有助于促进光伏、风力发电和热电联产等分布式清洁能源联合供能，并且有利于促进光伏和风力发电等可再生能源的就地消纳89。针对建筑的多元化用能需求，现有研究广泛采用CHP设备提高能源利用率，实现建筑物的节能增效10。卞一帆等11提出一种将蓄热式电锅炉和冷热电三联产相结合的“电气互补冷热联供”弃风消纳模式，在消纳弃风的同时减少碳排放。金国锋等12基于NSGA算法，构建了考虑蓄热式电锅炉和CHP设备的多目标调度优化模型。Jiang等13研究了综合能源系统的供能灵活性，为系统保障能源供应质量、提高运行灵活性提供了重要依据。Chen等14提出来一种光伏燃气一体化综合能源系统，并利用帕累托方法选择节能、环保和经济性3个目标进行多目标优化。以上研究主要通过构建含CHP设备的综合能源系统节能降耗。但热负荷较大的时候，CHP设备会进入“以热定电”的运行模式，产生大量的弃风弃光。现有部分研究尝试采用蓄热电锅炉来解决该问题，但蓄热电锅炉的运行成本较高、经济性较差。在新型电力系统中，由于可再生能源发电的随机性和波动性，为进一步增加系统的调控灵活性，通常会配置储电设备来改善电能质量和维护系统稳定运行15。Wang等16针对可再生能源的间歇性和随机性导致的弃风弃光问题，分析了不同储电设备的技术经济特征。曹建伟等17通过构建冰蓄冷空调集群参与微网经济调度模型，分析并验证了冰蓄冷空调消纳可再生能源的调控优势。Wu18等提出了一种基于模糊多准则决策技术的两阶段规划模型，从发电、输电和用电等方面选择最具发展潜力的可再生能源与储能组合，最大化利用可再生能源。姜海洋等19从多能源形式、长时间尺度与跨空间范围这3个层面分析了季节性储能可以实现长时间尺度以及跨空间范围的大规模能量转移，是消纳高比例可再生能源的重要技术。上述研究多利用单一储电模式来消纳可再生能源，没有充分的利用综合能源系统异质能源间的耦合特性，且现有的电储能设备投资成本较高，经济性相对较差。综上所述，首先，通过配置能源转换效率高的地源热泵来优化系统的供能结构，提高能源的利用效率，并实现CHP设备的热电解耦。然后，引入含有蓄电池和储热罐的综合储能系统，充分利用异质能源间的耦合特性，实现不同能源间的优势互补，提高储能设备调控能力，进一步促进可再生能源消纳，降低用能成本。因此，本文提出一种考虑可再生能源消纳的建筑综合能源系统（building integrated energy system，BIES）日前经济调度模型。以调度周期内综合能源系统运行成本、设备启停成本、环境成本以及弃风弃光惩罚成本最小为目标建立经济调度模型，求解系统各时段机组出力，并计算各评价指标，然后通过对不同场景下优化结果进行对比分析，进一步论证本文所提调度方法的优势。1 建筑综合能源系统建模 1.1 建筑能耗特性分析以办公建筑为例，其用能需求主要包含采暖、空调、照明、办公、动力、综合服务等负荷20。因此，在供暖季典型日中，办公建筑通常只含有电负荷和热负荷，且供热负荷远大于用电负荷，热水负荷可忽略。建筑能耗具有明显的时间特性，典型办公建筑能耗特性曲线如图1所示20。第 2 期任炬光，等：考虑可再生能源消纳的建筑综合能源系统日前经济调度模型161 1.2 BIES系统描述本文以某办公建筑为研究对象构建建筑综合能源系统，其中，能量生产单元有光伏发电、风力发电和CHP设备（燃气轮机、余热锅炉），能量转换单元有地源热泵，能量存储单元有蓄电池和储热罐，用能单元即用户的用能需求有电负荷和热负荷其系统结构如图2所示。系统中CHP机组是集发电、供热为一体的供能系统，主要包括燃气轮机和余热锅炉两部分。燃气轮机通过燃烧天然气带动叶轮旋转发电，并且将燃烧排出的高温余热经余热锅炉回收进行二次利用，实现能量的梯级利用，有利于提高能源的利用效率21。但由于CHP输出的电功率和热功率之间存在耦合关系，CHP是根据供热负荷的大小来确定发电量，即“以热定电”运行模式，如在提高供热量的同时将提高供电量，进一步导致系统中电能过剩。即使是相较于背压式具有更高灵活性的抽凝式CHP机组，也是在热负荷水平较低时通过减少供热，将多余的供热蒸汽用来发电，对可再生能源消纳并没有明显的提升作用。进一步挤占了可再生能源出力的消纳空间。针对CHP设备“以热定电”所导致的弃风弃光问题，地源热泵可以从两个方面提升可再生能源的消纳空间。首先，地源热泵作为一个用电设备来消纳可再生能源发电。其次，地源热泵可以供应大量的热能，以减少CHP设备供热量，进一步减少燃气轮机的发电功率。同时，相较于电锅炉、空调等传统的电制热设备，地源热泵的能效比（coefficient of performance，COP）更高，供热效率更高22。因此，为进一步促进可再生能源消纳，引入具有高能效比的地源热泵，可以优化系统供能结构，实现对CHP设备的热电解耦。同时，由于混合储能装置具有能量转移能力，如：蓄电池可以在电负荷低谷但风电高发的夜间时段储电并用于供电高峰期，储热罐可以在热需求高峰期供热，减少CHP设备供热量，进一步减少其发电功率，以消纳可再生能源。因此，为了促进时段性的可再生能源消纳，引入储能设备提高系统的运行灵活性，实现能量在时间上的转移23。1.3 基本设备模型1）光伏机组光伏机组出力与光照强度、环境温度等多个因素相关，为了便于计算，采用简化的光伏阵列模型：PnomPV(t)=L(t)MPVPV（1）PnomPV(t)L(t)MPVPV式中，为t时刻光伏机组的发电功率，为t时刻光照强度，为光伏机组接受光照的面积，为光电效率。2）风电机组风电机组可以将风能转换为电能，且风机的出力与实时风速有关，其出力表达式可以表示为：PnomWT(t)=|0,v(t)vout;PWTv(t)vinvnomvin,vin v(t)vnom;PWT,vnom v(t)vout（2）PnomWT(t)PWTvoutv(t)vinvnom式中，为风电机组t时刻的发电功率，为额定电功率，为切出风速，为风速，为切入风速，为额定风速。3）CHP设备CHP设备电功率和余热锅炉回收的热功率可表示为：PCHP(t)=FCHP(t)eGCHP(t)Hgas（3）HCHP(t)=FCHP(t)GTEBGCHP(t)Hgas（4）FCHP(t)PCHP(t)GCHP(t)eGTEBHCHP(t)Hgas式中：为t时刻消耗的天然气量；为t时刻输出的电功率；为t时刻消耗的天然气；为电效率；为的热效率；为余热锅炉的热回收效率；为t时刻输出的热功率；为天然气热值，取值为9.73 kWh/m3。4）燃气锅炉模型燃气锅炉是通过燃烧天然气对外供能的设备。其出力表达式为：02：0004：0006：0008：0010：0012：0014：0016：0018：0020：0022：0024：00热负荷电负荷功率/kW时刻1 5001 2009006003000图 1办公建筑能耗特性20Fig.1Energy consumption characteristic of office build-ing20 电网天然气网天然气流风电光伏蓄电池燃气轮机余热回收地源热泵储热罐电负荷热负荷电能流热能流图 2办公建筑综合能源系统结构Fig.2Integrated energy system structure of office build-ing 162工程科学与技术第 55 卷QGB(t)=FGB(t)GBHGB（5）QGB(t)FGB(t)GB式中，为t时刻燃气锅炉供热量，为t时刻燃气锅炉消耗的天然气量，为燃气锅炉的热效率。1.4 能量转换及存储设备模型1）地源热泵地源热泵是一种利用地下浅层地热资源消耗少量的电能实现低品位热能向高品位热能转移进行供热的设备。地源热泵的出力可以表示为：HHP(t)=PHP(t)HP（6）HHP(t)PHP(t)HP式中，为t时刻输出的热功率，为t时刻消耗的电功率，为制热COP。2）空调空调供热是通过消耗电能来启动压缩机，利用汽化的吸热和液化的放热来供热。其数学模型可表示为：QAC(t)=PAC(t)AC（7）QAC(t)PAC(t)AC式中，为用户空调t时刻输出的热功率，为用户空调t时刻消耗的电功率，为用户空调的制热能效比。3）储电设备一般多采用蓄电池作为储电设备，考虑蓄电池的效率以及耗散率，蓄电池的数学模型一般表示为：SBat(t)=SBat(t1)(1Bat)+PchaBat(t)chaBatPdisBat(t)/disBat（8）SBat(t)BatPchaBat(t)PdisBat(t)chaBatdisBat式中，为t时刻蓄电池存储的电能，为蓄电池的耗散率，为t时刻的充电功率，为t时刻的放电功率，为充电效率，为放电效率。4）储热设备一般多采用储热罐作为储热设备，考虑储热罐的效率以及耗散率，储热罐的数学模型一般表示为：SHot(t)=SHot(t1)(1Hot)+HchaHot(t)chaHotHdisHot(t)/disHot（9）SHot(t)HotHchaHot(t)HdisHot(t)chaHotdisHot式中，为t时刻储热罐存储的热能，为储热罐的耗散率，为t时刻的储热功率，为t时刻的放热功率，为储热效率，为放热效率。2 建筑综合能源系统的经济调度模型以系统用能成本、设备启停成本及弃风弃光惩罚成本最小为目标，在获得日前负荷值和可再生能源发电量的基础上，计算建筑综合能源系统各机组的最优出力，并制定日前经济调度计划。2.1 目标函数模型以建筑综合能源系统的燃气轮机启停成本、弃风弃光惩罚成本和调度周期内总运行成本最低为目标函数，其表达式为：min F=FGrid+FOm+FGas+FWP+FGT+FEn（10）FGridFOmFGasFWPFGTFEn式中，为购电成本，为运维成本，为购气成本，为弃风弃光成本，为燃气轮机启停成本，为环境成本。1）购电成本购电成本的表达式为：FGrid=Tt=1(fbuy(t)Pbuy(t)fsell(t)Psell(t)（11）Pbuy(t)Psell(t)fbuy(t)fsell(t)式中，和分别为t时刻的购电功率和售电功率，和分别为t 时刻的购电价格和售电价格。2）设备运行维护成本设备运行维护成本的表达式为：FOm=Ni=1Tt=1(fOm,iPout,i(t)（12）Pout,i(t)fOm,i式中，为设备i在t时刻的输出功率，为设备i单位输出功率的运维费用。3）购气成本购气成本的表达式为：FGas=Tt=1GCHP(t)fGas（13）fGas式中，为购气价格。4）弃风弃光惩罚成本弃风弃光惩罚成本的表达式为：FWP=Tt=1PWP(t)fWP（14）弃风弃光量的计算公式：PWP(t)=PnomPV(t)+PnomWT(t)PPV(t)PWT(t)（15）PWP(t)fWP式中，为t时刻弃风弃光功率，为弃风弃光惩罚成本系数。光伏和风电的实际消纳量应小于光伏和风电的发电功率：PnomPV(t)PPV(t)（16）PnomWT(t)PWT(t)（17）5）燃气轮机启停成本由于燃气轮机启停需要消耗额外的天然气，且频繁的启停会增加其维护费用，降低其使用寿命。启停成本可表示为：FGT=Tt=1GT(t)(1GT(t+1)fGT（18）GT(t)fGT式中：为燃气轮机t时刻启停状态的01变量，其中，0表示停止，1表示启动；为启停惩罚费用系数。第 2 期任炬光，等：考虑可再生能源消纳的建筑综合能源系统日前经济调度模型1636）环境成本环境成本的表达式为：FEn=Pi=1iEs=1Tt=1Ps(t)s,i（19）iPs(t)s,i式中，为第i种污染物治理费用，P为污染物种类，为第s种设备t时刻的出力，E为设备种类，为第s种设备第i种污染物的排放系数。2.2 约束条件1）供需平衡约束系统能量的供需平衡主要包括电功率平衡（式（20）和热功率平衡（式（21）。Pbuy(t)Psell(t)+PPV(t)+PCHP(t)+PWT(t)+PdisBat(t)=Pload(t)+PHP(t)+PchaBat(t)（20）HCHP(t)+HHP(t)+HdisHot(t)=Hload(t)+HchaHot(t)（21）Pload(t)Hload(t)PPV(t)PWT(t)式中，为用户t时刻的电负荷，为用户t时刻的热负荷，为t时刻实际消纳的光伏出力，为t时刻实际消纳的风电出力。2）设备运行约束当燃气轮机的出力降低时，其发电效率也会随之降低。因此，通常会为其设置一个切除功率，燃气轮机的出力必须大于切除功率，否则将停机。式（22）是燃气轮机的出力约束：GT(t)GTPmaxGT PCHP(t)GT(t)PmaxGT（22）GTPmaxGT式中，为燃气轮机的切除系数，为燃气轮机的最大输出功率。其余设备的供能效率基本不会随着出力的变化而变化，其运行约束如下：0 Ps(t)Pmaxs（23）Ps(t)Pmaxs式中，为设备s在t时刻的出力，为设备s的最大出力。3）储能运行约束储能设备只能在时间尺度上转移能量，既不能生产能量也不会消耗能量。因此，在日前调度优化中通常要求储能设备在调度周期前后储能量保持一致。式（24）约束储能量在调度周期前后保持一致；式（25）约束储能设备的储能量；式（26）和（27）约束储能设备的充放能功率，并保证储能不能同时充放能。S(tstart)=S(tend)（24）Smin S(t)Smax（25）0 Pcha(t)CapPmaxcha（26）0 Pdis(t)(1Cap)Pmaxdis（27）tstarttend式中：和分别为调度周期的起始、结束时刻；SminSmaxPcha(t)PmaxchaPdis(t)PmaxdisCap和分别为储能设备储能的下限和上限；为t时刻的充能功率；为最大充能功率；为t时刻的放能功率；为最大放能功率；为储能设备充放能状态的01变量，其中，1为储能设备充能。4）联络线约束联络线约束是为了限制系统向大电网购电和售电的功率上限并且约束系统的购售电状态。限制系统购、售电功率的上限，即：Pbuy+Psell PmaxGrid（28）PmaxGrid式中，为购电和售电的功率上限。限制系统不能同时购电和售电，即：PbuyPsell=0（29）2.3 评价指标对不同场景下建筑综合能源系统能源利用率、可再生能源消纳率这两个指标进行计算以验证本文所提方法的实用性。1）能源利用率能源利用率是指系统有效利用的能量与实际消耗的能量的比率，可以有效地衡量系统对综合能源的利用情况，是一种衡量能源利用水平和经济性的一项综合性指标。能源利用率的计算公式为：IES=Tt=1(Psell(t)+Pload(t)+Hload(t)Tt=1(Pbuy(t)P+GCHP(t)+PWT(t)+PPV(t)（30）P式中，为系统中发电厂的平均供电效率。2）可再生能源消纳率可再生能源消纳率可以有效地衡量系统对可再生能源的利用情况，是评价可再生能源消纳的重要指标。可再生能源消纳率的计算公式为：RES=Tt=1(PWT(t)+PPV(t)Tt=1(PnomWT(t)+PnomPV(t)（31）PnomWT(t)PnomPV(t)式中，和分别为t时刻风电机组与光伏机组的总发电功率。2.4 求解流程综上，本文研究的考虑可再生能源消纳的建筑综合能源系统日前经济调度模型是一个混合整数线性规划问题，由于不存在非线性项，为了保证求解的速度和全局最优性，选择采用MATLAB软件中的YALMIP工具箱调用CPLEX求解。具体求解流程如图3所示。164工程科学与技术第 55 卷具体步骤为：步骤1：构建如图2所示的建筑综合能源系统。步骤2：构建系统内各机组及储能设备能源耦合与能耗特性模型。步骤3：输入电负荷、热负荷、风力和光伏发电的数据、购售电价信息、天然气价格信息、相关设备参数、污染物排放数据及其治理费用信息等数据。步骤4：以系统用能成本、设备启停成本及弃风弃光惩罚成本最小为目标，构建建筑综合能源系统日前经济调度模型。步骤5：采用MATLAB软件中的YALMIP工具箱调用CPLEX求解，求解该混合整数线性规划问题。步骤6：对建筑综合能源系统能源利用率、新能源消纳率这两个指标进行计算以验证本文所提方法的实用性 3 算例分析 3.1 算例参数选取办公建筑综合能源系统为研究对象，其系统结构如图2所示。天然气的低热值为9.73 kWh/m3，购气费用为3.15元/m3，大电网平均供电效率为35%。蓄电池和储热罐的充放功率上限为25%，储能上下限分别为80%和20%，初始储能量为20%，耗散率分别为0.1%和1.0%，设备的安装容量及其相关参数见表124。购售电采用分时电价，选取00：0007：00、23：0024：00为用电低谷期，购售电价分别为0.474 8元/kWh和0.237 4元/kWh；选取08：0011：00、18:0023：00为用电高峰期，购售电价分别为1.345 8元/kWh和0.672 9元/kWh；其余时段为平时段，购售电价分别为0.900 3元/kWh和0.450 15元/kWh。其污染物排放数据及其治理费用见表225。选取供暖典型日进行算例分析，综合能源系统负荷曲线及可再生能源出力曲线如图4所示2627。表 1建筑综合能源系统设备参数24Tab.1 Equipment parameters of BIES24 设备名称维护费用/（元kW1）安装容量/kWCOP风机0.01300光伏发电0.01500燃气轮机0.0255500.37余热锅炉0.0257500.9燃气锅炉0.009 77000.9空调0.009 79003.2热泵0.009 79004.4储电0.001 85000.9储热0.001 65000.9 表 2污染物排放数据及其治理费用25Tab.2 Pollutant emission data and treatment costs25 污染物燃气轮机污染物排放量/（gkWh1）燃气锅炉污染物排放量/（gkWh1）购电/（gkWh1）治理费用/（元t1）SO20.0230.0236.41 000NOx4.7954.7952.321 950CO2170.16170.166969.75粉尘000.4125 开始场景设置针对不同的供能场景分别构建建筑供能系统模型输入数据（负荷、可再生能源、电价、设备参数等）建筑综合能源系统日前经济调度优化模型启停成本目标函数约束条件弃风弃光成本系统用能成本供需平衡约束设备运行约束联络线约束输出各机组最优出力，制定调度计划结束计算评价指标（能源利用率、可再生能源）调度结果的对比分析图 3BIES优化模型求解流程Fig.3Solving process of BIES optimal model 00：0002：0004：0006：0008：0010：0012：0014：0016：0018：0020：0022：0024：0002004006008001 0001 2001 400功率/kW热负荷电负荷 风电出力 光伏出力时刻图 4供暖典型日风、光、负荷曲线2627Fig.4Typical daily wind turbine,photovoltaic,and loadcurves in heating season2627 第 2 期任炬光，等：考虑可再生能源消纳的建筑综合能源系统日前经济调度模型165为验证地源热泵及热、电混合储能系统对提高系统可再生能源消纳能力、降低供能成本的有效性。本文设置了6个场景并对不同场景下建筑综合能源系统的日前调度结果进行对比分析，具体的场景设置见表3，其中场景3为本文所提经济调度模型。3.2 类场景日前经济调度结果分析配置地源热泵，选择配置储能的场景电能（功率）与热能（功率）优化调度结果如图5所示。由图5（a）、（d）可知：由于场景1没有配置储能设备，在00：0008：00负荷低而风电高发的时段，不能存储过剩的可再生能源发电，且该时间段热负荷也很低，无法通过地源热泵供热来消纳过剩的可再生能源，导致出现大量弃风弃光。在08：00时刻，由于电负荷较小、热负荷远大于电负荷且风电和光伏出力均较大，即使热泵达到最大功率，仍存在大量的风电和光伏无法消纳。由图5（b）、（e）可知：在场景2配置了储热设备之后，可以利用地源热泵和储热罐在00：0007：00时段将过剩的电能转化为热能存储起来，消纳部分可再生能源，仅在01：00和04：00存在部分弃风弃光。并且储热罐在08：0009：00热负荷高峰期供热，以减少CHP设备的供热，可有效地降低CHP设备的电功率、消纳更多的可再生能源。因此08：00的弃风弃光减少了92 kW。但由于储热罐容量较小、地源热泵COP较高，限制了储热罐的可再生能源消纳能力。由图5（c）、（f）可知：在场景3配置了储电设备之后，可以利用蓄电池将00：0007：00过剩的电能储存起来，完全消纳该时段的可再生能源，并且在09：0010：00的电负荷高峰时段放电，减小CHP设备的出力，提高系统的供能经济性。仅在08：00时刻，由于储电设备容量有限，仍有少量可再生能源无法完全消纳。但相较于储热设备，储电设备可直接消纳可再生能源，不需要通过热泵转换。因此，在同等容 表 3场景设置Tab.3 Scene setting 分类编号具体描述类1配置地源热泵，选择配置储能地源热泵，无储能2地源热泵，无储电，含储热3地源热泵，无储热，含储电类1配置混合储能，选择配置电制热设备燃气锅炉，含混合储能2空调供热，含混合储能3地源热泵，含混合储能 1 0509007506004503001500150300450600750900电功率/kW时刻1 4001 2001 00080060040020002004006008001 0001 2001 400热功率/kW储热罐储热量余热锅炉供热用热负荷储热罐放热量热泵供热02：0004：0006：0008：0010：0012：0014：0016：0018：0020：0022：0024：0002：0004：0006：0008：0010：0012：0014：0016：0018：0020：0022：0024：0002：0004：0006：0008：0010：0012：0014：0016：0018：0020：0022：0024：001 0509007506004503001500150300450600750900电功率/kW时刻光伏购电功率燃气轮机供电量用电负荷风电售电功率热泵用电负荷弃风弃光光伏购电功率燃气轮机供电量用电负荷风电售电功率热泵用电负荷弃风弃光弃风弃光/kW10002003001000200300弃风弃光/kW1000200300弃风弃光/kW1 4001 2001 00080060040020002004006008001 0001 2001 400热功率/kW余热锅炉供热用热负荷热泵供热1 0509007506004503001500150300450600750900电功率/kW时刻(b)场景2 电功率（存在弃风弃光）(a)场景1 电功率（存在弃风弃光）(c)场景3 电功率（存在弃风弃光）光伏购电功率燃气轮机供电量用电负荷风电售电功率热泵用电负荷弃风弃光蓄电池充电量蓄电池放电量1 5001 2501 00075050025002505007501 0001 2501 500热功率/kW余热锅炉供热热泵供热用热负荷02：0004：0006：0008：0010：0012：0014：0016：0018：0020：0022：0024：00时刻02：0004：0006：0008：0010：0012：0014：0016：0018：0020：0022：0024：00时刻02：0004：0006：0008：0010：0012：0014：0016：0018：0020：0022：0024：00时刻(d)场景1 热功率(e)场景2 热功率(f)场景3 热功率 图 5场景优化调度结果Fig.5Scenario optimization scheduling results 166工程科学与技术第 55 卷量下储电设备可以消纳更多可再生能源。3.3 类场景日前经济调度结果分析配置混合储能，选择配置电制热设备的场景电能（功率）与热能（功率）优化调度结果如图6所示。由图6（a）、（d）可知：由于场景1采用的是传统的热电分供系统来供能，没有电制热设备来实现CHP设备的热电解耦，导致CHP设备在供热的同时产生大量的电能，但是系统无法同时消纳这些电能和可再生能源发电，使得系统向电网大量售电，且会产生较大的弃风弃光。因此，在电负荷较小、热负荷较大且风电和光伏发电功率较大的时刻（08：00），CHP设备实行“以热定电”的运行模式，导致产生大量的弃风弃光。由图6（b）、（c）可知：场景2和场景3由于加入了空调和地源热泵这样的电制热设备，可以打破CHP“以热定电”的运行约束，极大地促进了可再生能源的消纳，可以完全消纳可再生能源，且售电量也远小于场景1。场景2和场景3通过电制热设备可以协同利用蓄电池和储热罐，消纳更多的可再生能源。由图6（e）、（f）可知：场景3和场景2的主要区别在于地源热泵可以利用地热资源，COP更高，电制热的效率更高。因此地源热泵的供热效益要高于空调，所以场景3中地源热泵的供热量占总热负荷的70%，而场景2中空调的供热量只占总热负荷的60%。由于场景3中地源热泵的供热效率较高，在场景2售电的部分时刻利用电能供热的效益超过了直接向电网售电的效益，因此场景3的售电量远小于场景2的售电量。各场景系统运行成本及评价指标见表4。由表4可知：场景3较场景1、场景2和场景3总运行成本分别降低了16.63%、9.08%、4.57%，能源利用率分别提高了1.44%、1.72%、1.50%。因此，配置储能设备可有效提高可再生能源的消纳能力，并具有良好的经济效益。由于采用了COP远大于1的电制热设备（热泵的COP为4.4），因此能源利用率大于100%。场景3较场景1和场景 02：0004：0006：0008：0010：0012：0014：0016：0018：0020：0022：0024：00时刻02：0004：0006：0008：0010：001