考虑需求响应的乡村综合能源系统源网荷储协调规划模型研究.pdf

:/考虑需求响应的乡村综合能源系统源网荷储协调规划模型研究刘莹 宋丽敏 龚强 吕森 陈森 谢宁(.国网河南省电力公司驻马店供电分公司 河南 驻马店.上海交通大学电子信息与电气工程学院 上海)摘 要:为推进综合能源系统源网荷储一体化发展 促进综合能源系统清洁化转型建设 满足能源行业转型升级对于综合能源系统“低化石能源消费量、高能源利用效率”的要求 提出一种乡村型综合能源系统源网荷储协调规划模型 相较于传统综合能源系统规划方法 模型考虑了需求响应及储能在提升综合能源系统能源利用效率方面的作用 并对系统的碳排放成本加以考量 以提升减碳效益 以浙江省某乡村型综合能源系统为例进行实例分析 并将仿真结果与原始能源消耗及碳排放情况进行对比 结果表明所提出的综合能源系统源网荷储协调规划模型在降低系统能源消耗量、减少系统碳排放方面具有良好效果 所提出的协调规划方法具有良好实际应用价值关键词:综合能源系统 源网荷储 需求响应 协调规划中图分类号:文献标志码:文章编号:()基金项目:国家重点研发计划项目()收稿日期:修回日期:(.):“”.:第 卷第 期 湖 南 电 力 年 月 引言随着能源短缺和环境污染问题日益严峻 传统化石能源开发利用的局限性越来越明显 能源结构亟待调整 能源多样性亟待开发 为此 国内外学者提出并研究了综合能源系统()的概念 指在规划、建设和运行等过程中 通过对能源的产生、传输、转换分配、存储、消费等环节进行有机协调与优化后 形成的多种能源形式互补共济的产供销一体化系统是组成能源互联网的物理载体 相比于电力系统 综合能源系统将单一的电能形式扩充为电、气、冷、热多种能源形式 每种能源系统不仅可以利用自身的灵活性资源 还可以利用不同能源形式之间的转换、替代、互补共济达成供需平衡的目标 传统的综合能源系统规划方法往往对电力网络、热力网络、天然气网络及其配套设施进行独立规划 各种能源形式与负荷之间各自匹配 随着分布式能源系统的不断发展 在用户侧就地解决一部分负荷需求成为可能 不仅损耗低 而且利于用户直接观测分布式能源的出力情况 灵活调整自身的 用 能 行 为 同 时 需 求 响 应()、多元化储能装置等电力系统概念在综合能源系统中的应用也越来越得到重视文献 提出了一种基于冷热电联产系统()耦合的区域综合能源系统规划方法 对网架结构及 选址定容进行综合规划 得出结论认为用 作为耦合枢纽的综合能源系统具有更高的经济性 文献 针对用户侧综合能源系统 耦合能量互动机制和区间规划方法 以源荷波动的置信区间量化不确定性 综合考虑多个约束条件和设备容量配置优化 采用混合整数线性规划求解最优解 文献 提出面向园区微网的综合能源系统多目标优化设计方法 以两阶段优化和基于证据推理的决策方法得到最优方案 以年总费用、污染排放和能耗为优化目标 结果显示 所提方法在经济、环境和能源方面效益优于单供系统和“热电联供”策略 文献 针对电热氢综合能源系统 生成极限场景 并以经济成本最小、风光消纳率最大和供能不足最小为优化目标进行容量配置以考虑不确定性因素影响和兼顾多种规划需求 文献 提出了一个综合考虑冷、热、电负荷平衡的综合能源系统规划模型 模型包括扩建变电站、建设分布式冷热电联产和空调等投资规划选项 可实现更平衡、高效的能源分配 降低系统中用户用能成本 文献 针对多区域综合能源系统的冷热电联供系统和热网提出了一种混合整数线性规划模型 该模型结合能量平衡约束和热网模型 考虑了节点流量平衡、热能流量约束和热损平衡约束等因素 文献 提出了一种基于通用代数建模软件的综合能源系统规划模型 考虑了电力和天然气网络的综合规划 以寻找 和辅助锅炉的最优容量和运行方式 文献 建立了以电为核心的综合能源系统两层优化规划模型 以系统优化运行指标为系统规划优化依据 分别以经济性和环保性为优化目标 该模型重点考虑采暖和空调期综合能源系统的运行约束 文献 在综合能源系统优化调度的基础上引入综合需求响应 利用不同形式能源间的相互转化关系 实现削峰填谷 提高能源利用效率 计及综合需求响应策略建立了基于电价的电力负荷需求响应和基于激励的热负荷需求响应模型 并以运行成本最小为目标函数 提出了综合考虑供需平衡和供储能设备约束的综合能源系统调度模型 文献 运用场景分析法建模可再生能源出力随机性 并考虑设备特性建立了区域综合能源系统模型 用 和 工具箱进行仿真分析 求得了最佳出力、机组组合和不同调度模式下的总运行成本 文献 提出了一种冷热电联供系统的综合能源系统三级协同整体优化方法 以年能源利用率、二氧化碳排放量和运行成本为目标 运用离散粒子群算法确定了设备选型、容量和运行参数 文献 引入碳交易机制 以奖惩阶梯型碳交易成本模型约束碳排放量 再建立以综合能源系统投资成本、运行成本和碳交易成本之和最小为目标的规划模型 采用两阶段鲁棒优化模型处理电负荷、热负荷和电热可转移负荷的不确定性 文献 提出了考虑时序的园区综合能源系统多阶段规划方法 将规划周期分为多个阶段 在每个阶段初期增加设备投入以满足长时间尺度下负荷增长需求 以全寿命周期成本最低为目标 建立多阶段规划模型 混合整数线性规划算法进行求解 文献 提出了一种基于生光耦合利用的乡村电热综合能源系统多目标规划方法 对热网虚拟储能功能、农业生产可调控负荷进行建模分析 并以经济性、环保性以及能效性为优化目标 考虑投资能力、设备运行和能量平衡等约束 建立了乡村综合能源系统规划优化模型 文第 卷第 期 湖 南 电 力 年 月献 提出了一种包含乡村多元产业、垃圾废物处理与可再生能源发电的乡村综合能源系统规划模型 对粪污制气设施与垃圾热解气化发电设施的废物处理与能源产出进行建模 并结合乡村综合能源系统对电、热、燃气多类型能源负荷的需求特性与耦合特性 并考虑多元产业之间的协同 建立了乡村多能源综合体的能源需求模型 文献 在乡村能源系统规划方法中考虑供能成本与碳排放权收益 建立了基于有线能源网络和移动能源网络的乡村多能源供能成本、碳排放权收益与可靠性、环境约束间的协同优化方法与多能源网络联合规划模型目前针对综合能源系统规划的研究大部分未充分考虑系统中灵活性资源的利用 尤其是未充分挖掘需求响应与储能的灵活配置潜能 本文建立的乡村型综合能源系统源网荷储规划模型考虑了综合需求响应及沼气系统在提升能源利用效率方面的作用 并将储能设备纳入模型中 同时对系统的碳排放成本加以考量 以提升减碳效益 源网荷储协调规划模型 系统结构框架及协调规划流程乡村 系统结构框架如图 所示 按照能源的流动过程可将 系统分为能量生产、转换、利用、储存四个部分 其中 能量生产是指电力、天然气由上级天然气网、电网及分布式电源输入 的过程 能量转换指天然气及电能经由燃气锅炉()、电热锅炉()、热电联产装置()实现相互转换、互补互济以满足 系统中多形式能源需求的过程 能量储存即利用储电及储热装置实现能量供应的削峰填谷、提高能量利用效率 能量利用即对电、热、气负荷需求节点直接进行能量供应图 乡村 结构框架参考传统配电网 可以定义 在源、网、荷、储四个层面的可规划灵活性资源 在源侧 主要考虑分布式能源系统 如、等可按用户的需求就地生产并供应中、小型能量转换利用系统 在网侧 由于 涉及网架结构较为复杂且目前网架规划方法较为成熟 故本文不再对网架结构进行规划 在荷侧 相对于电力系统中的需求响应 中存在综合需求响应 在本文所构建的协调规划模型中考虑综合需求响应中的可中断负荷 在储侧 由于 涉及电、热等多种能量形式 因此在模型中对电储能及热储能加以考虑 在源网荷储四个层面灵活性资源的基础上 以投资、运行成本最小化为目标对 进行规划 本文所构建的综合能源系统源网荷储协同规划模型如图 所示图 综合能源系统源网荷储协同规划模型 系统协调规划模型 目标函数优化模型的主要目标是使 在多阶段规划中的建设和运行成本最低 因此以 建设总年预期成本作为目标函数 其中总年预期成本由 年规划成本、年运行成本两部分构成:()()()()()()()()第 卷第 期 刘莹等:考虑需求响应的乡村综合能源系统源网荷储协调规划模型研究 年 月 ()()()()()()()式中 为不考虑综合需求响应时的 总年预期成本 为 年规划成本 为不考虑综合需求响应时的 年运行成本 为 中各设备初始投资成本 为 中各设备运行维护成本 为等年值系数 为第 种设备单位功率建设成本 为第 种设备额定功率 为第 种设备单位容量建设成本 为第 种设备额定容量为第 种设备单位功率运行维护成本 为贴现率 为 向上级能源网购电、气成本 为 中各设备老化损耗成本 为 碳排放惩罚成本 为 时刻 向上级电网购电价格()为 时刻 向上级天然气网购气价格 为第 种设备输出功率 为第 种设备单位电量老化退化费用 为单位电量消耗碳排放惩罚成本 为单位天然气消耗量碳排放惩罚成本 为 时刻上级电网向 注入功率 为 时刻天然气网向 注入天然气功率 约束条件优化模型的约束条件来自于两方面 其一为 整体功率平衡约束与各出力主体功率限制约束 其二为由 中各设备自身技术特性决定的设备运行特性约束)整体功率平衡约束与各出力主体功率限制约束 整体功率平衡约束 ()式中 为 时刻沼气系统的输入功率 与生物质资源的多少、能源需求的大小相关 为 时刻 用电负荷 为 时刻储电装置输入功率 为 时刻 热能负荷 为 时刻储热装置输入功率 为 时刻 天然气负荷各出力主体功率限制 ()()()()式中 为 时刻 机组的天然气输入功率 为 机组输入功率的最大值 为 时刻输入 的电能功率 为 输入功率最大值 为 时刻输入 的天然气功率为 产热功率最大值 为沼气系统 时刻的输入功率 为沼气系统的输入功率的最大值)设备运行特性约束热电联产机组()()式中 为 时刻 机组的电能输出功率为 时刻 机组的热能输出功率 为 机组的发电效率 为 机组的产热效率电热锅炉()()式中 为 时刻电热锅炉的产热功率 为电热锅炉的产热效率燃气锅炉()()式中 为 时刻燃气锅炉的产热功率 为燃气锅炉的产热效率储能装置()/()()()()()()式中 为储能额定容量 为储能额定充放能第 卷第 期 湖 南 电 力 年 月功率 为能量倍率系数 由储能持续放能时长决定 为储能设备在第 时刻的荷电状态 为储能在第 时刻的充能功率 为储能在第 时刻的放能功率 为储能设备的充/放能效率、分别为储能设备的最大、最小荷电状态、为限制储能充、放能状态的变量满足如下约束:()沼气供能系统沼气供能系统主要分布于乡村地区 乡村地区的生物质资源丰富 主要包括农林废弃物、生活污水、生活垃圾和禽畜粪便等 生物质资源通过厌氧消化技术产生沼气 驱动沼气发电机组发电 不仅可以直接满足气负荷需求 也能通过化学反应发电满足电负荷需求 发电产生的余热可以满足生活供热 同时沼液和沼渣也可以满足乡村温室大棚的热负荷需求 所以沼气系统可以理解为一种同时供给电、气、热负荷的特色优质能源 沼气系统的模型定义如式()()所示:()()()()式中 为 时刻沼气池产气速率 为甲烷分子质量 为甲烷气体摩尔体积 为生物甲烷势 为沼气池进料底物浓度 为沼气池容量 为水力滞留期 为 时段微生物最大比生长率 为动力学常数 为 时段料液温度为沼气池加热功率 为沼气池散热功率 为料液比热容 为料液密度 为 时刻沼气供能系统发电功率 为 时刻沼气供能系统热能输出功率 为 时刻沼气供能系统天然气输出功率 为用于发电的沼气比例为用于产热的沼气占比、分别为沼气能源等效转化为电能、热能的效率 为单位体积沼气的能量 考虑需求响应的 源网荷储协调规划模型 综合需求响应需求侧响应根据用户响应处于自发亦或是被动 可以分为基于价格的需求侧响应和基于激励的需求侧响应 前者是指电力用户响应市场电价的变化 包括实行分时电价、实时电价和峰谷电价等后者是指电力公司通过制定政策、与用户签订合同进行负荷的削减和平移 包括可中断负荷、可平移负荷、可转移负荷等 可中断负荷可中断负荷即在电网负荷高峰期或紧急情况下 电力公司可以强制予以断电的负荷 并为用户提供一定的补偿费用 补偿费用通常由容量补偿费用和电量补偿费用两部分组成 其中容量补偿费用仅与用户申报的最大中断容量有关 电量补偿费用由在实际调度中被中断的电量和合同中规定的电量补偿价格决定 ()()()式中 为可中断负荷补偿费用 为容量补偿费用 为电量补偿费用 为 时段实际中断负荷大小 为单位中断电量补偿价格 为表示可中断负荷调用状态的变量 表示未调用可中断负荷 表示调用可中断负荷 为负荷中断时段数 为单位中断容量补偿价格 为用户申报的最大中断容量 可转移负荷可转移负荷指在允许的一定范围内 可以将负荷的工作时间由一个时段转移至另一个时段 负荷工作是不连续的 只持续一个时段 需要用户与电力公司签订补偿协议来实现 补偿费用与负荷大小、负荷转移前后时段相关 ()式中 为可转移负荷补偿费用 为 时段实际中断负荷大小 为单位中断电量补偿价格 可平移负荷可平移负荷工作是连续的 通常跨过几个时段 在平移过程中 需要保持连续性 不能拆散到第 卷第 期 刘莹等:考虑需求响应的乡村综合能源系统源网荷储协调规划模型研究 年 月不同时段 需要用户与电力公司签订补偿协议来实现 补偿费用与负荷大小、负荷平移前后时段相关 ()式中 为可转移负荷补偿费用 为 时段实际中断负荷大小 为单位中断电量补偿价格 考虑综合需求响应的 协调规划模型 目标函数 ()()()式中 为考虑综合需求响应时的 总年预期成本 为考虑综合需求响应时的 年运行成本 为综合需求响应总补偿成本 约束条件在考虑综合需求响应的条件下 除由 中各设备自身技术特性决定的设备运行特性约束以外需要在系统整体功率平衡约束的基础上进行增补 即:()()()()()式中 为 时刻综合需求响应功率 、为影响因子 取 表示 时段接受来自其他时段的负荷 取 表示 时段移出负荷至其他时段 实例分析由于所构建的优化模型中涉及整数变量 采用 对所构建的协同规划模型进行优化求解 即在 上通过规划工具软件 进行数学建模 利用商业优化求解器 进行模型求解 考虑综合需求响应的优化配置结果以浙江省某乡村型综合能源系统数据为基础进行算例分析 该园区内设有分布式光伏发电机组、微风风机发电机组 装机容量分别为 、典型日光伏、风机出力情况如图 所示该乡村型 内存在电、热、天然气能源需求 典型日负荷曲线如图 所示图 典型日光伏、风机发电情况图 典型日园区负荷曲线系统内各待规划设备建设费用参数及其他各类运行费用参数见表、表 表 设备建设成本不同设备建设成本数值热电联供系统单位功率/(元)燃气锅炉单位功率/(元)电热锅炉单位功率/(元)电储能单位功率/(元)单位容量/(元()热储能单位功率/(元)单位容量/(元()第 卷第 期 湖 南 电 力 年 月表 运行成本参数成本类型数值向上级电网购电/(元()向上级电网购气/(元()热电联供系统老化/(元(年)燃气锅炉老化/(元(年)电热锅炉老化/(元(年)电储能老化/(元(年)热储能老化/(元(年)电储能维护/(元(年)热储能维护/(元(年)可中断电负荷补偿价格/(元)可中断气负荷补偿价格/(元)将以上数据代入协调规划模型进行求解 得到该乡村型 中各设备容量配置情况见表 表 考虑综合需求响应的 各设备容量配置情况不同设备容量数值热电联供系统/燃气锅炉/电热锅炉/沼气系统/电储能/()热储能/()计算可得 在考虑 综合需求响应的情况下 系统年预期向上级电网购电成本为 万元向上级天然气网购气成本为 万元 二氧化碳年排放量为 未考虑综合需求响应的优化配置结果将相同的初始条件代入未考虑综合需求响应的 源网荷储协调规划模型 可得到该乡村型 的协调规划结果见表 表 未考虑综合需求响应的 各设备容量配置情况不同设备容量数值热电联供系统/燃气锅炉/电热锅炉/沼气系统/电储能/()热储能/()代入表、表 中成本参数进行计算 可知在未考虑 综合需求响应的情况下 购电成本与购气成本分别为 万元和 万元 二氧化碳年排放量为 对比可知 将综合需求响应纳入协调规划模型可使乡村型 向上级能源网购入的电能、天然气得到大幅削减 在所使用的实例中 可使 获取 万元的年运行成本削减 因而产生的碳排放削减量为 因此 乡村型 源网荷储协同规划模型可以在很大程度上减少 对于外界能源供应的需求量 且由于储能设备的加入 可以促进系统内可再生能源的消纳 提高能源利用效率 结语本文提出一种考虑综合需求响应的乡村型综合能源系统源网荷储协调规划模型 在传统规划方法的基础上 考虑了多能源综合需求响应、多类型分布式能源机组、电储能及热储能设备对于提升综合能源系统能源利用效率与降低碳排放量的作用 并在目标函数中加入了碳排放惩罚成本以进一步增强综合能源系统节能减排特性 以浙江省某乡村型综合能源系统进行了算例分析 结果显示所提出的考虑综合需求响应的协调规划模型在提升综合能源系统能源利用效率、减少综合能源系统对外界能源供应的依赖、实现碳排放减少方面有较好效果在未来的研究中 可以对储能的类型加以丰富 针对各类型储能装置充放电特性的不同对各储能设备进行合理组合 最大化系统的能量利用效率 同时 本研究中未考虑综合能源系统中的能量传输损耗 未来应在规划模型中计入能量损耗参考文献 贾宏杰 王丹 徐宪东 等.区域综合能源系统若干问题研究.电力系统自动化 ():.吴建中.欧洲综合能源系统发展的驱动与现状.电力系统自动化 ():.王伟亮 王丹 贾宏杰 等.能源互联网背景下的典型区域综合能源系统稳态分析研究综述.中国电机工程学报 ():.:.():.权超 董晓峰 姜彤.基于 耦合的电力、天然气区域综第 卷第 期 刘莹等:考虑需求响应的乡村综合能源系统源网荷储协调规划模型研究 年 月合能 源 系 统 优 化 规 划.电 网 技 术 ():.杨冬锋 申怡然 姜超 等.基于区间线性规划的用户侧综合能源系统源储配置方法.电网技术 ():.周灿煌 郑杰辉 荆朝霞 等.面向园区微网的综合能源系统多 目 标 优 化 设 计.电 网 技 术 ():.侯慧 刘鹏 黄亮 等.考虑不确定性的电热氢综合能源系统规划.电工技术学报 ():.():.王珺 顾伟 陆帅 等.结合热网模型的多区域综合能源系统协同规划.电力系统自动化 ():.():.于波 孙恒楠 项添春 等.综合能源系统规划设计方法.电力建设 ():.李政洁 撖奥洋 周生奇 等.计及综合需求响应的综合能源系统 优 化 调 度.电 力 系 统 保 护 与 控 制 ():.刘涤尘 马恒瑞 王波 等.含冷热电联供及储能的区域综合能源系统运行优化.电力系统自动化 ():.赵峰 张承慧 孙波 等.冷热电联供系统的三级协同整体优化设计方法.中国电机工程学报 ():.张晓辉 刘小琰 钟嘉庆.考虑奖惩阶梯型碳交易和电热转移负荷不确定性的综合能源系统规划.中国电机工程学报 ():.曹严 穆云飞 贾宏杰 等.考虑建设时序的园区综合能源系统多阶段规划.中国电机工程学报 ():.王永利 韩煦 刘晨 等.基于生光耦合利用的乡村电热综合能源系统规划.电力建设 ():.李民 刘钦浩 赵冠 等.考虑多元产业协同的乡村综合能源系统规划.中国电力 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