赵安新 张智晟
(青岛大学电气工程学院 青岛 266071)
随着社会经济的持续发展，能源的消耗量与日俱增。国家近期提出了2030年以前实现碳达峰，2060年以前实现碳中和的目标[1-2]。这对我国未来资源配置效率和能源利用率提出了更高的要求。通过大力发展可再生能源发电，探索更加先进的能源生产消费一体化模式，加快我国能源行业转型[3-4]。风电等可再生能源发电方式具有不稳定的特点，仅通过现有的电力系统难以解决可再生能源的消纳问题，综合能源系统的大力发展为可再生能源提供了新的途径[5-6]。
综合能源系统(Integrated energy system，IES)利用不同的设备，通过能源的耦合、转化等过程，将电、气、热三种能源整合到一个系统中[7-8]。综合需求响应(Integrated demand response, IDR)通过价格调整或奖励机制，改变需求侧的负荷用能需求，降低需求侧负荷的峰谷差[9-11]。文献[12]通过引入人体(Predicted mean vote, PMV)和(Predicted percentage dissatisfied, PPD)指标，建立了多种类型的柔性负荷模型，综合能源系统的整体性能得到提升。文献[13]提出一种考虑风电消纳和运行经济效益的综合能源系统“源-网-荷-储”协同优化运行方法。文献[14]在综合能源系统中加入风电制氢系统，提高了风电的消纳量。在综合能源系统低碳调度方面。文献[15]提出碳捕集电厂(Carbon capture power plant, CCPP)-电转气(Power to gas, P2G)综合能源系统模型，降低整个系统的运行成本和碳排放，提高风电的消纳能力。文献[16]考虑了碳交易和柔性负荷，通过对包含9个能源集线器(Energy hub, EH)的IES进行仿真，分析表明了该模型能够减少碳排放，提高风电的利用率和IES的整体运行性能。
综上，国内外对含氢能源的综合能源系统研究较少。因此，本文构建了含制氢-储氢设备的综合能源系统低碳经济调度模型，计及电-气综合需求响应，确定了含碳排放惩罚成本的系统总成本最优目标函数，最后通过实际算例进行仿真分析，验证了本文所提模型的有效性和合理性。
本文所提及的综合能源系统是由电力系统、天然气系统以及热力系统构成的耦合系统。IES中所包含的制氢-储氢设备由电解装置(Electrolyzer)、储氢装置(Hydrogen storage, HS)以及燃料电池(Fuel cell, FC)组成，通过消耗富余风电，提升可再生能源的消纳水平。利用燃气轮机(Gas turbine, GT)、热电联产机组(Combined heating and power, CHP)、电锅炉(Electric boiler, EB)等设备实现电、气、热三种能源的转化，提升异质能源的利用率。含制氢-储氢设备的综合能源系统结构如图1所示。
图1 含制氢-储氢设备IES结构图
本文中价格型需求响应通过价格弹性矩阵表示，其中自弹性系数表示的是同时间段内价格变化与用电负荷变化的关系，互弹性系数表示的是不同时间段的价格变化率与当前时间段用电负荷量变化率的关系。通过分时电价的控制策略，将每个调度日分为峰平谷三个阶段，峰平谷三阶段分别对应不同的弹性系数。由于电价的改变，用户会根据自身需求调整用电行为，可以通过弹性矩阵求出电价改变后用电负荷[17-19]，其公式如下所示
式中，iiμ为自弹性系数，表示第i时间段的电价变化率和用电负荷变化率的关系；
ijμ为互弹性系数，表示第i时间段的电价变化率和第j时间段用电负荷变化率的关系；
iP和ΔiP分别为第i时间段的用电负荷量以及调整量，Qi和ΔQi分别为第i时间段内的电价和调整量；
iP′为需求响应前第i时间段的原始负荷；
Ql为需求响应之前的原始电价；
Qe为电价变化量与需求响应前原始电价的比值。
天然气负荷的价格型需求响应和电负荷价格型需求响应类似，也是利用弹性系数和弹性矩阵的方法，气负荷的需求响应模型参照上述电负荷需求响应模型。
4.1 低碳经济调度目标函数
本文所研究的IES低碳经济调度的目标为系统运行总成本最低，总成本包含碳排放惩罚成本以及系统设备的运行成本两部分，其中碳排放惩罚成本包含燃气轮机、热电联产机组、电锅炉以及储氢装置的碳排放惩罚成本[20-21]。系统设备的运行成本包括燃气轮机运行成本、热电联产机组运行成本、电锅炉运行成本、风力发电成本、光伏发电成本、电解装置成本、燃料电池成本、储氢设备的成本以及弃风、弃光成本。碳排放惩罚成本和碳排放量有关公式如下所示
式中，C为碳排放惩罚成本；
α为单位碳排放惩罚成本系数；
CP为系统的总碳排放量；
CMT、CCHP、CEB、CS分别为燃气轮机、热电联产机组、电锅炉、储氢系统的碳排放总量；
cmt、cchp、ceb、cs分别为燃气轮机、CHP、电锅炉、储氢设备的单位碳排放系数；
VtMT、VtCHP分别为燃气轮机和热电联产机组在第t时间段消耗的天然气的体积；
PtEB、Ptd、PtR分别为第t时间段电锅炉、电解装置的输入功率以及燃料电池的输出功率；
Ptf、Pty分别为第t时间段系统的发电功率和用电功率；
λH2、ξH2分别为电解制氢和燃料电池的转化系数；
VtS为第t时间段储氢设备内氢气的变化量。
系统设备的运行成本有关公式如下所示
式中，J为系统的运行成本；
fMT、fCHP、fEB、fWT、fPV、fd、fR、fs、fq分别为燃气轮机、CHP机组、电锅炉、风电、光伏、电解装置、燃料电池、储氢设备以及弃风的运行成本；
Qgas、Qd、QWT、QWT(Q)、QPV、QPV(Q)、QR、QS分别为单位气价、单位电价、单位风电运维成本、单位弃风成本、单位光伏成本、单位弃光成本、单位燃料电池成本和单位储氢成本；
PtWT、PtPV分别为风电、光伏第t时间段的功率；
PtWT(Q)、PtPV(Q)分别为弃风功率和弃t光功率。
通过综合考虑碳排放惩罚成本以及系统设备运行成本，将两者整合到一起。则整个综合能源系统的成本表达式如下所示式中，F为综合能源系统的总成本。
4.2 约束条件
(1) 电功率平衡约束
式中，ηMT、ηCHP分别为燃气轮机和CHP的气电转换系数；
PtL为t时刻的用电负荷功率；
LHgas为天然气的低热值，数值为 9.7kW·h/m3。
(2) 热功率平衡约束
式中，μMT、μCHP分别为燃气轮机和热电联产机组的气热转化效率；
μEB为电锅炉的电热转换系数；
HtL为t时刻的用热负荷功率。
(3) 燃气轮机约束
(4) 热电联产机组约束
(5) 风电约束
式中，为风力发电的最大功率。
(6) 光伏发电约束
(7) 电解装置约束
(8) 燃料电池约束
(9) 储氢装置约束
为了验证本文所建立的IES低碳经济调度模型的有效性，选取某区域综合能源系统，利用粒子群优化算法(Particle swarm optimization，PSO)对模型求解。系统中包括燃气轮机、热电联产机组、电锅炉、制氢-储氢设备、风机、光伏。调度时长T=24h，单位调度时长Δt=1h。
5.1 IDR效果比较
价格型需求响应由价格弹性矩阵表示。电价弹性矩阵中自弹性系数取-0.2，互弹性系数取0.03，气价弹性矩阵中自弹性系数取-0.581，互弹性系数取0.03。峰平谷分时电价和分时气价分别如表1、表2所示。
表1 分时电价参数
表2 分时气价参数
考虑 IDR前后电负荷和气负荷变化如图2所示，考虑IDR前后两种负荷峰谷差变化如表3所示。
图2 IDR前后电、气负荷曲线
表3 考虑IDR前后电、气负荷曲线峰谷差对比
从图2可以直观地看出，在综合需求响应之后电负荷和气负荷的负荷曲线更加平缓，峰谷差明显减小。由表3可知，考虑IDR后，电负荷峰谷差降低了0.317 MW，气负荷峰谷差降低了0.257 MW。由此可证明，在IES经济调度中引入IDR可以降低系统在峰谷时期的负荷压力，降低负荷的峰谷差，达到削峰填谷的目的。
5.2 不同场景低碳经济调度结果分析
为了验证 IDR以及制氢-储氢设备对本文所建IES低碳经济调度模型有效性的影响，本文设置了4种模拟场景。4个场景中，场景各类负荷以及设备参数都相同。4种场景如下所述：① 场景1：不考虑IDR，有制氢-储氢设备；
② 场景2：考虑IDR，有制氢-储氢设备；
③ 场景3：不考虑IDR，无制氢-储氢设备；
④ 场景4：考虑IDR，无制氢-储氢设备。
5.2.1 弃风功率对比
4种场景下各时间段的弃风功率如图3所示，4种场景下弃风总功率如表4所示。
图3 4种场景下弃风功率
表4 4种场景下弃风总功率
通过对比场景1和场景3、场景2和场景4的数据，含制氢-储氢设备的场景弃风总功率分别降低了14.33%和13.26%；
通过对比场景1和场景2、场景 3和场景 4的数据，弃风总功率分别降低了弃8.61%和 9.74%。制氢-储氢设备可以将富余风电转化为氢能，考虑电-气综合需求响应可以改变需求侧用电模式，增大风电并网空间。数据对比表明，在低碳经济调度模型中考虑IDR和制氢-储氢设备后，均可以提升可再生能源消纳量，明显减少弃风总量。
5.2.2 低碳经济性分析
为了进一步验证本文所建立调度模型的可行性，分析了4种场景下系统的低碳经济性。4种场景下系统的各时间段碳排放量如图4所示，系统的总成本和碳排放总量如表5所示。
图4 4种场景下碳排放总量
表5 IES的总成本和碳排放总量
通过场景1和场景2、场景3和场景4两组对比，系统总成本分别降低了1 929.21元和1 062.8元，碳排放总量分别降低了648.37 kg和340.02 kg；
通过场景1和场景3、场景2和场景4两组对比，系统总成本分别降低了1 781.26元和2 647.67元，碳排放总量分别降低了1 053.5 kg和1 361.85 kg。数据可以清晰地表明，考虑综合需求响应和引入制氢-储氢设备均可不同程度地提高 IES的低碳经济性。
为了响应国家“碳中和”和“碳达峰”的号召，加快向绿色低碳社会的转型，本文建立了考虑电-气综合需求响应的综合能源系统低碳经济调度模型，并结合实际案例分析，得到以下结论。
(1) 考虑电-气综合需求响应可以降低系统的运行成本，减少系统的碳排放，能够实现削峰填谷，降低负荷的峰谷差，提高系统的经济性和环保性。
(2) 在系统中加入制氢-储氢设备，能够有效地提高可再生能源的消纳，减少弃风功率，提高系统的稳定性和安全性。
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