考虑综合需求响应的楼宇综合能源系统能量管理优化_程杉.pdf

：年 月 第 卷 第 期考虑综合需求响应的楼宇综合能源系统能量管理优化程杉，陈诺，徐建宇，王灿，钟仕凌，（智慧能源技术湖北省工程研究中心（三峡大学），湖北 宜昌；三峡大学电气与新能源学院，湖北 宜昌；国网河南省电力有限公司驻马店供电公司，河南 驻马店）摘 要：针对楼宇综合能源系统（，）能量管理时未充分考虑影响室温因素及其对负荷建模的影响和刚性捆绑、用户从未全面考虑用户舒适度和用能支出的问题，文中提出冷、热负荷参与阶梯型补贴和电负荷参与电价型综合需求响应的 能量管理优化模型及其求解方法。首先，综合考虑影响室温因素，得到离散化的楼宇热平衡方程，建立楼宇的柔性而非固定的冷、热、电负荷数学模型。其次，建立冷、热负荷参与的阶梯型补贴和电负荷参与的电价型综合需求响应机制。然后，考虑 向用户售能的收益、从外部购能的成本和支付用户的补贴费用，构建以最大化 运行利润为目标、计及设备和系统运行约束的能量管理优化数学模型，并采用 对线性化后的模型进行求解。最后，通过算例仿真表明：计及综合需求响应的 能量管理优化能统筹协调供需两侧资源，提升系统与用户的经济效益。关键词：楼宇综合能源系统（）；用户舒适度；综合需求响应；柔性负荷；阶梯型补贴；能量管理优化中图分类号：文献标志码：文章编号：（）收稿日期：；修回日期：基金项目：国家自然科学基金资助项目（）引言气候变化、化石能源枯竭、能源需求增长等挑战促使人们研究并推广应用具有高效的能源供应效率和灵活的系统运行方式的综合能源系统（，）。楼宇综合能源系统（，）通过建筑物内的多能互补，实现能源的高效节能利用。根据用户的负荷需求制定合理的运行方案，且通常根据固定负荷进行调度，并结合储能装置调节机组出力。而在 中，考虑建筑墙体的隔热特性以及居民对温度变化感知的模糊性等因素，基于建筑热平衡模型，可以将传统的固定化冷、热负荷转化为维持温度在一定期望范围内的动态柔性负荷，从而进一步发掘 调度潜力。文献通过引入热感觉平均标度预测指标描述用户供热舒适度，将传统的热负荷曲线转化为负荷需求区间，从而增加负荷调度弹性。文献提出考虑热网储热和供热惯性的热电联合调度策略，灵活调节热负荷。文献则通过改变中央空调的占空比来维持室内温度舒适。建筑冷、热负荷的柔性供能也促进传统单一的电力需求响应（，）向综合需求响应（，）转变。还可以选择消费不同形式的能源以满足用能需求，从而实现多能协调运行以降低供能压力。文献分析含冷、热、电等多种形式能源参与 对微网运行灵活性与经济性的影响，并提出相应的响应补偿机制。文献采取证据理论处理 不确定性，建立协调 运行效益最优与用户参与 能力最大化的双层协同规划模型。以上文献在建立柔性负荷需求模型以及考虑 的 能量管理优化方面做出贡献，但主要还有 点不足：（）文献中多以热阻、热容模型建立制冷、制热负荷与用户室温需求的供需关系，未充分考虑影响室内温度的相关因素，不能准确反映不同种类楼宇因围护结构、热力特性、使用时间上的不同引起的柔性供需关系的差异；（）上述文献将用户与 捆绑为一个刚性主体参与调度以提高 收益，制冷、制热功率提高可提升 利润，但会引起用户负荷增加，从而提高用户购能成本，而且过高、过低的室温会降低用户用能体验。为此，文中首先计及围护结构传热系数、太阳辐射、遮阳系数等对建筑蓄热能力的影响，得到楼宇热平衡方程并构建楼宇柔性冷、热、电负荷数学模型，一方面可以精确描述外部环境对于管理优化模型经济性和用户舒适度的影响，另一方面可以为需求侧提供更有效的资源。在此基础上制定 与用户之间基于阶梯型补贴的 机制，避免传统将 与用户刚性捆绑的局限性。再者，建立以系统净利润最大为目标的 能量管理优化数学模型，对其进行线性化处理后采用 进行求解。最后，基于仿真算例和对比分析验证 与用户统筹优化的能量管理数学模型的有效性和优越性，能够实现 与用户的双赢。及其设备数学模型含多能流的 能量流如图 所示。供能设备包括光伏（，）、风力机组（，）、配电网和天然气网；能量转换设备包括由燃气轮机（，）、热交换器（，）、锅炉（，）、电制冷机（，）、吸收式制冷机（，）组成的冷热电联产系统（，）；储能设备为蓄电池（，）。气负荷和、消耗的燃气由天然气网供给，基本电负荷由从配电网购电和、出力供给，热水负荷由 发电的余热和 供给，而冷负荷由、供给。图 结构 燃气轮机（）发电产生的余热通过 和 输出灵活可变的冷、热功率，得到其在 时段消耗的天然气功率 和输出电功率 之间的关系。（）（）式中：为 变量，表示 在 时段的开、停机状态；、为燃耗系数。回收 发电余热，回收到的热功率 与输出电功率 之间的关系，如式（）所示。（）式中：、分别为 的输出电热功率比和热回收效率。运行时还应满足运行功率约束。（）式中：、分别为 的输出电功率上、下限。锅炉（）通过燃烧天然气产生热能补充 产热不足时的热负荷，其输出热功率 与输入天然气功率 的关系如式（）所示，其约束如式（）所示。（）（）式中：、分别为 的产热效率和输出热功率上限。蓄电池（）可以通过电功率在时间上的转移来降低用能成本，须满足式（）的充、放电状态约束、式（）的充、放电功率约束和式（）、式（）的储存能量及其约束。（）式中：、为 变量，分别表示 在 时段的充、放电状态。（）式中：、分别为 的充、放电功率；、分别为 充、放电功率上、下限。（）|（）（）式中：为 的自放电系数；、分别为 的充、放电效率；、分别为 的蓄电上、下限。在一个调度周期（）始末 蓄电量一致，如式（）所示。（）制冷设备 通过消耗电能制冷，可得其输入的电功率与输出的制冷量 之间的关系与相应的约束。（）（）式中：、分别为 的制冷系数和电功率上限。通过 发电所产生的余热驱动制冷，其输入的热功率 与输出的制冷量 之间的关系如式（）所示，其相应的约束如式（）所示。（）（）式中：、分别为 的制冷系数和热功率上限。电力系统约束 不能同时向电网购电和售电，且与电网的程杉 等：考虑综合需求响应的楼宇综合能源系统能量管理优化交互功率应满足式（）、式（）的约束。（）（）式中：、为 变量，分别表示 在 时段的购、售电状态；、分别为 的购、售电功率；、分别为 的购、售电功率上限。模型 中含有冷、热、电多种类型负荷。通过对用户负荷需求建模，设置合理的 补偿机制，在用户用能舒适度范围内调节能量供应，能有效提高 运行的经济性和可靠性。柔性冷负荷需求假设楼宇制冷设备在使用时间内连续运行，则 时段内室内热量变化量 等于制冷量 与建筑吸热量 之差，由此可得楼宇热平衡方程。（）式中：为空气密度；为空气比热容；为建筑体积；为室内温度变化率。影响 的主要因素有：建筑外墙传递的热量，建筑外窗传递的热量，建筑因吸收室内照明，人体散热等热量产生的室内热源，太阳辐射所产生的热量。（）（），|（）式中：、分别为建筑外墙、外窗与室外的传热系数；、分别为建筑外墙、外窗面积；、分别为室内、外温度；为太阳辐射功率；、分别为外窗遮阳系数、得热因子；为建筑朝向，包括东面、西面、南面、北面、水平面 个朝向；。式（）包含混合微分方程和代数方程，考虑到简化模型，对其离散化处理并联合式（），可得离散化的楼宇热平衡方程，如式（）所示。（）（）（），（）由式（）可得到室内温度与制冷功率之间的关系。为保障用户舒适度，室温应满足式（）的室温上下限约束和式（）、式（）的室温波动约束。（）式中：、分别为 的上、下限。|（）（）（）（）式中：为设定的最适宜室温。柔性热负荷需求如图 所示，热负荷指热水负荷，可通过热水储存模型描述供水温度与热负荷之间的关系。，（）式中：为水的比热；、，分别为储水温度和进入储水罐代替所消耗热水的冷水温度；、，分别为储水总量和替换所消耗的热水的冷水总量；为供应热水所需要的能量。为保障用户舒适度，应满足式（）的水温上下限约束和式（）、式（）的水温波动约束。（）式中：、分别为 的上、下限。|（）（）（）（）式中：为设定的最适宜水温。柔性负荷补偿机制基于阶梯型补贴的需求响应通过在用户舒适度范围内对室温及水温进行调控，改变用户的柔性冷、热负荷。为避免将需求响应用户与 捆绑为能量管理优化的刚性主体，鼓励用户参与以经济性为导向的激励型冷、热负荷需求响应。设室温与水温的补贴系数 相同，则可得 根据参与需求响应力度给予用户阶梯型的调温补贴。（）（）式中：、分别 售冷、售热单价。在阶梯型补贴机制中，实际温度与设定温度的偏离程度不同，的计算如式（）所示。，（）式中：为室温或水温；为温度划分边界。偏离 越远用户舒适度越小，补贴力度也越大，故。通过该阶梯型补贴，一方面促进用户根据激励信号主动削减负荷以降低用能成本；另一方面，通过引入温度约束和波动约束，避免因室温降低、水温升高而引起的制冷、制热负荷增加，避免因室温、水温波动过大而降低用户舒适度。电价型需求响应在价格型需求响应（，）中，用户会根据接收到的电价信号 调整用电行为。通常采用弹性系数矩阵表征电价变化率，对用电量变化率，的影响，对 时段用户对 的响应行为建模，如式（）所示。，|，|（）式中：为价格型需求响应弹性矩阵。可用式（）进行表示。|（）式中：、分别为第 和第 个调度时间段的自弹性系数和交叉弹性系数（，）。为确保用户正常生活不受影响，执行 后的负荷需求 和实时电价 应满足约束，如式（）所示。（）式中：、分别为 的上、下限；、分别为 的上、下限。能量管理优化数学模型及其求解 目标函数建立以 的 个时段为一调度周期、以最大化运行收益的 能量管理优化目标函数，如式（）所示。（）（）（）（）（）（）式中：、分别为 向用户的售能收益和从外部购能的成本；为天然气价格。约束条件模型应满足式（）的电功率平衡约束、式（）的冷功率平衡约束和式（）的热负荷平衡约束。（）式中：、分别为 与 的出力。（）（）除满足以上系统运行时的功率平衡外，各设备也要满足约束。尤其值得指出的是，式（）和式（）为非线性约束，对其线性化处理后的 能量管理优化模型是含多变量的混合整数线性规划问题，可调用 求解优化模型。计算环境为，内存。算例分析 基础数据以含 栋商业建筑的 为例进行仿真分析。建筑热工参数和设备参数分别如表、表 所示。表 建筑参数 参数建筑 建筑 建筑 建筑（）（）体积 购、售电价格参考文献，元、元（）、。用户购电的原始电价为 元（）；在弹性矩阵中，自弹性系数为、交叉弹性系数为；电价增幅不超过；用电方式满意度不低于，电费支出满意度不低于。其中，建筑 为住宅楼，制冷时间为：和：；建筑 为写字楼，制冷时间为：；建筑 为公寓，制冷时间为全天；建筑 为商场，制冷时间为：程杉 等：考虑综合需求响应的楼宇综合能源系统能量管理优化表 参数 参数取值参数取值 （）（）（）（）（）：。用户负荷与可再生能源出力曲线如图 所示；室外温度与太阳辐射曲线如图 所示；建筑室内热源如图 所示。图 负荷与可再生能源出力 图 太阳辐射功率与室外温度曲线 经济性对比分析为研究 内不同运行方式对调度结果的影响，设置以下 种方案进行对比说明。方案：冷、热负荷参与阶梯型补贴的需求响图 种建筑的室内热源曲线 应，电负荷参与电价型需求响应；方案：冷、热负荷参与需求响应，但采用固定补贴，电负荷参与电价型需求响应；方案：冷、热负荷参与阶梯型补贴的需求响应，电负荷不参与电价型需求响应；方案：冷、热负荷不参与需求响应，电负荷参与电价型需求响应；方案：冷、热负荷不参与需求响应，电负荷不参与电价型需求响应。种运行方案下运行费用组成对比如表 所示。表 种方案的运行成本组成 元方案 售能费用 购能成本补贴费用用户支出净利润 由表 可知：首先，与未考虑任何 的方案 相比，考虑 的方案 方案 中 净利润与用户支出均优于方案。其次，与未考虑冷、热负荷 的方案 相比，考虑冷、热负荷 的方案方案 中 利润均优于方案。再者，与不考虑电负荷 的方案 相比，同时考虑电、冷、热负荷 的方案 用户支出降低，提升用户利益，同时 净利润提高。最后，与考虑固定补偿的方案 相比，采用阶梯型补贴的方案 虽然提高补贴费用但是减少用户的支出费用和 的购能费用，净利润提高。综上，同时考虑阶梯型补