考虑网络特性的综合能源系统多时间尺度调度方法_董帅.pdf

SHANDONG ELECTRIC POWER山东电力技术第50卷（总第307期）2023年第6期 综合能源 0引言碳达峰碳中和目标的提出，对我国节能提效和绿色发展提出更高要求。综合能源系统（IntegratedEnergy System，IES）可打破多种能源系统壁垒，实现异质能流之间的互补互济和协同管理，在供给、运行、调度等环节助力实现碳达峰碳中和。多能流耦合是 IES 的重要特征之一，在提升系统时间和空间维度的灵活性同时，不同时间尺度的能量平衡也给IES 的调度运行带来了更多挑战1。当前，已有较多学者结合多元储能设备、能量耦合设备的特性对 IES 进行调度，以发挥多种能源之间的互补特性。文献 2 建立含蓄电装置和冷热电联供设备的 IES 模型，仿真说明储能设备和能量耦合设备可更大程度地提高系统能效和经济性。新能源发电具有波动性、随机性的特点，为应对大规模新能源接入带来的电网消纳能力不足和能量平衡难度加大的问题，有必要采用多时间尺度调度方法提高系统灵活性 3。此外，不同子系统中的设备响应调度指令的速率和容量不同，基金项目：国网山东省电力公司科技项目“能源互联网多能友好互联与灵活调度关键技术研究课题3：基于多能流互联互补需求的协同优化调度策略研究”（5206021900VF）。考虑网络特性的综合能源系统多时间尺度调度方法董帅，王杉，李昊，张媛，钟世民（国网山东省电力公司青岛供电公司，山东青岛266000）摘要：异质能源系统在响应调度指令时呈现出不同的时间尺度特性，使得综合能源系统的调度问题愈发复杂。为此，提出一种考虑网络特性的综合能源系统多时间尺度调度方法。首先，分析综合能源系统中不同设备的运行特性差异，并建立热网模型以刻画异质能流的动态特性，证明采用多时间尺度调度的必要性。在此基础上，建立综合能源系统“日前-滚动-实时”多时间尺度调度模型：日前调度层中，构建考虑网络特性的电热综合能源系统模型，以经济性和低碳性为目标进行调度；滚动调度层中，修正日前调度结果，确定慢响应设备出力；实时调度层中，确定快响应设备出力，进一步提高调度结果的准确性。算例仿真结果表明，所提多时间尺度调度方法能有效提高综合能源系统供能的灵活性与安全性。关键词：综合能源系统；优化调度；多时间尺度；网络特性中图分类号：TM73文献标识码：A文章编号：1007-9904（2023）06-0020-07Multi-time Scale Scheduling Method for Integrated EnergySystem Considering Network CharacteristicsDONG Shuai，WANG Shan，LI Hao，ZHANG Yuan，ZHONG Shimin（State Grid Qingdao Electric Power Supply Company，Qingdao 266000，China）Abstract：Heterogeneous energy systems exhibit different time scale characteristics when responding to scheduling instructions，which makes the scheduling of integrated energy systems more complex.A multi-time scale scheduling method for integratedenergy system considering network characteristics was proposed.The operational characteristics of different equipment in theintegrated energy system were analyzed，and a heat supply network model was established to characterize the dynamiccharacteristics of heterogeneous energy flow，which proves the necessity of multi-time scale scheduling.On this basis，the“dayahead”-“rolling”-“real time”multi-time scale scheduling model of the integrated energy system was established.In the dayahead scheduling layer，the electro-thermal comprehensive energy system model considering the network characteristics wasconstructed，and the scheduling was carried out with the goal of economy and low carbon.In the rolling scheduling layer，theprevious scheduling results were corrected to determine the output of slow response equipment.In the real time scheduling layer，the output of fast response equipment was determined to further improve the accuracy of scheduling results.The simulationresults show that the proposed multi-time scale scheduling method can improve the flexibility and security of the energy supply.Keywords：integrated energy system；optimal scheduling；multi-time scale；network characteristicsDOI：10.20097/ki.issn1007-9904.2023.06.00420若各设备均使用相同的周期进行调度，不利于设备有效参与优化运行，还可能造成设备频繁调节导致的费用增加，从而影响系统安全性、经济性 4。在此基础上，文献 5 根据设备控制特性差异，建立“滚动优化-动态调整”的两阶段多时间尺度调度模型，提高经济可靠性；文献 6 为减小新能源以及负荷功率预测误差的影响，建立多时间尺度优化模型，提高系统稳定性；文献 7 提出的多时间尺度优化调度模型在满足系统供需平衡的同时，可抑制可再生能源和日负荷波动，进一步降低系统运行成本。以上研究暂未考虑多能流网络安全运行约束，而在 IES 中出现安全约束越限可能会导致元件损坏，甚至系统失稳 8，因此有必要在实际应用中考虑不同网络自身的能流特性。在实际调度中，多能流系统中异质系统网络特性存在差异，主要体现在时间尺度和动态过程上 1。不同于电能以光速传播、“即传即用”的特性，区域热网通过热媒实现热量的传递，存在分钟级至小时级的热延迟。已有研究致力于对热网动态过程进行刻画，文献4 基于热网动态特性，采用混合分辨率进行建模；文献 9 采用节点法描述热网的传输时延与热量损失，以求解供热管道运输准动态方程。在实际调度过程中，当调度时间尺度数量级与传输延迟近似时，若忽略网络特性造成的传输延时，可能使系统下发的指令与用户实际获得热能不匹配，从而导致系统优化结果不准确，甚至破坏热力系统的运行安全性 10。因此，若在IES 中对各能流系统采用统一的时间尺度进行调度，时间尺度选取过大会扩大不确定性因素对电力系统调度的影响，选取过小则会导致热力系统一直处于暂态过程，加大运行优化难度 11。在实际调度过程中，IES宜针对不同子系统采取不同的调度时间尺度。基于上述研究，提出一种考虑网络特性的 IES多时间尺度调度方法。首先，分析异质能源系统在设备运行特性和网络动态特性上的差异。然后，根据 IES 多时间尺度特性，构建“日前-滚动-实时”调度模型，以获得经济准确的调度方案。最后，通过算例验证所提方法对实现各能源子系统间的多能互补、协调运行的有效性。1考虑多时间尺度特性的IES1.1电-热IES基本架构电-热 IES 中，包括热泵（Heat Pump，HP）、热电联产设备（Combined Heat and Power，CHP）、燃气轮机（Gas Turbine，GT）等多种能源转换设备和深度耦合 的 电、热 能 源 传 输 网 络，还 包 含 风 机（WindTurbine，WT）等 分 布 式 新 能 源，热 储 能（ThermalEnergy Storage System，TES）、电 储 能（ElectricalEnergy Storage System，ESS）为代表的多元储能设备。其基本架构如图 1 所示。图1电-热IES基本架构1.2IES多时间尺度特性分析在IES中，异质能源子系统的多时间尺度特性主要体现在设备运行特性差异和能源系统动态特性差异上。1）设备运行特性差异。对于多能流系统而言，各子系统中设备的运行特性不同，不宜使用相同周期进行统一调度。根据设备响应速度的差异，可将其分为慢响应设备与快响应设备，如图 2 所示。热力系统设备及多能流耦合设备的响应时间较长，为慢响应设备；可再生能源、电力电子设备的响应时间较短，为快响应设备12。图2设备响应速度比较2）能源系统动态特性差异。电能以光速传播，与电力系统不同，区域热网存在一定的热惯性。采用节点法对热能传输的惯性特征进行刻画，同时考虑热媒延时和管道热损失，求得管道末端温度9：TEXt,j=e-jLjTEN t-j+1,j(1-j+j)+e-jLjTEN t-j,j(j-j)+(1-e-jLj)Tam（1）j=rj2Ljqj（2）董帅，等：考虑网络特性的综合能源系统多时间尺度调度方法21山东电力技术第50卷（总第307期）2023年第6期式中：j、j为管道 j 的热损常数和热媒延时；rj、Lj、qj分别为管道 j 的半径、长度和热媒质量流量；TENt,j、TEXt,j为当前时段 t 管道 j 的入口、出口端温度；j 为不大于j的最大整数；Tam为管道外部环境温度。此外，区域热网的热惯性在调度中可被视为虚拟储热装置9。在热能供过于求的情况下，通过提高热媒温度，可将多余的热能储存于热媒中，避免能量的浪费。反之，在供不应求时，亦可通过管网放热补足负荷缺额。因此，区域热网自身亦可以参与调度，在设备响应较慢的情况下，通过热媒能量的储存和释放实现能量平衡。2多时间尺度调度模型2.1基本架构考虑到异质能源系统的多时间尺度特性和设备响应特性差异，构建一种考虑网络特性的 IES 多时间尺度调度模型。其中，依据时间尺度不同，划分为“日前-滚动-实时”三个阶段的调度模型。详细的调度策略如图 3 所示。其中：日前调度以 24 h 为调度周期，1 h 为调度间隔，基于日前预测数据（如负荷需求及风机出力），制定日前调度计划，确定设备基本运行点；在日前调度计划的基础上，滚动调度以 4 h 为调度周期，每 1 h 执行一次，根据日内预测值，确定慢响应设备出力；最后，实时调度基于实时预测数据及滚动调度结果，以 1 h 为调度周期，每 15 min 执行一次，修正快响应设备出力，获得最终运行调度结果。图3多时间尺度调度策略2.2日前调度模型日前调度模型中，基于风机最大出力和负荷的日前预测数据，以经济性和低碳性为目标，制定日前调度计划。2.2.1目标函数日前计划调度模型以运行成本与碳交易成本之和最低为目标函数。min F=min(Fg+Fc)（3）Fg