灵活性资源参与的电热综合能源系统低碳优化_潘超.pdf

2023 年3 月 电 工 技 术 学 报 Vol.38 No.6 第 38 卷第 6 期 TRANSACTIONS OF CHINA ELECTROTECHNICAL SOCIETY Mar.2023 DOI:10.19595/ki.1000-6753.tces.211725 灵活性资源参与的电热综合能源系统低碳优化 潘 超1 范宫博1 王锦鹏1 徐晓东1 孟 涛2（1.现代电力系统仿真控制与绿色电能新技术教育部重点实验室（东北电力大学）吉林 132012 2.国网吉林省电力有限公司电力科学研究院 长春 130021）摘要 针对可再生能源的消纳问题，研究可控负荷机制与电-热耦合网中的储能调控策略，构建综合灵活性资源模型优化系统的低碳运行。首先分析区域电网中差异化布局的工业负荷调控机制，基于城市能源网架电热耦合建立可控负荷及电-热储能调控模型；然后以经济成本、风光消纳及碳排放为指标构建综合效益模型，提出碳排放流动拓扑，描述依附于能量流的碳排放流信息；最后对 IEEE 33 节点电网和 45 节点热网耦合能源系统进行仿真，分析多元灵活性资源响应对系统综合效益的改善效果，并通过拓扑直观显示典型场景中电-热碳排放流动过程。结果表明发掘灵活性资源能够提升电热综合能源系统对风光能源的消纳裕度，验证了所提方法的合理性和有效性。关键词：综合能源系统 可控负荷 电/热储能 优化运行 碳排放流动拓扑 中图分类号：TM732 0 引言 现代能源系统向清洁低碳体系转型已成为主流趋势，而以电-热耦合为核心的综合能源系统（Integrated Energy Systems,IES）为促进可再生能源消纳和提高能源效率提供了有效途径1。随着分布式电源（Distributed Generation,DG）渗透率的提高，IES 中储能、可控负荷等灵活性资源在参与调控的同时开始承担降低碳排放的职能，而各类资源的接入使得 IES 运行变得更为复杂2-3。因此，如何充分计及 IES 中各类资源的运行控制特性，发挥其优势互补能力，从而制定适应 IES 各场景下的协调运行方案，对于现代综合能源系统低碳化运行具有重要意义。目前，对于 IES 中储能及可控负荷的优化运行国内外学者已有大量研究。针对储能系统（Energy Storage System,ESS），早期研究主要集中于单一类型电/热储能装置的接入4-5，之后逐渐扩展到电/热网络中对储能多层次、多目标需求下的优化，并逐渐应用于 IES 中6-7。文献8在电热氢综合能源系统中建立了以微燃机、电锅炉和电制氢设备为核心的电热混合储能模型，扩展 IES 消纳风电能力。文献9建立了电热耦合系统的分解优化运行模型，在保障电/热网信息隐私的同时完成对储能等设备的出力优化。随着电网中友好负荷比例的增加及需求侧管理理念的普及，可控负荷也逐渐成为能够参与 IES运行优化的可控资源。文献10考虑区域内工商业与民用负荷平移能力，提出改善变电站综合负荷特性的负荷平移策略，完成变电站供电区域的合理划分。为缓解电网中储能部分调节压力文献11，基于电力需求弹性理论，引入分时电价机制调整居民用电负荷，从经济性、居民舒适度及网侧功率波动角度建立优化运行模型。在考虑负荷互动响应特性的 IES 研究中，由于电/热储能等能源网络的紧密耦合，提升需求侧负荷的互动能力已成为提升 IES整体效益的重要切入点。文献12将负荷调整机制分为价格型需求响应调整及激励型负荷直接控制，以系统运行成本、污染排放为目标进行微网优化调度，并分析负荷发生转移及削减前后对微网内峰谷 国家重点研发计划重点专项（2016YFB0900100）和常规水电站结合抽蓄、光伏、风电、电化学储能联合开发研究（525687200009）资助。收稿日期 2021-10-29 改稿日期 2022-01-21 1634 电 工 技 术 学 报 2023 年 3 月 负荷的调整效果。文献13针对园区级电-热综合能源系统提出适用于电力负荷、供暖热负荷与工业热负荷的激励型综合需求响应策略，建立了日前经济调度模型。以上文献对储能、可控负荷参与IES 运行调控的能力进行了分析，但对于 IES 的供需互动需求，尚未完全发挥荷储侧资源协同优势，且对可控负荷响应机制、形式及限制考虑不足，未能实现对调控资源的“因类施策”。此外，现有针对储能、负荷侧资源的优化模型对于多能源系统低碳运行的研究集中于一次能源消耗产生的碳排放，缺乏对碳排放在 IES 中流动、转移的分析。在当前IES 低碳运行体系下，如何基于现有城市架构优化IES 中各类资源，以实现高效节能减排目标，仍需深入研究。本文以区域 IES 为研究对象，分析区域电网中大型工业负荷的调控机制，建立电-热耦合系统中热电联产机组、电制热设备、电/热储能及可控负荷模型，其中重点考虑储能和可控负荷为主的灵活性资源。采用碳排放流动拓扑模型（Carbon Emission Flow Topology,CEFT），描述 IES 碳排放流动过程。以经济运行成本、风光消纳率及碳排放量为目标函数构建低碳环境协调运行模型。最终以 IEEE 33 节点配电网和 45 节点热网耦合能源系统为例，仿真分析不同场景下各类资源响应情况，通过评价 IES 的综合效益，构建其碳排放拓扑网络，为低碳环境下IES 的优化运行提供辅助决策。1 电-热综合能源系统建模 电-热综合能源系统由电/热网中灵活性资源（可控负荷、电/热储能）、能源转换设备（热电联产机组、电制热设备）及供能网络（电网、热网）部分组成。考虑各部分在 IES 中的运行特性，构建相应模型。1.1 灵活性资源模型 IES 中荷、储侧灵活性资源可调节自身用能状态，缓解 IES 供需不平衡问题。同时其在低碳环境中起到平缓分布式电源出力的作用，将 IES 无法全额消纳的低碳排风光电能分配到其他时段，间接地完成对低碳能源的存储与再分配。1.1.1 可控负荷 工业负荷具有耗电量大、受产业类型影响大等特点，可通过改变自身生产计划、调整生产时间等措施，转移、削减部分用电负荷，进而响应系统调 控14。根据文献15对东北地区几类具有典型行业差异性的工业负荷调控能力进行分析，构建其经济模型。商、民业负荷缘于其运营机制及占比原因，可调节容量较小，故忽略不计。1）制造业可控负荷模型 某制造业企业四季典型日负荷曲线及冬季典型日负荷调整特性如图 1 所示。图 1 制造业企业四季典型日负荷曲线及冬季典型日负荷调整特性 Fig.1 Typical daily load curves of manufacture of general purpose machinery in different seasons and typical daily load adjustment characteristics in winter 机械制造业（Manufacture of general purpose Machinery,MM）企业用电有明显的上升-下降趋势，在工作周期内一般保持长时间高/低用电量，在日内工作时间结束后，用电量迅速降低。企业可调整部分日间作业的负荷转移至夜间，以贴近风电波动情况。该行业所代表工业负荷用电调控形式为连续的中时段（23h）用电负荷整段平移，实现提前或推迟用电生产。2）造纸业可控负荷模型 某造纸业企业四季典型日负荷曲线及冬季典型日负荷调整特性如图 2 所示。造纸行业（Manufacture of Paper,MP）用电时段较为集中，由于行业生产设备工作特性，波峰波谷均在短时间内连续出现。该行业属稳定负荷用电行 第 38 卷第 6 期 潘 超等 灵活性资源参与的电热综合能源系统低碳优化 1635 图 2 造纸业企业四季典型日负荷曲线及冬季典型日负荷调整特性 Fig.2 Typical daily load curves of manufacture of paper in different seasons and typical daily load adjustment characteristics in winter 业，主要用电设备不允许停电，但可根据生产计划改变工作时间，例如提前/延长工作时间等。以造纸业为代表的工业负荷用电调控形式为短时（01h）调整，通过提前或者延迟用电生产，小幅调整用电状态。3）农副产品加工业负荷模型 某农副产品加工业企业四季典型日负荷曲线及冬季典型日负荷调整特性如图 3 所示。对 于 农 副 产 品 加 工 业（Agricultural Product processing industry,AP）等以调温为主的用电行业，具有用电时间短、高耗电特征。与流水线生产企业不同，电转热用电负荷作为可控负荷可调节空间较大，能够通过温度的合理设置来避开高峰用电或者降低用电高峰，从而达到削峰避峰的效果。以农副 图 3 农副产品加工业企业四季典型日负荷曲线及冬季典型日负荷调整特性 Fig.3 Typical daily load curve of agricultural product processing industry in different seasons and typical daily load adjustment characteristics in winter 产品加工业为代表的工业负荷用电调控形式为中时段内（13h）分段转移，将部分尖峰负荷适时分配从而调整用电状态。4）冶金业负荷模型 某冶金业企业四季典型日负荷曲线及冬季典型日负荷调整特性如图 4 所示。图 4 冶金业企业四季典型日负荷曲线及冬季典型日负荷调整特性 Fig.4 Typical daily load curve of smelting of metals in different seasons and typical daily load adjustment characteristics in winter 冶金工业（Smelting of Metals,SM）用电负荷波动较大，在 24h 内多次出现短暂的用电高峰，以此类企业为代表工业类型调整局限小、可控性较大，能够接受用电中断调控。以冶金业为代表的工业负 1636 电 工 技 术 学 报 2023 年 3 月 荷用电调控形式为短时（01h）调整，通过接受电网直接调控做出中断用电调节。对四类典型工业负荷建立调控经济模型。MMendMMstartMPendMPstartAPendAPstartSMendSMstartMMMMMMpriceMPMPMPpriceAPAPAPpriceSMSMSMpricettt tttt tttt tttt tCPCPCPCP=（1）kindkindkindminmaxtPPP（2）式中，CMM、CMP、CAP、CSM分别为制造业、造纸业、农副产品加工业、冶金业负荷调控总费用；MMprice、MPprice、APprice、SMprice为四类工业负荷参与调控的补偿价格；PtMM、PtMP、PtAP、PtSM为四类工业负荷在 t时段参与调控的功率；kindtP为四类工业负荷 t 时段参与调控的功率；kindmaxP、kindminP分别为四类工业负荷t 时段参与调控功率上、下限。1.1.2 电/热储能 目前 IES 中所广泛使用的储电装置（Battery Energy Storage,BES）有超级电容和电池储能等，储热装置（Thermal Energy Storage,TES）包括水蓄热、相变蓄热等16-17。电/热储能运行过程中均可动态吸收能量并适时释放，平抑风光出力的波动性，间接扩大 IES 消纳可再生能源的能力，在满足电、热负荷需求的同时缓解电源发电、供热压力。对电/热储能响应特性及约束建立统一的模型为 ESS,caESSESS,daESS,1,ca,da/e te te tee teEEPtPt=+（3）min,maxe tEEE（4）ESS,caESS,caESS,caESS,caESS,ca,min,maxtee ttePPP（5）ES