摘要：針對熱電聯供“以熱定電”約束導致的棄風問題，提出計及供用能轉換促進風電消納的綜合能源系統源荷協調優化調度方法。首先，為提高供能方式靈活性，源側引入變工況運行的空氣源熱泵以及含余熱回收的電轉氣，優化電氣熱耦合關系以壓縮熱電聯供出力空間，提高系統風電消納水平。其次，荷側基于熱值等效原理對電、氣、熱用戶的用能轉換價值進行分析，在多類能源價格信號的引導下形成含用能轉換的綜合需求響應機制，協助風電并網消納。最后，構建計及用戶綜合用能滿意度的綜合能源系統源荷協調優化模型，以最小化系統運行成本為目標優化各時段機組出力。算例結果表明，該方法在促進風電消納的同時能夠降低系統運行成本;含用能轉換的綜合需求響應機制對用戶滿意度影響較小更符合用戶的實際用能情況。

　　關鍵詞：熱電聯供;空氣源熱泵;余熱回收;用能轉換;綜合能源系統;綜合需求響應

　　0引言

　　綜合能源系統1]integratedenergysystem，ES)作為能源互聯網的物理載體，以提升可再生能源消納水平為目標，將各能源子系統的網絡架構、能源轉換元件、負荷側資源有機協調，實現能源統籌優化、多能耦合互補2]，在推動能源高效清潔利用上發揮著重要作用3]。

　　能源論文范例： 水風光混合能源短期互補協調調度策略研究

　　在以熱電聯供(combinedheatandpower，HP)為核心的ES中，由于供暖季HP存在“以熱定電”的剛性約束，導致系統風電消納空間有限，負荷低谷時大量風電被迫棄用[4，造成清潔能源嚴重浪費。為促進風電消納，提高系統能源利用率與運行經濟性，國內外學者多從源、荷兩側對風電消納機理以及運行經濟性開展研究。源側依據電、氣、熱各類能源互補特性，通過多源聯合調度以實現系統多能互補優化運行，能夠為風電消納讓渡更多并網空間。在電熱耦合環節，空氣源熱泵airsourceheatpump，ASHP)因其能效比較高，逐漸取代電加熱設備成為綜合能源系統的重要組成部分。

　　文獻6]從部分棄風消納的要求出發，建立含空氣源熱泵聯合供熱模式下的電熱耦合調度模型，實現能源的梯級利用，驗證了所提模型在減少棄風、提高系統運行經濟性的有效性。在電氣耦合方面，2G技術調度特性靈活，實現了電能向天然氣的轉換7]，從而使得電氣能源系統雙向互聯，強化能源耦合關系。

　　文獻10引入電轉氣powertogas，P2G)加強電氣能源系統間的耦合關系，提升了系統的風電消納水平。文獻11]指出電轉氣循環所需熱量僅占，因此仍有大部分低溫余熱可供回收。利用有機朗肯循環等技術加強低溫余熱資源的回收利用，可以在一定程度上提高能源利用水平12]。上述研究中，熱泵的能效比通常被簡化為定值，而實際運行過程中其能效比與環境溫度緊密相關，多數時段難以達到額定值，所以僅按定能效比計算會導致風電消納偏于理想。

　　此外，2G甲烷化反應時會釋放一定的化學反應熱，現有研究中往往將其忽略，而低溫余熱回收技術的日趨成熟為該部分熱量再回流提供了技術支撐，從而延伸了2G消納風電的價值。對負荷而言，需求響應憑借能源價格調整與激勵補償措施，引導其主動改變用能行為，實現能源供需匹配關系優化，從而協助風電并網消納。隨著ES的發展，需求響應也由單一能源形式下的電力需求響應13]擴展到電、氣、熱、冷綜合需求響應1415]integrateddemandresponse，IDR)。

　　文獻16]以用戶飽和度和差異度指標來約束DR對用戶帶來的影響，驗證了DR在改善系統能耗、協助風電消納等方面的有效性。文獻17]考慮柔性電熱負荷的可削減、可平移、可轉移價值，建立電熱綜合需求響應模型，通過風場與ES的協同運營促進風電消納。文獻18]采用日前電價型、日內激勵型的兩階段調度方法，有效提高了電熱聯合系統的風電消納水平。上述研究多數只考慮了電熱負荷，且常限于單一能源形式需求響應的累加，而有關氣負荷的可調度價值尚未得到挖掘。

　　此外，僅考慮負荷的削減、轉移特性，用戶用能滿意度會受到較大影響，而荷側用戶用能形式的相互轉換替代對用戶實際體驗影響較小，構建含用能轉換的綜合需求響應模型具有重要意義。綜上，本文提出一種考慮供用能轉換促進風電消納的綜合能源系統優化調度方法。源側為應對棄風消納理想化構建了空氣源熱泵的變工況運行模型，同時量化了2G產氣、制熱、耗電三者之間的關系，對化學反應余熱進行回收利用，延伸了2G消納風電的價值。荷側在異質能源價格信號的引導下轉換用能方式，基于電氣熱熱值等效關系構建含用能形式轉換的綜合需求響應模型，在保證用戶綜合用能滿意度的同時，提高系統風電消納水平與運行經濟性。

　　1考慮供用能轉換的綜合能源系統架構

　　本節以華北地區某小型ES供暖季為例進行分析，將ES劃分為能源供給側、能源轉換側以及能源需求側，其中儲能裝置安裝于源側。 能源轉換側機組根據用戶多種能源需求曲線的不同安排生產計劃，轉換供能形式，加強能源耦合;能源需求側用戶除削減負荷量、轉移用能時段外，還可根據異質能源之間的價格差異，轉換用能形式達到同等用能需求來提高運行經濟性。通過源荷兩側的協調優化，實現經濟運行，提高ES運行效率。供能轉換為系統調度在能源價格信號的引導下采取的轉換能源供給方式的手段，以達到系統經濟運行，促進風電消納。

　　1.1考慮供能可靠性的空氣源熱泵變工況模型

　　空氣源熱泵是在少量電能的驅動下，使熱量從低位熱源空氣流向高位熱源的節能裝置。與電熱鍋爐、燃氣鍋爐等裝置相比，ASHP具有能效比高、無污染的優點。ASH運行時產生大量熱能供給熱負荷，源側供熱形式由HP單獨供熱轉換為HP與SHP聯合供熱，實現供熱形式的轉換，解耦CHP機組“以熱定電”約束的同時，等效擴大風電消納空間。此外“煤改電”政策推動了ASHP在農村地區的發展，減少了燃煤空氣污染，借助供能轉換實現供暖需求，具有較大的市場潛力。

　　由于ASHP主機放置于室外，環境溫度變化會使熱泵運行偏離額定工況，多數時間熱泵能效比難以達到額定值，僅按定效率進行考慮會造成調度計劃存在較大誤差19]，轉換效率的偏差會使系統調度不易做出準確判斷，難以給出最佳調度方案，系統風電消納過于理想化。實際運行時系統為彌補調度差額需臨時額外購能或切負荷，調度計劃的供能可靠性降低。在經典熱泵定能效比運行模型的基礎上，本文計及熱泵的變工況運行特性從而提高熱泵模型的建模精度，使調度供能計劃更合理可靠，減少額外的購能成本。

　　2含用能轉換的綜合需求響應模型

　　綜合需求響應不僅指的是將電力需求響應擴展到電、氣、熱、冷多種能源形式中，還指用戶自身用能形式的轉換。用能轉換為不同能源形式在同一時間節點上的能源替代行為，包括電熱、電氣可轉換負荷，例如集中供熱負荷與ASHP供熱轉換，廚房用氣與電飯煲、電磁爐相互轉換，在異質能源價格信號差異的引導下，實現荷側用戶的用能轉換，提高能源利用率。IES中的多能用戶可自主選擇負荷削減、轉移、轉換三種方式響應IES運行需求。

　　綜合需求響應協助風電消納機理如圖所示。電、氣坐標圖互為映射，電、熱坐標圖同理。為消納時段棄風量，考慮電氣熱負荷的削減、轉移、轉換。夜間電價較低，部分用戶由管道集中供熱轉換為ASHP供熱，并存儲多余熱能在非棄風時段放熱，增加電負荷的同時，減少CHP機組熱出力，如2,12,2所示。

　　此外還可通過削減熱負荷響應調度需求，減少CHP供熱任務。表示因IDR造成的CHP總熱出力減少量。同理當等效氣價小于等效電價，部分用戶也會放棄天然氣供能而轉換為電能供能，如所示。而電負荷轉移用能時段，增加谷時用電負荷消納棄風。通過綜合需求響應改變用能時段或將棄風電量轉換為其他形式能源加以利用，協助風電消納。

　　場景為基礎場景，系統中2G不考慮余熱回收，空氣源熱泵按定工況模型運行，調度結果如圖所示。由圖中我們可以看出，棄風存在于夜間1:0000時段、7:00以及00時段，此時因聯絡線功率達到上限，系統多余風電被迫棄用，能源浪費嚴重。

　　而夜間電價較低，2G與空氣源熱泵處于滿發狀態，與HP機組聯合供熱，解耦HP“以熱定電”的約束，增加風電的上網空間。而其余時段電價相對較高，2G與空氣源熱泵停機，由HP單獨供熱。儲能裝置在1:0000、6:0000時段將多余的棄風電量儲存起來并在負荷用電相對較高時段如002000放電，促進系統經濟運行的同時，等效提高0.77風電消納空間。

　　場景為空氣源熱泵變工況運行模型，因環境溫度變化導致機組實際運行工況偏離額定工況，系統實際運行能效比小于額定能效比，相較于場景，場景風電棄風功率增加24.94，風電消納率降低.9。若按定效率模型安排各機組出力，則會產生.9風電消納的偏差，使得最優調度計劃的風電消納水平評估過于樂觀。因此需要量化實際運行時的變工況模型與目前普遍采用的定效率模型風電消納水平的偏差量，對理想風電消納水平進行修正。風電棄風率偏差越大則說明熱泵的變工況運行特性不容忽視，采用變能效比模型更符合實際運行情況。

　　5結論

　　針對供暖季CHP“以熱定電”約束導致的棄風問題，本文提出了一種考慮供用能轉換促進風電消納的IES源荷協調優化調度模型，通過算例分析可得到結論如下：

　　1)在調度過程中，考慮環境溫度變化而帶來的熱泵變工況運行特性更加符合產能實際，提升模型精確度的同時提高了調度方案的可靠性與經濟性。2)風電出力較大時，P2G將富余風電轉化為天然氣存儲或供給負荷;計及P2G余熱損耗的回收利用后，CHP機組的夜間供熱任務減輕1.18%，延伸了2G消納風電的價值。3)源側考慮多種耦合設備的協調配合，荷側考慮能源價格與用能曲線差異性引導下的電氣熱綜合需求響應，通過協調源荷兩側的可調度資源，提高了系統的靈活運行能力，改善了CHP機組“以熱定電”約束帶來的棄風問題，調度周期內風電消納提升.9的同時，系統運行經濟性提高7.76%。本文暫未考慮綜合能源系統中存在的風電出力及負荷曲線等多重不確定性因素的影響，將在未來研究中重點分析。

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　　作者：崔楊1，郭福音1，付小標2，趙鈺婷1，韓傳鼎