PDF《分散式电采暖负荷协同优化运行策略》

分散式电采暖负荷协同优化运行策略 范帅1,

2 ,郏琨琪1,

2 ,郭炳庆3 ,蒋利民3 ,王治华4 ,何光宇1,

2 ( 1.

电力传输与功率变换控制教育部重点实验室( 上海交通大学) ,上海市

2 0

0 2

4 0;

2. 上海交通大学电子信息与电气工程学院,上海市

2 0

0 2

4 0;

3. 中国电力科学研究院,北京市

1 0

0 1

9 2;

4. 国网上海市电力公司电力调度控制中心,上海市

2 0

0 1

2 2 ) 摘要:分散式的电采暖负荷是一种典型的热储能设备, 功率较大, 电能产出的热量具有滞后性和存 储性, 现有运行方式单一且仅针对单个设备, 无法实现区域范围内电采暖负荷的协同优化.针对上 述问题, 文中首先提出了智能电暖网络的概念、 架构以及衡量该网络运行效果的优化指标.其次, 提出了智能电暖网络的确定性优化运行模型, 该模型首先在保证最大功率限制的约束下, 求解可达 到的最大舒适度;

再将最大的舒适度作为约束, 寻求使运行电费最小化的运行策略.进而, 在等效 热参数模型的基础上引入温度波动不确定量, 构建了确定性模型对应的鲁棒优化模型.算例分析 表明, 相比现有的实时温控策略, 确定性优化策略可有效控制尖峰负荷, 明显提高温度效用, 降低运 行电费;

鲁棒优化策略比确定性优化策略更好地保证了用户舒适度, 但运行电费略有升高.所提优 化策略充分响应峰谷电价, 在实现经济运行的同时, 可以间接响应电网削峰填谷. 关键词:智能用电;

电采暖;

负荷调度;

需求响应 收稿日期:

2 0

1 7 G

0 2 G

2 7;

修回日期:

2 0

1 7 G

0 6 G

0 1. 上网日期:

2 0

1 7 G

0 8 G

0 8. 国家电网公司科技项目 主动配电系统前瞻技术研究 .

0 引言 冬季供暖是中国北方居民的基本生活需求, 长 久以来大多采用以燃煤为原料的集中式供暖.然而, 近年来以 PM 2. 5为主的雾霾已严重影响生产生 活与人体健康.文献[ 1] 对北京市近5年的统计数 据进行分析, 结论显示, 大量燃烧燃煤进 行供暖使 PM 2. 5浓度增加5 0% 以上, 根治 PM 2.

5 必须从此 入手. 电能替代是指用电能代替传统的燃煤等一次能 源.电能在消费过程中无任何污染, 其产出可依靠 各种清洁能源, 且可远离消费地, 实施电能替代可带 来较大的环境效益[ 2] , 也是能源互联网战略的重要 部分[ 3] .在冬季采暖问题中, 煤改电 将从根本上 减少 PM 2.

5 的产生, 具有较强的经济性和可行性[ 4] .其中以碳晶电暖器为代表的分散式非蓄热型 取暖器成本低、 效率高, 使用灵活, 安装简易, 已经得 到大量推广.然而, 大量电采暖设备接入, 极易造成 尖峰负荷, 影响用电安全;

另一方面, 现有的温度控 制运行方式缺乏优化, 很难最大程度地利用产出的 热能, 更不能响应峰谷电价, 产生高额运行电费, 不 利于电能替代的推广, 电采暖优化运行策略有待研 究. 文献[

5 ] 提出了负荷需求调度的概念, 即建立针 对负荷运行计划的优化决策模型, 从而实现聚合负 荷功率曲线整形、 提高负荷运行经济性等目标, 负荷 调度也是分散式电采暖负荷优化运行的有效途径. 电采暖属于典型的热储能型设备, 对该类负荷进行 需求调度已有一定研究: 文献[

6 ] 提出了该类型设备 的等效热参数(equivalentt h e r m a lp a r a m e t e r , E T P) 模型, 定量描述了室内温度动态变化过程, 并 在此基础上研究利用聚合热储能负荷提供负荷平衡 服务;

文献[

7 G 9] 以此为基础, 研究了集中式负荷直 接控制的流程以及利用热储能负荷提供连续的负荷 调节备用的算法;

文献[

1 0 G

1 2 ] 从平衡微网联络线功 率、 虚拟电厂等角度对热储能负荷调度加以应 用. 此类文献重点研究了利用负荷调度实现聚合热储能 负荷功率曲线整形.另一方面, 文献[

1 3 G

1 5] 在考虑 用户舒适度基础上, 研究利用热储能特性响应实时 电价, 构建了以运行费用为目标的负荷调度模型, 实 现经济运行. 上述研究从不同角度采用多种方法对热储能负 荷开展调度研究, 取得了良好的效果.但文献[

1 6] 指出, 开展需求响应的同时还应该精细化地控制设 备运行, 实现节能节电, 提高能效.现有文献在研究

0 2 第4 1卷第1 9期2017年1 0月1 0日Vol.41N o .

1 9O c t .

1 0,

2 0

1 7 D O I :

1 0.

7 5

0 0 / A E P S

2 0

1 7

0 2

2 7

0 1

1 h t t p : / / ww w. a e p s G i n f o . c o m 聚合负荷功率曲线整形方面均从电网侧出发, 没有 考虑负荷运行的经济性;

研究热储能负荷经济运行 的文献通常针对单台设备, 未考虑聚合负荷功率限 制.此外, 上述研究中采用的 E T P模型是确定形式 的, 而实际中, 温度随机波动客观存在. 为此, 本文针对一定区域范围内的分散式非蓄 热型电采暖设备, 基于智能化控制构建智能电暖网 络, 对电采暖负荷运行进行整体协同优化.构建两 阶段的优化决策模型, 首先在最大功率约束下求解 使用户可能获得的最大舒适程度, 再在此基础上优 化设备的运行方式, 使系统运行费用最小化.整个 调度模型实现了以控制负荷尖峰、 保障用户舒适度 和提高用户经济性为指标的电暖网络优化运行.进而, 在确定性的优化模型基础上, 在ETP模型中引 入了不确定量, 得到鲁棒性较强的运行策略集.

1 现有的电采暖运行方式与智能电暖网络 架构 1.

1 现有的电采暖运行方式 现有的分散式电采暖设备的功率一般不可连续 调节, 仅有启/停两种状态.与定频 空调等设备类似, 电采暖设备一般采用实时温度控制策略, 依据当 前室温与设定温度的关系判断设备的运行状态.当 用户需要取暖时, 需设置一个理想温度 Ts e t, 控制系 统将以此温度为中心, 以温度限度±Δ T 确定用户 满意的最高温度Th 和最低温度Tl.设备运行过程 中, 控制系统以一定频率采集室内温度, 判断是否超 过温度上下限, 若超过上限则停机停止加热, 若低于 下限则开机重新加热;

当用户对室温无需求时, 如用 户需外出活动, 则手动关闭设备, 系统停止运行. 实时温控运行方式流程简单, 基本可以保证室 温处于理想温度区间.但实际中, 用户无法精确判 断开启和关闭设备的时刻, 容易导致用户舒适度不 佳.该策略仅针对某一独立空间, 同区域内各空间 无互联, 极易出现同时用电情况, 产生用电尖峰.此外, 实时温控运行方式没有明确的节能目标, 不能充 分利用热储能特性, 无法自动响应电网的峰谷电价. 1.

2 智能电暖网络架构 为解决现有实时温控运行方式存在的问题, 本 文基于智能用电网络[

1 7 G

1 8 ] 构建了智能电暖网络.智 能电暖网络是利用能效终端、 能量信息网关等硬件 设备将电采暖设备进行组网互联形成的网络, 并实 现一定区域内电采暖设备的协同优化运行.该网络 分为本地层和调度层, 架构如附 录A图A1所示. 本地层以能效终端为核心, 各电采暖设备一对一接 入能效终端, 终端可采集设备运行参数和环境参数 并上传至能量信息网关, 也可接收能量信息网关下 发的启停机指令;

调度层在接收到所辖区域内所有 电采暖设备的运行参数和环境参数后, 生成优化运 行策略, 并下发到能量信息网关;

能量信息网关是调 度层和本地层的通信中心, 分别基于 Z i g b e e无线传 感和以太网实现与能效终端、 智能云端的通信. 智能电暖网络本质是智能用电网络的一种应 用, 组网简单, 适用于各类取暖用户.而本文所研究 的协同优化运行策略则主要面向单一利益主体且具 有较多采暖设备的用户, 同时该用户的采暖需求可 在日前设定, 学校、 医院、 集团写字楼等均属这类适 用场景.以学校为例, 电费均由校方承担;

同时, 大 量电暖设备运行的总功率也会受 到一定限制.此外, 学校各个房间在次日的取暖计划也可以依据课 表事先确定.当面向其他运行场景, 例如用户行为 随机性很强的居民用户, 则需在调度层集成适用于 该环境的优化算法.此外, 也可将多个这样的智能 电暖网络再次组网互联, 在此基础上对多个利益主 体开展配售电、 虚拟电厂等问题的研究.

2 智能电暖网络运行优化指标 在建立优化运行模型前首先需要明确优化的指 标.电力用户都希望在确保用电舒适度的同时降低 用电成本[

1 9 ] .智能电暖网络的主要利益相关方是 电网和采暖用户.其中电网主要关心尖峰负荷, 用 户不但关心负荷是否超过变压器等设备的容量限 制, 还关心取暖舒适度以及运行电费. 2.

1 运行电费 电采暖设备功率较大, 长时间使用将消耗大量 电能, 高额的运行费用将阻碍其广泛推广.中国广 大地区已实施峰谷电价, 其本质即一种基于价格的 需求响应削峰填谷措施.利用环境的热储能特性, 优化电采暖设备的启停方式, 可有效将电采暖设备 的用电时段转移到相对低电价的时段, 同时不影响 用户取暖需求.未来电力市场环境下的实时电价会 更好地反映电力供需关系, 以最低运行电费方式工 作也是间接地参与移峰填谷的有效方法. 下面以一个安装1台电采暖设备的房间为例简 要说明不同运行策略产生不同运行费用的机理.在 本文第3节中介绍了 E T P 模型以及在一定温度区 间内线性化的方法, 该房间的温度动态变化过程及 设备的启停如图1所示.假设时段1至3为峰时电 价时段, 时段4之后为平时电价时段, 实时温控策略 对应方式1, 其温度曲........