PDF《计及需求价格弹性的区域能源中心建模与日前优化调度》

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a e p s - i n f o . c o m 计及需求价格弹性的区域能源中心建模与日前优化调度 陈泽兴,张勇军,许志恒,蔡泽祥, T h a n h t u n gHA ( 广东省绿色能源技术重点实验室,华南理工大学电力学院,广东省广州市

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0 6

4 0 ) 摘要:能源市场管制放松的背景下, 将能源价格作为一种可控资源, 有望进一步推进区域能源中心 ( D E C) 内电、 气、 冷/热等多种能源的优化运行.文中以能量枢纽为基础模型, 提出了 D E C 功率平 衡方程的通用线性化建模方法;

同时, 计及能源需求的价格弹性, 对其进行分段线性化建模, 并引入

0 - 1变量及线性约束将分段线性函数的描述统一化.进一步, 以DEC净收益最大化为目标, 计及 能源价格可控性, 建立了 D E C日前优化调度的混合整数二次规划模型, 通过 GAM S调用 C P L E X 进行求解.最后, 以微网型 D E C为例, 验证了所提建模方法的有效性, 分析了能源价格是否参与调 控、 不同价格弹性及新能源预测误差对调度结果的影响.结果表明, 充分利用负荷的价格弹性, 在 最大化 D E C净收益之余, 有利于减小负荷方差和峰谷差, 深度挖掘 D E C的优化潜力. 关键词:价格弹性;

区域能源中心;

分段线性化;

GAM S;

优化调度 收稿日期:

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2 4;

修回日期:

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0 8 -

1 8. 上网日期:

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2 0. 国家自然科学基金资助项目(

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7 7

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7 7 ) ;

广东省自然科学基 金资助项目(

2 0

1 7 A

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4 ) .

0 引言 以能源的分布式开发、 多能互补综合利用为核 心, 加强需求侧管理, 实现用户真正参与, 推进能源 系统削峰填谷、 低碳高效, 是能源系统发展的必由之 路[

1 - 3] .在此背景下, 打破现有各供能系统独立规划、 设计、 运行的模式, 实现能源市场化, 构建多能流 耦合的 综合能源系统(integratede n e r g ys y s t e m, I E S ) 备受关注[

4 - 6] . I E S可抽象看成由多种能源网络实现多个区域 能源中 心(districte n e r g yc e n t r e , D E C) 的连接[ 7] . D E C是多能源耦合的区域分布式能源系统, 它通过 各类能源转换器实现区域内电、 热、 冷、 气等能源之 间的交互, 供能对象包括商务区、 产业园区、 微能源 网、 工业园区、 智能楼宇等, 具小地块特征.为统一 描述 D E C中多能流耦合的关系, 苏黎世联邦理工学 院于

2 0

0 7 年首次提出了能量枢纽(energyh u b , EH) 的建模方法[ 8] , 该方法通过耦合矩阵描述 D E C 的能量分配与转化关系, 实现对 D E C中多能流的耦 合联系的数学建模, 并在解决 D E C 规划、 优化运行 问题中发挥了重要作用, 已成为研究热点[

9 -

1 0 ] . 在规划层面, 文献[

1 1 -

1 3 ] 分别将 EH 建模方法 应用于医院、 酒店和居民用户这几类 D E C的热电能 源供应问题上, 并对能源供应/存储设备( 如热电联 产( CH P) 、 热锅炉、 电池等) 的容量进行了优化选择;

文献[

1 4 ] 则通过建立含0 - 1变量的模型, 用以确 定EH 中设备的最优组合;

在优化运行层面, 文献 [

1 5 -

1 6 ] 以居民的电热冷供应系统进行 EH 建模, 在 满足相应运行约束的条件下, 优化各式能源之间的 分配转化关系, 实现用能成本最小化;

文献[

1 7] 对EH 内设备响应需求侧的灵活性进行分析, 在EH 优化调度模型中计及了需求侧响应;

文献[

1 8 -

1 9] 还 分别增加了新能源、 电动汽车等元素, 统一于 EH 建模, 并考虑了系统不确定因素对运行的影响.类似 基于 EH 建模的 D E C规划、 运行方法的研究仍有不 少[

2 0 -

2 2] , 但总体看来:

1 ) 基于 EH 的建模方法, 主要用来描述 D E C中 多能源耦合功率的稳态平衡关系, 但大部分文献针 对不同 D E C的建模需要具体分析, 缺乏通用的建模 方法, 增加了复杂系统的建模难度;

文献[ 7] 在研究 D E C稳态优化调度时, 对DEC通用性建模进行了 初探, 但由于能量分配系数的引入, 使得原本可用线 性描述的 D E C功率平衡方程非线性化, 增加了问题 的复杂性.

2 ) D E C日前优化调度方面, 尽管有部分文献考 虑负荷的需求侧响应, 但需求侧响应能力的表现形 式多反映为可平移负荷、 可控负荷等[

1 7,

2 3 -

2 5 ] , 价格特 性反映不明显.能源市场管制放松的背景下[

2 6 -

2 7] , 能源价格将发展成为一种控制资源, 计及需求价格 弹性并以实时/分时能源价格的制定引导需求侧参

7 2 第4 2卷第1 2期2018年6月2 5日Vol.42N o .

1 2J u n e2 5,

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1 8 D O I :

1 0.

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0 0 / A E P S

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7 与系统决策将成为趋势. 基于 此, 本文首先在EH 模型的基础上, 以DEC内各设备的连接关系矩阵描述为关键表征量, 提出了 D E C稳态功率平衡方程通用性建模方法, 将DEC功率平衡方程描述为待求变量的线性表达;

再者, 计及能源负荷需求的价格弹性, 提出能源负荷需 求的分段线性化建模方法;

进一步, 考虑能源价格作 为一种控制手段, 以最大化 D E C 净收益为目标, 建 立了 D E C 日前优化调度模型;

最后, 通过一个微网 型DEC对所提模型进行了验证和算例仿真.

1 D E C稳态功率平衡方程通用线性化建模 基于 EH 模型的 D E C抽象结构如图1所示, 描 述为输入―输出的二端口网络[ 8] .本节提出D E C稳 态功率平衡方程通用线性化建模, 主要反映多能流 功率的稳态/准稳态的有功平衡关系, 适于 D E C 日 前计划, 其 通用性 体现在该建模方法可基于 D E C 内设备连接关系矩阵的描述获得功率平衡方程, 适 用于任一 D E C, 便于计算机编程实现. 图1 基于 E H 模型的 D E C示意图 F i g .

1 D i a g r a mo fD E Cb a s e do nE H m o d e l 具体地, D E C 中M个能源输入功率向量P= [ P1, P2, …, Pm , …, PM ] T ( m =1, 2, …, M ) 表征DEC与上级能源系统的功率交换, N 个能源输出功 率向量L=[ L1, L2, …, Ln , …, LN ] T ( n=1, 2, …, N) 表示 D E C 的负荷.D E C 内部包含了能源转换 设备( 可能组成串级转换设备, 具体定义见下文) 、 能 源存储设备、 新能源设备等. 定义 D E C内K个新能源出力的功率列向量为 R=[ R1, R2, …, Rk , …, RK ] T ( k=1, 2, …, K ) ;

H 个能源 存储设备充能功率和放能功率分别为Qch=[ Qc h

1 , Qc h

2 , …, Qc h h ,…, Qc h H ] T , Q d i s = [ Qd i s

1 , Qd i s

2 , …, Qd i s h , …, Qd i s H ] T ( h=1, 2, …, H ) ;

所有的能 源转换 设备共有J个输入端, 功率列向量为S= [ S1, S2, …, Sj …, SJ ] T ( j=1, 2, …, J) , 对应的I 个输出端的功率列向量为O=[ O1, O2, …, Oi, … OI] T ( i=1, 2, …, I) .P, L, O, S, R, Q c h , Q d i s 功率 正方向定义如图1所示.对于O 和S 有O= η S (

1 ) 式中: η=( η i j ) I*J 为I 行J 列矩阵, 其中η i j 为能源 转换设备输入端j 至输出端i的稳态转换效率[ 7,

9 ] . 从设备连接关系看, D E C 内新能源、 能源存储 设备可连接于 D E C的输入/输出端或各能源转换设 备的输入/输出端.因此, 当存在新能源及能源存储 设备的功率向量 R, Q c h , Q d i s 时, 可认为是对 P, L, O, S 的修正.基于此, 先对仅含能源转换设备的DEC进行数学建模.

1 ) 端口关联矩阵C 该建模方法中, 能量从 D E C的输入端到输出端 的任一通路都需经过至少一种能源转换设备, 若存 在某一通路不经过能源转换设备, 需自行增加虚拟 能源转换设备, 并认为转化效率为

1 0 0%.定义端 口关联矩阵C 为M +N 行I+J 列矩阵, 表征 D E C 输入/输出端口与能源转换设备输入/输出端口的连 接关系, 且C 与P, L, O, S 的关系为: P L é ? ê ê ù ? ú ú =C O S é ? ê ê ù ? ú ú = CP O CP S CL O CL S ?? ???? é ? ê ê ù ? ú ú O S é ? ê ê ù ? ú ú (

2 ) 其中, CP O = ( cm i ) M * I , CP S = ( cm j ) M *J , CL O = ( c n i) N* I , CL S=( c n j) N*J 为C 的分块矩阵, 并且 cm i= -1 m 端与i端相连

0 m 端与i端不相连 { cm j=

1 m 端与j 端相连

0 m 端与j 端不相连 { c n i=

1 n 端与i端相连

0 n 端与i端不相连 { c n j= -1 n 端与j 端相连

0 n 端与j 端不相连 { ì ? í ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? (

3 ) 式中: m 端和n 端分别指能源输入端口Pm 和能源 输出端口Ln ;

i端和j 端分别指能源转换设备输出 端口Oi 及输入端口Sj.

2 ) 串级转换设备端口位置矩阵D 串级转换设备( 见图1 ) 由多个能源转换设备组 成, 是指 D E C中的能量经过一个( 多个) 能源转换设 备输出后, 汇集输入另一个( 多个) 能源转换设备中, 且在能量汇集处不与 D E C输入输出端相连. 假设 D E C 中有 G 个串级转换设备, g 为其计 数变量( g=1, 2, …, G) , 定义G*( I+J) 阶矩阵 D 为串级转换设备端口位置矩阵, 且D= DODS [ ] (

4 ) 式中: DO=( Dg i) G* I 和DS=( Dg j ) G*J 为D 的分块

8 2

2 0

1 8,

4 2 (

1 2 ) ・能源转型与电力支撑・ h t t p : / / ww w. a e p s - i n f o . c o m 矩阵. 对于某串级转换设备g, 若在能量汇集处与能 源转换设备输出、 输入端口i和j 相连接, 则对应的 Dg i和Dg j取1, 否则取0, 则D 与O 和S 的关系为: DO O=DS S (

5 ) 因此, 不考虑DEC内新能源和储能时, 联立式(

1 ) 、 式(

2 ) 和式( 5) , 消去矩阵 O, 可得 D E C 稳态 功率平衡方程如式(

6 ) 所示. ZA S P é ? ê ê ù ? ú ú =

0 L

0 é ? ê ê ê ê ù ? ú ú ú ú (

6 ) ZA= CP O η+CP S - I CL O η+CL S

0 DO η-DS

0 é ? ê ê ê ê ù ? ú ú ú ú (

7 ) 式中: I 为M 阶单位矩阵.

3 ) 计及新能源、 储能的 D E C稳态功率平衡方程 定义新 能源设备位置矩阵A为I+J+M + N 行K 列矩 阵, 储能设备位置矩阵B为I+J+ M +N 行H列矩阵.将矩阵A 和B 按I, J, M , N 维度进行分块, 有A= AT OAT S AT P AT L [ ]T B= BT OBT S BT P BT L [ ]T { (

8 ) 式中: AO=( Ai k ) I*K 和BO =( Bi h ) I*H 分 别表示新 能源设备、 储能设备与 D E C内部各能源转换设备输 出端口的关 系, 若新能源设备k 或储能设备h 存储/补充能源转换设备输出端口i的能量, 对应元素 Ai k 和Bi h 取值1, 否则为0;

AS = ( Aj k ) J*K , AP = ( Am k) M *K , AL =( An k ) N*K 分别表示新能源设备与 各能源转换设备输入端口、 D E C 输入端、 D E C 输出 端的能量承接关系;

BS = ( Bj h ) J*H , BP = ( Bm h ) M *H , BL=( Bn h ) N*H 分别表示储能设备与各 能源转换设备输入端口、 D E C 输入端、 D E C 输出端 的能量承接关系.AS, AP, AL, BS, BP, BL 矩阵内元 素的取值方式与AO 和BO 相同. 表1给出了计及新能源、 储能........