淺談面向綜合能源協(xié)調(diào)的虛擬電廠運行優(yōu)化方案及二次設備選型

摘要：針對當下能源利用效率低以及供能系統(tǒng)運行成本大的普遍現(xiàn)象，構(gòu)建了包含源網(wǎng)荷儲多環(huán)節(jié)的虛擬電廠調(diào)度模型。虛擬電廠運行調(diào)度模型以經(jīng)濟性為優(yōu)化目標，利用Logistic函數(shù)實現(xiàn)用戶側(cè)負荷的需求響應，并通過對比分析非需求響應模式、電網(wǎng)需求響應、電網(wǎng)+氣網(wǎng)需求響應三種情況，對我國西北某工業(yè)園區(qū)進行實例分析。結(jié)果表明，對該區(qū)域?qū)嵤┌妰r和氣價的需求響應策略后，均能實現(xiàn)經(jīng)濟優(yōu)化和效率提升，其中該區(qū)域?qū)﹄妰r的敏感性更高，為后續(xù)虛擬電廠運行調(diào)度研究提供了參考價值。

關(guān)鍵詞：虛擬電廠；需求響應；綜合能源；源網(wǎng)荷儲；清潔能源

0 引言

隨著國家“雙碳"目標的推進，構(gòu)建新型綠色的能源系統(tǒng)是發(fā)展點。在我國“十四五"規(guī)劃中強調(diào)在能源發(fā)展中需要考慮各種分布式能源和儲能模塊等參與進來。在該背景下，虛擬電廠的概念得以提出并迅速發(fā)展。虛擬電廠本質(zhì)是一個能源調(diào)度系統(tǒng)，通過對可調(diào)節(jié)負荷、分布式電源以及儲能三類要素進行資源整合、調(diào)節(jié)以及分配，在維持系統(tǒng)內(nèi)部總體平衡的情況下提高運行效率，從而加強系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展能力。

從用戶側(cè)儲能模式角度探究多點聚合、電池共享以及需求響應的發(fā)展方向和應用前景。利用蟻獅優(yōu)化算法對虛擬電廠調(diào)度策略改進，并從碳捕集和需求響應機制兩個角度進行輔助研究。基于日前和日內(nèi)調(diào)度模型建立了多時間尺度優(yōu)化調(diào)度方法，該方法能夠?qū)崿F(xiàn)預測并提高系統(tǒng)經(jīng)濟性。通過優(yōu)化能源微網(wǎng)并探究不同能源的交換方式，建立了虛擬電廠綜合能源調(diào)度優(yōu)化方法，實現(xiàn)了對綜合能源的利用效率zui大化。

1 考慮多負荷的虛擬電廠系統(tǒng)架構(gòu)

本文在考慮分布式能源、可調(diào)節(jié)用戶電負荷需求、儲能電池的基礎上建立了虛擬電廠調(diào)度模型，將該調(diào)度模型進行優(yōu)化完善，在用戶側(cè)加入了供熱、供冷業(yè)務，能源轉(zhuǎn)化側(cè)加入了冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)(combined cooling heating and power,CCHP)、燃氣鍋爐和電制冷機組，并在外部供應側(cè)加入了天然氣供應商，新的調(diào)度模型具有更好的能源耦合關(guān)系，具體系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

圖1中CCHP機組包括了燃氣輪機、余熱回收鍋爐和溴化鋰制冷機組三種設備，通過以天然氣為燃料供應燃氣輪機設備運行。該設備在運行過程中，一方面能夠帶動發(fā)電機產(chǎn)電，另一方面能夠?qū)a(chǎn)生的熱量傳遞至余熱回收鍋爐。余熱回收鍋爐通過補燃天然氣燃料進行產(chǎn)熱，與此同時，將部分動力傳輸至溴化鋰制冷機組進行產(chǎn)冷，故CCHP設備通過能量耦合和梯級利用能夠同時滿足電熱冷三類負荷需求，具有較高的能效。

圖 1 虛擬電廠調(diào)度系統(tǒng)架構(gòu)

2 虛擬電廠調(diào)度模型

需求響應是指當電價處于高峰或者電力系統(tǒng)受到威脅時，用戶側(cè)收到信號后主動調(diào)整固有的習慣用電模式，從而降低該時段的電力負荷，以此實現(xiàn)保障電網(wǎng)穩(wěn)定性的目的。具體可分為價格型需求響應和激勵型需求響應兩種類型。

本文所采用的基于Logistic函數(shù)的負荷轉(zhuǎn)移率模型屬于價格型需求響應模型。由價格型需求響應概念可知，當電價差發(fā)生變化時均能引起用戶側(cè)用電需求的變化，分時電價機制的設定能激勵用戶改變固有用電模式，用戶的響應行為仍具有隨機性。故考慮Logistic函數(shù)的需求響應模型將該隨機性行為轉(zhuǎn)化為數(shù)學表達，在真實需求響應曲線之間設定樂觀響應預測曲線和悲觀需求響應預測曲線，使得該模型具備模糊屬性。模型劃分為“死區(qū)"“響應區(qū)"和“飽和區(qū)"。當電價差處于“死區(qū)"時，電價差并不能引起用戶的自主用戶行為，故該區(qū)域負荷轉(zhuǎn)移率具有隨機性；當電價差處于“響應區(qū)"時，用戶會積極參與需求響應機制，且在該區(qū)域內(nèi)，電價差越大，用戶側(cè)需求響應力度越大，即負荷轉(zhuǎn)移率越高；當電價差處于“飽和區(qū)"時，電價差已經(jīng)超過了用戶負荷彈性潛力，故在該區(qū)域內(nèi)用戶不會參與到需求響應中，此時負荷轉(zhuǎn)移率達到zui大且保持不變。

3 模型運行仿真

3.1 基礎數(shù)據(jù)

調(diào)度模型的運行周期是24h,當?shù)啬茉捶謺r價格包括電價和天然氣價格。據(jù)分析可知，該模型的用戶側(cè)電負荷需求響應與電價相關(guān)，其他負荷中以熱負荷供應為主，冷負荷需求量較小，熱負荷由CCHP和燃氣鍋爐共同供應，且兩種設備燃料來源均為天然氣，故可探究熱負荷需求響應與天然氣價格之間的關(guān)系，在考慮Logistic函數(shù)后的電熱負荷具體對比如圖2所示。

3.2 仿真模擬

對3.1節(jié)實施需求響應后的負荷情況進行仿真模擬研究，并對比分析非需求響應模式、電網(wǎng)需求響應和電網(wǎng)+氣網(wǎng)需求響應三種場景。場景一是非需求響應模式，場景二是電網(wǎng)需求響應模式，場景三是電網(wǎng)+氣網(wǎng)需求響應模式。探究考慮Logistic函數(shù)的需求響應模型對于虛擬電廠運行調(diào)度下的優(yōu)化目標求解影響。

時刻

電負荷

時刻

熱負荷

(1)非需求響應場景。在未實施用戶側(cè)需求響應時，其負荷均為原始負荷，根據(jù)模擬仿真得出其電系統(tǒng)運行情況，在該場景下調(diào)度模型的總運行成本是1156元，其中電網(wǎng)購電費用是432元，設備運行維護費用是724元。分析可知，該場景下新能源發(fā)電約占發(fā)電端總發(fā)電量的68.7%,且光伏與風機出力能夠?qū)崿F(xiàn)耦合互補，從而在整個24h調(diào)度周期內(nèi)實現(xiàn)用戶側(cè)電力供應的持續(xù)輸出。電網(wǎng)購電行為在13:00至16:00的電負荷需求較大且供應端發(fā)電較少時尤為突出。

(2)電網(wǎng)需求響應場景。在該場景下調(diào)度模型的總運行成本是977元，在場景一的基礎上其成本約降低了15.5%,其中電網(wǎng)購電費用是314元，設備運行維護費用是663元。分析可知，在實施用戶側(cè)電網(wǎng)需求響應后，其購電成本有了顯著下降，當處于電價高峰時段時的購電現(xiàn)象減少，儲能電池在電價低谷和平時充電量增加，峰時放電量增加實現(xiàn)了峰谷套利，節(jié)約了系統(tǒng)成本。

(3)電網(wǎng)+氣網(wǎng)需求響應場景。在該場景下調(diào)度模型的總運行成本是989元，在場景一的基礎上其成本約降低了14.4%,其中電網(wǎng)購電費用是360元，設備運行維護費用是629元，在該場景下設備運行維護費用有了明顯降低，但是調(diào)度模型經(jīng)濟性不及場景二。分析可知，該虛擬電廠調(diào)度模型用戶側(cè)對于天然氣分時價格的響應行為不夠積極，因為該區(qū)域內(nèi)的電負荷需求遠大于熱負荷需求，故調(diào)度模型在只考慮電網(wǎng)需求響應時能夠?qū)崿F(xiàn)經(jīng)濟性。

4 安科瑞智慧能源管理平臺

AcrelEMS智慧能源管理平臺是針對企業(yè)微電網(wǎng)的能效管理平臺，對企業(yè)微電網(wǎng)分布式電源、市政電源、儲能系統(tǒng)、充電設施以及各類交直流負荷的運行狀態(tài)實時監(jiān)視、智能預測、動態(tài)調(diào)配，優(yōu)化策略，診斷告警，可調(diào)度源荷有序互動、能源全景分析，滿足企業(yè)微電網(wǎng)能效管理數(shù)字化、安全分析智能化、調(diào)整控制動態(tài)化、全景分析可視化的需求，完成不同策略下光儲充資源之間的靈活互動與經(jīng)濟運行，為用戶降低能源成本，提高微電網(wǎng)運行效率。AcrelEMS智慧能源管理平臺可以接受虛擬電廠的調(diào)度指令和需求響應，是虛擬電廠平臺的企業(yè)級子系統(tǒng)。

圖1AcrelEMS智慧能源管理平臺主界面

平臺結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)覆蓋企業(yè)微電網(wǎng)“源-網(wǎng)-荷-儲-充"各環(huán)節(jié)，通過智能網(wǎng)關(guān)采集測控裝置、光伏、儲能、充電樁、

常規(guī)負荷數(shù)據(jù)，根據(jù)負荷變化和電網(wǎng)調(diào)度進行優(yōu)化控制，促進新能源消納的同時降低對電網(wǎng)的至大需量，使之運行安全。

圖2AcrelEMS智慧能源管理平臺結(jié)構(gòu)

平臺功能

4.1 能源數(shù)字化展示

通過展示大屏實時顯示市電、光伏、風電、儲能、充電樁以及其它負荷數(shù)據(jù)，快速了解能源運行情況。

4.2 優(yōu)化控制

直觀顯示能源生產(chǎn)及流向，包括市電、光伏、儲能充電及消耗過程，通過優(yōu)化控制儲能和可控負載提升新能源消納，削峰填谷，平滑系統(tǒng)出力，并顯示優(yōu)化前和優(yōu)化后能源曲線對比等。

4.3 智能預測

結(jié)合氣象數(shù)據(jù)，歷史數(shù)據(jù)對光伏、風力發(fā)電功率和負荷功率進行預測，并與實際功率進行對比分析，通過儲能系統(tǒng)和負荷控制實現(xiàn)優(yōu)化調(diào)度，降低需量和用電成本。

4.4 能耗分析

采集企業(yè)電、水、天然氣、冷/熱量等各種能源介質(zhì)消耗量，進行同環(huán)比比較，顯示能源流向，能耗對標，并折算標煤或碳排放等。

4.5 有序充電

系統(tǒng)支持接入交直流充電樁，并根據(jù)企業(yè)負荷和變壓器容量，并和變壓器負荷率進行聯(lián)動控制，引導用戶有序充電，保障企業(yè)微電網(wǎng)運行安全。

4.6 運維巡檢

系統(tǒng)支持任務管理、巡檢/缺陷/消警/搶修記錄以及通知工單管理，并通過北斗定位跟蹤運維人員軌跡，實現(xiàn)運維流程閉環(huán)管理。

4.7 設備選型

除了智慧能源管理平臺外，還具備現(xiàn)場傳感器、智能網(wǎng)關(guān)等設備，組成了完整的“云-邊-端"能源數(shù)字化體系，具體包括高低壓配電綜合保護和監(jiān)測產(chǎn)品、電能質(zhì)量在線監(jiān)測裝置、電能質(zhì)量治理、照明控制、充電樁、電氣消防類解決方案等，可以為虛擬電廠企業(yè)級的能源管理系統(tǒng)提供一站式服務能力。

安科瑞系統(tǒng)解決方案還包含電力運維云平臺、能源綜合計費管理平臺、環(huán)保用電監(jiān)管云平臺、充電樁運營管理云平臺、智慧消防云平臺、電力監(jiān)控系統(tǒng)、微電網(wǎng)能量管理系統(tǒng)、智能照明控制系統(tǒng)、電能質(zhì)量治理系統(tǒng)、電氣消防系統(tǒng)、隔離電源絕緣監(jiān)測系統(tǒng)等系統(tǒng)解決方案，覆蓋企業(yè)微電網(wǎng)各個環(huán)節(jié)，打造準確感知、邊緣智能、智慧運行的企業(yè)微電網(wǎng)智慧能源管理系統(tǒng)。

4 結(jié)束語

虛擬電廠在國家“雙碳"目標發(fā)展下具有較大的潛力和實用價值，能夠節(jié)約電廠和電網(wǎng)投資。經(jīng)測算，通過建設煤電等火力發(fā)電機組來滿足運行區(qū)域約5%的峰值負荷時，其電廠及配套電網(wǎng)投資額較大，總成本約為建設虛擬電廠產(chǎn)業(yè)的10倍左右。本文通過建立基于Logistic函數(shù)的虛擬電廠運行調(diào)度模型能夠在成本上實現(xiàn)較大的優(yōu)化，對于未來虛擬電廠的建設和運行有一定的參考價值。

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