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

摘要：針對(duì)當(dāng)下能源利用效率低以及供能系統(tǒng)運(yùn)行成本大的普遍現(xiàn)象，構(gòu)建了包含源網(wǎng)荷儲(chǔ)多環(huán)節(jié)的虛擬電廠調(diào)度模型。虛擬電廠運(yùn)行調(diào)度模型以經(jīng)濟(jì)性為優(yōu)化目標(biāo)，利用Logistic函數(shù)實(shí)現(xiàn)用戶側(cè)負(fù)荷的需求響應(yīng)，并通過(guò)對(duì)比分析非需求響應(yīng)模式、電網(wǎng)需求響應(yīng)、電網(wǎng)+氣網(wǎng)需求響應(yīng)三種情況，對(duì)我國(guó)西北某工業(yè)園區(qū)進(jìn)行實(shí)例分析。結(jié)果表明，對(duì)該區(qū)域?qū)嵤┌妰r(jià)和氣價(jià)的需求響應(yīng)策略后，均能實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)優(yōu)化和效率提升，其中該區(qū)域?qū)﹄妰r(jià)的敏感性更高，為后續(xù)虛擬電廠運(yùn)行調(diào)度研究提供了參考價(jià)值。

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

0 引言

隨著國(guó)家“雙碳"目標(biāo)的推進(jìn)，構(gòu)建新型綠色的能源系統(tǒng)是發(fā)展點(diǎn)。在我國(guó)“十四五"規(guī)劃中強(qiáng)調(diào)在能源發(fā)展中需要考慮各種分布式能源和儲(chǔ)能模塊等參與進(jìn)來(lái)。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(gè)能源調(diào)度系統(tǒng)，通過(guò)對(duì)可調(diào)節(jié)負(fù)荷、分布式電源以及儲(chǔ)能三類要素進(jìn)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(yùn)行效率，從而加強(qiáng)系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展能力。

從用戶側(cè)儲(chǔ)能模式角度探究多點(diǎn)聚合、電池共享以及需求響應(yīng)的發(fā)展方向和應(yīng)用前景。利用蟻獅優(yōu)化算法對(duì)虛擬電廠調(diào)度策略改進(jìn)，并從碳捕集和需求響應(yīng)機(jī)制兩個(gè)角度進(jìn)行輔助研究?；谌涨昂腿諆?nèi)調(diào)度模型建立了多時(shí)間尺度優(yōu)化調(diào)度方法，該方法能夠?qū)崿F(xiàn)預(yù)測(cè)并提高系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性。通過(guò)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(shí)現(xiàn)了對(duì)綜合能源的利用效率zui大化。

1 考慮多負(fù)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(fù)荷需求、儲(chǔ)能電池的基礎(chǔ)上建立了虛擬電廠調(diào)度模型，將該調(diào)度模型進(jìn)行優(yōu)化完善，在用戶側(cè)加入了供熱、供冷業(yè)務(wù)，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?xì)忮仩t和電制冷機(jī)組，并在外部供應(yīng)側(cè)加入了天然氣供應(yīng)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(jī)組包括了燃?xì)廨啓C(jī)、余熱回收鍋爐和溴化鋰制冷機(jī)組三種設(shè)備，通過(guò)以天然氣為燃料供應(yīng)燃?xì)廨啓C(jī)設(shè)備運(yùn)行。該設(shè)備在運(yùn)行過(guò)程中，一方面能夠帶動(dòng)發(fā)電機(jī)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(guò)補(bǔ)燃天然氣燃料進(jìn)行產(chǎn)熱，與此同時(shí)，將部分動(dòng)力傳輸至溴化鋰制冷機(jī)組進(jìn)行產(chǎn)冷，故CCHP設(shè)備通過(guò)能量耦合和梯級(jí)利用能夠同時(shí)滿足電熱冷三類負(fù)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(yīng)是指當(dāng)電價(jià)處于高峰或者電力系統(tǒng)受到威脅時(shí)，用戶側(cè)收到信號(hào)后主動(dòng)調(diào)整固有的習(xí)慣用電模式，從而降低該時(shí)段的電力負(fù)荷，以此實(shí)現(xiàn)保障電網(wǎng)穩(wěn)定性的目的。具體可分為價(jià)格型需求響應(yīng)和激勵(lì)型需求響應(yīng)兩種類型。

本文所采用的基于Logistic函數(shù)的負(fù)荷轉(zhuǎn)移率模型屬于價(jià)格型需求響應(yīng)模型。由價(jià)格型需求響應(yīng)概念可知，當(dāng)電價(jià)差發(fā)生變化時(shí)均能引起用戶側(cè)用電需求的變化，分時(shí)電價(jià)機(jī)制的設(shè)定能激勵(lì)用戶改變固有用電模式，用戶的響應(yīng)行為仍具有隨機(jī)性。故考慮Logistic函數(shù)的需求響應(yīng)模型將該隨機(jī)性行為轉(zhuǎn)化為數(shù)學(xué)表達(dá)，在真實(shí)需求響應(yīng)曲線之間設(shè)定樂觀響應(yīng)預(yù)測(cè)曲線和悲觀需求響應(yīng)預(yù)測(cè)曲線，使得該模型具備模糊屬性。模型劃分為“死區(qū)"“響應(yīng)區(qū)"和“飽和區(qū)"。當(dāng)電價(jià)差處于“死區(qū)"時(shí)，電價(jià)差并不能引起用戶的自主用戶行為，故該區(qū)域負(fù)荷轉(zhuǎn)移率具有隨機(jī)性；當(dāng)電價(jià)差處于“響應(yīng)區(qū)"時(shí)，用戶會(huì)積極參與需求響應(yīng)機(jī)制，且在該區(qū)域內(nèi)，電價(jià)差越大，用戶側(cè)需求響應(yīng)力度越大，即負(fù)荷轉(zhuǎn)移率越高；當(dāng)電價(jià)差處于“飽和區(qū)"時(shí)，電價(jià)差已經(jīng)超過(guò)了用戶負(fù)荷彈性潛力，故在該區(qū)域內(nèi)用戶不會(huì)參與到需求響應(yīng)中，此時(shí)負(fù)荷轉(zhuǎn)移率達(dá)到zui大且保持不變。

3 模型運(yùn)行仿真

3.1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

調(diào)度模型的運(yùn)行周期是24h,當(dāng)?shù)啬茉捶謺r(shí)價(jià)格包括電價(jià)和天然氣價(jià)格。據(jù)分析可知，該模型的用戶側(cè)電負(fù)荷需求響應(yīng)與電價(jià)相關(guān)，其他負(fù)荷中以熱負(fù)荷供應(yīng)為主，冷負(fù)荷需求量較小，熱負(fù)荷由CCHP和燃?xì)忮仩t共同供應(yīng)，且兩種設(shè)備燃料來(lái)源均為天然氣，故可探究熱負(fù)荷需求響應(yīng)與天然氣價(jià)格之間的關(guān)系，在考慮Logistic函數(shù)后的電熱負(fù)荷具體對(duì)比如圖2所示。

3.2 仿真模擬

對(duì)3.1節(jié)實(shí)施需求響應(yīng)后的負(fù)荷情況進(jìn)行仿真模擬研究，并對(duì)比分析非需求響應(yīng)模式、電網(wǎng)需求響應(yīng)和電網(wǎng)+氣網(wǎng)需求響應(yīng)三種場(chǎng)景。場(chǎng)景一是非需求響應(yīng)模式，場(chǎng)景二是電網(wǎng)需求響應(yīng)模式，場(chǎng)景三是電網(wǎng)+氣網(wǎng)需求響應(yīng)模式。探究考慮Logistic函數(shù)的需求響應(yīng)模型對(duì)于虛擬電廠運(yùn)行調(diào)度下的優(yōu)化目標(biāo)求解影響。

時(shí)刻

電負(fù)荷

時(shí)刻

熱負(fù)荷

(1)非需求響應(yīng)場(chǎng)景。在未實(shí)施用戶側(cè)需求響應(yīng)時(shí)，其負(fù)荷均為原始負(fù)荷，根據(jù)模擬仿真得出其電系統(tǒng)運(yùn)行情況，在該場(chǎng)景下調(diào)度模型的總運(yùn)行成本是1156元，其中電網(wǎng)購(gòu)電費(fèi)用是432元，設(shè)備運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用是724元。分析可知，該場(chǎng)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(fēng)機(jī)出力能夠?qū)崿F(xiàn)耦合互補(bǔ)，從而在整個(gè)24h調(diào)度周期內(nèi)實(shí)現(xiàn)用戶側(cè)電力供應(yīng)的持續(xù)輸出。電網(wǎng)購(gòu)電行為在13:00至16:00的電負(fù)荷需求較大且供應(yīng)端發(fā)電較少時(shí)尤為突出。

(2)電網(wǎng)需求響應(yīng)場(chǎng)景。在該場(chǎng)景下調(diào)度模型的總運(yùn)行成本是977元，在場(chǎng)景一的基礎(chǔ)上其成本約降低了15.5%,其中電網(wǎng)購(gòu)電費(fèi)用是314元，設(shè)備運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用是663元。分析可知，在實(shí)施用戶側(cè)電網(wǎng)需求響應(yīng)后，其購(gòu)電成本有了顯著下降，當(dāng)處于電價(jià)高峰時(shí)段時(shí)的購(gòu)電現(xiàn)象減少，儲(chǔ)能電池在電價(jià)低谷和平時(shí)充電量增加，峰時(shí)放電量增加實(shí)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(yīng)場(chǎng)景。在該場(chǎng)景下調(diào)度模型的總運(yùn)行成本是989元，在場(chǎng)景一的基礎(chǔ)上其成本約降低了14.4%,其中電網(wǎng)購(gòu)電費(fèi)用是360元，設(shè)備運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用是629元，在該場(chǎng)景下設(shè)備運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用有了明顯降低，但是調(diào)度模型經(jīng)濟(jì)性不及場(chǎng)景二。分析可知，該虛擬電廠調(diào)度模型用戶側(cè)對(duì)于天然氣分時(shí)價(jià)格的響應(yīng)行為不夠積極，因?yàn)樵搮^(qū)域內(nèi)的電負(fù)荷需求遠(yuǎn)大于熱負(fù)荷需求，故調(diào)度模型在只考慮電網(wǎng)需求響應(yīng)時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)經(jīng)濟(jì)性。

4 安科瑞智慧能源管理平臺(tái)

AcrelEMS智慧能源管理平臺(tái)是針對(duì)企業(yè)微電網(wǎng)的能效管理平臺(tái)，對(duì)企業(yè)微電網(wǎng)分布式電源、市政電源、儲(chǔ)能系統(tǒng)、充電設(shè)施以及各類交直流負(fù)荷的運(yùn)行狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)視、智能預(yù)測(cè)、動(dòng)態(tài)調(diào)配，優(yōu)化策略，診斷告警，可調(diào)度源荷有序互動(dòng)、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(dòng)態(tài)化、全景分析可視化的需求，完成不同策略下光儲(chǔ)充資源之間的靈活互動(dòng)與經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，為用戶降低能源成本，提高微電網(wǎng)運(yùn)行效率。AcrelEMS智慧能源管理平臺(tái)可以接受虛擬電廠的調(diào)度指令和需求響應(yīng)，是虛擬電廠平臺(tái)的企業(yè)級(jí)子系統(tǒng)。

圖1AcrelEMS智慧能源管理平臺(tái)主界面

平臺(tái)結(jié)構(gòu)

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

常規(guī)負(fù)荷數(shù)據(jù)，根據(jù)負(fù)荷變化和電網(wǎng)調(diào)度進(jìn)行優(yōu)化控制，促進(jìn)新能源消納的同時(shí)降低對(duì)電網(wǎng)的至大需量，使之運(yùn)行安全。

圖2AcrelEMS智慧能源管理平臺(tái)結(jié)構(gòu)

平臺(tái)功能

4.1 能源數(shù)字化展示

通過(guò)展示大屏實(shí)時(shí)顯示市電、光伏、風(fēng)電、儲(chǔ)能、充電樁以及其它負(fù)荷數(shù)據(jù)，快速了解能源運(yùn)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(chǔ)能充電及消耗過(guò)程，通過(guò)優(yōu)化控制儲(chǔ)能和可控負(fù)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(duì)比等。

4.3 智能預(yù)測(cè)

結(jié)合氣象數(shù)據(jù)，歷史數(shù)據(jù)對(duì)光伏、風(fēng)力發(fā)電功率和負(fù)荷功率進(jìn)行預(yù)測(cè)，并與實(shí)際功率進(jìn)行對(duì)比分析，通過(guò)儲(chǔ)能系統(tǒng)和負(fù)荷控制實(shí)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(jìn)行同環(huán)比比較，顯示能源流向，能耗對(duì)標(biāo)，并折算標(biāo)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(fù)荷和變壓器容量，并和變壓器負(fù)荷率進(jìn)行聯(lián)動(dòng)控制，引導(dǎo)用戶有序充電，保障企業(yè)微電網(wǎng)運(yùn)行安全。

4.6 運(yùn)維巡檢

系統(tǒng)支持任務(wù)管理、巡檢/缺陷/消警/搶修記錄以及通知工單管理，并通過(guò)北斗定位跟蹤運(yùn)維人員軌跡，實(shí)現(xiàn)運(yùn)維流程閉環(huán)管理。

4.7 設(shè)備選型

除了智慧能源管理平臺(tái)外，還具備現(xiàn)場(chǎng)傳感器、智能網(wǎng)關(guān)等設(shè)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(hù)和監(jiān)測(cè)產(chǎn)品、電能質(zhì)量在線監(jiān)測(cè)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(jí)的能源管理系統(tǒng)提供一站式服務(wù)能力。

安科瑞系統(tǒng)解決方案還包含電力運(yùn)維云平臺(tái)、能源綜合計(jì)費(fèi)管理平臺(tái)、環(huán)保用電監(jiān)管云平臺(tái)、充電樁運(yùn)營(yíng)管理云平臺(tái)、智慧消防云平臺(tái)、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(cè)系統(tǒng)等系統(tǒng)解決方案，覆蓋企業(yè)微電網(wǎng)各個(gè)環(huán)節(jié)，打造準(zhǔn)確感知、邊緣智能、智慧運(yùn)行的企業(yè)微電網(wǎng)智慧能源管理系統(tǒng)。

4 結(jié)束語(yǔ)

虛擬電廠在國(guó)家“雙碳"目標(biāo)發(fā)展下具有較大的潛力和實(shí)用價(jià)值，能夠節(jié)約電廠和電網(wǎng)投資。經(jīng)測(cè)算，通過(guò)建設(shè)煤電等火力發(fā)電機(jī)組來(lái)滿足運(yùn)行區(qū)域約5%的峰值負(fù)荷時(shí)，其電廠及配套電網(wǎng)投資額較大，總成本約為建設(shè)虛擬電廠產(chǎn)業(yè)的10倍左右。本文通過(guò)建立基于Logistic函數(shù)的虛擬電廠運(yùn)行調(diào)度模型能夠在成本上實(shí)現(xiàn)較大的優(yōu)化，對(duì)于未來(lái)虛擬電廠的建設(shè)和運(yùn)行有一定的參考價(jià)值。

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