前言

能源互聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展與綜合能源系統(tǒng)的建設(shè)為低碳經(jīng)濟調(diào)度提供了良好的平臺。低碳經(jīng)濟調(diào)度的核心思想是在滿足系統(tǒng)內(nèi)各設(shè)備運行約束條件的前提下，盡量降低碳排放量，同時考慮多種能源之間的互補特性。

綜合能源系統(tǒng)中存在大量具有碳排放特性的設(shè)備，如大型太陽能熱發(fā)電站、儲能裝置等，這些設(shè)備不僅能夠提供電能，同時還具有調(diào)節(jié)和儲存功能，可以調(diào)節(jié)系統(tǒng)中各設(shè)備出力。

目前，將太陽能熱發(fā)電站和儲能裝置集成到綜合能源系統(tǒng)中已經(jīng)成為了一種趨勢，通過這兩種設(shè)備實現(xiàn)對能量的靈活調(diào)節(jié)、對需求的靈活響應以及對負荷特性的靈活調(diào)整。

多時間尺度調(diào)度

考慮到綜合能源系統(tǒng)中各子系統(tǒng)之間相互影響，本文將綜合能源系統(tǒng)中的各子系統(tǒng)分為計劃調(diào)度和實時調(diào)度兩個層面，其中計劃調(diào)度層面主要由系統(tǒng)中的各類儲能設(shè)備承擔，實時調(diào)度層面主要由各類分布式電源和傳統(tǒng)熱電機組承擔。

計劃調(diào)度層面的目標函數(shù)為各子系統(tǒng)在滿足用戶需求的基礎(chǔ)上，以最低的發(fā)電成本為目標，最小化系統(tǒng)總運行成本。

考慮到綜合能源系統(tǒng)中的多個子系統(tǒng)之間存在著相互影響關(guān)系，因此本文在上述優(yōu)化目標的基礎(chǔ)上還將考慮到不同子系統(tǒng)之間的相互協(xié)調(diào)關(guān)系，從而提出了多時間尺度調(diào)度策略。

該策略通過在綜合能源系統(tǒng)中建立多個時間尺度調(diào)度模型來協(xié)調(diào)不同時間尺度之間的能量交換，進而提高綜合能源系統(tǒng)的運行效率和經(jīng)濟效益。

多時間尺度調(diào)度策略一般可以分為三種：（1）日內(nèi)調(diào)度，在每天的不同時間段內(nèi)，對各子系統(tǒng)分別進行優(yōu)化；（2）滾動優(yōu)化，在每個時間段內(nèi)對各個子系統(tǒng)分別進行優(yōu)化；（3）日前調(diào)度，在整個綜合能源系統(tǒng)中對各個子系統(tǒng)分別進行優(yōu)化。

在日內(nèi)調(diào)度中，傳統(tǒng)的電網(wǎng)側(cè)調(diào)度模式是在規(guī)定時間內(nèi)對各個子系統(tǒng)進行聯(lián)合優(yōu)化，而對于綜合能源系統(tǒng)中不同子系統(tǒng)之間以及傳統(tǒng)電網(wǎng)和綜合能源系統(tǒng)之間存在著能量交互關(guān)系的情況下，電網(wǎng)側(cè)調(diào)度模式則需要考慮多時間尺度下多個子系統(tǒng)之間的能量交換關(guān)系。

日內(nèi)滾動模式則將日內(nèi)協(xié)調(diào)模式的思路進一步延伸，考慮到各子系統(tǒng)之間以及傳統(tǒng)電網(wǎng)和綜合能源系統(tǒng)之間存在著能量交互關(guān)系；

因此本文在日內(nèi)滾動優(yōu)化的基礎(chǔ)上進一步考慮到系統(tǒng)中存在著儲能設(shè)備和傳統(tǒng)熱電機組，而這些設(shè)備則可以在實時調(diào)度模式中被調(diào)度到各個子系統(tǒng)中，因此本文在日內(nèi)滾動優(yōu)化的基礎(chǔ)上考慮到儲能設(shè)備和傳統(tǒng)熱電機組的調(diào)度策略。

短期調(diào)度

在綜合能源系統(tǒng)中，各子系統(tǒng)的運行狀態(tài)不同，而在短期調(diào)度中，各子系統(tǒng)的運行狀態(tài)會相互影響，這就需要協(xié)調(diào)各子系統(tǒng)的運行，使綜合能源系統(tǒng)能夠達到最佳運行狀態(tài)。

考慮到風光資源具有間歇性，為保證各能源系統(tǒng)安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟運行，綜合能源系統(tǒng)短期調(diào)度需要根據(jù)風電、光伏和負荷的實時數(shù)據(jù)進行相應的日前調(diào)度。

在日前調(diào)度中，綜合能源系統(tǒng)要同時考慮多個可再生能源出力、負荷的不確定性及負荷波動性，為此可以將風電和光伏的預測數(shù)據(jù)作為短期調(diào)度的參考數(shù)據(jù)。

考慮到綜合能源系統(tǒng)的碳排放主要由供熱系統(tǒng)產(chǎn)生，因此在短期調(diào)度中需要考慮供熱系統(tǒng)碳排放問題。綜合能源系統(tǒng)內(nèi)供熱系統(tǒng)主要由三部分組成：

1)太陽能集熱器；2)燃氣鍋爐；3)燃氣熱水機組。其中太陽能集熱器是為了在白天吸收熱量，晚上放出熱量為供暖需求提供能量。本文僅考慮太陽能集熱器和燃氣鍋爐的運行。

考慮到綜合能源系統(tǒng)內(nèi)各個能源子系統(tǒng)之間具有強耦合性，在短期調(diào)度中需要協(xié)調(diào)各個子系統(tǒng)之間的相互影響，為此可以將各能源子系統(tǒng)視為一個整體進行分析。

為降低運行成本，綜合能源系統(tǒng)短期調(diào)度可以采用優(yōu)化算法進行求解，常用的優(yōu)化算法有粒子群算法、隨機搜索法和人工魚群算法。

由于綜合能源系統(tǒng)中可再生能源出力具有波動性和間歇性，因此在短期調(diào)度中需要對風電和光伏出力進行相應的修正，為此可以將風電、光伏和負荷分別視為隨機變量、不確定性變量和線性函數(shù)。

中期調(diào)度

中期調(diào)度是指在短期調(diào)度結(jié)束后的一個時間段內(nèi)，根據(jù)短期調(diào)度確定的經(jīng)濟指標進行修正，并通過適當?shù)慕?jīng)濟調(diào)度方法將其結(jié)果應用到中期調(diào)度中，以使系統(tǒng)運行成本最小。

本文將中期調(diào)度分為三個階段：①不考慮風電和負荷預測誤差時的優(yōu)化；②考慮風電、負荷預測誤差和儲能運行約束的優(yōu)化；③考慮風電和儲能運行約束的優(yōu)化。

中期調(diào)度中，考慮風電、負荷預測誤差的原因主要有兩點：①風電存在間歇性，且波動性較大；②風電的不確定性導致系統(tǒng)運行成本增加。

由圖4可知，當風電預測誤差較大時，中期調(diào)度將會增加系統(tǒng)運行成本。而在中期調(diào)度中通過增加儲能設(shè)備來彌補預測誤差，當預測誤差較小時，可以有效減少系統(tǒng)運行成本。

在中期調(diào)度中，采用“線性規(guī)劃”求解出滿足中期調(diào)度目標的最優(yōu)解。具體步驟如下：

在風電功率預測誤差較大的情況下，為了彌補風電出力的隨機性，本文采用“動態(tài)規(guī)劃”方法進行優(yōu)化；

將上述優(yōu)化結(jié)果與短期調(diào)度確定的指標進行對比分析，若兩者偏差較小，則繼續(xù)進行下一階段的優(yōu)化；若偏差較大，則將二者偏差值相減，得到滿足中期調(diào)度目標的最優(yōu)解；

在中期調(diào)度中考慮儲能設(shè)備的運行約束時，采用“拉格朗日松弛”算法求解；將得到的最優(yōu)解作為儲能設(shè)備的運行約束條件進行計算。

可以得到：在中期調(diào)度中考慮風電、負荷預測誤差時，光伏發(fā)電功率將會隨著風電功率的波動而波動，因此本文采用“拉格朗日松弛”算法對系統(tǒng)運行成本進行優(yōu)化。

若差值大于0,則將二者進行線性組合得到下一時刻最優(yōu)解；若差值小于0,則將二者進行線性組合得到下一時刻最優(yōu)解。

長期調(diào)度

考慮了光熱電站在夜間發(fā)電的特性，在夜間可以對其進行削峰填谷，并利用夜間儲能裝置，實現(xiàn)儲熱-儲能-調(diào)峰-供冷的功能，其運行模式與短期調(diào)度相同，將一天內(nèi)光熱電站發(fā)電、蓄熱、調(diào)峰、供冷的情況以日為周期進行統(tǒng)計。

由于光熱電站的日平均出力較為穩(wěn)定，因此對于光熱電站的長期調(diào)度可以不考慮其在夜間的運行情況，即只考慮光熱電站在夜間的發(fā)電情況。

為解決中長期調(diào)度中儲能裝置及儲熱裝置充放電的問題，將儲能裝置分為兩種：一種是儲能電池，一種是儲熱式電池組。

由于光熱電站在夜間發(fā)電時，需要將白天儲存的熱量放掉以保證夜間儲熱裝置可以工作在較高溫度下，因此該時間段內(nèi)儲能裝置和儲熱式電池組需要滿足以下約束：

綜上所述，在長期調(diào)度中可根據(jù)實際需要設(shè)置儲能裝置的充放電周期數(shù)以及儲能電池和儲熱式電池組的放電功率。

為了得到更加合理的長期調(diào)度結(jié)果，本文將儲能裝置的充放電周期設(shè)為7天，并在每一天的工作結(jié)束后統(tǒng)計儲能裝置的充放電功率，根據(jù)儲能裝置充放電功率得到儲能裝置每天的充放電時間。

考慮到光熱電站在夜間發(fā)電時會產(chǎn)生一定的熱量，因此將儲熱裝置與光熱電站的供冷功能進行耦合，即在夜間將儲熱裝置與光熱電站進行耦合后，對儲熱裝置的溫度進行控制以滿足夜間供冷需求。

為實現(xiàn)光熱電站與綜合能源系統(tǒng)的協(xié)調(diào)運行，本文將光熱電站的出力與負荷情況以日為周期進行統(tǒng)計，并將光熱電站的日平均出力作為日調(diào)度量，而將負荷情況作為日調(diào)度約束。

本文對長期調(diào)度模型進行了改進，并針對其在中長期調(diào)度中存在的問題進行了分析。

通過模型可以看出，在中長期調(diào)度中增加儲能裝置與光熱電站耦合后可以使綜合能源系統(tǒng)更加平穩(wěn)地運行。

這不僅使中長期調(diào)度可以更好地適應不同時間段內(nèi)熱電聯(lián)供系統(tǒng)出力與負荷變化情況，也可以提高中長期調(diào)度模型的可擴展性。

低碳調(diào)度

近年來，隨著經(jīng)濟發(fā)展和環(huán)境保護意識的增強，傳統(tǒng)能源的生產(chǎn)和消費模式對生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生了很大的負面影響。

中國政府提出了“碳達峰”、“碳中和”的目標，作為最大能源消費國和二氧化碳排放國，我國需要積極推動能源結(jié)構(gòu)低碳轉(zhuǎn)型。在此背景下，綜合能源系統(tǒng)中各主體之間的協(xié)調(diào)優(yōu)化變得更加重要。

多時間尺度綜合能源系統(tǒng)低碳調(diào)度能夠在綜合能源系統(tǒng)運行過程中，實時地調(diào)整各主體之間的運行關(guān)系，確保系統(tǒng)低碳經(jīng)濟運行。但現(xiàn)有研究在優(yōu)化目標和約束條件上尚不能滿足低碳調(diào)度對效率、成本和碳排放等指標的要求。

首先，在低碳目標下，各主體優(yōu)化目標是最大化各自利潤，但現(xiàn)有研究對綜合能源系統(tǒng)中各主體間利益分配機制缺乏考慮，也未建立一套有效的激勵機制促進各主體利益分配。

其次，在約束條件上，現(xiàn)有研究僅考慮了風電、光伏發(fā)電等可再生能源接入引起的碳排放約束和電力系統(tǒng)運行過程中造成的碳排放約束，忽略了碳排放成本對綜合能源系統(tǒng)運行的影響。

本文提出一種新的低碳調(diào)度模式：首先根據(jù)各主體自身成本效益評估結(jié)果確定各主體在低碳目標下的最優(yōu)運行狀態(tài)；然后通過系統(tǒng)運行約束條件將多時間尺度綜合能源系統(tǒng)運行狀態(tài)劃分為多個時段并結(jié)合碳排放成本來確定各個時段內(nèi)各主體的最優(yōu)運行狀態(tài)；

最后通過系統(tǒng)運行約束條件將各個時段內(nèi)各主體最優(yōu)運行狀態(tài)劃分為不同時間尺度進行優(yōu)化調(diào)度。該調(diào)度模式可根據(jù)不同時間尺度綜合能源系統(tǒng)實際情況靈活選擇相應的調(diào)度模式。

筆者觀點

本文首先通過對低碳經(jīng)濟調(diào)度的研究，為新能源消納和綜合能源系統(tǒng)的規(guī)劃、運行提供了指導方向；

其次，文中對含光熱電站的綜合能源系統(tǒng)進行了深入的研究，提出了一種含光熱電站的綜合能源系統(tǒng)低碳經(jīng)濟調(diào)度模型，為實現(xiàn)多時間尺度下多能互補、源網(wǎng)協(xié)調(diào)提供了一種思路；

最后，通過對多時間尺度低碳經(jīng)濟調(diào)度模型的仿真分析，驗證了所提模型的有效性和可行性，表明該模型能實現(xiàn)對多時間尺度下綜合能源系統(tǒng)優(yōu)化運行、低碳經(jīng)濟調(diào)度、運行風險和多能互補協(xié)調(diào)等方面進行有效地分析和優(yōu)化。

參考文獻

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