Advances in Energy and Power Engineering 电力与能源进展, 2020, 8(3), 57-69 Published Online June 2020 in Hans. /journal/aepe
/10.12677/aepe.2020.83007
Research on Operation Optimization of
Integrated Energy System for Park
Considering Integrated Demand Response
Xuejun Shang1, Xianxu Huo1, Yan Qi1, Yi Ding1, Lei Wu1, Yurui Xu2, Wenbiao Lu2
1Tianjin Electric Power Research Institute, State Grid Tianjin Electric Power Company, Tianjin
2Key Laboratory of Smart Grid of Ministry of Education (Tianjin University), Tianjin
Received: Jul. 6th, 2020; accepted: Jul. 17th, 2020; published: Jul. 24th, 2020
Abstract
Integrated energy system for park can realize the complementation and cascade utilization of dif-ferent energy sources in the park, improve the efficiency of utilizing energy, and reasonably inte-grate advantages of various subjects. On the other hand, with the development of smart grid, the potential for demand-side flexible resources to participate in regulation has been constantly ex-plored. This paper mainly studies the optimal operation regulation of integrated energy system for park when considering the integrated demand response. Firstly, the framework of IESP is con-structed, three economic entities including energy suppliers, operators and users are determined, and the method called Stackelberg game is given. Secondly, the flexible model for users is con-structed and the energy flow coupling equipment owned by operators is modeled. On this basis, the optimization and regulation strategy of park operation considering demand response is de-veloped and the case is analyzed. The simulation results show that the park benefits more and promotes the consumption of renewable energy.
Keywords
Integrated Energy System for Park, Demand Response, Stackelberg Game,
Operation Optimization
尚学军1，霍现旭1，戚艳1，丁一1，吴磊1，许煜蕊2，陆文标2
1国网天津市电力公司电力科学研究院，天津
2智能电网教育部重点实验室(天津大学)，天津
尚学军 等
收稿日期：2020年7月6日；录用日期：2020年7月17日；发布日期：2020年7月24日
地源热泵系统
摘 要
园区综合能源系统能够实现园区不同能源之间的互补和梯级利用，提高能源综合利用效率，合理汇集多方主体的资源优势。另一方面，需求侧灵活性资源参与调控的潜力随着智能用电技术的发展得到了不断挖掘。本文主要研究园区综合能源系统在考虑负荷需求响应时的运行优化调控。首先，构建园区综合能源系统的整体框架，确定了能源供应商、园区运营商、园区用户3个经济实体，以及主从博弈的分析方法；其次，构建园区用户的柔性响应模型，并对园区运营商拥有的能流耦合设备进行建模；在此基础上，制定考虑负荷需求响应的园区综合能源系统运行优化策略，并进行案例分析；最后，算例仿真结果表明，本文所提策略可以提高园区运行经济性。 关键词
园区综合能源系统，需求响应，主从博弈，运行优化
Copyright © 2020 by author(s) and Hans Publishers Inc.
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1. 引言
综合能源系统(Integrated Energy System, IES)打破原有各个能源系统独立运行的方式，对电、气、热等多种能源系统进行统一规划、协调运行，实现多种能源之间的优势互补和梯级利用，有效提高了能源综合利用效率和RES 消纳能力，减少了污染排放[1]。园区综合能源系统(Integrated Energy System for Park, IESP)立足于园区的典型场景，服务更具有针对性和专一性，资产归属相对统一，开展综合能源利用不受政策羁绊。IESP 中有多种能源供应和多种负荷需求，能够合理汇集不同主体的资金、资源优势，协调各方主体的利益[2] [3] [4]。另一方面随着智能用电技术的快速发展以及竞争市场的完善，需求侧与供能侧将能够进行双向互动。随着园区规模的不断扩大，园区内各种负荷高峰会对园区产生不小的供能压力，利用需求响应(Demand Response, DR)技术能够有效地削减各种负荷高峰[5]。园区运营商中有众多能流耦合设备，各个设备的能源转换方式有较大差异，当用户改变某种能源的需求时，将会影响到其他能源的供求关系。基于此，用户可对不同能源需求进行调整，缓解用能紧张，提高能源利用率[4]，实现园区用户的综合需求响应(Integrated Demand Response, IDR)。
目前，已有许多学者就DR 在电力系统中的应用做了相关研究。文献[5]兼顾系统的配置经济性和运行
经济性，考虑电/热负荷需求响应和供需双侧热/电耦合，建立柔性电负荷模型、柔性热负荷模型，综合考虑微网年等值配置成本和四季典型月的运行收益，建立微网能源优化规划数学模型。利用禁忌搜索算法求解得微网能源分层嵌套一体规划方案。该方法将需求响应融入到微网中，但是其只建立了电/热两种能源形式，对于多能源形式的综合能源系统要求还相差很远，另外在计及负荷侧用户类型差异性方面仍需改进。文献[6]阐述了IESP 自身的特性与优势，即园区内可调度负荷占比较大、信息网络结构完善、自动化水平高、响应速度快。该文章还构建了IESP 的典型调度运行架构，本文在此架构基础上进行了改
尚学军等
进，将传统的电负荷改进为冷、热、电多种形式的综合负荷，用能设备也增加了CCHP等能流耦合设备，从而进一步挖掘园区综合能源系统的经济优势。文献[7]改善了文献[5][6]中负荷类型单一的缺点，将用户对于冷、热、电多能流的需求纳入需求响应范围内，提出基于多能互补的电、冷、热综合需求响应机制，但文中所提的综合需求响应仅为能流耦合设备实现的不同能源系统的互补利用，这种广义上的综合需求响应，并未考虑终端能源用户为实现自身利益最优，响应冷热电价格变化，调整自身用能方式的行为，缺少运营商和用户之间的互动。文献[8]用主从博弈模型来描述园区运营商和园区用户之间的经济行为，实现了运营商和用户双方互动优化。但是该文章并未深入分析由主从博弈引起的削峰填谷效果的实际意义，也并未考虑能流耦合设备的工作状态。
本文在参考借鉴上述文献优势的基础上，首先，构建了IESP的整体框架，并对园区运营商和园区用户的利益关系进行详细分析：在园区运营商制定能源售价，考虑自身的收益的同时，还要计及园区用户的需求响应行为，即双方存有利益的博弈，本文对此经济行为分析后，采用主从博弈的整体分析方法。其次，根据IESP中用户对冷、热、电价的响应程度等基本特征，构建园区用户的柔性响应模型，并对园区运营商拥有的能流耦合设备进行建模。在此基础上，分析综合需求响应对IESP运行的影响，即电、气、热不同形式能源的供能情况，与能流耦合设备的出力情况。重点关注IESP运行经济性指标，制定了考虑IDR的IESP运行优化调控策略[9]。
2. 园区综合能源系统建模
2.1. IESP框架
随着综合能源系统建设的不断推进，以及用户侧智能设备的不断普及，加之能源市场逐步开放的政策，用户侧参与综合能源系统的运行调度成为可能。因此，能源系统调度运行的参与主体从供能侧一方变为供能侧和用户侧两方共同参与，显然两方拥有各自的利益层次，供能侧以保障系统稳定运行为首要任务，兼顾调度经济性；用户侧则希望通过参与系统调度降低自身购能成本。
为清晰直接的描述上述关系，本文首先从市场层面构建IESP的框架结构，如图1。
Figure 1. Framework of IESP
图1. IESP的框架
尚学军 等
在市场层面上IESP 包含3个经济实体：
1) 能源供应商：外部能源市场中电能、天然气的购买者。
2) 园区运营商：整个园区的拥有者、运营者。其能够从上游能源供应商购买电、天然气能源，并向下游园区用户售卖电能、热能、冷能。可以运行调控园区内的光伏发电系统、太阳能聚光发热系统，以及所有能流耦合设备，包括CCHP 机组、地源热泵系统，实现不同能源形式之间的转化，为用户提供多种能源需求。通过上述能量管理实现供给侧和需求侧的协同优化，提高各种能源的利用效率，促进光能就地消纳，并且能够获取差价利润[10] [11]。
3) 园区用户：其需求类型包括电、热、冷负荷需求，分为可控负荷和不可控负荷。
图1为IESP 框架。上述3个经济实体之间能够保证相互共享可靠的实时价格、需求、供应信息，这为园区运营商正确、高效的管理园区能源提供了基础。
2.2. 园区用户
园区用户的冷热电负荷通常可以分为以下两类：1) 不可转移到其他时间段的负荷，即刚性负荷(例如照明、夜晚的热水供应、夏季正午制冷)；2) 可以转移到其他时间段的负荷，即可转移负荷(例如电动汽车、夏季非正午时段的冷需求)。负荷的DR 可分为价格型和激励型，由于激励型DR 主要以相关政策为激励，机制不明晰，因此本文只考虑价格型IDR 。价格型的IDR 下，园区运营商通过在用能低谷时
段适当降低能源价格，用能高峰时段适当抬高能源价格，来引导理性用户采取合理的用能方式(降低自身购能成本)，达到削峰填谷的效果。 2.2.1. 园区用户模型构建
园区夏季和冬季的冷、热负荷有较大的变化，但这对系统的运行调度不会产生根本性影响，为便于分析，本文将主要分析园区综合能源系统的夏季运行情况。在借鉴已有相关课题的论文使用的数据基础上，本文假设在夏季某典型日的任意时段内，价格型电、热、冷负荷分别占该时段原始负荷的20%、20%、20%。上述关系可由下式表示。
summerEf summerE 20%t t P P =× (1) summerHf summerH 20%t t P P =× (2)
summerCf summerC 20%t t P P =× (3)
其中，summerX t P 为原始夏季负荷，summerXf t P 为价格型可转移负荷，X 可取E 、H 、C ，分别代表电、热、冷。
园区用户的可控负荷的平移能够起到削峰填谷的作用。为了最小化用户的用能舒适度的损失，在一个典型日内其某种能源形式的可控负荷的平移量代数和应为零，或在一个典型日内其某种能源形式的总量并不改变。即将t 时段的可控负荷等量转移到其他时段，依然满足用户用能需求。将由其他时段移动
到t 时段的可控负荷设为正值，由t 时段移动到其他时段的可控负荷设为负值。上述关系可由下式表示。
24
24
summerX summerXDR 11t t t t P P =
==∑∑ (4) summerXDR t P 是综合需求响应后的用户负荷。 2.2.2. 园区用户目标函数
园区用户的目标函数U 可以表示为
24
summerEDR summerHDR summerCDR 1min e h c t t t t t t t U
c P t c P t c P t ==∆+∆+∆∑ (5)
其中，c t c 、h t c 、e t c 分别为当前园区用户接收到的，由园区运营商制定的冷、热、电价，U 为当
前园区用
尚学军 等
户的总购能成本。c t c 、h t c 、e t c 对于园区用户层来说是固定不变的，因此该层规划是线性规划问题。
2.3. 园区运营商模型
2.3.1. 能流耦合设备模型
园区中包含光伏发电系统、CCHP 机组、地源热泵系统、太阳能聚光发热系统(含热水型吸收式制冷机)。现分别对上述能流耦合设备进行建模。
通常情况下，这些能流耦合设备的能量转换效率会随其工况的改变而改变，但其效率变化波动较小。同时考虑到缺少相关详细数据，要精确的描述能量转换效率随运行工况的变化是比较困难的。因此本文将各个能流耦合设备的能量转换效率设为定值。
各个能流耦合设备的模型为
CCHPX CCHPg2X CCHPg2X t t P P η=× (6)
CCHPg CCHPg2E CCHPg2H CCHPg2C t t t t P P P P =++ (7)
g CCHPg t t P P = (8)
GHPX
GHPe2X GHPe2X t
t P P η=× (9) GHPe GHPe2C GHPe2H t t t P P P =+ (10) e GHPe eLD t t t P P P =+ (11) SUNe SUN1SUNe t t P P η= (12)
SUNh SUN2h SUNh t t P P η= (13) SUNc SUN2c SUNc t t P P η= (14)
其中，CCHPg2X t P 为CCHP 中输入的用于供电、热、冷的天然气功率；CCHPX t P 为CCHP 中输出的电、热、冷功率；CCHPg t P 为CCHP 中输入的总天然气功率；g t P 为园区运营商从能源供应商购进的总天然气功率；
GHPe2X t P 为地源热泵输入的用于供热、冷的电功率；GHPH t P 为地源热泵输出的热、冷功率；G
HPe t P 为地源热泵输入的总电功率；eLD t P 为直接用于用户用电需求的电功率；e t P 为园区运营商从能源供应商购进的总电功率；SUN1t P 为光伏板上接收到的光能；SUNe t P 为光伏发电量；SUN2h t P 、SUN2c t P 为聚光集热系统接收到的用于制热、制冷的光能；SUNh t P 、SUNc t P 为聚光集热系统的制热、制冷量；CCHPg2X η分别为CCHP 额定气转热、气转电、气转冷效率；GHPe2X η为地源热泵额定电制热、电制冷效率；SUNe η为光伏发电的电效率；
SUNh η为聚光集热的热效率；SUNc η为聚光集热的冷效率。
能源耦合设备中不等式约束为
CCHPX CCHPX
max t P P < (15)
GHPX GHPX max t P P < (16) max e e t P P < (17) max g g t P P < (18)
其中，CCHPX max
P 为CCHP 输出的电、热、冷功率最大值；GHPX max P 为GHP 输出的热、冷功率最大值；max e P 、max g
P 为园区运营商从能源供应商购入电能、天然气功率的最大值。
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