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💥1 概述

考虑可再生能源消纳的电热综合能源系统日前经济调度模型研究

摘要

随着可再生能源装机容量的不断升高，风电、光伏大规模并网消纳成为制约新型电力系统快速发展的主要问题。电热综合能源系统通过热电联产、电转热等技术，实现电能和热能的联合生产和供应，有助于提高能源利用效率，促进可再生能源消纳。本文研究了考虑可再生能源消纳的电热综合能源系统日前经济调度模型，旨在通过优化调度策略，实现能源的高效利用和可再生能源的高比例消纳。

一、研究背景与意义

1.1 可再生能源发展现状

近年来，我国新能源产业发展迅猛，风电和太阳能发电装机规模持续扩大。截至2023年底，我国新能源累计装机容量达10.51亿千瓦，同比增长38.6%，其中风电累计装机4.41亿千瓦，光伏发电累计装机6.09亿千瓦，占电源总装机的36.0%，同比提升6.4个百分点。预计到2025年底，全国新能源累计装机将突破14亿千瓦。

1.2 可再生能源消纳问题

新能源的间歇性、不稳定性以及地域分布的不均衡性，给电力系统的稳定运行带来了巨大挑战。新能源消纳问题主要体现在以下几个方面：

• 出力随机性和波动性：新能源出力受天气、光照等自然因素影响较大，导致其发电功率难以准确预测和稳定控制。
• 电网调节能力不足：现有的电网调节资源有限，难以适应新能源大规模并网的需求。
• 资源分布与负荷中心不匹配：新能源资源分布与电力负荷中心不匹配，长距离输电导致线路损耗增加，同时也面临输电通道容量不足的问题。
• 市场机制不完善：新能源发电的价格形成机制和补贴政策尚需进一步优化，影响了新能源的市场竞争力和消纳积极性。

1.3 电热综合能源系统的优势

电热综合能源系统通过热电联产、电转热等技术，实现电能和热能的联合生产和供应，具有以下优势：

• 提高能源利用效率：避免了能源的重复转换和浪费，提高了能源的综合利用效率。
• 增强系统灵活性和可靠性：能够根据新能源出力和负荷需求的变化，灵活调整电力和热力的生产和供应，提高系统的应对能力和稳定性。
• 促进新能源消纳：通过将新能源发电与热力需求相结合，利用热负荷的灵活性来平抑新能源的波动，为新能源提供更多的消纳空间。

二、电热综合能源系统日前经济调度模型构建

2.1 模型目标

模型的目标是在满足系统能源需求的前提下，降低系统的运行成本，提高可再生能源的消纳比例。运行成本包括能源采购成本、设备运维成本等。

2.2 模型假设

• 假设系统内的可再生能源（如风电、光伏）出力具有不确定性，但可通过预测方法获得其概率分布。
• 假设系统内的热负荷和电负荷可预测，且存在一定的灵活性。
• 假设系统内的设备（如热电联产机组、电锅炉、热泵、储能设备等）运行参数已知，且满足相关约束条件。

2.3 决策变量

• 电力系统的发电功率、交换功率以及需求侧响应。
• 热力系统的产热功率、热交换功率以及蓄热装置的运行策略。

2.4 约束条件

• 电力平衡约束：确保系统在任一时刻的电力供需平衡。
• 热力平衡约束：保证热能的供需平衡，满足用户的热需求。
• 设备运行约束：包括电力和热力设备的运行范围、启停时间等。
• 可再生能源出力约束：考虑可再生能源的出力上限和下限，以及出力波动性的限制。
• 储能设备约束：包括储能设备的充放电功率、容量限制以及自放电/热系数等。

2.5 目标函数

目标函数为最小化系统的运行成本，包括燃料成本、设备运维成本、环境保护成本等。具体表达式如下：

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三、模型求解方法

3.1 模型线性化

由于模型中存在非线性约束（如可再生能源出力的概率约束、储能设备的自放电/热系数约束等），需要采用数学等效变换将其转化为线性约束，以便使用混合整数线性规划（MILP）方法进行求解。

3.2 求解算法

采用成熟的优化求解器（如CPLEX、Gurobi等）对线性化后的模型进行求解。这些求解器能够高效处理大规模线性规划问题，并给出全局最优解。

3.3 抽样平均近似（SAA）方法

针对目标函数中高估、低估惩罚成本期望值求解容易出现维数灾和难以直接积分的问题，采用抽样平均近似方法进行模型转换。通过生成大量随机样本，计算样本均值来近似期望值，从而将复杂问题简化为可求解的确定性问题。

四、案例分析

4.1 系统描述

以某实际地区的电热综合能源系统为例，该系统包含火电、风电和光伏等多种发电方式，以及热电厂、热泵、蓄热装置等热力设备。电力系统采用IEEE 39节点电网模型，热力系统采用26节点热网模型。

4.2 数据准备

• 可再生能源出力数据：根据历史气象数据和季节特点，预测风电和光伏的发电功率。
• 负荷数据：根据用户的用电和用热习惯，预测电力和热力负荷。
• 设备参数：收集系统内各设备的运行参数和约束条件。

4.3 结果分析

• 运行成本降低：通过优化调度，系统运行成本明显降低，主要得益于可再生能源的高比例消纳和储能设备的合理利用。
• 可再生能源消纳能力提升：优化调度策略有效平抑了可再生能源的波动，减少了弃风弃光现象，提高了可再生能源的消纳比例。
• 储能设备作用显著：蓄热装置在调节热力系统平衡方面发挥了关键作用，特别是在新能源出力波动时，通过充放电操作实现了热能的时空转移和优化配置。
• 需求侧响应效果良好：通过价格激励引导用户在高峰时段减少用电，提高了系统的灵活性和经济性。

五、结论与展望

5.1 研究结论

本文研究了考虑可再生能源消纳的电热综合能源系统日前经济调度模型，通过构建优化调度策略框架、建立数学模型、采用高效求解算法和进行案例分析，验证了模型的有效性和实用性。研究结果表明，该模型能够显著降低系统运行成本，提高可再生能源的消纳比例，为电热综合能源系统的优化运行提供了理论支持和实践指导。

5.2 研究展望

尽管本文在电热综合能源系统日前经济调度方面取得了一定成果，但仍存在一些不足和待改进之处：

• 新能源发电预测精度提高：现有的新能源发电预测模型精度仍有待提高，难以满足电力系统实时调度的需求。未来需要进一步研究高精度的新能源发电预测方法，提高预测精度和可靠性。
• 储能技术成本降低：储能技术的成本较高，限制了其大规模应用。未来需要加强储能技术的研发和创新，降低储能成本，提高储能系统的性能和可靠性。
• 市场机制完善：虽然已经建立了一些新能源参与市场交易的机制，但市场体系还不够完善，存在市场分割、价格信号不灵敏等问题。未来需要进一步加强市场机制的创新和完善，为新能源消纳提供更加有利的市场环境。
• 多能源网络协同优化：电热综合能源系统只是多能源网络的一部分，未来需要考虑电、热、气、冷等多种能源网络的协同优化和互济互调，实现能源的全面优化配置和高效利用。

📚2 运行结果

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🎉3 参考文献

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