电力系统保护与控制 第 49 卷 第 19 期 2021 年 10 月 1 日 Power System Protection and Control Vol.49 No.19 Oct. 1, 2021 DOI: 10.19783/j.cnki.pspc.210037 考虑风电消纳的综合能源系统“源-网-荷-储”协同优化运行 帅挽澜，朱自伟，李雪萌，罗志将，朱海龙，张益宁 (南昌大学信息工程学院，江西 南昌 330031) 摘要：针对因传统的热电联产(Combined Heat and Power, CHP)“以热定电”运行方式导致的弃风问题，提出一种 考虑风电消纳和运行经济效益的综合能源系统“源-网-荷-储”协同优化运行方法。在源侧通过热泵和储能设备解 耦 CHP“以热定电”运行约束，在网侧构建了稳态电-热潮流，在负荷侧考虑了综合需求响应，提升系统的风电 消纳空间。系统以建设运行总成本最小为目标，考虑了能量平衡、稳态电-热潮流和 CHP 出力等约束条件，构建 了考虑风电消纳的综合能源系统“源-网-荷-储”优化运行模型。最后，通过风机的 33 节点电网和 8 节点热网构 成的综合能源系统验证所提方法的正确性和有效性。多场景仿真结果表明，该方法可有效提升风电消纳空间和系 统经济效益。 关键词：热电联产；综合能源系统；综合需求响应；风电消纳；经济效益 “Source-network-load-storage” coordinated optimization operation for an integrated energy system considering wind power consumption SHUAI Wanlan, ZHU Ziwei, LI Xuemeng, LUO Zhijiang, ZHU Hailong, ZHANG Yining (School of Information Engineering, Nanchang University, Nanchang 330031, China) Abstract: There is a wind curtailment problem caused by the traditional Combined Heat and Power (CHP) operation mode of determining-power-by-heat. Thus a method of "source-network-load-storage" coordinated optimization operation for an integrated energy system considering wind power accommodation and operational economic benefits is proposed. A heat pump and energy storage equipment are added to the source side to decouple the determining-power-by-heat operation constraints of CHP. Also a steady-state electricity-heat flow is constructed on the network side and integrated demand response is considered on the load side to increase the wind power accommodation space of the system. The system aims to minimize the total cost and takes into account constraint conditions such as the energy balance, steady-state electricity-heat flow and CHP unit output. An integrated energy system "source-network-load-storage" optimized operation model is constructed considering wind power accommodation. Finally, an integrated energy system consisting of a 33-node network containing wind turbines and an 8-node heating network is used to verify the correctness and effectiveness of the proposed method. The results of multi-scenario simulation show that this method can effectively improve the accommodation space of wind power and the economic benefits of the system. This work is supported by the National Natural Science Foundation of China (No. 51867017) and the Graduate Innovation Special Project of Jiangxi Province (No. YC2019-S093). Key words: combined heat and power; integrated energy system; integrated demand response; wind power accommodation; economic benefits 0 引言 随着经济的高速发展，能源的需求在不断扩大， 传统化石能源过度开发利用造成的环境问题变得相 当严峻[1]。清洁能源因高效、清洁、无污染等特点 基金项目：国家自然科学基金项目资助(51867017)；江西省 研究生创新专项(YC2019-S093) 备受关注，但以风电为代表的清洁能源因出力具有 波动性和间歇性[2]，给传统电网的稳定运行带来极 大挑战[3]。综合能源系统[4]能够合理利用系统内各 种能源，可以有效提升清洁能源的消纳空间，提高 能源的利用效率，并减少对环境产生的污染[5-6]。但 是在综合能源系统中，在冬季热电联产(Combined Heat and Power, CHP)一般采用“以热定电”运行模 式优先保障热能的供应[7]。由于风电具有反调峰特 帅挽澜，等 考虑风电消纳的综合能源系统“源-网-荷-储”协同优化运行 性，在夜间发电较高，并且电、热负荷供需存在矛 盾，CHP“以热定电”运行导致弃风，造成能源资 源浪费。 优化能源结构、高效合理利用能源、综合能源 系统优化可提升清洁能源的消纳。文献[8]将电转气 技术和 CHP 结合，同时考虑了清洁能源的消纳和环 境污染物的排放，提出一种联合经济调度模型，以 此提升风电消纳率和系统经济性。文献[9]引入包含 电、热、气的综合需求响应，构建了电热气的区域 能源系统优化模型，减少了用能峰谷差，提高能源 利用效率，提升系统经济效益。文献[10]考虑了综 合能源系统的能量耦合和相关扰动变量，提出基于 消息总线的多能流潮流协同构建，可有效评价系统 运行情况，提升系统的运行可靠性。文献[11]考虑 了热网实际运行情况，提出一种考虑热传递约束的 综合能源系统经济调度模型，在此基础上结合热储 能来提升风电的消纳。文献[12]在综合能源系统中 配置了电锅炉设备，并考虑了热网延时和衰减，建 立了综合能源优化调度模型，能够有效提升系统的 经济效益。文献[13]引入了负荷综合需求响应模型， 构建了主从博弈优化调度模型，以此提升能源系统 和用户的综合效益。上述文献通过合理优化能源系 统，以此提升系统对风电的消纳率，目前对于综合 能源系统“源网荷储”协同优化运行的研究较 少，值得深入探讨。 本文提出一种考虑风电消纳的综合能源“源 网荷储”协调优化调度方法。在系统的源侧采用 风电和热泵相结合，并引入储能设备，提升风电的 消纳空间； 在电网侧通过无功补偿来保障电能质量， 通过电网和热网耦合，构建了综合能源系统稳态潮 流；在负荷侧引入了综合需求响应，考虑了电、热 2 种负荷的需求响应，结合电热能源之间的耦合特 性，充分发挥综合需求响应在综合能源系统的经济 调度作用，进一步提升风电消纳。本文考虑了建设 成本和污染物的处理费用， 以系统经济运行为目标， 构建了综合能源系统“源网荷储”协同优化运 行模型，采用 CPLEX 进行求解，得到各个时间节 点机组的出力、系统运行成本，以此验证所提方法 的优越性。 1 热负荷综合需求响应灵活参与调度。 图 1 综合能源系统结构图 Fig. 1 Structure of integrated energy system 2 考虑风电消纳的综合能源系统“源-网荷-储”协同运行模型 2.1 目标函数 综合能源日优化运行模型以调度周期内系统 经济运行总成本最小为目标，包括了系统的建设成 本、系统向上级电网购电费用、CHP 的购气费用、 设备的运维费用、污染物处理费用，同时考虑可再 生能源消纳和需求响应中的补偿成本，将弃风以惩 罚项的形式加至目标函数中。本文的 CHP 采用燃烧 天然气来产生能量。总目标函数如式(1)所示。 loss min   CJS,t +CE ,t  CYW,t  CG,t CWT, t  Nt t 1 IDR E, t CEN,t +C  (1) 式中： Nt 为调度时段数；CJS,t 为系统建设成本折算 值；CE ,t 为 t 时段系统向上级电网的购电费用；CYW,t 为 t 时段设备的运维成本； CG,t 为 t 时段 CHP 的购气 loss 费用；CWT,t 为 t 时段系统的弃风惩罚费用；CEN,t 为 t 时 段的环境成本； CE,IDtR 为 t 时段需求响应的补偿成本。 NS CC, n  C , n  Vn n =1 Tn CJS,t   CE ,t  ctE,in Pt in t CYW,t  DCHP PCHP,t t  DWT PWT,t t  DHP PHP,t t  (2) (3) DES PES,t t