【精彩论文】综合能源系统控制自由度指标及其对经济调度的影响

综合能源系统控制自由度指标及其对经济调度的影响

郑涛^1,2,3, 戴则梅^1,2,3, 姚家豪⁴, 曹敬^1,2,3, 吴烁民^1,2,3, 张凯锋⁴

（1. 南瑞集团（国网电力科学研究院）有限公司, 江苏 南京 211106; 2. 国电南瑞科技股份有限公司, 江苏 南京 211106; 3. 智能电网保护和运行控制国家重点实验室, 江苏 南京 211106; 4. 复杂工程系统测量与控制教育部重点实验室（东南大学）, 江苏 南京 210096）

摘要：综合能源系统通过多能流耦合转化，向用户提供多样化的能源供给服务。相比传统的独立供能系统，综合能源系统具有更大的控制自由度。针对如何衡量系统的控制自由度这一问题，首先提出了表征多能流相互转换能力的可转换性指标，以及表征用户侧选择能源空间的可替代性指标，并给出了这两个指标的计算方法。其次，考虑控制自由度对于综合能源系统优化运行的影响，建立了冷-热-电-气综合能源系统的经济调度模型。最后对算例进行仿真分析，结果证明提高综合能源系统的可转换性和可替代性两个控制自由度指标可以降低系统的经济调度成本。

引文信息

郑涛, 戴则梅, 姚家豪, 等. 综合能源系统控制自由度指标及其对经济调度的影响[J]. 中国电力, 2021, 54(4): 95-106, 118.

ZHENG Tao, DAI Zemei, YAO Jiahao, et al. Control freedom index of integrated energy system and its impact on economic dispatch[J]. Electric Power, 2021, 54(4): 95-106, 118.

引言

传统的以单一能流形式独立分供的冷、热、电、气能源系统，不能充分发挥不同能源之间的互补优势，在提高能源利用效率、消纳分布式可再生能源、优化用能方式等方面出现瓶颈^[1-2]。在此背景下，近年来国内外学术界、工业界提出了综合能源系统概念，以期实现能源的重大变革。综合能源系统是指在规划、建设和运行等过程中通过对多种形式能源的产生、传输、分配、转换、存储、消费等环节进行协调优化后所构建的能源产供销一体化系统^[3]。综合能源系统的理念打破冷、热、电、气分产分供的既有模式，推行多种形式能源的协同规划设计以及协调优化运行，从而提高综合能源利用效率和供能服务品质^[4-5]。综合能源系统中多种能流之间耦合转化，有助于能源阶梯利用，更重要的是，冗余的能流路径为能源优化调度提供了空间^[6]。此外，综合能源系统多样化供能服务使得用户在消费能源时具有了一定的自由选择余地。现有的研究工作主要集中在综合能源系统规划配置、能流计算以及优化运行等方面。在系统规划方面，文献[7]考虑光伏出力的不确定性、分布式可控能源的优化调度以及热电联供，建立了基于约束规划和二层规划的城市商住混合区能源站优化配置模型。文献[8]考虑冷热电联供系统（CCHP）作为电网和气耦合枢纽，建立了区域综合能源系统优化规划模型，并分析了不同场景对配电线路、燃气管道的扩容以及CCHP设备选址定容方案的影响。文献[9]研究分析了包括配电网变电站扩建和增设CCHP机组、燃气锅炉、制冷空调等综合能源系统规划问题。在综合能源系统的能流计算方面，文献[10]针对电-热互联综合能源系统，用区间描述电负荷和热负荷的不确定性，通过区间潮流计算来定量评估不确定因素对系统运行状态的影响。文献[11]针对电-气综合能源系统，考虑了风电和负荷的不确定性，研究提出基于最大熵原理的概率能量流计算方法，分析不确定性变量对综合能源系统的运行影响。文献[12]建立了冷-热-电-气区域综合能源系统能流计算模型，利用拉丁超立方采样法对随机变量进行抽样，并做了概率随机能流计算。文献[13]针对热-电联供综合能源系统，提出了基于内点法的最优能流求解方案。在综合能源系统优化调度方面，文献[14]考虑电力系统和天然气系统的安全运行约束，建立了电-气互联系统机组组合的线性模型。文献[15]考虑了综合能源系统中天然气网的时空相关性，提出了基于模型预测控制方法的日前经济调度和日内多时段滚动优化策略。文献[16]针对综合能源系统不同参与主体的利益诉求，研究了基于多主体博弈与强化学习的并网型综合能源系统协调优化调度策略。文献[17]研究了市场机制环境下综合能源系统各利益驱动能源路由的行为策略，建立了包含均衡约束的数学规划模型，并将模型近似为混合整数线性规划问题进行求解。文献[18]针对用户侧综合能源系统中电/热储能综合优化配置问题，考虑电能替代和冷/热/电耦合，提出了综合能源系统中储能设备的综合优化配置方法。文献[19]面向包含车辆转电网（V2G）电动汽车的楼宇综合能源系统，将楼宇能源定价和储能装置动态补偿相结合，研究提出了减少功率损耗和电网电压波动的多目标优化方法。为促进能量共享和提高系统灵活性，文献[20]针对包含热电联产和需求响应的综合能源系统，研究了多能流混合系统的能源共享方案。文献[21]针对综合能源系统的多网耦合复杂性以及系统运行的不确定性，研究给出了基于两阶段迭代模型的鲁棒优化策略。文献[22]针对综合能源系统中风电出力的随机性，提出了基于概率区间的随机优化调度方法。综合能源系统中多种形式能流耦合互补、交叉供能，使得在网侧不同能流之间具有可转换性，在用户侧不同负荷具有可替代性，这也是综合能源系统区别于传统冷、热、电、气分供系统的本质特性。如何刻画综合能源系统的可转换性和可替代性，对于研究综合能源系统的规划配置、系统评估、优化调度等问题具有重要意义。但是，从现有的文献来看，如何计算综合能源系统控制自由度的可转换性指标和可替代性指标，以及分析这两个指标对系统经济调度的影响，尚未开展相关的研究工作。鉴于此，本文提出了反映综合能源系统控制灵活性的可转换性和可替代性两个控制自由度指标及其计算方法。研究分析了不同控制自由度指标对于综合能源系统经济调度的影响。

1  控制自由度指标及其计算方法

综合能源系统通过多种能源耦合生产，利用多种能源网络向用户提供多种可供选择的能源消费服务，以提升综合能源系统整体效益。在能源生产环节，由于不同能源之间可以相互转化，使得能源生产过程具有可转换性特征，例如，电-气相互转换、电转热、电转冷等；在综合能源系统消费环节，使得负荷具有了可替代性的特征，例如，用户可以选择用电制热，也可以选择用气制热。可转换性和可替代性2个特征指标充分反映了综合能源系统控制的灵活性，这里称之为综合能源系统的控制自由度。综合能源系统控制自由度指标由可转换性和可替代性两个指标共同表示。

1.1  可转换性指标

可转换性指标所表征的是综合能源系统不同能流之间互补转化的能力。综合能源系统通过转换设备将不同能流路径进行耦合关联，相比传统的独立能流系统，提供了更多的冗余能流路径，为多能系统优化提供了更大的空间。综合能源系统中各能流之间相互转换如图1所示。

图1  能流可转换性示意Fig.1  Diagram of energy flow convertibility
具体地，若某一能流可以通过其他能流转换而来，则说明该能流具有可转换性。能流可转换性大小与转换设备数量和容量相关。转换设备数量越多，冗余能流路径越多；转换设备容量越大，冗余空间越大。冷、热、电、气各能流的可转换性指标为

式中：α_C 、 α_H 、 α_E 和 α_G 分别为冷网、热网、电网和气网的可转换性指标；M_C、M_H、M_E和M_G分别为冷能、热能、电能和气能设备的数量；C_i 为第 i 个可转换成冷能的设备功率；C_max 为冷网最大供冷功率；H_i 为第 i 个可转换成热能的设备功率；H_max 为热网最大供热功率；P_i 为第 i 个可转换成电能的设备功率；P_max 为电网最大供电功率；G_i 为第 i 个可转换成气能的设备功率；G_max 为气网最大供气功率。

将各能流的可转换性指标按容量大小加权平均，计算综合能源系统整体的可转换性指标为

1.2  可替代性指标

可替代性所表征的是用户在能源消费形式上的选择空间。负荷的可替代性特征，如图2所示。若某一负荷可以选择2种以上能流来满足自身的负荷需求，则说明该负荷具有可替代性，称之为替代型负荷。负荷可选择的能源越多、供能设备的容量越大，则该负荷可替代性越高，也意味着用户的选择余地越大。一般而言，综合能源系统的负荷可以分成冷负荷、热负荷、电负荷和气负荷四大类。这里以热负荷为例说明负荷的可替代性。如果用户可以自由选择热网供热、电制热、气制热等方式满足热需求，则说明该热负荷具有一定的可替代性；如果热负荷只能通过单一能流满足热需求，则该热负荷不具有可替代性；如果多种能流组合供热最多只能满足最大负荷需求，即热负荷没有选择空间，该热负荷也不具有可替代性。

图2  负荷可替代性示意

Fig.2  Diagram of load substitutability

基于上述给出的负荷可替代性内涵，某一负荷 i 的可替代性指标为

式中：为负荷 i 的最大功率需求；C_i,load 、 H_i,load 、 P_i,load 和 G_i,load 分别为冷网、热网、电网和气网可提供给负荷 i 的功率容量；c_i 、 h_i 、 p_i 和 g_i 分别为用于供冷、供热、供电和供气的负荷设备的供能效率系数（简称为能效系数），表示这四类负荷供能设备的能量转化效率。

将各负荷的可替代性指标按容量大小加权平均，综合能源系统整体负荷的可替代性指标为

综合能源系统的可转换性指标式（2）反映的是各能流之间相互转换的能力，该指标越大表示转换能力越强，多能互补的冗余路径和空间就越多。可替代性指标式（4）体现用户侧在能源消费时的选择余地，该指标越大表示用户选择的空间越多，系统需求侧响应的潜力越大。对于可转换性和可替代性两个计算指标，如何根据计算数值定量地评价系统的可转换能力和可替代能力尚待研究。针对这两个指标，这里仅给出初步的模糊评价标准为：当 α＜0.3 ，转换能力较差；当 0.3≤α<0.6 时，转换能力一般；当 0.6≤α＜1.0 时，转换能力较好；当 α≥1.0 时，转换能力非常好。类似地，当 β＜0.4 ，替代能力较差；当 0.4≤β＜0.8 时，替代能力一般；当 0.8≤β＜1.2 时，替代能力较好；当 β≥1.2 时，替代能力非常好。相比之下，对替代性指标评价要求偏高，这主要是考虑到替代负荷设备与转换设备相比更容易增设与替换。

1.3  控制自由度指标计算示例基于上述提出的能流可转换性指标和负荷替代性指标计算方法，这里以某一综合能源系统作为示例对计算结果进行分析说明。在该系统中，转换设备主要有3类：可转换成冷能的设备包括余热吸收式制冷机、气制冷机和电制冷机；可转换成热能的设备包括余热换热器、燃气锅炉和电热炉；可转换成电能的设备包括热电联产（combined heat and power, CHP）机组和燃气机组。各能流的最大供能容量和各转换设备容量见表1。该系统包含9个负荷，其中负荷1~4由单一能流进行供能，负荷5~9由2种以上能流进行组合供能，各负荷供能类型、容量以及能效系数见表2。为计算方便，考虑到不同能流常用的功率单位可以相互转换，本文统一用电功率单位“千瓦（kW）”表示冷、热、电、气的功率。表1  可转换性指标计算示例Table 1  Calculation example of convertibility index

由表1所示可转换性指标的计算结果可知，冷、热、电三种能流均具有可转换性，各能流的转换性指标大小与转换设备的多少及其容量相关联；气网能流不能通过其他能流转换获得，因此它的转换性指标为0。综合能源系统整体的可转换性指标由各能流的可转换性指标加权平均计算得出，单一能流的供能功率越大、可转换性指标越高，其在系统整体的可转换性指标中占比也越大。

由表2所示的可替代性指标的计算结果可知，负荷1~4由于只有单一能流供能，因此没有可替代性；负荷5虽然有2种形式的能流供应，但是2种能流供应仅能满足负荷需求，用户没有选择性余地，因此也不具备可替代性。负荷6~9均具有可替代性，各负荷的可替代性指标大小与负荷需求大小、供能途径的多少、供能设备容量大小以及效率紧密相关。综合能源系统整体的可替代性指标是由各单一负荷的可替代性指标加权平均计算得到，功率越大、可替代性越高的负荷对系统整体的可替代性指标贡献越大。表2  可替代性指标计算示例

Table 2  Calculation example of substitutability index

2  综合能源系统经济调度模型

综合能源系统的可转换性为系统优化调度提供了冗余的能流路径以及多能互补协调空间，而可替代性则使得负荷具有一定的选择能源余地，可通过需求侧响应参与系统经济调度。可见，综合能源系统的可转换性和可替代性在很大程度上反映出在系统优化控制方面的灵活性，这两个控制自由度指标对综合能源系统经济调度会产生显著影响。以下通过建立经济调度模型，计算分析可转换性指标和可替代性指标对经济调度成本的影响。2.1  目标函数含冷-热-电-气的综合能源系统优化目标主要是从主网购电费用、消耗燃气费用和储能折旧成本，其日前经济调度优化目标函数为

式中：F_P 为综合能源系统向主网购电费用；F_G 为购气费用；F_S 为储能装置折旧费用。

向主网购电费用为

式中：λ_grid(t) 为时段 t 的电价；P_grid(t) 为时段 t 购电功率；Δt 为调度时段长度，本文取 Δt=1 h；T 为经济调度周期。

向外部天然气网的购气费用为

式中：λ_gas(t) 为时段 t 天然气价格；G(t) 为系统在时段 t 的购气功率；R_gas 为天然气热值，取 R_gas= 9.77kW⋅h/m³。

储能折旧费包括储电、蓄热、蓄冷设备在存储过程中老化的折算费用，即

式中：λ_PS 、 λ_HS 和 λ_CS 分别为存储单位电量、热量和冷量的设备折旧成本；和分别为储电、蓄热和蓄冷设备在时刻 t 的蓄能功率。

2.2  约束条件

考虑到综合能源系统相对于大电网而言属于小规模网络系统，一般在规划设计阶段已将冷、热、电、气4类网络设计成满足最大能流传输的要求，甚至留有一定冗余容量用以保障网络传输安全，因此，本文暂不考虑冷网、热网、电网、气网的网络约束问题。

（1）冷、热、电、气供需平衡约束。

在综合能源系统中，由于负荷侧的能源消费形式具有可替代性，系统运行不仅要满足不可替代负荷（或称之为固定负荷）的用能需求，还须考虑替代型负荷对系统供需平衡的影响。替代型负荷的能源构成形式种类较多，为简便起见，本文考虑常见的“电-冷”“电-热”“气-冷”“气-热”4种替代型负荷对综合能源系统经济调度的影响。

冷负荷供需平衡约束为

式中：C_AC(t) 和 C_EC(t) 分别为吸收式制冷机、电制冷机输出的冷功率；和分别为蓄冷设备的蓄冷和放冷功率；为冷负荷功率；为所有“电-冷”替代型负荷的冷功率；为所有“气-冷”替代型负荷的冷功率。

热负荷供需平衡约束为

式中：H_HX(t) 、 H_GB(t) 、 H_PH(t) 分别为余热换热器、燃气锅炉、电制热机输出的热功率；和分别为蓄热设备的蓄热和放热功率；为热负荷功率；为所有“电-热”替代型负荷的热功率；为所有“气-热”替代型负荷的热功率。

电负荷供需平衡等式约束为

式中：P_CHP(t) 、 P_GT(t) 分别为CHP机组、燃气机组的输出功率；和分别为储电设备的充、放电功率；P_PH(t) 和 P_PC(t) 分别为电热炉和电制冷机消耗的电功率；为电负荷功率；为所有“电-冷”替代型负荷的电功率；为所有“电-热”替代型负荷的电功率。

气负荷供需平衡等式约束为

式中：G_CHP(t) 、 G_GT(t) 、 G_GB(t) 分别为CHP机组、燃气机组和燃气锅炉消耗的气功率；为气负荷功率；为所有“气-冷”替代型负荷的气功率；为所有“气-热”替代型负荷的气功率。

本文假设替代型负荷完全服从系统调度，考虑到替代型负荷的替代量大小会对综合能源系统经济调度目标产生影响，将“电-冷”“电-热”“气-冷”“气-热”4类替代型负荷的替代量设计成决策变量。这样，通过优化模型求解可得出最优的替代量。4类替代型负荷的模型为

式中：为“电-冷”替代型负荷功率；和分别为“电-冷”替代型负荷的电能和冷能的能效系数；为“电-热”替代型负荷功率；分别为“电-热”替代型负荷的电能和热能的能效系数；为“气-冷”替代型负荷功率；分别为“气-冷”替代型负荷的天然气和冷能的能效系数；为“气-热”替代型负荷功率； 分别为“气-热”替代型负荷的天然气和热能的能效系数。式（14）表示对各替代型负荷的供能设备进行容量限制。

（2）转换设备约束。

CHP机组通过燃烧天然气同时产生电能和热能，CHP余热通过吸收式制冷机和余热换热器输出冷能和热能。背压式CHP机组的电功率输出P_CHP(t)和余热功率输出Q_CHP(t)与天然气功率输入G_CHP(t)的关系^[23]为

式中：η_P 为CHP机组的发电效率；c_QP 为CHP机组的热电比（常数）。

CHP机组产生的余热进入余热炉，一部分余热通过吸收式制冷机转化成冷功率输出；另一部分余热通过换热器输出热功率。吸收式制冷机的冷功率输出C_AC(t)以及余热换热器的热功率输出^[24]H_HX(t)分别为

式中：η_AC 和 η_HX 分别为吸收式制冷能效系数和余热换热器制热效率；γ_HC 为余热炉用于制热的比例。

燃气机组燃烧天然气产生电能，机组出力P_GT(t)与单位时间输入机组的天然气量G_GT(t)的关系为

式中：η_GT 为燃气机组的发电效率。

燃气锅炉通过直接燃烧天然气产生热能，燃气锅炉的热功率输出H_GB(t)与单位时间输入锅炉的天然气量G_GB(t)的关系为

式中：η_GB 为燃气锅炉的制热效率系数。

电制冷机、电热炉是将电功率转化成冷功率C_PC(t)和热功率H_PH(t)，其功率输出与电功率输入P_PC(t)、P_PH(t)的关系为

式中：η_PC 和 η_PH 分别为电制冷机制冷效率系数和电热炉的制热效率系数。

各转换设备功率输出约束^[25]为

（3）储能设备模型。

蓄冷、蓄热、储电设备运行约束主要包括各设备的储能状态约束、蓄能和放能过程能量平衡约束、蓄能和放能功率约束等。考虑到不同储能设备的运行模型形式相似，其特性差异主要体现在其模型参数上，这里仅给出储电设备运行约束^[26]为

式中：S_PS(t) 为时刻 t 储能设备的存储电量；和分别为储电设备的最小和最大容量；和分别为储电设备的储电自损失率和对应的充电效率、放电效率；S_PS(t₁) 和 S_PS(t_end) 分别为储电设备的初始和最终存储电量，考虑储电设备运行的周期性，一个调度周期结束后须进行能量归还；和为辅助变量（0-1变量），用于控制储能设备的充放电状态互斥；分别为储能设备的最小和最大充放电功率。

（4）购电功率与购气功率约束。

综合能源系统发电采用自发自用模式，其向大电网购电功率须满足最大功率约束，即

式中：为主电网输入综合能源系统的最大功率。

类似地，综合能源系统向外部天然气网购气满足最大流量约束，即

式中：为外部天然气网输入综合能源系统的最大流量。

在综合能源系统经济调度模型中，多能源的耦合关系主要体现在CHP机组、燃气机组、燃气锅炉、电制冷机、电热炉等转换设备模型（即式（15）~（19））通过冷负荷、热负荷、电负荷和气负荷功率平衡方程（即式（9）~（12））耦合关联起来；互补关系主要体现在各转换设备约束模型中（即式（13）~（14）、式（20）~（23））。

在综合能源系统经济调度模型式（5）~（23）中，转换设备容量和替代型负荷容量的大小间接反映了系统的可转换性指标和可替代性指标的高低。因此，在算例仿真分析部分，本文将通过改变转换设备容量和替代型负荷的容量计算出不同的可转换性指标、可替代性指标以及经济调度优化结果，同时分析不同的指标对经济调度成本的影响。所建立的综合能源系统经济调度模型属于线性混合整数规划问题，本文利用GAMS软件的CPLEX求解器进行求解，具体求解过程在此不再赘述。

3  算例仿真分析

本文选用如图3所示的包含冷、热、电、气以及储能的综合能源系统进行算例仿真分析。该系统的各设备参数见表3；不可替代型负荷24 h负荷数据见图4；替代型负荷基本参数见表4；“峰-谷-平”电价和气价参数见表5。在表3中，CHP机组+吸收式制冷机+余热换热器的冷、热、电输出功率容量与燃气机组+电制冷机+燃气锅炉+电热炉输出的冷、热、电输出功率容量相同，用于分析不同转换设备在相同可转换性指标下对系统经济调度产生的影响。类似地，在表4中，“电-冷”“电-热”替代型负荷与“气-冷”“气-热”替代型负荷的功率相同，用于分析不同替代型负荷在相同可替代性指标下对系统经济调度产生的影响。

图3  综合能源系统结构示意

Fig.3  Structure diagram of integrated energy system

表3  综合能源系统设备参数

Table 3  Equipment parameters of integrated energy system

图4  冷、热、电、气24 h负载率曲线Fig.4  24-hour load factor curve of cooling, heating, power and gas
表4  替代型负荷参数Table 4  Parameters of alternative loads
表5  “峰-谷-平”分时电价和气价Table 5  Time-of-use electricity price and gas price for "peak-valley-flat" period

3.1  可转换性指标对经济调度影响分析

为分析不同的转换设备类型、不同的可转换性指标对综合能源系统经济调度的影响，本文设置了可转换性指标变化的2个仿真场景。场景1：保持燃气机组、电制冷机、燃气锅炉和电热炉组合输出的冷、热、电功率容量不变，依次以10%的增幅提高CHP机组、吸收式制冷机和余热换热器组合输出的冷、热、电功率容量，直到输出功率容量增加100%。场景2：保持CHP机组、吸收式制冷机和余热换热器组合输出的冷、热、电功率输出容量不变，依次以10%的幅度增加燃气机组、电制冷机、燃气锅炉和电热炉组合输出的冷、热、电功率容量，直到输出功率容量增加100%。场景1和场景2转换设备容量变化设置以及相对应的可转换性指标计算结果如表6所示。从表6可以看出，随着转换设备的容量增加，综合能源系统的可转换性指标从0.82增加到1.23。

表6  转换设备容量变化及可转换性指标计算结果

Table 6  Change of conversion equipment capacity and calculation result of convertibility index

针对场景1和场景2，暂不考虑替代型负荷，在满足不可替代负荷24 h冷、热、电、气功率需求的情况下，综合能源经济调度的仿真结果如图5所示。

图5  可转换性指标对经济调度的影响

Fig.5  Influence of convertibility index on economic dispatch

由图5a）可以看出，在可转换性指标较小的情况下（ α=0.82∼0.94 ），综合能源系统经济调度总成本随着可转换性指标增加逐渐降低；但是，随着可转换性指标进一步增大时（ α＞0.94 ），系统总的经济调度成本降低幅度趋缓，甚至不变。这主要是因为可转性指标较小时，提高系统的可转性指标为系统经济调度提供了更大的可优化空间；而当可转换性指标进一步增大时，在负荷水平一定的情况下，冗余的转换设备容量可提供的优化空间逐渐变小，因此成本下降幅度相应变小。需要说明的是，提高系统的可转换性指标须以系统转换设备投资成本为代价，因此可转换性指标并非越高越好。从图5a）所示的场景1和场景2的成本变化曲线可以看出，在提高相同的可转换性指标情况下，场景1的经济调度成本降幅较大，这说明CHP机组、吸收式制冷机和余热换热器的能源利用效率更高。从图5b）和图5c）所示的系统购电成本和购气成本看，提高CHP机组、吸收式制冷机和余热换热器组合功率输出容量（场景1），系统的购电成本基本无变化，但是购气成本降低较大，这主要是因为CHP机组发电和制热的能源利用效率较高，增加的CHP机组的功率容量取代了燃气机组+燃气锅炉（效率相对较低）的功率容量。从图5所示的场景仿真结果看，提高燃气机组、电制冷机、燃气锅炉和电热炉功率组合功率输出容量（场景2），则购电成本减少，而购气成本增加，但总成本下降，这是因为在“峰”时电价时，利用增加的燃气机组和燃气锅炉容量进行发电和制热，比向主电网购电更为经济。综上分析可见，提高系统的可转换性指标，有助于综合能源系统的优化供能，但是，不同转换设备类型，即使在相同的可转换性指标下，对于系统经济成本的影响程度不同。3.2  可替代性指标对经济调度影响分析

替代型负荷通过选择不同能源形式来满足负荷需求，其参与需求侧响应不影响用户本身的用能体验^[27]，易于参与到综合能源系统的经济调度之中。为分析可替代性指标对综合能源系统经济调度的影响，在不可替代负荷基础上，增加了一个6000 kW替代型冷负荷和1个3000 kW替代型热负荷，负荷参数见表4，两者24 h负载率与图3的冷负荷和热负荷曲线相同。为分析不同替代型负荷、不同可替代性指标对于经济调度的影响，本文设置了2个仿真试验场景。场景3：2个替代型负荷分别是“电-冷”替代型负荷和“电-热”替代型负荷，依次以10%的幅度增加直接供冷和直接供热的设备容量，以改变系统的替代性指标。场景4：2个替代型负荷改为“气-冷”替代型负荷和“气-热”替代型负荷，同样地，依次以10%的幅度增加直接供冷和直接供热的设备容量，以改变系统的替代性指标。场景3和场景4替代型负荷的供能设备容量变化以及对应的可替代性指标计算结果如表7所示。可见，随着直接供冷和直接供热设备容量增加，综合能源系统的可替代性指标从0增加到0.17。

表7  替代型负荷容量变化及可转换性指标计算结果

Table 7  The capacity change of alternative loads and the calculation result of convertibility index

针对场景3和场景4，替代型负荷参与综合能源经济调度的仿真结果如图6所示。

图6  可替代性指标对经济调度的影响

Fig.6  Influence of substitutability index on economic dispatch

从图6a）所示的经济调度总成本曲线可知，随着可替代指标的增加总成本逐渐下降，这表明替代型负荷参与经济调度时，通过优化替代型负荷的能源替代方案，可以有效地降低综合能源系统的经济成本。这是因为替代型负荷参与经济调度时，用低成本的能源替代了高成本的能源，从而优化了负荷侧用能，节约了系统的经济成本。需要指出的是，提高负荷的可替代性也会相应地增加供能设备投资成本。从场景3和场景4的对比情况看，“气-冷”和“气-热”替代型负荷（场景4）比“电-冷”和“电-热”替代型负荷（场景3）更经济。从图6b）和图6c）所示的购电和购气成本曲线可知，场景4在降低系统购电和购气成本方面更有优势。随着可替代性指标的增加（即直接供冷、直接供热容量的增加），场景3的购电成本快速下降，这说明直接供冷和直接供热比电制冷和电制热效率更高。由图6c）给出的购气成本曲线可以看出，场景4随着可替代性指标的增加购气成本随之降低，这表明直接供冷和直接供热比气制冷和气制热更能节约综合能源系统的购气成本。综上分析可见，替代型负荷参与综合能源系统经济调度时，可替代性指标越高，对于优化用能更为有利；另外，在相同可替代性指标下，不同的替代型负荷对于系统的经济性影响也是不同的。

4  结论

本文研究提出了综合能源系统的可转换性和可替代性两个控制自由度指标，并给出了相应的指标计算方法。这两个指标反映了综合能源系统在优化控制方面的灵活程度，也是体现综合能源系统区别于传统独立供能系统的关键特性。考虑到控制自由度对于综合能源系统优化运行的影响，本文建立了冷-热-电-气综合能源系统的经济调度模型，并通过算例仿真分析了综合能源系统的可转换性和可替代性两个指标对经济调度成本的影响。基于本文研究工作可得出以下结论。（1）综合能源系统的可转换性指标越高，各能流互补优化的空间越大；可替代性指标越高，用户选择能源的余地越多，参与需求侧响应的能力越大。（2）提高综合能源系统的可转换性和可替代性指标，虽然需要增加网侧转换设备和负荷侧供能设备，但有利于降低系统经济调度成本。（3）不同的转换设备、不同的替代型负荷对于综合能源系统经济调度成本的影响不同，因此在综合能源系统规划阶段须优化设计。（4）综合能源系统可优化空间的大小与可转换性、可替代性两个控制自由度指标高低不是严格的比例关系，因此有必要合理规划设计综合能源系统的控制自由度。需要指出的是，提高综合能源系统的控制自由度通常要以增加网侧转换设备和负荷侧可替代设备为代价，后续将考虑如何权衡综合能源系统的控制自由度指标和设备增设成本的最优规划设计以及经济调度问题。

（责任编辑　张重实）

作者介绍

郑涛(1977—)，男，通信作者，硕士，高级工程师，从事电网调度自动化、电力系统广域相量监视、综合能源管控服务等领域的设计、研发和推广应用。E-mail：[e-mail].

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编辑：杨彪

校对：蒋东方

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