计及舒适度的家庭能源中心运行优化模型

２ ＨＥＨ 电负荷模型
ＨＥＨ 负荷 主 要 包 含 电 负 荷 和 冷／热 负 荷。 一
般 而 言 ，冷／热 负 荷 需 求 和 电 负 荷 中 的 柔 性 负 荷 在 用
电时 间 方 面 是 灵 活 的，可 以 进 行 优 化 调 度 。 ［１５］
ＨＥＨ 一般包 含 多 种 用 电 设 备，需 要 对 这 些 用 电 设
能源中心是一种将能源供应侧和需求侧连接在 一起，描述多能源 系 统 中 能 源 供 应、负 荷 需 求、网 络 之间 交 换、模 块 间 耦 合 关 系 的 输 入—输 出 端 口 模 型 。 ［３］ 在能源中心内部，能源或者被负荷消耗，或 者 转化为其他形式。 在 能 源 需 求 侧，家 庭 耗 能 占 有 相 当大的比重［４］；家庭用户通常从电力系统买电，从 天 然气系统买气，并通 过 一 系 列 能 源 转 化 装 置 对 电 力 或 天 然 气 进 行 转 化，以 满 足 自 身 冷／热 需 求 和 电 需 求。可采用能源中心概念来描述家庭用户中多种能
满 足 人 们 基 本 日 常 生 活 需 求 的 负 荷 ，如 基 本 照 明 、电
冰箱、电视 机、计 算 机 等 。 ［１８］ 这 类 用 电 负 荷 基 本 不
在上 述 背 景 下，本 文 首 先 建 立 基 于 ｍＣＣＨＰ 的 ＨＥＨ，并 分 别 对 ＨＥＨ 的 电 负 荷 和 热 负 荷 进 行 建 模。将电负荷分为 温 度 控 制 型 电 负 荷、不 具 备 需 求 侧响应能力的刚性 电 负 荷、具 备 需 求 侧 响 应 能 力 的 柔性 电 负 荷；将 热 负 荷 分 为 热 水、空 气 制 冷／制 热 负 荷和电气可转换负 荷，并 建 立 了 多 类 型 电 力 及 热 负 荷的数学模型。之 后，引 入 温 度 舒 适 度 概 念 和 用 电 舒适度概念，并在此 基 础 上 以 耗 能 成 本 最 小 化 为 目 标，建立了 ＨＥＨ 运 行 优 化 的 混 合 整 数 线 性 规 划 模 型，并采用基于 ＡＭＰＬ 平台的 ＣＰＬＥＸ 求解器进 行 求解。最后，以某家 庭 用 户 在 冬 季 和 夏 季 的 典 型 日 为例对所提出的方法做了说明。
（１）
θＦＲ ｌｏｗ
≤θｔＦＲ
≤θｕＦｐＲ
ｔ≥２
（２）
θＦＲ ｔ
＝θｔＦ－Ｒ１－αＦＲｓｔＦＲ
＋γＦＲ
ｔ≥２
（３）
式中：θｔＦＲ 为 时 刻ｔ 冰 箱 内 部 温 度；θｌＦｏＲｗ 和θｕＦｐＲ 分 别 为
冰箱内部温度的下限和上 限；ｓｔＦＲ 为 时 刻ｔ 冰 箱 制 冷
功能的启停状态，当ｓｔＦＲ 为 １／０ 时，冰 箱 制 冷 功 能 开
用电负荷提 供 电 力，当 家 庭 用 电 负 荷 超 过 ｍＣＣＨＰ 最大输出电功率时，可 从 电 网 公 司 购 买 电 力 以 满 足 负荷需求；当 ｍＣＣＨＰ 所 能 提 供 的 电 力 超 过 家 庭 用 电负荷时，多余电力 可 以 出 售 给 电 网 公 司 并 假 设 售 电价格与买电价格相等。
３２
源输入—输出 的 耦 合 关 系，即 所 谓 的 家 庭 能 源 中 心 （ＨＥＨ）。
对于 ＨＥＨ，已有一些 研 究 报 道。 文 献 ［５］提 出 基于微型热电联产（ｍＣＨＰ）建立 ＨＥＨ，但没有对热 负荷进行详细模拟。 文 献 ［６］建 立 了 基 于 活 跃 因 子 的 ＨＥＨ，并对家庭用 电 设 备 进 行 建 模 和 优 化 调 度。 文献［７］指出引 入 ｍＣＨＰ 可 为 家 庭 用 户、ｍＣＨＰ 制 造 商 、能 源 提 供 者 、能 源 网 络 维 护 者 及 自 然 环 境 带 来 好处。文献 ［８］提 出 了 一 种 基 于 ｍＣＨＰ 的 微 网 模 型 ，但 没 有 考 虑 冷 负 荷 、温 度 控 制 型 电 负 荷 和 电 气 可 转换负荷（即 可 灵 活 选 择 用 电 或 用 气 满 足 冷／热／电 需求的负 荷 ）。 文 献 ［９］建 立 了 包 含 太 阳 能 发 电 的 ＨＥＨ 模型，但 没 有 考 虑 制 冷 负 荷。 家 庭 能 源 管 理 系统已有一些实 际 应 用 的 报 道。 例 如，日 本 日 立 公 司 提 出 智 能 房 屋 概 念，对 家 用 电 器 进 行 智 能 控 制［１０］；谷歌收购 的 Ｎｅｓｔ公 司 对 家 庭 进 行 温 度 控 制 和监控［１１］；美国 Ｍ－ＴｒｉＧｅｎ 公 司 开 发 的 能 源 管 理 存 储 监 控 系 统［１２］ 能 够 实 现 对 微 型 冷 热 电 联 产 （ｍＣＣＨＰ）的 调 度 和 监 控 。
张 华 一 ，等 计 及 舒 适 度 的 家 庭 能 源 中 心 运 行 优 化 模 型
能量损耗，更 加 经 济 和 环 保［１４］。ｍＣＣＨＰ 输 出 的 电 力在被 ＨＥＨ 使用 后 如 有 剩 余，则 可 出 售 给 电 网 公 司以获得收益；当 ｍＣＣＨＰ 输 出 的 电 力 不 够 满 足 家 庭 负 荷 时 ，则 需 从 电 网 公 司 买 电 。 就 笔 者 所 知 ，到 目 前 为 止 ，尚 无 同 时 考 虑 舒 适 度 与 制 冷／制 热 负 荷 和 家 用电器调度的 ＨＥＨ 运行优化方面的研究报道。
１ ＨＥＨ 模型
ＨＥＨ 可用多 种 能 源 输 入、输 出 和 转 化 的 模 型 来 描 述 。 ［３］ ＨＥＨ 主 要 包 含 微 型 燃 气 轮 机、热 回 收 装置、储 热 装 置、制 冷 机、储 水 箱、换 热 设 备 等 六 部 分 ，输 入 能 源 为 电 能 和 天 然 气 ，输 出 能 源 为 电 能 和 热 能 ，如 图 １ 所 示 。
收 稿 日 期 ：２０１６－０５－０３；修 回 日 期 ：２０１６－０８－０１。 上 网 日 期 ：２０１６－０９－０７。 国 家 重 点 基 础 研 究 发 展 计 划 （９７３ 计 划 ）资 助 项 目 （２０１３ＣＢ２２８２０２）；国 家 自 然 科 学 基 金 资 助 项 目 （５１４７７１５１）。
主要基于其 内 部 温 度，故 为 温 度 控 制 型 电 负 荷 。 ［１５］
电冰箱通常包含四部分［１７］：压 缩 机、冷 凝 器、节 流 阀
和蒸发器。电冰箱的用电特性可用下面的数学模型
描述：
｛ ｓＦＲ ｔ
＝
１ θｔＦＲ ＞θｕＦｐＲ ，ｔ＝１ ０ θｌＦｏＲｗ≤θｔＦＲ≤θｕＦｐＲ，ｔ＝１
启／关闭；αＦＲ为 冰 箱 在 制 冷 功 能 开 启 状 态 下 的 制 冷
系数；γＦＲ为 冰 箱 在 制 冷 功 能 关 闭 状 态 下 的 回 温 系
数，即由于冰箱内部 和 外 部 温 度 不 同 而 发 生 能 量 交
换所导致冰箱内部温度的回升量。
由于冰箱内部一般存有热力学系数不同的食
物，因 此 直 接 根 据 热 力 学 求 解 γＦＲ 十 分 困 难。 文 献 ［１７］采 用 实 验 方 法 得 到 了 在 给 定 条 件 下 额 定 功 率
关 键 词 ：能 量 管 理 ；家 庭 能 源 中 心 ；微 型 冷 热 电 联 产 装 置 ；舒 适 度
０ 引 言
新能源技术和信息技术的进步可以改变能源利 用方式，促进多种一 次 能 源 与 电 能 及 各 类 终 端 能 源 在由多个能源网络 组 成 的 复 杂 系 统 中 深 度 融 合，推 动社会与环 境 可 持 续 发 展 。 ［１］ 在 能 源 供 应 侧，天 然 气网络、电力系统等 能 源 网 络 都 是 能 源 互 联 网 的 重 要组成部分［２］；在能源需求侧，多能源网络的融 合 与 能源利用技术的进 步 使 得 能 量 管 理 更 为 灵 活，能 量 管理系统除了能够 对 柔 性 电 负 荷 进 行 控 制 之 外，还 能 够 在 电 、气 等 多 种 能 源 形 式 之 间 选 择 替 代 。
第 ４０ 卷 第 ２０ 期 ２０１６ 年 １０ 月 ２５ 日 ＤＯＩ：１０．７５００／ＡＥＰＳ２０１６０５０３００２
Ｖｏｌ．４０ Ｎｏ．２０ Ｏｃｔ．２５，２０１６
计及舒适度的家庭能源中心运行优化模型
张 华 一１，文 福 拴１，２，张 璨３，孟 金 岭４，林 国 营４，党 三 磊４
（１．浙江大学电气工程学院，浙江省杭州市 ３１００２７；２．文莱科技大学电机与电子工程系，斯里巴加湾 ＢＥ１４１０，文莱； ３．国网江苏省电力公司南京供电公司，江苏省南京市 ２１００１９；
ｍＣＣＨＰ 是 由 ｍＣＨＰ 拓 展 的 一 种 分 布 式 供 能 系统，通 过 增 加 制 冷 机 模 块，能 同 时 满 足 单／多 个 家 庭或小型办公楼制冷／制 热 和 用 电 的 需 求 。 ［１３］ 与 以 往热能和电 能 分 开 供 应 的 方 式 相 比，ｍＣＣＨＰ 在 消 耗能源的地方生产 能 源，可 避 免 远 距 离 传 输 带 来 的
图１ ＨＥＨ 架构 Ｆｉｇ．１ Ｆｒａｍｅｗｏｒｋ ｏｆ ＨＥＨ
ｍＣＣＨＰ 工作在 以 热 定 电 的 模 式，即 根 据 每 一 时刻的热负荷输出相应的热能和相应比例的电力， 输出的热能为储水箱或室内空气提供制热功率或为 吸 收 式 制 冷 剂 提 供 驱 动 ，用 于 满 足 热 水 需 求 和 制 热／ 制冷需求，多余 部 分 可 用 储 热 装 置 储 存 起 来。 在 本 文后 面 所 建 立 的 基 于 ｍＣＣＨＰ 的 ＨＥＨ 模 型 中，热 能仅由 ｍＣＣＨＰ 燃烧天 然 气 提 供，不 是 通 过 电 能 转 化得到。考虑到热水储水箱是最常用的热水储存装 置，本文以其为 例 进 行 建 模。 输 出 的 电 能 主 要 为 家
为 ５００ Ｗ 的 冰 箱 的 回 温 系 数 γＦＲ ＝１．２１５ ℃／ １５ｍｉｎ，制冷系数αＦＲ＝５．４９ ℃／１５ｍｉｎ。 ２．２ 刚 性 电 负 荷
一般 而 言，一 旦 用 电 时 间 被 调 整 就 会 严 重 影 响
用户舒适性的设备 属 于 刚 性 负 荷，这 些 主 要 是 用 于
备的用电特性进行 仔 细 分 析 和 模 拟，以 便 采 取 合 适
的调度策略 。 ［１６］
在本文下 述 研 究 工 作 中，将 一 天 分 为 ９６ 个 时
段，即 每 个 时 段 １５ ｍｉｎ。 不 过，所 提 出 的 方 法 具 有
一 般 性 ，适 用 于 其 他 时 段 划 分 方 法 。 在 每 个 时 段 中 ，
假定各种状态参 数 保 持 不 变。 这 样，对 于 瞬 时 量 就
可 以 用 某 个 时 段 中 的 某 个 时 刻 的 量 来 描 述 ，例 如 “时
刻ｔ”描 述 “时 段ｔ”中 任 意 时 刻 。
２．１ 温 度 控 制 型 电 负 荷
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
电冰 箱 是 家 庭 最 常 用 的 电 器，对 电 冰 箱 的 控 制
４．广东电网有限责任公司电力科学研究院，广东省广州市 ５１０６００）
摘 要 ：随 着 多 能 源 网 络 的 融 合 与 能 源 利 用 技 术 的 进 步 ，能 源 需 求 侧 的 能 量 管 理 受 到 了 广 泛 关 注 ，其 中家庭耗能在能源需求侧占有相当大的比重。在此背景下，首 先 建 立 了 以 微 型 冷 热 电 联 产 作 为 能 源转化装置的家庭能源中心（ＨＥＨ）的数 学 模 型。 其 次，针 对 不 同 类 型 家 庭 电 负 荷 的 特 性，将 其 细 分 为 温 度 控 制 型 电 负 荷 、刚 性 电 负 荷 、柔 性 电 负 荷 ，并 建 立 了 多 类 型 电 负 荷 的 数 学 模 型 。 接 着 ，进 一 步将能源中心热负荷细分为热水负荷、空气制热／制冷负荷 和 电 气 可 转 换 负 荷，并 建 立 了 多 类 型 热 负荷模型。之后，引入温度舒适度和用电 舒 适 度 概 念 并 用 于 指 导 ＨＥＨ 的 温 度 控 制 和 柔 性 电 负 荷 控制。在此基础上，建立了以能源购买费用最小为目标，计及温度舒适度和用电舒适度的 ＨＥＨ 混 合整数线性规划模型。最后，以某家庭用户在冬季和夏季的典 型 日 为 例 说 明 了 所 提 出 的 方 法 的 基 本特征。