国网江苏省电力有限公司营销服务中心 段梅梅,黄奇峰,庄重,等 :基于新型电力系统的工业园区综合能源耦合优化运行方法研究

     在“双碳”目标与新型电力系统建设背景下，高比例新能源并网已成为电力系统发展的必然趋势。然而，新能源出力具有显著的间歇性与波动性，使电力系统供需平衡机制由传统的确定性模式转向高不确定性模式，系统运行风险显著增加。同时，新能源消纳能力与需求侧负荷特性高度耦合，需求侧已由“被动用能”转变为影响新能源发展的关键约束因素。我国电力需求持续增长，供需紧张问题长期存在。在此背景下，挖掘需求侧资源潜力、实现供需协同匹配成为重要方向。其中，工业负荷作为需求侧主体（占比约65%），具备较大的调节潜力，但其负荷特性受生产工艺驱动，呈现冲击性强、时变非线性明显、运行机理复杂等特点，增加了建模与调度难度。进一步地，随着能源系统向多能耦合方向发展，工业园区作为集冷、热、电、气多能负荷于一体的典型场景，成为综合能源系统研究的重要载体。但园区内部多能源耦合关系复杂，负荷受工艺流程强约束，对能量调度与优化运行提出了更高要求。

02论文所解决的问题及意义

     本文围绕新型电力系统背景下工业园区多能源协同运行需求，构建了一个涵盖电、热、气多种能源形式的综合能源耦合系统架构。

     在能源供给侧，系统由上级电网与园区内部新能源电源共同构成。其中，上级电网承担基础电力支撑作用，风电与光伏等新能源作为清洁能源补充，参与系统供能。同时，考虑工业生产过程中对天然气的刚性需求，系统引入外部气源，实现电-气协同供给。在多能耦合与转换层，系统配置热电联产机组、燃气锅炉及地源热泵等关键设备，实现不同能源形态之间的高效转换与耦合。热电联产机组能够同时输出电能与热能，提高能源综合利用效率；燃气锅炉与热泵分别从气能与电能角度补充热负荷需求，从而形成多路径供能机制，增强系统灵活性。在储能层，系统配置电储能、热储能及气储能装置，通过能量时移实现削峰填谷与多能协调。电储能主要用于平滑新能源波动与电价套利，热储能用于调节供热侧波动，而气储能则用于缓冲气源供需不平衡。在需求侧，工业负荷不再作为单纯的用能对象，而是作为可调节资源参与系统调度。通过刻画工业生产过程中的工艺约束与能耗特性，使负荷具备可预测性与可调节性，从而实现需求侧与供给侧的深度协同。

     2）多能耦合优化调度模型构建

     在上述系统架构基础上，本文进一步构建了工业园区综合能源系统的优化调度模型，其核心在于将工业生产过程建模与多能源系统运行模型进行统一耦合。

     a）工业负荷精细化建模

针对工业负荷复杂、波动性强的特点，本文以钢铁工业为典型研究对象，对其生产流程进行细致拆解。钢铁生产主要包括炼钢、精炼与轧制等多个关键环节，每一环节均对应不同的用能模式与功率特性。

     在炼钢阶段，分别考虑高炉长流程与电炉短流程两种典型工艺。长流程以煤炭与铁矿石为主要原料，伴随较为稳定的电力消耗；短流程则以废钢为主要原料，其电能消耗显著增加，体现出更强的电负荷特征。在精炼阶段，矿热炉与电弧炉作为核心设备，其运行过程具有明显的非线性与随机波动特征。尤其是电弧炉，其功率在短时间内迅速上升并伴随高频波动，呈现典型冲击负荷特性，这也是工业负荷对电网产生扰动的重要来源。在轧制阶段，轧钢机负荷呈现显著的脉冲特性。当钢坯进入轧机时功率迅速上升，离开后迅速下降，形成周期性波动。此外，多台轧机串联运行时，其功率叠加进一步增强了负荷的波动性。除核心工艺设备外，系统还包含鼓风机、水泵、输送设备等辅助负荷，这类负荷整体较为稳定，但仍存在一定随机波动。

     b）供能侧多能源设备建模

     在供能侧，本文对多种能源转换与存储设备进行统一建模，以刻画其运行特性与约束关系。

     热电联产机组通过天然气燃烧同时产生电能与热能，其运行需满足出力范围及爬坡约束，同时兼顾能量转换效率。燃气锅炉则主要用于满足热负荷需求，实现气-热能量转换。地源热泵作为电驱动设备，通过吸收地下能量实现供热或制冷，其运行效率较高且受季节影响较小。在储能建模方面，电储能通过充放电调节电力平衡，热储能用于调节供热侧波动，而气储能则用于应对气源供应波动。各类储能均需满足容量约束、功率约束以及充放电状态约束，从而保证其运行安全性与可行性。

     通过对多类设备的统一建模，系统能够在不同能源形式之间实现灵活转换与协同调度。

     c）优化模型构建

     在目标函数设计方面，本文以系统日运行总成本最小为优化目标，综合考虑多种成本与收益因素，包括天然气采购成本、电网购售电费用、设备运行维护成本以及新能源激励收益等。通过统一量化不同能效状态下的经济指标，实现对系统运行经济性的全面评估。

     在约束条件方面，模型主要包括电力平衡、热平衡及气体平衡约束，确保各类能源在任一时刻满足供需匹配。同时，考虑设备出力范围、爬坡速率及储能运行约束，保证调度结果满足工程可实施性。

     3）算例验证与优化效果分析

     为验证所提出模型的有效性与优越性，本文通过算例分析对不同运行方案进行对比研究，重点评估模型在经济性与系统运行性能方面的表现。

     首先，在工业负荷建模方面，算例结果表明，基于工艺过程的负荷模型能够准确反映工业负荷的动态变化特性。相较于传统经验曲线，该方法能够更精确地描述负荷峰值出现时刻及波动幅度，从而为调度提供更加可靠的数据基础。其次，在系统运行层面，通过引入多能源耦合机制，系统能够灵活协调电、热、气之间的供需关系。当新能源出力增加时，系统可通过储能设备或能量转换设备进行调节，实现新能源的优先消纳；当负荷高峰出现时，则通过储能释放或多能补充降低系统压力，从而提高整体运行稳定性。在经济性方面，通过对不同系统规划与运行方案进行对比，结果表明所提出的优化模型能够显著降低系统运行成本。这主要得益于以下几个方面：一是工业负荷参与调节后，削峰填谷效果增强；二是多能源协同优化提高了能源利用效率；三是新能源利用率提升，减少了高成本外购能源的需求。

     综合来看，算例结果验证了本文方法在以下方面的有效性：一是能够准确刻画工业负荷特性；二是能够实现多能源系统的协同优化；三是能够在保证系统安全运行的同时显著降低运行成本。

     段梅梅（1986—），女，硕士，高级工程师，研究方向为需求响应、智能用电与量测。E-mail：cbadmm@163.com

     黄奇峰（1968—），男，教授级高级工程师，研究方向为电力需求侧管理及智能量测。E-mail：13951086036@126.com

     庄重（1977—），男，硕士，高级工程师，研究方向为电力供需互动，负荷资源潜力评估。E-mail：leon_cz@126.com

     周承翰（1998—），男，通信作者，硕士，助理工程师，研究方向为电力需求响应。E-mail：jsepc_zhouch@163.com

     方凯杰（1993—），男，硕士，工程师，研究方向为工业工序互动。E-mail：fangkj@js.sgcc.com.cn

     黄艺璇（1993—），女，硕士，工程师，研究方向为电能柔性调控。E-mail：huangyixuan_0304@163.com