本文分析了多能流系統(tǒng)的冷、熱儲(chǔ)能盈利方式，研究了冷、熱儲(chǔ)能容量配置及調(diào)度運(yùn)行方案，從不同供能季出發(fā)計(jì)算配置容量，并分別建立冷、熱儲(chǔ)能效益模型以評(píng)判不同容量的收益。得出結(jié)論考慮多能互補(bǔ)的混合儲(chǔ)能方法可以進(jìn)一步挖掘系統(tǒng)的盈利能力。

本文來源：電力自動(dòng)化設(shè)備 微信公眾號(hào) ID:EPAE-1973

考慮多能互補(bǔ)的區(qū)域綜合能源系統(tǒng)多種儲(chǔ)能優(yōu)化配置

熊文1，劉育權(quán)1，蘇萬煌1，郝然2，王玥2，艾芊2

（1. 南方電網(wǎng)廣州供電公司；2. 上海交通大學(xué) 電子信息與電氣工程學(xué)院）

1研究背景

隨著工業(yè)生產(chǎn)和居民用戶的能源需求日趨多樣，供能設(shè)備和形式向著高品位、低成本的方向發(fā)展，使得綜合能源系統(tǒng)從理論概念逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)橐环N有效的能源整合手段。但由于不同能源系統(tǒng)發(fā)展的差異，往往是單獨(dú)規(guī)劃、單獨(dú)設(shè)計(jì)、獨(dú)立運(yùn)行，彼此間缺乏協(xié)調(diào)，由此造成了能源利用率低、供能系統(tǒng)整體安全性和自愈能力不強(qiáng)等問題?，F(xiàn)階段，相關(guān)多能互補(bǔ)規(guī)劃研究的規(guī)劃對象大多集中于源、網(wǎng)、荷，儲(chǔ)能的研究大多基于蓄電池模型，考慮儲(chǔ)冷儲(chǔ)熱特性和盈利方法的研究較少。為解決這一問題，論文研究了多種儲(chǔ)能在綜合能源系統(tǒng)中的盈利策略和其盈利潛力，并設(shè)計(jì)了一種多種儲(chǔ)能的配置方法。

2整體研究思路

針對多能流系統(tǒng)單獨(dú)規(guī)劃、運(yùn)行導(dǎo)致的能源協(xié)同性差、利用效率低的問題，論文研究了蓄冷、儲(chǔ)熱、儲(chǔ)電和混合儲(chǔ)能在CCHP機(jī)組和電制冷等設(shè)備多能互補(bǔ)協(xié)同運(yùn)行情況下的盈利策略，討論了系統(tǒng)配置不同儲(chǔ)能的經(jīng)濟(jì)性和可行性，建立了全壽命周期的冷熱電儲(chǔ)能調(diào)度規(guī)劃雙層優(yōu)化模型，并利用確定性迭代算法求解。針對某實(shí)際區(qū)域綜合能源系統(tǒng)多個(gè)供能季不同日負(fù)荷曲線，應(yīng)用雙層優(yōu)化模型求解運(yùn)行調(diào)度方案和儲(chǔ)能配置容量。

3多能流系統(tǒng)及設(shè)備工作模型

3.1

系統(tǒng)能量樞紐模型

系統(tǒng)能量樞紐可等效為某一區(qū)域能源多輸入、多輸出的轉(zhuǎn)化系統(tǒng)。多能流轉(zhuǎn)化路徑為協(xié)同優(yōu)化提供了基礎(chǔ)，系統(tǒng)優(yōu)化的目的是在系統(tǒng)約束下搜索較優(yōu)的耦合矩陣，耦合矩陣由供能和能源轉(zhuǎn)換機(jī)組的靜態(tài)特性和控制輸出決定，調(diào)整控制輸入即是對系統(tǒng)運(yùn)行姿態(tài)的調(diào)整。典型的描述能量轉(zhuǎn)化關(guān)系如圖1所示。

圖1 EH模型

3.2

儲(chǔ)能設(shè)備工作模型

不同于電池儲(chǔ)能僅在儲(chǔ)能、釋能時(shí)存在能量耗散，儲(chǔ)熱與蓄冷中的能量還會(huì)隨時(shí)間耗散。相變儲(chǔ)能和顯熱儲(chǔ)能是典型的冷/熱儲(chǔ)能方式。顯熱儲(chǔ)能是較為常見的一種儲(chǔ)能方式，其成本最為低廉。相變儲(chǔ)能的價(jià)格相對較高，其存儲(chǔ)熱量和釋放熱量主要是在材料發(fā)生物理狀態(tài)改變的過程中進(jìn)行的，不產(chǎn)生大的溫度波動(dòng)。

本文考慮混合儲(chǔ)能，即儲(chǔ)能系統(tǒng)內(nèi)部的能量互補(bǔ)，熔融鹽儲(chǔ)熱的非補(bǔ)燃?jí)嚎s空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)可耦合熔融鹽儲(chǔ)熱與壓縮空氣儲(chǔ)能2種方式，通過多種能量儲(chǔ)能的互補(bǔ)取得不錯(cuò)的經(jīng)濟(jì)效益。該混合儲(chǔ)能利用熔融鹽儲(chǔ)熱系統(tǒng)中的熱量為渦輪機(jī)進(jìn)口空氣加熱，實(shí)現(xiàn)部分熱能向電能的轉(zhuǎn)化；同時(shí)可以配置電熱裝置將電能轉(zhuǎn)換為熱能，最終實(shí)現(xiàn)混合儲(chǔ)能對熱、電2種能量流的四象限運(yùn)行。

4多種儲(chǔ)能盈利策略及雙層優(yōu)化

4.1

冷、熱、電儲(chǔ)能應(yīng)用場景及方法

a.電儲(chǔ)能的經(jīng)濟(jì)性主要通過“低儲(chǔ)高發(fā)”進(jìn)行套利，在一般的峰谷電價(jià)中，其一天只能充放電1次進(jìn)行套利，盈利空間較小，主要用途仍局限在平抑新能源波動(dòng)、協(xié)助電能質(zhì)量治理等輔助服務(wù)。

b.由于一天內(nèi)熱能價(jià)格不變，儲(chǔ)熱無法和電儲(chǔ)能一樣通過電價(jià)差獲益。儲(chǔ)熱應(yīng)與CCHP等能量耦合元件配合進(jìn)行聯(lián)合調(diào)度才有盈利的空間。CCHP機(jī)組為了追求較大的經(jīng)濟(jì)效益，一般選擇在峰時(shí)電價(jià)時(shí)段運(yùn)行并售電，且為了降低發(fā)電成本，希望其工作點(diǎn)接近額定運(yùn)行狀態(tài)，并在夜間選擇停機(jī)。因此，儲(chǔ)熱顯得尤為重要。

c.相變儲(chǔ)能替代電空調(diào)供冷有明顯的收益。在峰谷電價(jià)差較大時(shí)，經(jīng)濟(jì)效益較為可觀。當(dāng)在城市地區(qū)引入相變儲(chǔ)能應(yīng)用時(shí)，應(yīng)當(dāng)主要考慮利用低谷電替代電空調(diào)制冷的方案。

基于上述儲(chǔ)能盈利策略的分析，冷、熱、電儲(chǔ)能的應(yīng)用場景與方法可歸納為圖2。

圖2 冷、熱、電儲(chǔ)能的應(yīng)用場景與方法

4.2

冷、熱、電儲(chǔ)能雙層優(yōu)化

上層問題的目標(biāo)函數(shù)為最小化多個(gè)供能季內(nèi)儲(chǔ)能設(shè)備的全生命周期費(fèi)用，決策變量為儲(chǔ)能配置容量。其中，典型日機(jī)組的調(diào)度策略作為下層決策變量，對上層目標(biāo)函數(shù)而言是已知量；下層問題是日前的最優(yōu)調(diào)度問題，儲(chǔ)能配置容量為其調(diào)度約束。當(dāng)下層問題無解時(shí)，尋找不滿足的平衡約束并按比例適當(dāng)增大對應(yīng)的儲(chǔ)能配置容量。儲(chǔ)能調(diào)度-規(guī)劃雙層優(yōu)化如圖3所示。

圖3 儲(chǔ)能調(diào)度-規(guī)劃雙層優(yōu)化

4.2.1

不考慮多能互補(bǔ)運(yùn)行的儲(chǔ)能配置

當(dāng)不考慮多能互補(bǔ)運(yùn)行時(shí)，單獨(dú)優(yōu)化每個(gè)系統(tǒng)，電儲(chǔ)能通過低儲(chǔ)高發(fā)套利，除此之外，冷、熱、電儲(chǔ)能在供能不足時(shí)提供支撐。取日調(diào)度參數(shù)為決策變量，其下層調(diào)度運(yùn)行的目標(biāo)函數(shù)如式（1）所示。因?yàn)樨?fù)荷實(shí)時(shí)滿足，其供能收益為常數(shù)，因此式（1）未涉及負(fù)荷。

約束條件包括：冷、熱、電功率平衡約束，如式（2）所示；設(shè)備約束式（3）—（5）；儲(chǔ)能約束式（6）、（7）。

上層調(diào)度模型的目標(biāo)函數(shù)為多種不同儲(chǔ)能的全周期經(jīng)濟(jì)效益最大化，決策變量為多種儲(chǔ)能的配置容量，如式（8）所示。

4.2.2

考慮多能互補(bǔ)運(yùn)行的儲(chǔ)能優(yōu)化

考慮多能互補(bǔ)運(yùn)行的儲(chǔ)能優(yōu)化上層模型不變，下層模型的目標(biāo)函數(shù)應(yīng)替換為式（9）。

EH模型中的輸入包括兩部分：區(qū)域的用電成本和天然氣成本。功率平衡約束使得供能收益為常數(shù)，故目標(biāo)函數(shù)不考慮收益。

4.2.3

考慮多能互補(bǔ)運(yùn)行的混合儲(chǔ)能優(yōu)化

考慮利用熔融鹽壓縮空氣混合儲(chǔ)能代替原有的電池儲(chǔ)能和單獨(dú)的相變儲(chǔ)熱裝置，目標(biāo)函數(shù)同4.2.2節(jié)?？紤]儲(chǔ)能型號(hào)、占地面積等限制儲(chǔ)能配置容量的因素，上層目標(biāo)改寫為：