本文分析了多能流系統(tǒng)的冷、熱儲能盈利方式，研究了冷、熱儲能容量配置及調度運行方案，從不同供能季出發(fā)計算配置容量，并分別建立冷、熱儲能效益模型以評判不同容量的收益。得出結論考慮多能互補的混合儲能方法可以進一步挖掘系統(tǒng)的盈利能力。

本文來源：電力自動化設備 微信公眾號 ID:EPAE-1973

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

熊文1，劉育權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 電子信息與電氣工程學院）

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，往往是單獨規(guī)劃、單獨設計、獨立運行，彼此間缺乏協(xié)調，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等問題?，F(xiàn)階段，相關多能互補規(guī)劃研究的規(guī)劃對象大多集中于源、網(wǎng)、荷，儲能的研究大多基于蓄電池模型，考慮儲冷儲熱特性和盈利方法的研究較少。為解決這一問題，論文研究了多種儲能在綜合能源系統(tǒng)中的盈利策略和其盈利潛力，并設計了一種多種儲能的配置方法。

2整體研究思路

針對多能流系統(tǒng)單獨規(guī)劃、運行導致的能源協(xié)同性差、利用效率低的問題，論文研究了蓄冷、儲熱、儲電和混合儲能在CCHP機組和電制冷等設備多能互補協(xié)同運行情況下的盈利策略，討論了系統(tǒng)配置不同儲能的經(jīng)濟性和可行性，建立了全壽命周期的冷熱電儲能調度規(guī)劃雙層優(yōu)化模型，并利用確定性迭代算法求解。針對某實際區(qū)域綜合能源系統(tǒng)多個供能季不同日負荷曲線，應用雙層優(yōu)化模型求解運行調度方案和儲能配置容量。

3多能流系統(tǒng)及設備工作模型

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、多輸出的轉化系統(tǒng)。多能流轉化路徑為協(xié)同優(yōu)化提供了基礎，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換機組的靜態(tài)特性和控制輸出決定，調整控制輸入即是對系統(tǒng)運行姿態(tài)的調整。典型的描述能量轉化關系如圖1所示。

圖1 EH模型

3.2

儲能設備工作模型

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

本文考慮混合儲能，即儲能系統(tǒng)內部的能量互補，熔融鹽儲熱的非補燃壓縮空氣儲能系統(tǒng)可耦合熔融鹽儲熱與壓縮空氣儲能2種方式，通過多種能量儲能的互補取得不錯的經(jīng)濟效益。該混合儲能利用熔融鹽儲熱系統(tǒng)中的熱量為渦輪機進口空氣加熱，實現(xiàn)部分熱能向電能的轉化；同時可以配置電熱裝置將電能轉換為熱能，最終實現(xiàn)混合儲能對熱、電2種能量流的四象限運行。

4多種儲能盈利策略及雙層優(yōu)化

4.1

冷、熱、電儲能應用場景及方法

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

b.由于一天內熱能價格不變，儲熱無法和電儲能一樣通過電價差獲益。儲熱應與CCHP等能量耦合元件配合進行聯(lián)合調度才有盈利的空間。CCHP機組為了追求較大的經(jīng)濟效益，一般選擇在峰時電價時段運行并售電，且為了降低發(fā)電成本，希望其工作點接近額定運行狀態(tài)，并在夜間選擇停機。因此，儲熱顯得尤為重要。

c.相變儲能替代電空調供冷有明顯的收益。在峰谷電價差較大時，經(jīng)濟效益較為可觀。當在城市地區(qū)引入相變儲能應用時，應當主要考慮利用低谷電替代電空調制冷的方案。

基于上述儲能盈利策略的分析，冷、熱、電儲能的應用場景與方法可歸納為圖2。

圖2 冷、熱、電儲能的應用場景與方法

4.2

冷、熱、電儲能雙層優(yōu)化

上層問題的目標函數(shù)為最小化多個供能季內儲能設備的全生命周期費用，決策變量為儲能配置容量。其中，典型日機組的調度策略作為下層決策變量，對上層目標函數(shù)而言是已知量；下層問題是日前的最優(yōu)調度問題，儲能配置容量為其調度約束。當下層問題無解時，尋找不滿足的平衡約束并按比例適當增大對應的儲能配置容量。儲能調度-規(guī)劃雙層優(yōu)化如圖3所示。

圖3 儲能調度-規(guī)劃雙層優(yōu)化

4.2.1

不考慮多能互補運行的儲能配置

當不考慮多能互補運行時，單獨優(yōu)化每個系統(tǒng)，電儲能通過低儲高發(fā)套利，除此之外，冷、熱、電儲能在供能不足時提供支撐。取日調度參數(shù)為決策變量，其下層調度運行的目標函數(shù)如式（1）所示。因為負荷實時滿足，其供能收益為常數(shù)，因此式（1）未涉及負荷。

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

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

4.2.2

考慮多能互補運行的儲能優(yōu)化

考慮多能互補運行的儲能優(yōu)化上層模型不變，下層模型的目標函數(shù)應替換為式（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)，故目標函數(shù)不考慮收益。

4.2.3

考慮多能互補運行的混合儲能優(yōu)化

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