多能互补的区域综合能源系统多种储能收益分析

本文分析了多能流系统的冷、热储能盈利方式，研究了冷、热储能容量配置及调度运行方案，从不同供能季出发计算配置容量，并分别建立冷、热储能效益模型以评判不同容量的收益。得出结论考虑多能互补的混合储能方法可以进一步挖掘系统的盈利能力。

本文来源：电力自动化设备 微信公众号 ID:EPAE-1973

考虑多能互补的区域综合能源系统多种储能优化配置

熊文1，刘育权1，苏万煌1，郝然2，王玥2，艾芊2

（1. 南方电网广州供电公司；2. 上海交通大学 电子信息与电气工程学院）

1研究背景

随着工业生产和居民用户的能源需求日趋多样，供能设备和形式向着高品位、低成本的方向发展，使得综合能源系统从理论概念逐渐转变为一种有效的能源整合手段。但由于不同能源系统发展的差异，往往是单独规划、单独设计、独立运行，彼此间缺乏协调，由此造成了能源利用率低、供能系统整体安全性和自愈能力不强等问题。现阶段，相关多能互补规划研究的规划对象大多集中于源、网、荷，储能的研究大多基于蓄电池模型，考虑储冷储热特性和盈利方法的研究较少。为解决这一问题，论文研究了多种储能在综合能源系统中的盈利策略和其盈利潜力，并设计了一种多种储能的配置方法。

2整体研究思路

针对多能流系统单独规划、运行导致的能源协同性差、利用效率低的问题，论文研究了蓄冷、储热、储电和混合储能在CCHP机组和电制冷等设备多能互补协同运行情况下的盈利策略，讨论了系统配置不同储能的经济性和可行性，建立了全寿命周期的冷热电储能调度规划双层优化模型，并利用确定性迭代算法求解。针对某实际区域综合能源系统多个供能季不同日负荷曲线，应用双层优化模型求解运行调度方案和储能配置容量。

3多能流系统及设备工作模型

3.1

系统能量枢纽模型

系统能量枢纽可等效为某一区域能源多输入、多输出的转化系统。多能流转化路径为协同优化提供了基础，系统优化的目的是在系统约束下搜索较优的耦合矩阵，耦合矩阵由供能和能源转换机组的静态特性和控制输出决定，调整控制输入即是对系统运行姿态的调整。典型的描述能量转化关系如图1所示。

图1 EH模型

3.2

储能设备工作模型

不同于电池储能仅在储能、释能时存在能量耗散，储热与蓄冷中的能量还会随时间耗散。相变储能和显热储能是典型的冷/热储能方式。显热储能是较为常见的一种储能方式，其成本最为低廉。相变储能的价格相对较高，其存储热量和释放热量主要是在材料发生物理状态改变的过程中进行的，不产生大的温度波动。

本文考虑混合储能，即储能系统内部的能量互补，熔融盐储热的非补燃压缩空气储能系统可耦合熔融盐储热与压缩空气储能2种方式，通过多种能量储能的互补取得不错的经济效益。该混合储能利用熔融盐储热系统中的热量为涡轮机进口空气加热，实现部分热能向电能的转化；同时可以配置电热装置将电能转换为热能，最终实现混合储能对热、电2种能量流的四象限运行。

4多种储能盈利策略及双层优化

4.1

冷、热、电储能应用场景及方法

a.电储能的经济性主要通过“低储高发”进行套利，在一般的峰谷电价中，其一天只能充放电1次进行套利，盈利空间较小，主要用途仍局限在平抑新能源波动、协助电能质量治理等辅助服务。

b.由于一天内热能价格不变，储热无法和电储能一样通过电价差获益。储热应与CCHP等能量耦合元件配合进行联合调度才有盈利的空间。CCHP机组为了追求较大的经济效益，一般选择在峰时电价时段运行并售电，且为了降低发电成本，希望其工作点接近额定运行状态，并在夜间选择停机。因此，储热显得尤为重要。

c.相变储能替代电空调供冷有明显的收益。在峰谷电价差较大时，经济效益较为可观。当在城市地区引入相变储能应用时，应当主要考虑利用低谷电替代电空调制冷的方案。

基于上述储能盈利策略的分析，冷、热、电储能的应用场景与方法可归纳为图2。

图2 冷、热、电储能的应用场景与方法

4.2

冷、热、电储能双层优化

上层问题的目标函数为最小化多个供能季内储能设备的全生命周期费用，决策变量为储能配置容量。其中，典型日机组的调度策略作为下层决策变量，对上层目标函数而言是已知量；下层问题是日前的最优调度问题，储能配置容量为其调度约束。当下层问题无解时，寻找不满足的平衡约束并按比例适当增大对应的储能配置容量。储能调度-规划双层优化如图3所示。

图3 储能调度-规划双层优化

4.2.1

不考虑多能互补运行的储能配置

当不考虑多能互补运行时，单独优化每个系统，电储能通过低储高发套利，除此之外，冷、热、电储能在供能不足时提供支撑。取日调度参数为决策变量，其下层调度运行的目标函数如式（1）所示。因为负荷实时满足，其供能收益为常数，因此式（1）未涉及负荷。

约束条件包括：冷、热、电功率平衡约束，如式（2）所示；设备约束式（3）—（5）；储能约束式（6）、（7）。

上层调度模型的目标函数为多种不同储能的全周期经济效益最大化，决策变量为多种储能的配置容量，如式（8）所示。

4.2.2

考虑多能互补运行的储能优化

考虑多能互补运行的储能优化上层模型不变，下层模型的目标函数应替换为式（9）。

EH模型中的输入包括两部分：区域的用电成本和天然气成本。功率平衡约束使得供能收益为常数，故目标函数不考虑收益。

4.2.3

考虑多能互补运行的混合储能优化

考虑利用熔融盐压缩空气混合储能代替原有的电池储能和单独的相变储热装置，目标函数同4.2.2节。考虑储能型号、占地面积等限制储能配置容量的因素，上层目标改写为：