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：
5算例分析
以某工业园区真实区域综合能源系统为例，根据其数据，CCHP单元的燃气-发电-发热关系均由ISO工况下的实验数据得到，将1a分为供冷季、过渡季和供热季，分别持续91d、183d和91d。
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5.1
考虑多能互补运行的调度优化
对于蓄冷设备的优化配置，假设蓄冷设备的固定投资成本为210000元/(MW·h)，寿命为10a，单位容量运行维护成本为1元/(kW·h)，忽略损耗，计算得到供冷季、过渡季、供热季的最佳蓄冷容量分别为713.15MW·h、147.25MW·h、5.9MW·h。根据下层目标函数计算得到全寿命周期蓄冷经济效益见表1。
表1 不同容量蓄冷收益
由于供冷季的冷负荷需求较大，供冷季的峰谷电价差高达0.592元/(kW·h)，因此蓄冷“低储高发”的利润率较高，供冷季的最佳运行储能容量大，但是这部分的储能仅能在供冷季使用，在过渡季和供热季闲置，通过计算综合收益可得配置147.25MW·h蓄冷装置的收益最高。蓄冷装置的全寿命周期“低储高发”收益为5422万元，投资成本为3746万元，则净收益为1676万元。考虑到蓄冷储能时间变长而损耗增加的特性，各供能季典型日冷能调度结果如图4所示。
图4 典型日冷能调度结果
分析图4可得知，由于相变储能的能量耗散特性，蓄冷设备的最佳储能时间在电价谷时段的末期07:00—08:00，这一时段的电价较低且即将开始用冷，存储的冷能可以立即释放来减少储能的能量耗散。供热季和过渡季的冷负荷有限，电制冷机组集中在电价谷时段制冷，其他时段的冷量由蓄冷设备提供。而在冷负荷较大的供冷季，由于蓄冷设备容量的限制，蓄冷设备仅能提供2~3h的冷负荷，其余时段仍需由电制冷机组持续提供冷负荷。
对于储热设备的优化配置而言，储热设备的固定投资成本为210000元/(MW·h)，寿命为10a，单位容量运行维护成本为2元/(kW·h)，忽略损耗。供冷季，余热锅炉足以供给全日的热负荷，储热容量为5.29MW·h。过渡季、供热季，余热锅炉不足以供给全日的热负荷，可得到储热设备的容量分别为21.07MW·h和1.84MW·h。根据下层目标函数计算所得的全寿命周期内热储能系统的收益见表2。此时，各供能季典型日热能调度曲线见图5。
表2 不同容量热储能收益
图5 典型日热能调度结果
分析图5可知，由于供冷季热负荷较少，而CCHP机组的经济效益较高，余热锅炉仅需要在额定工作点附近工作1h，多余的热负荷由储热吸收，其他时段的热负荷由储热提供，可以优化CCHP机组的运行。供热季的热负荷较多，CCHP机组基本全天工作在额定功率点附近，需要储热设备调整的功率较少，而过渡季夜间和清晨的热负荷不足，需要配合储热设备收集余热锅炉多余的热功率，因此过渡季使用的储热容量最大。
5.2
不同模式下储能配置经济性对比
针对3种不同模式：不考虑多能互补运行、考虑多能互补运行以及储能侧混合储能参与多能互补的情况，对比分析不同模式下的储能经济性。
比较本文所提多能互补的蓄冷盈利策略和不考虑蓄冷通过电价套利的储能盈利策略，不同蓄冷容量下的蓄冷盈利如图6所示。由图6可知，不考虑多能互补运行时的蓄冷盈利能力明显低于考虑多能互补运行时的蓄冷盈利能力，由此可知本文所提策略对提升蓄冷盈利能力的作用。
图6 不同模式下的蓄冷收益对比
比较本文所提多能互补的热储能盈利策略、不考虑多能互补协同运行的储热盈利策略以及在多能互补运行情况下配置混合储能的策略。假设有足够的压缩空气储能的容量，3种模式下储热容量对应的收益如图7所示。
图7 不同模式下储热收益对比
由图7可知，不考虑多能互补运行时的热储能盈利能力明显低于考虑多能互补运行时的热储能盈利能力，由此验证了本文所提多能互补协同运行策略对提升储热盈利能力的作用。而在多能互补运行系统中配置混合储能可以进一步挖掘储能的盈利能力，虽然混合储能中压缩空气储能的造价较高，但是配置合理容量的混合储能可以获得比单独配置储能更高的经济效益。
6结论
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。主要结论如下：
a.多能流系统中考虑多能互补运行才可取得储热和蓄冷收益，具体思路是储热配合优化燃气轮机机组运行，蓄冷优化电制冷机组使其多工作于电价较低的时刻；
b.基于当前多能储能配置成本，配置蓄冷和储热在多能互补协同运行系统中有较大的盈利空间，而储电在“低储高发”方面的利润空间较小；
c.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。
研究团队简介
南网广州供电局在配用电调度、大数据处理、电动汽车、智能微网、综合能源等方面具有深厚的技术积累与实践经验，近年来承担或参与了多项与本项目相关的技术研究、示范工程建设工作，在项目管理和示范工程建设等方面为本项目的实施奠定了坚实基础，主要有：建设从化明珠工业园综合能源与智能配用电系统、中新知识城智能电网、南沙培评基地微网等示范工程；研究区域电网保护与协调控制技术等项目，成果获中国电力科学技术进步一等奖1项、二等奖1项；近年来承担了“基于分布式能源的用户侧智能微电网关键技术研究与集成示范”等2项国家863计划课题，“工业园区多元用户互动的配用电系统关键技术研究与示范”等3项国家重点研发计划项目/课题。
广州供电局电力调度控制团队负责广州电网500kV主变及以下发、输、变、配、用电设备的电力调度管理。注重在立足生生产的同时，利用科技进步来解决电网不断发展，新问题不断涌现的局面。在开展技术研究过程中，先后与众多的国内继电保护装置制造厂家、大专院校、科研院所展开合作，积累了丰富的科技项目管理经验，确保项目在实施过程中发挥出各方的优势，形成合力，取得预期的科研目标。调控中心在电力系统保护控制、自动化技术等领域获得多项研究成果。负责由广州供电局牵头承担的国家重点研发计划“工业园区多元用户互动的配用电系统关键技术研究与示范”项目实施。
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原标题：南网广州供电公司 熊文，刘育权等：考虑多能互补的区域综合能源系统多种储能优化配置
