區域能源互聯網多能協同優化中的儲能效益評估

方陳，張宇，廖望，時珊珊，劉東

(1.國網上海市電力公司電力科學研究院，上海市 200437；2.華東電力試驗研究院有限公司，上海市 200437；3.電力傳輸與功率變換控制教育部重點實驗室(上海交通大學)，上海市 200240)

0 引 言

隨著經濟社會的持續發展，傳統的能源結構已經無法滿足當今社會高效、低碳以及可持續發展的要求。能源互聯網[1]立足于智能電網，成為解決當今日益嚴峻的能源危機以及環境問題的突破口。在能源互聯網中，能源的供給側利用傳統化石能源以及風、光、水、地熱等多種可再生能源作為一次能源，為能源用戶提供電能、熱能、天然氣等多種能源服務，滿足用戶多樣性的能源需求。同時，電網、熱網、天然氣網絡、交通網等各種能源網絡在能源互聯網中交匯，實現多種能源之間高效便捷的傳輸與轉換[2-3]。儲能技術作為“源-網-荷-儲”中的一環，在能源互聯網中的應用受到關注與重視。從市場角度來看，對儲能在能源互聯網中所產生的價值進行評估是能源市場進行效益合理分配和采取有效激勵措施的基礎。如何評估儲能系統在能源互聯體系下的效益成為未來構建能源互聯網市場機制的關鍵問題之一。

目前國內外學者關于儲能效益評估的研究已取得了一系列的研究成果。

在功能場景方面，文獻[4]構建了儲能的全壽命周期成本模型，對電力零售商配置共享儲能的投資效益進行了評估。文獻[5]采用層次分析法，構建了基于熵權云模型的儲能工況適應性評價模型，并從削峰和頻率調整2種應用場景對儲能效益進行了評估。文獻[6]分別對儲能和隨機機組組合進行了建模，通過與傳統機組的對比，對高比例可再生能源滲透下大容量儲能系統的經濟效益進行了評估。文獻[7]研究了壓縮空氣儲能對棄風的抑制效果和對風電場發展的長期效益，并對其所帶來的經濟效益進行了評估。

在接入場景方面，對儲能效益的評估分別從儲能接入新能源發電側、電網側以及用戶側來進行。文獻[8]提出了儲能裝置在負荷峰谷時段進行削峰填谷，在負荷腰荷區段提高新能源預報精度的全時域控制策略，對儲能參與新能源發電綜合利用效益進行了優化評估。文獻[9]對電池儲能裝置配置于電網側的收益進行了評估，其中直接收益包括峰谷電價收益和輔助服務補償，間接收益包括能源節省、單位運營成本的減少和網絡損耗的減少。文獻[10]以并網型“分布式光伏+儲能”為例，基于前置運行優化的儲能全壽命周期成本收益分析，對用戶側分布式儲能進行了價值評估。

然而，在考慮多能協同優化的區域能源互聯網(regional energy Internet, REI)中，有關儲能的經濟效益評估目前還缺乏相關的專項研究。文獻[11]從不同供能季節出發，評估了冷、熱、電儲能在區域綜合能源系統中的經濟性，但僅僅從“低儲高發”套利來進行經濟性評估，無法全面闡釋儲能在多能協同中的效益產生機理。文獻[12]對儲能在電網中的直接價值和間接價值做了詳細的歸納總結，并從削峰填谷、平滑風電場波動以及提高供電可靠性多維角度對儲能價值進行了評估，但只是針對電力網絡進行研究，無法滿足能源互聯背景下的儲能規劃需求。

總結以上研究成果可以發現，目前關于儲能效益評估還存在以下問題：1)相關研究大多基于電網背景下，儲能在多能系統中產生經濟效益的機理有待深入研究；2)儲能經濟效益評估大多以峰谷差套利作為效益產生機理，未考慮到多能協同效應中儲能產生的影響，而在量化儲能參與REI優化運行所產生的經濟效益時，碳排放和節能效益通常是不可忽視的。

基于上述分析，本文在對REI儲能系統進行建模的基礎上，綜合考慮峰谷差效益、環境效益和降低能量損耗效益，構建儲能系統在參與REI多能協同優化中的效益評估模型并提出效益評估指標。算例通過不同場景和儲能配置方案來驗證所提評估方法的科學性和適用性。

1 區域能源互聯網架構

REI因其智能的運行模式以及高效靈活的能源利用方式成為未來構建能源互聯網的重要組成部分。目前主要基于較小范圍的商業、工業等功能性園區或居民小區進行構建，兼具一定的自治理能力、可改造性和可擴展性。區別于傳統的電力微網，區域能源互聯網最大的特征在于其內部存在多種能量緊密耦合與協調轉換，而區域內所包含的能量耦合元件與能量轉換元件則是實現多能耦合的設備基礎。當某一種能源供應出現缺失，可由儲能或者其他能量源通過轉換設備進行能量替代供應。由此，區域能源互聯網以橫向多能互補和縱向的“源-網-荷-儲”高度協調為宗旨，實現了區域能源供應的安全高效運行和靈活管控。

REI的能量結構如圖1所示。“源”側由區域能量源與區域可再生能源構成，其中區域能量源包含熱電聯產機組、熱力鍋爐、分布式電源(柴油發電機、微型燃氣輪機等)、天然氣源等多種能量源；區域可再生能源主要包括風電和光伏等清潔能源。“荷”側包含城市或園區的常規電力負荷、居民區供暖等熱力負荷以及天然氣負荷。“儲”側對應的是區域內的多能儲能系統，包括儲能電池、熱儲能罐、天然氣儲氣罐等。“網”側主要對應區域能源路由器(energy router, ER)，其作用主要是接收區域內的能量路由優化決策信息，對區域內的多種能源進行轉化和傳輸，在滿足負荷的前提下實現能量的高效供應和最優分配。

圖1 區域能源互聯網的能量結構

2 多能耦合的儲能系統建模

REI能夠完成多種能量的互濟互補，實現多能流的實時優化與平衡。在REI中，儲能作為能量供需的中間環節，在運行過程中存在與其他設備的頻繁能流交互，因此其并非獨立運行的個體，而是與區域內的多能耦合設備緊密結合形成的一個完整的系統。對儲能參與REI多能協同優化進行效益分析與評估必須對儲能系統進行建模。

2.1 多元儲能模型

區域能源互聯網中的儲能形式多樣，包括電儲能、蓄熱儲能以及天然氣儲氣設備，下面給出3種類型儲能的工作模型。

1)電儲能模型。

電儲能相較于其他形式的儲能技術較為成熟，在電力系統和能源互聯網中的應用價值已經得到了廣泛的認可。常見的電儲能包括機械電儲能(如抽水蓄能、壓縮空氣、飛輪儲能等)、電化學儲能(如蓄電池、流質電池等)和超級電容器。本文以儲能電池為例，忽略其自放電效應，并考慮其充放電最大功率約束、容量約束以及充放電效率和互補約束，其工作模型可以表示為[11]：

(1)

在REI優化運行中，通常會加入式(2)所示的約束，保證儲能在一個優化周期前后的剩余能量狀態一致，以維持下一個周期的優化運行。

SE(0)=SE(T)

(2)

同樣地，該約束適用于區域能源互聯網中的其他類型儲能，因此在后面的熱儲能和氣儲能模型中不在贅述。

2)熱儲能模型。

熱儲能通常包括顯熱儲能、潛熱儲能和熱化學儲能[13]。其中顯熱儲能相對常見，其儲熱媒質通常為熱水或蒸汽，顯熱儲能的原理相對簡單，價格低廉，應用比較廣泛，但由于存在溫度的變化，導致熱量耗散明顯，效率相對較低。潛熱儲能利用相變材料作為儲熱媒質，材料在相變時吸熱或釋熱來儲能或釋能，具有能量密度高，相變過程近似恒溫的特點，體積相對較小但造價較高，具有廣闊發展前景。熱化學儲能主要是基于可逆的熱化學反應，對熱能進行儲存或釋放，儲能密度極高，而且儲能材料易于保存和運輸，但由于技術復雜，一次性投資大，目前處于理論研究階段，在電力系統或能源網絡中應用較少，暫不予考慮。

熱儲能最大的特點就是在儲能和釋能的過程中會產生能量耗散。熱儲能的典型動態工作模型可以表示為：

(3)

3)氣儲能模型。

氣儲能本質上屬于化學儲能，通常利用氫或甲烷作為二次能源載體進行儲存，主要應用于氫能-天然氣儲能系統(hydrogen-gas energy storage system，HGESS)中[14]。在HGESS中，一般通過多余的電力進行電解制氫，然后存入氫儲能系統或直接作為能量載體進行負荷供應；或者利用H2捕獲大氣中的CO2合成甲烷，進行大容量儲存的同時作為氣源供應氣負荷，這種電能轉化為氣體能源的技術被稱為電轉氣(power to gas, P2G)。由于氫能和天然氣可以進行多種形式的能量轉化，這種儲能方式的優勢在于應用靈活多樣，但不足之處在于全周期效率較低。本文以氫儲能為例，給出其剩余能量的動態公式：

(4)

2.2 多能耦合設備建模

多能耦合設備是REI的關鍵組成部分。熱電聯產(combined heating and power, CHP)機組作為REI中最主要的多能耦合設備，其模型為[15]：

(5)

2.3 擴展ER模型

ER為構建能源互聯網的核心部件，承擔著能源單元互聯、能源質量監控和調配及多能流轉換等功能，主要由能量傳導與轉換設備以及能源路由管控系統組成。為方便分析其內部電、熱、氣等多種形式能源之間的轉換特性，通常將其等效為一個多能源輸入-輸出的端口模型，采用轉換矩陣來描述輸入和輸出之間的能量耦合關系。一般表達式為[16]：

(6)

O=CI

(7)

式中：I、O、C分別為能源路由器的輸入、輸出和轉換矩陣；Pin、Hin、Gin分別為輸入能源路由器的電、熱、天然氣能量；Pout、Hout、Gout分別為能源路由器輸出的電、熱、天然氣能量；σij為能量轉換因子，例如σ21表示第2種輸入能量與第1種輸出能量之間的轉換關系，該轉換關系由2種因素組成，其一為能源的分配因素，其二為能源的轉換效率，因此σ21可表示為

σ21=η21·ω21

(8)

式中：η21為轉換效率系數，同種能源轉換效率視為1；ω21為分配系數，同種能源分配系數和應為1。

ER的基本模型僅考慮了REI中多能傳輸和轉換環節的能量耦合關系，存在一定的局限性。實際上在能量的供給與儲存環節也存在著密切的多能耦合關系。為了理清REI中能量轉換的關系和層次結構，更清楚地分析儲能在多能協同優化中產生的效益，以CHP和多元儲能分別代表能量供給和儲存環節，從多能耦合形態上對ER模型進行擴展，可以得到：

D-Es=C(Ibase+ICHP-Er)

(9)

(10)

式中：Ibase為REI內的基本能量源輸出功率矩陣；ICHP為CHP的輸入輸出功率矩陣；Er、Es分別為多元儲能設備的充能矩陣和釋能矩陣；D為負荷矩陣；GCHP為CHP所消耗的天然氣功率。

3 儲能優化效益評估模型

在REI中，由于存在多種能源的耦合與互補，使得儲能實現了超出傳統電網的效益。本文主要從峰谷差套利、環境效益和降低能量損耗效益3個方面來對儲能的效益進行評估。

3.1 峰谷差套利效益

儲能的峰谷差套利效益FARV可以用低能價進行儲能和高能價進行放能來實現，屬于儲能的直接效益，可表示為：

(11)

式中：Er(t)、Es(t)分別為t時刻多元儲能系統的釋能和充能矩陣；λt為t時刻電、熱、氣3種能價的列向量。

3.2 環境效益

實現綠色低碳的能量供應是構建REI的重要考量之一。在當前多能系統優化調度問題的研究中，通常都會將排放產生的環境成本作為優化目標的一部分[17-19]。盡管在一整個周期的優化運行中，儲能本身是不吸收能量也不釋放能量的，即儲能凈出力為0。然而在參與REI多能協同優化運行過程中，儲能可以通過事先在負荷需求低時進行充能，在負荷緊張的時間段起到部分替代高碳排放機組出力的作用，從而可以達到降低碳排放的目標。同時，由于氫氣儲能的存在，可以通過合成天然氣實現CO2的負排放，進一步降低碳排放的成本。

儲能在參與多能協同優化過程中產生的環境效益FENV屬于儲能的間接效益，可表示為參與優化后減少的碳排放成本：

(12)

3.3 降低能量損耗效益

上文已經論述過，REI不同于單一能源網絡的最大特征在于可以實現異種能源轉換供應。當某種類型的負荷出現緊急高峰需求時，同類型能源供給可能出現瓶頸，REI能夠通過ER的能量轉換作用實現靈活可靠的應急供能，發揮多種形式能源之間互補互濟作用。由于ER實現異種能量轉換時效率較低，若加入儲能，則可通過對某種負荷高峰期對應的能源進行提前儲備，降低高峰時段該種能源經由其他類型能源進行轉換的量級，減少ER通過能量轉換進行緊急能源供應時產生的高額轉換損耗。該效益屬于儲能的間接效益。

根據式(9)可以得到含儲能的擴展ER能量轉換示意圖，如圖2所示。

圖2 擴展ER能量轉換示意圖

能量轉換損耗Iloss可表示為：

Iloss=Ibase+ICHP+Es-(Er+D)=

L(Ibase+ICHP-Er)=LI

(13)

式中：L為損耗系數矩陣，其內部元素πij的表達式為

πij=(1-ηij)·ωij

(14)

儲能參與REI優化降低能量損耗效益FLOSS可表示為：

(15)

式中：ΔI(t)為儲能參與優化前后t時刻輸入ER的能量矩陣差值。

3.4 效益評估指標

本文采用貢獻度(contribution degree, CD)ρCD和效益率(benefit rate, BR)zBR來評估儲能參與REI多能協同優化的效益。

1)貢獻度。

貢獻度定義為評估目標在儲能效益中所占的比重，用以評估儲能內部的效益結構，其反映了所評估目標對儲能自身效益的貢獻程度，其表達式為：

i=ARV,ENV,LOSS

(16)

2)效益率。

效益率定義為儲能參與REI優化后優化成本的降低比例，用以評估儲能對外部產生的整體效益，衡量了儲能參與優化后對區域產生的效益規模，其表達式為[20]：

(17)

(18)

(19)

4 算例分析

4.1 算例概況

本文以一個商業園區級的REI為例進行儲能效益評估分析，其物理結構如圖1所示。園區內的負荷包含商業樓宇群用電負荷、居民住宅區的熱負荷以及天然氣負荷，各類負荷峰值分別為2 MW、2.5 MW和150 m3。可再生能源包括風機和屋頂光伏。園區內的能量源包括1臺CHP機組、2臺微型柴油發電機、熱力鍋爐以及一處天然氣源。CHP機組采用“以熱定電”的運行方式。園區內包含電力儲能、熱力儲能以及天然氣儲氣設備，其能量狀態始終維持在10%～90%之間。ER的電熱轉換效率與氣熱轉換效率分別為0.85和0.72。園區內各設備主要參數如附表A1所示，典型日24個時段電、熱、氣負荷及風電光伏預測出力(以日內最大值作為基準)如附圖A1所示，園區能價如附圖A2所示。儲能系統充放電效率為0.95，熱儲能自耗散率為0.1，氫儲能參數參考文獻[14]，機組污染排放數據、污染物價值標準和罰款等級參見文獻[21]。

4.2 儲能配置影響分析

為充分評估多元儲能在REI多能協同優化中的效益，本文初步設置如下5個場景：

場景1：區域內配置電力儲能設備1 MW·h，無熱、氣儲能設備配置。

場景2：區域內配置電力儲能設備2 MW·h，無熱、氣儲能設備配置。

場景3：區域內配置電力儲能設備和熱儲能設備各1 MW·h，無氣儲能設備配置。

場景4：區域內配置電力儲能設備和氣儲能設備各1 MW·h，無熱儲能設備配置。

場景5：區域內配置電力儲能設備、熱儲能設備以及氣儲能設備各1 MW·h。

針對上述5個場景，以儲能參與REI優化的總效益最大為控制目標的策略運行，并進行區域多能協同優化計算與效益評估分析，得到了如圖3、4和表1所示的結果。

表1 不同場景的效益率對比

圖3 不同場景下效益評估結果

對比不同場景下的效益評估結果可以看出，儲能可以在不同程度上提升園區的優化效益。

圖4 不同場景下的貢獻度對比

對比場景1和場景2的評估結果可以看出，當園區中只接入電力儲能時，其效益主要是由峰谷差套利產生，在環境效益和降低能量損耗效益方面收益相對較小。場景2增大了儲能容量，使得總效益得到了一定的提升，然而僅僅通過增大儲能容量無法改變其效益組成結構。

對比場景2和場景3的結果可以看出，在整個園區接入儲能容量不變的情況下，但對于使用單一的電力儲能，采用電熱混合儲能可以大大提高園區的整體效益。這是因為：一方面隨著儲能容量的增加，每單位容量儲能所產生的效益不斷下降，即出現邊際效益遞減現象，使用混合儲能可以使得每種形式的儲能邊際效益最大化；另一方面，使用混合儲能提升了園區的多能利用效率，避免了園區中單一能源利用出現效益飽和狀態。

對比場景2和場景4的結果可以看出，在整個園區接入儲能容量不變的情況下，采用電氣混合儲能可以提高園區整體收益，并能夠調整各方面效益的貢獻度，改善效益結構。這是因為氫氣/天然氣儲能在優化過程中起到了吸收CO2的效果，降低了碳排放，提升了環境效益。同時，由于園區熱負荷較高，使用天然氣轉換供熱的損耗成本要低于電轉熱，因此能量損耗效益也有顯著提高。

從場景5的評估結果可以看出，同時配置電、氣、熱3種儲能，不僅可以使園區優化效益大大提升，而且能夠有效改善效益結構。

4.3 貢獻度分析

從4.2節的分析中可以得出，改變單一儲能容量的大小對貢獻度產生的影響甚微。本節在場景3和場景4的基礎上，通過改變儲能容量配比來研究不同效益的貢獻度變化。評估結果如圖5所示。

圖5 儲能容量比對貢獻度的影響

從圖5中可以看出，儲能容量配比的變化會對貢獻度產生影響，但不同類型的混合儲能隨容量比的變化趨勢和敏感程度不同。

在變化趨勢方面，采用電熱混合儲能時，其效益貢獻度隨容量比的變化并非單調的，在容量比為5/3的時候，其峰谷差效益貢獻度出現了極大值，而環境效益與降低能量損耗效益的貢獻度出現了極小值。而采用電氣混合儲能時，其效益貢獻度呈單調變化，峰谷差效益貢獻度隨著電氣容量比的升高而增加，而環境效益和降低能量損耗效益方面的貢獻度隨電氣容量比的升高而減少。

在敏感程度方面，采用電熱混合儲能時，貢獻度隨容量比的變化較為平緩，而采用電氣混合儲能時，其貢獻度隨容量比的變化較為敏感。

從圖5中還可以看出，電儲能和熱儲能隨容量比例的升高，對應的不同效益貢獻度具有相同的變化趨勢，而電儲能和氣儲能隨著容量比例的升高，在不同效益貢獻度方面具有相反的變化趨勢。

4.4 效益率分析

從4.2節的結論可知，儲能的容量改變和結構改變都會對效益產生影響。本節通過計算不同容量的單一儲能效益率，得到了如圖6所示的曲線。并在4.3節的基礎上計算了不同容量比下的儲能效益率，結果如圖7所示。

圖6 儲能容量對效益率的影響

圖7 儲能容量比對效益率的影響

從評估結果可以看出，增加儲能容量可以為園區帶來更大的效益，但隨著儲能容量的提升，效益率增加緩慢，出現了邊際效益遞減現象。在圖6中，曲線的斜率代表了儲能的邊際效益。可以看出不同類型的儲能在接入同一園區時，分別在不同接入容量處取得最大邊際效益率。當采用混合儲能時，不同儲能的容量比例也對效益率產生了一定影響。從圖7中可以看出，當園區中接入電熱混合儲能時，效益率隨著電儲能占比容量增大而下降；而當園區中接入電氣混合儲能時，效益率在電氣容量比達到1/3時取得最大值。由此可以得出，電儲能在與不同類型儲能共同參與園區優化時產生了相反的效果。

5 結 論

本文對REI中考慮多能耦合的儲能系統進行了建模，給出了擴展ER模型，并且從峰谷差套利、碳排放以及降低能量轉換損耗3個方面提出了效益評估模型。采用貢獻度指標和效益率指標分別量化了儲能的內部效益構成和對外部產生的整體效益規模。最后以一商業型REI為算例，基于不同場景對其進行了儲能效益評估，得到了如下結論：

1)采用貢獻度指標和效益率指標可有效量化評估儲能的效益結構和效益規模。

2)提高儲能容量和采用混合儲能都能使儲能整體效益得到提升，但采用混合儲能可以在不增加儲能容量的前提下調整效益的結構。

3)配置不同類型的儲能以及調整容量比可以改善儲能效益的結構比例，這有利于提高儲能參與優化運行的靈活性，完善儲能參與多能市場效益分配的機制。

4)通過合理配置儲能的容量和混合儲能之間的容量比可以實現邊界效益率的最大化，提升儲能設備的利用效率。

本文的研究對多元儲能參與REI多能協同優化中的效益進行了量化評估，為未來構架REI實現儲能最優配置提供指導，為構建儲能參與多能市場分配機制的建立提供了思路。