考慮功能區差異性和虛擬儲能的綜合能源系統多元儲能規劃

代瓊丹，楊 莉，林振智，蘭 洲，王耀雷，劉 釗

（1. 浙江大學 電氣工程學院，浙江 杭州 310027；2. 國網浙江省電力有限公司 經濟技術研究院，浙江 杭州 310000；3. 國網山東省電力有限公司 經濟技術研究院，山東 濟南 250000）

0 引言

綜合能源系統指通過對多種能源的生產、傳輸與分配、存儲、消費等環節優化協調形成的產供銷一體化系統［1］。綜合能源系統的“綜合”側重體現在提供不同品類能源的服務，包括冷、熱、電、氣等。合理配置儲能是提高綜合能源系統能效的關鍵，儲熱儲冷設備由于體量大、效率高、成本低，在示范工程中得到廣泛關注，例如：國網客服中心北方園區綜合能源服務項目的儲熱式電鍋爐EB（Electric Boiler）和冰蓄冷空調，雄安新區多能服務示范項目的電蓄熱供暖，湖北鄂州機場多能服務示范項目的水蓄熱蓄冷，江蘇同里綜合能源服務中心的高溫相變儲熱，銀川經開區綜合能源園區的固體高溫儲熱等。蓄電池、儲熱罐和蓄冷罐等冷熱電實體儲能的優化配置和協調運行，提升了綜合能源系統中多能互補的盈利空間［2-3］。

事實上，綜合能源系統中除了冷熱電實體儲能設備之外，電動汽車EV（Electric Vehicle）的移動儲能特性［4］、冷熱負荷的二維可控性和供熱系統的熱慣性［5］也可通過對冷熱電能時空轉移或變換能量形式優化平衡系統在不同時段、不同區域的多種能量，達到儲能的效果，降低系統對蓄電池、儲熱罐和蓄冷罐等冷熱電實體儲能容量的要求。這種利用蓄電池、儲熱罐和蓄冷罐等實體儲能之外的現存設備或調度策略平衡電力系統能量的思想稱為虛擬儲能［6］。例如：文獻［7］利用EV 的移動儲能特性，提出EV 與電網的雙向互動調度模型以合理消納可再生能源，平抑負荷波動；文獻［8］基于EV出行鏈特征量（出行時刻、行駛時間、行駛里程、出行目的）的概率分布，模擬出EV用戶的移動充放電需求具有時空分布特性；文獻［9］基于辦公樓宇的蓄熱特性和溫度舒適度構建了熱負荷虛擬儲能模型，通過在溫度舒適度范圍內優化調節室溫，提升了綜合能源系統的能效；文獻［10］基于空調負荷熱力學和人體熱舒適度模型，將建筑物冷熱負荷等效為一種虛擬儲能，在人體舒適度范圍內優化調節室溫以實現多能平衡；文獻［11］充分利用樓宇的蓄熱特性，將樓宇虛擬儲能系統作為靈活可控單元集成到樓宇微網中，挖掘樓宇參與微網優化調控的虛擬儲能潛力，降低了運行成本；文獻［12］基于供熱系統的時延和儲熱等動態特性，提出熱能運輸準動態模型，分析供熱系統的虛擬儲能潛力；文獻［13］建立考慮供熱管道傳輸時延和熱損失等熱動態特性以及用戶柔性熱需求的供熱系統虛擬儲能模型。

目前，綜合能源系統的儲能配置研究對象多為單一功能區，例如商住區［2］、工業區［3］、辦公區［9］等，示范項目也多集中在單一功能園區，沒有挖掘多功能區差異性帶來的時空互補潛力。實際上，綜合能源系統按規?？煞譃榻ㄖ锛墶^域級和跨區級綜合能源系統［14］。考慮多個功能區多種能源的供需差異性，有利于提高區域綜合能源系統的經濟效益。例如：文獻［15］以互聯網思維為導向，基于產能、用能行為的時空互補性，提出考慮住宅、辦公、商業等各類區域的空間布局以及電熱多能源流動態需求的電-熱區域分布式能源互聯網模型；文獻［16］利用EV 在居民區、工商業區等功能區停車行為的時空互補性，從整體描述了EV 的移動儲能特性；文獻［17］利用功能區間多能負荷的互補特性，通過熱網將居民區、商業區和工業區等功能區相聯，實現多功能區在區域綜合能源系統的聯網運行。

基于以上分析，本文考慮不同類型功能區冷熱電“源-網-荷-儲”的差異性及時空互補特性，提出利用EV的時空分布特征、溫度負荷的柔性以及供熱系統的熱慣性，優化EV 充放電、室溫、冷庫溫度等，構建考慮多功能區“源-網-荷-儲”差異性和實體-虛擬儲能協調運行的區域綜合能源系統多元實體儲能設備規劃模型。算例分析采用某包含居民區、辦公區、商業區和工業區的綜合能源示范區基礎數據，得到的多元儲能設備配置方案顯示考慮多功能區虛擬儲能的優化調度可以有效提升區域綜合能源系統的經濟效益，減少消納可再生能源所需的實體儲能配置容量。

1 典型功能區綜合能源系統的供能、用能與儲能特性

依據GB 50137—2011《城市用地分類與規劃建設用地標準》，城市用地可劃分為居民區、辦公區、商業區和工業區等功能區。圖1 為某一區域綜合能源系統示意圖，其中能源有風電機組WT（Wind Tur?bine）、光伏PV（PhotoVoltaic）和熱電聯產CHP（Com?bined Heating and Power）機組；負荷有冷、熱、電負荷；網絡有電力網、供熱網、供冷網和含EV 的交通網；儲能有電儲能ES（Electric Storage）、熱儲能TS（Thermal Storage）和冷儲能CS（Cold Storage）；另外電鍋爐、熱泵HP（Heat Pump）、吸收式制冷機AC（Absorption Chiller）和電制冷機EC（Electric Chiller）為冷熱電多能源間的轉換設備。

圖1 含多功能區的區域綜合能源系統Fig.1 Regional integrated energy system with multiple functional areas

1.1 典型功能區的供能、用能特點

居民區、辦公區、商業區和工業區等典型功能區的供能用能具有差異性。以典型功能區冷熱負荷為例，居民區供冷多采用獨立戶式空調，空調冷指標為80 W／m2，采暖熱指標為40 W／m2；辦公區采用風機盤管加新風系統，空調冷指標為90 W／m2，采暖熱指標為55 W／m2；商業區采用全空氣變風量系統，冷負荷受新風、燈光、設備、人員等因素影響較大，受圍護結構影響相對較小，空調冷指標為125 W／m2，采暖熱指標為60 W／m2［18］，冷庫溫度常要求處于某一區間，例如保鮮庫為-5～5 ℃，冷藏庫為-18～-10 ℃，冷凍庫為-23～-20 ℃等［19］；工業區熱負荷包含生產和非生產熱負荷，其中生產熱負荷可能存在間斷點，多為全年性。表1 展示了典型功能區典型日冷熱電供能、用能差異性。

表1 典型功能區典型日供能、用能差異性特點Table 1 Typical daily energy production and consumption characteristics of typical functional areas

由于傳輸特性不同，電能可以遠距離傳輸，而供熱有效距離為5～8 km，供冷有效距離僅為1 km。本文考慮到城市功能區面積，假設區域綜合能源系統各功能區內部冷熱負荷就地平衡，功能區間以電能形式進行能量交換。

1.2 典型功能區的儲能特點

1.2.1 典型功能區的冷熱電實體儲能

式中：kx為實體儲能x的自損系數；Δt為調度時間間隔；和分別為實體儲能x的充、放能效率。

1.2.2 典型功能區的冷熱電虛擬儲能

EV、冷熱負荷和供熱系統都是可時空轉移能量的虛擬儲能。

1）EV移動儲能。

EV 具有源、荷雙重屬性，既可從電網充電，也可向電網售電，相當于一個具有移動特性的分布式儲能裝置［20］。不考慮EV駛入、駛出區域，將區域內EV整體等效為一個可分解、可移動的儲能裝置。假設運行時段數量為T，功能區個數為R，定義EV 的時空分布矩陣為一個T×R維矩陣pEV，其中元素為時段tEV處于功能區r的概率，則：

式中：PEV，max、PEV，min和EEV，max、EEV，min分別為整個區域EV 的充放電功率和電量上、下限。式（6）—（8）表示EV 在時段t的充放電功率／電量受限于所在功能區可調度的功率／電量范圍，此范圍由EV的時空分布情況決定。

2）冷熱負荷。

人體對溫度感知具有模糊性，冷熱負荷需求為一個區間值。用戶對熱環境質量的要求一般用熱舒適度表征，熱舒適度有許多評價指標，其中熱感覺平均標度預測PMV（Predicted Mean Vote）指標是最常用的一種指標。時段t功能區r的PMV值為：

3）供熱系統。

由于供熱系統本身有一定的熱容量，且系統傳熱介質具有一定的導熱能力，所以當系統被加熱或冷卻時，系統溫度上升或下降往往需要經過一定時間，這種性質稱為系統的熱慣性。熱慣性越大，意味著供熱系統溫度量在更多時段內存在耦合關系?？紤]熱慣性的供熱系統可用自回歸滑動平均時間序列ARMA（Auto-Regressive and Moving Average）模型描述如下：

式中：g1和g2分別為供熱調整范圍的下限和上限系數；T′越大表示供熱可在越長的時間尺度上進行調整，T′=1時表示各時段完全按用戶要求供熱。

2 考慮虛擬儲能的含差異化功能區區域綜合能源系統實體儲能規劃模型

2.1 目標函數

本文采用場景分析法描述風電、光伏出力的不確定性，假設規劃年限為N年，典型日天數為D，時間間隔Δt=1 h。典型日d出現的概率為pd，該典型日風電、光伏出力由Sd個風光典型場景描述，其中場景sd的概率為p′d，s。目標函數為區域綜合能源系統的實體儲能總投資成本Cinv和運行成本Cope之和最小，即：

式中：Rn，x為第n年實體儲能x的資金時間折算系數，具體表達式見附錄A 式（A1）；mr，x為功能區r實體儲能x的單位容量成本，考慮到地段差異性，mr，x可以不同；Wn，r，x為第n年功能區r實體儲能x的規劃容量。

運行成本Cope包括各功能區CHP 機組發電成本、偏離計劃出力懲罰成本、購電成本和棄風棄光懲罰成本，如式（17）所示。

2.2 約束條件

1）功率平衡約束。

電能作為多功能區的能量樞紐，不同功能區之間通過聯絡線交互電能。

由于冷熱傳輸有距離限制，需滿足功能區內部就地平衡。功能區供用能設備配置具有差異性，居民區、辦公區和商業區的供熱來源有電鍋爐、熱泵和儲熱罐，供冷來源有電制冷機和蓄冷罐。

2）實體儲能約束。

充放狀態約束、充放功率約束、儲能容量約束和能量守恒約束分別為：

式中：χ為可控熱負荷與熱網供／回水溫度差間的關系系數；σd，sd，t，r為典型日d場景sd下時段t功能區rPMV 指標的取值上限；Tg，maxr為功能區r熱網的最高供水溫度。式（28）中熱網供水和回水溫度為中間參數，由式（11）和式（12）計算可得，描述了可控熱負荷和建筑室溫間熱慣性的多時段關系；式（29）、（30）分別描述了熱網供水溫度和用戶PMV 值的取值范圍，表征了供熱系統和冷熱負荷的虛擬儲能。

各功能區其余冷熱電設備運行約束見附錄A 式（A4）—（A16）。

3 算例分析

根據某新區的定位和發展前景，在概念性規劃的布局形態下，該新區在規劃中被劃分為居住綜合區、生產服務區等6 類功能區。該新區負荷密度預測按居民用地、公共管理與公共服務用地、商業設施用地、工業用地、倉儲用地5 類進行統計，其中倉儲用電負荷密度和用地與前四者相比要小很多。綜合考慮負荷體量和地理位置，本文將該新區分為居民區、辦公區、商業區和工業區4 類功能區。設規劃年限N=3 a，各類負荷年增長率為15%，熱慣性系數Jr=2。功能區間聯絡線參數、各功能區分布式冷熱電源、各類單位儲能設備價格、各功能區冷熱電負荷曲線、EV 時空分布概率等相關參數見附錄B。本文建立的冷熱電實體儲能規劃模型使用優化求解工具YALMIP 進行建模，調用CPLEX 求解器求解得到實體儲能規劃方案。

附錄B圖B1為4類功能區的負荷特性和相關性分析，其中圖B1（a）為根據當地溫度和濕度等歷史數據擬合得到的功能區不同典型日冷熱電負荷，圖B1（b）為計及各功能區負荷體量后得到的各功能區與其余功能區間能源需求的相關性。為避免重復統計，用電的冷／熱負荷從電負荷中扣除，一并計入冷／熱負荷。由圖B1（a）可見不同類型功能區負荷存在差異性：居民區電負荷在時段07:00—09:00、18:00—21:00 呈現雙峰，負荷率為0.4 左右；辦公區在時段09:00—18:00 的電負荷率為0.65～0.85；商業區在時段09:00—22:00 的電負荷率為0.7～0.9；工業區電負荷由三峰型、雙峰型、平滑型和避峰型等多種負荷曲線合成，負荷率高。由圖B1（b）可見居民區與其他3 類功能區能源需求基本呈負相關，商業區和辦公區呈強正相關，工業負荷體量大（超過65%），居民區、辦公區和商業區總負荷體現出對工業區負荷的互補性。

3.1 冷熱電儲能規劃結果分析

表2 為聯網運行后各功能區實體儲能的配置情況?？梢姷? 年工業區、居民區分別配置了8.2、0.4 MW·h 的蓄電池，辦公區和商業區沒有配置，這是由于新區初期負荷較少，聯絡線容量充裕，蓄電池配置更適用于在單位儲能成本低的工業區配置。隨著新區負荷的發展，聯絡線出現阻塞，其他功能區蓄電池容量增加。由于冷熱負荷在功能區內產消平衡，熱負荷體量大，儲熱罐成本低，且具有虛擬儲能的作用，各區域儲熱罐配置容量明顯高于蓄電池。

表2 各功能區實體儲能容量規劃結果Table 2 Capacity planning results of physical storage in four functional areas

本文將冬、夏、春秋典型負荷、風電／光伏出力以及逐年增長的冷熱電負荷等不確定性因素以場景進行描述，算例重點分析對規劃影響大的某些場景。

3.2 虛擬儲能優化運行對實體儲能規劃的影響

3.2.1 EV移動虛擬儲能特性

不考慮EV 移動儲能模型的實體儲能配置結果如表3 所示，對比表2 可見考慮EV 移動虛擬儲能后實體儲能的配置容量減少。附錄C 圖C1 展示了目標年冬季典型日某概率最大場景下考慮EV 時空移動儲能特性后的運行情況?？梢奅V 在功能區間的可移動性使得EV更多地利用功能區多余電力充電，在電力出現缺額時少充電或適當放電。例如：在時段10:00—12:00，EV 在辦公區和工業區有多余電力時充電，盡管居民區此時也有多余電力，但是此時段EV 在居民區概率低，EV 充電負荷也相應的小。因此，考慮EV 移動儲能后，原本由實體儲能實現負荷削峰填谷以及功能區間交換的一部分能量由EV 虛擬儲能通過負荷削減或移動實現。

表3 不考慮EV移動儲能時各功能區實體儲能容量規劃結果Table 3 Capacity planning results of physical storage in four functional areas without considering EV mobile storage

3.2.2 冷熱負荷虛擬儲能

1）冷熱負荷可控系數。

改變熱、冷負荷可控系數αr和βr可分析可控冷熱負荷的虛擬儲能對實體儲能規劃的影響。表4 為居民區的逐年儲能配置方案?？梢娋用駞^熱負荷可控系數α1分別為0.2、0.45 時，目標年居民區儲熱罐優化配置容量分別為11.8、11.2 MW·h。附錄C圖C2為目標年冬季典型日某概率最大場景下居民區室溫和儲熱罐充放功率情況?？梢娫谪摵筛叻鍟r段19:00—21:00 之前，α1=0.2 時室溫提前于17:00 升至22 ℃，α1=0.45時室溫提前于17:00升至23.4 ℃，顯然可控熱負荷作為可移動負荷，減少了用電高峰期電鍋爐和儲熱罐的出力，利用可控熱負荷的虛擬儲能特性減少了實體儲能投資。

表4 不同α1下居民區實體儲能容量規劃結果Table 4 Capacity planning results of physical storage in resident area under different values of α1

2）PMV指標。

PMV 指標反映了人對環境的舒適度。表5為目標年商業區的實體儲能規劃方案。當σ3分別為0.2、0.6、1 時，目標年商業區配置的儲熱罐容量分別為6.4、6.1、5.6 MW·h。附錄C 圖C3 為目標年冬季典型日某概率最大場景下σ3對商業區室溫、購電量、電鍋爐與儲熱罐出力的影響?？梢?，σ3=0.2 時，在時段07:00—08:00 商業區升高室溫至允許溫度26.7 ℃，σ3為0.6和1時，允許的溫度范圍更寬。PMV 指標取值越大，允許的溫度越低，意味著熱負荷的彈性越大，熱能“存儲”容量越大，顯然其作為虛擬儲能的作用越大，從而減少了儲熱罐的配置容量。

表5 目標年不同σ3下各功能區實體儲能容量規劃結果Table 5 Capacity planning results of physical storage in four functional areas under different values of σ3 in target year

3.2.3 供熱系統熱慣性虛擬儲能

表6 和附錄C 表C1 分別為目標年不同J2下各功能區的儲能規劃方案及成本，J2為0、1 和2 時，目標年辦公區配置的儲熱罐容量分別為3.6、3.4、3.2 MW·h。圖2 為不同J2下目標年冬季典型日某概率最大場景下辦公區的運行情況?？梢?，J2=0 時，供熱系統不提前升溫；J2=1 時，供熱系統于06:00 提前升溫；而J2=2 時，供熱系統提前于05:00 升溫，此時電能富余，高峰時段08:00—10:00儲熱罐放熱，在虛擬儲能和實體儲能的協同作用下，辦公區高峰時段的負荷壓力得以緩解，顯然虛擬儲能和實體儲能的協同作用使得系統所需的冷熱電實體儲能容量減少。

表6 目標年不同J2下各功能區實體儲能容量規劃結果Table 6 Capacity planning results of physical storage in four functional areas under different values of J2 in target year

圖2 供熱系統熱慣性J2對辦公區運行的影響Fig.2 Impact of heating system thermal inertia J2 on office area operation

3.3 典型功能區間時空互補特性對儲能規劃的影響

區域綜合能源系統內功能區之間具有時空互補特性，通過聯絡線聯網運行可以實現功能區間的能量交換。圖3 展示了冬季某風光最大出力場景下工業區冷熱電功率和聯絡線的運行情況，圖中功率為負表示吸收功率，功率為正表示輸出功率?？梢娫跁r段07:00—09:00工業區有剩余風光，而09:00以后電能供應偏緊張，在虛擬儲能的作用下工業區提前于07:00升高室溫和降低冷庫溫度，體現了時間軸上的負荷轉移；在時段09:00—10:00工業區EV的凈充電功率低于前后時段，盡管該時段EV處于工業區的概率大于前后時段，同時室溫保持在室溫允許的下限（23.9 ℃），削減了負荷。此外，其他功能區對工業區均提供了支持，例如在時段09:00—10:00 整個區域EV的凈充電功率均小于前后時段，商業區向工業區送出多余的光伏出力等，體現了多功能區間的能量互補。18:00 之后，工業區負荷降低，部分多余的電能傳輸給辦公區和商業區，由于聯絡線容量的限制，無法就地消納和傳輸出去的風光出力以冷熱電形式被存儲起來，其中61%通過電鍋爐轉化為熱能存儲于儲熱罐，24%通過電制冷機轉化成冷能存儲于蓄冷罐，15%存儲于蓄電池，這是由于儲熱罐熱水比熱容為4.2 kJ／（kg·℃），儲能容量大，效率高，成本低，因此更容易轉化成熱能儲存起來。

圖3 冬季典型日工業區風光最大出力場景運行情況Fig.3 Operation situation of typical daily maximum output scenario of industrial area in winter

多功能區聯網前各功能區的儲能規劃結果和聯網前后的年棄風棄光率對比情況分別見附錄C 表C2 和表C3?？梢?，對比聯網后的儲能規劃結果（表2），多功能區聯網可使各功能區的儲能配置容量減少，同時年棄風棄光率下降。由于功能區間的時空互補性，虛擬儲能的優化調度以電能形式實現了功能區間的相互支持，從而減少了消納可再生能源所需的實體儲能配置容量。

4 結論

本文從多功能區冷熱電的時空互補相關性角度出發，利用EV 的時空分布特征、用戶溫度負荷的柔性和供熱系統的熱慣性，建立了功能區內冷熱就地平衡、電為多功能區能量樞紐、考慮多功能區“源-網-荷-儲”差異性和實體-虛擬儲能協調運行的區域綜合能源系統多元實體儲能設備規劃模型。算例分析結果表明，雖然區域冷熱電綜合能源系統內各個功能區冷熱就地平衡，但虛擬儲能的優化調度發揮了各功能區EV負荷的移動儲能特性、冷熱負荷的柔性以及供熱系統的慣性，有效通過電能形式實現了功能區間相互支持，各功能區間的多能量流體現出更有效的時空互補特性，從而減少了消納可再生能源所需的實體儲能配置容量，為實現區域綜合能源系統差異化供用能和消納大規?？稍偕茉刺峁┝诵滤悸贰?/p>

本文模型還可以進行以下方面的研究：

1）基于供熱管道的傳輸特性，考慮供熱管道的時滯、熱損問題對不同功能區用戶冷熱需求的影響，研究儲熱設備在各個功能區供熱系統中的選址定容；

2）不同功能區冷熱電需求響應特點不同，尤其是電力需求響應，包括可削減、可轉移、可中斷等不同類型負荷，本文主要考慮供冷／熱系統的冷／熱負荷，而對其他類型的需求響應考慮較少，下一步研究將更細致地分析多功能區更多類型需求響應的特征，建立多功能區時空互補特性的綜合能源系統規劃模型。

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