能源市場背景下含儲能的光伏和熱電聯產評估

魏超，焦曉峰，劉永江，張愛軍

（內蒙古電力科學研究院，內蒙古 呼和浩特 010020）

未來的電網需要更加先進的控制技術，以將可再生能源發電系統與工業園區和住宅分布式能源（distributed energy resources，DERs）系統穩定且高效地整合[1]。分布式能源系統指的是可控式能源發電系統，直接位于終端用戶附近或連接到本地的電力系統。分布式能源系統包括儲能系統、去中心化可再生能源發電系統和去中心化不可再生發電系統、需求響應以及微電網。分布式能源系統的興起促使許多股東和公用事業高管考慮將分布式能源系統引入其系統，從而為其創造價值。分布式能源系統的主要優勢在于提高對本地能源的使用率，從而實現高效、可靠地配電，減少碳排放，并在需求高峰時期實現削峰。這些因素以及需求響應、負載轉移和儲能之類的能源管理策略將是構成向智能電網過渡的必要條件。

針對熱電聯產（combined heat and power，CHP）和分布式電源并存引起的新能源消納問題，許多學者利用電儲能設備提高機組調節能力，或通過儲熱、電鍋爐和熱泵等實現熱電聯產機組的熱電解耦運行[2]。文獻[3]分析了熱電聯產機組配置儲熱前后運行特性與調峰能力的變化情況，建立了含儲熱的電力系統電熱聯合優化調度模型；文獻[4]構建了包含儲熱的熱電聯產機組、電供熱系統的調度模型，將儲熱納入包含風電的電力系統有功調度體系；文獻[5]提出基于含儲熱熱電聯產機組與電鍋爐的棄風消納協調調度模型，提出極限消納棄風電量的電鍋爐供熱量計算方法。

對于規劃人員而言，研究熱電聯產機組和儲能以及分布式電源之間最佳的規模和調度計劃是非常必要的，而且是輔助管理一個區域內電能需求的重要工具。文獻[6-8]研究表明：配備有分布式能源系統和可再生能源系統的熱電聯產微電網可以高效地解決能源相關的經濟環境問題。在本研究中，構建了一個簡化的決策模型，以計算出最佳流量和容量；該模型聚焦于經濟方面和能源市場中可能的收益來源。詳細介紹了能源終端用戶、其需求負荷形態和電力公用事業的定價要素，以及作為關鍵因素在很大程度上決定了分布式能源系統最佳容量和運營策略的激勵計劃，從而建立具有成本效益的彈性智能電網，確定了會影響特定消費者表內收益的關鍵因素。

本文具體結構如下：第1節構建了結合熱電聯產和熱/電儲能系統的光伏優化模型并對系統成本與頻率調節（frequency regulation，FR）、儲備市場和凈計量所帶來的收入流進行了評估和比較。該優化模型包括提高系統彈性，并同時考慮了電網中斷時所需的備用電源（以彈性為基礎）而進行了優化。然后，在第2節中，以大型智能工業園區為對象進行了案例研究，比較了電力和燃氣公司不同類型的能源費率及蓄電池不同容量情況下園區運行的經濟性，驗證了所提方法的有效性。

1 研究方法

在本文中，采用了混合整數線性規劃（mixedinteger linear programming，MILP）模型[9]，該模型是這一研究方向中最常使用的一種方法。盡管線性模型和混合整數線性模型在準確性方面遜色于非線性模型和混合整數非線性模型，但通?？梢詾檫@些類型的問題提供快速的解決方案。本文所提出的最優化模型由結合熱電聯合系統的光伏系統組成，該模型可以對凈計量電價進行探究，以滿足電熱需求負荷。本研究的目的在于計算能源總成本以及失電臨界負荷，并為各個應用分別解決這一問題。

1.1 經濟目標函數

總成本的目標函數為

在式（4）中，熱電聯產所產電能將首先被用于滿足設備的電能需求，而節余電能會被儲存在儲能設備中。

在該模型中，可以通過將電能直接從光伏或蓄電系統出售給電網來實現凈計量電價。在頻率調節應用中，假定由于電池的快速響應，其可以通過能力約定和績效收益來參與快速調節市場，從而產生收益。

1.2 系統彈性目標函數

增強系統彈性是為了在電力中斷期間服務于關鍵負載[10]。為了最大程度地降低臨界負載損失，懲罰結構被指定為臨界負載損失。由于系統已與電網斷開，因此不再提供凈計量電價和相關的輔助服務。

其中

式中：CLunservedt為t時刻臨界失電負荷；CLtotalt為臨界總負荷；eCHP,demt，ePV,demt，eES,demt分別為熱電聯機組、光伏發電機組、電儲能滿足電力需求的功率；Mpent為t時刻懲罰成本。

1.3 約束條件

1.3.1 設備的功率平衡約束

在正常運行期間，需要滿足設施的電能和熱能需求，因此可得：

式中：Det為電能需求。

對于熱能需求，可以通過下式計算獲得：

式中：Dht為熱能需求；hCHP,demt為滿足熱需求的CHP機組出力；hTS,demt為t時刻滿足熱需求的儲熱裝置出力。

1.3.2 熱電聯產的運行約束

熱電聯產系統產生的電能和熱能會被首先用于滿足設施的電熱能需求，而多余的能量將會被儲存在電力儲存和熱能儲存設備中。因此有：

式中：eCHP,ESt為t時刻從CHP機組流向儲電裝置的電功率；hCHP,TSt為t時刻從CHP機組流向儲熱裝置的熱功率。

熱電聯產的最大輸出功率為其額定容量，也是與市場的約定容量，此外，如果熱電聯產的輸出量低于下限閾值，其將會被關閉。熱電聯產運行限制條件如下式：

式中：PCHPmax，PCHPmin分別為熱電聯產的最大輸出功率、最小輸出功率；FRCHPt為t時刻CHP機組的可調容量。

熱電聯產系統熱能hCHPt的產生依賴于原動機以及熱電聯產產生的電能：

其中

式中：rCHPt為熱電功率比，取決于原動機的技術；fh()為熱電聯產機組的熱電比函數。

此外，部分負荷率ηCHPt和rCHPt均是指原動機的規格，可以定義為

式中：fe()為機組綜合效率函數。

假定fh（·）和fe（·）兩個多項式函數的次數為1。

1.3.3 蓄電設備的制約因素

蓄電裝置的總流入電量和流出電量受其額定容量的限制：

式中：eES,gt為從電儲能流向的電網功率；ePV,ESt為從光伏對電儲能充電的功率。

在蓄電裝置中，其能量（被定義為充電狀態SOC，單位為kW·h）從一個時間步移向下一個時間，而且其蓄電量在每個時間步結束后都會根據被充放電能的量而進行更新。

式中：ηES,ht，ηES,dist分別為電儲能裝置的充放電效率，他們會隨著電儲能設備的老化而降低；SOCESt為t時刻電儲能裝置的荷電狀態。

顯而易見，蓄能裝置的蓄能量不能超過其最大容量。此外，蓄能裝置應留出20%的安全儲備容量。再者，在考慮蓄能系統運行的制約因素時，應將市場中的承諾容量考慮在內，因此可得：

1.3.4 儲熱設備的制約因素

TS裝置充放熱的總量受限于裝置自身的特點：

式中：hCHP,TSt為CHP機組給儲熱裝置提供的熱能；QTS,chmax為儲熱裝置的最大儲熱容量；hTS,demt為儲熱裝置向負荷提供的熱量；QTS,dismax為儲熱裝置最大放熱容量。儲熱裝置中的熱能級從一個時間移動到下一時間。儲熱量會在每個時間步長結束時根據充放熱能的量進行更新：

式中：SOCTSt為t時刻儲熱裝置的等效荷電狀態；ηTS,storet為儲熱裝置的熱電轉化效率；ηTS,cht，ηTS,dist分別為儲熱裝置的儲/放熱效率。ηTS,storet會隨著熱儲能設備的老化而降低。另外，儲熱裝置中存儲的熱能不能超過其最大容量，即

1.3.5 光伏系統的制約因素

可再生裝置中產生的電用于滿足電力需求并為蓄電裝置充電：

請注意，光伏系統產生的電量可根據太陽輻射和已安裝光伏系統的標稱容量用函數進行計算。

2 算例分析

本研究選取了一個位于新澤西州的一家中型工業園區建筑作為研究對象，該建筑是一個單排工業園區，其數據可從能源部能源消耗參考數據庫中獲得。在此案例研究中，所有估算值都是基于該面積為29.89 km2的大型智能工業園區，其每年的電力消耗為32 956 689 kW·h和天然氣消耗為87 500 000 m3。該建筑物的電熱需求概況，如圖1所示?？梢钥闯?，業區的電需求和熱需求并無關聯。

圖1 一個典型工業園區平均每天每小時能源需求情況Fig.1 Energy demand per hour per day for a typical industrial park

根據EnergyPlus建筑模擬工具，將關鍵負載指定為每個最終用途關鍵部分的一個百分比值，詳見表1。熱電聯產原動機特性如表2所示。

表1 關鍵負載占該工業園區區各最終用途關鍵部分的百分比Tab.1 Percentage of critical loads in each end use critical part of the industrial park area

表2 熱電聯產原動機特性Tab.2 Characteristics of prime mover for CHP

2.1 光伏-電池儲能系統（PV-ES）：

針對不同蓄電配置本文分析了光伏-電儲能系統的彈性和經濟目標。假定光伏系統的裝機容量可滿足年用電量的80%。對于電池蓄電系統，將額定容量分為峰值臨界負載的50%和100%進行考慮。此外，對于每個額定容量，持續時間參數被設定在30 min～5 h范圍內。圖2為蓄電池占比50%，100%時凈現值以及一個典型工業園區設施關鍵需求的百分比。

圖2 不同蓄電池占比情況下園區用電需求Fig.2 Power demand of the park under different battery proportions

如圖2所示，已安裝系統在區域內獲得了更多收入。這是因為在PV高峰時段之后，該工業園區仍保持較高的消費量。因此，如果配電公司1的按需電費設定得很高的話，蓄電池就可以創造更多價值。

2.2 熱電聯產、蓄電池及儲熱系統（CHP-ES-TS）

對于每種熱電聯產技術，考慮了兩種不同的設計方法：基于設施電力需求的最大矩形方法和基于設施熱需求的最大矩形方法。此外，具體分析了位于新澤西州一個典型的工業園區，以探究采用不同原動機技術和尺寸大小可為不同配置的CHP-ES-TS系統節約的成本以及帶來的收益。

表3為案例研究結果，該案例研究考慮了不同熱電聯合原動力、不同配電公司和配氣公司以及各種儲能系統容量。表3說明了節能情況、調節增加值、以及安裝電儲能系統對表3案例的影響。結果表明，采用基于熱需求的第二種設計方法，可以建立一個龐大的系統，進而顯著增加年收益。如表4所示，該方法能源成本節約的貢獻度更高（見成本節約百分比）。這是因為電需求和熱需求是不相關的（見圖1），白天過多的熱量可以存儲在儲熱設備中，并在清晨（熱需求的高峰時間）進行使用。這種現象使大型蓄能系統在節約能源成本方面更具優勢。

表3 CHP-ES-TS特性Tab.3 CHP-ES-TS characteristics

表4 該工業園區區的CHP-ES-TS經濟效益Tab.4 Economic benefits of CHP-ES-TS in the industrial park

3 結論

在本研究中，對于熱電聯產，光伏系統和熱/電儲能等分布式能源系統的運營和財務進行了分析和評估。本文的目標在于識別影響分布式能源系統組合，配電和配氣公司的分布式能源系統財務和彈性價值的因素，并結合具體案例對這些因素進行評估。最終，研究結果表明，不同的分布式能源系統技術和配置對設施中熱電聯產系統的經濟附加值有很大的影響。研究顯示，由于熱能需求情況和電能需求情況之間的不相關性，蓄能系統結合熱電聯產系統可以降低能源成本。同時通過對蓄能系統的激勵計劃，能夠增強電網在停電期間的彈性。