先進絕熱壓縮空氣儲能多能流優化調度模型

徐衛君 張 偉 胡宇濤 尹俊杰 王建華

先進絕熱壓縮空氣儲能多能流優化調度模型

徐衛君1張 偉2胡宇濤3尹俊杰4王建華4

（1. 國網江蘇省電力有限公司常州市金壇區供電分公司 常州 213164 2. 國網江蘇省電力有限公司常州市供電分公司 常州 213164 3. 東南大學軟件學院 蘇州 215000 4. 東南大學電氣工程學院 南京 210000）

先進絕熱壓縮空氣儲能（AA-CAES）是一種可實現大容量和長時間電能存儲的電力儲能系統，其儲能的過程中會伴隨產生額外的多種能流，若將運行中產生的額外能流收集起來，AA-CAES可作為微型綜合能源系統進行使用。該文通過基于能源集線器（EH）構建通用能量交換分析模型，針對AA-CAES內部組件壓縮機、透平機、換熱器等部件進行模塊化矩陣建模，分析其熱力學特性和能流產生效率，研究AA-CAES的多能流聯供調度策略。以最大化經濟性運行為目標，提出了一種基于能源集線器矩陣化建模的AA-CAES多能流優化調度模型，并采用典型的壓縮空氣儲能系統設備數據，進行仿真驗證。仿真結果表明，AA-CAES作為微型綜合能源系統具有較好的經濟性，并且可以實現日常的熱電聯供，減少或降低其他供熱系統的能耗，提高區域的能量利用效率。

微型綜合能源系統 先進絕熱壓縮空氣儲能（AA-CAES） 能源集線器（EH） 矩陣化 多能流

0 引言

隨著化石能源枯竭和環境污染問題的日益嚴重，大力發展分布式可再生電源，提高綜合能源利用效率，已成為各國政府、企業和民眾的共識[1-2]。我國目前已經開始大力發展清潔能源，由于風電、光伏等新能源發電具有波動性、不確定性，其大規模并網將對電網的安全和穩定運行產生沖擊[3]。而儲能裝置由于具有對功率和能量的時間遷移能力，其應用可以使原本剛性連接的電力系統呈現柔性，從而為大規模風電、光伏等新能源發電并網問題的解決，提供技術解決方案[4]。其中先進絕熱壓縮空氣儲能（Advanced Adiabatic Compressed Air Energy Storage, AA-CAES），由于存儲量大、轉換效率高，具有良好的應用前景，近些年來受到國內外學者的廣泛關注，被認為是當今具發展潛力的大規模儲能技術之一[5]。AA-CAES電站不但可為系統提供調峰、備用、無功調節等多類型輔助服務[6-8]，還有一項具有顯著優勢的特性——冷熱電聯供特性[9]，該特性可使AA-CAES作為微型綜合能源系統使用，通過能量梯級利用和靈活的能源利用模式，實現對輸入能源高達90%的一次能源利用率[10-11]。

綜合能源系統的規劃和運行是以各個能源網絡的建模和分析為基礎的[12]，為了對具有不同物理本質的能源系統進行統一規劃調度，已有學者開展了大量研究。文獻[13]建立了多能源網絡支路層能量流的統一數學方程，通過拉普拉斯變換和戴維南等值定理，將多能源網絡在時域的復雜傳輸特性轉換為拉普拉斯域簡單的代數問題。文獻[12]提出直觀的統一能路方法論，并以天然氣網絡、熱力網絡為研究對象，推導了統一能路理論中的氣路、水路與熱路模型。這些研究和方法論對數學化研究綜合能源系統提出了一定的指導意見。

國內外在綜合能源系統矩陣化建模方面也有較為深入的研究。蘇黎世聯邦理工學院P. Favre-Perrod教授團隊于2005年提出能源集線器（Energy Hub, EH）概念。EH是一種用來表示不同能源載體輸入、輸出、轉換、存儲的多端口裝置[14]，并于2007年首次提出通過耦合矩陣描述EH內部的能源分配和轉換關系[15]。EH可以將電、熱、冷等多種能源進行相互耦合并整合到一個微型綜合能源系統中，通過對EH進行矩陣化建模，可以對微型綜合能源系統的運行機理進行詳細研究[16]。

目前國內外學者已經在AA-CAES多能流聯供和優化調度方面開展了大量研究。文獻[17]將AA-CAES與風電場相結合，研究在AA-CAES在變工狀態下的運行特性，并給出一種混合整數線性規劃模型來描述變工狀態下的AA-CAES；文獻[18]通過對文獻[19-21]的分析，提出一種考慮AA-CAES裝置參與熱電聯儲/供的微型綜合能源系統優化運行策略，并通過經濟性角度分析得出該優化調度模型可以削減微型綜合能源系統的運行成本。

本文提出一種基于能源集線器矩陣化建模的壓縮空氣儲能多能流優化調度模型。該模型通過矩陣化建模方式，對AA-CAES系統進行簡化，通過建立分配矩陣和效率矩陣對各能流之間相互轉換關系進行描述。最后從經濟性的角度進行建模分析，提出基于AA-CAES的微型綜合能源系統調度策略，充分發揮其在多能流聯供方面的優越性能。

1 基于能源集線器概念的通用能量交換分析模型

能源集線器概念是蘇黎世聯邦理工學院P. Favre-Perrod教授團隊，于2005年提出的一種描述不同能源載體輸入、輸出、轉換的多端口裝置。可基于能源集線器概念，提出一種通用能量交換分析模型，該模型對AA-CAES模型的多能流聯供特性進行簡化，弱化了AA-CAES內部的復雜變化，通過分配矩陣和效率矩陣對AA-CAES內部的能量轉換進行描述。通用能量交換分析模型的耦合矩陣描述了能流從集線器的輸入到輸出的轉換，元素可從集線器的轉換器結構和轉換器的效率特性中得出。該模型對電、氣、熱等各種能量流均可使用，適用的程度取決于所進行的研究類型。該模型由三個模塊構成，分別為能量輸入端、能量輸出端和能量轉換模塊，如圖1所示。

圖1 通用能量交換分析模型

通用能量交換分析模型的左端由多種初始能量輸入構成；能量經過能源集線器內部轉換后，變成多種能量向外輸出；在數學上通用能量交換分析模型可用映射函數進行表示，即

可以簡記為

2 基于能量集線器的AA-CAES的多能流架構

2.1 AA-CAES系統內部矩陣化建模

圖2 基于EH的AA-CAES系統及內部元件示意圖

在二號換熱器中，其輸入端由高壓壓縮機中流出的高溫高壓氣體和從低溫儲熱器中分配過來的冷能共同作用，通過能量交換將攜帶的熱能進行換出。隨后從二號換熱器的輸出端口中流出熱能和較低溫的高壓氣體，會進入儲氣系統，在儲氣系統中忽略傳輸和存儲過程中對高壓氣體的損耗，可得儲氣系統的輸入矩陣、輸出矩陣為