區(qū)域綜合能源系統(tǒng)中儲能設(shè)備參與輔助服務(wù)的運(yùn)行優(yōu)化

國網(wǎng)綜合能源服務(wù)集團(tuán)有限公司 李慧娜 張陽玉 中國海關(guān)科學(xué)技術(shù)研究中心 王琳譞 中國電建集團(tuán)北京勘測設(shè)計研究院有限公司 劉曉楠

區(qū)域綜合能源系統(tǒng)由能源站、供能管線和負(fù)荷中心組成，其表示的是在一定區(qū)域內(nèi)，通過先進(jìn)技術(shù)手段與管理模式，對區(qū)域中多種內(nèi)容 進(jìn)行整合，實(shí)現(xiàn)不同能源子系統(tǒng)協(xié)調(diào)規(guī)劃、協(xié)同管理、優(yōu)化運(yùn)行的智慧能源生態(tài)系統(tǒng)[1]。該系統(tǒng)具備孤島運(yùn)行能力，當(dāng)前在較多領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。隨著區(qū)域綜合能源系統(tǒng)應(yīng)用的持續(xù)深入，如何發(fā)揮出能源設(shè)備的作用，實(shí)現(xiàn)優(yōu)化配置，降低運(yùn)行成本，已成為社會各界重點(diǎn)關(guān)注的問題，本文對此進(jìn)行分析，具體如下。

1 研究背景

區(qū)域綜合能源系統(tǒng)中，擁有多種能源類型與轉(zhuǎn)換設(shè)備，能夠高效利用多種能源，可有效提升能源利用效率，還能實(shí)現(xiàn)新能源的有效應(yīng)用。區(qū)域綜合能源系統(tǒng)中存在多種能源系統(tǒng)，而不同的能源系統(tǒng)，在傳輸特性、能源性質(zhì)等方面存在較大差異，往往無法實(shí)現(xiàn)整體協(xié)同。通過應(yīng)用儲能裝置，可進(jìn)行能量儲存，其屬于促進(jìn)各能源系統(tǒng)協(xié)同規(guī)劃、優(yōu)勢互補(bǔ)的重要技術(shù)裝備。當(dāng)前，不同能量形式邊界逐漸模糊，且擁有較強(qiáng)的耦合關(guān)系，儲能也逐漸發(fā)展成多種儲能類型的協(xié)同作用模式[2]。區(qū)域綜合能源系統(tǒng)中包含眾多能源形式，若想統(tǒng)一調(diào)度不同的資源，提升能源利用率，應(yīng)注重不同類型儲能設(shè)備的協(xié)同配合[3]。

2 研究方法

2.1 規(guī)劃層模型

一是目標(biāo)函數(shù)。針對規(guī)劃層，確定優(yōu)化目標(biāo)時，應(yīng)重點(diǎn)對儲能設(shè)備投資成本進(jìn)行考慮。而儲能容量與儲能成本密切相關(guān)，若容量過小，雖然可減少成本，但卻無法滿足系統(tǒng)穩(wěn)定性要求，反而會增加系統(tǒng)運(yùn)行成本。若容量過大，雖然可提升系統(tǒng)運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性，但會增加儲能投資成本與維護(hù)成本。因此，針對規(guī)劃層的優(yōu)化模型，其目標(biāo)函數(shù)應(yīng)綜合考慮系統(tǒng)運(yùn)行成本與儲能投資成本，公式為：

minFu=Cinv+Cop

其中，F(xiàn)u表示目標(biāo)函數(shù)，Cinv表示系統(tǒng)投資成本，Cop表示系統(tǒng)運(yùn)行成本。

在系統(tǒng)投資成本上，主要涉及容量與功率投資，具體應(yīng)對不同儲能設(shè)備進(jìn)行考慮，包括電儲能設(shè)備、熱儲能設(shè)備、冷儲能設(shè)備以及氫儲能設(shè)備，公式為：

其中，i 代表儲能類型，r 代表折現(xiàn)率，Yi代表儲能的壽命，Cse,i表示儲能的容量投資成本，Csp,i表示儲能的功率投資成本，Esi表示儲能的安裝容量，PSi表示儲能的安裝功率。

區(qū)域綜合能源系統(tǒng)運(yùn)行成本，計算公式為：

Cop=Com+Con+Cbuy,e+Cbuy,g+Cenv

其中，Cenv為環(huán)境成本；Cbuy,e為購電成本；Com為設(shè)備啟動成本；Cbuy,g表示購氣成本；Com為設(shè)備維護(hù)成本。

二是約束條件。系統(tǒng)容量規(guī)劃過程中，容量規(guī)劃約束與功率規(guī)劃約束公式為：

2.2 運(yùn)行層模型

一是目標(biāo)函數(shù)。運(yùn)行層優(yōu)化目標(biāo)，同系統(tǒng)運(yùn)行成本密切相關(guān)，主要包括維護(hù)成本、啟動成本、購電成本、環(huán)境成本、購氣成本。計算公式為：

其中，Nd為典型日總數(shù)，Nt為典型日調(diào)度時段數(shù)；d 為典型日，取1～Nd，t 為典型日各時刻標(biāo)識，取1～Nt；wd為d 全年出現(xiàn)概率；D 為全年總天數(shù)，取365；Com,PV、Com,WT、Com,GT、Com,EB、Com,CERG、Com,ED、Com,AC、Ciom,S分別為不同儲能設(shè)備維護(hù)成本；ggrid為電能碳排放量；gGT為燃?xì)廨啓C(jī)運(yùn)行碳排放量；Cte,b為電價；Cgas,b為氣價。

對于規(guī)劃層模型系統(tǒng)運(yùn)行成本上，主要是在一年時間跨度的基礎(chǔ)上進(jìn)行建模的，為與運(yùn)行層模型良好對應(yīng)，運(yùn)行層模型優(yōu)化目標(biāo)，也應(yīng)放在全年系統(tǒng)運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)上，并非單獨(dú)典型日的運(yùn)行最優(yōu)，公式為：

minFl=Cop

其中，F(xiàn)l代表運(yùn)行層模型目標(biāo)函數(shù)，Cop代表系統(tǒng)年運(yùn)行成本。

二是約束條件。第一，系統(tǒng)級約束。系統(tǒng)購電量不可高于聯(lián)絡(luò)線功率的上限，公式為：

第二，設(shè)備級別約束。充放功率上下限約束公式為：

能量狀態(tài)水平上下限約束公式為：

能量充放周期24h 約束公式為：

其中，x 為短期儲能類型。

第三，系統(tǒng)指標(biāo)約束。棄光率計算公式為：

2.3 研究數(shù)據(jù)

電儲能數(shù)據(jù)參數(shù)為：效率0.9；自損耗率0.001；單位容量成本為1000/kWh；單位功率成本為200元/kW；單位維護(hù)成本為0.0018/kWh；壽命10年。熱儲能數(shù)據(jù)參數(shù)為：效率0.88；自損耗率0.01；單位容量成本為150/kWh；單位功率成本為30元/kW；單位維護(hù)成本為0.0017/kWh；壽命10年。冷儲能數(shù)據(jù)參數(shù)為：效率0.88；自損耗率0.01；單位容量成本為190/kWh；單位功率成本為200元/kW；單位維護(hù)成本為0.0016/kWh；壽命20年。氫儲能數(shù)據(jù)參數(shù)為：效率0.95；自損耗率0.001；單位容量成本為10/kWh；單位功率成本為300元/kW；單位維護(hù)成本為0.0018/kWh；壽命20年。

2.4 仿真場景設(shè)定

本文研究中，設(shè)定三種優(yōu)化運(yùn)行方式，在此基礎(chǔ)上實(shí)施對比分析。運(yùn)行方式一，只考慮電熱綜合需求響應(yīng)；運(yùn)行方式二，只加電儲能以及熱儲能裝置；運(yùn)行方式三，在電儲能以及熱儲能裝置的基礎(chǔ)上，對負(fù)荷電以及熱綜合需求響應(yīng)加以考慮。

3 研究結(jié)果

電熱儲能配置與運(yùn)行結(jié)果見表1。

表1 電熱儲能配置與運(yùn)行結(jié)果

經(jīng)濟(jì)性以及風(fēng)電消納率見表2。

表2 經(jīng)濟(jì)性以及風(fēng)電消納率

從表1、表2中可以看出，第三種運(yùn)行方式運(yùn)行效果更佳，且經(jīng)濟(jì)性及風(fēng)電消納率更高。通過電熱綜合需求響應(yīng)的應(yīng)用，可有效減少儲能配置容量，降低儲能成本支出，使區(qū)域綜合能源系統(tǒng)具備更高的運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性；通過優(yōu)化配置多種儲能，有助于區(qū)域綜合能源系統(tǒng)風(fēng)電消耗，從而有效減少環(huán)境成本，實(shí)現(xiàn)各項能源高效利用的同時，促進(jìn)系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行；若想實(shí)現(xiàn)區(qū)域綜合能源系統(tǒng)的優(yōu)化運(yùn)行，應(yīng)對多種儲能設(shè)備能量輸出與轉(zhuǎn)換加以協(xié)調(diào)。儲能在其他設(shè)備運(yùn)行以及能量時間轉(zhuǎn)移上具有重要的價值，在科學(xué)配置下，實(shí)現(xiàn)多能耦合。

4 啟示建議

本文重點(diǎn)對區(qū)域綜合能源系統(tǒng)中的儲能設(shè)備配置問題進(jìn)行分析，經(jīng)實(shí)際研究得出，通過優(yōu)化配置儲能設(shè)備，有助于區(qū)域綜合能源系統(tǒng)優(yōu)化運(yùn)行，獲得更高的運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性。未來發(fā)展中，區(qū)域綜合能源系統(tǒng)以及儲能技術(shù)會得到進(jìn)一步更新發(fā)展，為突出區(qū)域綜合能源系統(tǒng)與儲能技術(shù)的作用，應(yīng)重點(diǎn)做好以下工作。

配置儲能容量時，需要對負(fù)荷以及風(fēng)電波動性以及隨機(jī)性問題進(jìn)行重點(diǎn)考慮，后期研究中，應(yīng)分析對區(qū)域綜合能源系統(tǒng)運(yùn)行產(chǎn)生影響的多種隨機(jī)因素，重點(diǎn)研究負(fù)荷精準(zhǔn)預(yù)測、新能源出力等方面的內(nèi)容，深化研究內(nèi)容。

在儲能規(guī)劃上，會涉及選址定容方面的內(nèi)容，研究過程中不可只考慮儲能容量配置，還應(yīng)重點(diǎn)探究不同區(qū)域間存在的耦合關(guān)系，加深不同區(qū)域綜合能源系統(tǒng)的協(xié)同規(guī)劃研究。

未來研究環(huán)節(jié)，應(yīng)對儲能優(yōu)化配置模型的影響因素進(jìn)行分析，考慮負(fù)荷側(cè)需求響應(yīng)在其中產(chǎn)生的作用。進(jìn)行儲能優(yōu)化配置模型設(shè)計時，應(yīng)對不同負(fù)荷需求響應(yīng)進(jìn)行分析，在柔性負(fù)荷的利用下，實(shí)現(xiàn)儲能配置的不斷改善，提升系統(tǒng)運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性。

通過優(yōu)化配置儲能設(shè)備，有助于消納風(fēng)電，促進(jìn)可再生能源利用效率的進(jìn)一步提升。可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略持續(xù)推進(jìn)下，應(yīng)不斷增加風(fēng)電與光伏發(fā)電在區(qū)域綜合能源系統(tǒng)中的比重，對儲能設(shè)備擴(kuò)容規(guī)劃進(jìn)行科學(xué)安排，一方面提升可再生能源利用率，另一方面降低儲能成本支出。

5 結(jié)語

綜上所述，當(dāng)前我國經(jīng)濟(jì)水平不斷提升，應(yīng)注重能源利用問題與生態(tài)環(huán)境保護(hù)問題，將可持續(xù)發(fā)展作為重要目標(biāo)。在區(qū)域綜合能源系統(tǒng)實(shí)際應(yīng)用環(huán)節(jié)，為保證系統(tǒng)運(yùn)行效率，需要積極開展運(yùn)行優(yōu)化工作，通過對儲能設(shè)備的合理配置，減少系統(tǒng)運(yùn)行成本的同時，實(shí)現(xiàn)對能源的高效利用，最大程度上降低對生態(tài)環(huán)境的不良影響。未來應(yīng)不斷加大研究力度與深度，提升區(qū)域綜合能源系統(tǒng)運(yùn)行性能的同時，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益與社會效益最大化。