多元化儲(chǔ)能技術(shù)及其在綜合智慧能源系統(tǒng)中的應(yīng)用模式研究

摘 要：雖然研究認(rèn)為儲(chǔ)能技術(shù)是綜合智慧能源系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的基石，但由于綜合智慧能源系統(tǒng)中風(fēng)光等間歇性可再生能源輸出功率的波動(dòng)性、隨機(jī)性很強(qiáng)，配置單一儲(chǔ)能技術(shù)不能滿足高比例可再生能源并網(wǎng)要求，現(xiàn)提出將多元化儲(chǔ)能技術(shù)應(yīng)用在綜合智慧能源系統(tǒng)中。首先，對(duì)綜合智慧能源系統(tǒng)的構(gòu)成及其源荷特性進(jìn)行了分析;其次，針對(duì)不同的應(yīng)用場(chǎng)景，分析了多元儲(chǔ)能協(xié)調(diào)運(yùn)行機(jī)理;然后，對(duì)多元化儲(chǔ)能進(jìn)行了優(yōu)化配置研究，提出了目標(biāo)函數(shù)和約束條件;最后，以某個(gè)智慧能源示范園區(qū)為實(shí)例進(jìn)行了驗(yàn)證，使總運(yùn)行成本降低了6.31%，將園區(qū)內(nèi)光伏的總利用率提升了4.31個(gè)百分點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：風(fēng)光;源荷特性;多元化儲(chǔ)能;綜合智慧能源系統(tǒng)

中圖分類號(hào)：TM715" " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " 文章編號(hào)：1671-0797（2024）04-0080-05

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2024.04.020

0" " 引言

綜合能源系統(tǒng)中的儲(chǔ)能技術(shù)以其削峰填谷和調(diào)頻調(diào)壓等能力，成為綜合能源系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的基石。雖然儲(chǔ)能系統(tǒng)是解決分布式能源并網(wǎng)問(wèn)題、提高電網(wǎng)供電可靠性的有效途徑，但風(fēng)光等間歇性分布式電源輸出功率波動(dòng)性、隨機(jī)性太強(qiáng)，單一儲(chǔ)能配置的一體化電力系統(tǒng)無(wú)法滿足高比例可再生能源并網(wǎng)要求。受制于上述缺點(diǎn)，往往將不同特性的儲(chǔ)能結(jié)合起來(lái)使用，常見的一種方式是將功率型儲(chǔ)能和能量型儲(chǔ)能在直流側(cè)并聯(lián)后經(jīng)變流器接入電網(wǎng)，稱為多元化儲(chǔ)能技術(shù)。例如，將超級(jí)電容器與蓄電池混合使用，可減小蓄電池的內(nèi)部沖擊，延緩衰老進(jìn)程，提高其負(fù)載適應(yīng)能力。另一方面，多元儲(chǔ)能系統(tǒng)能夠提高儲(chǔ)能設(shè)備效率，縮小儲(chǔ)能裝置的體積，減輕重量，降低硬件成本，同時(shí)有利于改善電網(wǎng)電能質(zhì)量。文獻(xiàn)[1]系統(tǒng)闡述了儲(chǔ)能技術(shù)在綜合能源系統(tǒng)中的作用及應(yīng)用;文獻(xiàn)[2]研究了考慮用戶能量替代行為的電-氣多元儲(chǔ)能系統(tǒng)在區(qū)域綜合能源系統(tǒng)中的優(yōu)化配置問(wèn)題;文獻(xiàn)[3]提出考慮電/熱/冷多元儲(chǔ)能差異化建模的區(qū)域綜合能源系統(tǒng)儲(chǔ)能協(xié)同配置方法;文獻(xiàn)[4]介紹了儲(chǔ)能技術(shù)的類型及其在多能互補(bǔ)能源系統(tǒng)中的應(yīng)用價(jià)值，并分析了其具體應(yīng)用途徑;文獻(xiàn)[5]建立了計(jì)及功能區(qū)間能量交換能力、儲(chǔ)能設(shè)備成本等差異的區(qū)域綜合能源系統(tǒng)實(shí)體儲(chǔ)能（設(shè)備）規(guī)劃模型;文獻(xiàn)[6]提出了計(jì)及熱網(wǎng)蓄熱特性的多區(qū)域IES多元儲(chǔ)能規(guī)劃方法。

因此，本文基于某園區(qū)綜合能源系統(tǒng)的構(gòu)成及其源荷特性，針對(duì)不同的儲(chǔ)能技術(shù)，給出了其在園區(qū)綜合能源系統(tǒng)中的典型應(yīng)用場(chǎng)景，對(duì)園區(qū)多元化儲(chǔ)能進(jìn)行優(yōu)化配置，以提升園區(qū)型綜合智慧能源系統(tǒng)的能源利用效率。

1" " 綜合智慧能源系統(tǒng)

1.1" " 綜合智慧能源系統(tǒng)的內(nèi)涵

綜合智慧能源，是以數(shù)字化、智慧化能源生產(chǎn)、儲(chǔ)存、供應(yīng)、消費(fèi)和服務(wù)等為主線，追求橫向“電、熱、冷、氣、水、氫”等多品種能源協(xié)同供應(yīng)，實(shí)現(xiàn)縱向“源-網(wǎng)-荷-儲(chǔ)-用”等環(huán)節(jié)之間互動(dòng)優(yōu)化，構(gòu)建“物聯(lián)網(wǎng)”與“互聯(lián)網(wǎng)”無(wú)縫銜接的能源網(wǎng)絡(luò)，并面向終端用戶提供能源一體化服務(wù)的產(chǎn)業(yè)。

“綜合”強(qiáng)調(diào)能源一體化解決方案，從用戶側(cè)出發(fā)，實(shí)現(xiàn)多種能源品種的融合;“智慧”強(qiáng)調(diào)數(shù)字化、智慧化，以平臺(tái)為中心利用物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能等技術(shù)，推進(jìn)能源供給、消費(fèi)的優(yōu)化組合、有機(jī)協(xié)調(diào)，同步實(shí)現(xiàn)能源系統(tǒng)效率提升。其示意圖如圖1所示。

系統(tǒng)的“荷”通過(guò)合理調(diào)度和市場(chǎng)機(jī)制及考慮到用戶多種類用能需求和能源的可替換性，以達(dá)到綜合優(yōu)化用能的效果。系統(tǒng)的“網(wǎng)”，包含不同能源的輸送網(wǎng)（如電網(wǎng)、熱網(wǎng)、氣網(wǎng)等）及應(yīng)用技術(shù)或設(shè)備將不同能源有機(jī)耦合起來(lái)，從而高效地將能源輸送給用戶。系統(tǒng)的“儲(chǔ)”，包含不同能源暫時(shí)存儲(chǔ)的各類設(shè)備或系統(tǒng)，以提高系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行水平和應(yīng)急能力。

1.2" " 綜合智慧能源系統(tǒng)源荷特性分析

目前，根據(jù)系統(tǒng)規(guī)模的大小，綜合智慧能源系統(tǒng)可分為三種類型，即區(qū)域型、園區(qū)型和用戶型。其中，區(qū)域型綜合智慧能源系統(tǒng)主要應(yīng)用于廣泛的區(qū)域范圍，如智慧城市、智慧鄉(xiāng)村等，這種系統(tǒng)旨在整合和優(yōu)化區(qū)域內(nèi)的能源資源，以實(shí)現(xiàn)可持續(xù)的能源供應(yīng)。園區(qū)型智慧能源系統(tǒng)常應(yīng)用于工業(yè)園區(qū)、科技園區(qū)等特定區(qū)域。用戶型綜合智慧能源系統(tǒng)則適用于個(gè)人或特定的建筑物，如數(shù)據(jù)中心、樓宇等。

以智慧城市為例對(duì)源荷特性進(jìn)行分析。典型的城市用電負(fù)荷主要包含工商業(yè)和居民生活用電負(fù)荷，如圖2、圖3所示。

由于太陽(yáng)輻射強(qiáng)度存在很大的隨機(jī)性，光伏發(fā)電系統(tǒng)的輸出功率隨太陽(yáng)輻射強(qiáng)度的變化而變化，其具有不連續(xù)性和不確定性的特征。其出力特性曲線如圖4所示。

2" " 綜合智慧能源系統(tǒng)中多元儲(chǔ)能協(xié)調(diào)運(yùn)行分析

2.1" " 多元儲(chǔ)能技術(shù)概述

儲(chǔ)能系統(tǒng)按照能量存儲(chǔ)方式的不同可以分為機(jī)械儲(chǔ)能、電化學(xué)儲(chǔ)能、電磁儲(chǔ)能、熱儲(chǔ)能、化學(xué)燃料儲(chǔ)能等類型。其中機(jī)械儲(chǔ)能包括抽水蓄能、壓縮空氣和飛輪儲(chǔ)能，電化學(xué)儲(chǔ)能包括鋰離子、鈉硫、液流、鉛酸電池儲(chǔ)能等，電磁儲(chǔ)能包括超導(dǎo)、超級(jí)電容和高能密度電容儲(chǔ)能，熱儲(chǔ)能包括熱水罐、熔巖儲(chǔ)能、相變儲(chǔ)能等，化學(xué)燃料儲(chǔ)能中最具應(yīng)用前景的是氫儲(chǔ)能。

2.2" " 多元儲(chǔ)能協(xié)調(diào)運(yùn)行機(jī)理分析

按照最大功率容量、放電時(shí)間、使用頻率和放電深度等性能參數(shù)，儲(chǔ)能一般分為四種類型：容量型儲(chǔ)能、功率型儲(chǔ)能、能量型儲(chǔ)能和備用型儲(chǔ)能。其中，容量型儲(chǔ)能包括抽水蓄能、壓縮空氣儲(chǔ)能、鈉硫電池、液流電池、鉛碳電池等，功率型儲(chǔ)能包括超導(dǎo)儲(chǔ)能、飛輪儲(chǔ)能、超級(jí)電容器、2C型磷酸鐵鋰電池等，能量型儲(chǔ)能包括0.5C或1C型磷酸鐵鋰電池等，備用型儲(chǔ)能包括鉛酸電池、飛輪儲(chǔ)能等。每一類所對(duì)應(yīng)的參數(shù)范圍及典型的用途如表1所示。

同時(shí)，在儲(chǔ)能的放電時(shí)長(zhǎng)方面，不同的應(yīng)用場(chǎng)景有不同的要求。應(yīng)用時(shí)序分析法，將電源側(cè)、電網(wǎng)側(cè)、負(fù)荷側(cè)各應(yīng)用場(chǎng)景分為超短時(shí)、短時(shí)和長(zhǎng)期時(shí)間尺度3種類型，具體應(yīng)用場(chǎng)景對(duì)應(yīng)儲(chǔ)能持續(xù)放電時(shí)間要求如表2所示。

一般來(lái)說(shuō)，這些用途并不是完全獨(dú)立的，因此在評(píng)估和確定優(yōu)先順序時(shí)，應(yīng)考慮到每種用途在儲(chǔ)能設(shè)備上投入的功率或時(shí)間比例，用數(shù)學(xué)方法估算儲(chǔ)能裝置滿足這些用途的百分比。針對(duì)不同應(yīng)用場(chǎng)景對(duì)儲(chǔ)能技術(shù)特性的需求，從可行性和經(jīng)濟(jì)性考慮，應(yīng)盡量依照應(yīng)用需求選擇各性能參數(shù)互補(bǔ)的儲(chǔ)能類型，各盡其職。

3" " 多元化儲(chǔ)能的優(yōu)化配置研究

3.1" " 目標(biāo)函數(shù)

多元儲(chǔ)能總成本由綜合能源系統(tǒng)運(yùn)行成本與儲(chǔ)能規(guī)劃成本兩部分構(gòu)成。在運(yùn)行成本Cop中，考慮綜合智慧能源系統(tǒng)向上級(jí)電網(wǎng)購(gòu)電成本Cinj、多元儲(chǔ)能充放電損耗成本Cch，此外，為了響應(yīng)“雙碳”目標(biāo)，加入綜合智慧能源系統(tǒng)碳排放懲罰成本Ccp，以使多元儲(chǔ)能規(guī)劃產(chǎn)生減碳效益。

Cop=Cinj+Cch1+Cch2+Ccp（1）

Cinj=Pinj（i）×cele（i）×ti（2）

Cch1=[Pch1（i）+Pdis1（i）]×cd1×ti（3）

Cch2=[Pch2（i）+Pdis2（i）]×cd2×ti（4）

Ccp=Pinj（i）×ccp×ti（5）

式中：Cch1、Cch2分別為儲(chǔ)能1、2的充放電損耗成本;Pinj（i）為第i時(shí)刻上級(jí)電網(wǎng)向綜合智慧能源系統(tǒng)注入功率;cele（i）為第i時(shí)刻綜合智慧能源系統(tǒng)向上級(jí)電網(wǎng)購(gòu)電價(jià)格;ti為時(shí)間粒度;Pch1（i）、Pch2（i）分別為第i時(shí)刻儲(chǔ)能1、2的充電功率;Pdis1（i）、Pdis2（i）分別為第i時(shí)刻儲(chǔ)能1、2的放電功率;cd1、cd2分別為儲(chǔ)能1、2的單位充放電量損耗成本;ccp為單位電量碳排放懲罰成本。

儲(chǔ)能的規(guī)劃成本包括儲(chǔ)能的初始投資成本以及儲(chǔ)能系統(tǒng)的運(yùn)營(yíng)和維護(hù)成本，考慮到通貨膨脹和其他因素，儲(chǔ)能系統(tǒng)在其生命周期內(nèi)的運(yùn)行和維護(hù)成本是通過(guò)直線年成本法折算成現(xiàn)值計(jì)算得出的。

Cplan=C1+C2×k（6）

C1=cp×Pmax+ce×Emax（7）

C2=cm×Pmax（8）

k=（9）

式中：Cplan為儲(chǔ)能規(guī)劃成本;C1為儲(chǔ)能初始投資成本;C2為儲(chǔ)能運(yùn)行維護(hù)成本;k為等年值系數(shù);cp為單位功率儲(chǔ)能建設(shè)成本;ce為單位容量?jī)?chǔ)能建設(shè)成本;cm為單位功率儲(chǔ)能的運(yùn)維系數(shù);Pmax為儲(chǔ)能額定功率;Emax為儲(chǔ)能額定容量;r為貼現(xiàn)率;n為運(yùn)行年限。

綜上，多元儲(chǔ)能運(yùn)行-規(guī)劃優(yōu)化模型目標(biāo)函數(shù)如下式所示：

Objective=Cop+Cplan（10）

3.2" " 約束條件

優(yōu)化模型的局限性涉及兩個(gè)方面，一是對(duì)綜合智慧能源系統(tǒng)整體功率平衡約束與各出力主體功率限制約束，二是對(duì)各種儲(chǔ)能設(shè)備充放電特性的限制，這是由設(shè)備本身的技術(shù)特性決定的。

3.2.1" " 綜合智慧能源系統(tǒng)功率平衡約束

Pinj（i）+Pw（i）+Pv（i）+Pdisk（i）-

Pchk（i）=PD（i）（11）

式中：Pw（i）、Pv（i）分別為第i時(shí)刻綜合智慧能源系統(tǒng)中風(fēng)電機(jī)組、光伏機(jī)組的出力;Pchk（i）、Pdisk（i）分別為第k種儲(chǔ)能設(shè)備在第i時(shí)刻的充、放電功率;PD（i）為綜合智慧能源系統(tǒng)在第i時(shí)刻的用電負(fù)荷大小;k為某個(gè)儲(chǔ)能設(shè)備;φ為儲(chǔ)能設(shè)備的集合。

3.2.2" " 各出力主體功率限制約束

0≤Pinj≤Pinjm（12）

Pdisk（i）×ti≤Emaxk（13）

0≤Pchk（i）≤Bchk（i）Pmaxk（14）

0≤Pdisk（i）≤Bdisk（i）Pmaxk（15）

式（12）為上級(jí)電網(wǎng)注入功率約束，其中Pinjm為上級(jí)電網(wǎng)向綜合智慧能源系統(tǒng)注入最大功率;式（13）為儲(chǔ)能設(shè)備充放總電量約束，其中Emaxk為第k種儲(chǔ)能設(shè)備的儲(chǔ)能額定容量;式（14）（15）為儲(chǔ)能設(shè)備充、放電功率約束，其中Pmaxk為第k種儲(chǔ)能設(shè)備的額定充、放電功率，Bchk（i）、Bdisk（i）為表示儲(chǔ)能充、放電狀態(tài)的變量，在0～1中取值，滿足如下約束：

Bdisk（i）+Bchk（i）≤1（16）

3.2.3" " 多元儲(chǔ)能設(shè)備充放電特性約束

Emaxk=βPmaxk（17）

SOCk（i+1）=SOCk（i）+（18）

SOCmink≤SOCk（i）≤SOCmaxk（19）

SOCk（1）=SOCk（96）（20）

Pdisk（i）=Pdisk（i+1）=…=Pdisk（i+n）（21）

式（17）為儲(chǔ)能額定容量與額定功率之間的能量倍率約束，β為能量倍率系數(shù)，由儲(chǔ)能持續(xù)放電時(shí)長(zhǎng)決定;式（18）為儲(chǔ)能荷電狀態(tài)連續(xù)性約束，其中，SOCk（i）為第k種儲(chǔ)能設(shè)備在第i時(shí)刻的荷電狀態(tài)，ηk為第k種儲(chǔ)能設(shè)備的充放電效率;式（19）為儲(chǔ)能荷電狀態(tài)約束，SOCmaxk、SOCmink分別為第k種儲(chǔ)能設(shè)備的最大、最小荷電狀態(tài);式（20）為儲(chǔ)能荷電狀態(tài)初始化約束，即儲(chǔ)能設(shè)備經(jīng)過(guò)一天的運(yùn)行周期后需要回到初始狀態(tài);式（21）為第k種儲(chǔ)能設(shè)備的響應(yīng)速度約束，多元儲(chǔ)能系統(tǒng)中各類型儲(chǔ)能響應(yīng)時(shí)長(zhǎng)不同，n由各類型儲(chǔ)能響應(yīng)速度決定。

4" " 算例分析

4.1" " 算例描述

以某智慧園區(qū)示范工程為例，選取典型日新能源出力及用電負(fù)荷數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算。該園區(qū)內(nèi)典型日光伏出力Pv、用電負(fù)荷PD數(shù)據(jù)如圖5、圖6所示。

選擇飛輪儲(chǔ)能、鈉硫電池儲(chǔ)能作為多元儲(chǔ)能裝置，兩者技術(shù)經(jīng)濟(jì)特性參數(shù)如表3所示。

4.2" " 結(jié)果分析

通過(guò)將以上數(shù)據(jù)輸入到構(gòu)建的優(yōu)化模型中進(jìn)行計(jì)算，得到零碳智慧園區(qū)的多元儲(chǔ)能配置結(jié)果，典型日內(nèi)儲(chǔ)能設(shè)備充放電情況如圖7所示，剩余電量變化趨勢(shì)如圖8所示，多元儲(chǔ)能配置結(jié)果如表4所示。

通過(guò)對(duì)比電池和飛輪儲(chǔ)能與僅采用電池儲(chǔ)能方案的成本和光伏利用率，得出以下結(jié)論：根據(jù)表5的數(shù)據(jù)，引入飛輪儲(chǔ)能后，光伏的總利用率（實(shí)際發(fā)電量與理論最大發(fā)電量之比）達(dá)到了91.47%，相比單個(gè)電池方案提高了4.31個(gè)百分點(diǎn)，這意味著飛輪儲(chǔ)能技術(shù)能夠更有效地利用光伏發(fā)電產(chǎn)生的電能，提高系統(tǒng)的能源利用率;同時(shí)，通過(guò)對(duì)目標(biāo)函數(shù)所代表的總成本進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，目標(biāo)函數(shù)所代表的總成本（投資建設(shè)的成本與運(yùn)營(yíng)費(fèi)用之和）降低了6.31%。

綜合來(lái)看，多元化儲(chǔ)能配置方法對(duì)園區(qū)型綜合智慧能源系統(tǒng)具有重要意義。通過(guò)對(duì)優(yōu)化配置結(jié)果進(jìn)行分析，得出結(jié)論：多元化儲(chǔ)能配置方法可以大大減少園區(qū)向上級(jí)電網(wǎng)購(gòu)電成本，有效消納園區(qū)光伏發(fā)電量，提高園區(qū)型綜合智慧能源系統(tǒng)的能源利用效率。

5" " 結(jié)論

本文提倡將多元化儲(chǔ)能技術(shù)應(yīng)用在綜合智慧能源系統(tǒng)中，以優(yōu)化多元化儲(chǔ)能配置，并以某個(gè)智慧能源示范園區(qū)為實(shí)例進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)果顯示，總運(yùn)行成本下降了6.31%，園區(qū)內(nèi)光伏利用率提升了4.31個(gè)百分點(diǎn)。

1）本文提出的多元化儲(chǔ)能避免了頻繁地充放電，這樣可以減少能源系統(tǒng)的能量損耗，并提高儲(chǔ)能系統(tǒng)的效率。

2）本文的多元化儲(chǔ)能配置方法在很大程度上減少了園區(qū)向上級(jí)電網(wǎng)購(gòu)電的成本，提高了園區(qū)型綜合智慧能源系統(tǒng)的能源利用效率。

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收稿日期：2023-10-12

作者簡(jiǎn)介：趙萬(wàn)劍（1986—），男，上海人，碩士，工程師，研究方向：配電網(wǎng)規(guī)劃、負(fù)荷預(yù)測(cè)。

姚偉（1989—），男，上海人，工程師，研究方向：發(fā)展規(guī)劃、電力系統(tǒng)調(diào)控運(yùn)行。

陳潔（1989—），男，上海人，碩士，高級(jí)工程師，研究方向：用電檢查、電力企業(yè)管理。