基于電力系統(tǒng)能效評(píng)估的蓄能用電技術(shù)節(jié)能評(píng)價(jià)及優(yōu)化

高賜威　羅海明　朱璐璐　劉福潮　韓永軍

(1.江蘇省智能電網(wǎng)技術(shù)與裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(東南大學(xué))　南京　210096 2.國(guó)網(wǎng)淮安供電公司　淮安　223002 3.江蘇省電力公司檢修分公司淮安分部　淮安　223002 4.國(guó)網(wǎng)甘肅省電力公司電力科學(xué)研究院　蘭州　730050)

基于電力系統(tǒng)能效評(píng)估的蓄能用電技術(shù)節(jié)能評(píng)價(jià)及優(yōu)化

高賜威1羅海明2朱璐璐3劉福潮4韓永軍4

(1.江蘇省智能電網(wǎng)技術(shù)與裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(東南大學(xué))南京210096 2.國(guó)網(wǎng)淮安供電公司淮安223002 3.江蘇省電力公司檢修分公司淮安分部淮安223002 4.國(guó)網(wǎng)甘肅省電力公司電力科學(xué)研究院蘭州730050)

摘要蓄能用電技術(shù)的調(diào)峰特性使得其應(yīng)用比較廣泛，但對(duì)于蓄能用電技術(shù)的節(jié)能效果卻少有量化的分析。提出、推導(dǎo)了電力系統(tǒng)能效評(píng)估的節(jié)點(diǎn)煤耗率指標(biāo)，基于交流最優(yōu)潮流進(jìn)行了節(jié)點(diǎn)煤耗率的求解；基于節(jié)點(diǎn)煤耗率理論，提出了蓄能用電技術(shù)節(jié)能評(píng)價(jià)的節(jié)點(diǎn)用電煤耗指標(biāo)，利用該指標(biāo)構(gòu)建并研究了蓄能用電的節(jié)能優(yōu)化控制模型。IEEE14節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)算例分析了節(jié)點(diǎn)煤耗率指標(biāo)的時(shí)間空間特性以及用于電力系統(tǒng)能效評(píng)估的可行性；冰蓄冷系統(tǒng)算例驗(yàn)證了該評(píng)價(jià)方法和控制策略的可行性，蓄能用電節(jié)能優(yōu)化控制可有效降低系統(tǒng)的整體能耗。

關(guān)鍵詞：能效評(píng)估節(jié)點(diǎn)煤耗率節(jié)點(diǎn)用電煤耗蓄能用電節(jié)能評(píng)價(jià)

0引言

蓄能用電技術(shù)是需求側(cè)管理中負(fù)荷管理的重要措施[1]，常見(jiàn)的蓄能用電技術(shù)有空調(diào)蓄冷蓄熱技術(shù)[2]、電熱鍋爐技術(shù)[3]、抽水蓄能技術(shù)[4]、壓縮空氣儲(chǔ)能、飛輪儲(chǔ)能[5]、電池儲(chǔ)能[6]和超級(jí)電容器儲(chǔ)能[7，8]等。

蓄能用電技術(shù)的優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在3個(gè)方面：①增加了低谷時(shí)段用電，提高了電力系統(tǒng)的負(fù)荷率；②負(fù)荷高峰時(shí)段釋能以滿(mǎn)足系統(tǒng)峰時(shí)的用能需求，降低了系統(tǒng)峰時(shí)電力需求；③與間歇性新能源配合，提高間歇性能源的利用率，改善其經(jīng)濟(jì)性。但是，由于蓄能用電比正常用電多了蓄能和蓄能轉(zhuǎn)換為用能的過(guò)程，使得整體的能效下降，抽水蓄能效率一般為65%～75%，壓縮空氣儲(chǔ)能效率約為65%[9]，冰蓄冷中央空調(diào)效率約為63%[10]。因此，有學(xué)者研究了蓄能用電技術(shù)的優(yōu)化控制方法，但主要以考慮成本、電費(fèi)的經(jīng)濟(jì)優(yōu)化控制方法居多[11-13]，幾乎沒(méi)有節(jié)能優(yōu)化控制策略的研究。對(duì)蓄能用電技術(shù)的節(jié)能效果評(píng)價(jià)的研究也多集中于經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)[14-16]，節(jié)能性評(píng)價(jià)研究較少，文獻(xiàn)[17]從電網(wǎng)負(fù)荷率與供電煤耗的關(guān)系分析角度研究了冰蓄冷技術(shù)對(duì)碳排放減少的節(jié)能評(píng)價(jià)。

本文提出了電力系統(tǒng)能效評(píng)估的指標(biāo)，給出了其理論推導(dǎo)和求解過(guò)程?；谠摾碚撗芯苛诵钅苡秒娂夹g(shù)的節(jié)能評(píng)價(jià)方法及節(jié)能控制策略，并進(jìn)行了相應(yīng)的算例分析。

1電力系統(tǒng)整體能效評(píng)估

1.1電力系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)煤耗率指標(biāo)

電力系統(tǒng)的能源利用效率是指電力系統(tǒng)的整體輸出與輸入之間的比值。電力系統(tǒng)主要包括發(fā)、輸配、用3個(gè)環(huán)節(jié)，如圖1所示。一般采用發(fā)電煤耗表示火力發(fā)電單元的能效，供電煤耗表示發(fā)電側(cè)的能效，網(wǎng)損率表示輸配電網(wǎng)的能效，設(shè)備能效、綜合能效指標(biāo)表示用電側(cè)能效水平，但目前未有表征電力系統(tǒng)整體的能效指標(biāo)。因此，有必要提出一個(gè)綜合考慮發(fā)、輸配環(huán)節(jié)的綜合能效指標(biāo)，以表征用電側(cè)不同時(shí)段、不同節(jié)點(diǎn)的用電能效差異。

定義1：節(jié)點(diǎn)煤耗率(nodal coal consumption rate)，電力系統(tǒng)用電側(cè)某節(jié)點(diǎn)i增加消耗每kW·h電能，而其他節(jié)點(diǎn)負(fù)荷保持不變時(shí)，發(fā)電側(cè)以最節(jié)能的手段滿(mǎn)足負(fù)荷增長(zhǎng)所消耗的標(biāo)煤量，用ri表示，單位g/(kW·h)。

根據(jù)節(jié)點(diǎn)煤耗率的定義，圖1中負(fù)荷節(jié)點(diǎn)i(其有功負(fù)荷為PLi)的節(jié)點(diǎn)煤耗率ri為

(1)

式中，f為發(fā)電側(cè)的總煤耗；fs為以交流最優(yōu)潮流為優(yōu)化手段的發(fā)電側(cè)總煤耗；PGk、Fk(PGk)分別為第k臺(tái)機(jī)組的有功出力和煤耗特性；ak、bk、ck為機(jī)組的煤耗特性參數(shù)；NG為發(fā)電機(jī)組數(shù)。

圖1　電力系統(tǒng)組成及其各環(huán)節(jié)能效指標(biāo)Fig.1　Composition and corresponding energy efficiency indexes of power system

1.2電力系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)煤耗率求解

采用交流最優(yōu)潮流模型實(shí)現(xiàn)用電側(cè)負(fù)荷變化時(shí)，發(fā)電側(cè)以最節(jié)能方式滿(mǎn)足負(fù)荷變化需求。交流最優(yōu)潮流模型為

(2)

構(gòu)造該模型的拉格朗日函數(shù)

Γ=

(3)

(4)

可得

ri=λpi

(5)

由此可見(jiàn)，i節(jié)點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)煤耗率ri對(duì)應(yīng)于其最優(yōu)潮流模型有功平衡等式約束的拉格朗日乘子λpi，可通過(guò)最優(yōu)潮流模型求解節(jié)點(diǎn)煤耗率。

2蓄能用電技術(shù)節(jié)能評(píng)價(jià)及優(yōu)化

2.1蓄能用電系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型

蓄能用電系統(tǒng)在負(fù)荷低谷時(shí)段蓄能，在負(fù)荷高峰時(shí)段釋能以滿(mǎn)足負(fù)荷需求，因此負(fù)荷用能可有兩種供能形式，一種為直接從系統(tǒng)獲得電功率供能，另一種為蓄能系統(tǒng)釋能，其系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型為

(6)

式中，Tw為蓄能用電系統(tǒng)滿(mǎn)足負(fù)荷用能需求的工作時(shí)段；Ts為蓄能時(shí)段；P(t)為蓄能用電系統(tǒng)對(duì)電力系統(tǒng)的電能取用功率；Ps(t)為蓄能功率(即將電能轉(zhuǎn)換為蓄能能量的功率)；ηs(t)為蓄能效率；Psm為蓄能功率上限；Pw(t)為直接用電功率，即電能直接轉(zhuǎn)換成目標(biāo)用能(可為非電量，如冷、熱量)的功率；ηw(t)為直接用電效率，即電能到目標(biāo)用能之間的轉(zhuǎn)換效率，若負(fù)荷用能為電能，如抽水蓄能技術(shù)，則ηw=1，若負(fù)荷用能為非電能，如冰蓄冷技術(shù)，則ηw為冰蓄冷設(shè)備制冷工況下的制冷系數(shù)；Pwm為直接用電功率上限；Pc(t)為釋能功率，即蓄能轉(zhuǎn)換成目標(biāo)用能的功率；ηc(t)為釋能效率(綜合考慮保存能量及轉(zhuǎn)換能量時(shí)的損失)；Pcm為釋能功率上限；Pss(t)為蓄能取用功率(即蓄能在被使用時(shí)的實(shí)時(shí)功率)；PD(t)為t時(shí)刻的負(fù)荷用能功率；Qsa為蓄能用電系統(tǒng)在蓄能時(shí)段的總蓄能；Qs0為蓄能前的剩余能量；Qsm為蓄能用電系統(tǒng)的總?cè)萘?；Qsu為蓄能用電系統(tǒng)在用能時(shí)段所使用的總蓄能。

2.2蓄能用電技術(shù)節(jié)能評(píng)價(jià)

考慮少量的蓄能用電系統(tǒng)的負(fù)荷相對(duì)于系統(tǒng)總負(fù)荷而言較小，忽略其系統(tǒng)機(jī)組組合變化的影響。采用1.1節(jié)提出的節(jié)點(diǎn)煤耗率指標(biāo)，進(jìn)行蓄能用電系統(tǒng)的節(jié)能評(píng)價(jià)。

定義2：節(jié)點(diǎn)用電煤耗(nodal accurate coal consumption)，供應(yīng)電力系統(tǒng)用電側(cè)用電設(shè)備使用的電能歸算到發(fā)電側(cè)的煤耗量，用Cc表示，單位t。節(jié)點(diǎn)用電煤耗是用電設(shè)備功率與用電設(shè)備節(jié)點(diǎn)煤耗率的乘積在時(shí)間上的積分，可表示為

Cc=∫rm(t)P(t)dt

(7)

式中，rm(t)為第m節(jié)點(diǎn)第t時(shí)刻的節(jié)點(diǎn)煤耗率；P(t)為用電設(shè)備第t時(shí)刻對(duì)電力系統(tǒng)的電能取用功率。

設(shè)定蓄能用電系統(tǒng)的冷量負(fù)荷在不同運(yùn)行方式下保持不變，蓄能用電系統(tǒng)節(jié)能評(píng)價(jià)具體步驟如下：

1)計(jì)算某典型運(yùn)行周期內(nèi)蓄能用電系統(tǒng)以非蓄能用電方式運(yùn)行時(shí)的總節(jié)點(diǎn)用電煤耗Cc0

(8)

若?t使得Pwm

2)計(jì)算蓄能用電系統(tǒng)以蓄能用電方式運(yùn)行時(shí)的總節(jié)點(diǎn)用電煤耗Cc1，見(jiàn)式(7)。設(shè)蓄能用電系統(tǒng)選型得當(dāng)，能夠滿(mǎn)足負(fù)荷用能需求，即Pwm+Pcm≥PD。

3)計(jì)算蓄能用電系統(tǒng)的節(jié)能率

(9)

當(dāng)α>0時(shí)，說(shuō)明蓄能用電系統(tǒng)是節(jié)能運(yùn)行的，且α的值越大，說(shuō)明該系統(tǒng)越節(jié)能；當(dāng)α≤0時(shí)，說(shuō)明蓄能用電系統(tǒng)是非節(jié)能運(yùn)行的(消耗了額外的能量)。

2.3蓄能用電技術(shù)節(jié)能優(yōu)化控制

常見(jiàn)的蓄能用電技術(shù)控制策略主要有調(diào)峰優(yōu)化控制、儲(chǔ)能控制和經(jīng)濟(jì)優(yōu)化控制3種優(yōu)化控制策略。其中，調(diào)峰優(yōu)化控制和儲(chǔ)能控制兩種方法操作相對(duì)簡(jiǎn)單，分別是以?xún)H滿(mǎn)足高峰負(fù)荷需求及最大化利用儲(chǔ)能資源為目的；經(jīng)濟(jì)優(yōu)化控制的應(yīng)用最多，是以電費(fèi)最少為目標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化。這3種優(yōu)化控制策略在使用時(shí)僅從用電側(cè)考慮，并未從電力系統(tǒng)發(fā)、輸、配、用的全局角度考慮電力系統(tǒng)的整體能耗變化，因此本文根據(jù)蓄能用電系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型從節(jié)能角度，提出了基于電力系統(tǒng)能效評(píng)估的蓄能用電技術(shù)節(jié)能優(yōu)化控制模型為

(10)

該節(jié)能優(yōu)化控制模型的目標(biāo)函數(shù)為節(jié)點(diǎn)用電煤耗最小，約束條件為蓄能用電系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。該模型是一個(gè)非線性規(guī)劃模型，在實(shí)際求解時(shí)可以將連續(xù)的負(fù)荷離散化，將模型轉(zhuǎn)換為線性模型求解。

3算例分析

3.1節(jié)點(diǎn)煤耗率解算

算例采用IEEE14節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)[18]，設(shè)蓄能用電系統(tǒng)位于該網(wǎng)絡(luò)3#節(jié)點(diǎn)進(jìn)行算例分析。該電力系統(tǒng)共有5臺(tái)燃煤發(fā)電機(jī)組，參考文獻(xiàn)[19]設(shè)定機(jī)組煤耗參數(shù)，見(jiàn)表1。

表1　IEEE14節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)燃煤機(jī)組煤耗參數(shù)

注：煤耗特性參數(shù)a、b、c的含義詳見(jiàn)式(1)。

解算3#節(jié)點(diǎn)一天24點(diǎn)節(jié)點(diǎn)煤耗率序列。該系統(tǒng)的區(qū)域總負(fù)荷曲線及節(jié)點(diǎn)煤耗率解算結(jié)果見(jiàn)圖2，3#節(jié)點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)煤耗率變化與系統(tǒng)總負(fù)荷的變化一致。以下各圖中時(shí)段1代表0∶00～1∶00，2代表1∶00～2∶00，以此類(lèi)推。

圖2　3#節(jié)點(diǎn)的24點(diǎn)節(jié)點(diǎn)煤耗率序列Fig.2　24 hours nodal coal consumption rates of bus 3

同時(shí)，對(duì)該系統(tǒng)所有節(jié)點(diǎn)的24點(diǎn)節(jié)點(diǎn)煤耗率進(jìn)行求解，結(jié)果如圖3所示，該系統(tǒng)11時(shí)段(用電高峰時(shí)段)的節(jié)點(diǎn)煤耗率分布如圖4所示，由此可見(jiàn)：

圖3　IEEE14節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)24點(diǎn)節(jié)點(diǎn)煤耗率曲線Fig.3　24 hours nodal coal consumption rates of all buses on IEEE14 bus system

圖4　該系統(tǒng)11時(shí)段的節(jié)點(diǎn)煤耗率分布Fig.4　Nodal coal consumption rate distribution graph of the IEEE 14 system at time interval 11

1)節(jié)點(diǎn)煤耗率具有時(shí)間、空間特性，在時(shí)間上與系統(tǒng)的總負(fù)荷變化趨勢(shì)基本保持一致，在空間上與節(jié)點(diǎn)所處位置相關(guān)，離電源越遠(yuǎn)節(jié)煤耗率越高，反映了電網(wǎng)的線損。

2)節(jié)點(diǎn)煤耗率的差異較大，在時(shí)間尺度上，最高負(fù)荷和最低負(fù)荷時(shí)相差86 g/(kW·h)，在空間尺度上，不同節(jié)點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)煤耗率差別也非常顯著，最大達(dá)69 g/(kW·h)，可見(jiàn)系統(tǒng)在運(yùn)行中可以?xún)?yōu)化用電的空間較大。

3.2蓄能用電節(jié)能效果評(píng)價(jià)

系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)及發(fā)電機(jī)參數(shù)與3.1節(jié)算例相同，蓄能系統(tǒng)采用文獻(xiàn)[11]中的某地區(qū)某建筑的冰蓄冷系統(tǒng)，其基本信息見(jiàn)表2；該建筑冷負(fù)荷的需求時(shí)段為07∶00～20∶00，該冰蓄冷系統(tǒng)某日的運(yùn)行方案如圖5所示。由于需要對(duì)蓄能用電系統(tǒng)的節(jié)能優(yōu)化運(yùn)行和經(jīng)濟(jì)優(yōu)化運(yùn)行進(jìn)行對(duì)比分析，需要用到該地區(qū)的商業(yè)用電電價(jià)(峰1.193 3元/(kW·h)，平0.752 5元/(kW·h)，谷0.336 9元/(kW·h))。

圖5　該建筑某日的冷負(fù)荷需求及冰蓄冷系統(tǒng)運(yùn)行方案Fig.5　Cooling load demand and operation plan of the ice-storage system on someday

額定電功率/kW制冷工況制冷系數(shù)制冰工況制冷系數(shù)蓄冰容量/(kW·h)保溫+融冰損失(%)10325.3923.667399737.6

對(duì)圖5的運(yùn)行方案進(jìn)行節(jié)能評(píng)價(jià)。根據(jù)表2可知，用能效率ηw為常數(shù)5.392，可得Pwm=5 564.5 kW即制冷系數(shù)與電功率的乘積；根據(jù)圖5的冷負(fù)荷需求可知日最大冷負(fù)荷需求PLmax=3 394 kW。因PLmax

表3　冰蓄冷系統(tǒng)運(yùn)行方案分析結(jié)果

由表3可知，非蓄能運(yùn)行方案的耗電量及煤耗量最少但電費(fèi)較多；當(dāng)蓄能效率ηs為3.667時(shí)，該蓄能運(yùn)行方案的節(jié)能率為負(fù)值，是不節(jié)能的，但電費(fèi)較少，從6 888.4元降低到4 102.7元。

造成以上結(jié)果的原因有3點(diǎn)：①該冰蓄冷系統(tǒng)制冰時(shí)的制冷系數(shù)比制冷時(shí)小32%，且會(huì)有額外的保溫和融冰損耗約7.6%，導(dǎo)致了冰蓄冷系統(tǒng)的運(yùn)行電耗和煤耗增加；②峰谷電價(jià)的峰谷比較大，是造成冰蓄冷系統(tǒng)蓄能運(yùn)行方案電費(fèi)較低的直接原因；③蓄能用電系統(tǒng)的重要特性是降負(fù)荷，減少高峰用電壓力，減少發(fā)電機(jī)的備用以及供電線路的容量建設(shè)，這個(gè)特性并未在本算例中彰顯出來(lái)。

為了研究冰蓄冷空調(diào)效率對(duì)其蓄能運(yùn)行節(jié)能評(píng)價(jià)結(jié)果的影響，本文假設(shè)將該系統(tǒng)蓄能效率從ηs1=3.667提升到ηs2=5.150，以同樣的運(yùn)行方式滿(mǎn)足冷負(fù)荷需求，其運(yùn)行分析結(jié)果見(jiàn)表3，由表可見(jiàn)設(shè)備能效提高后，運(yùn)行方案的耗電量、節(jié)點(diǎn)用電煤耗及電費(fèi)均降低，且節(jié)能率變?yōu)檎担\(yùn)行方案由不節(jié)能狀態(tài)變?yōu)楣?jié)能狀態(tài)；該情況下，考慮蓄能的設(shè)備運(yùn)行用電量7 855.6 kW·h高于不考慮蓄能時(shí)的6 943.8 kW·h，但一天的節(jié)點(diǎn)煤耗值為2.263 t，低于不考慮蓄能時(shí)的2.336 t，說(shuō)明蓄能系統(tǒng)效率提升之后，蓄能用電雖然增加了電能的消耗，但減少了煤耗，因此既是經(jīng)濟(jì)的，亦是節(jié)能的。

為了說(shuō)明蓄能用電系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)特性?xún)?yōu)勢(shì)，對(duì)蓄能用電所帶來(lái)的線路及發(fā)電容量建設(shè)成本的降低做簡(jiǎn)單分析。發(fā)電機(jī)裝機(jī)容量成本(按火力發(fā)電計(jì))設(shè)計(jì)為5 000 元/kW，輸電線路建設(shè)容量成本設(shè)為3 129元/kW，煤價(jià)設(shè)為550 元/t，蓄能用電系統(tǒng)初始投資增加設(shè)為700 元/kW，壽期維護(hù)成本增加為300 元/kW(折算至初期成本)，采用文獻(xiàn)[20]中節(jié)約電力電量及可避免成本的理論進(jìn)行分析。

首先，通過(guò)節(jié)約電力分配因子計(jì)算運(yùn)行方案平均到每天的日節(jié)約電力PSA為

(11)

式中，ΔP(t)為t時(shí)段蓄能運(yùn)行方案與非蓄能運(yùn)行方案向電力系統(tǒng)的電能取用功率的差額；τt為該時(shí)段的節(jié)約電力分配因子，分配因子計(jì)算詳見(jiàn)文獻(xiàn)[20]，假定蓄能用電系統(tǒng)由于季節(jié)和溫度因素，每年只運(yùn)行半年時(shí)間考慮；ND為平均網(wǎng)絡(luò)損耗率，設(shè)為0.05。

然后，進(jìn)行運(yùn)行方案經(jīng)濟(jì)性分析，分析其蓄能運(yùn)行方案對(duì)比非蓄能運(yùn)行方案的成本減少量，即經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)B為

(12)

式中，CG為發(fā)電機(jī)裝機(jī)容量成本；CTD為輸電線路建設(shè)容量成本；ΔCC為蓄能運(yùn)行方案對(duì)比非蓄能運(yùn)行方案的節(jié)點(diǎn)用電煤耗增加量；CCOAL為市場(chǎng)煤價(jià)；PN為蓄能系統(tǒng)額定電功率；ΔCI為蓄能用電系統(tǒng)對(duì)比常規(guī)系統(tǒng)單位容量投資增量；ΔCM為蓄能用電系統(tǒng)對(duì)比常規(guī)系統(tǒng)的維護(hù)費(fèi)增量折算至初期成本的值。

最后，經(jīng)濟(jì)性分析結(jié)果見(jiàn)表3。該算例中，在正常的蓄能效率ηs1下，相對(duì)于非蓄能運(yùn)行，蓄能運(yùn)行時(shí)整個(gè)電力系統(tǒng)的建設(shè)和運(yùn)行成本減少1 499元，經(jīng)濟(jì)性較好。可見(jiàn)，雖然正常情況蓄能用電因?yàn)檗D(zhuǎn)換效率問(wèn)題而并非節(jié)能，但考慮到其調(diào)峰特性，計(jì)及相應(yīng)節(jié)約的裝機(jī)容量、輸配電容量的成本，蓄能用電不僅從用戶(hù)側(cè)角度是經(jīng)濟(jì)的(節(jié)約了用戶(hù)的電費(fèi))，且從電力系統(tǒng)整體角度評(píng)估亦是經(jīng)濟(jì)的。

3.3蓄能用電節(jié)能優(yōu)化控制

算例采用3.1節(jié)的IEEE14節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)及冰蓄冷系統(tǒng)算例數(shù)據(jù)，根據(jù)蓄能系統(tǒng)參數(shù)：ηw為5.392，ηs1、ηs2分別為3.667及5.150，ηc為0.924(保溫及融冰損失7.6%)，根據(jù)式(10)可知蓄能用電節(jié)能優(yōu)化控制模型為

(13)

對(duì)該模型在兩種不同制冰工況制冷系數(shù)(ηs1，ηs2)下進(jìn)行節(jié)能優(yōu)化及經(jīng)濟(jì)優(yōu)化求解，結(jié)果見(jiàn)表4，詳細(xì)的節(jié)能優(yōu)化和經(jīng)濟(jì)優(yōu)化控制如圖6(ηs1下的冰蓄冷系統(tǒng)節(jié)能優(yōu)化控制結(jié)果見(jiàn)圖5)、圖7所示。

表4　冰蓄冷系統(tǒng)節(jié)能優(yōu)化及經(jīng)濟(jì)優(yōu)化結(jié)果對(duì)照

圖6　ηs1下冰蓄冷系統(tǒng)節(jié)能優(yōu)化控制結(jié)果Fig.6　Energy-saving and economic optimizing control of the ice-storage system with ηs1

由表4、圖6及圖7可見(jiàn)：①節(jié)能優(yōu)化可以實(shí)現(xiàn)該系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)用電煤耗的最低，而經(jīng)濟(jì)優(yōu)化實(shí)現(xiàn)了其電費(fèi)的最低，前者以煤耗為標(biāo)尺，實(shí)際上僅考慮了可變成本的最小化，后者以分時(shí)電價(jià)為基礎(chǔ)，分時(shí)電價(jià)實(shí)際上納入了通過(guò)調(diào)節(jié)負(fù)荷峰谷，降低供電容量投資的考慮；②從節(jié)能優(yōu)化角度看，由于冰蓄冷系統(tǒng)的效率問(wèn)題，系統(tǒng)參數(shù)為ηs1時(shí)蓄能運(yùn)行不節(jié)能，故節(jié)能優(yōu)化結(jié)果為非蓄能運(yùn)行，當(dāng)系統(tǒng)參數(shù)變?yōu)棣莝2，效率提高時(shí)，優(yōu)化結(jié)果為蓄能運(yùn)行；③從經(jīng)濟(jì)優(yōu)化角度看，為了節(jié)約電費(fèi)，冰蓄冷系統(tǒng)均采用了低谷時(shí)段滿(mǎn)負(fù)荷蓄冰的運(yùn)行方式；由于轉(zhuǎn)換效率原因，在ηs1時(shí)系統(tǒng)蓄冰量為30 275 kW，并未蓄滿(mǎn)，而在ηs2時(shí)則達(dá)到了蓄冰容量上限39 973 kW。

圖7　ηs2下冰蓄冷系統(tǒng)節(jié)能優(yōu)化及經(jīng)濟(jì)優(yōu)化控制結(jié)果Fig.7　Energy-saving and economic optimizing control of the ice-storage system with ηs2

為了更好地說(shuō)明冰蓄冷系統(tǒng)蓄能效率對(duì)于系統(tǒng)節(jié)能率的影響，同時(shí)指導(dǎo)蓄能用電資源在節(jié)點(diǎn)間的優(yōu)化配置，對(duì)該系統(tǒng)在IEEE14系統(tǒng)所有節(jié)點(diǎn)進(jìn)行蓄能效率(制冰工況制冷系數(shù))ηs變化時(shí)的節(jié)能率變化分析，結(jié)果如圖8所示。當(dāng)蓄能效率ηs為4.917時(shí)該蓄能設(shè)備在各節(jié)點(diǎn)處的節(jié)能率分布見(jiàn)圖9(圖中節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)依次為非蓄能時(shí)的節(jié)點(diǎn)用電煤耗、節(jié)能優(yōu)化運(yùn)行時(shí)的節(jié)點(diǎn)用電煤耗、節(jié)能率)，詳細(xì)評(píng)價(jià)結(jié)果見(jiàn)附表1。

圖8　節(jié)能率隨ηs的變化趨勢(shì)Fig.8　Variation trend of energy-saving rate with ηschanging

圖9　蓄能效率ηs為4.917時(shí)該蓄能設(shè)備在各節(jié)點(diǎn)處的節(jié)能率分布Fig.9　Energy-saving rate distribution graph of the ice-storagesystem with ηs=4.917

由圖8可見(jiàn)：①隨著蓄能效率的提高，蓄能用電的節(jié)能效果逐漸彰顯；②當(dāng)蓄能效率達(dá)到4.5左右時(shí)，在14#節(jié)點(diǎn)該冰蓄冷系統(tǒng)從非節(jié)能狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣?jié)能狀態(tài)，說(shuō)明在IEEE14節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)中，ηs至少高于4.5的冰蓄冷系統(tǒng)是經(jīng)濟(jì)節(jié)能的，是政府應(yīng)該鼓勵(lì)使用的；③冰蓄冷系統(tǒng)在不同節(jié)點(diǎn)運(yùn)行時(shí)，蓄能運(yùn)行狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣?jié)能狀態(tài)(節(jié)能率從負(fù)值轉(zhuǎn)變?yōu)檎?時(shí)對(duì)蓄能效率要求不盡相同，節(jié)點(diǎn)之間存在明顯差異。

由圖9及附表1可見(jiàn)，在同一蓄能效率(4.917)下：①該冰蓄冷系統(tǒng)在不同節(jié)點(diǎn)上運(yùn)行時(shí)的節(jié)能率有差異，離電源越遠(yuǎn)的節(jié)點(diǎn)在同種情況下節(jié)能率越高，節(jié)點(diǎn)之間節(jié)能率的差異最大為3%(節(jié)點(diǎn)14對(duì)比節(jié)點(diǎn)1)；②該冰蓄冷系統(tǒng)在離電源越遠(yuǎn)的節(jié)點(diǎn)上，其運(yùn)行時(shí)的電費(fèi)越低，差異最大為50.7%(節(jié)點(diǎn)14對(duì)比節(jié)點(diǎn)1)，主要是由于在遠(yuǎn)電源節(jié)點(diǎn)運(yùn)行時(shí)冰蓄冷系統(tǒng)蓄冰量大大增加的緣故；③該冰蓄冷系統(tǒng)在離電源越遠(yuǎn)的節(jié)點(diǎn)上，其運(yùn)行時(shí)的節(jié)點(diǎn)用電煤耗量越大，差異最大為16.5%(節(jié)點(diǎn)14對(duì)比節(jié)點(diǎn)1)，主要是由于遠(yuǎn)電源節(jié)點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)煤耗率較高的緣故。以上說(shuō)明：①對(duì)于常規(guī)用電到蓄能用電的改造工程，應(yīng)優(yōu)先考慮投資在遠(yuǎn)電源節(jié)點(diǎn)，這樣不僅可以較高地提升系統(tǒng)效率，還為用戶(hù)節(jié)省了大量的電費(fèi)支出；②對(duì)于蓄能用電的規(guī)劃尤其是蓄能電站的規(guī)劃，應(yīng)優(yōu)先考慮投資在近電源節(jié)點(diǎn)，這樣可以有效減少蓄能用電的節(jié)點(diǎn)用電煤耗，提升系統(tǒng)效率。

由此可見(jiàn)，本文的節(jié)能優(yōu)化控制理論不僅可以實(shí)現(xiàn)冰蓄冷系統(tǒng)的節(jié)能優(yōu)化控制，還可以作為節(jié)能技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析和蓄能用電系統(tǒng)技術(shù)要求及投資指導(dǎo)，分時(shí)電價(jià)制定等相關(guān)政策制定的理論依據(jù)和參考。

4結(jié)論

本文提出了電力系統(tǒng)能效評(píng)估的節(jié)點(diǎn)煤耗率指標(biāo)，給出了其定義、理論推導(dǎo)及求解過(guò)程；并以此為基礎(chǔ)，提出了實(shí)現(xiàn)蓄能用電技術(shù)節(jié)能評(píng)價(jià)的節(jié)點(diǎn)用電煤耗指標(biāo)，研究了其節(jié)能評(píng)價(jià)方法、優(yōu)化控制模型，結(jié)合冰蓄冷系統(tǒng)的具體算例說(shuō)明了該理論的可行性和有效性。算例結(jié)果表明：①節(jié)點(diǎn)煤耗率指標(biāo)可以有效地表征電力系統(tǒng)的能效，節(jié)點(diǎn)用電煤耗指標(biāo)可以實(shí)現(xiàn)蓄能用電系統(tǒng)的節(jié)能評(píng)價(jià)；②蓄能用電技術(shù)的節(jié)能優(yōu)化模型可以有效地從電力系統(tǒng)整體角度減少蓄能用電系統(tǒng)的煤耗；③蓄能用電均會(huì)導(dǎo)致電能消耗的增加，但是蓄能期間用電煤耗率較低，因此總體煤耗有可能減少，仍有可能是節(jié)能的，這取決于蓄能釋能過(guò)程的能量損失和蓄能過(guò)程中的用電煤耗降低程度；④蓄能用電技術(shù)從用戶(hù)和系統(tǒng)角度分析均是經(jīng)濟(jì)的，但可能是不節(jié)能的，其轉(zhuǎn)換效率是其節(jié)能運(yùn)行的主要矛盾。雖然在峰谷電價(jià)的激勵(lì)下，蓄能用電可以節(jié)約電費(fèi)，但如果蓄能用電效率不提高，對(duì)于電力系統(tǒng)整體而言可能會(huì)產(chǎn)生額外煤耗；⑤蓄能用電的節(jié)能效益存在時(shí)間和空間上的差別，一般系統(tǒng)資源投資在遠(yuǎn)電源節(jié)點(diǎn)的節(jié)能效果較好。

研究蓄能用電技術(shù)的節(jié)能評(píng)價(jià)及節(jié)能控制是更好地普及應(yīng)用蓄能用電系統(tǒng)的前提，可以為政府部門(mén)節(jié)能減排的決策提供有益的建議。

附錄

附表1　蓄能效率ηs為4.917時(shí)該蓄能設(shè)備在各節(jié)點(diǎn)處的節(jié)能優(yōu)化及評(píng)價(jià)結(jié)果

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The Energy-Saving Assessment and Optimization of Energy Storage and Electricity Utilization Technology Based on the Energy Efficiency Evaluation of Power System

Gao Ciwei1Luo Haiming2Zhu Lulu3Liu Fuchao4Han Yongjun4

(1.Jiangsu Provincial Key Laboratory of Smart Grid Technology &Equipment Southeast UniversityNanjing210096China 2.State Grid Huaian Power Supply CompanyHuaian223002China 3.Jiangsu Electric Power Maintenance Branch Company Huaian DivisionHuaian223002China 4.Electrical Power Research Institute of State Grid Gansu Power CompanyLanzhou730050China)

AbstractElectrical energy-storage technology has been widely used due to its peak shaving function,but there has not been much quantitative analysis on its energy-saving effect.A nodal coal consumption rate index is proposed and derived to evaluate the power system energy efficiency,and an optimal power flow method is then used to calculate the index.Based on this theory,a nodal coal consumption for electricity utilization index is introduced and applied in the assessment of electrical energy-storage techniques’energy-saving effect,and a energy saving optimization for energy storage and electricity utilization is further studied.The simulation on the IEEE14-bus system reveals the time and space characteristicsof the nodal coal consumption rate index,andindicatesits feasibility in the power system energy efficiency evaluation.The example analysis of the ice-storage system verifies the feasibility of the energy-saving evaluating method and the corresponding optimal control model of electrical energy-storage techniques.The effectiveness of the optimal control model in reducing the power system energy consumption is also confirmed.

Keywords：Energy efficiency evaluation，nodal coal cosumption rate，nodal coal consumption for electricity utilization，energy storage and electricity utilization，energy-saving assessment

收稿日期2015-04-20改稿日期2015-07-19

作者簡(jiǎn)介E-mail：ciwei.gao@seu.edu.cn(通信作者) E-mail：luohaiming8@126.com

中圖分類(lèi)號(hào)：TM73

國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展(863)計(jì)劃(2015AA050401)、國(guó)家自然科學(xué)基金(51577029)、江蘇省青藍(lán)工程和國(guó)家電網(wǎng)公司科技項(xiàng)目資助。

高賜威男，1977年生，博士，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)殡娏π枨髠?cè)管理、電動(dòng)汽車(chē)接入電網(wǎng)、電力規(guī)劃和電力市場(chǎng)等。

羅海明男，1987年生，碩士，研究方向?yàn)殡娏π枨髠?cè)管理和能效管理。