含壓縮空氣儲(chǔ)能的能源互聯(lián)微網(wǎng)型系統(tǒng)優(yōu)化配置

王之龍，于東立，門(mén)向陽(yáng)，曹 軍，方 野

（1.華北電力大學(xué) 新能源電力系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 102206；2.中國(guó)南方電網(wǎng)超高壓輸電公司天生橋局，貴州 興義 562400）

21世紀(jì)以來(lái)，經(jīng)濟(jì)發(fā)展和能源緊缺的矛盾日益凸顯，推動(dòng)了對(duì)風(fēng)光氣電儲(chǔ)微網(wǎng)綜合規(guī)劃設(shè)計(jì)的研究［1］。能源互聯(lián)微網(wǎng)能夠整合源側(cè)多類供能能源和用戶側(cè)冷熱電負(fù)荷綜合需求，實(shí)現(xiàn)一體化運(yùn)行，靈活的選擇并網(wǎng)或孤島模式，是未來(lái)電網(wǎng)的重要發(fā)展形勢(shì)。

能源互聯(lián)微網(wǎng)中儲(chǔ)能可以緩沖分布式能源隨機(jī)和間歇的發(fā)電量［2］，其容量配置是微網(wǎng)經(jīng)濟(jì)安全運(yùn)行的重要因素。而CAES除了具有造價(jià)低、儲(chǔ)能容量大、啟動(dòng)時(shí)間快等特點(diǎn)［3］，其特有的冷熱電三聯(lián)輸出更好的契合了能源互聯(lián)微網(wǎng)中多類型能源的需求，成為微網(wǎng)儲(chǔ)能配置新選擇。文獻(xiàn)［4］利用壓縮氣儲(chǔ)的耦合燃?xì)廨啓C(jī)技術(shù)，增加了新能源的消納，但未考慮對(duì)微網(wǎng)其它設(shè)備容量影響。文獻(xiàn)［5］分析了電動(dòng)汽車有微網(wǎng)調(diào)度中改善峰谷差的作用。

需求側(cè)響應(yīng)可以引導(dǎo)用戶調(diào)整負(fù)荷結(jié)構(gòu)從而影響能源互聯(lián)微網(wǎng)中設(shè)備容量配置，潛在可控居民負(fù)荷約占居民總負(fù)荷的60%［6］。在能源互聯(lián)微網(wǎng)調(diào)度運(yùn)行中已有較多文獻(xiàn)研究需求側(cè)響應(yīng)減小負(fù)荷峰谷差［7］、降低微網(wǎng)運(yùn)行成本、提高分布式能源利用率，但對(duì)儲(chǔ)能容量配置的影響較少涉及。

在上述背景下，本文主要研究綜合CAES和需求側(cè)響應(yīng)的能源互聯(lián)微網(wǎng)型系統(tǒng)容量配置和運(yùn)行費(fèi)用優(yōu)化。首先構(gòu)建含燃?xì)廨啓C(jī)等能量轉(zhuǎn)換設(shè)備，分布式能源，冷熱電三聯(lián)輸出CAES系統(tǒng)和需求側(cè)響應(yīng)的能源互聯(lián)微網(wǎng)模型。以年運(yùn)行費(fèi)用最低為優(yōu)化目標(biāo)，綜合考慮安裝成本、維護(hù)成本、能耗成本、需求側(cè)響應(yīng)成本和售電收益。設(shè)立有無(wú)CAES和需求側(cè)響應(yīng)4種場(chǎng)景，對(duì)比分析CAES和需求側(cè)響應(yīng)對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)等耦合元件容量配置及各類成本影響，以及相關(guān)參數(shù)和V2G對(duì)微網(wǎng)的影響。最后，為能源互聯(lián)微網(wǎng)的容量配置和運(yùn)行優(yōu)化提出合理規(guī)劃方案。

1 能源互聯(lián)微網(wǎng)型系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和數(shù)學(xué)描述

本文構(gòu)建含光伏（photovoltaic,PV）、風(fēng)電（wind turbine,WT）、CAES、燃?xì)廨啓C(jī)（micro turbine,MT）、余熱鍋爐、電制冷機(jī)（electric refrigerator）、吸收式制冷機(jī)（absorption refrigerator）、燃?xì)忮仩t（Gas Boiler）及電熱冷負(fù)荷并網(wǎng)運(yùn)行的能源互聯(lián)微網(wǎng)型系統(tǒng)，如圖1所示。

圖1 含非補(bǔ)燃?jí)嚎s空氣儲(chǔ)能的能源互聯(lián)微網(wǎng)結(jié)構(gòu)

1.1 能源生產(chǎn)轉(zhuǎn)化設(shè)備模型

1.1.1 熱電聯(lián)產(chǎn)模型

微型燃?xì)廨啓C(jī)和余熱鍋爐作為熱電聯(lián)產(chǎn)的重要裝置，是氣電耦合的核心組件。熱電聯(lián)產(chǎn)（CHP）機(jī)組以天然氣管道輸送的天然氣為燃料，生產(chǎn)電能和熱能

1.1.2 光伏電池模型

假設(shè)光伏電池的溫度等于環(huán)境溫度，模型如式（3）所示式中：為第k組光伏電池在t時(shí)段的電功率；為第k組光伏電池在標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件下額定功率；為第k組光伏電池在t時(shí)段光照強(qiáng)度；kT為功率溫度系數(shù)；為第k組光伏電池溫度；Tr為參考溫度；GSTC為標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件下的光照強(qiáng)度。

1.2 儲(chǔ)能裝置模型

1.2.1 CAES模型

非補(bǔ)燃?jí)嚎s空氣儲(chǔ)能消納多余風(fēng)光電、低谷電等為用戶側(cè)負(fù)荷提供冷熱電供應(yīng)，減輕用能高峰期配電網(wǎng)壓力。其冷熱電三聯(lián)模型如下

假設(shè)在Δt時(shí)間內(nèi)充放功率恒定，儲(chǔ)氣室空氣質(zhì)量與額定質(zhì)量的比和高溫儲(chǔ)熱罐熱量模型如下

式中：Ωt-1、Ωt分別為充放電前后儲(chǔ)氣室中儲(chǔ)存空氣的質(zhì)量比；Mcav為儲(chǔ)氣室中額定空氣質(zhì)量；R為通用氣體常數(shù)；Vcav為儲(chǔ)氣室的容積；Tcav為儲(chǔ)氣室的溫度；分別為充放熱前后高溫儲(chǔ)熱罐中的熱量；ηc、ηd分別為儲(chǔ)熱和釋熱效率。

1.2.2 V2G模型

V2G技術(shù)使得電動(dòng)車可與微網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行雙向功率交換，本文將電動(dòng)汽車作為分布式儲(chǔ)能單元參與調(diào)度。對(duì)模型做如下假設(shè)：①總調(diào)度時(shí)間T，共N輛電動(dòng)車，且每輛參數(shù)類型均一致；②電動(dòng)汽車電池為鋰電池且恒功率充放電；③電量低于60%的電動(dòng)車參與調(diào)度，且離開(kāi)時(shí)電量不低于額定容量的80%；④假設(shè)參與的電動(dòng)車可進(jìn)行全天調(diào)度。模型如式（7）所示。

時(shí)刻t車輛k的實(shí)際充放電功率為

1.3 需求側(cè)響應(yīng)模型

可平移負(fù)荷可根據(jù)價(jià)格激勵(lì)引導(dǎo)負(fù)荷從電價(jià)高峰轉(zhuǎn)移到電價(jià)低估時(shí)段，也可根據(jù)分布式能源的波動(dòng)性將峰值負(fù)荷轉(zhuǎn)移到分布式能源高峰出力區(qū)

2 能源互聯(lián)微網(wǎng)型系統(tǒng)容量配置模型

2.1 目標(biāo)函數(shù)

能源互聯(lián)微網(wǎng)系統(tǒng)的優(yōu)化以年運(yùn)行費(fèi)用最低為目標(biāo)，目標(biāo)函數(shù)如下

式中：CIN表示設(shè)備一次性投資成本折算到每年的費(fèi)用支出；Cs表示設(shè)備s的單位容量安裝成本；PNs表示設(shè)備s的安裝容量；r表示基準(zhǔn)折現(xiàn)率；ls表示設(shè)備平均壽命；i=1,2,3分別表示夏季、冬季、過(guò)渡季；COP,i表示i季節(jié)的能耗成本；COM,i表示i季節(jié)的維護(hù)成本；CDR,i表示i季節(jié)的需求側(cè)響應(yīng)成本；CV2G,i表示i季節(jié)的V2G成本；di表示i季節(jié)的典型日天數(shù)；分別為天然氣成本、需求側(cè)響應(yīng)成本和購(gòu)售電成本；μPV、μWT、μMT、μGB、μER、μAR、μCAES、μTES分別為光伏電池、風(fēng)電、微型燃?xì)廨啓C(jī)、燃?xì)忮仩t、電制冷機(jī)、吸收式制冷機(jī)、壓縮機(jī)及透平機(jī)、高溫儲(chǔ)熱罐的維護(hù)成本分別為t時(shí)刻購(gòu)電功率、售電功率、光伏功率、風(fēng)電功率、燃?xì)廨啓C(jī)消耗天然氣功率、燃?xì)忮仩t消耗天然氣功率、電制冷機(jī)消耗電能、吸收式制冷機(jī)電能。

2.2 約束條件

（1）平衡約束

（2）可控機(jī)組約束

（3）CAES/EV約束

CAES和EV應(yīng)滿足容量和充放功率限制，且不能同時(shí)充放電。

式中：Ωmax、Ωmin分別為儲(chǔ)氣室空氣質(zhì)量比的上下限；分別為高溫儲(chǔ)熱罐中熱量上下限；分別為高溫儲(chǔ)熱罐充放熱功率上下限；分別為儲(chǔ)氣室充放電功率上下限；為0-1變量，保證CAES不能同時(shí)充放電；WEVN,k為電動(dòng)車額定容量。

（4）設(shè)備安裝容量約束

式中：PNSmax、PNSmin分別為設(shè)備s安裝容量的上下限；nPVmax、nPVmin分別為光伏電池安裝數(shù)量的上下限。

（5）需求側(cè)響應(yīng)約束

可平移負(fù)荷轉(zhuǎn)出轉(zhuǎn)入量應(yīng)平衡且轉(zhuǎn)移負(fù)荷量和轉(zhuǎn)移時(shí)間間隔滿足限制。

上述能源互聯(lián)微網(wǎng)模型為混合整數(shù)規(guī)劃問(wèn)題，針對(duì)該問(wèn)題，本文在MATLAB中調(diào)用CPLEX進(jìn)行求解。

3 算例分析

3.1 算例設(shè)置

本文以含風(fēng)光儲(chǔ)的能源互聯(lián)微網(wǎng)向某居民聚集區(qū)提供冷熱電負(fù)荷為例［2］。能源互聯(lián)微網(wǎng)中分布式光伏、CAES、能量轉(zhuǎn)換設(shè)備參數(shù)詳見(jiàn)參考文獻(xiàn)［8］—文獻(xiàn)［9］，設(shè)備基準(zhǔn)折算率取5%。系統(tǒng)熱負(fù)荷由燃?xì)廨啓C(jī)和燃?xì)忮仩t提供，冷負(fù)荷由電制冷機(jī)和吸收式制冷機(jī)提供。燃?xì)廨啓C(jī)和燃?xì)忮仩t消耗天然氣，單位天然氣價(jià)格為2.05元/m3，低熱值9.78 kWh/m3。

當(dāng)?shù)胤植际斤L(fēng)電和光照強(qiáng)度如文獻(xiàn)［10］所示，單個(gè)太陽(yáng)能電池模塊容量選取為0.2 kW；需求側(cè)響應(yīng)補(bǔ)償價(jià)格為0.4元/kW；電動(dòng)車初始電量服從N（0.5,0.4）定義域［0.2,0.9］的正態(tài)分布，電池放電的補(bǔ)償價(jià)格為0.4元/kW；電價(jià)采用分時(shí)電價(jià)；為縮短仿真運(yùn)行時(shí)間，選取夏季、冬季和過(guò)渡季的典型日冷熱電負(fù)荷數(shù)據(jù)而不是年負(fù)荷數(shù)據(jù)，各季節(jié)典型日持續(xù)天數(shù)分別為92、90和183天。其余相關(guān)能源互聯(lián)微網(wǎng)參數(shù)見(jiàn)文獻(xiàn)［9］。

3.2 微網(wǎng)設(shè)備優(yōu)化配置

為分析需求側(cè)響應(yīng)和CAES對(duì)能源互聯(lián)微網(wǎng)優(yōu)化配置的影響，建立以下4種場(chǎng)景進(jìn)行對(duì)比分析：場(chǎng)景一為不考慮需求側(cè)響應(yīng)和CAES；場(chǎng)景二為僅考慮需求側(cè)響應(yīng)，忽略CAES；場(chǎng)景三為僅考慮CAES，忽略需求側(cè)響應(yīng)；場(chǎng)景四同時(shí)考慮需求側(cè)響應(yīng)和CAES在系統(tǒng)容量配置中的影響。4種場(chǎng)景下微網(wǎng)中設(shè)備容量配置如表1所示，各類成本如表2所示。

對(duì)比分析4種場(chǎng)景可知，需求側(cè)響應(yīng)和CAES通過(guò)影響微網(wǎng)設(shè)備和光伏的安裝容量進(jìn)而影響微網(wǎng)費(fèi)用。由于CAES降低負(fù)荷峰谷差，且其具有冷熱電三聯(lián)的輸出特性，減小了燃?xì)廨啓C(jī)、燃?xì)忮仩t和吸收式制冷機(jī)的安裝容量，使得安裝成本降低，且在光伏出力高峰區(qū)儲(chǔ)存多余的光伏，增加光伏消納率。需求側(cè)響應(yīng)則將負(fù)荷轉(zhuǎn)移到光伏出力峰值和電價(jià)低谷區(qū)，以提高新能源利用率、降低峰谷差。V2G供電需要支付一定的補(bǔ)償費(fèi)用，但應(yīng)合理設(shè)置補(bǔ)償價(jià)格，增大V2G調(diào)差效益。

3.3 CAES參數(shù)對(duì)微網(wǎng)運(yùn)行成本和容量配置的影響

CAES透平壓力及透平溫度是設(shè)計(jì)CAES的重要參數(shù)。模型中透平溫度的不同，通過(guò)回?zé)崂米酉到y(tǒng)消耗的儲(chǔ)熱罐中熱量不同；透平壓力通過(guò)節(jié)流閥壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)控制，本文重點(diǎn)研究不同運(yùn)行方式優(yōu)化配置，因此忽略壓力調(diào)節(jié)及溫度控制過(guò)程中的損耗。

表1 4種場(chǎng)景下微網(wǎng)中設(shè)備容量配置

表2 4種場(chǎng)景下各類成本 萬(wàn)元

3.3.1 CAES透平壓力對(duì)微網(wǎng)運(yùn)行成本和容量配置的影響

GAES透平壓力與微網(wǎng)設(shè)備容量關(guān)系如圖2所示。在儲(chǔ)氣室空氣質(zhì)量充足的前提下，由圖2可知，透平壓力增加，透平機(jī)的出力增大，壓縮機(jī)的安裝容量逐漸增加，能夠在光伏充足和負(fù)荷低谷時(shí)消耗更多的電能，并在負(fù)荷高峰區(qū)提供電能，削峰填谷，從而降低了燃?xì)廨啓C(jī)的安裝容量。燃?xì)廨啓C(jī)容量降低使得余熱鍋爐回收熱量減少，從而降低余熱鍋爐熱出力，為補(bǔ)足熱負(fù)荷缺額，燃?xì)忮仩t配置容量增大。透平機(jī)配置容量增大，增加了CAES供冷量，一定程度上減小了電制冷的配置容量，使得吸收式制冷機(jī)容量減小。CAES容量的增大使得負(fù)荷缺額減少，從而降低了光伏的安裝數(shù)量。

圖2 透平壓力與微網(wǎng)設(shè)備容量關(guān)系

CAES透平壓力與年運(yùn)行費(fèi)用關(guān)系如圖3所示。由圖3可知安裝成本隨透平壓力增大而增加。CAES安裝成本相對(duì)較高，容量的增加對(duì)安裝成本影響較大。但CAES容量的增加減小了負(fù)荷的峰谷差，從而減少了購(gòu)買的天然氣電能及可平移負(fù)荷的轉(zhuǎn)移量，進(jìn)而減少了能耗成本和需求側(cè)響應(yīng)成本，同時(shí)增加了售電收益，使得系統(tǒng)年運(yùn)行成本降低。

圖3 透平壓力與年運(yùn)行費(fèi)用關(guān)系

3.3.2 CAES透平溫度對(duì)微網(wǎng)運(yùn)行成本和容量配置的影響

GAES透平溫度與微網(wǎng)設(shè)備容量、年運(yùn)行費(fèi)用的關(guān)系分別如圖4和5所示。由圖5可知，年運(yùn)行費(fèi)用隨透平溫度的升高先增大而后降低。結(jié)合圖4可知，在CAES額定出力范圍內(nèi)，透平溫度400 K前,透平溫度升高，透平機(jī)出力增大，配置容量相應(yīng)增大。

圖4 透平溫度與微網(wǎng)設(shè)備容量關(guān)系

圖5 透平溫度與年運(yùn)行費(fèi)用關(guān)系

在透平溫度升高過(guò)程中，透平后的低溫氣體溫度升高，使得透平過(guò)程中產(chǎn)生的冷量減少。為補(bǔ)充冷負(fù)荷缺額，電制冷機(jī)的配置容量增大，儲(chǔ)能容量的增加，減小了負(fù)荷峰谷差，從而減小了燃?xì)廨啓C(jī)的配置容量，余熱鍋爐回收熱量減少，使得燃?xì)忮仩t配置容量增大。

透平溫度在400 K后，透平氣體溫度高于環(huán)境溫度，CAES不在釋放冷量，所以電制冷機(jī)和吸收式制冷機(jī)的配置容量保持不變。由于CAES容量的增大，用戶側(cè)負(fù)荷峰時(shí)提供電能增加而減小了負(fù)荷的轉(zhuǎn)移量，從而降低了需求側(cè)響應(yīng)成本，使得系統(tǒng)年運(yùn)行費(fèi)用降低。

3.4 需求響應(yīng)對(duì)微網(wǎng)運(yùn)行成本和容量配置的影響

需求響應(yīng)與微網(wǎng)設(shè)備容量、年運(yùn)行費(fèi)用關(guān)系分別如圖6和圖7所示。由圖6可知，當(dāng)可平移負(fù)荷在占電負(fù)荷10%以內(nèi)時(shí)對(duì)微網(wǎng)設(shè)備的容量影響較為明顯。

可平移負(fù)荷比例增大，電價(jià)峰時(shí)可平移負(fù)荷增多，可平移負(fù)荷的補(bǔ)償成本相較燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電成本較低，從而減小燃?xì)廨啓C(jī)、余熱鍋爐容量。峰值負(fù)荷的轉(zhuǎn)移減輕了CAES的供電壓力，從而減小了壓縮機(jī)和透平機(jī)的容量。一部分可平移負(fù)荷轉(zhuǎn)移光伏出力峰值區(qū)，增加了光伏的安裝數(shù)量。當(dāng)可平移負(fù)荷大于10%時(shí)，峰值負(fù)荷基本滿足供應(yīng)，微網(wǎng)各設(shè)備容量基本保持不變。由圖7可知，隨著可平移負(fù)荷比例增加，成本減小逐漸變緩。

圖6 需求響應(yīng)與微網(wǎng)設(shè)備容量關(guān)系

圖7 需求響應(yīng)與年運(yùn)行費(fèi)用關(guān)系

3.5 V2G對(duì)微網(wǎng)運(yùn)行成本的影響

V2G技術(shù)使得電動(dòng)車可以參與到微網(wǎng)系統(tǒng)調(diào)度。對(duì)比有無(wú)V2G對(duì)微網(wǎng)系統(tǒng)的各類成本影響如表3所示。

表3 V2G對(duì)各類成本的影響 萬(wàn)元

V2G可以降低微網(wǎng)運(yùn)行的年費(fèi)用，雖然對(duì)V2G放電進(jìn)行補(bǔ)償增加了V2G運(yùn)行成本，但V2G的調(diào)峰作用降低了微網(wǎng)的運(yùn)行成本、維護(hù)成本、需求側(cè)響應(yīng)成本3%，4%和4.8%，從未使得系統(tǒng)運(yùn)行更經(jīng)濟(jì)。

5 結(jié)論

本文建立了含CAES和需求側(cè)響應(yīng)的能源互聯(lián)微網(wǎng)型系統(tǒng)優(yōu)化配置模型并得到相關(guān)結(jié)論如下：

（1）單獨(dú)的CAES和需求側(cè)響應(yīng)都能降低能源互聯(lián)微網(wǎng)年運(yùn)行成本，雖然CAES和需求側(cè)響應(yīng)增加了安裝成本和需求側(cè)響應(yīng)成本，但利用電價(jià)峰谷差調(diào)度負(fù)荷并提高分布式能源消納降低了運(yùn)行成本。

（2）同時(shí)引入CAES和需求側(cè)響應(yīng)，能源互聯(lián)微網(wǎng)年運(yùn)行費(fèi)用更優(yōu)，設(shè)備配置容量更合理。但需求側(cè)響應(yīng)降低成本相較于單獨(dú)考慮需求側(cè)響應(yīng)時(shí)，對(duì)微網(wǎng)年運(yùn)行成本影響削弱，CAES對(duì)用戶側(cè)負(fù)荷的削峰填谷及分布式能源的消納影響了可平移負(fù)荷的轉(zhuǎn)移量，所以應(yīng)該合理制定可平移負(fù)荷補(bǔ)償價(jià)格。

（3）CAES透平壓力和透平溫度直接影響了透平機(jī)出力，進(jìn)而影響透平機(jī)和壓縮機(jī)的安裝容量。在儲(chǔ)氣室空氣質(zhì)量充足前提下，微網(wǎng)年運(yùn)行成本隨透平壓力增加而降低，透平壓力影響CAES出力，從而改變?nèi)細(xì)廨啓C(jī)等設(shè)備配置容量。透平溫度不僅直接影響CAES的電熱出力，還通過(guò)改變透平機(jī)透平輸出溫度影響CAES供冷量，進(jìn)而影響能源互聯(lián)微網(wǎng)中吸收式制冷機(jī)和電制冷機(jī)等設(shè)備容量。因此可根據(jù)不同地區(qū)冷熱電負(fù)荷比例，合理設(shè)定透平壓力和透平溫度?？赊D(zhuǎn)移負(fù)荷比例增大可以降低微網(wǎng)運(yùn)行成本，但隨著比例增大降低效果減小，所以應(yīng)合理設(shè)置用戶可轉(zhuǎn)移負(fù)荷的比例，V2G的投入同樣有利于微網(wǎng)運(yùn)行費(fèi)用的減小。D