考慮電氣混合儲(chǔ)能的區(qū)域能源系統(tǒng)調(diào)度方法研究

劉 超，陳思宇，孟冰冰，胡林獻(xiàn)

（1.哈爾濱工業(yè)大學(xué)電氣工程及自動(dòng)化學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150001；2.國(guó)網(wǎng)山東省電力公司聊城供電公司，山東 聊城 252000）

能源是人類生存和發(fā)展的基礎(chǔ)，如何充分利用可再生能源，提高綜合能源利用效率，實(shí)現(xiàn)多能源之間的協(xié)調(diào)互補(bǔ)，是區(qū)域能源系統(tǒng)的研究熱點(diǎn)[1-2]。通過(guò)對(duì)區(qū)域能源系統(tǒng)各環(huán)節(jié)的協(xié)調(diào)優(yōu)化和控制，構(gòu)建包含可再生能源和電熱氣聯(lián)供的區(qū)域能源系統(tǒng)，是人類能源領(lǐng)域變革的必經(jīng)之路。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)區(qū)域能源系統(tǒng)已有一定研究。文獻(xiàn)[3]介紹了區(qū)域能源系統(tǒng)的通用建模理論與效益評(píng)估方法，探討了區(qū)域能源系統(tǒng)在中國(guó)的發(fā)展前景。文獻(xiàn)[4]以區(qū)域能源系統(tǒng)為研究對(duì)象，構(gòu)建了考慮建筑容積率影響的需求側(cè)負(fù)荷模型，仿真結(jié)果表明提高建筑容積率可以有效提升區(qū)域能源系統(tǒng)的節(jié)能效果。文獻(xiàn)[5]對(duì)燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)機(jī)組的工作原理和工藝流程進(jìn)行了詳細(xì)分析，建立了以燃?xì)鈾C(jī)組為基礎(chǔ)的區(qū)域能源系統(tǒng)模型，分析了熱負(fù)荷與冷負(fù)荷對(duì)系統(tǒng)總?cè)剂铣杀九c棄風(fēng)率的影響。上述文獻(xiàn)并未研究?jī)?chǔ)能對(duì)區(qū)域能源系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度的影響。

儲(chǔ)能作為區(qū)域綜合能源系統(tǒng)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，對(duì)提高能源利用率、消納可再生能源、保障系統(tǒng)安全可靠運(yùn)行具有重要意義。儲(chǔ)能和能源轉(zhuǎn)化設(shè)備共同構(gòu)建了區(qū)域能源系統(tǒng)的耦合關(guān)系，各能源子系統(tǒng)的融合依賴于儲(chǔ)能技術(shù)，如電力與熱力系統(tǒng)的融合依賴電儲(chǔ)能和儲(chǔ)熱技術(shù)[6]，而電力與天然氣系統(tǒng)的融合則需儲(chǔ)氣與電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)的支持?？梢?jiàn)，儲(chǔ)能是多種能源子系統(tǒng)聯(lián)系的紐帶，也是區(qū)域能源系統(tǒng)的“心臟”[7]。儲(chǔ)能技術(shù)能實(shí)現(xiàn)電能與其他能源之間的單向轉(zhuǎn)化和存儲(chǔ)，以及電能之間的雙向轉(zhuǎn)化[8]，最終使多種能源在時(shí)間和空間上完全解耦，有效實(shí)現(xiàn)能源互聯(lián)。

利用儲(chǔ)能裝置促進(jìn)可再生能源消納主要分2 個(gè)方面：1）利用儲(chǔ)熱、電轉(zhuǎn)氣（P2G）等單向大規(guī)模儲(chǔ)能技術(shù)為可再生能源提供其他能源形式的轉(zhuǎn)移途徑；2）通過(guò)配置電化學(xué)儲(chǔ)能裝置，促進(jìn)電能的雙向轉(zhuǎn)化，進(jìn)而提高電網(wǎng)調(diào)峰能力，促進(jìn)可再生能源消納。文獻(xiàn)[9]通過(guò)在熱電機(jī)組側(cè)配置儲(chǔ)熱裝置，解耦其“以熱定電”約束，提高了熱電機(jī)組調(diào)峰能力。文獻(xiàn)[10]研究了蓄熱式電鍋爐的電-熱時(shí)移特性，計(jì)及風(fēng)電棄風(fēng)特性與負(fù)荷相關(guān)性，提出了基于蓄熱電鍋爐和蓄熱電鍋爐融合熱電聯(lián)產(chǎn)的2 種組合方案，結(jié)果表明2 種方案均可提高系統(tǒng)棄風(fēng)消納效果。文獻(xiàn)[11]考慮風(fēng)電不確定性，提出了一種含電儲(chǔ)能的風(fēng)電跨區(qū)域優(yōu)化調(diào)度方案。文獻(xiàn)[12]研究了具有P2G 功能的區(qū)域能源系統(tǒng)消納棄風(fēng)效果，并對(duì)比了電鍋爐的消納情況。這些研究大多關(guān)注單一儲(chǔ)能裝置的消納棄風(fēng)效果，極少涉及混合儲(chǔ)能裝置。文獻(xiàn)[13]提出了一種風(fēng)電-電儲(chǔ)能-蓄熱式電鍋爐的聯(lián)合系統(tǒng)，對(duì)比分析了傳統(tǒng)熱電聯(lián)產(chǎn)、單獨(dú)配置蓄熱式電鍋爐和蓄熱式電鍋爐結(jié)合電儲(chǔ)能3 種場(chǎng)景下的風(fēng)電消納效果，但未考慮儲(chǔ)電與儲(chǔ)熱之間的相互協(xié)調(diào)作用。

本文首先研究?jī)?chǔ)氣與儲(chǔ)電的協(xié)調(diào)運(yùn)行策略，建立電氣混合儲(chǔ)能系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型；然后分析其消納棄風(fēng)原理，并在協(xié)調(diào)運(yùn)行策略基礎(chǔ)上，建立了包括電氣混合儲(chǔ)能的區(qū)域能源系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度模型；最后通過(guò)算例對(duì)比分析不考慮儲(chǔ)能裝置、考慮P2G 和儲(chǔ)氣裝置、電-氣混合儲(chǔ)能常規(guī)運(yùn)行和電氣混合儲(chǔ)能協(xié)調(diào)運(yùn)行4 種場(chǎng)景，驗(yàn)證電氣協(xié)調(diào)運(yùn)行策略可優(yōu)化電/氣儲(chǔ)能設(shè)備出力，有利于風(fēng)電消納和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

1 區(qū)域能源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

區(qū)域能源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1 所示，其由供能網(wǎng)絡(luò)、能源轉(zhuǎn)換設(shè)備、儲(chǔ)能設(shè)備和用戶側(cè)構(gòu)成。源側(cè)包括燃?xì)鈾C(jī)組、火電機(jī)組以及風(fēng)電機(jī)組，擔(dān)負(fù)系統(tǒng)供能任務(wù)；荷側(cè)包括電、熱、氣3 種負(fù)荷；儲(chǔ)能裝置主要包括電儲(chǔ)能和氣儲(chǔ)能。區(qū)域能源系統(tǒng)涵蓋電、熱、氣等多種能源，由于不同能量轉(zhuǎn)換裝置與儲(chǔ)能設(shè)備的工作原理、運(yùn)行規(guī)律和經(jīng)濟(jì)性存在較大差異，因此，需要研究不同能量轉(zhuǎn)換、儲(chǔ)能環(huán)節(jié)之間的協(xié)調(diào)優(yōu)化策略，以促進(jìn)可再生能源消納、提高系統(tǒng)能源利用率。

2 電氣混合儲(chǔ)能運(yùn)行策略及模型

2.1 P2G 模型

P2G 設(shè)備消耗的電功率表達(dá)式為

式中：PP2G為電轉(zhuǎn)氣設(shè)備消耗功率；Pz為直供氣部分消耗功率；Pc為儲(chǔ)氣部分消耗功率；f為棄風(fēng)標(biāo)志，f為0 表示無(wú)棄風(fēng)，f為1 表示有棄風(fēng)。

P2G 設(shè)備的供氣量可表示為：

式中：VP2G為電轉(zhuǎn)氣設(shè)備的供氣流量；Vz為P2G 設(shè)備直接供氣流量；Vc為儲(chǔ)氣罐儲(chǔ)氣流量設(shè)備轉(zhuǎn)化效率，目前可達(dá)60%~70%；HG為天然氣熱值，標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下為0.015 5 (MW·h)/m3。

2.2 儲(chǔ)氣裝置模型

儲(chǔ)氣容量數(shù)學(xué)模型為

式中：下標(biāo)t表示第t個(gè)時(shí)段；Et為儲(chǔ)氣罐t時(shí)段的儲(chǔ)氣量；Vf,t為儲(chǔ)氣罐t時(shí)段的放氣流量；Vc,t為儲(chǔ)氣罐t時(shí)段儲(chǔ)氣流量。

2.3 電儲(chǔ)能裝置模型

電儲(chǔ)能系統(tǒng)可靈活出力，能夠?qū)﹄娔苓M(jìn)行合理轉(zhuǎn)移，實(shí)現(xiàn)電能在時(shí)間上的解耦。本文選用目前應(yīng)用于大規(guī)模電力系統(tǒng)的鋰電池，其荷電量與充放電功率的關(guān)系為

式中：SSOC,t為t時(shí)刻儲(chǔ)能電量荷電狀態(tài)；SSOC,0為儲(chǔ)能初始時(shí)刻荷電狀態(tài)；為電池儲(chǔ)能充放電效率；Eb為電池儲(chǔ)能最大容量；F1為充電標(biāo)志；F2為放電標(biāo)志。

2.4 電氣混合儲(chǔ)能協(xié)調(diào)運(yùn)行策略

由于電氣混合儲(chǔ)能設(shè)備的運(yùn)行存在經(jīng)濟(jì)性差異，因此，應(yīng)該研究電氣混合儲(chǔ)能協(xié)調(diào)運(yùn)行策略，優(yōu)先啟動(dòng)經(jīng)濟(jì)性能好的儲(chǔ)能設(shè)備。儲(chǔ)電效率較高，而儲(chǔ)氣需先電制氣再儲(chǔ)氣，效率低于儲(chǔ)電，故發(fā)生棄風(fēng)時(shí)，先儲(chǔ)電，若不能完全消納棄風(fēng)，再考慮儲(chǔ)氣。

在夜間，風(fēng)電出力較大，而電負(fù)荷較小，風(fēng)電的反調(diào)峰特性引起棄風(fēng)，此時(shí)優(yōu)先啟動(dòng)電儲(chǔ)能設(shè)備以低電價(jià)儲(chǔ)電，通過(guò)增加電負(fù)荷的谷值來(lái)消納棄風(fēng)；若電儲(chǔ)能設(shè)備無(wú)法消納全部棄風(fēng)，則啟動(dòng)P2G裝置將多余風(fēng)電轉(zhuǎn)化為天然氣，滿足氣負(fù)荷需求，剩余部分將存于儲(chǔ)氣罐中，進(jìn)一步提高風(fēng)電消納率。而在電負(fù)荷高峰、風(fēng)電低發(fā)時(shí)段，電儲(chǔ)能設(shè)備放出電能，削弱電負(fù)荷峰值，并利用峰谷電價(jià)差盈利；同時(shí)P2G 停止制氣，儲(chǔ)氣罐放氣供氣負(fù)荷使用。

為定量表達(dá)上述電氣混儲(chǔ)裝置協(xié)調(diào)運(yùn)行策略，在P2G 設(shè)備啟動(dòng)之前，先依據(jù)區(qū)域能源系統(tǒng)的全網(wǎng)電負(fù)荷、風(fēng)電預(yù)測(cè)功率、機(jī)組強(qiáng)迫出力和電儲(chǔ)能充放電功率來(lái)判斷是否存在棄風(fēng)，然后再根據(jù)有無(wú)棄風(fēng)現(xiàn)象來(lái)決定P2G 設(shè)備的啟停。判斷公式為

式中：PGASF,t為所有燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)機(jī)組強(qiáng)迫出力之和；PCONF,t為系統(tǒng)所有火電機(jī)組強(qiáng)迫出力之和（PGASF,t、PCONF,t的計(jì)算見(jiàn)文獻(xiàn)[14]）；Pload為系統(tǒng)總電負(fù)荷；Pdis,t為電儲(chǔ)能放電功率；Pch,t為電儲(chǔ)能充電功率；PWF,t為風(fēng)電場(chǎng)預(yù)測(cè)出力。

3 調(diào)度模型

3.1 目標(biāo)函數(shù)

假設(shè)區(qū)域能源系統(tǒng)中有燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)電廠N座，每座電廠中有R臺(tái)燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)機(jī)組，帶X個(gè)換熱站；系統(tǒng)中有H臺(tái)純凝火電機(jī)組、K臺(tái)風(fēng)電機(jī)組，裝設(shè)y臺(tái)P2G 設(shè)備和G個(gè)儲(chǔ)氣罐，并配有電儲(chǔ)能裝置。

以系統(tǒng)總運(yùn)行成本最小為目標(biāo)函數(shù)：

式中：Vbuy,t為t時(shí)段天然氣購(gòu)買(mǎi)量；c1、c2分別為天然氣和燃煤的價(jià)格，其中c1為3 元/m3，c2為680 元/t；FCON,t,h為t時(shí)段第h臺(tái)純凝火電機(jī)組煤耗量。

3.2 約束條件

1）電功率平衡約束

式中：PGAS,t,n,r為t時(shí)段第n個(gè)熱電廠第r臺(tái)燃?xì)鈾C(jī)組電功率；PCON,t,h為t時(shí)段第h臺(tái)純凝火電機(jī)組電功率；Pw,t為t時(shí)段風(fēng)電機(jī)組電功率；PLoad,t為t時(shí)段全網(wǎng)電負(fù)荷功率；PP2G,t,y為t時(shí)段第y臺(tái)P2G 設(shè)備電功率。

2）熱功率平衡約束

忽略供熱過(guò)程中熱能的傳輸損耗，每座熱電廠的熱功率平衡約束為

式中：QGAS,t,r為t時(shí)段第r臺(tái)燃?xì)鈾C(jī)組的供熱功率；QHLoad,t,x為t時(shí)段第x個(gè)換熱站的熱負(fù)荷。

3）天然氣流量平衡約束

式中：GGAS,t,n,r為t時(shí)段第n個(gè)熱電廠第r臺(tái)燃?xì)鈾C(jī)組消耗的天然氣流量；VLoad,t為t時(shí)段系統(tǒng)的天然氣負(fù)荷需求量；Vf,t,g為t時(shí)段第g個(gè)儲(chǔ)氣罐的放氣流量；Vz,t,y為t時(shí)段第y個(gè)P2G 設(shè)備的直供氣流量。

4）天然氣購(gòu)買(mǎi)量約束

5）燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)機(jī)組出力約束

式中：P1,max、P1,min分別為燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)機(jī)組燃?xì)廨啓C(jī)電功率的上、下限；P2,max、P2,min為燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)機(jī)組蒸汽輪機(jī)上、下限；QH,max、QH,min為燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)機(jī)組供熱功率的上、下限。

6）燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)機(jī)組內(nèi)部約束

式中：f1、f2、f3為燃?xì)鈾C(jī)組擬合系數(shù)；QH為燃?xì)鈾C(jī)組供熱功率；P1、P2為燃?xì)夂驼羝啓C(jī)電功率。

其余各項(xiàng)約束見(jiàn)文獻(xiàn)[15]，在此不再贅述。本文用MATLAB 軟件編程，調(diào)用Gurobi 求解器對(duì)模型進(jìn)行求解。

4 算例分析

4.1 原始數(shù)據(jù)

本文研究區(qū)域能源系統(tǒng)包括1 座熱電廠（1 臺(tái)燃?xì)鈾C(jī)組，6 個(gè)換熱站供熱）、1 座火電廠（4 臺(tái)火電機(jī)組）、1 座風(fēng)電場(chǎng)（裝機(jī)容量為264 MW）。系統(tǒng)中配置6 臺(tái)P2G 設(shè)備、6 個(gè)儲(chǔ)氣罐和鋰電池儲(chǔ)能裝置。調(diào)度間隔為1 h，調(diào)度總時(shí)長(zhǎng)為1 天。

火電機(jī)組參數(shù)見(jiàn)表1，燃?xì)?蒸汽輪機(jī)參數(shù)見(jiàn)表2，P2G 及儲(chǔ)氣裝置參數(shù)見(jiàn)表3，電儲(chǔ)能設(shè)備參數(shù)見(jiàn)表4，全網(wǎng)氣負(fù)荷見(jiàn)文獻(xiàn)[12]。P2G 轉(zhuǎn)換效率取0.7，蒸汽焓降取2 327.53 kJ/kg，各時(shí)段電負(fù)荷、熱負(fù)荷及風(fēng)電預(yù)測(cè)出力見(jiàn)文獻(xiàn)[5]。

為了驗(yàn)證所研究電氣混合儲(chǔ)能協(xié)調(diào)策略棄風(fēng)消納效果與經(jīng)濟(jì)性，設(shè)置4 種場(chǎng)景進(jìn)行對(duì)比分析：場(chǎng)景1 不配置任何儲(chǔ)能裝置；場(chǎng)景2 配置P2G 裝置和儲(chǔ)氣裝置；場(chǎng)景3 電氣混合儲(chǔ)能常規(guī)運(yùn)行方式；場(chǎng)景4 電氣混合儲(chǔ)能協(xié)調(diào)運(yùn)行方式。

表1 火電機(jī)組參數(shù)Tab.1 The parameters of thermal power unit

表2 燃?xì)?蒸汽輪機(jī)參數(shù)Tab.2 The parameters of gas-steam turbine unit

表3 P2G 及儲(chǔ)氣裝置參數(shù)Tab.3 The parameters of P2G and gas storage device

表4 電儲(chǔ)能設(shè)備參數(shù)Tab.4 The parameters of electric energy storage device

4.2 調(diào)度結(jié)果

采用Gurobi 求解器計(jì)算優(yōu)化模型，場(chǎng)景4 的電功率調(diào)度結(jié)果及儲(chǔ)能功率及P2G 轉(zhuǎn)化功率結(jié)果如圖2、圖3 所示，圖3 也反映了電儲(chǔ)能、P2G 和儲(chǔ)氣設(shè)備協(xié)調(diào)工作情況。圖2 中的負(fù)值代表各設(shè)備消耗的電功率，圖3 中的負(fù)值則代表電儲(chǔ)能的放電功率。由圖2、圖3 可知，時(shí)段08:00—11:00、18:00—19:00 風(fēng)電低發(fā)，電儲(chǔ)能設(shè)備釋放電能供給高峰負(fù)荷。同時(shí)該時(shí)段內(nèi)，P2G 停止制氣，儲(chǔ)氣設(shè)備放氣供氣負(fù)荷使用，場(chǎng)景4 天然氣調(diào)度結(jié)果如圖4 所示。由圖3 可以看出，棄風(fēng)時(shí)段為23:00—次日05:00。在時(shí)段23:00，電儲(chǔ)能率先啟動(dòng)，這是因?yàn)殡妰?chǔ)能效率最高，而P2G 設(shè)備需要進(jìn)行二次轉(zhuǎn)化，因此優(yōu)先選擇儲(chǔ)電，并且此時(shí)電儲(chǔ)能未達(dá)到最大功率，僅靠電儲(chǔ)能即可消納全部棄風(fēng)；在時(shí)段24:00，棄風(fēng)增加，電儲(chǔ)能已達(dá)到最大功率，但仍然無(wú)法消納全部棄風(fēng)，此時(shí)P2G 設(shè)備啟動(dòng)，供給燃?xì)鈾C(jī)組與氣負(fù)荷，但此時(shí)P2G 功率較小，氣負(fù)荷可以全部消耗所產(chǎn)生的天然氣，儲(chǔ)氣裝置并未啟動(dòng)；在時(shí)段01:00，隨著棄風(fēng)功率進(jìn)一步增加，P2G 產(chǎn)氣量超過(guò)用氣量，儲(chǔ)氣裝置啟動(dòng)，儲(chǔ)存剩余天然氣。此時(shí)電儲(chǔ)能、P2G與儲(chǔ)氣裝置共同作用，提高風(fēng)電的消納能力。由此可見(jiàn)，本文電氣混合儲(chǔ)能協(xié)調(diào)策略可以依次調(diào)度成本低、棄風(fēng)消納效果好的資源，從而實(shí)現(xiàn)消納棄風(fēng)，低成本運(yùn)行的優(yōu)化目標(biāo)。

4.3 儲(chǔ)能裝置對(duì)棄風(fēng)率的影響分析

圖5 為風(fēng)電總額與不同調(diào)度方式下的風(fēng)電上網(wǎng)功率，表5 為4 種場(chǎng)景的系統(tǒng)棄風(fēng)率和總成本。由圖5 和表5 可以得出，相比于其他儲(chǔ)能場(chǎng)景，場(chǎng)景4低棄風(fēng)、低運(yùn)行成本，即電氣混合儲(chǔ)能協(xié)調(diào)運(yùn)行策略有利于風(fēng)電消納和系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

表5 4 種場(chǎng)景的系統(tǒng)棄風(fēng)率和總成本Tab.5 The wind rejection rate and total cost of four scenarios

假設(shè)電儲(chǔ)能裝置的容量E′b與原始容量Eb之比為k1，儲(chǔ)氣裝置的容量E′c與原始容量Ec之比為k2，即有：

儲(chǔ)能容量與系統(tǒng)棄風(fēng)率的關(guān)系曲線如圖6 所示。由圖6 可見(jiàn)，隨著儲(chǔ)能裝置容量增大，棄風(fēng)率有所降低，且電儲(chǔ)能容量改變對(duì)棄風(fēng)率影響更大。

5 結(jié) 論

1）本文提出的電氣混合儲(chǔ)能協(xié)調(diào)運(yùn)行策略可優(yōu)化電/氣儲(chǔ)能設(shè)備出力，增大風(fēng)電上網(wǎng)空間，提高棄風(fēng)消納率。

2）相比于無(wú)儲(chǔ)能和單一儲(chǔ)能，電氣混合儲(chǔ)能具有更好的風(fēng)電消納效果和運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性，且隨著電/氣儲(chǔ)能裝置容量增大，棄風(fēng)率進(jìn)一步降低。

3）電儲(chǔ)能容量對(duì)棄風(fēng)率的影響大于儲(chǔ)氣容量的影響。

4）后續(xù)研究中可以考慮儲(chǔ)能設(shè)備的投資成本、設(shè)備維護(hù)成本等，從而更好地研究系統(tǒng)的整體經(jīng)濟(jì)性。