區(qū)域能源互聯(lián)網(wǎng)多能協(xié)同優(yōu)化中的儲(chǔ)能效益評(píng)估

方陳，張宇，廖望，時(shí)珊珊，劉東

(1.國(guó)網(wǎng)上海市電力公司電力科學(xué)研究院，上海市 200437；2.華東電力試驗(yàn)研究院有限公司，上海市 200437；3.電力傳輸與功率變換控制教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(上海交通大學(xué))，上海市 200240)

0 引 言

隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的持續(xù)發(fā)展，傳統(tǒng)的能源結(jié)構(gòu)已經(jīng)無法滿足當(dāng)今社會(huì)高效、低碳以及可持續(xù)發(fā)展的要求。能源互聯(lián)網(wǎng)[1]立足于智能電網(wǎng)，成為解決當(dāng)今日益嚴(yán)峻的能源危機(jī)以及環(huán)境問題的突破口。在能源互聯(lián)網(wǎng)中，能源的供給側(cè)利用傳統(tǒng)化石能源以及風(fēng)、光、水、地?zé)岬榷喾N可再生能源作為一次能源，為能源用戶提供電能、熱能、天然氣等多種能源服務(wù)，滿足用戶多樣性的能源需求。同時(shí)，電網(wǎng)、熱網(wǎng)、天然氣網(wǎng)絡(luò)、交通網(wǎng)等各種能源網(wǎng)絡(luò)在能源互聯(lián)網(wǎng)中交匯，實(shí)現(xiàn)多種能源之間高效便捷的傳輸與轉(zhuǎn)換[2-3]。儲(chǔ)能技術(shù)作為“源-網(wǎng)-荷-儲(chǔ)”中的一環(huán)，在能源互聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用受到關(guān)注與重視。從市場(chǎng)角度來看，對(duì)儲(chǔ)能在能源互聯(lián)網(wǎng)中所產(chǎn)生的價(jià)值進(jìn)行評(píng)估是能源市場(chǎng)進(jìn)行效益合理分配和采取有效激勵(lì)措施的基礎(chǔ)。如何評(píng)估儲(chǔ)能系統(tǒng)在能源互聯(lián)體系下的效益成為未來構(gòu)建能源互聯(lián)網(wǎng)市場(chǎng)機(jī)制的關(guān)鍵問題之一。

目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者關(guān)于儲(chǔ)能效益評(píng)估的研究已取得了一系列的研究成果。

在功能場(chǎng)景方面，文獻(xiàn)[4]構(gòu)建了儲(chǔ)能的全壽命周期成本模型，對(duì)電力零售商配置共享儲(chǔ)能的投資效益進(jìn)行了評(píng)估。文獻(xiàn)[5]采用層次分析法，構(gòu)建了基于熵權(quán)云模型的儲(chǔ)能工況適應(yīng)性評(píng)價(jià)模型，并從削峰和頻率調(diào)整2種應(yīng)用場(chǎng)景對(duì)儲(chǔ)能效益進(jìn)行了評(píng)估。文獻(xiàn)[6]分別對(duì)儲(chǔ)能和隨機(jī)機(jī)組組合進(jìn)行了建模，通過與傳統(tǒng)機(jī)組的對(duì)比，對(duì)高比例可再生能源滲透下大容量?jī)?chǔ)能系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)效益進(jìn)行了評(píng)估。文獻(xiàn)[7]研究了壓縮空氣儲(chǔ)能對(duì)棄風(fēng)的抑制效果和對(duì)風(fēng)電場(chǎng)發(fā)展的長(zhǎng)期效益，并對(duì)其所帶來的經(jīng)濟(jì)效益進(jìn)行了評(píng)估。

在接入場(chǎng)景方面，對(duì)儲(chǔ)能效益的評(píng)估分別從儲(chǔ)能接入新能源發(fā)電側(cè)、電網(wǎng)側(cè)以及用戶側(cè)來進(jìn)行。文獻(xiàn)[8]提出了儲(chǔ)能裝置在負(fù)荷峰谷時(shí)段進(jìn)行削峰填谷，在負(fù)荷腰荷區(qū)段提高新能源預(yù)報(bào)精度的全時(shí)域控制策略，對(duì)儲(chǔ)能參與新能源發(fā)電綜合利用效益進(jìn)行了優(yōu)化評(píng)估。文獻(xiàn)[9]對(duì)電池儲(chǔ)能裝置配置于電網(wǎng)側(cè)的收益進(jìn)行了評(píng)估，其中直接收益包括峰谷電價(jià)收益和輔助服務(wù)補(bǔ)償，間接收益包括能源節(jié)省、單位運(yùn)營(yíng)成本的減少和網(wǎng)絡(luò)損耗的減少。文獻(xiàn)[10]以并網(wǎng)型“分布式光伏+儲(chǔ)能”為例，基于前置運(yùn)行優(yōu)化的儲(chǔ)能全壽命周期成本收益分析，對(duì)用戶側(cè)分布式儲(chǔ)能進(jìn)行了價(jià)值評(píng)估。

然而，在考慮多能協(xié)同優(yōu)化的區(qū)域能源互聯(lián)網(wǎng)(regional energy Internet, REI)中，有關(guān)儲(chǔ)能的經(jīng)濟(jì)效益評(píng)估目前還缺乏相關(guān)的專項(xiàng)研究。文獻(xiàn)[11]從不同供能季節(jié)出發(fā)，評(píng)估了冷、熱、電儲(chǔ)能在區(qū)域綜合能源系統(tǒng)中的經(jīng)濟(jì)性，但僅僅從“低儲(chǔ)高發(fā)”套利來進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性評(píng)估，無法全面闡釋儲(chǔ)能在多能協(xié)同中的效益產(chǎn)生機(jī)理。文獻(xiàn)[12]對(duì)儲(chǔ)能在電網(wǎng)中的直接價(jià)值和間接價(jià)值做了詳細(xì)的歸納總結(jié)，并從削峰填谷、平滑風(fēng)電場(chǎng)波動(dòng)以及提高供電可靠性多維角度對(duì)儲(chǔ)能價(jià)值進(jìn)行了評(píng)估，但只是針對(duì)電力網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行研究，無法滿足能源互聯(lián)背景下的儲(chǔ)能規(guī)劃需求。

總結(jié)以上研究成果可以發(fā)現(xiàn)，目前關(guān)于儲(chǔ)能效益評(píng)估還存在以下問題：1)相關(guān)研究大多基于電網(wǎng)背景下，儲(chǔ)能在多能系統(tǒng)中產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)效益的機(jī)理有待深入研究；2)儲(chǔ)能經(jīng)濟(jì)效益評(píng)估大多以峰谷差套利作為效益產(chǎn)生機(jī)理，未考慮到多能協(xié)同效應(yīng)中儲(chǔ)能產(chǎn)生的影響，而在量化儲(chǔ)能參與REI優(yōu)化運(yùn)行所產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益時(shí)，碳排放和節(jié)能效益通常是不可忽視的。

基于上述分析，本文在對(duì)REI儲(chǔ)能系統(tǒng)進(jìn)行建模的基礎(chǔ)上，綜合考慮峰谷差效益、環(huán)境效益和降低能量損耗效益，構(gòu)建儲(chǔ)能系統(tǒng)在參與REI多能協(xié)同優(yōu)化中的效益評(píng)估模型并提出效益評(píng)估指標(biāo)。算例通過不同場(chǎng)景和儲(chǔ)能配置方案來驗(yàn)證所提評(píng)估方法的科學(xué)性和適用性。

1 區(qū)域能源互聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)

REI因其智能的運(yùn)行模式以及高效靈活的能源利用方式成為未來構(gòu)建能源互聯(lián)網(wǎng)的重要組成部分。目前主要基于較小范圍的商業(yè)、工業(yè)等功能性園區(qū)或居民小區(qū)進(jìn)行構(gòu)建，兼具一定的自治理能力、可改造性和可擴(kuò)展性。區(qū)別于傳統(tǒng)的電力微網(wǎng)，區(qū)域能源互聯(lián)網(wǎng)最大的特征在于其內(nèi)部存在多種能量緊密耦合與協(xié)調(diào)轉(zhuǎn)換，而區(qū)域內(nèi)所包含的能量耦合元件與能量轉(zhuǎn)換元件則是實(shí)現(xiàn)多能耦合的設(shè)備基礎(chǔ)。當(dāng)某一種能源供應(yīng)出現(xiàn)缺失，可由儲(chǔ)能或者其他能量源通過轉(zhuǎn)換設(shè)備進(jìn)行能量替代供應(yīng)。由此，區(qū)域能源互聯(lián)網(wǎng)以橫向多能互補(bǔ)和縱向的“源-網(wǎng)-荷-儲(chǔ)”高度協(xié)調(diào)為宗旨，實(shí)現(xiàn)了區(qū)域能源供應(yīng)的安全高效運(yùn)行和靈活管控。

REI的能量結(jié)構(gòu)如圖1所示。“源”側(cè)由區(qū)域能量源與區(qū)域可再生能源構(gòu)成，其中區(qū)域能量源包含熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組、熱力鍋爐、分布式電源(柴油發(fā)電機(jī)、微型燃?xì)廨啓C(jī)等)、天然氣源等多種能量源；區(qū)域可再生能源主要包括風(fēng)電和光伏等清潔能源?！昂伞眰?cè)包含城市或園區(qū)的常規(guī)電力負(fù)荷、居民區(qū)供暖等熱力負(fù)荷以及天然氣負(fù)荷。“儲(chǔ)”側(cè)對(duì)應(yīng)的是區(qū)域內(nèi)的多能儲(chǔ)能系統(tǒng)，包括儲(chǔ)能電池、熱儲(chǔ)能罐、天然氣儲(chǔ)氣罐等?！熬W(wǎng)”側(cè)主要對(duì)應(yīng)區(qū)域能源路由器(energy router, ER)，其作用主要是接收區(qū)域內(nèi)的能量路由優(yōu)化決策信息，對(duì)區(qū)域內(nèi)的多種能源進(jìn)行轉(zhuǎn)化和傳輸，在滿足負(fù)荷的前提下實(shí)現(xiàn)能量的高效供應(yīng)和最優(yōu)分配。

圖1 區(qū)域能源互聯(lián)網(wǎng)的能量結(jié)構(gòu)

2 多能耦合的儲(chǔ)能系統(tǒng)建模

REI能夠完成多種能量的互濟(jì)互補(bǔ)，實(shí)現(xiàn)多能流的實(shí)時(shí)優(yōu)化與平衡。在REI中，儲(chǔ)能作為能量供需的中間環(huán)節(jié)，在運(yùn)行過程中存在與其他設(shè)備的頻繁能流交互，因此其并非獨(dú)立運(yùn)行的個(gè)體，而是與區(qū)域內(nèi)的多能耦合設(shè)備緊密結(jié)合形成的一個(gè)完整的系統(tǒng)。對(duì)儲(chǔ)能參與REI多能協(xié)同優(yōu)化進(jìn)行效益分析與評(píng)估必須對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)進(jìn)行建模。

2.1 多元儲(chǔ)能模型

區(qū)域能源互聯(lián)網(wǎng)中的儲(chǔ)能形式多樣，包括電儲(chǔ)能、蓄熱儲(chǔ)能以及天然氣儲(chǔ)氣設(shè)備，下面給出3種類型儲(chǔ)能的工作模型。

1)電儲(chǔ)能模型。

電儲(chǔ)能相較于其他形式的儲(chǔ)能技術(shù)較為成熟，在電力系統(tǒng)和能源互聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用價(jià)值已經(jīng)得到了廣泛的認(rèn)可。常見的電儲(chǔ)能包括機(jī)械電儲(chǔ)能(如抽水蓄能、壓縮空氣、飛輪儲(chǔ)能等)、電化學(xué)儲(chǔ)能(如蓄電池、流質(zhì)電池等)和超級(jí)電容器。本文以儲(chǔ)能電池為例，忽略其自放電效應(yīng)，并考慮其充放電最大功率約束、容量約束以及充放電效率和互補(bǔ)約束，其工作模型可以表示為[11]：

(1)

在REI優(yōu)化運(yùn)行中，通常會(huì)加入式(2)所示的約束，保證儲(chǔ)能在一個(gè)優(yōu)化周期前后的剩余能量狀態(tài)一致，以維持下一個(gè)周期的優(yōu)化運(yùn)行。

SE(0)=SE(T)

(2)

同樣地，該約束適用于區(qū)域能源互聯(lián)網(wǎng)中的其他類型儲(chǔ)能，因此在后面的熱儲(chǔ)能和氣儲(chǔ)能模型中不在贅述。

2)熱儲(chǔ)能模型。

熱儲(chǔ)能通常包括顯熱儲(chǔ)能、潛熱儲(chǔ)能和熱化學(xué)儲(chǔ)能[13]。其中顯熱儲(chǔ)能相對(duì)常見，其儲(chǔ)熱媒質(zhì)通常為熱水或蒸汽，顯熱儲(chǔ)能的原理相對(duì)簡(jiǎn)單，價(jià)格低廉，應(yīng)用比較廣泛，但由于存在溫度的變化，導(dǎo)致熱量耗散明顯，效率相對(duì)較低。潛熱儲(chǔ)能利用相變材料作為儲(chǔ)熱媒質(zhì)，材料在相變時(shí)吸熱或釋熱來儲(chǔ)能或釋能，具有能量密度高，相變過程近似恒溫的特點(diǎn)，體積相對(duì)較小但造價(jià)較高，具有廣闊發(fā)展前景。熱化學(xué)儲(chǔ)能主要是基于可逆的熱化學(xué)反應(yīng)，對(duì)熱能進(jìn)行儲(chǔ)存或釋放，儲(chǔ)能密度極高，而且儲(chǔ)能材料易于保存和運(yùn)輸，但由于技術(shù)復(fù)雜，一次性投資大，目前處于理論研究階段，在電力系統(tǒng)或能源網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用較少，暫不予考慮。

熱儲(chǔ)能最大的特點(diǎn)就是在儲(chǔ)能和釋能的過程中會(huì)產(chǎn)生能量耗散。熱儲(chǔ)能的典型動(dòng)態(tài)工作模型可以表示為：

(3)

3)氣儲(chǔ)能模型。

氣儲(chǔ)能本質(zhì)上屬于化學(xué)儲(chǔ)能，通常利用氫或甲烷作為二次能源載體進(jìn)行儲(chǔ)存，主要應(yīng)用于氫能-天然氣儲(chǔ)能系統(tǒng)(hydrogen-gas energy storage system，HGESS)中[14]。在HGESS中，一般通過多余的電力進(jìn)行電解制氫，然后存入氫儲(chǔ)能系統(tǒng)或直接作為能量載體進(jìn)行負(fù)荷供應(yīng)；或者利用H2捕獲大氣中的CO2合成甲烷，進(jìn)行大容量?jī)?chǔ)存的同時(shí)作為氣源供應(yīng)氣負(fù)荷，這種電能轉(zhuǎn)化為氣體能源的技術(shù)被稱為電轉(zhuǎn)氣(power to gas, P2G)。由于氫能和天然氣可以進(jìn)行多種形式的能量轉(zhuǎn)化，這種儲(chǔ)能方式的優(yōu)勢(shì)在于應(yīng)用靈活多樣，但不足之處在于全周期效率較低。本文以氫儲(chǔ)能為例，給出其剩余能量的動(dòng)態(tài)公式：

(4)

2.2 多能耦合設(shè)備建模

多能耦合設(shè)備是REI的關(guān)鍵組成部分。熱電聯(lián)產(chǎn)(combined heating and power, CHP)機(jī)組作為REI中最主要的多能耦合設(shè)備，其模型為[15]：

(5)

2.3 擴(kuò)展ER模型

ER為構(gòu)建能源互聯(lián)網(wǎng)的核心部件，承擔(dān)著能源單元互聯(lián)、能源質(zhì)量監(jiān)控和調(diào)配及多能流轉(zhuǎn)換等功能，主要由能量傳導(dǎo)與轉(zhuǎn)換設(shè)備以及能源路由管控系統(tǒng)組成。為方便分析其內(nèi)部電、熱、氣等多種形式能源之間的轉(zhuǎn)換特性，通常將其等效為一個(gè)多能源輸入-輸出的端口模型，采用轉(zhuǎn)換矩陣來描述輸入和輸出之間的能量耦合關(guān)系。一般表達(dá)式為[16]：

(6)

O=CI

(7)

式中：I、O、C分別為能源路由器的輸入、輸出和轉(zhuǎn)換矩陣；Pin、Hin、Gin分別為輸入能源路由器的電、熱、天然氣能量；Pout、Hout、Gout分別為能源路由器輸出的電、熱、天然氣能量；σij為能量轉(zhuǎn)換因子，例如σ21表示第2種輸入能量與第1種輸出能量之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系，該轉(zhuǎn)換關(guān)系由2種因素組成，其一為能源的分配因素，其二為能源的轉(zhuǎn)換效率，因此σ21可表示為

σ21=η21·ω21

(8)

式中：η21為轉(zhuǎn)換效率系數(shù)，同種能源轉(zhuǎn)換效率視為1；ω21為分配系數(shù)，同種能源分配系數(shù)和應(yīng)為1。

ER的基本模型僅考慮了REI中多能傳輸和轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)的能量耦合關(guān)系，存在一定的局限性。實(shí)際上在能量的供給與儲(chǔ)存環(huán)節(jié)也存在著密切的多能耦合關(guān)系。為了理清REI中能量轉(zhuǎn)換的關(guān)系和層次結(jié)構(gòu)，更清楚地分析儲(chǔ)能在多能協(xié)同優(yōu)化中產(chǎn)生的效益，以CHP和多元儲(chǔ)能分別代表能量供給和儲(chǔ)存環(huán)節(jié)，從多能耦合形態(tài)上對(duì)ER模型進(jìn)行擴(kuò)展，可以得到：

D-Es=C(Ibase+ICHP-Er)

(9)

(10)

式中：Ibase為REI內(nèi)的基本能量源輸出功率矩陣；ICHP為CHP的輸入輸出功率矩陣；Er、Es分別為多元儲(chǔ)能設(shè)備的充能矩陣和釋能矩陣；D為負(fù)荷矩陣；GCHP為CHP所消耗的天然氣功率。

3 儲(chǔ)能優(yōu)化效益評(píng)估模型

在REI中，由于存在多種能源的耦合與互補(bǔ)，使得儲(chǔ)能實(shí)現(xiàn)了超出傳統(tǒng)電網(wǎng)的效益。本文主要從峰谷差套利、環(huán)境效益和降低能量損耗效益3個(gè)方面來對(duì)儲(chǔ)能的效益進(jìn)行評(píng)估。

3.1 峰谷差套利效益

儲(chǔ)能的峰谷差套利效益FARV可以用低能價(jià)進(jìn)行儲(chǔ)能和高能價(jià)進(jìn)行放能來實(shí)現(xiàn)，屬于儲(chǔ)能的直接效益，可表示為：

(11)

式中：Er(t)、Es(t)分別為t時(shí)刻多元儲(chǔ)能系統(tǒng)的釋能和充能矩陣；λt為t時(shí)刻電、熱、氣3種能價(jià)的列向量。

3.2 環(huán)境效益

實(shí)現(xiàn)綠色低碳的能量供應(yīng)是構(gòu)建REI的重要考量之一。在當(dāng)前多能系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度問題的研究中，通常都會(huì)將排放產(chǎn)生的環(huán)境成本作為優(yōu)化目標(biāo)的一部分[17-19]。盡管在一整個(gè)周期的優(yōu)化運(yùn)行中，儲(chǔ)能本身是不吸收能量也不釋放能量的，即儲(chǔ)能凈出力為0。然而在參與REI多能協(xié)同優(yōu)化運(yùn)行過程中，儲(chǔ)能可以通過事先在負(fù)荷需求低時(shí)進(jìn)行充能，在負(fù)荷緊張的時(shí)間段起到部分替代高碳排放機(jī)組出力的作用，從而可以達(dá)到降低碳排放的目標(biāo)。同時(shí)，由于氫氣儲(chǔ)能的存在，可以通過合成天然氣實(shí)現(xiàn)CO2的負(fù)排放，進(jìn)一步降低碳排放的成本。

儲(chǔ)能在參與多能協(xié)同優(yōu)化過程中產(chǎn)生的環(huán)境效益FENV屬于儲(chǔ)能的間接效益，可表示為參與優(yōu)化后減少的碳排放成本：

(12)

3.3 降低能量損耗效益

上文已經(jīng)論述過，REI不同于單一能源網(wǎng)絡(luò)的最大特征在于可以實(shí)現(xiàn)異種能源轉(zhuǎn)換供應(yīng)。當(dāng)某種類型的負(fù)荷出現(xiàn)緊急高峰需求時(shí)，同類型能源供給可能出現(xiàn)瓶頸，REI能夠通過ER的能量轉(zhuǎn)換作用實(shí)現(xiàn)靈活可靠的應(yīng)急供能，發(fā)揮多種形式能源之間互補(bǔ)互濟(jì)作用。由于ER實(shí)現(xiàn)異種能量轉(zhuǎn)換時(shí)效率較低，若加入儲(chǔ)能，則可通過對(duì)某種負(fù)荷高峰期對(duì)應(yīng)的能源進(jìn)行提前儲(chǔ)備，降低高峰時(shí)段該種能源經(jīng)由其他類型能源進(jìn)行轉(zhuǎn)換的量級(jí)，減少ER通過能量轉(zhuǎn)換進(jìn)行緊急能源供應(yīng)時(shí)產(chǎn)生的高額轉(zhuǎn)換損耗。該效益屬于儲(chǔ)能的間接效益。

根據(jù)式(9)可以得到含儲(chǔ)能的擴(kuò)展ER能量轉(zhuǎn)換示意圖，如圖2所示。

圖2 擴(kuò)展ER能量轉(zhuǎn)換示意圖

能量轉(zhuǎn)換損耗Iloss可表示為：

Iloss=Ibase+ICHP+Es-(Er+D)=

L(Ibase+ICHP-Er)=LI

(13)

式中：L為損耗系數(shù)矩陣，其內(nèi)部元素πij的表達(dá)式為

πij=(1-ηij)·ωij

(14)

儲(chǔ)能參與REI優(yōu)化降低能量損耗效益FLOSS可表示為：

(15)

式中：ΔI(t)為儲(chǔ)能參與優(yōu)化前后t時(shí)刻輸入ER的能量矩陣差值。

3.4 效益評(píng)估指標(biāo)

本文采用貢獻(xiàn)度(contribution degree, CD)ρCD和效益率(benefit rate, BR)zBR來評(píng)估儲(chǔ)能參與REI多能協(xié)同優(yōu)化的效益。

1)貢獻(xiàn)度。

貢獻(xiàn)度定義為評(píng)估目標(biāo)在儲(chǔ)能效益中所占的比重，用以評(píng)估儲(chǔ)能內(nèi)部的效益結(jié)構(gòu)，其反映了所評(píng)估目標(biāo)對(duì)儲(chǔ)能自身效益的貢獻(xiàn)程度，其表達(dá)式為：

i=ARV,ENV,LOSS

(16)

2)效益率。

效益率定義為儲(chǔ)能參與REI優(yōu)化后優(yōu)化成本的降低比例，用以評(píng)估儲(chǔ)能對(duì)外部產(chǎn)生的整體效益，衡量了儲(chǔ)能參與優(yōu)化后對(duì)區(qū)域產(chǎn)生的效益規(guī)模，其表達(dá)式為[20]：

(17)

(18)

(19)

4 算例分析

4.1 算例概況

本文以一個(gè)商業(yè)園區(qū)級(jí)的REI為例進(jìn)行儲(chǔ)能效益評(píng)估分析，其物理結(jié)構(gòu)如圖1所示。園區(qū)內(nèi)的負(fù)荷包含商業(yè)樓宇群用電負(fù)荷、居民住宅區(qū)的熱負(fù)荷以及天然氣負(fù)荷，各類負(fù)荷峰值分別為2 MW、2.5 MW和150 m3?？稍偕茉窗L(fēng)機(jī)和屋頂光伏。園區(qū)內(nèi)的能量源包括1臺(tái)CHP機(jī)組、2臺(tái)微型柴油發(fā)電機(jī)、熱力鍋爐以及一處天然氣源。CHP機(jī)組采用“以熱定電”的運(yùn)行方式。園區(qū)內(nèi)包含電力儲(chǔ)能、熱力儲(chǔ)能以及天然氣儲(chǔ)氣設(shè)備，其能量狀態(tài)始終維持在10%～90%之間。ER的電熱轉(zhuǎn)換效率與氣熱轉(zhuǎn)換效率分別為0.85和0.72。園區(qū)內(nèi)各設(shè)備主要參數(shù)如附表A1所示，典型日24個(gè)時(shí)段電、熱、氣負(fù)荷及風(fēng)電光伏預(yù)測(cè)出力(以日內(nèi)最大值作為基準(zhǔn))如附圖A1所示，園區(qū)能價(jià)如附圖A2所示。儲(chǔ)能系統(tǒng)充放電效率為0.95，熱儲(chǔ)能自耗散率為0.1，氫儲(chǔ)能參數(shù)參考文獻(xiàn)[14]，機(jī)組污染排放數(shù)據(jù)、污染物價(jià)值標(biāo)準(zhǔn)和罰款等級(jí)參見文獻(xiàn)[21]。

4.2 儲(chǔ)能配置影響分析

為充分評(píng)估多元儲(chǔ)能在REI多能協(xié)同優(yōu)化中的效益，本文初步設(shè)置如下5個(gè)場(chǎng)景：

場(chǎng)景1：區(qū)域內(nèi)配置電力儲(chǔ)能設(shè)備1 MW·h，無熱、氣儲(chǔ)能設(shè)備配置。

場(chǎng)景2：區(qū)域內(nèi)配置電力儲(chǔ)能設(shè)備2 MW·h，無熱、氣儲(chǔ)能設(shè)備配置。

場(chǎng)景3：區(qū)域內(nèi)配置電力儲(chǔ)能設(shè)備和熱儲(chǔ)能設(shè)備各1 MW·h，無氣儲(chǔ)能設(shè)備配置。

場(chǎng)景4：區(qū)域內(nèi)配置電力儲(chǔ)能設(shè)備和氣儲(chǔ)能設(shè)備各1 MW·h，無熱儲(chǔ)能設(shè)備配置。

場(chǎng)景5：區(qū)域內(nèi)配置電力儲(chǔ)能設(shè)備、熱儲(chǔ)能設(shè)備以及氣儲(chǔ)能設(shè)備各1 MW·h。

針對(duì)上述5個(gè)場(chǎng)景，以儲(chǔ)能參與REI優(yōu)化的總效益最大為控制目標(biāo)的策略運(yùn)行，并進(jìn)行區(qū)域多能協(xié)同優(yōu)化計(jì)算與效益評(píng)估分析，得到了如圖3、4和表1所示的結(jié)果。

表1 不同場(chǎng)景的效益率對(duì)比

圖3 不同場(chǎng)景下效益評(píng)估結(jié)果

對(duì)比不同場(chǎng)景下的效益評(píng)估結(jié)果可以看出，儲(chǔ)能可以在不同程度上提升園區(qū)的優(yōu)化效益。

圖4 不同場(chǎng)景下的貢獻(xiàn)度對(duì)比

對(duì)比場(chǎng)景1和場(chǎng)景2的評(píng)估結(jié)果可以看出，當(dāng)園區(qū)中只接入電力儲(chǔ)能時(shí)，其效益主要是由峰谷差套利產(chǎn)生，在環(huán)境效益和降低能量損耗效益方面收益相對(duì)較小。場(chǎng)景2增大了儲(chǔ)能容量，使得總效益得到了一定的提升，然而僅僅通過增大儲(chǔ)能容量無法改變其效益組成結(jié)構(gòu)。

對(duì)比場(chǎng)景2和場(chǎng)景3的結(jié)果可以看出，在整個(gè)園區(qū)接入儲(chǔ)能容量不變的情況下，但對(duì)于使用單一的電力儲(chǔ)能，采用電熱混合儲(chǔ)能可以大大提高園區(qū)的整體效益。這是因?yàn)椋阂环矫骐S著儲(chǔ)能容量的增加，每單位容量?jī)?chǔ)能所產(chǎn)生的效益不斷下降，即出現(xiàn)邊際效益遞減現(xiàn)象，使用混合儲(chǔ)能可以使得每種形式的儲(chǔ)能邊際效益最大化；另一方面，使用混合儲(chǔ)能提升了園區(qū)的多能利用效率，避免了園區(qū)中單一能源利用出現(xiàn)效益飽和狀態(tài)。

對(duì)比場(chǎng)景2和場(chǎng)景4的結(jié)果可以看出，在整個(gè)園區(qū)接入儲(chǔ)能容量不變的情況下，采用電氣混合儲(chǔ)能可以提高園區(qū)整體收益，并能夠調(diào)整各方面效益的貢獻(xiàn)度，改善效益結(jié)構(gòu)。這是因?yàn)闅錃?天然氣儲(chǔ)能在優(yōu)化過程中起到了吸收CO2的效果，降低了碳排放，提升了環(huán)境效益。同時(shí)，由于園區(qū)熱負(fù)荷較高，使用天然氣轉(zhuǎn)換供熱的損耗成本要低于電轉(zhuǎn)熱，因此能量損耗效益也有顯著提高。

從場(chǎng)景5的評(píng)估結(jié)果可以看出，同時(shí)配置電、氣、熱3種儲(chǔ)能，不僅可以使園區(qū)優(yōu)化效益大大提升，而且能夠有效改善效益結(jié)構(gòu)。

4.3 貢獻(xiàn)度分析

從4.2節(jié)的分析中可以得出，改變單一儲(chǔ)能容量的大小對(duì)貢獻(xiàn)度產(chǎn)生的影響甚微。本節(jié)在場(chǎng)景3和場(chǎng)景4的基礎(chǔ)上，通過改變儲(chǔ)能容量配比來研究不同效益的貢獻(xiàn)度變化。評(píng)估結(jié)果如圖5所示。

圖5 儲(chǔ)能容量比對(duì)貢獻(xiàn)度的影響

從圖5中可以看出，儲(chǔ)能容量配比的變化會(huì)對(duì)貢獻(xiàn)度產(chǎn)生影響，但不同類型的混合儲(chǔ)能隨容量比的變化趨勢(shì)和敏感程度不同。

在變化趨勢(shì)方面，采用電熱混合儲(chǔ)能時(shí)，其效益貢獻(xiàn)度隨容量比的變化并非單調(diào)的，在容量比為5/3的時(shí)候，其峰谷差效益貢獻(xiàn)度出現(xiàn)了極大值，而環(huán)境效益與降低能量損耗效益的貢獻(xiàn)度出現(xiàn)了極小值。而采用電氣混合儲(chǔ)能時(shí)，其效益貢獻(xiàn)度呈單調(diào)變化，峰谷差效益貢獻(xiàn)度隨著電氣容量比的升高而增加，而環(huán)境效益和降低能量損耗效益方面的貢獻(xiàn)度隨電氣容量比的升高而減少。

在敏感程度方面，采用電熱混合儲(chǔ)能時(shí)，貢獻(xiàn)度隨容量比的變化較為平緩，而采用電氣混合儲(chǔ)能時(shí)，其貢獻(xiàn)度隨容量比的變化較為敏感。

從圖5中還可以看出，電儲(chǔ)能和熱儲(chǔ)能隨容量比例的升高，對(duì)應(yīng)的不同效益貢獻(xiàn)度具有相同的變化趨勢(shì)，而電儲(chǔ)能和氣儲(chǔ)能隨著容量比例的升高，在不同效益貢獻(xiàn)度方面具有相反的變化趨勢(shì)。

4.4 效益率分析

從4.2節(jié)的結(jié)論可知，儲(chǔ)能的容量改變和結(jié)構(gòu)改變都會(huì)對(duì)效益產(chǎn)生影響。本節(jié)通過計(jì)算不同容量的單一儲(chǔ)能效益率，得到了如圖6所示的曲線。并在4.3節(jié)的基礎(chǔ)上計(jì)算了不同容量比下的儲(chǔ)能效益率，結(jié)果如圖7所示。

圖6 儲(chǔ)能容量對(duì)效益率的影響

圖7 儲(chǔ)能容量比對(duì)效益率的影響

從評(píng)估結(jié)果可以看出，增加儲(chǔ)能容量可以為園區(qū)帶來更大的效益，但隨著儲(chǔ)能容量的提升，效益率增加緩慢，出現(xiàn)了邊際效益遞減現(xiàn)象。在圖6中，曲線的斜率代表了儲(chǔ)能的邊際效益?？梢钥闯霾煌愋偷膬?chǔ)能在接入同一園區(qū)時(shí)，分別在不同接入容量處取得最大邊際效益率。當(dāng)采用混合儲(chǔ)能時(shí)，不同儲(chǔ)能的容量比例也對(duì)效益率產(chǎn)生了一定影響。從圖7中可以看出，當(dāng)園區(qū)中接入電熱混合儲(chǔ)能時(shí)，效益率隨著電儲(chǔ)能占比容量增大而下降；而當(dāng)園區(qū)中接入電氣混合儲(chǔ)能時(shí)，效益率在電氣容量比達(dá)到1/3時(shí)取得最大值。由此可以得出，電儲(chǔ)能在與不同類型儲(chǔ)能共同參與園區(qū)優(yōu)化時(shí)產(chǎn)生了相反的效果。

5 結(jié) 論

本文對(duì)REI中考慮多能耦合的儲(chǔ)能系統(tǒng)進(jìn)行了建模，給出了擴(kuò)展ER模型，并且從峰谷差套利、碳排放以及降低能量轉(zhuǎn)換損耗3個(gè)方面提出了效益評(píng)估模型。采用貢獻(xiàn)度指標(biāo)和效益率指標(biāo)分別量化了儲(chǔ)能的內(nèi)部效益構(gòu)成和對(duì)外部產(chǎn)生的整體效益規(guī)模。最后以一商業(yè)型REI為算例，基于不同場(chǎng)景對(duì)其進(jìn)行了儲(chǔ)能效益評(píng)估，得到了如下結(jié)論：

1)采用貢獻(xiàn)度指標(biāo)和效益率指標(biāo)可有效量化評(píng)估儲(chǔ)能的效益結(jié)構(gòu)和效益規(guī)模。

2)提高儲(chǔ)能容量和采用混合儲(chǔ)能都能使儲(chǔ)能整體效益得到提升，但采用混合儲(chǔ)能可以在不增加儲(chǔ)能容量的前提下調(diào)整效益的結(jié)構(gòu)。

3)配置不同類型的儲(chǔ)能以及調(diào)整容量比可以改善儲(chǔ)能效益的結(jié)構(gòu)比例，這有利于提高儲(chǔ)能參與優(yōu)化運(yùn)行的靈活性，完善儲(chǔ)能參與多能市場(chǎng)效益分配的機(jī)制。

4)通過合理配置儲(chǔ)能的容量和混合儲(chǔ)能之間的容量比可以實(shí)現(xiàn)邊界效益率的最大化，提升儲(chǔ)能設(shè)備的利用效率。

本文的研究對(duì)多元儲(chǔ)能參與REI多能協(xié)同優(yōu)化中的效益進(jìn)行了量化評(píng)估，為未來構(gòu)架REI實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能最優(yōu)配置提供指導(dǎo)，為構(gòu)建儲(chǔ)能參與多能市場(chǎng)分配機(jī)制的建立提供了思路。