能源市場背景下含儲(chǔ)能的光伏和熱電聯(lián)產(chǎn)評(píng)估

魏超，焦曉峰，劉永江，張愛軍

（內(nèi)蒙古電力科學(xué)研究院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010020）

未來的電網(wǎng)需要更加先進(jìn)的控制技術(shù)，以將可再生能源發(fā)電系統(tǒng)與工業(yè)園區(qū)和住宅分布式能源（distributed energy resources，DERs）系統(tǒng)穩(wěn)定且高效地整合[1]。分布式能源系統(tǒng)指的是可控式能源發(fā)電系統(tǒng)，直接位于終端用戶附近或連接到本地的電力系統(tǒng)。分布式能源系統(tǒng)包括儲(chǔ)能系統(tǒng)、去中心化可再生能源發(fā)電系統(tǒng)和去中心化不可再生發(fā)電系統(tǒng)、需求響應(yīng)以及微電網(wǎng)。分布式能源系統(tǒng)的興起促使許多股東和公用事業(yè)高管考慮將分布式能源系統(tǒng)引入其系統(tǒng)，從而為其創(chuàng)造價(jià)值。分布式能源系統(tǒng)的主要優(yōu)勢在于提高對(duì)本地能源的使用率，從而實(shí)現(xiàn)高效、可靠地配電，減少碳排放，并在需求高峰時(shí)期實(shí)現(xiàn)削峰。這些因素以及需求響應(yīng)、負(fù)載轉(zhuǎn)移和儲(chǔ)能之類的能源管理策略將是構(gòu)成向智能電網(wǎng)過渡的必要條件。

針對(duì)熱電聯(lián)產(chǎn)（combined heat and power，CHP）和分布式電源并存引起的新能源消納問題，許多學(xué)者利用電儲(chǔ)能設(shè)備提高機(jī)組調(diào)節(jié)能力，或通過儲(chǔ)熱、電鍋爐和熱泵等實(shí)現(xiàn)熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組的熱電解耦運(yùn)行[2]。文獻(xiàn)[3]分析了熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組配置儲(chǔ)熱前后運(yùn)行特性與調(diào)峰能力的變化情況，建立了含儲(chǔ)熱的電力系統(tǒng)電熱聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度模型；文獻(xiàn)[4]構(gòu)建了包含儲(chǔ)熱的熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組、電供熱系統(tǒng)的調(diào)度模型，將儲(chǔ)熱納入包含風(fēng)電的電力系統(tǒng)有功調(diào)度體系；文獻(xiàn)[5]提出基于含儲(chǔ)熱熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組與電鍋爐的棄風(fēng)消納協(xié)調(diào)調(diào)度模型，提出極限消納棄風(fēng)電量的電鍋爐供熱量計(jì)算方法。

對(duì)于規(guī)劃人員而言，研究熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組和儲(chǔ)能以及分布式電源之間最佳的規(guī)模和調(diào)度計(jì)劃是非常必要的，而且是輔助管理一個(gè)區(qū)域內(nèi)電能需求的重要工具。文獻(xiàn)[6-8]研究表明：配備有分布式能源系統(tǒng)和可再生能源系統(tǒng)的熱電聯(lián)產(chǎn)微電網(wǎng)可以高效地解決能源相關(guān)的經(jīng)濟(jì)環(huán)境問題。在本研究中，構(gòu)建了一個(gè)簡化的決策模型，以計(jì)算出最佳流量和容量；該模型聚焦于經(jīng)濟(jì)方面和能源市場中可能的收益來源。詳細(xì)介紹了能源終端用戶、其需求負(fù)荷形態(tài)和電力公用事業(yè)的定價(jià)要素，以及作為關(guān)鍵因素在很大程度上決定了分布式能源系統(tǒng)最佳容量和運(yùn)營策略的激勵(lì)計(jì)劃，從而建立具有成本效益的彈性智能電網(wǎng)，確定了會(huì)影響特定消費(fèi)者表內(nèi)收益的關(guān)鍵因素。

本文具體結(jié)構(gòu)如下：第1節(jié)構(gòu)建了結(jié)合熱電聯(lián)產(chǎn)和熱/電儲(chǔ)能系統(tǒng)的光伏優(yōu)化模型并對(duì)系統(tǒng)成本與頻率調(diào)節(jié)（frequency regulation，F(xiàn)R）、儲(chǔ)備市場和凈計(jì)量所帶來的收入流進(jìn)行了評(píng)估和比較。該優(yōu)化模型包括提高系統(tǒng)彈性，并同時(shí)考慮了電網(wǎng)中斷時(shí)所需的備用電源（以彈性為基礎(chǔ)）而進(jìn)行了優(yōu)化。然后，在第2節(jié)中，以大型智能工業(yè)園區(qū)為對(duì)象進(jìn)行了案例研究，比較了電力和燃?xì)夤静煌愋偷哪茉促M(fèi)率及蓄電池不同容量情況下園區(qū)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性，驗(yàn)證了所提方法的有效性。

1 研究方法

在本文中，采用了混合整數(shù)線性規(guī)劃（mixedinteger linear programming，MILP）模型[9]，該模型是這一研究方向中最常使用的一種方法。盡管線性模型和混合整數(shù)線性模型在準(zhǔn)確性方面遜色于非線性模型和混合整數(shù)非線性模型，但通?？梢詾檫@些類型的問題提供快速的解決方案。本文所提出的最優(yōu)化模型由結(jié)合熱電聯(lián)合系統(tǒng)的光伏系統(tǒng)組成，該模型可以對(duì)凈計(jì)量電價(jià)進(jìn)行探究，以滿足電熱需求負(fù)荷。本研究的目的在于計(jì)算能源總成本以及失電臨界負(fù)荷，并為各個(gè)應(yīng)用分別解決這一問題。

1.1 經(jīng)濟(jì)目標(biāo)函數(shù)

總成本的目標(biāo)函數(shù)為

在式（4）中，熱電聯(lián)產(chǎn)所產(chǎn)電能將首先被用于滿足設(shè)備的電能需求，而節(jié)余電能會(huì)被儲(chǔ)存在儲(chǔ)能設(shè)備中。

在該模型中，可以通過將電能直接從光伏或蓄電系統(tǒng)出售給電網(wǎng)來實(shí)現(xiàn)凈計(jì)量電價(jià)。在頻率調(diào)節(jié)應(yīng)用中，假定由于電池的快速響應(yīng)，其可以通過能力約定和績效收益來參與快速調(diào)節(jié)市場，從而產(chǎn)生收益。

1.2 系統(tǒng)彈性目標(biāo)函數(shù)

增強(qiáng)系統(tǒng)彈性是為了在電力中斷期間服務(wù)于關(guān)鍵負(fù)載[10]。為了最大程度地降低臨界負(fù)載損失，懲罰結(jié)構(gòu)被指定為臨界負(fù)載損失。由于系統(tǒng)已與電網(wǎng)斷開，因此不再提供凈計(jì)量電價(jià)和相關(guān)的輔助服務(wù)。

其中

式中：CLunservedt為t時(shí)刻臨界失電負(fù)荷；CLtotalt為臨界總負(fù)荷；eCHP,demt，ePV,demt，eES,demt分別為熱電聯(lián)機(jī)組、光伏發(fā)電機(jī)組、電儲(chǔ)能滿足電力需求的功率；Mpent為t時(shí)刻懲罰成本。

1.3 約束條件

1.3.1 設(shè)備的功率平衡約束

在正常運(yùn)行期間，需要滿足設(shè)施的電能和熱能需求，因此可得：

式中：Det為電能需求。

對(duì)于熱能需求，可以通過下式計(jì)算獲得：

式中：Dht為熱能需求；hCHP,demt為滿足熱需求的CHP機(jī)組出力；hTS,demt為t時(shí)刻滿足熱需求的儲(chǔ)熱裝置出力。

1.3.2 熱電聯(lián)產(chǎn)的運(yùn)行約束

熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)產(chǎn)生的電能和熱能會(huì)被首先用于滿足設(shè)施的電熱能需求，而多余的能量將會(huì)被儲(chǔ)存在電力儲(chǔ)存和熱能儲(chǔ)存設(shè)備中。因此有：

式中：eCHP,ESt為t時(shí)刻從CHP機(jī)組流向儲(chǔ)電裝置的電功率；hCHP,TSt為t時(shí)刻從CHP機(jī)組流向儲(chǔ)熱裝置的熱功率。

熱電聯(lián)產(chǎn)的最大輸出功率為其額定容量，也是與市場的約定容量，此外，如果熱電聯(lián)產(chǎn)的輸出量低于下限閾值，其將會(huì)被關(guān)閉。熱電聯(lián)產(chǎn)運(yùn)行限制條件如下式：

式中：PCHPmax，PCHPmin分別為熱電聯(lián)產(chǎn)的最大輸出功率、最小輸出功率；FRCHPt為t時(shí)刻CHP機(jī)組的可調(diào)容量。

熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)熱能hCHPt的產(chǎn)生依賴于原動(dòng)機(jī)以及熱電聯(lián)產(chǎn)產(chǎn)生的電能：

其中

式中：rCHPt為熱電功率比，取決于原動(dòng)機(jī)的技術(shù)；fh()為熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組的熱電比函數(shù)。

此外，部分負(fù)荷率ηCHPt和rCHPt均是指原動(dòng)機(jī)的規(guī)格，可以定義為

式中：fe()為機(jī)組綜合效率函數(shù)。

假定fh（·）和fe（·）兩個(gè)多項(xiàng)式函數(shù)的次數(shù)為1。

1.3.3 蓄電設(shè)備的制約因素

蓄電裝置的總流入電量和流出電量受其額定容量的限制：

式中：eES,gt為從電儲(chǔ)能流向的電網(wǎng)功率；ePV,ESt為從光伏對(duì)電儲(chǔ)能充電的功率。

在蓄電裝置中，其能量（被定義為充電狀態(tài)SOC，單位為kW·h）從一個(gè)時(shí)間步移向下一個(gè)時(shí)間，而且其蓄電量在每個(gè)時(shí)間步結(jié)束后都會(huì)根據(jù)被充放電能的量而進(jìn)行更新。

式中：ηES,ht，ηES,dist分別為電儲(chǔ)能裝置的充放電效率，他們會(huì)隨著電儲(chǔ)能設(shè)備的老化而降低；SOCESt為t時(shí)刻電儲(chǔ)能裝置的荷電狀態(tài)。

顯而易見，蓄能裝置的蓄能量不能超過其最大容量。此外，蓄能裝置應(yīng)留出20%的安全儲(chǔ)備容量。再者，在考慮蓄能系統(tǒng)運(yùn)行的制約因素時(shí)，應(yīng)將市場中的承諾容量考慮在內(nèi)，因此可得：

1.3.4 儲(chǔ)熱設(shè)備的制約因素

TS裝置充放熱的總量受限于裝置自身的特點(diǎn)：

式中：hCHP,TSt為CHP機(jī)組給儲(chǔ)熱裝置提供的熱能；QTS,chmax為儲(chǔ)熱裝置的最大儲(chǔ)熱容量；hTS,demt為儲(chǔ)熱裝置向負(fù)荷提供的熱量；QTS,dismax為儲(chǔ)熱裝置最大放熱容量。儲(chǔ)熱裝置中的熱能級(jí)從一個(gè)時(shí)間移動(dòng)到下一時(shí)間。儲(chǔ)熱量會(huì)在每個(gè)時(shí)間步長結(jié)束時(shí)根據(jù)充放熱能的量進(jìn)行更新：

式中：SOCTSt為t時(shí)刻儲(chǔ)熱裝置的等效荷電狀態(tài)；ηTS,storet為儲(chǔ)熱裝置的熱電轉(zhuǎn)化效率；ηTS,cht，ηTS,dist分別為儲(chǔ)熱裝置的儲(chǔ)/放熱效率。ηTS,storet會(huì)隨著熱儲(chǔ)能設(shè)備的老化而降低。另外，儲(chǔ)熱裝置中存儲(chǔ)的熱能不能超過其最大容量，即

1.3.5 光伏系統(tǒng)的制約因素

可再生裝置中產(chǎn)生的電用于滿足電力需求并為蓄電裝置充電：

請(qǐng)注意，光伏系統(tǒng)產(chǎn)生的電量可根據(jù)太陽輻射和已安裝光伏系統(tǒng)的標(biāo)稱容量用函數(shù)進(jìn)行計(jì)算。

2 算例分析

本研究選取了一個(gè)位于新澤西州的一家中型工業(yè)園區(qū)建筑作為研究對(duì)象，該建筑是一個(gè)單排工業(yè)園區(qū)，其數(shù)據(jù)可從能源部能源消耗參考數(shù)據(jù)庫中獲得。在此案例研究中，所有估算值都是基于該面積為29.89 km2的大型智能工業(yè)園區(qū)，其每年的電力消耗為32 956 689 kW·h和天然氣消耗為87 500 000 m3。該建筑物的電熱需求概況，如圖1所示?？梢钥闯觯瑯I(yè)區(qū)的電需求和熱需求并無關(guān)聯(lián)。

圖1 一個(gè)典型工業(yè)園區(qū)平均每天每小時(shí)能源需求情況Fig.1 Energy demand per hour per day for a typical industrial park

根據(jù)EnergyPlus建筑模擬工具，將關(guān)鍵負(fù)載指定為每個(gè)最終用途關(guān)鍵部分的一個(gè)百分比值，詳見表1。熱電聯(lián)產(chǎn)原動(dòng)機(jī)特性如表2所示。

表1 關(guān)鍵負(fù)載占該工業(yè)園區(qū)區(qū)各最終用途關(guān)鍵部分的百分比Tab.1 Percentage of critical loads in each end use critical part of the industrial park area

表2 熱電聯(lián)產(chǎn)原動(dòng)機(jī)特性Tab.2 Characteristics of prime mover for CHP

2.1 光伏-電池儲(chǔ)能系統(tǒng)（PV-ES）：

針對(duì)不同蓄電配置本文分析了光伏-電儲(chǔ)能系統(tǒng)的彈性和經(jīng)濟(jì)目標(biāo)。假定光伏系統(tǒng)的裝機(jī)容量可滿足年用電量的80%。對(duì)于電池蓄電系統(tǒng)，將額定容量分為峰值臨界負(fù)載的50%和100%進(jìn)行考慮。此外，對(duì)于每個(gè)額定容量，持續(xù)時(shí)間參數(shù)被設(shè)定在30 min～5 h范圍內(nèi)。圖2為蓄電池占比50%，100%時(shí)凈現(xiàn)值以及一個(gè)典型工業(yè)園區(qū)設(shè)施關(guān)鍵需求的百分比。

圖2 不同蓄電池占比情況下園區(qū)用電需求Fig.2 Power demand of the park under different battery proportions

如圖2所示，已安裝系統(tǒng)在區(qū)域內(nèi)獲得了更多收入。這是因?yàn)樵赑V高峰時(shí)段之后，該工業(yè)園區(qū)仍保持較高的消費(fèi)量。因此，如果配電公司1的按需電費(fèi)設(shè)定得很高的話，蓄電池就可以創(chuàng)造更多價(jià)值。

2.2 熱電聯(lián)產(chǎn)、蓄電池及儲(chǔ)熱系統(tǒng)（CHP-ES-TS）

對(duì)于每種熱電聯(lián)產(chǎn)技術(shù)，考慮了兩種不同的設(shè)計(jì)方法：基于設(shè)施電力需求的最大矩形方法和基于設(shè)施熱需求的最大矩形方法。此外，具體分析了位于新澤西州一個(gè)典型的工業(yè)園區(qū)，以探究采用不同原動(dòng)機(jī)技術(shù)和尺寸大小可為不同配置的CHP-ES-TS系統(tǒng)節(jié)約的成本以及帶來的收益。

表3為案例研究結(jié)果，該案例研究考慮了不同熱電聯(lián)合原動(dòng)力、不同配電公司和配氣公司以及各種儲(chǔ)能系統(tǒng)容量。表3說明了節(jié)能情況、調(diào)節(jié)增加值、以及安裝電儲(chǔ)能系統(tǒng)對(duì)表3案例的影響。結(jié)果表明，采用基于熱需求的第二種設(shè)計(jì)方法，可以建立一個(gè)龐大的系統(tǒng)，進(jìn)而顯著增加年收益。如表4所示，該方法能源成本節(jié)約的貢獻(xiàn)度更高（見成本節(jié)約百分比）。這是因?yàn)殡娦枨蠛蜔嵝枨笫遣幌嚓P(guān)的（見圖1），白天過多的熱量可以存儲(chǔ)在儲(chǔ)熱設(shè)備中，并在清晨（熱需求的高峰時(shí)間）進(jìn)行使用。這種現(xiàn)象使大型蓄能系統(tǒng)在節(jié)約能源成本方面更具優(yōu)勢。

表3 CHP-ES-TS特性Tab.3 CHP-ES-TS characteristics

表4 該工業(yè)園區(qū)區(qū)的CHP-ES-TS經(jīng)濟(jì)效益Tab.4 Economic benefits of CHP-ES-TS in the industrial park

3 結(jié)論

在本研究中，對(duì)于熱電聯(lián)產(chǎn)，光伏系統(tǒng)和熱/電儲(chǔ)能等分布式能源系統(tǒng)的運(yùn)營和財(cái)務(wù)進(jìn)行了分析和評(píng)估。本文的目標(biāo)在于識(shí)別影響分布式能源系統(tǒng)組合，配電和配氣公司的分布式能源系統(tǒng)財(cái)務(wù)和彈性價(jià)值的因素，并結(jié)合具體案例對(duì)這些因素進(jìn)行評(píng)估。最終，研究結(jié)果表明，不同的分布式能源系統(tǒng)技術(shù)和配置對(duì)設(shè)施中熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)附加值有很大的影響。研究顯示，由于熱能需求情況和電能需求情況之間的不相關(guān)性，蓄能系統(tǒng)結(jié)合熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)可以降低能源成本。同時(shí)通過對(duì)蓄能系統(tǒng)的激勵(lì)計(jì)劃，能夠增強(qiáng)電網(wǎng)在停電期間的彈性。