先進(jìn)絕熱壓縮空氣儲(chǔ)能多能流優(yōu)化調(diào)度模型

徐衛(wèi)君 張 偉 胡宇濤 尹俊杰 王建華

先進(jìn)絕熱壓縮空氣儲(chǔ)能多能流優(yōu)化調(diào)度模型

徐衛(wèi)君1張 偉2胡宇濤3尹俊杰4王建華4

（1. 國(guó)網(wǎng)江蘇省電力有限公司常州市金壇區(qū)供電分公司 常州 213164 2. 國(guó)網(wǎng)江蘇省電力有限公司常州市供電分公司 常州 213164 3. 東南大學(xué)軟件學(xué)院 蘇州 215000 4. 東南大學(xué)電氣工程學(xué)院 南京 210000）

先進(jìn)絕熱壓縮空氣儲(chǔ)能（AA-CAES）是一種可實(shí)現(xiàn)大容量和長(zhǎng)時(shí)間電能存儲(chǔ)的電力儲(chǔ)能系統(tǒng)，其儲(chǔ)能的過(guò)程中會(huì)伴隨產(chǎn)生額外的多種能流，若將運(yùn)行中產(chǎn)生的額外能流收集起來(lái)，AA-CAES可作為微型綜合能源系統(tǒng)進(jìn)行使用。該文通過(guò)基于能源集線器（EH）構(gòu)建通用能量交換分析模型，針對(duì)AA-CAES內(nèi)部組件壓縮機(jī)、透平機(jī)、換熱器等部件進(jìn)行模塊化矩陣建模，分析其熱力學(xué)特性和能流產(chǎn)生效率，研究AA-CAES的多能流聯(lián)供調(diào)度策略。以最大化經(jīng)濟(jì)性運(yùn)行為目標(biāo)，提出了一種基于能源集線器矩陣化建模的AA-CAES多能流優(yōu)化調(diào)度模型，并采用典型的壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)設(shè)備數(shù)據(jù)，進(jìn)行仿真驗(yàn)證。仿真結(jié)果表明，AA-CAES作為微型綜合能源系統(tǒng)具有較好的經(jīng)濟(jì)性，并且可以實(shí)現(xiàn)日常的熱電聯(lián)供，減少或降低其他供熱系統(tǒng)的能耗，提高區(qū)域的能量利用效率。

微型綜合能源系統(tǒng) 先進(jìn)絕熱壓縮空氣儲(chǔ)能（AA-CAES） 能源集線器（EH） 矩陣化 多能流

0 引言

隨著化石能源枯竭和環(huán)境污染問(wèn)題的日益嚴(yán)重，大力發(fā)展分布式可再生電源，提高綜合能源利用效率，已成為各國(guó)政府、企業(yè)和民眾的共識(shí)[1-2]。我國(guó)目前已經(jīng)開始大力發(fā)展清潔能源，由于風(fēng)電、光伏等新能源發(fā)電具有波動(dòng)性、不確定性，其大規(guī)模并網(wǎng)將對(duì)電網(wǎng)的安全和穩(wěn)定運(yùn)行產(chǎn)生沖擊[3]。而儲(chǔ)能裝置由于具有對(duì)功率和能量的時(shí)間遷移能力，其應(yīng)用可以使原本剛性連接的電力系統(tǒng)呈現(xiàn)柔性，從而為大規(guī)模風(fēng)電、光伏等新能源發(fā)電并網(wǎng)問(wèn)題的解決，提供技術(shù)解決方案[4]。其中先進(jìn)絕熱壓縮空氣儲(chǔ)能（Advanced Adiabatic Compressed Air Energy Storage, AA-CAES），由于存儲(chǔ)量大、轉(zhuǎn)換效率高，具有良好的應(yīng)用前景，近些年來(lái)受到國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注，被認(rèn)為是當(dāng)今具發(fā)展?jié)摿Φ拇笠?guī)模儲(chǔ)能技術(shù)之一[5]。AA-CAES電站不但可為系統(tǒng)提供調(diào)峰、備用、無(wú)功調(diào)節(jié)等多類型輔助服務(wù)[6-8]，還有一項(xiàng)具有顯著優(yōu)勢(shì)的特性——冷熱電聯(lián)供特性[9]，該特性可使AA-CAES作為微型綜合能源系統(tǒng)使用，通過(guò)能量梯級(jí)利用和靈活的能源利用模式，實(shí)現(xiàn)對(duì)輸入能源高達(dá)90%的一次能源利用率[10-11]。

綜合能源系統(tǒng)的規(guī)劃和運(yùn)行是以各個(gè)能源網(wǎng)絡(luò)的建模和分析為基礎(chǔ)的[12]，為了對(duì)具有不同物理本質(zhì)的能源系統(tǒng)進(jìn)行統(tǒng)一規(guī)劃調(diào)度，已有學(xué)者開展了大量研究。文獻(xiàn)[13]建立了多能源網(wǎng)絡(luò)支路層能量流的統(tǒng)一數(shù)學(xué)方程，通過(guò)拉普拉斯變換和戴維南等值定理，將多能源網(wǎng)絡(luò)在時(shí)域的復(fù)雜傳輸特性轉(zhuǎn)換為拉普拉斯域簡(jiǎn)單的代數(shù)問(wèn)題。文獻(xiàn)[12]提出直觀的統(tǒng)一能路方法論，并以天然氣網(wǎng)絡(luò)、熱力網(wǎng)絡(luò)為研究對(duì)象，推導(dǎo)了統(tǒng)一能路理論中的氣路、水路與熱路模型。這些研究和方法論對(duì)數(shù)學(xué)化研究綜合能源系統(tǒng)提出了一定的指導(dǎo)意見(jiàn)。

國(guó)內(nèi)外在綜合能源系統(tǒng)矩陣化建模方面也有較為深入的研究。蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院P. Favre-Perrod教授團(tuán)隊(duì)于2005年提出能源集線器（Energy Hub, EH）概念。EH是一種用來(lái)表示不同能源載體輸入、輸出、轉(zhuǎn)換、存儲(chǔ)的多端口裝置[14]，并于2007年首次提出通過(guò)耦合矩陣描述EH內(nèi)部的能源分配和轉(zhuǎn)換關(guān)系[15]。EH可以將電、熱、冷等多種能源進(jìn)行相互耦合并整合到一個(gè)微型綜合能源系統(tǒng)中，通過(guò)對(duì)EH進(jìn)行矩陣化建模，可以對(duì)微型綜合能源系統(tǒng)的運(yùn)行機(jī)理進(jìn)行詳細(xì)研究[16]。

目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)在AA-CAES多能流聯(lián)供和優(yōu)化調(diào)度方面開展了大量研究。文獻(xiàn)[17]將AA-CAES與風(fēng)電場(chǎng)相結(jié)合，研究在AA-CAES在變工狀態(tài)下的運(yùn)行特性，并給出一種混合整數(shù)線性規(guī)劃模型來(lái)描述變工狀態(tài)下的AA-CAES；文獻(xiàn)[18]通過(guò)對(duì)文獻(xiàn)[19-21]的分析，提出一種考慮AA-CAES裝置參與熱電聯(lián)儲(chǔ)/供的微型綜合能源系統(tǒng)優(yōu)化運(yùn)行策略，并通過(guò)經(jīng)濟(jì)性角度分析得出該優(yōu)化調(diào)度模型可以削減微型綜合能源系統(tǒng)的運(yùn)行成本。

本文提出一種基于能源集線器矩陣化建模的壓縮空氣儲(chǔ)能多能流優(yōu)化調(diào)度模型。該模型通過(guò)矩陣化建模方式，對(duì)AA-CAES系統(tǒng)進(jìn)行簡(jiǎn)化，通過(guò)建立分配矩陣和效率矩陣對(duì)各能流之間相互轉(zhuǎn)換關(guān)系進(jìn)行描述。最后從經(jīng)濟(jì)性的角度進(jìn)行建模分析，提出基于AA-CAES的微型綜合能源系統(tǒng)調(diào)度策略，充分發(fā)揮其在多能流聯(lián)供方面的優(yōu)越性能。

1 基于能源集線器概念的通用能量交換分析模型

能源集線器概念是蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院P. Favre-Perrod教授團(tuán)隊(duì)，于2005年提出的一種描述不同能源載體輸入、輸出、轉(zhuǎn)換的多端口裝置。可基于能源集線器概念，提出一種通用能量交換分析模型，該模型對(duì)AA-CAES模型的多能流聯(lián)供特性進(jìn)行簡(jiǎn)化，弱化了AA-CAES內(nèi)部的復(fù)雜變化，通過(guò)分配矩陣和效率矩陣對(duì)AA-CAES內(nèi)部的能量轉(zhuǎn)換進(jìn)行描述。通用能量交換分析模型的耦合矩陣描述了能流從集線器的輸入到輸出的轉(zhuǎn)換，元素可從集線器的轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)和轉(zhuǎn)換器的效率特性中得出。該模型對(duì)電、氣、熱等各種能量流均可使用，適用的程度取決于所進(jìn)行的研究類型。該模型由三個(gè)模塊構(gòu)成，分別為能量輸入端、能量輸出端和能量轉(zhuǎn)換模塊，如圖1所示。

圖1 通用能量交換分析模型

通用能量交換分析模型的左端由多種初始能量輸入構(gòu)成；能量經(jīng)過(guò)能源集線器內(nèi)部轉(zhuǎn)換后，變成多種能量向外輸出；在數(shù)學(xué)上通用能量交換分析模型可用映射函數(shù)進(jìn)行表示，即

可以簡(jiǎn)記為

2 基于能量集線器的AA-CAES的多能流架構(gòu)

2.1 AA-CAES系統(tǒng)內(nèi)部矩陣化建模

圖2 基于EH的AA-CAES系統(tǒng)及內(nèi)部元件示意圖

在二號(hào)換熱器中，其輸入端由高壓壓縮機(jī)中流出的高溫高壓氣體和從低溫儲(chǔ)熱器中分配過(guò)來(lái)的冷能共同作用，通過(guò)能量交換將攜帶的熱能進(jìn)行換出。隨后從二號(hào)換熱器的輸出端口中流出熱能和較低溫的高壓氣體，會(huì)進(jìn)入儲(chǔ)氣系統(tǒng)，在儲(chǔ)氣系統(tǒng)中忽略傳輸和存儲(chǔ)過(guò)程中對(duì)高壓氣體的損耗，可得儲(chǔ)氣系統(tǒng)的輸入矩陣、輸出矩陣為