朱永強(qiáng)， 趙 娜， 王福源， 王 欣(新能源電力系統(tǒng)國家重點實驗室， 華北電力大學(xué)， 北京 102206)

1 引言

能源為人類生活與生產(chǎn)提供能量來源，每一次工業(yè)革命都離不開能源類型和使用方式的革新。現(xiàn)有能源系統(tǒng)在取得了令世人矚目的成就的同時，也面臨著嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，如能源生產(chǎn)的不可持續(xù)性、能源使用的低效和能源行業(yè)的內(nèi)向保守等，亟需新一輪的能源變革來保證能源行業(yè)的蓬勃發(fā)展，因此能源互聯(lián)網(wǎng)的概念也應(yīng)運而生。

能源互聯(lián)網(wǎng)的概念剛剛提出，對其理念、架構(gòu)、組成等都還未有一個統(tǒng)一的認(rèn)識和定義，對于該概念的理解也是多種多樣，業(yè)界對于如何構(gòu)建能源互聯(lián)網(wǎng)體系仍莫衷一是?？偟膩碚f，能源互聯(lián)網(wǎng)的主要特點是：通過電能、熱能、化學(xué)能、機(jī)械能等多種能源的相互轉(zhuǎn)換和互補(bǔ)，借助交通網(wǎng)提供互聯(lián)的基礎(chǔ)設(shè)施，將電力網(wǎng)、熱力網(wǎng)、氣網(wǎng)、煤油網(wǎng)、水網(wǎng)等多種能源網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)互通融為一體，實現(xiàn)多種能源系統(tǒng)的信息共享。

在能源互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展背景下，儲能將成為能源互聯(lián)網(wǎng)的重要基礎(chǔ)支撐和關(guān)鍵技術(shù)設(shè)備，在能源互聯(lián)網(wǎng)中發(fā)揮能量中轉(zhuǎn)、匹配和優(yōu)化的重要作用[1]。目前關(guān)于儲能在能源互聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用和地位尚未得到很大的關(guān)注。文獻(xiàn)[2]給出了廣義電力儲能的定義，對儲能在能源互聯(lián)網(wǎng)中的關(guān)鍵應(yīng)用技術(shù)進(jìn)行了探討。指出了新能源發(fā)電與儲能的協(xié)調(diào)規(guī)劃和調(diào)度技術(shù)、基于儲能的能源路徑和能源分配策略、儲能與能量轉(zhuǎn)換裝置的集成設(shè)計和協(xié)調(diào)配置、考慮儲能的能源交易機(jī)制是儲能在能源互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中的幾項關(guān)鍵技術(shù)。文獻(xiàn)[3]介紹了儲能技術(shù)在能源互聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用，如電網(wǎng)調(diào)峰調(diào)頻，平滑可再生能源發(fā)電波動，改善配電質(zhì)量和可靠性，作為基站、社區(qū)或家庭備用電源，分布式微電網(wǎng)儲能等。文獻(xiàn)[4]系統(tǒng)地比較了目前各種儲能技術(shù)的研究進(jìn)展，對儲能技術(shù)的原理以及儲能技術(shù)的特性進(jìn)行分析，總結(jié)了不同儲能技術(shù)的優(yōu)缺點及其應(yīng)用范圍。文獻(xiàn)[5]為保證系統(tǒng)內(nèi)部功率，設(shè)計了儲能裝置工作狀態(tài)及控制策略。

本文在能源互聯(lián)網(wǎng)背景下，介紹了不同形式的儲能原理及特點，對其性能進(jìn)行了總結(jié)，根據(jù)儲能協(xié)調(diào)在能源互聯(lián)網(wǎng)中的作用明確了多種儲能在能源互聯(lián)網(wǎng)中協(xié)調(diào)的必要性，總結(jié)了多種儲能間協(xié)調(diào)的原則，并在該原則下給出了能源互聯(lián)網(wǎng)中儲能協(xié)調(diào)配合的實施方法。

2 多種儲能協(xié)調(diào)配合的必要性

2.1 不同儲能技術(shù)的性能

儲能作為能源互聯(lián)網(wǎng)的五大支柱之一，其在能源互聯(lián)網(wǎng)中的作用不言而喻。不同儲能方式的性能見表1[6-9]，不同的儲能有各自的優(yōu)缺點，可實現(xiàn)不同的功能。

表1 不同儲能形式的性能Tab.1 Performance of different energy storage forms

2.2 多種儲能協(xié)調(diào)配合的必要性

由于能源互聯(lián)網(wǎng)的核心特性是多種能源的轉(zhuǎn)化和互聯(lián)，其能源網(wǎng)絡(luò)已從電力網(wǎng)拓展到包含電力網(wǎng)、煤油網(wǎng)、燃?xì)饩W(wǎng)、熱力網(wǎng)、水網(wǎng)等多種能源形式的網(wǎng)絡(luò)，因而其儲能也從單純的儲電拓展到儲電、儲氫、儲熱、儲煤等多種儲能方式。能源互聯(lián)網(wǎng)的各種儲能結(jié)構(gòu)如圖1所示。電能、煤、石油、天然氣等能源之間可以進(jìn)行相互轉(zhuǎn)換，不同的能源通過電網(wǎng)、天然氣管網(wǎng)等不同的能量傳輸網(wǎng)進(jìn)行能量傳輸并進(jìn)行相應(yīng)的能量存儲，最終能量管理系統(tǒng)對用戶需求數(shù)據(jù)、能量供應(yīng)數(shù)據(jù)以及能量存儲數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，將不同的能量進(jìn)行合理的協(xié)調(diào)分配。

圖1 能源互聯(lián)網(wǎng)的各種儲能結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure diagram of Energy Internet with various energy storages

儲能的形式多種多樣，為保證系統(tǒng)的穩(wěn)定、高效運行，需要各種形式的儲能合理搭配和協(xié)調(diào)。本文從五個方面對儲能協(xié)調(diào)的重要性進(jìn)行了分析，如圖2所示，并對每個方面進(jìn)行具體分析。

(1)減少系統(tǒng)儲能冗余量

圖2 儲能協(xié)調(diào)的重要性Fig.2 Necessities of coordination of various energy storages

當(dāng)能源互聯(lián)網(wǎng)或局部能源互聯(lián)網(wǎng)中不同的儲能共同發(fā)揮作用時，每一種儲能都有與之對應(yīng)的需求，需求量會不斷地變化，而每一種儲能的最大需求量并不會出現(xiàn)在同一時刻，將需求較少的能量存儲方式向需求較大的能量存儲方式進(jìn)行轉(zhuǎn)換，可以減少需求較高的儲能需求總量，并有效利用需求較少儲能的剩余能量，從而使得系統(tǒng)儲能的冗余量減少。

(2)充分利用大型儲能設(shè)備的剩余容量

對于一些大型儲能設(shè)備，如抽水蓄能、壓縮氣體等，其儲能的容量較大、功率等級較高，在滿足能源互聯(lián)網(wǎng)對其需求的同時，其剩余容量也可應(yīng)用到其他需要的場所，在信息共享的能源互聯(lián)網(wǎng)結(jié)構(gòu)中儲能協(xié)調(diào)使大型能量設(shè)備剩余容量充分利用。

(3)提高能量利用率

通過各種儲能的相互轉(zhuǎn)換和替代使得各種儲能合理搭配，可充分利用多種能源，優(yōu)先選用轉(zhuǎn)換效率較高的儲能方式，提高轉(zhuǎn)換效率。同時可減少某些自放電率較高的儲能的存儲時間，從而減少能量存儲帶來的能量衰減，提高存儲能量的利用效率。

(4)提高系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性

通過不同能量之間的轉(zhuǎn)換，可減少能源缺乏帶來的運輸成本；通過能量之間的替代，可減少能量冗余產(chǎn)生的儲存費用；多種儲能間協(xié)調(diào)配合，可減少儲能設(shè)備進(jìn)行多次循環(huán)帶來的設(shè)備更新費用，也可通過減少裝置帶來的環(huán)境污染，減少環(huán)境保護(hù)成本從而提高系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性。

(5)保證系統(tǒng)的安全性

各種儲能在安全上互為備用和支撐，當(dāng)一種儲能出現(xiàn)故障或由于某種其他原因無法提供所需能量時，其他儲能可以通過能量轉(zhuǎn)換或者直接替代的方式發(fā)揮該儲能在能源互聯(lián)網(wǎng)中的作用，保證整個網(wǎng)絡(luò)的安全穩(wěn)定運行。另外，當(dāng)電網(wǎng)中各機(jī)組在受擾動時，各種儲能還可以向電網(wǎng)提供功率支撐，使之仍能保持同步運行，減小系統(tǒng)失穩(wěn)概率，保障系統(tǒng)安全[10]。

3 多種儲能協(xié)調(diào)配合的原則及關(guān)系

3.1 多種儲能協(xié)調(diào)配合的原則

各種形式的儲能在能源互聯(lián)網(wǎng)中協(xié)調(diào)搭配，共同保證系統(tǒng)的穩(wěn)定、高效、經(jīng)濟(jì)運行。根據(jù)需求情況及不同儲能的特點合理安排各種儲能才能滿足能源互聯(lián)網(wǎng)各種性能的要求。本文提出多種儲能間協(xié)調(diào)時應(yīng)遵循的原則：

(1)滿足儲能總量的需求

在安排各種儲能裝置的安裝容量時，滿足系統(tǒng)對儲能總量的需求是儲能協(xié)調(diào)的前提，儲能總量滿足需求才能使能源互聯(lián)網(wǎng)總體達(dá)到供需平衡，保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。

(2)保障系統(tǒng)的基本性能

能源互聯(lián)網(wǎng)中，各能源子網(wǎng)都有自己的儲能需求，每種形式的儲能在系統(tǒng)中都有不同的作用。對于有多種儲能的系統(tǒng)，必須保證一些必需的能量存儲形式及數(shù)量來確保系統(tǒng)可實現(xiàn)其基本性能，安全穩(wěn)定地運行。剩余的能量存儲可以參與協(xié)調(diào)和調(diào)度，如圖3所示?；緝δ苄枨蟾鶕?jù)不同儲能形式基本需求量和基本性能進(jìn)行固定分配，對多余儲能根據(jù)最佳的協(xié)調(diào)效果進(jìn)行分配調(diào)度。

圖3 儲能參與能源互聯(lián)網(wǎng)的協(xié)調(diào)Fig.3 Participation and coordination of energy storage in Energy Internet

(3)滿足功率需求

不同場合由于其發(fā)展程度不同，對于功率等級要求不一，如工業(yè)城市要求功率等級較高，發(fā)展落后及人均分布密度低的地區(qū)對于功率等級要求較低，通過多種儲能的協(xié)調(diào)可滿足功率等級的需求。

(4)保障存儲和釋放的速度最合理

不同場所對儲能裝置的性能要求不同，不同儲能形式的存儲速度不同，如一些新能源發(fā)電滲透率較高的場所易出現(xiàn)較大功率波動，要求安裝有存儲及釋放迅速的儲能裝置，因此在搭配儲能裝置時需要考慮儲能裝置存儲和釋放能量的速度快慢，以保證系統(tǒng)運行的可靠性。

(5)保證能源利用效率最高

能源利用效率涉及存儲效率及轉(zhuǎn)換效率。多種儲能方式在能量存儲期間能量的衰減程度不同，應(yīng)該選擇能量損失較小、自耗散率較小的存儲方式來提高能量存儲效率。對于復(fù)雜的能源互聯(lián)網(wǎng)，能量存在形式多樣，同種能量需求可以通過不同的能源提供，因此存在不同的能量轉(zhuǎn)換方式。不同能量轉(zhuǎn)換方式的轉(zhuǎn)換效率不同，轉(zhuǎn)換效率公式為：

因此在選擇不同能量提供時要綜合考慮能量的存儲效率及轉(zhuǎn)換效率。

(6)保證系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)

儲能系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性受多種因素的影響，包括不同材料成本的波動、使用壽命的長短、能量自耗散率等，在選擇不同的儲能方式時應(yīng)保證儲能的成本最低，經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)。

3.2 各原則之間的關(guān)系

首先，應(yīng)滿足儲能的總需求量和各子網(wǎng)的基本性能需求，以保證系統(tǒng)基本的正常運行。當(dāng)系統(tǒng)的基本性能得到滿足時，需要保證系統(tǒng)的額定功率需求以及適當(dāng)?shù)哪芰看鎯歪尫潘俣?，從而保證系統(tǒng)的安全穩(wěn)定。

當(dāng)上述原則都遵循時，最佳協(xié)調(diào)、合理的能源利用率和經(jīng)濟(jì)效益是應(yīng)考慮的目標(biāo)。不同儲能的協(xié)調(diào)原則及關(guān)系如圖4所示。

圖4 不同儲能的協(xié)調(diào)原則及關(guān)系Fig.4 Principles of coordination of various energy storages and their relations

4 多種儲能協(xié)調(diào)配合的實施過程

4.1 實施步驟

具體的實施流程如圖5所示。

圖5 多儲能協(xié)調(diào)原則的實施步驟Fig.5 Implementing steps of coordination of various energy storages

(1)明確需要遵循的原則，根據(jù)具體的場合選擇需要遵循的原則(3.1節(jié)原則的全部或部分)。

(2)確定各能源網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部的儲能總量及儲能的基本需求，即確定不能用其他儲能替代的部分，其形式及數(shù)量固定，用來保障系統(tǒng)的基本性能。

(3)根據(jù)配置原則協(xié)調(diào)配置各個能源網(wǎng)絡(luò)的儲能系統(tǒng)。

(4)采用合適的優(yōu)化方法得到各種儲能在能源互聯(lián)網(wǎng)中合理的協(xié)調(diào)和分配方案。

4.2 目標(biāo)與約束條件的協(xié)調(diào)

(1)目標(biāo)函數(shù)

設(shè)某一能源網(wǎng)絡(luò)所需儲能系統(tǒng)提供的總能量(本處所指能量為儲能轉(zhuǎn)換之后的能量，不同于儲存能量，下同)為Etotal，固定的基本能量需求為Ebasic，其中有m種儲能形式，每種儲能形式基本需求量為ei(i=1,2,…,m)，剩余對于儲能形式無要求的需求量中對實時性有要求(發(fā)電達(dá)到秒級)的能量為Ereal，對實時性無要求的能量為Enon-re。該區(qū)域共有n種儲能方式，每種儲能方式的儲存能量為xi(i=1,2,…,n，n≥m)。以經(jīng)濟(jì)性和儲能效率原則為目標(biāo)，對存在的儲能方式及容量進(jìn)行協(xié)調(diào)配置。

1)經(jīng)濟(jì)性

不同儲能方式的成本有很大差異，根據(jù)表1可知，壓縮空氣、抽水儲能及相變儲能技術(shù)的成本較低、能量自耗散率較低，且壓縮空氣、抽水儲能技術(shù)發(fā)展較成熟，在條件允許的情況下應(yīng)優(yōu)先選擇?？偝杀緸椋?/p>

C=∑xif(Cimin,Cimax)

(1)

式中，Cimin和Cimax為第i種儲能的成本的最小值和最大值；f函數(shù)為根據(jù)實際情況對于成本的選取。

2)能量利用率

每種儲能方式都有不同的轉(zhuǎn)換率，在能量需求相同的情況下不同儲能方式需要存儲的能量不同，即消耗的能量不同。因此在條件允許的情況下應(yīng)優(yōu)先選擇轉(zhuǎn)換效率較高的儲能方式，本文以相同轉(zhuǎn)換能量下消耗的存儲能量來表征能量利用率的大小。為滿足該能源網(wǎng)絡(luò)的能量需求，所需消耗的總存儲能量為：

(2)

(2)約束條件

各種儲能之間協(xié)調(diào)配置時應(yīng)滿足的約束條件如下：

1)能量約束

任何形式的儲能接入都會改變能源互聯(lián)網(wǎng)的能量分布，但總體都會遵循能量守恒，即

ES-ESt=EL

(3)

式中，ES為能源互聯(lián)網(wǎng)中不同能源網(wǎng)絡(luò)釋放的能量；ESt為儲能裝置存儲能量；EL為能源互聯(lián)網(wǎng)中消耗的能量。

2)設(shè)備及原料約束

由于儲能原料供應(yīng)及設(shè)備硬件的承受能力有限，可儲存的能量會受到限制，如抽水儲能由于水量的限制，壓縮空氣儲能地下儲室的容量限制，使能量儲存低于某個限值。設(shè)每種儲存方式的最大儲存量為Ximax，則約束條件為：

xi≤Ximax

(4)

3)總量約束

為保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運行，儲能裝置存儲的能量應(yīng)滿足總量的需求，即所有儲能形式的儲能總量應(yīng)不小于所需儲能總量：

(5)

式中，ηi為儲能的效率。

4)基本性能約束

為保障系統(tǒng)的基本性能，需要一定數(shù)量的固定方式的儲能，即保障系統(tǒng)對于儲能的基本需求。

xiηi≥eii=1,2,…,m

(6)

5)實時性約束

對于一些大擾動、瞬時性故障通常需要實時性比較高的儲能形式來保證系統(tǒng)的可靠性，因此要求存在達(dá)到秒級的儲能形式，即超導(dǎo)儲能、飛輪儲能、超級電容和鉛酸電池，本文將其統(tǒng)稱為實時性儲能(Real-Time Energy Storage，RTES)。約束條件為：

∑(xiηi-ei)≥Ereal第i種儲能∈RTES

(7)

4.3 具體背景下的儲能協(xié)調(diào)調(diào)度

粒子群優(yōu)化算法(PSO)[11]的概念在1995年出現(xiàn)，其算法簡單，容易實現(xiàn)。基本的粒子群優(yōu)化算法的思想是群中各成員之間能夠進(jìn)行交流，并通過信息交換進(jìn)行自身學(xué)習(xí)和經(jīng)驗積累，主動或被動地改變自身的行為以增強(qiáng)自身環(huán)境適應(yīng)能力，在優(yōu)勝劣汰的機(jī)制下，較優(yōu)成員可獲得相對較大的生存概率以實現(xiàn)群體行為的優(yōu)化[12]。基本粒子群算法的學(xué)習(xí)模式可表示為：

學(xué)習(xí)模式=自身經(jīng)驗+慣量學(xué)習(xí)+社會知識

文獻(xiàn)[13]引入慣性權(quán)重參數(shù)w，得到帶慣性權(quán)重的PSO模型，求第i個粒子在迭代k+1次后第d維函數(shù)值的具體數(shù)學(xué)公式如下：

(8)

式中，vid為第i個粒子的第d維運動速度；xid為第i個粒子的第d維位置坐標(biāo)；變量上標(biāo)括號內(nèi)為迭代次數(shù)；c1、c2為加速因子；r1、r2為(0，1)之間的隨機(jī)數(shù)；pid為個體位置最優(yōu)；pld為群體位置最優(yōu)。粒子群算法的流程圖如圖6所示。

圖6 粒子群算法流程圖Fig.6 Flow chart of PSO

5 算例分析

本文對成本、轉(zhuǎn)換效率等參數(shù)進(jìn)行適當(dāng)選取，設(shè)置能源網(wǎng)的相關(guān)參數(shù)如下：所需儲能系統(tǒng)提供的總能量Etotal為3000MW·h，固定的基本能量需求Ebasic為1500 MW·h，其中有4種儲能形式，每種儲能形式基本需求量如表2所示，剩余儲能中Ereal為600MW·h，Enon-re為900MW·h。該網(wǎng)絡(luò)中存在表1中的8種儲能方式，每種儲能方式儲存能量的最大值見表2。

表2 儲能協(xié)調(diào)系統(tǒng)參數(shù)Tab.2 Parameters of energy storage coordination system

以經(jīng)濟(jì)性和儲能效率原則為目標(biāo)，在4.2節(jié)約束條件下利用粒子群算法對其進(jìn)行優(yōu)化，將多種儲能之間進(jìn)行協(xié)調(diào)配置。粒子群算法的相關(guān)參數(shù)設(shè)置如下：粒子數(shù)目為50，非劣解集為100，加速因子c1、c2為1.494，慣性權(quán)重w為0.729，最大迭代次數(shù)為5000。

分別以經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)以及能源利用率最高為目標(biāo)，運用粒子群算法得到的儲能配置方案見表3。

表3 儲能優(yōu)化方案Tab.3 Energy storage optimization scheme

由表3可知，以利用率最優(yōu)優(yōu)化得出的儲能總量相比經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)得到的儲能總量少大約300kW·h，相反成本高出近200萬$。以能源利用率為目標(biāo)時，超導(dǎo)儲能、飛輪儲能以及超級電容儲能等轉(zhuǎn)換效率較高的儲能方式發(fā)揮作用較大；以經(jīng)濟(jì)性為目標(biāo)時，成本較低的壓縮空氣儲能以及高溫儲熱所占比重相對較高。兩種配置方案分別使得經(jīng)濟(jì)性及能源利用率兩目標(biāo)得到很好的提升，最終，可根據(jù)決策者的實際需求對配置方案進(jìn)行折中選取。

6 結(jié)論

能源互聯(lián)網(wǎng)在新的工業(yè)革命中越來越受到人們的關(guān)注，能源存儲將成為能源互聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)之一，在能源互聯(lián)網(wǎng)的運行中發(fā)揮著重要的作用。在能源互聯(lián)網(wǎng)中，不同的能源網(wǎng)絡(luò)結(jié)合在一起構(gòu)建成為復(fù)合能源互聯(lián)網(wǎng)，他們可以或多或少地相互提供能源支持，所以在整個能源互聯(lián)網(wǎng)中會出現(xiàn)能源存儲的冗余。

能源互聯(lián)網(wǎng)對于不同的儲能方式有不同的需求，在一定協(xié)調(diào)優(yōu)化原則下，根據(jù)需求情況及不同儲能的特點合理安排各種儲能不僅能夠滿足能源互聯(lián)網(wǎng)各種性能的要求，而且可以達(dá)到提高經(jīng)濟(jì)效益以及提高能源利用率的目的。因此，本文首先指出各種儲能的必要性，其次根據(jù)能源互聯(lián)網(wǎng)不同能量的需求特點，提出了能源互聯(lián)網(wǎng)的儲能協(xié)調(diào)的原則，最后利用粒子群優(yōu)化算法對仿真算例進(jìn)行了優(yōu)化。根據(jù)仿真實例所得到的數(shù)據(jù)可知，在實際應(yīng)用中，以能源利用率為目標(biāo)時，配置的儲能中超導(dǎo)儲能、飛輪儲能以及超級電容儲能等轉(zhuǎn)換效率較高的儲能方式應(yīng)占較大比重；以經(jīng)濟(jì)性為目標(biāo)時，配置的儲能中應(yīng)以成本較低的壓縮空氣儲能以及高溫儲熱等為主。決策者可以根據(jù)實際需要選擇配置方案，協(xié)調(diào)各種能源存儲配置從而降低能源儲存的總需求，提高經(jīng)濟(jì)效益。

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