劉 超，陳思宇，孟冰冰，胡林獻

（1.哈爾濱工業(yè)大學電氣工程及自動化學院，黑龍江 哈爾濱 150001；2.國網(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，如何充分利用可再生能源，提高綜合能源利用效率，實現(xiàn)多能源之間的協(xié)調(diào)互補，是區(qū)域能源系統(tǒng)的研究熱點[1-2]。通過對區(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)，是人類能源領域變革的必經(jīng)之路。

國內(nèi)外學者對區(qū)域能源系統(tǒng)已有一定研究。文獻[3]介紹了區(qū)域能源系統(tǒng)的通用建模理論與效益評估方法，探討了區(qū)域能源系統(tǒng)在中國的發(fā)展前景。文獻[4]以區(qū)域能源系統(tǒng)為研究對象，構建了考慮建筑容積率影響的需求側負荷模型，仿真結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[5]對燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)機組的工作原理和工藝流程進行了詳細分析，建立了以燃氣機組為基礎的區(qū)域能源系統(tǒng)模型，分析了熱負荷與冷負荷對系統(tǒng)總燃料成本與棄風率的影響。上述文獻并未研究儲能對區(qū)域能源系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度的影響。

儲能作為區(qū)域綜合能源系統(tǒng)的關鍵環(huán)節(jié)，對提高能源利用率、消納可再生能源、保障系統(tǒng)安全可靠運行具有重要意義。儲能和能源轉化設備共同構建了區(qū)域能源系統(tǒng)的耦合關系，各能源子系統(tǒng)的融合依賴于儲能技術，如電力與熱力系統(tǒng)的融合依賴電儲能和儲熱技術[6]，而電力與天然氣系統(tǒng)的融合則需儲氣與電化學儲能技術的支持?？梢?，儲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]。儲能技術能實現(xiàn)電能與其他能源之間的單向轉化和存儲，以及電能之間的雙向轉化[8]，最終使多種能源在時間和空間上完全解耦，有效實現(xiàn)能源互聯(lián)。

利用儲能裝置促進可再生能源消納主要分2 個方面：1）利用儲熱、電轉氣（P2G）等單向大規(guī)模儲能技術為可再生能源提供其他能源形式的轉移途徑；2）通過配置電化學儲能裝置，促進電能的雙向轉化，進而提高電網(wǎng)調(diào)峰能力，促進可再生能源消納。文獻[9]通過在熱電機組側配置儲熱裝置，解耦其“以熱定電”約束，提高了熱電機組調(diào)峰能力。文獻[10]研究了蓄熱式電鍋爐的電-熱時移特性，計及風電棄風特性與負荷相關性，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，結果表明2 種方案均可提高系統(tǒng)棄風消納效果。文獻[11]考慮風電不確定性，提出了一種含電儲能的風電跨區(qū)域優(yōu)化調(diào)度方案。文獻[12]研究了具有P2G 功能的區(qū)域能源系統(tǒng)消納棄風效果，并對比了電鍋爐的消納情況。這些研究大多關注單一儲能裝置的消納棄風效果，極少涉及混合儲能裝置。文獻[13]提出了一種風電-電儲能-蓄熱式電鍋爐的聯(lián)合系統(tǒng)，對比分析了傳統(tǒng)熱電聯(lián)產(chǎn)、單獨配置蓄熱式電鍋爐和蓄熱式電鍋爐結合電儲能3 種場景下的風電消納效果，但未考慮儲電與儲熱之間的相互協(xié)調(diào)作用。

本文首先研究儲氣與儲電的協(xié)調(diào)運行策略，建立電氣混合儲能系統(tǒng)的數(shù)學模型；然后分析其消納棄風原理，并在協(xié)調(diào)運行策略基礎上，建立了包括電氣混合儲能的區(qū)域能源系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度模型；最后通過算例對比分析不考慮儲能裝置、考慮P2G 和儲氣裝置、電-氣混合儲能常規(guī)運行和電氣混合儲能協(xié)調(diào)運行4 種場景，驗證電氣協(xié)調(diào)運行策略可優(yōu)化電/氣儲能設備出力，有利于風電消納和經(jīng)濟運行。

1 區(qū)域能源系統(tǒng)結構

區(qū)域能源系統(tǒng)結構如圖1 所示，其由供能網(wǎng)絡、能源轉換設備、儲能設備和用戶側構成。源側包括燃氣機組、火電機組以及風電機組，擔負系統(tǒng)供能任務；荷側包括電、熱、氣3 種負荷；儲能裝置主要包括電儲能和氣儲能。區(qū)域能源系統(tǒng)涵蓋電、熱、氣等多種能源，由于不同能量轉換裝置與儲能設備的工作原理、運行規(guī)律和經(jīng)濟性存在較大差異，因此，需要研究不同能量轉換、儲能環(huán)節(jié)之間的協(xié)調(diào)優(yōu)化策略，以促進可再生能源消納、提高系統(tǒng)能源利用率。

2 電氣混合儲能運行策略及模型

2.1 P2G 模型

P2G 設備消耗的電功率表達式為

式中：PP2G為電轉氣設備消耗功率；Pz為直供氣部分消耗功率；Pc為儲氣部分消耗功率；f為棄風標志，f為0 表示無棄風，f為1 表示有棄風。

P2G 設備的供氣量可表示為：

式中：VP2G為電轉氣設備的供氣流量；Vz為P2G 設備直接供氣流量；Vc為儲氣罐儲氣流量設備轉化效率，目前可達60%~70%；HG為天然氣熱值，標準狀態(tài)下為0.015 5 (MW·h)/m3。

2.2 儲氣裝置模型

儲氣容量數(shù)學模型為

式中：下標t表示第t個時段；Et為儲氣罐t時段的儲氣量；Vf,t為儲氣罐t時段的放氣流量；Vc,t為儲氣罐t時段儲氣流量。

2.3 電儲能裝置模型

電儲能系統(tǒng)可靈活出力，能夠對電能進行合理轉移，實現(xiàn)電能在時間上的解耦。本文選用目前應用于大規(guī)模電力系統(tǒng)的鋰電池，其荷電量與充放電功率的關系為

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

2.4 電氣混合儲能協(xié)調(diào)運行策略

由于電氣混合儲能設備的運行存在經(jīng)濟性差異，因此，應該研究電氣混合儲能協(xié)調(diào)運行策略，優(yōu)先啟動經(jīng)濟性能好的儲能設備。儲電效率較高，而儲氣需先電制氣再儲氣，效率低于儲電，故發(fā)生棄風時，先儲電，若不能完全消納棄風，再考慮儲氣。

在夜間，風電出力較大，而電負荷較小，風電的反調(diào)峰特性引起棄風，此時優(yōu)先啟動電儲能設備以低電價儲電，通過增加電負荷的谷值來消納棄風；若電儲能設備無法消納全部棄風，則啟動P2G裝置將多余風電轉化為天然氣，滿足氣負荷需求，剩余部分將存于儲氣罐中，進一步提高風電消納率。而在電負荷高峰、風電低發(fā)時段，電儲能設備放出電能，削弱電負荷峰值，并利用峰谷電價差盈利；同時P2G 停止制氣，儲氣罐放氣供氣負荷使用。

為定量表達上述電氣混儲裝置協(xié)調(diào)運行策略，在P2G 設備啟動之前，先依據(jù)區(qū)域能源系統(tǒng)的全網(wǎng)電負荷、風電預測功率、機組強迫出力和電儲能充放電功率來判斷是否存在棄風，然后再根據(jù)有無棄風現(xiàn)象來決定P2G 設備的啟停。判斷公式為

式中：PGASF,t為所有燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)機組強迫出力之和；PCONF,t為系統(tǒng)所有火電機組強迫出力之和（PGASF,t、PCONF,t的計算見文獻[14]）；Pload為系統(tǒng)總電負荷；Pdis,t為電儲能放電功率；Pch,t為電儲能充電功率；PWF,t為風電場預測出力。

3 調(diào)度模型

3.1 目標函數(shù)

假設區(qū)域能源系統(tǒng)中有燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)電廠N座，每座電廠中有R臺燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)機組，帶X個換熱站；系統(tǒng)中有H臺純凝火電機組、K臺風電機組，裝設y臺P2G 設備和G個儲氣罐，并配有電儲能裝置。

以系統(tǒng)總運行成本最小為目標函數(shù)：

式中：Vbuy,t為t時段天然氣購買量；c1、c2分別為天然氣和燃煤的價格，其中c1為3 元/m3，c2為680 元/t；FCON,t,h為t時段第h臺純凝火電機組煤耗量。

3.2 約束條件

1）電功率平衡約束

式中：PGAS,t,n,r為t時段第n個熱電廠第r臺燃氣機組電功率；PCON,t,h為t時段第h臺純凝火電機組電功率；Pw,t為t時段風電機組電功率；PLoad,t為t時段全網(wǎng)電負荷功率；PP2G,t,y為t時段第y臺P2G 設備電功率。

2）熱功率平衡約束

忽略供熱過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時段第r臺燃氣機組的供熱功率；QHLoad,t,x為t時段第x個換熱站的熱負荷。

3）天然氣流量平衡約束

式中：GGAS,t,n,r為t時段第n個熱電廠第r臺燃氣機組消耗的天然氣流量；VLoad,t為t時段系統(tǒng)的天然氣負荷需求量；Vf,t,g為t時段第g個儲氣罐的放氣流量；Vz,t,y為t時段第y個P2G 設備的直供氣流量。

4）天然氣購買量約束

5）燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)機組出力約束

式中：P1,max、P1,min分別為燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)機組燃氣輪機電功率的上、下限；P2,max、P2,min為燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)機組蒸汽輪機上、下限；QH,max、QH,min為燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)機組供熱功率的上、下限。

6）燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)機組內(nèi)部約束

式中：f1、f2、f3為燃氣機組擬合系數(shù)；QH為燃氣機組供熱功率；P1、P2為燃氣和蒸汽輪機電功率。

其余各項約束見文獻[15]，在此不再贅述。本文用MATLAB 軟件編程，調(diào)用Gurobi 求解器對模型進行求解。

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 臺燃氣機組，6 個換熱站供熱）、1 座火電廠（4 臺火電機組）、1 座風電場（裝機容量為264 MW）。系統(tǒng)中配置6 臺P2G 設備、6 個儲氣罐和鋰電池儲能裝置。調(diào)度間隔為1 h，調(diào)度總時長為1 天。

火電機組參數(shù)見表1，燃氣-蒸汽輪機參數(shù)見表2，P2G 及儲氣裝置參數(shù)見表3，電儲能設備參數(shù)見表4，全網(wǎng)氣負荷見文獻[12]。P2G 轉換效率取0.7，蒸汽焓降取2 327.53 kJ/kg，各時段電負荷、熱負荷及風電預測出力見文獻[5]。

為了驗證所研究電氣混合儲能協(xié)調(diào)策略棄風消納效果與經(jīng)濟性，設置4 種場景進行對比分析：場景1 不配置任何儲能裝置；場景2 配置P2G 裝置和儲氣裝置；場景3 電氣混合儲能常規(guī)運行方式；場景4 電氣混合儲能協(xié)調(diào)運行方式。

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

表2 燃氣-蒸汽輪機參數(shù)Tab.2 The parameters of gas-steam turbine unit

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

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

4.2 調(diào)度結果

采用Gurobi 求解器計算優(yōu)化模型，場景4 的電功率調(diào)度結果及儲能功率及P2G 轉化功率結果如圖2、圖3 所示，圖3 也反映了電儲能、P2G 和儲氣設備協(xié)調(diào)工作情況。圖2 中的負值代表各設備消耗的電功率，圖3 中的負值則代表電儲能的放電功率。由圖2、圖3 可知，時段08:00—11:00、18:00—19:00 風電低發(fā)，電儲能設備釋放電能供給高峰負荷。同時該時段內(nèi)，P2G 停止制氣，儲氣設備放氣供氣負荷使用，場景4 天然氣調(diào)度結果如圖4 所示。由圖3 可以看出，棄風時段為23:00—次日05:00。在時段23:00，電儲能率先啟動，這是因為電儲能效率最高，而P2G 設備需要進行二次轉化，因此優(yōu)先選擇儲電，并且此時電儲能未達到最大功率，僅靠電儲能即可消納全部棄風；在時段24:00，棄風增加，電儲能已達到最大功率，但仍然無法消納全部棄風，此時P2G 設備啟動，供給燃氣機組與氣負荷，但此時P2G 功率較小，氣負荷可以全部消耗所產(chǎn)生的天然氣，儲氣裝置并未啟動；在時段01:00，隨著棄風功率進一步增加，P2G 產(chǎn)氣量超過用氣量，儲氣裝置啟動，儲存剩余天然氣。此時電儲能、P2G與儲氣裝置共同作用，提高風電的消納能力。由此可見，本文電氣混合儲能協(xié)調(diào)策略可以依次調(diào)度成本低、棄風消納效果好的資源，從而實現(xiàn)消納棄風，低成本運行的優(yōu)化目標。

4.3 儲能裝置對棄風率的影響分析

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

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

假設電儲能裝置的容量E′b與原始容量Eb之比為k1，儲氣裝置的容量E′c與原始容量Ec之比為k2，即有：

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

5 結 論

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

2）相比于無儲能和單一儲能，電氣混合儲能具有更好的風電消納效果和運行經(jīng)濟性，且隨著電/氣儲能裝置容量增大，棄風率進一步降低。

3）電儲能容量對棄風率的影響大于儲氣容量的影響。

4）后續(xù)研究中可以考慮儲能設備的投資成本、設備維護成本等，從而更好地研究系統(tǒng)的整體經(jīng)濟性。