方陳，張宇，廖望，時珊珊，劉東

(1.國網(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，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]。儲能技術(shù)作為“源-網(wǎng)-荷-儲”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。從市場角度來看，對儲能在能源互聯(lián)網(wǎng)中所產(chǎn)生的價值進(jìn)行評估是能源市場進(jìn)行效益合理分配和采取有效激勵措施的基礎(chǔ)。如何評估儲能系統(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)市場機(jī)制的關(guān)鍵問題之一。

目前國內(nèi)外學(xué)者關(guān)于儲能效益評估的研究已取得了一系列的研究成果。

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

在接入場景方面，對儲能效益的評估分別從儲能接入新能源發(fā)電側(cè)、電網(wǎng)側(cè)以及用戶側(cè)來進(jìn)行。文獻(xiàn)[8]提出了儲能裝置在負(fù)荷峰谷時段進(jìn)行削峰填谷，在負(fù)荷腰荷區(qū)段提高新能源預(yù)報精度的全時域控制策略，對儲能參與新能源發(fā)電綜合利用效益進(jìn)行了優(yōu)化評估。文獻(xiàn)[9]對電池儲能裝置配置于電網(wǎng)側(cè)的收益進(jìn)行了評估，其中直接收益包括峰谷電價收益和輔助服務(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+儲能”為例，基于前置運(yùn)行優(yōu)化的儲能全壽命周期成本收益分析，對用戶側(cè)分布式儲能進(jìn)行了價值評估。

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)儲能的經(jīng)濟(jì)效益評估目前還缺乏相關(guān)的專項(xiàng)研究。文獻(xiàn)[11]從不同供能季節(jié)出發(fā)，評估了冷、熱、電儲能在區(qū)域綜合能源系統(tǒng)中的經(jīng)濟(jì)性，但僅僅從“低儲高發(fā)”套利來進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性評估，無法全面闡釋儲能在多能協(xié)同中的效益產(chǎn)生機(jī)理。文獻(xiàn)[12]對儲能在電網(wǎng)中的直接價值和間接價值做了詳細(xì)的歸納總結(jié)，并從削峰填谷、平滑風(fēng)電場波動以及提高供電可靠性多維角度對儲能價值進(jìn)行了評估，但只是針對電力網(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)于儲能效益評估還存在以下問題：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)儲能經(jīng)濟(jì)效益評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)中儲能產(chǎn)生的影響，而在量化儲能參與REI優(yōu)化運(yùn)行所產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益時，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REI儲能系統(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)建儲能系統(tǒng)在參與REI多能協(xié)同優(yōu)化中的效益評估模型并提出效益評估指標(biāo)。算例通過不同場景和儲能配置方案來驗(yàn)證所提評估方法的科學(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”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?！霸础眰?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。“荷”側(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?！皟Α眰?cè)對應(yīng)的是區(qū)域內(nèi)的多能儲能系統(tǒng)，包括儲能電池、熱儲能罐、天然氣儲氣罐等?！熬W(wǎng)”側(cè)主要對應(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)時優(yōu)化與平衡。在REI中，儲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)合形成的一個完整的系統(tǒng)。對儲能參與REI多能協(xié)同優(yōu)化進(jìn)行效益分析與評估必須對儲能系統(tǒng)進(jìn)行建模。

2.1 多元儲能模型

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

1)電儲能模型。

電儲能相較于其他形式的儲能技術(shù)較為成熟，在電力系統(tǒng)和能源互聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用價值已經(jīng)得到了廣泛的認(rèn)可。常見的電儲能包括機(jī)械電儲能(如抽水蓄能、壓縮空氣、飛輪儲能等)、電化學(xué)儲能(如蓄電池、流質(zhì)電池等)和超級電容器。本文以儲能電池為例，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，通常會加入式(2)所示的約束，保證儲能在一個優(yōu)化周期前后的剩余能量狀態(tài)一致，以維持下一個周期的優(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)中的其他類型儲能，因此在后面的熱儲能和氣儲能模型中不在贅述。

2)熱儲能模型。

熱儲能通常包括顯熱儲能、潛熱儲能和熱化學(xué)儲能[13]。其中顯熱儲能相對常見，其儲熱媒質(zhì)通常為熱水或蒸汽，顯熱儲能的原理相對簡單，價格低廉，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，效率相對較低。潛熱儲能利用相變材料作為儲熱媒質(zhì)，材料在相變時吸熱或釋熱來儲能或釋能，具有能量密度高，相變過程近似恒溫的特點(diǎn)，體積相對較小但造價較高，具有廣闊發(fā)展前景。熱化學(xué)儲能主要是基于可逆的熱化學(xué)反應(yīng)，對熱能進(jìn)行儲存或釋放，儲能密度極高，而且儲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。

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

(3)

3)氣儲能模型。

氣儲能本質(zhì)上屬于化學(xué)儲能，通常利用氫或甲烷作為二次能源載體進(jìn)行儲存，主要應(yīng)用于氫能-天然氣儲能系統(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)行大容量儲存的同時作為氣源供應(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，這種儲能方式的優(yōu)勢在于應(yīng)用靈活多樣，但不足之處在于全周期效率較低。本文以氫儲能為例，給出其剩余能量的動態(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)，更清楚地分析儲能在多能協(xié)同優(yōu)化中產(chǎn)生的效益，以CHP和多元儲能分別代表能量供給和儲存環(huán)節(jié)，從多能耦合形態(tài)上對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 儲能優(yōu)化效益評估模型

在REI中，由于存在多種能源的耦合與互補(bǔ)，使得儲能實(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個方面來對儲能的效益進(jìn)行評估。

3.1 峰谷差套利效益

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

(11)

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

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]。盡管在一整個周期的優(yōu)化運(yùn)行中，儲能本身是不吸收能量也不釋放能量的，即儲能凈出力為0。然而在參與REI多能協(xié)同優(yōu)化運(yùn)行過程中，儲能可以通過事先在負(fù)荷需求低時進(jìn)行充能，在負(fù)荷緊張的時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，由于氫氣儲能的存在，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，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)換時效率較低，若加入儲能，則可通過對某種負(fù)荷高峰期對應(yīng)的能源進(jìn)行提前儲備，降低高峰時段該種能源經(jīng)由其他類型能源進(jìn)行轉(zhuǎn)換的量級，減少ER通過能量轉(zhuǎn)換進(jìn)行緊急能源供應(yīng)時產(chǎn)生的高額轉(zhuǎn)換損耗。該效益屬于儲能的間接效益。

根據(jù)式(9)可以得到含儲能的擴(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)為儲能參與優(yōu)化前后t時刻輸入ER的能量矩陣差值。

3.4 效益評估指標(biāo)

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

1)貢獻(xiàn)度。

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

i=ARV,ENV,LOSS

(16)

2)效益率。

效益率定義為儲能參與REI優(yōu)化后優(yōu)化成本的降低比例，用以評估儲能對外部產(chǎn)生的整體效益，衡量了儲能參與優(yōu)化后對區(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

本文以一個商業(yè)園區(qū)級的REI為例進(jìn)行儲能效益評估分析，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CHP機(jī)組、2臺微型柴油發(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)包含電力儲能、熱力儲能以及天然氣儲氣設(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個時段電、熱、氣負(fù)荷及風(fēng)電光伏預(yù)測出力(以日內(nèi)最大值作為基準(zhǔn))如附圖A1所示，園區(qū)能價如附圖A2所示。儲能系統(tǒng)充放電效率為0.95，熱儲能自耗散率為0.1，氫儲能參數(shù)參考文獻(xiàn)[14]，機(jī)組污染排放數(shù)據(jù)、污染物價值標(biāo)準(zhǔn)和罰款等級參見文獻(xiàn)[21]。

4.2 儲能配置影響分析

為充分評估多元儲能在REI多能協(xié)同優(yōu)化中的效益，本文初步設(shè)置如下5個場景：

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

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

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

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

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

針對上述5個場景，以儲能參與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)化計算與效益評估分析，得到了如圖3、4和表1所示的結(jié)果。

表1 不同場景的效益率對比

圖3 不同場景下效益評估結(jié)果

對比不同場景下的效益評估結(jié)果可以看出，儲能可以在不同程度上提升園區(qū)的優(yōu)化效益。

圖4 不同場景下的貢獻(xiàn)度對比

對比場景1和場景2的評估結(jié)果可以看出，當(dāng)園區(qū)中只接入電力儲能時，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較小。場景2增大了儲能容量，使得總效益得到了一定的提升，然而僅僅通過增大儲能容量無法改變其效益組成結(jié)構(gòu)。

對比場景2和場景3的結(jié)果可以看出，在整個園區(qū)接入儲能容量不變的情況下，但對于使用單一的電力儲能，采用電熱混合儲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著儲能容量的增加，每單位容量儲能所產(chǎn)生的效益不斷下降，即出現(xiàn)邊際效益遞減現(xiàn)象，使用混合儲能可以使得每種形式的儲能邊際效益最大化；另一方面，使用混合儲能提升了園區(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)。

對比場景2和場景4的結(jié)果可以看出，在整個園區(qū)接入儲能容量不變的情況下，采用電氣混合儲能可以提高園區(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，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。

從場景5的評估結(jié)果可以看出，同時配置電、氣、熱3種儲能，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，改變單一儲能容量的大小對貢獻(xiàn)度產(chǎn)生的影響甚微。本節(jié)在場景3和場景4的基礎(chǔ)上，通過改變儲能容量配比來研究不同效益的貢獻(xiàn)度變化。評估結(jié)果如圖5所示。

圖5 儲能容量比對貢獻(xiàn)度的影響

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

在變化趨勢方面，采用電熱混合儲能時，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。而采用電氣混合儲能時，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，采用電熱混合儲能時，貢獻(xiàn)度隨容量比的變化較為平緩，而采用電氣混合儲能時，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，電儲能和熱儲能隨容量比例的升高，對應(yīng)的不同效益貢獻(xiàn)度具有相同的變化趨勢，而電儲能和氣儲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。

4.4 效益率分析

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

圖6 儲能容量對效益率的影響

圖7 儲能容量比對效益率的影響

從評估結(jié)果可以看出，增加儲能容量可以為園區(qū)帶來更大的效益，但隨著儲能容量的提升，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能的邊際效益。可以看出不同類型的儲能在接入同一園區(qū)時，分別在不同接入容量處取得最大邊際效益率。當(dāng)采用混合儲能時，不同儲能的容量比例也對效益率產(chǎn)生了一定影響。從圖7中可以看出，當(dāng)園區(qū)中接入電熱混合儲能時，效益率隨著電儲能占比容量增大而下降；而當(dāng)園區(qū)中接入電氣混合儲能時，效益率在電氣容量比達(dá)到1/3時取得最大值。由此可以得出，電儲能在與不同類型儲能共同參與園區(qū)優(yōu)化時產(chǎn)生了相反的效果。

5 結(jié) 論

本文對REI中考慮多能耦合的儲能系統(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個方面提出了效益評估模型。采用貢獻(xiàn)度指標(biāo)和效益率指標(biāo)分別量化了儲能的內(nèi)部效益構(gòu)成和對外部產(chǎn)生的整體效益規(guī)模。最后以一商業(yè)型REI為算例，基于不同場景對其進(jìn)行了儲能效益評估，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)可有效量化評估儲能的效益結(jié)構(gòu)和效益規(guī)模。

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

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

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

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