李劍鋒，郝曉光，曾四鳴，陳澤西，蔣思宇，張德隆，李美成，馬 瑞

(1. 國網河北省電力有限公司電力科學研究院，河北 石家莊 050000; 2. 華北電力大學新能源學院，北京 102206)

0 引 言

2020年9月，我國提出二氧化碳排放力爭于2030年前達峰，2060年前實現(xiàn)碳中和，這一目標為我國能源行業(yè)低碳轉型指明了方向。在此背景下，提升能源利用效率、降低二氧化碳排放已成為能源發(fā)展中需要重點考慮的問題。綜合能源系統(tǒng)作為一種將電、氣、熱等能源緊密整合的一體化系統(tǒng)，得到越來越多的關注。儲能系統(tǒng)是綜合能源系統(tǒng)的重要組成部分，有助于綜合能源系統(tǒng)中不同能源的耦合[1]、協(xié)調運行[2]，以及降低系統(tǒng)碳排放量[3]。因此，如何對綜合能源微網系統(tǒng)的電/熱混合儲能系統(tǒng)進行優(yōu)化配置，成為重要的研究議題。

針對電/熱混合儲能系統(tǒng)的優(yōu)化配置問題，已有諸多學者做了相關研究工作。文獻[4]建立綜合能源系統(tǒng)經濟優(yōu)化調度模型，得到了風電消納最大、成本最低的系統(tǒng)，但未考慮儲能的應用?？紤]儲能系統(tǒng)的使用壽命，對綜合能源系統(tǒng)中的儲能設備進行了優(yōu)化配置，但這項工作僅考慮了綜合能源系統(tǒng)的經濟性問題。文獻[5]考慮了綜合能源系統(tǒng)中的不確定性因素，提出了儲能系統(tǒng)的優(yōu)化配置方法。文獻[6]通過雙層規(guī)劃方法優(yōu)化了區(qū)域綜合能源系統(tǒng)中的儲能設備配置。此外，文獻[7]研究了電-熱-氣儲能系統(tǒng)之間的相互影響，證明了多儲能系統(tǒng)經濟性更優(yōu)。這些研究工作通過優(yōu)化儲能設施配置方法，在一定程度提高了綜合能源系統(tǒng)的經濟性，但均未考慮二氧化碳排放對綜合能源微網的影響。

在研究儲能系統(tǒng)優(yōu)化配置問題時，雖然經濟性是需要考慮的重要因素，但不是唯一因素。碳排放因素在系統(tǒng)優(yōu)化配置中具有重要意義，也是實現(xiàn)“碳達峰，碳中和”目標的必然選擇。文獻[8]對綜合能源系統(tǒng)中的氫儲能設施進行了優(yōu)化配置，將碳排放作為了一項優(yōu)化目標，通過實例驗證了碳減排效果。文獻[9]提出了碳排放懲罰因子的概念，將碳排放懲罰作為優(yōu)化目標，降低了系統(tǒng)的碳排放。文獻[10-11]研究了考慮碳排放的綜合能源系統(tǒng)優(yōu)化運行，在降低系統(tǒng)運行成本的基礎上，降低了碳排放。然而，在目前的研究工作中，幾乎沒有涉及專門針對電/熱混合儲能優(yōu)化配置的研究，電和熱是綜合能源系統(tǒng)的重要組成部分[12]，在考慮碳排放和經濟性因素下，研究電/熱混合儲能優(yōu)化配置十分必要。

因此，本文針對綜合能源微網系統(tǒng)，提出了考慮碳排放的電/熱混合儲能的雙層優(yōu)化配置方法。首先，針對綜合能源微網系統(tǒng)結構，構建了內層優(yōu)化運行模型，設計冷、熱、電能量平衡與蓄電、蓄熱設備的運行約束條件；其次，構建了外層優(yōu)化配置模型，在考慮多種經濟性目標的基礎上，創(chuàng)新性地考量了碳排放因素，為避免多目標優(yōu)化權重選擇的主觀性，將碳排放折算為成本因素；最后，通過算例分析驗證方法的可行性，并根據(jù)計算結果，提出了對于用戶側儲能使用的政策建議。

1 綜合能源微網的內層優(yōu)化運行模型

1.1 綜合能源微網的結構

綜合能源微網系統(tǒng)中包含不同能源類型的各種設備，其系統(tǒng)結構如圖1所示，包括太陽能發(fā)電、燃氣鍋爐、微燃氣輪機（或燃氣輪機）、電儲能、熱儲能、吸收式制冷機、電制冷機、電負荷、熱負荷和冷負荷。本文主要研究綜合能源微網系統(tǒng)中電儲能、熱儲能的優(yōu)化配置方法。

圖1 綜合能源微網系統(tǒng)示意圖

系統(tǒng)的電負荷由電網、光伏、風電和燃氣輪機供給；熱負荷由微燃氣輪機的余熱和燃氣鍋爐供給；冷負荷由電制冷機和吸收式制冷機供給，吸收式制冷機的熱量來源為燃氣輪機。此外，在系統(tǒng)中安裝儲電和儲熱系統(tǒng)，為電和熱的平衡提供支撐。

1.2 目標函數(shù)

本文將電/熱混合儲能系統(tǒng)的優(yōu)化配置模型分為兩層，內層模型為系統(tǒng)的運行成本，外層模型為系統(tǒng)的優(yōu)化配置模型，主要考慮了系統(tǒng)的各項成本和碳排放成本。兩者密不可分，相互影響，系統(tǒng)的內層運行為優(yōu)化配置提供基礎，系統(tǒng)的優(yōu)化配置為運行提供外部約束。

1.3 約束條件

綜合能源系統(tǒng)需要在合理的約束下運行，其約束條件主要包括系統(tǒng)的冷、熱、電平衡約束，微燃機、蓄電池和蓄熱槽的運行約束[14]。

2 電/熱混合儲能的外層優(yōu)化配置模型

在綜合能源系統(tǒng)的規(guī)劃中，經濟性一般被認為是主要的因素之一，在“雙碳”目標的背景下，碳排放成為考察系統(tǒng)的重要指標[15]。在考慮系統(tǒng)經濟性的基礎上，本節(jié)創(chuàng)新性地將碳排放加入電/熱混合儲能優(yōu)化配置的目標中。由于經濟性和碳排放的量綱不同，如果以多目標優(yōu)化的方法求解，則會帶來權重選取的主觀性問題。隨著目前碳排放市場的逐步推進，供能企業(yè)和用能用戶之間可以進行綠碳交易，因此，本節(jié)將碳排放折算為成本，建立了綜合能源微網中儲電系統(tǒng)和儲熱系統(tǒng)的規(guī)劃模型，既避免了多目標優(yōu)化中權重選取不客觀的弊端，又將碳排放因素考慮在優(yōu)化配置模型中。電/熱混合儲能的優(yōu)化配置目標函數(shù)如下：

系統(tǒng)的經濟性目標包括系統(tǒng)的投資成本、運行成本和維護成本。投資成本為儲電系統(tǒng)的功率投資成本、能量投資成本和儲熱系統(tǒng)的能量投資成本；運行成本為第1節(jié)中本文所述的綜合能源系統(tǒng)的內層優(yōu)化運行目標函數(shù)；維護成本為儲電系統(tǒng)的功率維護成本、能量維護成本和儲熱系統(tǒng)的能量維護成本。目標函數(shù)如下：

本文中系統(tǒng)的碳排放包括直接碳排放和間接碳排放。直接碳排放是指綜合能源系統(tǒng)中燃氣輪機和燃氣鍋爐消耗燃氣產生的碳排放；間接碳排放是指購買電能產生的碳排放。目標函數(shù)如下：

3 算例分析

本文采用某公司數(shù)據(jù)作為仿真案例，選取了不同類型源/荷的功率曲線如圖2所示。采用的分時電價如表1所示。通過Matlab中的混合整數(shù)規(guī)劃工具箱進行求解所建立的模型。

圖2 輸入數(shù)據(jù)功率曲線

表1 分時電價

3.1 系統(tǒng)的規(guī)劃結果分析

本節(jié)首先分析了電/熱混合儲能系統(tǒng)的優(yōu)化配置結果，如圖3～圖5所示。圖3為式（16）中的目標函數(shù)即總成本，隨著電儲能系統(tǒng)的功率和容量的增加，總成本有先減小后增加的趨勢。在電儲能系統(tǒng)的容量小于1 100 kWh時，系統(tǒng)的總成本隨著容量的增加而減小的趨勢較快；當容量再增加時，趨勢減緩。當功率為200 kW，容量為1 200 kWh時，目標函數(shù)達到最小值，最小值為1.032 2×107元，此時，系統(tǒng)的規(guī)劃效果最佳。

圖3 總成本的變化趨勢圖

圖4 投資和運維成本的變化趨勢圖

圖5 碳排放的變化趨勢圖

在規(guī)劃效果最佳的情況下，圖4顯示了投資成本、維護成本和運行成本隨功率和容量的變化趨勢，該趨勢與圖3類似，而且也在功率為200 kW，容量為1 200 kWh時達到最小值。將碳排放成本排出后，系統(tǒng)的運行結果沒有發(fā)生明顯的變化，成本差異也不明顯，出現(xiàn)這種情況的原因是：目前在碳交易中碳排放的成本不高，在公式（16）中所占的比例較小。

在本算例中，采用的碳排放的單位價格為2021年10月全國碳市場碳排放月份的均價，即0.042 08元/kg。由表1可見，全天電價中電能的最低價格為0.288元/kWh，最高價格為1.231元/kWh，煤電對應的碳排放約為1 kg/kWh，因此，購電成本和碳排放成本相差7～32倍。同時，本算例中采用的天然氣成本為3.24元/Nm3，天然氣燃燒產生的碳排放約1.52 kg/Nm3，兩者成本相差約50.7倍。本算例中顯示在最優(yōu)情況下，總成本是碳排放成本的32倍左右。

如表2所示，分析了碳排放價格變化對碳排放成本的影響，當碳排放價格小于0.2元/Nm3時，碳排放成本占總成本百分比隨價格變化較大。碳排放價格越高，碳排放成本占比隨價格波動而變化的幅度越小，在碳排放價格達到0.5時，碳排放成本約占總成本的四分之一。

表2 碳排放成本敏感度分析

圖5為碳排放隨電儲能系統(tǒng)功率和容量的變化趨勢，隨著電儲能系統(tǒng)容量的增加，綜合能源微網的碳排放是增加的，當達到一定值時，碳排放的變化趨勢減緩。由此可見，當以成本為目標進行優(yōu)化時，用戶為了盈利，配置的儲能系統(tǒng)會從電網套取利潤，而中間過程的能量損耗增加了系統(tǒng)的碳排放。在“碳中和，碳達峰”的雙碳目標下，減少碳排放已經成為各界的共識，因此，在用戶配置電儲能系統(tǒng)時，電網或政府部門應制定用戶側儲能系統(tǒng)的運行規(guī)則，避免用戶套利而產生的額外碳排放。

圖6為總成本隨著熱儲能的變化而變化趨勢，在熱儲能為610 kWh時，系統(tǒng)的總成本最小。儲熱系統(tǒng)對整個系統(tǒng)成本的變化影響較小，原因是系統(tǒng)沒有參與熱交易，儲熱系統(tǒng)主要為了滿足系統(tǒng)的熱負荷需求，只能間接地影響系統(tǒng)成本。

圖6 總成本隨儲能容量的變化趨勢

3.2 系統(tǒng)的運行結果分析

本文在最佳電熱混合儲能配置下，分析了綜合能源微系統(tǒng)的運行情況。圖7為夏季時系統(tǒng)各個設備的電功率曲線，整個系統(tǒng)的電負荷由電網、光伏發(fā)電和風力發(fā)電提供。儲能系統(tǒng)作為輔助，以滿足電負荷的需求為主，以營利為輔。如在8:00，電價較低，儲能系統(tǒng)放出功率無法盈利。但是，此時的光伏發(fā)電和風電功率較小，而且從電網購電的功率達到最大值，此時需要電儲能系統(tǒng)放電以滿足用電需求。否則，系統(tǒng)存在缺電的風險，缺電功率為84.71 kW。在16:00-18:00也存在類似的情況。因此，配置電儲能系統(tǒng)有利于系統(tǒng)用電穩(wěn)定性的提高。

圖7 系統(tǒng)在夏季的電功率曲線

在該場景下，電負荷全部由電網、光伏發(fā)電和風力發(fā)電提供，微燃氣輪機或燃氣輪機沒有運行。因此，吸收式制冷機沒有動作，夏季的冷負荷全部由電制冷機供給。此時系統(tǒng)的年運行成本為1.77×106元，在不配置電儲能系統(tǒng)的情況下運行成本為1.90×106元，在考慮負荷損失的情況下，系統(tǒng)的運行成本降低了6.84%。

圖8為冬季時系統(tǒng)各個設備的電功率曲線，與圖7不同的是，燃氣輪機在6:00為電負荷提供了一部分電能功率為0.028 5 kW，與其他功率相比，該值比較小，在圖中不明顯。燃氣輪機在此時運行的原因是燃氣鍋爐和熱儲能都達到了最大出力，但無法滿足熱負荷需求，需要燃氣輪機提供一部分余熱，余熱的熱功率為0.5 kW，在提供熱能的同時，以熱定電的模式下，微型燃氣輪機可以為系統(tǒng)提供一部分電能。由圖9可見，熱需求主要由燃氣鍋爐滿足，熱儲能起到輔助的作用。在不配置熱儲能系統(tǒng)時，熱需求在6:00無法得到全部滿足。

圖8 系統(tǒng)在冬季的電功率曲線

由圖7和8可見，系統(tǒng)的電需求主要由電網、光伏和風電滿足，由電儲能系統(tǒng)輔助。電儲能的主要作用有兩個：1）在電能供給不足時，滿足電負荷需求；2）在電需求得到滿足時，為用戶盈利。在沒有儲能系統(tǒng)的情況下，除系統(tǒng)的經濟性降低外，系統(tǒng)存在著停電風險。

4 結束語

本文研究了綜合能源系統(tǒng)中的儲能系統(tǒng)優(yōu)化配置方法，建立了系統(tǒng)的優(yōu)化運行模型和考慮碳排放的電/熱混合儲能的優(yōu)化配置模型，結果表明本文所提方法的有效性，為相關的研究和政策的制定提供了借鑒。文章的主要結論如下：

圖9 系統(tǒng)在冬季的熱功率曲線

1）在該系統(tǒng)中，電儲能系統(tǒng)的最佳配置為功率為200 kW，容量為1 200 kWh；熱儲能系統(tǒng)的最佳配置為610 kWh。

2）用戶在電儲能系統(tǒng)營利時，會一定程度提高系統(tǒng)的碳排放，因此，電網或政府部門應制定用戶側儲能系統(tǒng)的運行規(guī)則，避免用戶套利而產生的額外碳排放。

3）在沒有配置電儲能系統(tǒng)的情況下，用戶的電能無法得到全部滿足；同樣，在沒有配置熱儲能系統(tǒng)的情況下，也存在熱能供給不足的風險。

4）電儲能系統(tǒng)在保持負荷平衡之外，可以起到為用戶營利的作用，在安裝儲能系統(tǒng)后，不考慮缺負荷造成的損失的情況下，系統(tǒng)的運行成本降低了6.84%。

在未來的工作中，需要建立更加精確的碳排放模型，綜合考慮各種因素，如碳排放因子、碳價等，對系統(tǒng)優(yōu)化配置的影響展開深入分析。此外，本文中電/熱混合儲能系統(tǒng)的壽命和運行模式為設定值，在未來中將考慮不同運行模式對系統(tǒng)壽命和配置結果的影響。