秦宇翔，張衛(wèi)軍，周 樂

（1.遼寧科技大學(xué) 材料與冶金學(xué)院，遼寧 鞍山114000；2.東北大學(xué) 工業(yè)爐研究所，遼寧 沈陽110000）

0 引 言

為了解決目前存在的環(huán)境與能源的雙重壓力，多能流系統(tǒng)受到了廣泛關(guān)注［1，2］。

多能流系統(tǒng)可以同時提供冷量、熱量、電量，具有較高的能源利用率［3，4］與較高的運(yùn)行可靠性［5］。 可再生能源具有清潔、環(huán)保、廉價的特點(diǎn)，將二者耦合可以使系統(tǒng)更為高效、清潔。

但是，太陽能、風(fēng)能等可再生能源容易受自然環(huán)境因素的影響，導(dǎo)致光伏與風(fēng)力發(fā)電機(jī)的出力具有隨機(jī)性、波動性、不確定性［6］。 冷、熱、電等負(fù)荷的需求量也隨著環(huán)境、季節(jié)、用戶用能習(xí)慣的變化而變化，也具有不確定性［7］。 源荷不確定性對系統(tǒng)運(yùn)行計劃的制定，以及穩(wěn)定運(yùn)行帶來了極大的挑戰(zhàn)［8］。 隨著多能流系統(tǒng)的日益推廣，源荷不確定性問題必須加以重視［9］。

目前，對于多能流系統(tǒng)進(jìn)行了大量研究，文獻(xiàn)［10］以對環(huán)境影響最小為目標(biāo)，提出了光伏/光熱與天然氣互補(bǔ)的冷熱電多聯(lián)供系統(tǒng)的魯棒多目標(biāo)優(yōu)化模型，并采用NSGA II算法求解，采用實(shí)例論證了算法的有效性。 甘霖等［11］建立了微網(wǎng)的優(yōu)化調(diào)度模型，并與冷熱電獨(dú)立微網(wǎng)進(jìn)行對比，結(jié)果表明多能流微網(wǎng)系統(tǒng)可以降低運(yùn)行費(fèi)用，提高可再生能源消納率，但并未考慮源荷不確定性對系統(tǒng)的影響。 熊文等［12］考慮了微網(wǎng)多能流系統(tǒng)中儲熱、蓄冷裝置的盈利策略，據(jù)此研究了儲熱、儲冷裝置在不同供能季的最優(yōu)容量配置與運(yùn)行策略。 湯翔鷹等［13］采用多時間尺度優(yōu)化調(diào)度來平抑波動，在日前調(diào)度過程中考慮了多能靈活性，使系統(tǒng)在日內(nèi)調(diào)度中可以協(xié)調(diào)各設(shè)備應(yīng)對負(fù)荷功率的波動。 姜慧楠［14］建立了系統(tǒng)運(yùn)行費(fèi)用最小的目標(biāo)函數(shù)，采用多時間尺度優(yōu)化的方法來逐次降低可再生能源與負(fù)荷的預(yù)測誤差對系統(tǒng)調(diào)度的影響，結(jié)果表明多時間尺度調(diào)度可以增加系統(tǒng)跟蹤負(fù)荷的能力。 李佳慧［15］在灰色神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)組合法對系統(tǒng)典型日光伏電池、風(fēng)機(jī)的輸出功率進(jìn)行預(yù)測的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了系統(tǒng)的多目標(biāo)優(yōu)化運(yùn)行研究。但是，一般認(rèn)為，根據(jù)預(yù)測數(shù)據(jù)計算誤差較大［16］。文獻(xiàn)［17］采用蒙特卡洛法分析了不確定性對CCHP系統(tǒng)的能源和經(jīng)濟(jì)性能的影響。 但以上文獻(xiàn)并未探討調(diào)度結(jié)果的安全裕度，以及系統(tǒng)配置儲能裝置的必要性。

基于以上問題，本文將設(shè)計兩種多能流系統(tǒng)，其中一種配備儲能裝置（下文簡稱有儲能系統(tǒng)），一種沒有配備儲能裝置（下文簡稱無儲能系統(tǒng)），然后對比兩系統(tǒng)在運(yùn)行費(fèi)用、能源效率、安全裕度、運(yùn)行費(fèi)用受負(fù)荷不確定性影響大小等方面的差異，從而探討儲能裝置的作用。

1 有儲能系統(tǒng)模型

多能流系統(tǒng)由輸入能源、能源轉(zhuǎn)換設(shè)備、負(fù)荷組成［18，19］。 本文輸入能源有風(fēng)能、太陽能、天然氣、電網(wǎng)購電。 燃?xì)廨啓C(jī)、電制冷機(jī)、吸收式制冷機(jī)、換熱器、電鍋爐作為能源轉(zhuǎn)換設(shè)備，生產(chǎn)系統(tǒng)所需電量、冷量和熱量。 系統(tǒng)配備儲熱、蓄冷設(shè)備，蓄電池。 系統(tǒng)如圖1 所示。

圖1 配備有儲能裝置的多能流系統(tǒng)示意圖

1.1 設(shè)備數(shù)學(xué)模型

1.1.1 燃?xì)廨啓C(jī)

燃?xì)廨啓C(jī)輸入天然氣，產(chǎn)生電能及熱能。 其能量輸入—輸出數(shù)學(xué)模型及約束為：式中：PGT，t表示t時刻燃?xì)廨啓C(jī)的輸出功率；Pgas，t為t時刻天然氣燃燒產(chǎn)熱量；ηGT為燃?xì)廨啓C(jī)的效率；分別為燃?xì)廨啓C(jī)輸出功率的最小、最大值；QGT，t為燃?xì)廨啓C(jī)的產(chǎn)熱量；θHE為燃?xì)廨啓C(jī)的熱電比。

1.1.2 余熱鍋爐

余熱鍋爐是將燃?xì)廨啓C(jī)的余熱回收加以利用的裝置。 其數(shù)學(xué)模型為：

式中：ηHR為余熱鍋爐的效率；HHR，t為余熱鍋爐t時刻輸出的熱量。

1.1.3 吸收式制冷機(jī)

吸收式制冷機(jī)利用余熱鍋爐的熱量進(jìn)行制冷，其數(shù)學(xué)模型及約束條件為：

式中：HAR，t為t時刻吸收式制冷機(jī)的輸入功率；ηAR為吸收式制冷機(jī)的制冷系數(shù)；KAR，t為t時刻吸收式制冷機(jī)輸出功率；分別為機(jī)組輸出的最小、最大功率。

1.1.4 換熱器

換熱器利用余熱鍋爐的余熱作為輸入能源，產(chǎn)生熱量。 其數(shù)學(xué)模型與約束為：

式中：H＇HT為t時刻輸入到換熱器的熱量；ηHT為換熱器的效率；HHT，t為t時刻換熱器輸出功率；分別為換熱器輸出熱量的最小、最大值。

1.1.5 蒸汽輪機(jī)

蒸汽輪機(jī)利用余熱鍋爐輸出的熱量發(fā)電，其數(shù)學(xué)模型與約束為：

式中：PST，t為t時 刻 蒸 汽 輪 機(jī) 輸 出 功 率；HST，t為 余熱鍋爐輸入蒸汽輪機(jī)的熱量；ηST為蒸汽輪機(jī)發(fā)電效率；分別為蒸汽輪機(jī)輸出功率上下限。

1.1.6 電制冷機(jī)

電制冷機(jī)將電能轉(zhuǎn)換為冷能。 其數(shù)學(xué)模型與約束條件為：

式中：PEC，t為t時刻電制冷機(jī)的輸入功率；ηEC為制冷機(jī)的電冷轉(zhuǎn)換效率；KEC，t為t時刻電制冷機(jī)的輸出功率；分別為電制冷機(jī)輸入功率的最小、最大值。

1.1.7 電鍋爐

電鍋爐將電能轉(zhuǎn)換為熱能。 其數(shù)學(xué)模型與約束條件為：

式中：PEH，t為t時刻電鍋爐的輸入功率；ηEH為電鍋爐效率；HEH，t為t時刻電鍋爐的輸出功率；分 別為電鍋爐輸入功率的最小、最大值。

1.1.8 儲熱裝置

儲能裝置是跨時間段利用能量的裝置，其在平谷電價時段存儲能量，在高電價時段釋放，可以對電網(wǎng)起到削峰填谷的作用。

儲熱裝置的數(shù)學(xué)模型及約束為：

1.1.9 蓄冷裝置

蓄冷裝置的數(shù)學(xué)模型及約束為：

1.1.10 蓄電池

蓄電池的數(shù)學(xué)模型及約束為：

1.2 系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型

1.2.1 系統(tǒng)能量平衡

式（11） -（13）分別為冷量平衡、熱量平衡、電量平衡表達(dá)式。 ωPV，t、ωWT，t分別表示t時刻系統(tǒng)對太陽能與風(fēng)能的消納率。 PWT，t、PPV，t分別表示t時刻風(fēng)電與光伏實(shí)際的出力。 Pbuy，t表示t時刻購電量。

1.2.2 節(jié)點(diǎn)能量平衡

式（14） -（21）分別代表燃?xì)廨啓C(jī)、余熱鍋爐、儲熱裝置、蓄冷裝置、蓄電池的輸入輸出關(guān)系。Q1、Q2分別代表燃?xì)廨啓C(jī)余熱，余熱鍋爐熱損失。θHE為燃?xì)廨啓C(jī)熱電比，取1.2。

2 無儲能系統(tǒng)模型

無儲能系統(tǒng)不配備儲能裝置，其余結(jié)構(gòu)與有儲能系統(tǒng)完全相同。 系統(tǒng)如圖2 所示。

圖2 無儲能系統(tǒng)示意圖

2.1 設(shè)備數(shù)學(xué)模型

同式（1） -（7）。

2.2 系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型

2.2.1 系統(tǒng)能量平衡

式（22） -（24）分別代表冷、熱、電能平衡。

2.2.2 節(jié)點(diǎn)能量平衡

同式（14） -（15）。

3 系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度

3.1 有儲能系統(tǒng)優(yōu)化模型

以夏季典型日24 h 總運(yùn)行成本最小為目標(biāo)函數(shù)，如下式所示：

式中：Cenergy，t表示t時刻的能源費(fèi)用，包括購氣，購電費(fèi)用、光伏以及風(fēng)力發(fā)電機(jī)的運(yùn)行費(fèi)用；Cdev，t表示能源轉(zhuǎn)換設(shè)備運(yùn)行費(fèi)用，包括余熱鍋爐（HR）、換熱器（HT）、吸收式制冷機(jī)（AR）、電制冷機(jī)（EC）、電鍋爐（EH）、蒸汽輪機(jī)（ST）、燃?xì)廨啓C(jī)（GT）的運(yùn)行費(fèi)用；Cstor，t表示儲能設(shè)備運(yùn)行費(fèi)用；Caban，t表示棄風(fēng)棄光懲罰費(fèi)用；c表示各設(shè)備的單位運(yùn)行費(fèi)用；QLHV代表天熱氣低熱值，取9.7 kWh/m3、分別代表單位棄光棄風(fēng)成本，取為0.05元/kW；ce，t、cgas分別表示電價與天然氣價格。

約束條件包括式（1） -（13），以及余熱利用效率約束式（26）與余熱鍋爐輸出熱量的利用率約束式（27）。

此模型是一個混合整數(shù)線性規(guī)劃問題，通過matlab 軟件進(jìn)行求解。

3.2 無儲能系統(tǒng)優(yōu)化模型

約束條件如式（1） -（7）、（22） -（24），（26 -27）。

此問題是線性規(guī)劃模型，采用matlab 平臺求解。

4 源荷不確定性分析

4.1 風(fēng)力發(fā)電機(jī)

風(fēng)力發(fā)電的主要影響因素是輪轂處的風(fēng)速［20］。 風(fēng)速的隨機(jī)波動導(dǎo)致風(fēng)力發(fā)電機(jī)的出力具有隨機(jī)性、波動性、不確定性。 目前，公認(rèn)的描述風(fēng)速的最佳分布為威布爾分布［21-23］。

風(fēng)速威布爾分布的概率密度函數(shù)及概率分布函數(shù)如式（28）、式（29）所示：

式中：V為風(fēng)速；K與C分別代表形狀參數(shù)與尺度參數(shù)。

由風(fēng)速得到風(fēng)力機(jī)組的輸出功率，如式（30）所示：

式中：V表示風(fēng)速；Vin、Vout分別代表切入風(fēng)速、切出風(fēng)速；Pnorm、Vnorm分別代表額定功率、額定風(fēng)速；

4.2 光伏電池

光伏的輸出功率與光照強(qiáng)度、環(huán)境溫度等因素相關(guān)。 大量研究表明，太陽光照強(qiáng)度近似服從貝塔分布［24，25］。 具體如式（31）所示：

式中：Γ為伽馬函數(shù)；α、β 分別為尺度參數(shù)與形狀參數(shù)。

研究表明，隨著溫度的上升，太陽能電池的開路電壓減小，光電流略微增加，所以光伏電池的輸出功率隨著溫度的上升而減小［26］。

太陽電池的電流與光照強(qiáng)度基本成正比，而光照強(qiáng)度對電壓影響很?。?6］，所以，光伏電池的功率與光照強(qiáng)度近似成正比關(guān)系。 由光照強(qiáng)度可得光伏輸出模型，如式（32）所示

4.3 負(fù) 荷

負(fù)荷主要受環(huán)境、氣候、用戶用能習(xí)慣影響［7］。 研究表明，負(fù)荷服從正態(tài)分布［27，28］，其概率密度函數(shù)如式（33）所示：

式中：?為負(fù)荷值；μ與σ2分別為負(fù)荷的均值與方差。

5 算例分析

本課題以某工業(yè)園區(qū)為研究對象，系統(tǒng)所用設(shè)備的參數(shù)及電費(fèi)結(jié)構(gòu)如表1 -表3 所示，天然氣費(fèi)用按5 元/m3計算。

表1 設(shè)備參數(shù)

表3 電價表

以園區(qū)所在地夏季典型日光伏、風(fēng)力發(fā)電機(jī)的出力，以及冷熱電負(fù)荷數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，計算典型日各設(shè)備的運(yùn)行計劃，使系統(tǒng)典型日運(yùn)行費(fèi)用最少。 可再生能源出力、冷熱電負(fù)荷分別如圖3、圖4 所示。

圖3 風(fēng)電、光伏出力數(shù)據(jù)

圖4 冷、熱、電負(fù)荷數(shù)據(jù)

表2 儲能設(shè)備參數(shù)

5.1 調(diào)度結(jié)果分析

根據(jù)調(diào)度模型，得出兩系統(tǒng)的優(yōu)化結(jié)果（見圖5 至圖7）。

圖5 表明了兩系統(tǒng)所需的冷能在1 -11 點(diǎn)、15 -19 點(diǎn)，以及24 點(diǎn)時都完全由電制冷機(jī)供給。12 -14 點(diǎn)、20 -23 點(diǎn)，系統(tǒng)不再向電網(wǎng)購電，有儲能系統(tǒng)所需冷量由電制冷機(jī)、吸收式制冷機(jī)、蓄冷裝置共同供給。 而對于無儲能系統(tǒng)，冷量只能由電制冷機(jī)與吸收式制冷機(jī)提供，所以，此時的吸收式制冷功率與電制冷功率明顯大于有儲能系統(tǒng)。

圖5 兩系統(tǒng)冷量優(yōu)化結(jié)果

蓄冷裝置在低電價時段的1 -7 點(diǎn)存儲冷量，在高電價時段的12 -14 點(diǎn)、20 -23 點(diǎn)釋放出來，減輕了吸收式制冷和電制冷機(jī)的供能負(fù)擔(dān)，起到了削峰填谷的作用。

圖6（a）表明了有儲能系統(tǒng)所需的熱能在1-11 點(diǎn)、15 -16 點(diǎn)，以及24 點(diǎn)時完全由電鍋爐供給。 12 -14 點(diǎn)、20 -23 點(diǎn)的高電價時段，熱量由電鍋爐、換熱器、儲熱裝置共同供給。

儲熱裝置在低電價的1 -11 點(diǎn)以及16 點(diǎn)存儲熱能，在12 -14 點(diǎn)、17 -23 點(diǎn)釋放，減輕了換熱器和電鍋爐的供能負(fù)擔(dān)，起到了削峰填谷的作用。

圖6（b）表明了無儲能系統(tǒng)所需的熱能在低電價時段1 -11 點(diǎn)、15 -19 點(diǎn)，以及24 點(diǎn)時完全由電鍋爐供給。 電價峰值時段的12 -14 點(diǎn)、20 -23 點(diǎn)，換熱器與電鍋爐共同提供熱量，且此時二者的供能負(fù)擔(dān)大于有儲能系統(tǒng)。

圖6 熱量優(yōu)化結(jié)果

圖7 表明了兩系統(tǒng)所需的電能在1 -11 點(diǎn)、15 -19 點(diǎn)，以及24 點(diǎn)時均由可再生能源和電網(wǎng)購電供給。 在12 -14 點(diǎn)、20 -23 點(diǎn)，有儲能系統(tǒng)所需電能由燃?xì)廨啓C(jī)、可再生能源、蓄電池共同供給。 而無儲能系統(tǒng)電負(fù)荷僅由燃?xì)廨啓C(jī)與可再生能源供給，供能靈活性不足，不具有削峰填谷的能力。

圖7 電量優(yōu)化結(jié)果

蓄電池在低電價的1 -7 點(diǎn)存儲電量，在高電價的13 -14 點(diǎn)、20 點(diǎn)釋放電量，起到了削峰填谷的作用。

從以上分析可知，儲能裝置在電價平谷時段存儲能量，電價峰值時段利用能量，即減少了系統(tǒng)的運(yùn)行費(fèi)用，也起到了削峰填谷的作用。 從優(yōu)化結(jié)果可以得出儲熱裝置、蓄冷裝置、蓄電池的最佳容量分別為2500 kWh、2060 kWh、1350 kWh。

5.2 運(yùn)行費(fèi)用分析

兩系統(tǒng)運(yùn)行費(fèi)用不相同，但變化趨勢基本相同。 由于不同時刻供能方式不同，各時刻的運(yùn)行費(fèi)用相差較大。 圖8 表明，運(yùn)行費(fèi)用與分時電價有一定關(guān)聯(lián)。 對于無儲能系統(tǒng)，12 -14 點(diǎn)以及20-23 點(diǎn)系統(tǒng)運(yùn)行費(fèi)用較高，電價平谷時段運(yùn)行費(fèi)用較低。 這是由于在峰值電價時段，系統(tǒng)購買天然氣，啟動燃?xì)廨啓C(jī)、換熱器、吸收式制冷機(jī)，而其他時段工作設(shè)備較少，所以，電價峰時段運(yùn)行費(fèi)用較其他時段高。

圖8 運(yùn)行費(fèi)用對比

有儲能系統(tǒng)在電價低谷時期，購買大量電能進(jìn)行存儲，該時段運(yùn)行費(fèi)用較高，而在電價峰值時段儲能裝置釋放能量，使系統(tǒng)購氣量較少，所以該時段運(yùn)行費(fèi)用低于無儲能系統(tǒng)，也導(dǎo)致了有儲能系統(tǒng)典型日運(yùn)行費(fèi)用較低。 計算可得，配備儲能裝置可使系統(tǒng)典型日的運(yùn)行費(fèi)用降低25%。

5.3 能源利用效率分析

圖9 表明典型日兩系統(tǒng)的能效變化趨勢大體相當(dāng)，都具有平電價時段較大、峰谷時段較小的特性。 這是由于系統(tǒng)在電價峰值時段會增加購氣量，在電價谷時段會增加購電量，所以系統(tǒng)整體能效下降。 除電價谷時段外，有儲能系統(tǒng)的能效較無儲能系統(tǒng)高，這與有儲能系統(tǒng)在電價谷時段消耗較多一次能源，而在其他時段消耗較少一次能源有關(guān)。 有儲能系統(tǒng)與無儲能系統(tǒng)的能源利用效率計算分別如式（34）、（35）所示。

圖9 能源利用效率對比

式中：ηt為系統(tǒng)能源利用效率；Kt、Ht、Pt分別表示t時刻冷量、熱量、電量的需求量；ηge、ηtran分別表示電廠發(fā)電效率與電網(wǎng)傳輸效率。

5.4 調(diào)度結(jié)果裕度分析

本節(jié)基于安全供能原則，研究系統(tǒng)各時刻的優(yōu)化結(jié)果所具備的裕度，即各時刻系統(tǒng)允許的負(fù)荷及可再生能源出力的最大波動率。 其中，可再生能源的波動率如式（36）所示，負(fù)荷波動率如式（37）所示。

5.4.1 光伏波動下限

以任意時刻光伏出力最小值為目標(biāo)函數(shù)，與同時刻光伏出力進(jìn)行比較，得出波動率。 計算結(jié)果如圖10 所示。

圖10 光伏波動率

有儲能系統(tǒng)：

約束條件：

無儲能系統(tǒng)：

5.4.2 風(fēng)力發(fā)電機(jī)波動下限

以任意時刻風(fēng)機(jī)出力最小值為目標(biāo)函數(shù)。

有儲能系統(tǒng)：

約束條件：

無儲能系統(tǒng)：

約束條件：

圖10、圖11 表明，在大部分時間段，有儲能系統(tǒng)比無儲能系統(tǒng)能為可再生能源出力提供更大的下降空間。 具體原因如下：

圖11 風(fēng)機(jī)組波動率

7 點(diǎn)：無儲能系統(tǒng)僅僅通過提高光伏消納率來為可再生能源出力提供下降空間，而有儲能系統(tǒng)可以通過增加購電量、使儲能裝置停止儲能兩個途徑來提供更大的下降空間。

12 -14 點(diǎn)、20 -23 點(diǎn)：兩系統(tǒng)都通過增加購氣量為可再生能源出力的下降提供空間。 但無儲能系統(tǒng)在該時刻的購氣量較大，受燃?xì)廨啓C(jī)出力限制，所增加的量有限，為可再生能源出力提供的下降空間小于有儲能系統(tǒng)。 有儲能系統(tǒng)在12 點(diǎn)通過釋放冷量也為可再生能源的出力提供了下降的空間。

19 點(diǎn)無儲能系統(tǒng)只能通過增加購電量來為風(fēng)力發(fā)電機(jī)的出力提供下降空間，而有儲能系統(tǒng)可以通過增加購電量，增加儲熱裝置放熱量為風(fēng)力發(fā)電機(jī)出力的下降提供空間，可以提供的空間大于無儲能系統(tǒng)。

17 -18 點(diǎn)無儲能系統(tǒng)允許可再生能源的出力的下降范圍反而較大。 主要由于無儲能系統(tǒng)可以通過增加購電量來彌補(bǔ)可再生能源出力的下降，而有儲能系統(tǒng)受調(diào)度計劃約束，無購電計劃，所提供的可再生能源下降范圍較小。

5.4.3 冷負(fù)荷波動上限

以任意時刻冷負(fù)荷最大值為目標(biāo)函數(shù)。

有儲能系統(tǒng)：

約束條件：

無儲能系統(tǒng)：

約束條件：

圖12 表明，在大部分時間段，有儲能系統(tǒng)允許冷負(fù)荷增加量大于無儲能系統(tǒng)。 具體原因如下：

圖12 冷負(fù)荷波動率

7 點(diǎn)：無儲能系統(tǒng)只能通過提高光伏消納率來應(yīng)對冷負(fù)荷的增加，可提供的空間有限。 而有儲能系統(tǒng)可以通過停止儲能裝置儲能來增加電制冷量，可以為冷負(fù)荷提供更大的上升空間。

12 -14 點(diǎn)，20 -23 點(diǎn)：兩個系統(tǒng)都通過增加購氣量來提高電制冷量與吸收式制冷量，但無儲能系統(tǒng)受燃?xì)廨啓C(jī)功率限制，只增加較小的購氣量。 另外，有儲能系統(tǒng)在12 點(diǎn)增加蓄冷裝置放冷量，也為冷負(fù)荷提供上升空間。

17 -18 點(diǎn)，無儲能系統(tǒng)可以通過增加購電量來提供更多的電制冷量，而有儲能系統(tǒng)受調(diào)度計劃約束，在該時段無購電計劃，只能通過增加儲熱裝置放熱量為冷負(fù)荷提供上升空間，所以，此時無儲能系統(tǒng)所能提供的負(fù)荷上升空間反而較大。

5.4.4 熱負(fù)荷波動上限

以任意時刻熱負(fù)荷最大值為目標(biāo)函數(shù)。有儲能系統(tǒng)：

約束條件：

無儲能系統(tǒng)：

約束條件：

圖13 表明，在所有時間段，有儲能系統(tǒng)比無儲能系統(tǒng)能提供更大的熱負(fù)荷上升空間。 具體原因如下：

圖13 熱負(fù)荷波動率

7 點(diǎn)：無儲能系統(tǒng)通過提高光伏消納率來增加電鍋爐產(chǎn)熱量。 而有儲能系統(tǒng)可以通過停止儲能裝置儲能來增加電鍋爐產(chǎn)熱量，可以提供更多的熱負(fù)荷上升空間。

12 -14 點(diǎn)、20 -23 點(diǎn)：兩系統(tǒng)都是通過增加購氣量來提供熱負(fù)荷上升空間，該方法可以提高換熱器以及電鍋爐的產(chǎn)熱量。 但有儲能系統(tǒng)的購氣量更多，并且蓄冷裝置在12 點(diǎn)釋放冷量，所以可以提供更大的負(fù)荷上升空間。

17 -19 點(diǎn)無儲能系統(tǒng)通過增加購電量來提高電鍋爐的產(chǎn)熱量，而有儲能系統(tǒng)通過增加儲熱裝置的放熱量以及購電量來提高熱負(fù)荷的波動上限。

5.4.5 電負(fù)荷波動上限

以任意時刻電負(fù)荷最大值為目標(biāo)函數(shù)。有儲能系統(tǒng)：

約束條件：

無儲能系統(tǒng)：

約束條件：

圖14 表明，在大部分時間段，有儲能系統(tǒng)可以比無儲能系統(tǒng)提供更大的電負(fù)荷上升空間。 具體原因如下：

圖14 電負(fù)荷波動率

7 點(diǎn)：無儲能系統(tǒng)只能通過提高光伏消納率來為電負(fù)荷的增加提供空間，而有儲能系統(tǒng)通過增加購電量，停止儲能裝置儲能來提供比無儲能系統(tǒng)更大的電負(fù)荷增量范圍。

12 -14 點(diǎn)、20 -23 點(diǎn)：無儲能系統(tǒng)通過增加購氣量來提高可供電量，但受調(diào)度計劃限制，可以增加的購氣量少于有儲能系統(tǒng)。 另外，有儲能系統(tǒng)還在12 點(diǎn)通過增加蓄冷裝置放能，提供更大的電負(fù)荷增量范圍。

17 -18 點(diǎn)，無儲能系統(tǒng)可以通過增加購電量來提供更大的電負(fù)荷增量空間，而有儲能系統(tǒng)受調(diào)度計劃限制，無購電計劃，雖然可以增加儲熱裝置放熱量，但所能提供的電負(fù)荷上升空間小于無儲能系統(tǒng)；19 點(diǎn)無儲能系統(tǒng)只能增加購電量，而有儲能系統(tǒng)既增加購電量、又增加儲熱裝置放熱量，故有儲能系統(tǒng)可以提供更大的電負(fù)荷上升空間。

5.5 光伏消納率

可再生能源消納率是衡量系統(tǒng)可再生能源利用水平的重要指標(biāo)。

圖15 表明了無儲能系統(tǒng)在7 -11 點(diǎn)、16 點(diǎn)存在棄光現(xiàn)象，經(jīng)過計算，共棄光654 k Wh，而有儲能系統(tǒng)由于儲能裝置可以存儲多余的可再生能源，不存在棄風(fēng)棄光現(xiàn)象，可再生能源消納率100%。 這也就證明了儲能裝置可以提高可再生能源消納率。

圖15 無儲能系統(tǒng)光伏消納率

5.6 負(fù)荷不確定性分析

采用蒙特卡洛法來研究負(fù)荷不確定性對系統(tǒng)運(yùn)行費(fèi)用的影響，蒙特卡洛法是用計算機(jī)模擬的方法產(chǎn)生隨機(jī)抽樣結(jié)果，根據(jù)抽樣產(chǎn)生的隨機(jī)數(shù)來計算所求問題的方法。

文獻(xiàn)［18］表明，系統(tǒng)各時刻的冷、熱、電負(fù)荷都滿足正態(tài)分布，且正態(tài)分布的標(biāo)準(zhǔn)差σ與均值的關(guān)系滿足σ=0.1，根據(jù)這一關(guān)系可以得出冷、熱、電負(fù)荷各時刻服從的正態(tài)分布的概率密度函數(shù)，從而抽樣1000 次得到每一時刻的1000 個負(fù)荷值，用這些隨機(jī)數(shù)去計算典型日一天的最小運(yùn)行費(fèi)用變化情況。 從而得出不確定性對運(yùn)行費(fèi)用的影響范圍，結(jié)果采用箱線圖表示。

5.6.1 冷負(fù)荷不確定性對運(yùn)行費(fèi)用的影響

圖16（a）表明了對于有儲能系統(tǒng)，即使某些時刻存在冷負(fù)荷突變的情況，但是儲能裝置會通過儲放能量來平抑波動，使得負(fù)荷的波動對其他設(shè)備的影響較小，所以，對于有儲能系統(tǒng)，任一時刻冷負(fù)荷的波動對一天運(yùn)行費(fèi)用的影響都在一定的范圍之內(nèi)，不會出現(xiàn)太多異常值。 另外，由于儲能裝置削峰填谷，能量可以跨時間段利用，這使得系統(tǒng)一天的運(yùn)行費(fèi)用低于無儲能系統(tǒng)。

圖16（b）表明，對于無儲能系統(tǒng)，10 點(diǎn)、16 點(diǎn)存在大量異常值，這主要是由于在這些時刻冷負(fù)荷波動較大，因而產(chǎn)生了較多異常值。

圖16 冷負(fù)荷不確定性對運(yùn)行費(fèi)用的影響

5.6.2 熱負(fù)荷不確定性對運(yùn)行費(fèi)用的影響

圖17（a）表明，熱負(fù)荷波動對有儲能系統(tǒng)的運(yùn)行費(fèi)用影響較為平緩。 圖17（b）表明，無儲能系統(tǒng)在9 -10 點(diǎn)、16 點(diǎn)、19 點(diǎn)存在大量異常值，這主要是由于在這些時刻熱負(fù)荷波動較大。

圖17 熱負(fù)荷不確定性對運(yùn)行費(fèi)用的影響

5.6.3 電負(fù)荷不確定性對運(yùn)行費(fèi)用的影響

圖18（a）表明了電負(fù)荷波動對有儲能系統(tǒng)的運(yùn)行費(fèi)用影響較為平緩。

圖18（b）表明，無儲能系統(tǒng)在7 -11 點(diǎn)、15、16 點(diǎn)存在大量異常值，這是由于在這些時刻電負(fù)荷波動較大，導(dǎo)致系統(tǒng)購電量以及運(yùn)行費(fèi)用波動較大，產(chǎn)生較多異常值，導(dǎo)致一天的費(fèi)用變化幅度較大。

圖18 電負(fù)荷不確定性對運(yùn)行費(fèi)用的影響

通過以上分析可以得出，儲能裝置的存在，可以平抑各種負(fù)荷的波動，進(jìn)而使得系統(tǒng)的運(yùn)行調(diào)度方案隨著負(fù)荷的波動變動較小，進(jìn)而導(dǎo)致運(yùn)行費(fèi)用波動也較小。

6 結(jié) 論

本文通過優(yōu)化調(diào)度得出儲熱裝置、蓄冷裝置、蓄電池的最佳容量分別為2500 kWh、2060 kWh、1350 k Wh。 通過兩系統(tǒng)對比得出儲能裝置的如下作用：

（1）不考慮設(shè)備初始投資，可以降低系統(tǒng)25%的運(yùn)行費(fèi)用。

（2）當(dāng)蓄電池容量與可再生能源裝機(jī)容量近似為1 ∶4 時可使可再生能源消納率達(dá)到100%。

（3）在大部分時刻允許源荷兩側(cè)的波動范圍更大。

（4）系統(tǒng)典型日最小運(yùn)行費(fèi)用受負(fù)荷不確定性影響較小。

但是在典型日調(diào)度結(jié)果安全裕度方面，有些時間段有儲能系統(tǒng)裕度要小于無儲能系統(tǒng)，說明在這些時段配備儲能裝置反而會減少系統(tǒng)裕度，但是大部分時段還是要優(yōu)于無儲能系統(tǒng)。 說明多能流系統(tǒng)配備儲能裝置是非常必要的。