曾 琴 樊宇航 周 玲

（1.中國電力工程顧問集團西南電力設計院有限公司 2.南方電網(wǎng)能源發(fā)展研究院有限責任公司 3.國網(wǎng)四川成都供電公司）

0 引言

新型儲能是一種非常重要的技術，能夠為智能電網(wǎng)和再生能源系統(tǒng)打下重要的基礎，將在"互聯(lián)網(wǎng)+"智慧能源中發(fā)揮不可或缺的作用。2022年，國家發(fā)展改革委和國家能源局聯(lián)合印發(fā)了《“十四五”新型儲能發(fā)展實施方案》，其中新型純能主要包括電化學儲能、抽汽蓄能［1］、壓縮空氣儲能［2］、飛輪儲能［3］、氫儲能［4］、熱（冷）儲能［5］等。在城市電力系統(tǒng)領域，先進的能源儲存技術顯示出顯著的潛力，可有效進行負荷管理、降低電網(wǎng)晝夜波動、調(diào)節(jié)電能需求。這不僅有助于提高電力設備的運轉(zhuǎn)效能，降低供電成本，同時也作為推動可再生能源整合、加強電力系統(tǒng)運行的關鍵手段，對于構建卓越的環(huán)保電網(wǎng)具有重要意義。

隨著直流用電設備的普及，直流負荷在負荷側(cè)不斷增加，而交流電網(wǎng)面臨著電能質(zhì)量問題和無功功率損耗的挑戰(zhàn)，需要配置相應的無功補償設備，這進一步導致了額外的投資成本。與交流電相比，直流電的儲存更為便捷，而新型的混合交直流儲能系統(tǒng)以儲能設備為核心單元，有助于提高系統(tǒng)響應速度［6-9］。分布式新能源作為直流設備可以直接接入直流配電網(wǎng)，從而避免了逆變型電力電子設備的需求，降低了系統(tǒng)的復雜度，提升了整體系統(tǒng)的穩(wěn)定性。電力電子變壓器和直流斷路器的創(chuàng)新進一步提升了能源變換效率和可靠性，為新型基于儲能模塊的混合交直流配電網(wǎng)的進一步發(fā)展奠定了堅實基礎。新型混合交直流儲能配電網(wǎng)系統(tǒng)采用大數(shù)據(jù)平臺進行全方位的管理，以實現(xiàn)多種能源的有機互補?；趦δ苣K構建的新型混合交直流配電網(wǎng)物理結(jié)構，為分布式能源和電動汽車的靈活接入提供了堅實基礎，并可以提供高質(zhì)量、高可靠的能源供應服務。

1 新型交直流儲能系統(tǒng)構架模型

1.1 新型交直流儲能系統(tǒng)物理架構層

構筑新一代新型交直流配電網(wǎng)能源互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，以創(chuàng)新的能量存儲組件為核心構建單元，實現(xiàn)風力、太陽能等再生能源的靈活、有序引入，充分挖掘分布式能源資源，以優(yōu)化整體能源使用效能為目標。在電力需求高峰時段，通過智能地將地下熱能和廢熱有效轉(zhuǎn)化為制冷效能，巧妙地減輕空調(diào)系統(tǒng)負荷，取得了明顯的節(jié)能減排效益［10-11］。新交直流儲能系統(tǒng)的物理基礎層，作為保障地區(qū)能源高效運行的核心，是進行多能源高效轉(zhuǎn)化和優(yōu)化調(diào)度的實際執(zhí)行平臺。其具體的物理基礎架構如圖1所示。

圖1 物理架構層

1.2 數(shù)學模型目標函數(shù)

搭建一體化的能源智能網(wǎng)絡，實現(xiàn)分散式能源的彈性接納和能源的高效利用。引入新穎的儲存單元在交直流電配送網(wǎng)絡技術上的創(chuàng)新解決方法，顯著提高區(qū)域電壓水平，確?？稍偕茉吹玫酵耆谌?，增強電力供應的穩(wěn)定性，減緩輸電線路能耗和用電費用。基于資源的自然屬性構建數(shù)學模型，其優(yōu)化目標是綜合考慮園區(qū)能源資源的建設和運行成本。決策因素主要包括起始建設支出和后續(xù)運行成本。具體而言，數(shù)學模型的函數(shù)形式如下（見式（1））。目標函數(shù)的最優(yōu)判據(jù)是使數(shù)學模型目標函數(shù)F達到最小值。在式（1）中，F(xiàn)表示園區(qū)能源資源建設和運行成本最優(yōu)，因此目標經(jīng)調(diào)整決策因素，即初始建設和運維投資，使得F的值最小化。這意味著通過優(yōu)化投資和維護成本，使系統(tǒng)在建設和運行方面達到最經(jīng)濟和高效的狀態(tài)，實現(xiàn)能源互聯(lián)網(wǎng)多能互補信息系統(tǒng)的最佳性能。

式中，F(xiàn)Gird為交直流電網(wǎng)的投資維護成本；FEV為充電設施的投資維護成本；FES為新型儲能設施的投資維護成本；Fchр為分布式能源系統(tǒng)的投資維護成本。

具體計算如式（2）。

式中，ψ為交直流配電網(wǎng)園區(qū)能源站合集；為單元i的交直流配電網(wǎng)的總?cè)萘?；為單元i的充電設施的總?cè)萘?；為單元i的新型儲能設施的總?cè)萘浚粸閱卧猧的分布式能源系統(tǒng)的總?cè)萘?；?、δ2、δ3、δ4為各系統(tǒng)投資年化的系數(shù)；vGird、vEV、vES、vchр為各系統(tǒng)單位容量的建設成本；τGind、τEV、τES、τchр為各系統(tǒng)單位維護運維成本。

1.3 約束條件

在園區(qū)電網(wǎng)系統(tǒng)的設計和運行中，除需滿足傳統(tǒng)電網(wǎng)對電壓、電流、有功和無功功率的限制外，還需滿足交直流電網(wǎng)平衡要求。約束條件包括：

式中，Pci為注入交流側(cè)的有功功率；Pcdci為注入直流側(cè)有功功率；Plossi為有功損耗。

假設存在ndc直流節(jié)點，第i個直流節(jié)點的直流電網(wǎng)注入功率模型可以用式（4）表示。

式中，Gdci為節(jié)點i和j之間的直流線路電導；Idci為第i個直流節(jié)點電流；Udci為第i個直流節(jié)點電壓；Udcj為第j個直流節(jié)點電壓，

1.4 新型交直流儲能系統(tǒng)協(xié)調(diào)發(fā)展技術構架分析

在規(guī)劃方面，基于園區(qū)資源特性，目標是高效吸納新能源，提升整體能源利用效率。充分發(fā)掘微型能源系統(tǒng)與地域能源協(xié)同合作的潛能，通過智能融合多元能源協(xié)同系統(tǒng)，實現(xiàn)能源的協(xié)同補充和多層次利用，有效緩解能源波動［12］。先進的直流分布式電力網(wǎng)絡技術框架構建在高度可信的基礎上，采納新穎混合式分布式電力系統(tǒng)，成功解決了電壓波動和能源雙向流動的平穩(wěn)性問題。與傳統(tǒng)電力網(wǎng)絡相比，提升了系統(tǒng)的可靠性，支持多元用戶主體參，進一步提高了運營效率和服務水平。引入10kV/±0.4kV兩級主回路拓撲結(jié)構，搭建電能雙向流動裝置和分布式能源接入處理技術，以應對用戶端分布式能源、電動汽車和電力電子設備的時間隨機性和空間波動性特點。這一系統(tǒng)成功應對了分布式電源接入電網(wǎng)引發(fā)的電壓波動問題，并在保持系統(tǒng)穩(wěn)定性的同時，有效抑制了能源雙向流動所帶來的不平穩(wěn)性問題。

2 實際算例分析

2.1 園區(qū)概況

在該地區(qū)，氣候條件使得供暖期定于每年11月至2月，而供冷期則從5月一直延續(xù)至11月。該區(qū)域涵蓋的產(chǎn)業(yè)領域廣泛，包括高新技術制造、醫(yī)療設備生產(chǎn)、數(shù)據(jù)中心運營、金融服務以及教育科研等多個領域?？傄?guī)劃面積達到36km3，而初步地質(zhì)探測顯示，這片區(qū)域具備豐富的風能、光能，以及地熱的資源，特別是在新能源方面有著獨特的優(yōu)勢。目前，該地區(qū)正經(jīng)歷著開發(fā)的初期階段，盡管開發(fā)強度相對較低，但新能源電動汽車和直流數(shù)據(jù)中心對直流電的需求逐漸攀升。未來，隨著這一趨勢的不斷增長，能源耦合高效利用的前景顯得異常廣闊。負荷預測顯示，未來的供熱需求預計將達到300MW，而供冷需求則約為95MW。

2.2 高滲透率新能源系統(tǒng)協(xié)調(diào)規(guī)劃方案

（1）新能源綜合開發(fā)利用

在深入研究地區(qū)內(nèi)新能源潛力的基礎上，首選利用豐富的地熱能資源，以滿足當?shù)卦诠├浜凸岱矫娴娜找嬖鲩L的需求。此外，還計劃引入電制冷技術，作為地熱和傳統(tǒng)燃氣鍋爐的有力補充，以更好地滿足潛在的剩余供冷和供熱需求。為了提高能源的利用效率，設計了一個創(chuàng)新的夜間低谷電儲能機制。通過在夜間低電價時段進行電能儲存，能夠在白天高峰時段釋放冷能，從而實現(xiàn)更為靈活和高效的能源利用。為了進一步提升系統(tǒng)的性能，還考慮配置先進的新型儲能設備，以確保能源在供冷供熱過程中的持續(xù)可靠供應。這一全面的供能方案不僅在技術上領先，而且非常適用于賓館、醫(yī)院等對供冷供熱有著高要求的公共建筑。同時，強調(diào)了園區(qū)自身需求的重要性，特別是在決定采用淺層地熱能供熱方案時。這一方案的容量達到33.6MW，總供熱比例達到11.3%。對于淺層地熱能供冷，的裝機容量將達到35.59MW，總供冷比例高達37.9%。通過這一多層次、多能源的綜合供能系統(tǒng)，有信心為該地區(qū)提供可持續(xù)、高效且環(huán)保的能源解決方案。

（2）分布式能源系統(tǒng)配置

考慮園區(qū)能源需求和分布式能源機組特性，針對煙氣型溴化鋰制冷機組的應用優(yōu)勢顯著，其制冷效能出眾，具有低污染、高效節(jié)能的特點，并可有效利用余熱。該機組不僅能夠提供可靠的能源，而且在能源調(diào)控方面具備一定的靈活性，是一種高效且廣泛使用的設備。為進一步提高能源利用效率，初步方案建議整合電制冷和水蓄冷機組，總裝機53.42MW，占供能56.8%。采取電制冷和水蓄冷機組的優(yōu)勢主要體現(xiàn)在多個方面。首先，電制冷機組具有較高的能效比（2.6～3.8%），表現(xiàn)出能效較高的特點，這意味著在提供制冷效能的同時，能夠更有效地利用能源，降低用電成本。其次，電制冷機組在調(diào)節(jié)能力方面表現(xiàn)出色，能夠在負荷高峰期和負荷低谷期進行靈活的調(diào)節(jié)，從而更好地適應園區(qū)內(nèi)用戶的能源需求變化，提高能源的利用效率。另外，與其他制冷機組相比，電制冷和水蓄冷機組的經(jīng)濟性較好，能夠在滿足制冷需求的同時實現(xiàn)較低的運行成本。綜合而言，電制冷和水蓄冷機組在能效、靈活性和經(jīng)濟性方面的綜合優(yōu)勢使其成為園區(qū)能源規(guī)劃中的合理選擇。各類型制冷機組性能參數(shù)對比如下：熱水型制冷+儲能，能效比0.6～0.8%，此特點是能效較低、具備一定調(diào)節(jié)能力；蒸汽型制冷+儲能，能效比0.8～1.4%，此特點轉(zhuǎn)換簡單、能效比一般；電制冷機+儲能，能效比2.6～3.8%，此特點能效較高、經(jīng)濟性較差；溴化鋰制+儲能，能效比1.4～1.9%，此特點污染小、節(jié)能效率高。

（3）系統(tǒng)技術方案

考慮到高密度直流源負荷接入的實際情況，交直流混合配電網(wǎng)結(jié)合新型儲能模塊顯示出較強的適用性，為新型配電系統(tǒng)的多層面狀態(tài)監(jiān)控提供了有效手段。在園區(qū)發(fā)展需求的考慮下，我們提出了一套系統(tǒng)配置方案。其中包括高壓交流用戶接入點4個，總?cè)萘?0MW；中壓直流電網(wǎng)接入點1個，總?cè)萘?5MW；低壓交流電壓分布式配置容量10MW，可接入約1500戶；儲能容量2MWh，共12臺設備；汽車充電樁20個。詳細的系統(tǒng)框架圖可參考圖2。

圖2 新型交直流儲能系統(tǒng)框架圖

2.3 高供電可靠性、經(jīng)濟、社會效益分析

新型混合電力系統(tǒng)結(jié)構多樣，提升了交流系統(tǒng)可靠性，解決了功率不平衡問題。在電網(wǎng)側(cè)，深度挖掘信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)，關注提高實際轉(zhuǎn)供電率，解決環(huán)網(wǎng)瓶頸；用戶側(cè)采用先進直流配電技術，可以提高供電可靠性。年均停電時間不超過0.5min，確保國際領先水平的供電可靠性。

園區(qū)供能技術方案如表1所示。園區(qū)能源供給策略為配置兩臺2.85MW大溫差離行式機組通過優(yōu)化運行參數(shù)降低能耗，搭配3500m3儲能設備，夜間蓄冷滿足夏季高峰負荷25%，降低總裝機容量和運行費用。地熱供熱成本最優(yōu)，為傳統(tǒng)燃氣鍋爐的70~80%。經(jīng)濟效益方面，如表2所示，新方案比傳統(tǒng)方案節(jié)省約4000萬元。而在社會效益方面，新方安的顆粒固體排放幾乎為零，二氧化碳減少約40%。

表1 供能技術方案

表2 兩種方案費用對比

3 結(jié)束語

新型交直流儲能系統(tǒng)技術方案以新型儲能模塊為核心，通過提高供電可靠性、降低線路損耗和用電成本等多方面的優(yōu)勢，取得了顯著的經(jīng)濟和社會效益。通過實際示范項目的運用，成功提升了園區(qū)電壓質(zhì)量，滿足了清潔能源充分消納的需求，降低了系統(tǒng)整體能耗。在經(jīng)濟方面，相較于傳統(tǒng)方案，新方案經(jīng)濟性更高。社會效益方面，采用清潔能源及地熱供能方案顯著降低了排放物，減少了用地需求，提高了供電可靠性，有效降低了企業(yè)和用戶用能成本，提高了園區(qū)能源互聯(lián)網(wǎng)的利用效率。因此，新型交直流儲能系統(tǒng)技術方案在電力系統(tǒng)中的廣泛應用具有可行性，有望成為推動清潔、低碳電力行業(yè)發(fā)展的關鍵引擎。