考虑电-热储能协同的综合能源系统规划优化研究.pdf

第 卷第 期运 筹 与 管 理 ，年 月 收稿日期：基金项目：河北省创新能力提升计划项目（）作者简介：李涛（），男，山西阳泉人，教授，博士生导师，研究方向：能源经济管理，技术经济分析等；马裕泽（），通讯作者，男，山东枣庄人，博士研究生，研究方向：综合能源系统，能源经济管理等。考虑电 热储能协同的综合能源系统规划优化研究李 涛，马裕泽，宋志成，伊力奇，李 昂（华北电力大学 经济与管理学院，北京 ）摘要：针对传统电化学储能造价高导致我国可再生能源消纳困难问题，提出一种考虑电 热储能协同的综合能源系统最优化规划方法。分析铅酸电池和蓄热罐的物理特性，建立其状态表征模型；设计电 热储能系统融合平抑可再生能源出力波动、保障供需平衡、峰谷套利三种功能场景的协同运行策略，建立考虑电 热协同的规划优化策略；基于最优化理论，以年总成本最小为优化目标，提出一种考虑电 热储能协同的综合能源系统规划优化模型，并以改进粒子群算法对模型进行求解。算例结果表明，所提出的模型能够有效提升能源系统的可再生能源消费占比。关键词：多元储能；综合能源规划；电能替代；能源优化；改进粒子群算法中图分类号：；文章标识码：文章编号：（）：，（，）：“”，“”，“”，：“”“”，：；引言 年 月 日，我国东北地区出现了大面积停电事故，给东北地区人民的生产生活带来极大的影响。可再生能源出力不可控是本次事故的主要因素之一。年 月 日，中共中央、国务院印发的 关于完整准确全面贯彻新发展理念做好碳达峰碳中和工作的意见 指出，积极发展非化石能源，加快推进新型储能规模化应用，提高电网对高比例可再生能源的消纳和调控能力。当前，以风、光为主体的可再生能源并网调控仍然是限制其发展的主要因素，给我国“三北”地区冬季供暖产生了较大影响 ，。电储能能在一定程度上解决可再生能源出力波动问题，但其造价昂贵，增大了能源消费成本。随着“”双碳目标的不断推进，从综合能源系统视角解决可再生能源消纳问题成为当前研究的热点 。目前，针对储能系统消纳可再生能源出力的研究已有很多。李军徽等 提出了一种非直供电模式下 混 合 储 能 容 量 配 置 模 型；赵 冬 梅 等 和 等 考虑电能替代因素，建立了含电转气的微电网综合储能双层配置模型；郭亦宗等 提出了基于云储能的综合能源系统电 热优化配置模型；和 、等 提出了家庭共享储能支撑电网调度与规划的模式；张鹏等 、丁明等 和 等 提出了包含蓄电池 超级电容两种类型的混合储能系统规划模型。现有文献从电 氢、功率型 容量型等方面研究了不同储能搭配优化设计的方法，但在电 热储能协同策略分析以及精细化建模方面尚不完善。电储能设备响应速度快，能够有效应对可再生能源出力产生的功率波动。蓄热设备单位成本低，能够更好的消纳电量和响应峰谷电价 。将电储能与热储能耦合，能够充分利用电、热储能的优点，以实现系统的最优配置。鉴于此，本文在分析铅酸电池和蓄热罐特性的基础上，设计电 热储能系统平抑可再生能源出力波动、保障供需平衡、峰谷套利三种功能的协同运行策略；并以年化总成本为单目标，提出一种考虑电 热储能协同的综合能源系统规划优化模型，以改进粒子群算法对模型进行求解。最后对本文模型进行算例验证和分析。多元储能协同运行策略研究 综合能源系统基本要素分析 综合能源系统基本结构综合能源系统是由电、热、气等多种能源系统组合而成的复杂能源系统，一般包括能源输入、能源转换、能源存储和能源消费等四部分。典型的电热综合能源系统框架如图 所示。运 筹 与 管 理 年第 卷图 综合能源系统的基本架构 电储能模型电储能设备中的铅酸电池技术成熟度较高、价格较低，因此在综合能源系统和微电网系统中的应用最为广泛。本文以铅酸电池（原理见图 ）为例，研究电储能在综合能源系统中的应用。其状态变化可以由式（）（）描述。图 铅酸电池工作原理图（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）式中：（）为铅酸电池 时刻蕴含的电量，；为铅酸电池中能量的自损失系数；（）为铅酸电池充、放电的功率，；和 为铅酸电池充、放电的效率；为时间间隔；，为铅酸电池充、放电的状态变量，表示铅酸电池处于充、放电状态，表示无状态；（）为铅酸电池 时刻的荷电状态；（）为铅酸电池初始的荷电状态；为电池的装机容量，。热储能模型目前，热存储设备中以水作为介质的蓄热装置在稳定性、价格等方面具有优势。蓄热罐（原理见图 ）的能量损失可以由式（）表示。（）（）式中：为蓄热罐的能量损失，；为蓄热罐的传热系数，；为蓄热罐的表面积，；，为蓄热罐输入和输出介质的温度，。（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）式中：（）为热储能 时刻蕴含的能量，；为热储能装置的自损失系数；（）为热储能装置存储、释放热量时的功率，；和 为蓄热罐存储、释放热量时的效率；和 为蓄热罐存储、释放热量时的状态变量，表示处于储、放热状态，表示无状态；（）为蓄热罐 时刻的余热状态；为热储能的装机容量，。图 水介质蓄热罐工作原理图 电 热储能协同运行策略分析储能的运行功能主要包括平抑可再生能源出力波动、保障供需平衡、在峰谷电价下实现峰谷套利。本节分别分析电、热两种储能设备在三种功能下的协同运行策略。平抑波动风力、光伏等可再生能源发电具有间歇性和波动性，对电力子系统中供能与网络产生较大影响。利用电池的充放特性能够降低可再生能源出力波动对电力系统运行的影响。需要平抑的可再生能源功率波动模型 如式（）。（）（）（）（）式中：（）为可再生能源发电功率波动率，；为该能源系统中可再生能源发电的功率，；为该能源系统中可再生能源的总装机容量，。（）（）（），（）；（）（）（）（），（）；（）（），（）（）式中：为功率波动的阈值。由式（）可知，储能系统用于平抑功率波动超过 的部分。波动平抑策略具体为：）当发电功率增加且功率波动超过 时，储能电池充电；）当发电功率减少且功率波动超过 时，储第 期李 涛，等：考虑电热储能协同的综合能源系统规划优化研究能电池放电；）当功率波动小于 时，储能电池无动作。保障供需平衡能源供给要保证实时的供给与需求的平衡。供热子系统的供需平衡一般通过调整供能、储能设备来实现。而电力子系统供需平衡需要其他多个能源子系统来共同实现。具体策略为：）当供电功率大于用电需求时，按照成本最优的原则，设置电池、蓄热罐和耗电设备出力调整三种吸收多余电力的顺序；）当供电功率小于用电需求时，对比电池放电、电网购电的成本，设置成本最优的出力顺序；）供电功率等于用电需求时，上述设备无电力平衡操作。峰谷套利合理设计储能的充放能策略，能够降低综合能源系统的运行成本。具体策略如下：）当电价处于低谷电价时段时，储能系统储存能量；）当电价处于高峰电价时段时，储能系统释放能量，减少电网购电成本；）当电价处于平段电价时，将低谷电价充能成本与平段电价放电收益的差，与平段充能成本与高峰电价放电收益的差进行对比，选择经济最优的充放策略。当 时，储能电池执行放电策略；反之，则充电。当 时，蓄热罐执行放热策略；反之，则蓄热。上述储能系统在执行保障供需平衡、峰谷套利策略时可计算相应的成本或收益。电 热储能协同运行策略基于上文的研究，本节设计了综合能源系统电热储能协同优化策略，如图 所示。图 多元储能协同策略）当可再生能源发电功率波动率较大时，电池优先执行平抑功率波动策略；）当出现供需不平衡时，对比储能系统、电网、其他设备的调整成本，按照成本由低到高制定调整策略；）此外，执行峰谷套利策略。低谷电价时，储能系统储存能量；高峰电价时，储能系统释放能量；平时电价时，按照系统最优原则制定储能系统的充放策略。基于电热协同的综合能源系统规划优化建模 规划优化策略根据上文的研究，本节制定了该综合能源系统的规划优化策略，如图 所示。图 综合能源系统规划策略（）电力子系统综合能源系统的总电负荷可以表示为：（）（）（）（）（）式中：（）为总电负荷，；（）为用户的电负荷，；（）为热泵的出力，；（）为电锅炉的出力，；为热泵的转换效率，；为电锅炉的转换效率，。（）热力子系统如果热电联产能够满足用户的热负荷，其他设备不需要出力。如果热泵不能满足剩余的热负荷，电锅炉出力。如果供热设备无法满足热负荷时，蓄热罐释放能量。此外，蓄热罐还会按照多储能优化策略调整出力策略。（）（），（）（），（）（）（）（）（）（），（）（），（）（）（）（）（）（）（），（）（）（），（）（）（）（）运 筹 与 管 理 年第 卷式中：（）为热负荷，；（）为热电联产的最大出力，；（）为热泵的最大出力，；（）为电锅炉的最大出力，。综合能源系统规划优化模型 目标函数本文以年总成本最小为目标函数设计优化模型。（，（）（）式中：为设备 的容量，；，为设备 的单位购置成本，元；（）为折现因子；为设备的维护成本，元；为该能源系统从外界购买能源的成本，元。（）（）（）（）式中：为贴现率；为设备寿命时长。（，）（）式中：，为设备 的运行维护成本，元；，为设备 的运转功率，。，（）（）式中：为市场中天然气的价格，元 ；，为 时刻该系统消耗的天然气，；，为 时刻电网销售电价，元 ；（）为时刻的系统内购电量，。约束条件 （）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）式中：（）为综合能源系统中用户的热负荷，；（）为 时刻热电联产的热出力功率，；（）为时刻 蓄热装置的热出力功率，；（）为光伏发电功率的出力，；（）为风机发电功率的出力，；（）为热电联产的发电功率，。（）（）（）（）（）（）式中：为 光 伏 设 备 发 电 功 率 的 上 限，；为风力发电的功率上限，；，为热电 联 产 的 输 出 总 功 率 的 上 限 和 下 限，；，为热泵的功率输出上限和下限，；，为电锅炉功率的上下限输出，。（）式中：为设备 规划容量的下限；为设备 规划容量的上限。（）（）（）（）式 中：，为 历 史 最 大 电、热 负 荷，；，为热电联产最大热、电出力，；，为 电、热 储 能 的 最 大 出 力，；为电网接入的最大功率，。，（）式中：为投资者可承受的最大总投资。（）（）（）式中：为消费者可承受的最大单位能源成本。求解方法粒子群算法适用于解决综合能源系统复杂变量非线性优化问题。本文使用改进个体学习速度的粒子群算法以增强求解的稳定性 ，。粒子迭代过程中进化的速度和位置可以由式（）（）表示：，（，）（，）（），（）式中：，为最优粒子的进化速度；为粒子进化速度的惯性权重；，为系数，取值为（，）之间；为个体学习因子；为群体学习因子；，为历史粒子个体适应度极值；，为历史种群适应度极值；，为粒子位置。通过引入个体差异度指标来分析对比不同粒子间的差异度，并通过交叉这种差异属性来改善群体粒子的学习方式。假设，为该种群中 个粒子的适应度值集合，两个粒子之间的个体差异度表示为：，（）式中：，。当 时，表示两个粒子的差异度较小；当 时，表示两个粒子的差异度适中；当 时，表示两个粒子的差异较大。更新粒子位置，对比各粒子适应度值，选出最优粒子，并更新个体极值。（，）（）（，）（）式中：为个体粒子 当前的最佳位置；为整第 期李 涛，等：考虑电热储能协同的综合能源系统规划优化研究个种群中最佳粒子的位置。求解流程粒子群算法求解的基本步骤 ，如下：）初始化。设置算法的性能参数，并初始化算法。）计算适应度值。根据优化目标和决策变量，计算各粒子的适应度值，筛选最优粒子。）更新粒子。更新粒子的速度和位置，并计算更新后各粒子的适应度函数值。当本次迭代粒子的适应度值小于历史适应度的极值时，则更新个体极值，反之，则不更新。）迭代更新粒子群。将各个粒子的个体极值与全局极值对比，如果个体极值的适应度小于全局极值适应度值，则更新全局极值及其位置。）粒子交叉。如果粒子满足交叉条件，对粒子进行选择性交叉操作；反之，则不进行交叉操作。）重复步骤 到步骤 。）停止。当达到迭代停止准则时，输出最终结果。算例 数据本文以我国东北某商业综合体实际数据为例，进行仿真研究。仿真步长为 ，仿真时间为一年。该项目历史数据包括：年电 热负荷数据、光照以及风速数据、所使用的各设备关键参数、所用的能源价格数据。仿真方案本文设置以下两种场景进行仿真研究，以验证模型的有效性。）该项目仅配置铅蓄电池；）该项目配置铅蓄电池和蓄热设备。仿真结果（）设备配置结果不同场景的规划方案如表 所示。与场景 相比，场景 光伏、风机、热泵的装机容量上升，热电联产和电池的装机容量下降。增加蓄热式电锅炉设备在一定程度上增大了可再生能源的装机容量。表 不同场景的规划结果单位：设备光伏风机热电联产热泵蓄热式电锅炉电池场景 场景 （）配置方案成本构成由表 可知，配置热储能装置后，年维护成本降低约 ，年能源购买成本降低约 ，年总成本降低约 。表 不同场景的配置成本单位：元场景年投资成本年维护成本年能源购买成本年总成本场景 场景 讨论与分析（）多元储能策略对调度策略的影响本节以冬季典型日为例，分析电 热储能协同策略对能源系统调度策略的影响。不同场景电力子系统的调度策略如图 、图 所示。受多元储能策略影响，日可再生能源消纳量从 增加到 。图 场景 的电力子系统调度策略图 场景 的电力子系统调度策略不同场景热力子系统的调度策略如图 、图 所示。由图可知，储热罐承担了一部分热电联产机组的功能，降低了热电联产的装机和出力。此外，蓄热 罐 积 极 响应 峰 谷 电 价，执行 峰谷 套 利 策略（图 ）。图 场景 的热力子系统调度策略运 筹 与 管 理 年第 卷图 场景 的热力子系统调度策略图 不同场景的电网出力情况（）电储能成本对可再生能源装机的影响随着储能技术的不断突破，其成本会不断下降。本节分析储能成本下降对可再生能源装机容量的影响。由图 可知，随着储能成本的不断下降，可再生能源装机容量也会不断增加。受可再生能源装机限制、系统稳定性要求等因素影响，储能成本降低 时，可再生能源装机容量增幅逐渐平稳。图 储能成本与可再生能源装机容量的关系（）算法稳定性分析由图 可知，改进粒子群算法相较于遗传算法、模拟退火算法等不易陷入局部最优解，求解的准确度较高。由图 可知，改进粒子群算法的离散程度较好，表明其求解稳定性较好。图 不同算法的求解迭代曲线图 不同算法的求解稳定性（）能源价格对优化目标的影响由图 可知，能源价格与年总成本同向增大或减少。当能源价格增大或减少到 左右时，年总成本变动趋于平缓。图 能源价格的敏感性分析 结论为了解决我国北方地区可再生能源消纳问题，本文提出了一种融合电 热储能协同运行策略，建立起综合能源系统规划优化模型，并采用改进粒子群算法对模型进行求解。结果表明，本文提出的考虑电 热储能协同的综合能源系统规划优化模型能够在经济最优的前提下，增大可再生能源的装机，降低分布式能源系统对电网的冲击。随着我国新型电力系统建设不断推进，以多储能协同可再生能源的运行模式将会得到推广。后续工作将围绕多类型储能协同规划及运行优化问题开展更加深入研究。参考文献：彭武元，任芳 推动我国可 再 生 能 源 健 康 发展 中国社会科学报，（）黄震，谢晓敏 碳中和愿景下的能源变革 中国科学院院刊，（）：袁霜晨，蔡声霞，王守相，等 用户侧热 电综合储能系统经济 性 建 模 与 分 析 储 能 科 学 与 技 术，（）：李军徽，付英男，李翠萍，等 提升风电消纳的储热电第 期李 涛，等：考虑电热储能协同的综合能源系统规划优化研究混合储 能 系 统 经 济 优 化 配 置 电 网 技 术，（）：赵冬梅，夏轩，陶 然 含 电 转 气 的 热 电 联 产 微 网 电 热综合储 能 优 化 配 置 电 力 系 统 自 动 化，（）：，：，：郭亦宗，王楚通，施 云 辉，等 区 域 综 合 能 源 系 统 电 热云储能综合优化配置 电网技术，（）：，：，：，：，：张鹏，张峰，梁军，等 采用小波包分解和模糊控制的风电机组储能优化配置 高电压技术，（）：丁明，吴杰，张晶晶 面向风电平抑的混合储能系统容量 配 置 方 法 太 阳 能 学 报，（）：，（）：，：齐成元 考虑多元储能的综合能源系统协同规划研究 北京：华北电力大学（北京），马斌，吴泽忠 基于改进的粒子群算法求解供应链网络均衡问题 运筹与管理，（）：柳丹丹 考虑多能储能和多能互通的区域型分布式能源系统调度优化 广州：华南理工大学，邓雪，林影娴 基于改进粒子群算法的复杂现实约束投资 组 合 研 究 运 筹 与 管 理，（）：代琼丹，杨莉，林振智，等 考虑功能区差异性和虚拟储能的综合能源系统多元储能规划 电力自动化设备，（）：运 筹 与 管 理 年第 卷