基于電力系統(tǒng)能效評估的蓄能用電技術節(jié)能評價及優(yōu)化

高賜威　羅海明　朱璐璐　劉福潮　韓永軍

(1.江蘇省智能電網(wǎng)技術與裝備重點實驗室(東南大學)　南京　210096 2.國網(wǎng)淮安供電公司　淮安　223002 3.江蘇省電力公司檢修分公司淮安分部　淮安　223002 4.國網(wǎng)甘肅省電力公司電力科學研究院　蘭州　730050)

基于電力系統(tǒng)能效評估的蓄能用電技術節(jié)能評價及優(yōu)化

高賜威1羅海明2朱璐璐3劉福潮4韓永軍4

(1.江蘇省智能電網(wǎng)技術與裝備重點實驗室(東南大學)南京210096 2.國網(wǎng)淮安供電公司淮安223002 3.江蘇省電力公司檢修分公司淮安分部淮安223002 4.國網(wǎng)甘肅省電力公司電力科學研究院蘭州730050)

摘要蓄能用電技術的調峰特性使得其應用比較廣泛，但對于蓄能用電技術的節(jié)能效果卻少有量化的分析。提出、推導了電力系統(tǒng)能效評估的節(jié)點煤耗率指標，基于交流最優(yōu)潮流進行了節(jié)點煤耗率的求解；基于節(jié)點煤耗率理論，提出了蓄能用電技術節(jié)能評價的節(jié)點用電煤耗指標，利用該指標構建并研究了蓄能用電的節(jié)能優(yōu)化控制模型。IEEE14節(jié)點系統(tǒng)算例分析了節(jié)點煤耗率指標的時間空間特性以及用于電力系統(tǒng)能效評估的可行性；冰蓄冷系統(tǒng)算例驗證了該評價方法和控制策略的可行性，蓄能用電節(jié)能優(yōu)化控制可有效降低系統(tǒng)的整體能耗。

關鍵詞：能效評估節(jié)點煤耗率節(jié)點用電煤耗蓄能用電節(jié)能評價

0引言

蓄能用電技術是需求側管理中負荷管理的重要措施[1]，常見的蓄能用電技術有空調蓄冷蓄熱技術[2]、電熱鍋爐技術[3]、抽水蓄能技術[4]、壓縮空氣儲能、飛輪儲能[5]、電池儲能[6]和超級電容器儲能[7，8]等。

蓄能用電技術的優(yōu)勢主要體現(xiàn)在3個方面：①增加了低谷時段用電，提高了電力系統(tǒng)的負荷率；②負荷高峰時段釋能以滿足系統(tǒng)峰時的用能需求，降低了系統(tǒng)峰時電力需求；③與間歇性新能源配合，提高間歇性能源的利用率，改善其經(jīng)濟性。但是，由于蓄能用電比正常用電多了蓄能和蓄能轉換為用能的過程，使得整體的能效下降，抽水蓄能效率一般為65%～75%，壓縮空氣儲能效率約為65%[9]，冰蓄冷中央空調效率約為63%[10]。因此，有學者研究了蓄能用電技術的優(yōu)化控制方法，但主要以考慮成本、電費的經(jīng)濟優(yōu)化控制方法居多[11-13]，幾乎沒有節(jié)能優(yōu)化控制策略的研究。對蓄能用電技術的節(jié)能效果評價的研究也多集中于經(jīng)濟性評價[14-16]，節(jié)能性評價研究較少，文獻[17]從電網(wǎng)負荷率與供電煤耗的關系分析角度研究了冰蓄冷技術對碳排放減少的節(jié)能評價。

本文提出了電力系統(tǒng)能效評估的指標，給出了其理論推導和求解過程。基于該理論研究了蓄能用電技術的節(jié)能評價方法及節(jié)能控制策略，并進行了相應的算例分析。

1電力系統(tǒng)整體能效評估

1.1電力系統(tǒng)節(jié)點煤耗率指標

電力系統(tǒng)的能源利用效率是指電力系統(tǒng)的整體輸出與輸入之間的比值。電力系統(tǒng)主要包括發(fā)、輸配、用3個環(huán)節(jié)，如圖1所示。一般采用發(fā)電煤耗表示火力發(fā)電單元的能效，供電煤耗表示發(fā)電側的能效，網(wǎng)損率表示輸配電網(wǎng)的能效，設備能效、綜合能效指標表示用電側能效水平，但目前未有表征電力系統(tǒng)整體的能效指標。因此，有必要提出一個綜合考慮發(fā)、輸配環(huán)節(jié)的綜合能效指標，以表征用電側不同時段、不同節(jié)點的用電能效差異。

定義1：節(jié)點煤耗率(nodal coal consumption rate)，電力系統(tǒng)用電側某節(jié)點i增加消耗每kW·h電能，而其他節(jié)點負荷保持不變時，發(fā)電側以最節(jié)能的手段滿足負荷增長所消耗的標煤量，用ri表示，單位g/(kW·h)。

根據(jù)節(jié)點煤耗率的定義，圖1中負荷節(jié)點i(其有功負荷為PLi)的節(jié)點煤耗率ri為

(1)

式中，f為發(fā)電側的總煤耗；fs為以交流最優(yōu)潮流為優(yōu)化手段的發(fā)電側總煤耗；PGk、Fk(PGk)分別為第k臺機組的有功出力和煤耗特性；ak、bk、ck為機組的煤耗特性參數(shù)；NG為發(fā)電機組數(shù)。

圖1　電力系統(tǒng)組成及其各環(huán)節(jié)能效指標Fig.1　Composition and corresponding energy efficiency indexes of power system

1.2電力系統(tǒng)節(jié)點煤耗率求解

采用交流最優(yōu)潮流模型實現(xiàn)用電側負荷變化時，發(fā)電側以最節(jié)能方式滿足負荷變化需求。交流最優(yōu)潮流模型為

(2)

構造該模型的拉格朗日函數(shù)

Γ=

(3)

(4)

可得

ri=λpi

(5)

由此可見，i節(jié)點的節(jié)點煤耗率ri對應于其最優(yōu)潮流模型有功平衡等式約束的拉格朗日乘子λpi，可通過最優(yōu)潮流模型求解節(jié)點煤耗率。

2蓄能用電技術節(jié)能評價及優(yōu)化

2.1蓄能用電系統(tǒng)數(shù)學模型

蓄能用電系統(tǒng)在負荷低谷時段蓄能，在負荷高峰時段釋能以滿足負荷需求，因此負荷用能可有兩種供能形式，一種為直接從系統(tǒng)獲得電功率供能，另一種為蓄能系統(tǒng)釋能，其系統(tǒng)數(shù)學模型為

(6)

式中，Tw為蓄能用電系統(tǒng)滿足負荷用能需求的工作時段；Ts為蓄能時段；P(t)為蓄能用電系統(tǒng)對電力系統(tǒng)的電能取用功率；Ps(t)為蓄能功率(即將電能轉換為蓄能能量的功率)；ηs(t)為蓄能效率；Psm為蓄能功率上限；Pw(t)為直接用電功率，即電能直接轉換成目標用能(可為非電量，如冷、熱量)的功率；ηw(t)為直接用電效率，即電能到目標用能之間的轉換效率，若負荷用能為電能，如抽水蓄能技術，則ηw=1，若負荷用能為非電能，如冰蓄冷技術，則ηw為冰蓄冷設備制冷工況下的制冷系數(shù)；Pwm為直接用電功率上限；Pc(t)為釋能功率，即蓄能轉換成目標用能的功率；ηc(t)為釋能效率(綜合考慮保存能量及轉換能量時的損失)；Pcm為釋能功率上限；Pss(t)為蓄能取用功率(即蓄能在被使用時的實時功率)；PD(t)為t時刻的負荷用能功率；Qsa為蓄能用電系統(tǒng)在蓄能時段的總蓄能；Qs0為蓄能前的剩余能量；Qsm為蓄能用電系統(tǒng)的總容量；Qsu為蓄能用電系統(tǒng)在用能時段所使用的總蓄能。

2.2蓄能用電技術節(jié)能評價

考慮少量的蓄能用電系統(tǒng)的負荷相對于系統(tǒng)總負荷而言較小，忽略其系統(tǒng)機組組合變化的影響。采用1.1節(jié)提出的節(jié)點煤耗率指標，進行蓄能用電系統(tǒng)的節(jié)能評價。

定義2：節(jié)點用電煤耗(nodal accurate coal consumption)，供應電力系統(tǒng)用電側用電設備使用的電能歸算到發(fā)電側的煤耗量，用Cc表示，單位t。節(jié)點用電煤耗是用電設備功率與用電設備節(jié)點煤耗率的乘積在時間上的積分，可表示為

Cc=∫rm(t)P(t)dt

(7)

式中，rm(t)為第m節(jié)點第t時刻的節(jié)點煤耗率；P(t)為用電設備第t時刻對電力系統(tǒng)的電能取用功率。

設定蓄能用電系統(tǒng)的冷量負荷在不同運行方式下保持不變，蓄能用電系統(tǒng)節(jié)能評價具體步驟如下：

1)計算某典型運行周期內蓄能用電系統(tǒng)以非蓄能用電方式運行時的總節(jié)點用電煤耗Cc0

(8)

若?t使得Pwm

2)計算蓄能用電系統(tǒng)以蓄能用電方式運行時的總節(jié)點用電煤耗Cc1，見式(7)。設蓄能用電系統(tǒng)選型得當，能夠滿足負荷用能需求，即Pwm+Pcm≥PD。

3)計算蓄能用電系統(tǒng)的節(jié)能率

(9)

當α>0時，說明蓄能用電系統(tǒng)是節(jié)能運行的，且α的值越大，說明該系統(tǒng)越節(jié)能；當α≤0時，說明蓄能用電系統(tǒng)是非節(jié)能運行的(消耗了額外的能量)。

2.3蓄能用電技術節(jié)能優(yōu)化控制

常見的蓄能用電技術控制策略主要有調峰優(yōu)化控制、儲能控制和經(jīng)濟優(yōu)化控制3種優(yōu)化控制策略。其中，調峰優(yōu)化控制和儲能控制兩種方法操作相對簡單，分別是以僅滿足高峰負荷需求及最大化利用儲能資源為目的；經(jīng)濟優(yōu)化控制的應用最多，是以電費最少為目標進行優(yōu)化。這3種優(yōu)化控制策略在使用時僅從用電側考慮，并未從電力系統(tǒng)發(fā)、輸、配、用的全局角度考慮電力系統(tǒng)的整體能耗變化，因此本文根據(jù)蓄能用電系統(tǒng)數(shù)學模型從節(jié)能角度，提出了基于電力系統(tǒng)能效評估的蓄能用電技術節(jié)能優(yōu)化控制模型為

(10)

該節(jié)能優(yōu)化控制模型的目標函數(shù)為節(jié)點用電煤耗最小，約束條件為蓄能用電系統(tǒng)的數(shù)學模型。該模型是一個非線性規(guī)劃模型，在實際求解時可以將連續(xù)的負荷離散化，將模型轉換為線性模型求解。

3算例分析

3.1節(jié)點煤耗率解算

算例采用IEEE14節(jié)點系統(tǒng)[18]，設蓄能用電系統(tǒng)位于該網(wǎng)絡3#節(jié)點進行算例分析。該電力系統(tǒng)共有5臺燃煤發(fā)電機組，參考文獻[19]設定機組煤耗參數(shù)，見表1。

表1　IEEE14節(jié)點系統(tǒng)燃煤機組煤耗參數(shù)

注：煤耗特性參數(shù)a、b、c的含義詳見式(1)。

解算3#節(jié)點一天24點節(jié)點煤耗率序列。該系統(tǒng)的區(qū)域總負荷曲線及節(jié)點煤耗率解算結果見圖2，3#節(jié)點的節(jié)點煤耗率變化與系統(tǒng)總負荷的變化一致。以下各圖中時段1代表0∶00～1∶00，2代表1∶00～2∶00，以此類推。

圖2　3#節(jié)點的24點節(jié)點煤耗率序列Fig.2　24 hours nodal coal consumption rates of bus 3

同時，對該系統(tǒng)所有節(jié)點的24點節(jié)點煤耗率進行求解，結果如圖3所示，該系統(tǒng)11時段(用電高峰時段)的節(jié)點煤耗率分布如圖4所示，由此可見：

圖3　IEEE14節(jié)點系統(tǒng)24點節(jié)點煤耗率曲線Fig.3　24 hours nodal coal consumption rates of all buses on IEEE14 bus system

圖4　該系統(tǒng)11時段的節(jié)點煤耗率分布Fig.4　Nodal coal consumption rate distribution graph of the IEEE 14 system at time interval 11

1)節(jié)點煤耗率具有時間、空間特性，在時間上與系統(tǒng)的總負荷變化趨勢基本保持一致，在空間上與節(jié)點所處位置相關，離電源越遠節(jié)煤耗率越高，反映了電網(wǎng)的線損。

2)節(jié)點煤耗率的差異較大，在時間尺度上，最高負荷和最低負荷時相差86 g/(kW·h)，在空間尺度上，不同節(jié)點的節(jié)點煤耗率差別也非常顯著，最大達69 g/(kW·h)，可見系統(tǒng)在運行中可以優(yōu)化用電的空間較大。

3.2蓄能用電節(jié)能效果評價

系統(tǒng)網(wǎng)絡及發(fā)電機參數(shù)與3.1節(jié)算例相同，蓄能系統(tǒng)采用文獻[11]中的某地區(qū)某建筑的冰蓄冷系統(tǒng)，其基本信息見表2；該建筑冷負荷的需求時段為07∶00～20∶00，該冰蓄冷系統(tǒng)某日的運行方案如圖5所示。由于需要對蓄能用電系統(tǒng)的節(jié)能優(yōu)化運行和經(jīng)濟優(yōu)化運行進行對比分析，需要用到該地區(qū)的商業(yè)用電電價(峰1.193 3元/(kW·h)，平0.752 5元/(kW·h)，谷0.336 9元/(kW·h))。

圖5　該建筑某日的冷負荷需求及冰蓄冷系統(tǒng)運行方案Fig.5　Cooling load demand and operation plan of the ice-storage system on someday

額定電功率/kW制冷工況制冷系數(shù)制冰工況制冷系數(shù)蓄冰容量/(kW·h)保溫+融冰損失(%)10325.3923.667399737.6

對圖5的運行方案進行節(jié)能評價。根據(jù)表2可知，用能效率ηw為常數(shù)5.392，可得Pwm=5 564.5 kW即制冷系數(shù)與電功率的乘積；根據(jù)圖5的冷負荷需求可知日最大冷負荷需求PLmax=3 394 kW。因PLmax

表3　冰蓄冷系統(tǒng)運行方案分析結果

由表3可知，非蓄能運行方案的耗電量及煤耗量最少但電費較多；當蓄能效率ηs為3.667時，該蓄能運行方案的節(jié)能率為負值，是不節(jié)能的，但電費較少，從6 888.4元降低到4 102.7元。

造成以上結果的原因有3點：①該冰蓄冷系統(tǒng)制冰時的制冷系數(shù)比制冷時小32%，且會有額外的保溫和融冰損耗約7.6%，導致了冰蓄冷系統(tǒng)的運行電耗和煤耗增加；②峰谷電價的峰谷比較大，是造成冰蓄冷系統(tǒng)蓄能運行方案電費較低的直接原因；③蓄能用電系統(tǒng)的重要特性是降負荷，減少高峰用電壓力，減少發(fā)電機的備用以及供電線路的容量建設，這個特性并未在本算例中彰顯出來。

為了研究冰蓄冷空調效率對其蓄能運行節(jié)能評價結果的影響，本文假設將該系統(tǒng)蓄能效率從ηs1=3.667提升到ηs2=5.150，以同樣的運行方式滿足冷負荷需求，其運行分析結果見表3，由表可見設備能效提高后，運行方案的耗電量、節(jié)點用電煤耗及電費均降低，且節(jié)能率變?yōu)檎担\行方案由不節(jié)能狀態(tài)變?yōu)楣?jié)能狀態(tài)；該情況下，考慮蓄能的設備運行用電量7 855.6 kW·h高于不考慮蓄能時的6 943.8 kW·h，但一天的節(jié)點煤耗值為2.263 t，低于不考慮蓄能時的2.336 t，說明蓄能系統(tǒng)效率提升之后，蓄能用電雖然增加了電能的消耗，但減少了煤耗，因此既是經(jīng)濟的，亦是節(jié)能的。

為了說明蓄能用電系統(tǒng)的經(jīng)濟特性優(yōu)勢，對蓄能用電所帶來的線路及發(fā)電容量建設成本的降低做簡單分析。發(fā)電機裝機容量成本(按火力發(fā)電計)設計為5 000 元/kW，輸電線路建設容量成本設為3 129元/kW，煤價設為550 元/t，蓄能用電系統(tǒng)初始投資增加設為700 元/kW，壽期維護成本增加為300 元/kW(折算至初期成本)，采用文獻[20]中節(jié)約電力電量及可避免成本的理論進行分析。

首先，通過節(jié)約電力分配因子計算運行方案平均到每天的日節(jié)約電力PSA為

(11)

式中，ΔP(t)為t時段蓄能運行方案與非蓄能運行方案向電力系統(tǒng)的電能取用功率的差額；τt為該時段的節(jié)約電力分配因子，分配因子計算詳見文獻[20]，假定蓄能用電系統(tǒng)由于季節(jié)和溫度因素，每年只運行半年時間考慮；ND為平均網(wǎng)絡損耗率，設為0.05。

然后，進行運行方案經(jīng)濟性分析，分析其蓄能運行方案對比非蓄能運行方案的成本減少量，即經(jīng)濟性指標B為

(12)

式中，CG為發(fā)電機裝機容量成本；CTD為輸電線路建設容量成本；ΔCC為蓄能運行方案對比非蓄能運行方案的節(jié)點用電煤耗增加量；CCOAL為市場煤價；PN為蓄能系統(tǒng)額定電功率；ΔCI為蓄能用電系統(tǒng)對比常規(guī)系統(tǒng)單位容量投資增量；ΔCM為蓄能用電系統(tǒng)對比常規(guī)系統(tǒng)的維護費增量折算至初期成本的值。

最后，經(jīng)濟性分析結果見表3。該算例中，在正常的蓄能效率ηs1下，相對于非蓄能運行，蓄能運行時整個電力系統(tǒng)的建設和運行成本減少1 499元，經(jīng)濟性較好。可見，雖然正常情況蓄能用電因為轉換效率問題而并非節(jié)能，但考慮到其調峰特性，計及相應節(jié)約的裝機容量、輸配電容量的成本，蓄能用電不僅從用戶側角度是經(jīng)濟的(節(jié)約了用戶的電費)，且從電力系統(tǒng)整體角度評估亦是經(jīng)濟的。

3.3蓄能用電節(jié)能優(yōu)化控制

算例采用3.1節(jié)的IEEE14節(jié)點系統(tǒng)及冰蓄冷系統(tǒng)算例數(shù)據(jù)，根據(jù)蓄能系統(tǒng)參數(shù)：ηw為5.392，ηs1、ηs2分別為3.667及5.150，ηc為0.924(保溫及融冰損失7.6%)，根據(jù)式(10)可知蓄能用電節(jié)能優(yōu)化控制模型為

(13)

對該模型在兩種不同制冰工況制冷系數(shù)(ηs1，ηs2)下進行節(jié)能優(yōu)化及經(jīng)濟優(yōu)化求解，結果見表4，詳細的節(jié)能優(yōu)化和經(jīng)濟優(yōu)化控制如圖6(ηs1下的冰蓄冷系統(tǒng)節(jié)能優(yōu)化控制結果見圖5)、圖7所示。

表4　冰蓄冷系統(tǒng)節(jié)能優(yōu)化及經(jīng)濟優(yōu)化結果對照

圖6　ηs1下冰蓄冷系統(tǒng)節(jié)能優(yōu)化控制結果Fig.6　Energy-saving and economic optimizing control of the ice-storage system with ηs1

由表4、圖6及圖7可見：①節(jié)能優(yōu)化可以實現(xiàn)該系統(tǒng)節(jié)點用電煤耗的最低，而經(jīng)濟優(yōu)化實現(xiàn)了其電費的最低，前者以煤耗為標尺，實際上僅考慮了可變成本的最小化，后者以分時電價為基礎，分時電價實際上納入了通過調節(jié)負荷峰谷，降低供電容量投資的考慮；②從節(jié)能優(yōu)化角度看，由于冰蓄冷系統(tǒng)的效率問題，系統(tǒng)參數(shù)為ηs1時蓄能運行不節(jié)能，故節(jié)能優(yōu)化結果為非蓄能運行，當系統(tǒng)參數(shù)變?yōu)棣莝2，效率提高時，優(yōu)化結果為蓄能運行；③從經(jīng)濟優(yōu)化角度看，為了節(jié)約電費，冰蓄冷系統(tǒng)均采用了低谷時段滿負荷蓄冰的運行方式；由于轉換效率原因，在ηs1時系統(tǒng)蓄冰量為30 275 kW，并未蓄滿，而在ηs2時則達到了蓄冰容量上限39 973 kW。

圖7　ηs2下冰蓄冷系統(tǒng)節(jié)能優(yōu)化及經(jīng)濟優(yōu)化控制結果Fig.7　Energy-saving and economic optimizing control of the ice-storage system with ηs2

為了更好地說明冰蓄冷系統(tǒng)蓄能效率對于系統(tǒng)節(jié)能率的影響，同時指導蓄能用電資源在節(jié)點間的優(yōu)化配置，對該系統(tǒng)在IEEE14系統(tǒng)所有節(jié)點進行蓄能效率(制冰工況制冷系數(shù))ηs變化時的節(jié)能率變化分析，結果如圖8所示。當蓄能效率ηs為4.917時該蓄能設備在各節(jié)點處的節(jié)能率分布見圖9(圖中節(jié)點數(shù)據(jù)依次為非蓄能時的節(jié)點用電煤耗、節(jié)能優(yōu)化運行時的節(jié)點用電煤耗、節(jié)能率)，詳細評價結果見附表1。

圖8　節(jié)能率隨ηs的變化趨勢Fig.8　Variation trend of energy-saving rate with ηschanging

圖9　蓄能效率ηs為4.917時該蓄能設備在各節(jié)點處的節(jié)能率分布Fig.9　Energy-saving rate distribution graph of the ice-storagesystem with ηs=4.917

由圖8可見：①隨著蓄能效率的提高，蓄能用電的節(jié)能效果逐漸彰顯；②當蓄能效率達到4.5左右時，在14#節(jié)點該冰蓄冷系統(tǒng)從非節(jié)能狀態(tài)轉變?yōu)楣?jié)能狀態(tài)，說明在IEEE14節(jié)點系統(tǒng)中，ηs至少高于4.5的冰蓄冷系統(tǒng)是經(jīng)濟節(jié)能的，是政府應該鼓勵使用的；③冰蓄冷系統(tǒng)在不同節(jié)點運行時，蓄能運行狀態(tài)轉變?yōu)楣?jié)能狀態(tài)(節(jié)能率從負值轉變?yōu)檎?時對蓄能效率要求不盡相同，節(jié)點之間存在明顯差異。

由圖9及附表1可見，在同一蓄能效率(4.917)下：①該冰蓄冷系統(tǒng)在不同節(jié)點上運行時的節(jié)能率有差異，離電源越遠的節(jié)點在同種情況下節(jié)能率越高，節(jié)點之間節(jié)能率的差異最大為3%(節(jié)點14對比節(jié)點1)；②該冰蓄冷系統(tǒng)在離電源越遠的節(jié)點上，其運行時的電費越低，差異最大為50.7%(節(jié)點14對比節(jié)點1)，主要是由于在遠電源節(jié)點運行時冰蓄冷系統(tǒng)蓄冰量大大增加的緣故；③該冰蓄冷系統(tǒng)在離電源越遠的節(jié)點上，其運行時的節(jié)點用電煤耗量越大，差異最大為16.5%(節(jié)點14對比節(jié)點1)，主要是由于遠電源節(jié)點的節(jié)點煤耗率較高的緣故。以上說明：①對于常規(guī)用電到蓄能用電的改造工程，應優(yōu)先考慮投資在遠電源節(jié)點，這樣不僅可以較高地提升系統(tǒng)效率，還為用戶節(jié)省了大量的電費支出；②對于蓄能用電的規(guī)劃尤其是蓄能電站的規(guī)劃，應優(yōu)先考慮投資在近電源節(jié)點，這樣可以有效減少蓄能用電的節(jié)點用電煤耗，提升系統(tǒng)效率。

由此可見，本文的節(jié)能優(yōu)化控制理論不僅可以實現(xiàn)冰蓄冷系統(tǒng)的節(jié)能優(yōu)化控制，還可以作為節(jié)能技術經(jīng)濟分析和蓄能用電系統(tǒng)技術要求及投資指導，分時電價制定等相關政策制定的理論依據(jù)和參考。

4結論

本文提出了電力系統(tǒng)能效評估的節(jié)點煤耗率指標，給出了其定義、理論推導及求解過程；并以此為基礎，提出了實現(xiàn)蓄能用電技術節(jié)能評價的節(jié)點用電煤耗指標，研究了其節(jié)能評價方法、優(yōu)化控制模型，結合冰蓄冷系統(tǒng)的具體算例說明了該理論的可行性和有效性。算例結果表明：①節(jié)點煤耗率指標可以有效地表征電力系統(tǒng)的能效，節(jié)點用電煤耗指標可以實現(xiàn)蓄能用電系統(tǒng)的節(jié)能評價；②蓄能用電技術的節(jié)能優(yōu)化模型可以有效地從電力系統(tǒng)整體角度減少蓄能用電系統(tǒng)的煤耗；③蓄能用電均會導致電能消耗的增加，但是蓄能期間用電煤耗率較低，因此總體煤耗有可能減少，仍有可能是節(jié)能的，這取決于蓄能釋能過程的能量損失和蓄能過程中的用電煤耗降低程度；④蓄能用電技術從用戶和系統(tǒng)角度分析均是經(jīng)濟的，但可能是不節(jié)能的，其轉換效率是其節(jié)能運行的主要矛盾。雖然在峰谷電價的激勵下，蓄能用電可以節(jié)約電費，但如果蓄能用電效率不提高，對于電力系統(tǒng)整體而言可能會產(chǎn)生額外煤耗；⑤蓄能用電的節(jié)能效益存在時間和空間上的差別，一般系統(tǒng)資源投資在遠電源節(jié)點的節(jié)能效果較好。

研究蓄能用電技術的節(jié)能評價及節(jié)能控制是更好地普及應用蓄能用電系統(tǒng)的前提，可以為政府部門節(jié)能減排的決策提供有益的建議。

附錄

附表1　蓄能效率ηs為4.917時該蓄能設備在各節(jié)點處的節(jié)能優(yōu)化及評價結果

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The Energy-Saving Assessment and Optimization of Energy Storage and Electricity Utilization Technology Based on the Energy Efficiency Evaluation of Power System

Gao Ciwei1Luo Haiming2Zhu Lulu3Liu Fuchao4Han Yongjun4

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AbstractElectrical energy-storage technology has been widely used due to its peak shaving function,but there has not been much quantitative analysis on its energy-saving effect.A nodal coal consumption rate index is proposed and derived to evaluate the power system energy efficiency,and an optimal power flow method is then used to calculate the index.Based on this theory,a nodal coal consumption for electricity utilization index is introduced and applied in the assessment of electrical energy-storage techniques’energy-saving effect,and a energy saving optimization for energy storage and electricity utilization is further studied.The simulation on the IEEE14-bus system reveals the time and space characteristicsof the nodal coal consumption rate index,andindicatesits feasibility in the power system energy efficiency evaluation.The example analysis of the ice-storage system verifies the feasibility of the energy-saving evaluating method and the corresponding optimal control model of electrical energy-storage techniques.The effectiveness of the optimal control model in reducing the power system energy consumption is also confirmed.

Keywords：Energy efficiency evaluation，nodal coal cosumption rate，nodal coal consumption for electricity utilization，energy storage and electricity utilization，energy-saving assessment

收稿日期2015-04-20改稿日期2015-07-19

作者簡介E-mail：ciwei.gao@seu.edu.cn(通信作者) E-mail：luohaiming8@126.com

中圖分類號：TM73

國家高技術研究發(fā)展(863)計劃(2015AA050401)、國家自然科學基金(51577029)、江蘇省青藍工程和國家電網(wǎng)公司科技項目資助。

高賜威男，1977年生，博士，教授，博士生導師，研究方向為電力需求側管理、電動汽車接入電網(wǎng)、電力規(guī)劃和電力市場等。

羅海明男，1987年生，碩士，研究方向為電力需求側管理和能效管理。