考慮碳排放的綜合能源系統儲能優化配置研究

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年前實現碳中和，這一目標為我國能源行業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展中需要重點考慮的問題。綜合能源系統作為一種將電、氣、熱等能源緊密整合的一體化系統，得到越來越多的關注。儲能系統是綜合能源系統的重要組成部分，有助于綜合能源系統中不同能源的耦合[1]、協調運行[2]，以及降低系統碳排放量[3]。因此，如何對綜合能源微網系統的電/熱混合儲能系統進行優化配置，成為重要的研究議題。

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

在研究儲能系統優化配置問題時，雖然經濟性是需要考慮的重要因素，但不是唯一因素。碳排放因素在系統優化配置中具有重要意義，也是實現“碳達峰，碳中和”目標的必然選擇。文獻[8]對綜合能源系統中的氫儲能設施進行了優化配置，將碳排放作為了一項優化目標，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化目標，降低了系統的碳排放。文獻[10-11]研究了考慮碳排放的綜合能源系統優化運行，在降低系統運行成本的基礎上，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/熱混合儲能優化配置的研究，電和熱是綜合能源系統的重要組成部分[12]，在考慮碳排放和經濟性因素下，研究電/熱混合儲能優化配置十分必要。

因此，本文針對綜合能源微網系統，提出了考慮碳排放的電/熱混合儲能的雙層優化配置方法。首先，針對綜合能源微網系統結構，構建了內層優化運行模型，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，構建了外層優化配置模型，在考慮多種經濟性目標的基礎上，創新性地考量了碳排放因素，為避免多目標優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化運行模型

1.1 綜合能源微網的結構

綜合能源微網系統中包含不同能源類型的各種設備，其系統結構如圖1所示，包括太陽能發電、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中電儲能、熱儲能的優化配置方法。

圖1 綜合能源微網系統示意圖

系統的電負荷由電網、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，在系統中安裝儲電和儲熱系統，為電和熱的平衡提供支撐。

1.2 目標函數

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

1.3 約束條件

綜合能源系統需要在合理的約束下運行，其約束條件主要包括系統的冷、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化配置模型

在綜合能源系統的規劃中，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的重要指標[15]。在考慮系統經濟性的基礎上，本節創新性地將碳排放加入電/熱混合儲能優化配置的目標中。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，供能企業和用能用戶之間可以進行綠碳交易，因此，本節將碳排放折算為成本，建立了綜合能源微網中儲電系統和儲熱系統的規劃模型，既避免了多目標優化中權重選取不客觀的弊端，又將碳排放因素考慮在優化配置模型中。電/熱混合儲能的優化配置目標函數如下：

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

本文中系統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。目標函數如下：

3 算例分析

本文采用某公司數據作為仿真案例，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中的混合整數規劃工具箱進行求解所建立的模型。

圖2 輸入數據功率曲線

表1 分時電價

3.1 系統的規劃結果分析

本節首先分析了電/熱混合儲能系統的優化配置結果，如圖3～圖5所示。圖3為式（16）中的目標函數即總成本，隨著電儲能系統的功率和容量的增加，總成本有先減小后增加的趨勢。在電儲能系統的容量小于1 100 kWh時，系統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，目標函數達到最小值，最小值為1.032 2×107元，此時，系統的規劃效果最佳。

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，系統的運行結果沒有發生明顯的變化，成本差異也不明顯，出現這種情況的原因是：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功率和容量的變化趨勢，隨著電儲能系統容量的增加，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化時，用戶為了盈利，配置的儲能系統會從電網套取利潤，而中間過程的能量損耗增加了系統的碳排放。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時，電網或政府部門應制定用戶側儲能系統的運行規則，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，系統的總成本最小。儲熱系統對整個系統成本的變化影響較小，原因是系統沒有參與熱交易，儲熱系統主要為了滿足系統的熱負荷需求，只能間接地影響系統成本。

圖6 總成本隨儲能容量的變化趨勢

3.2 系統的運行結果分析

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

圖7 系統在夏季的電功率曲線

在該場景下，電負荷全部由電網、光伏發電和風力發電提供，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。此時系統的年運行成本為1.77×106元，在不配置電儲能系統的情況下運行成本為1.90×106元，在考慮負荷損失的情況下，系統的運行成本降低了6.84%。

圖8為冬季時系統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時，熱需求在6:00無法得到全部滿足。

圖8 系統在冬季的電功率曲線

由圖7和8可見，系統的電需求主要由電網、光伏和風電滿足，由電儲能系統輔助。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。在沒有儲能系統的情況下，除系統的經濟性降低外，系統存在著停電風險。

4 結束語

本文研究了綜合能源系統中的儲能系統優化配置方法，建立了系統的優化運行模型和考慮碳排放的電/熱混合儲能的優化配置模型，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 系統在冬季的熱功率曲線

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

2）用戶在電儲能系統營利時，會一定程度提高系統的碳排放，因此，電網或政府部門應制定用戶側儲能系統的運行規則，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的情況下，也存在熱能供給不足的風險。

4）電儲能系統在保持負荷平衡之外，可以起到為用戶營利的作用，在安裝儲能系統后，不考慮缺負荷造成的損失的情況下，系統的運行成本降低了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，對系統優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壽命和配置結果的影響。