基于先進絕熱壓縮空氣儲能站的電-熱綜合能源系統(tǒng)優(yōu)化運行方法

時帥,劉杰,米陽,Kwok Lun Lo,林哲敏

(1.上海電力大學(xué) 電氣工程學(xué)院,上海 200090; 2.斯特拉斯克萊德大學(xué) 電子與電氣工程系,格拉斯哥; 3.安徽電力交易有限公司,合肥 230061)

0 引 言

壓縮空氣儲能(Compressed Air Energy Storage, CAES)具有大容量、高壽命、低成本等優(yōu)點,被認為是當(dāng)今最具發(fā)展?jié)摿Φ拇笠?guī)模儲能技術(shù)之一[1]。傳統(tǒng)CAES的循環(huán)效率只能達到50%左右,且在釋放能量的過程中,存在燃料的燃燒和廢氣的排放[2]。先進絕熱壓縮空氣儲能(Advanced Adiabatic Compressed Air Energy Storage,AA-CAES)利用儲熱技術(shù)回收壓縮過程中的熱量用于加熱高壓氣體,擯棄了傳統(tǒng)CAES裝置的補燃環(huán)節(jié)[3],使得AA-CAES較傳統(tǒng)CAES有更快的響應(yīng)速度、更高的效率和更好的清潔性,在眾多的CAES技術(shù)中脫穎而出[4]。

國內(nèi)外學(xué)者關(guān)于含CAES電站的電力系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度方案開展了廣泛的研究。文獻[5]研究了含CAES電站、風(fēng)電并網(wǎng)下的電力系統(tǒng)機組組合問題,并從風(fēng)電消納、阻塞管理、削峰填谷等多個方面進行了具體分析。文獻[6-7]各自提出了一種含CAES電站的孤島微電網(wǎng)和含AA-CAES電站的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的容量優(yōu)化配置方法,分別以系統(tǒng)運行成本與環(huán)境成本之和最小、用戶可中斷負荷成本與系統(tǒng)綜合成本之和最小為目標(biāo),得出了CAES/AA-CAES電站、風(fēng)電發(fā)電機組等機組的最優(yōu)配置容量。上述文獻主要研究了在電能單能流場景下,CAES/AA-CAES電站參與系統(tǒng)運行優(yōu)化和規(guī)劃的場合,并未考慮其在多能流系統(tǒng)的運行調(diào)度情況。

在電、熱多能流場景下,AA-CAES可在綜合能源系統(tǒng)[8](Integrated Energy System,IES)中充當(dāng)能量樞紐,進行電熱聯(lián)供聯(lián)儲[9],與其他能源轉(zhuǎn)換設(shè)備統(tǒng)一協(xié)同運行,發(fā)揮多能互補協(xié)同效應(yīng)。文獻[10-11]提出了一種包含AA-CAES的CCHP(Hybrid Cooling、Heating and Power)微網(wǎng)和一種包含AA-CAES的風(fēng)-光-儲聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)。前者以微網(wǎng)的環(huán)境效益、能源節(jié)約率和系統(tǒng)運行安全性作為多目標(biāo)問題進行求解,結(jié)果表明AA-CAES可有效提高CCHP微網(wǎng)運行的靈活性,促進可再生能源消納。后者采取由風(fēng)機驅(qū)動AA-CAES壓縮機,太陽能光熱補熱的熱電聯(lián)供運行策略,實現(xiàn)了系統(tǒng)電能的穩(wěn)定供應(yīng)和不同品位熱能的梯級利用。文獻[12]提出了一種反映AA-CAES功率和儲能狀態(tài)約束的可行域刻畫方法,詳細地闡述了AA-CAES的熱電耦合關(guān)系和熱電聯(lián)供運行特點。以上文獻為AA-CAES在電-熱IES中進行優(yōu)化調(diào)度提供了初步的數(shù)學(xué)模型參考和優(yōu)化策略支持,但上述文獻所建立的模型大多比較復(fù)雜且高維非線性,難以應(yīng)用于IES的運行優(yōu)化調(diào)度中;而且沒有對AA-CAES在壓縮、膨脹不同工況下的儲熱、放熱、對外供熱等特性進行詳細分析,沒有分析AA-CAES參與下的電-熱IES的經(jīng)濟行為。

此外,文獻[13-14]分別提出了一種含CCHP的多區(qū)域電-熱IES優(yōu)化運行方法和一種基于碳交易的電-熱-氣-冷IES低碳經(jīng)濟調(diào)度方法,但上述方法并沒有考慮熱能在熱網(wǎng)管道傳輸過程中存在的熱延遲和損耗等動態(tài)特性。在用戶側(cè),綜合需求響應(yīng)(Integrated Demand Response,IDR)作為一種靈活性可調(diào)度資源,可有效地降低系統(tǒng)運行成本和促進可再生能源消納[15-16]。

在上述背景下,文章提出了一種計及AA-CAES熱電聯(lián)供聯(lián)儲特性的含AA-CAES能源站的電-熱綜合能源系統(tǒng)(Electricity-Heat Integrated Energy System,EHIES)優(yōu)化運行方法,考慮了負荷綜合需求響應(yīng)和熱網(wǎng)管道傳熱延遲和損耗等動態(tài)特性,建立了以系統(tǒng)機組發(fā)電成本、購電成本、綜合需求響應(yīng)成本以及棄風(fēng)懲罰成本之和為最小的日前經(jīng)濟調(diào)度模型,在修改的IEEE 33節(jié)點配電網(wǎng)和巴厘島32節(jié)點區(qū)域供熱網(wǎng)進行了算例分析。結(jié)果表明,所提模型可有效降低IES運行成本,促進可再生能源消納。

1 含AA-CAES能源站的電-熱綜合能源系統(tǒng)

1.1 電-熱綜合能源系統(tǒng)基本調(diào)度架構(gòu)

文中提出的含AA-CAES能源站的EHIES的結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。能源站中包含AA-CAES裝置、熱電聯(lián)產(chǎn)機組(Combined Heat and Power, CHP)、以及熱泵機組(Heat Pump, HP)進行熱電聯(lián)供,此外系統(tǒng)還配置了燃氣輪機 (Gas Turbine, GT)輔助供電、燃氣鍋爐(Gas Boiler,GB)輔助供熱,并裝設(shè)有風(fēng)力發(fā)電機組(Wind Turbine, WT)。

圖1 EHIES結(jié)構(gòu)圖

AA-CAES的主要組成部件包括：壓縮機、膨脹機、儲氣室、換熱器、蓄熱罐等。在儲能時,AA-CAES可利用棄風(fēng)與低谷電能驅(qū)動壓縮機,將空氣壓縮為高溫高壓氣體后進入換熱器與熱媒進行熱量交換,換熱后的降溫氣體存儲在儲氣室內(nèi);同時,加熱后的熱媒進入蓄熱罐,將其吸收的熱量進行儲存。在釋能時,儲氣室的高壓低溫氣體被釋放后,進入換熱器并與蓄熱罐釋放的熱媒進行熱量交換,高壓氣體得以升溫并進入膨脹機做功發(fā)電,隨后被排放至大氣。在保證蓄熱罐剩余熱量足以支持AA-CAES正常發(fā)電的前提下,AA-CAES還可單獨或配合其他熱源對外供熱。

在文中的EHIES中,AA-CAES除配合系統(tǒng)中的CHP機組、熱泵機組等其他電源、熱源進行熱電聯(lián)供,滿足系統(tǒng)的電、熱負荷需求外,也可以充當(dāng)儲能裝置,進行熱電聯(lián)儲,吸收低谷電能和消納風(fēng)電。同時,用戶側(cè)的柔性負荷也可以參加綜合需求響應(yīng),接受系統(tǒng)能量管理中心的調(diào)度,降低系統(tǒng)的運行成本,提高系統(tǒng)的風(fēng)電消納能力。

1.2 AA-CAES電熱聯(lián)供聯(lián)儲運行約束模型

為簡化計算,對AA-CAES建模作如下假設(shè)：(1)假設(shè)空氣為理想氣體,滿足理想氣體狀態(tài)方程;(2)儲氣室采用等溫恒容模型,儲氣室中空氣的溫度等于環(huán)境溫度,儲氣室容積保持不變;(3)壓縮機和膨脹機采用絕熱模型;(4)不計蓄熱罐的熱量損失和換熱過程的熱量損失。

1.2.1 壓縮機

(1)

(2)

(3)

(4)

1.2.2 膨脹機

(5)

(6)

(7)

(8)

1.2.3 儲氣室

在時刻t儲氣室(Gas Chamber,GC)氣壓可以用一個荷電狀態(tài)SOC(State of Charge)模型來表示：

(9)

(10)

式中prst,l、prst,u分別代表儲氣室壓強的上、下限。

1.2.4 換熱器與蓄熱罐

基于熱交換理論,壓縮和膨脹過程中,換熱器吸收和釋放的熱功率分別為：

(12)

(13)

(14)

(15)

(16)

(17)

(18)

式中Hst,l、Hst,u為蓄熱罐蓄熱功率的上、下限。

1.2.5 AA-CAES電站運行工況約束

(19)

此約束用于保證AA-CAES電站不會同時工作在壓縮耗功和膨脹發(fā)電兩種工況。

2 區(qū)域配電網(wǎng)和區(qū)域供熱網(wǎng)模型

2.1 區(qū)域配電網(wǎng)

針對輻射型配電網(wǎng),文中采用文獻[17]提出的線性潮流方程對其建模。

(20)

(21)

(22)

(23)

2.2 區(qū)域供熱網(wǎng)

區(qū)域供熱網(wǎng)主要由熱源、供熱管道和熱負荷三部分組成。供熱管道一般由供水管和回水管組成,熱源生產(chǎn)的熱量通過供熱管將熱量送達熱用戶,同時,冷卻后的熱水進入回水管后形成循環(huán)[18]。

2.2.1 熱源、熱負荷節(jié)點

(24)

(25)

(26)

2.2.2 供熱管道

ζ(b)表示供熱管道b的集合,根據(jù)節(jié)點質(zhì)量流量連續(xù)性定理,對每個節(jié)點O,都滿足以下約束：

(27)

節(jié)點o溫度與管道b溫度之間的關(guān)系可由節(jié)點混合溫度方程進行描述：

(28)

(29)

2.2.3 供熱管網(wǎng)熱延遲、熱損耗

(1)熱延遲

熱水從熱源處憑借循環(huán)水泵提供的動能以一定的流速經(jīng)熱網(wǎng)管道向熱負荷運動,導(dǎo)致熱源與熱負荷之間熱媒的溫度變化存在一定的延遲[20]。

供熱管道兩端的熱延遲時間可表示為：

(30)

(2)熱損耗

熱損耗表現(xiàn)為供熱管道的溫度損失,可根據(jù)管道溫度降落方程進行描述：

(31)

管道b的首末兩端的溫度損失為：

(32)

結(jié)合式(30)和(32),可得描述供熱管道熱延和熱損耗的方程為：

(33)

t時刻管道b的熱功率損失可描述為：

(34)

3 電-熱綜合能源系統(tǒng)日前優(yōu)化調(diào)度模型

3.1 目標(biāo)函數(shù)

文中電-熱綜合能源系統(tǒng)的優(yōu)化調(diào)度目標(biāo)函數(shù)如式(35)、式(36)所示：

minCΣ=Cgrid+Cgen+Cidr+Ccurt

(35)

(36)

3.2 約束條件

3.2.1 綜合需求負荷調(diào)度約束

在綜合能源系統(tǒng)中,電力柔性負荷主要分為可削減負荷、可轉(zhuǎn)移負荷以及可平移負荷[21]。

(1)可平移負荷

平移時間連續(xù)性約束：

(37)

式中τ、ts分別為可平移負荷發(fā)生的時間和持續(xù)工作時長;yt為判斷可平移負荷是否發(fā)生的0-1變量,yt=1表示負荷已經(jīng)平移到了時段t。

(38)

式中Lshift為可平移負荷的額定功率。

(2)可轉(zhuǎn)移負荷

轉(zhuǎn)移前后轉(zhuǎn)移功率不變約束：

(39)

可轉(zhuǎn)移負荷功率范圍約束：

(40)

(3)可削減負荷

(41)

(42)

3.2.2 設(shè)備調(diào)度約束

(1)CHP機組

(43)

(2)熱泵機組

(44)

(3)設(shè)備出力約束

(45)

(4)購電功率約束

(46)

3.2.3 功率平衡約束

(1)電功率平衡約束

(47)

(2)熱功率平衡約束

(48)

3.3 模型求解

文中建立的含AA-CAES能源站的EHIES日前優(yōu)化調(diào)度模型為一個混合整數(shù)二次規(guī)劃問題,可在MATLAB環(huán)境中基于YALMIP平臺,調(diào)用成熟的商業(yè)求解器GUROBI對模型進行求解。

4 算例分析

4.1 算例系統(tǒng)及參數(shù)設(shè)置

文中采用改進的IEEE 33節(jié)點和巴厘島32熱節(jié)點[22]EHIES進行算例仿真,算例系統(tǒng)中包含一個AA-CAES能源站、2臺燃氣鍋爐、2臺燃氣輪機以及一臺額定裝機容量為6 MW的風(fēng)力發(fā)電機組。日前的負荷預(yù)測以及風(fēng)力發(fā)電機組出力預(yù)測見圖2。系統(tǒng)的綜合需求響應(yīng)成本系數(shù)取100﹩/(MW·h),棄風(fēng)懲罰成本系數(shù)取500﹩/(MW·h)。

圖2 日前EHIES功率預(yù)測曲線

4.2 算例分析

4.2.1 算例場景設(shè)置

針對文中提出的計及用戶側(cè)綜合需求響應(yīng)和考慮區(qū)域供熱網(wǎng)的儲熱慣性的含AA-CAES能源站的EHIES優(yōu)化調(diào)度方法進行性能分析,文章設(shè)定了以下5個場景：

場景1：系統(tǒng)中包含AA-CAES在內(nèi)的能源站等其他機組設(shè)備,考慮用戶側(cè)的綜合需求響應(yīng)和區(qū)域供熱網(wǎng)的儲熱慣性;

場景2：僅考慮用戶側(cè)的綜合需求響應(yīng)和區(qū)域供熱網(wǎng)的儲熱慣性,系統(tǒng)中能源站中不含AA-CAES裝置,仍包含其他機組設(shè)備;

場景3：系統(tǒng)中包含AA-CAES在內(nèi)的能源站等其他機組設(shè)備,僅考慮用戶側(cè)的綜合需求響應(yīng);

場景4：系統(tǒng)中包含AA-CAES在內(nèi)的能源站等其他機組設(shè)備,僅考慮區(qū)域供熱網(wǎng)的儲熱慣性;

場景5：系統(tǒng)中包含AA-CAES在內(nèi)的能源站等其他機組設(shè)備,不考慮用戶側(cè)的綜合需求響應(yīng)和區(qū)域供熱網(wǎng)的儲熱慣性。

4.2.2 IDR對EHIES調(diào)度運行的影響

分別對場景1、場景3和場景5進行優(yōu)化調(diào)度,分析IDR對EHIES電力負荷、風(fēng)電出力和運行成本的影響,優(yōu)化結(jié)果如圖3、圖4所示,不同場景下的棄風(fēng)懲罰成本和總運行成本如表1所示。

表1 場景1、場景3和場景5下的EHIES總運行成本

圖3 IDR對EHIES電力負荷的影響

圖4 IDR對EHIES風(fēng)電的影響

對圖3、圖4進行分析可知,場景1的電負荷曲線的波動性較場景3有了很明顯的改善,負荷峰谷差和方差同比分別下降了22.46%和19.52%;同時場景1系統(tǒng)的棄風(fēng)量較場景3和場景5也分別同比下降了56.81%和82.56%,系統(tǒng)的風(fēng)電消納能力明顯改善。由表1可知,系統(tǒng)引入IDR后,場景1中系統(tǒng)的日棄風(fēng)成本較場景3和場景5分別減少了526.36美元和996.02美元、日總運行成本分別下降了187.36美元和776.79美元。以上結(jié)果分析表明,綜合需求響應(yīng)可引導(dǎo)電力用戶進行負荷的削減、平移和轉(zhuǎn)移,從而能夠達到平抑負荷曲線波動、促進可再生能源消納和降低系統(tǒng)運行成本的目的。

4.2.3 供熱網(wǎng)的儲熱慣性對EHIES調(diào)度運行的影響

分別對場景1、場景4和場景5進行優(yōu)化調(diào)度,分析供熱網(wǎng)的儲熱慣性對EHIES熱功率優(yōu)化和系統(tǒng)風(fēng)電消納的影響,優(yōu)化結(jié)果如圖5和圖6所示。

圖5 供熱網(wǎng)的儲熱慣性對EHIES供熱需求的影響

圖6 供熱網(wǎng)的儲熱慣性對EHIES風(fēng)電的影響

由圖5和圖6可知,00：00-05：00時段,是一天風(fēng)電的最高峰期,也是全天電力負荷的最低谷期和熱力負荷的最高峰期。在06：00-23：00時段,電力負荷開始增大,CHP機組、GB機組出力開始趨于平緩,多余風(fēng)電通過HP機組進行電轉(zhuǎn)熱進行消納,同時熱能被存儲于熱網(wǎng)之中。00：00-05：00期間,在場景1和場景4中,熱源供給的熱能要明顯小于供熱需求,這是因為熱網(wǎng)存在供熱延遲等儲熱慣性,前期存儲于熱網(wǎng)的熱能彌補了該時段內(nèi)的部分供熱需求,因此CHP機組、GB機組等附加熱源供熱量減少,CHP機組出力降低,從而增大了風(fēng)電的上網(wǎng)空間,且多余的風(fēng)電可由HP機組進一步消納,同時進行電轉(zhuǎn)熱向系統(tǒng)供熱。在06：00-16：00、22：00-23：00時段,場景1和場景4中,CHP機組、GB機組出力平穩(wěn),熱源供給熱網(wǎng)的熱能要明顯多余供熱需求,多余的熱能存儲在熱網(wǎng)之中。以上結(jié)果分析表明,HP機組可利用夜間富余風(fēng)電可進行“風(fēng)電供熱”消納棄風(fēng);供熱網(wǎng)的儲熱慣性可以對熱負荷進行“移峰填谷”、并可配合HP機組消納多余風(fēng)電,打破傳統(tǒng)CHP機組的“以熱定電”模式。

4.2.4 AA-CAES對EHIES調(diào)度運行的影響

分別對場景1和場景2進行優(yōu)化調(diào)度,分析AA-CAES裝置對EHIES優(yōu)化調(diào)度、風(fēng)電消納的影響,優(yōu)化結(jié)果如圖7和圖8所示,AA-CAES裝置的蓄熱罐、儲氣室荷電狀態(tài)如圖9所示,不同場景下的棄風(fēng)懲罰成本、購電成本、機組發(fā)電成本和總運行成本如表2所示。

表2 場景1、場景2下的EHIES總運行成本

圖7 場景1、場景2中的IES優(yōu)化調(diào)度結(jié)果

圖8 AA-CAES對EHIES風(fēng)電的影響

圖9 AA-CAES蓄熱罐、儲氣室荷電狀態(tài)圖

由圖7～圖9可知,00：00-06：00時段為一天電力負荷的低谷期和風(fēng)電的高峰期,在此期間,AA-CAES可利用富余風(fēng)電,驅(qū)動壓縮機壓縮空氣做工,被壓縮升溫的空氣與熱媒(水)換熱,降溫后存儲在儲氣室中,熱水則將熱量存儲在蓄熱罐中;15：00-16：00和20：00-21：00時段電力需求較高,在此期間,AA-CAES蓄熱罐中的熱水與儲氣室中的高壓低溫空氣換熱并釋放熱量將其加熱,而后膨脹機透平發(fā)電,且在20：00-21：00膨脹機發(fā)電所需熱量還有剩余,故對外進行供熱。在圖8中,場景1的風(fēng)電出力非常貼近日前的風(fēng)電出力預(yù)測,而場景2未慮AA-CAES,系統(tǒng)的棄風(fēng)量叫場景1則明顯大幅增多;由表2知,場景1中加入了AA-CAES后,系統(tǒng)的棄風(fēng)懲罰成本、購電成本和運行總成本較未加入AA-CAES的場景2分別降低了98.66%、52.43%和74.48%,由此可知加入AA-CAES,可有效提升系統(tǒng)的風(fēng)電消納能力和運行經(jīng)濟性。以上結(jié)果分析表明,AA-CAES可在EHIES進行熱電聯(lián)供聯(lián)儲,在風(fēng)電高峰期消納棄風(fēng),壓縮空氣并將熱量存儲在蓄熱罐中;在負荷需求較高時,蓄熱罐釋放熱量,加熱空氣并驅(qū)動膨脹機透平發(fā)電。

5 結(jié)束語

為充分探究AA-CAES的熱電聯(lián)供儲聯(lián)特性、用戶側(cè)靈活性可調(diào)度資源以及區(qū)域供熱網(wǎng)供熱延時等供熱慣性對EHIES調(diào)度成本和可再生能源消納能力的影響,文中提出了一種計及用戶側(cè)綜合需求響應(yīng)和考慮區(qū)域供熱網(wǎng)的儲熱慣性的含AA-CAES能源站的EHIES優(yōu)化調(diào)度模型。主要結(jié)論如下：

(1)在IDR的引導(dǎo)下,用戶側(cè)靈活資源可通過對自身負荷功率的削減、平移和轉(zhuǎn)移縮小負荷需求曲線峰谷差異、平抑負荷需求曲線波動,由此促進可再生能源的消納和降低系統(tǒng)的運行成本;

(2)供熱網(wǎng)中存在供熱延時等熱慣性,可實現(xiàn)供熱需求的“移峰填谷”,解耦熱電聯(lián)產(chǎn)機組的熱電比,增大夜間風(fēng)電上網(wǎng)空間,并配合熱泵機組進行電轉(zhuǎn)熱以促進風(fēng)電的消納;

(3)AA-CAES可進行熱電聯(lián)供聯(lián)儲,風(fēng)電出力旺盛時,壓縮空氣消納富余風(fēng)電;負荷需求較大時,透平膨脹發(fā)電,還可對外供應(yīng)一定的熱能,從而降低系統(tǒng)的棄風(fēng)懲罰成本、購電成本和運行總成本,提升系統(tǒng)運行的經(jīng)濟性。

后續(xù)工作將以文中模型為基礎(chǔ),進一步研究可再生能源出力和電、熱負荷的隨機性對系統(tǒng)調(diào)度結(jié)果的影響;深入探討AA-CAES提供備用、AA-CAES變工況運行等特性對系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度的影響。