多元化儲能技術及其在綜合智慧能源系統中的應用模式研究

摘 要：雖然研究認為儲能技術是綜合智慧能源系統穩定運行的基石，但由于綜合智慧能源系統中風光等間歇性可再生能源輸出功率的波動性、隨機性很強，配置單一儲能技術不能滿足高比例可再生能源并網要求，現提出將多元化儲能技術應用在綜合智慧能源系統中。首先，對綜合智慧能源系統的構成及其源荷特性進行了分析;其次，針對不同的應用場景，分析了多元儲能協調運行機理;然后，對多元化儲能進行了優化配置研究，提出了目標函數和約束條件;最后，以某個智慧能源示范園區為實例進行了驗證，使總運行成本降低了6.31%，將園區內光伏的總利用率提升了4.31個百分點。

關鍵詞：風光;源荷特性;多元化儲能;綜合智慧能源系統

中圖分類號：TM715" " 文獻標志碼：A" " 文章編號：1671-0797（2024）04-0080-05

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2024.04.020

0" " 引言

綜合能源系統中的儲能技術以其削峰填谷和調頻調壓等能力，成為綜合能源系統穩定運行的基石。雖然儲能系統是解決分布式能源并網問題、提高電網供電可靠性的有效途徑，但風光等間歇性分布式電源輸出功率波動性、隨機性太強，單一儲能配置的一體化電力系統無法滿足高比例可再生能源并網要求。受制于上述缺點，往往將不同特性的儲能結合起來使用，常見的一種方式是將功率型儲能和能量型儲能在直流側并聯后經變流器接入電網，稱為多元化儲能技術。例如，將超級電容器與蓄電池混合使用，可減小蓄電池的內部沖擊，延緩衰老進程，提高其負載適應能力。另一方面，多元儲能系統能夠提高儲能設備效率，縮小儲能裝置的體積，減輕重量，降低硬件成本，同時有利于改善電網電能質量。文獻[1]系統闡述了儲能技術在綜合能源系統中的作用及應用;文獻[2]研究了考慮用戶能量替代行為的電-氣多元儲能系統在區域綜合能源系統中的優化配置問題;文獻[3]提出考慮電/熱/冷多元儲能差異化建模的區域綜合能源系統儲能協同配置方法;文獻[4]介紹了儲能技術的類型及其在多能互補能源系統中的應用價值，并分析了其具體應用途徑;文獻[5]建立了計及功能區間能量交換能力、儲能設備成本等差異的區域綜合能源系統實體儲能（設備）規劃模型;文獻[6]提出了計及熱網蓄熱特性的多區域IES多元儲能規劃方法。

因此，本文基于某園區綜合能源系統的構成及其源荷特性，針對不同的儲能技術，給出了其在園區綜合能源系統中的典型應用場景，對園區多元化儲能進行優化配置，以提升園區型綜合智慧能源系統的能源利用效率。

1" " 綜合智慧能源系統

1.1" " 綜合智慧能源系統的內涵

綜合智慧能源，是以數字化、智慧化能源生產、儲存、供應、消費和服務等為主線，追求橫向“電、熱、冷、氣、水、氫”等多品種能源協同供應，實現縱向“源-網-荷-儲-用”等環節之間互動優化，構建“物聯網”與“互聯網”無縫銜接的能源網絡，并面向終端用戶提供能源一體化服務的產業。

“綜合”強調能源一體化解決方案，從用戶側出發，實現多種能源品種的融合;“智慧”強調數字化、智慧化，以平臺為中心利用物聯網、大數據、人工智能等技術，推進能源供給、消費的優化組合、有機協調，同步實現能源系統效率提升。其示意圖如圖1所示。

系統的“荷”通過合理調度和市場機制及考慮到用戶多種類用能需求和能源的可替換性，以達到綜合優化用能的效果。系統的“網”，包含不同能源的輸送網（如電網、熱網、氣網等）及應用技術或設備將不同能源有機耦合起來，從而高效地將能源輸送給用戶。系統的“儲”，包含不同能源暫時存儲的各類設備或系統，以提高系統的經濟運行水平和應急能力。

1.2" " 綜合智慧能源系統源荷特性分析

目前，根據系統規模的大小，綜合智慧能源系統可分為三種類型，即區域型、園區型和用戶型。其中，區域型綜合智慧能源系統主要應用于廣泛的區域范圍，如智慧城市、智慧鄉村等，這種系統旨在整合和優化區域內的能源資源，以實現可持續的能源供應。園區型智慧能源系統常應用于工業園區、科技園區等特定區域。用戶型綜合智慧能源系統則適用于個人或特定的建筑物，如數據中心、樓宇等。

以智慧城市為例對源荷特性進行分析。典型的城市用電負荷主要包含工商業和居民生活用電負荷，如圖2、圖3所示。

由于太陽輻射強度存在很大的隨機性，光伏發電系統的輸出功率隨太陽輻射強度的變化而變化，其具有不連續性和不確定性的特征。其出力特性曲線如圖4所示。

2" " 綜合智慧能源系統中多元儲能協調運行分析

2.1" " 多元儲能技術概述

儲能系統按照能量存儲方式的不同可以分為機械儲能、電化學儲能、電磁儲能、熱儲能、化學燃料儲能等類型。其中機械儲能包括抽水蓄能、壓縮空氣和飛輪儲能，電化學儲能包括鋰離子、鈉硫、液流、鉛酸電池儲能等，電磁儲能包括超導、超級電容和高能密度電容儲能，熱儲能包括熱水罐、熔巖儲能、相變儲能等，化學燃料儲能中最具應用前景的是氫儲能。

2.2" " 多元儲能協調運行機理分析

按照最大功率容量、放電時間、使用頻率和放電深度等性能參數，儲能一般分為四種類型：容量型儲能、功率型儲能、能量型儲能和備用型儲能。其中，容量型儲能包括抽水蓄能、壓縮空氣儲能、鈉硫電池、液流電池、鉛碳電池等，功率型儲能包括超導儲能、飛輪儲能、超級電容器、2C型磷酸鐵鋰電池等，能量型儲能包括0.5C或1C型磷酸鐵鋰電池等，備用型儲能包括鉛酸電池、飛輪儲能等。每一類所對應的參數范圍及典型的用途如表1所示。

同時，在儲能的放電時長方面，不同的應用場景有不同的要求。應用時序分析法，將電源側、電網側、負荷側各應用場景分為超短時、短時和長期時間尺度3種類型，具體應用場景對應儲能持續放電時間要求如表2所示。

一般來說，這些用途并不是完全獨立的，因此在評估和確定優先順序時，應考慮到每種用途在儲能設備上投入的功率或時間比例，用數學方法估算儲能裝置滿足這些用途的百分比。針對不同應用場景對儲能技術特性的需求，從可行性和經濟性考慮，應盡量依照應用需求選擇各性能參數互補的儲能類型，各盡其職。

3" " 多元化儲能的優化配置研究

3.1" " 目標函數

多元儲能總成本由綜合能源系統運行成本與儲能規劃成本兩部分構成。在運行成本Cop中，考慮綜合智慧能源系統向上級電網購電成本Cinj、多元儲能充放電損耗成本Cch，此外，為了響應“雙碳”目標，加入綜合智慧能源系統碳排放懲罰成本Ccp，以使多元儲能規劃產生減碳效益。

Cop=Cinj+Cch1+Cch2+Ccp（1）

Cinj=Pinj（i）×cele（i）×ti（2）

Cch1=[Pch1（i）+Pdis1（i）]×cd1×ti（3）

Cch2=[Pch2（i）+Pdis2（i）]×cd2×ti（4）

Ccp=Pinj（i）×ccp×ti（5）

式中：Cch1、Cch2分別為儲能1、2的充放電損耗成本;Pinj（i）為第i時刻上級電網向綜合智慧能源系統注入功率;cele（i）為第i時刻綜合智慧能源系統向上級電網購電價格;ti為時間粒度;Pch1（i）、Pch2（i）分別為第i時刻儲能1、2的充電功率;Pdis1（i）、Pdis2（i）分別為第i時刻儲能1、2的放電功率;cd1、cd2分別為儲能1、2的單位充放電量損耗成本;ccp為單位電量碳排放懲罰成本。

儲能的規劃成本包括儲能的初始投資成本以及儲能系統的運營和維護成本，考慮到通貨膨脹和其他因素，儲能系統在其生命周期內的運行和維護成本是通過直線年成本法折算成現值計算得出的。

Cplan=C1+C2×k（6）

C1=cp×Pmax+ce×Emax（7）

C2=cm×Pmax（8）

k=（9）

式中：Cplan為儲能規劃成本;C1為儲能初始投資成本;C2為儲能運行維護成本;k為等年值系數;cp為單位功率儲能建設成本;ce為單位容量儲能建設成本;cm為單位功率儲能的運維系數;Pmax為儲能額定功率;Emax為儲能額定容量;r為貼現率;n為運行年限。

綜上，多元儲能運行-規劃優化模型目標函數如下式所示：

Objective=Cop+Cplan（10）

3.2" " 約束條件

優化模型的局限性涉及兩個方面，一是對綜合智慧能源系統整體功率平衡約束與各出力主體功率限制約束，二是對各種儲能設備充放電特性的限制，這是由設備本身的技術特性決定的。

3.2.1" " 綜合智慧能源系統功率平衡約束

Pinj（i）+Pw（i）+Pv（i）+Pdisk（i）-

Pchk（i）=PD（i）（11）

式中：Pw（i）、Pv（i）分別為第i時刻綜合智慧能源系統中風電機組、光伏機組的出力;Pchk（i）、Pdisk（i）分別為第k種儲能設備在第i時刻的充、放電功率;PD（i）為綜合智慧能源系統在第i時刻的用電負荷大小;k為某個儲能設備;φ為儲能設備的集合。

3.2.2" " 各出力主體功率限制約束

0≤Pinj≤Pinjm（12）

Pdisk（i）×ti≤Emaxk（13）

0≤Pchk（i）≤Bchk（i）Pmaxk（14）

0≤Pdisk（i）≤Bdisk（i）Pmaxk（15）

式（12）為上級電網注入功率約束，其中Pinjm為上級電網向綜合智慧能源系統注入最大功率;式（13）為儲能設備充放總電量約束，其中Emaxk為第k種儲能設備的儲能額定容量;式（14）（15）為儲能設備充、放電功率約束，其中Pmaxk為第k種儲能設備的額定充、放電功率，Bchk（i）、Bdisk（i）為表示儲能充、放電狀態的變量，在0～1中取值，滿足如下約束：

Bdisk（i）+Bchk（i）≤1（16）

3.2.3" " 多元儲能設備充放電特性約束

Emaxk=βPmaxk（17）

SOCk（i+1）=SOCk（i）+（18）

SOCmink≤SOCk（i）≤SOCmaxk（19）

SOCk（1）=SOCk（96）（20）

Pdisk（i）=Pdisk（i+1）=…=Pdisk（i+n）（21）

式（17）為儲能額定容量與額定功率之間的能量倍率約束，β為能量倍率系數，由儲能持續放電時長決定;式（18）為儲能荷電狀態連續性約束，其中，SOCk（i）為第k種儲能設備在第i時刻的荷電狀態，ηk為第k種儲能設備的充放電效率;式（19）為儲能荷電狀態約束，SOCmaxk、SOCmink分別為第k種儲能設備的最大、最小荷電狀態;式（20）為儲能荷電狀態初始化約束，即儲能設備經過一天的運行周期后需要回到初始狀態;式（21）為第k種儲能設備的響應速度約束，多元儲能系統中各類型儲能響應時長不同，n由各類型儲能響應速度決定。

4" " 算例分析

4.1" " 算例描述

以某智慧園區示范工程為例，選取典型日新能源出力及用電負荷數據進行計算。該園區內典型日光伏出力Pv、用電負荷PD數據如圖5、圖6所示。

選擇飛輪儲能、鈉硫電池儲能作為多元儲能裝置，兩者技術經濟特性參數如表3所示。

4.2" " 結果分析

通過將以上數據輸入到構建的優化模型中進行計算，得到零碳智慧園區的多元儲能配置結果，典型日內儲能設備充放電情況如圖7所示，剩余電量變化趨勢如圖8所示，多元儲能配置結果如表4所示。

通過對比電池和飛輪儲能與僅采用電池儲能方案的成本和光伏利用率，得出以下結論：根據表5的數據，引入飛輪儲能后，光伏的總利用率（實際發電量與理論最大發電量之比）達到了91.47%，相比單個電池方案提高了4.31個百分點，這意味著飛輪儲能技術能夠更有效地利用光伏發電產生的電能，提高系統的能源利用率;同時，通過對目標函數所代表的總成本進行分析發現，目標函數所代表的總成本（投資建設的成本與運營費用之和）降低了6.31%。

綜合來看，多元化儲能配置方法對園區型綜合智慧能源系統具有重要意義。通過對優化配置結果進行分析，得出結論：多元化儲能配置方法可以大大減少園區向上級電網購電成本，有效消納園區光伏發電量，提高園區型綜合智慧能源系統的能源利用效率。

5" " 結論

本文提倡將多元化儲能技術應用在綜合智慧能源系統中，以優化多元化儲能配置，并以某個智慧能源示范園區為實例進行驗證，結果顯示，總運行成本下降了6.31%，園區內光伏利用率提升了4.31個百分點。

1）本文提出的多元化儲能避免了頻繁地充放電，這樣可以減少能源系統的能量損耗，并提高儲能系統的效率。

2）本文的多元化儲能配置方法在很大程度上減少了園區向上級電網購電的成本，提高了園區型綜合智慧能源系統的能源利用效率。

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收稿日期：2023-10-12

作者簡介：趙萬劍（1986—），男，上海人，碩士，工程師，研究方向：配電網規劃、負荷預測。

姚偉（1989—），男，上海人，工程師，研究方向：發展規劃、電力系統調控運行。

陳潔（1989—），男，上海人，碩士，高級工程師，研究方向：用電檢查、電力企業管理。