区域综合能源系统中储能设备参与辅助服务的运行优化

国网综合能源服务集团有限公司 李慧娜 张阳玉 中国海关科学技术研究中心 王琳譞 中国电建集团北京勘测设计研究院有限公司 刘晓楠

区域综合能源系统由能源站、供能管线和负荷中心组成，其表示的是在一定区域内，通过先进技术手段与管理模式，对区域中多种内容 进行整合，实现不同能源子系统协调规划、协同管理、优化运行的智慧能源生态系统[1]。该系统具备孤岛运行能力，当前在较多领域得到了广泛应用。随着区域综合能源系统应用的持续深入，如何发挥出能源设备的作用，实现优化配置，降低运行成本，已成为社会各界重点关注的问题，本文对此进行分析，具体如下。

1 研究背景

区域综合能源系统中，拥有多种能源类型与转换设备，能够高效利用多种能源，可有效提升能源利用效率，还能实现新能源的有效应用。区域综合能源系统中存在多种能源系统，而不同的能源系统，在传输特性、能源性质等方面存在较大差异，往往无法实现整体协同。通过应用储能装置，可进行能量储存，其属于促进各能源系统协同规划、优势互补的重要技术装备。当前，不同能量形式边界逐渐模糊，且拥有较强的耦合关系，储能也逐渐发展成多种储能类型的协同作用模式[2]。区域综合能源系统中包含众多能源形式，若想统一调度不同的资源，提升能源利用率，应注重不同类型储能设备的协同配合[3]。

2 研究方法

2.1 规划层模型

一是目标函数。针对规划层，确定优化目标时，应重点对储能设备投资成本进行考虑。而储能容量与储能成本密切相关，若容量过小，虽然可减少成本，但却无法满足系统稳定性要求，反而会增加系统运行成本。若容量过大，虽然可提升系统运行经济性，但会增加储能投资成本与维护成本。因此，针对规划层的优化模型，其目标函数应综合考虑系统运行成本与储能投资成本，公式为：

minFu=Cinv+Cop

其中，Fu表示目标函数，Cinv表示系统投资成本，Cop表示系统运行成本。

在系统投资成本上，主要涉及容量与功率投资，具体应对不同储能设备进行考虑，包括电储能设备、热储能设备、冷储能设备以及氢储能设备，公式为：

其中，i 代表储能类型，r 代表折现率，Yi代表储能的寿命，Cse,i表示储能的容量投资成本，Csp,i表示储能的功率投资成本，Esi表示储能的安装容量，PSi表示储能的安装功率。

区域综合能源系统运行成本，计算公式为：

Cop=Com+Con+Cbuy,e+Cbuy,g+Cenv

其中，Cenv为环境成本；Cbuy,e为购电成本；Com为设备启动成本；Cbuy,g表示购气成本；Com为设备维护成本。

二是约束条件。系统容量规划过程中，容量规划约束与功率规划约束公式为：

2.2 运行层模型

一是目标函数。运行层优化目标，同系统运行成本密切相关，主要包括维护成本、启动成本、购电成本、环境成本、购气成本。计算公式为：

其中，Nd为典型日总数，Nt为典型日调度时段数；d 为典型日，取1～Nd，t 为典型日各时刻标识，取1～Nt；wd为d 全年出现概率；D 为全年总天数，取365；Com,PV、Com,WT、Com,GT、Com,EB、Com,CERG、Com,ED、Com,AC、Ciom,S分别为不同储能设备维护成本；ggrid为电能碳排放量；gGT为燃气轮机运行碳排放量；Cte,b为电价；Cgas,b为气价。

对于规划层模型系统运行成本上，主要是在一年时间跨度的基础上进行建模的，为与运行层模型良好对应，运行层模型优化目标，也应放在全年系统运行经济性最优上，并非单独典型日的运行最优，公式为：

minFl=Cop

其中，Fl代表运行层模型目标函数，Cop代表系统年运行成本。

二是约束条件。第一，系统级约束。系统购电量不可高于联络线功率的上限，公式为：

第二，设备级别约束。充放功率上下限约束公式为：

能量状态水平上下限约束公式为：

能量充放周期24h 约束公式为：

其中，x 为短期储能类型。

第三，系统指标约束。弃光率计算公式为：

2.3 研究数据

电储能数据参数为：效率0.9；自损耗率0.001；单位容量成本为1000/kWh；单位功率成本为200元/kW；单位维护成本为0.0018/kWh；寿命10年。热储能数据参数为：效率0.88；自损耗率0.01；单位容量成本为150/kWh；单位功率成本为30元/kW；单位维护成本为0.0017/kWh；寿命10年。冷储能数据参数为：效率0.88；自损耗率0.01；单位容量成本为190/kWh；单位功率成本为200元/kW；单位维护成本为0.0016/kWh；寿命20年。氢储能数据参数为：效率0.95；自损耗率0.001；单位容量成本为10/kWh；单位功率成本为300元/kW；单位维护成本为0.0018/kWh；寿命20年。

2.4 仿真场景设定

本文研究中，设定三种优化运行方式，在此基础上实施对比分析。运行方式一，只考虑电热综合需求响应；运行方式二，只加电储能以及热储能装置；运行方式三，在电储能以及热储能装置的基础上，对负荷电以及热综合需求响应加以考虑。

3 研究结果

电热储能配置与运行结果见表1。

表1 电热储能配置与运行结果

经济性以及风电消纳率见表2。

表2 经济性以及风电消纳率

从表1、表2中可以看出，第三种运行方式运行效果更佳，且经济性及风电消纳率更高。通过电热综合需求响应的应用，可有效减少储能配置容量，降低储能成本支出，使区域综合能源系统具备更高的运行经济性；通过优化配置多种储能，有助于区域综合能源系统风电消耗，从而有效减少环境成本，实现各项能源高效利用的同时，促进系统经济运行；若想实现区域综合能源系统的优化运行，应对多种储能设备能量输出与转换加以协调。储能在其他设备运行以及能量时间转移上具有重要的价值，在科学配置下，实现多能耦合。

4 启示建议

本文重点对区域综合能源系统中的储能设备配置问题进行分析，经实际研究得出，通过优化配置储能设备，有助于区域综合能源系统优化运行，获得更高的运行经济性。未来发展中，区域综合能源系统以及储能技术会得到进一步更新发展，为突出区域综合能源系统与储能技术的作用，应重点做好以下工作。

配置储能容量时，需要对负荷以及风电波动性以及随机性问题进行重点考虑，后期研究中，应分析对区域综合能源系统运行产生影响的多种随机因素，重点研究负荷精准预测、新能源出力等方面的内容，深化研究内容。

在储能规划上，会涉及选址定容方面的内容，研究过程中不可只考虑储能容量配置，还应重点探究不同区域间存在的耦合关系，加深不同区域综合能源系统的协同规划研究。

未来研究环节，应对储能优化配置模型的影响因素进行分析，考虑负荷侧需求响应在其中产生的作用。进行储能优化配置模型设计时，应对不同负荷需求响应进行分析，在柔性负荷的利用下，实现储能配置的不断改善，提升系统运行经济性。

通过优化配置储能设备，有助于消纳风电，促进可再生能源利用效率的进一步提升。可持续发展战略持续推进下，应不断增加风电与光伏发电在区域综合能源系统中的比重，对储能设备扩容规划进行科学安排，一方面提升可再生能源利用率，另一方面降低储能成本支出。

5 结语

综上所述，当前我国经济水平不断提升，应注重能源利用问题与生态环境保护问题，将可持续发展作为重要目标。在区域综合能源系统实际应用环节，为保证系统运行效率，需要积极开展运行优化工作，通过对储能设备的合理配置，减少系统运行成本的同时，实现对能源的高效利用，最大程度上降低对生态环境的不良影响。未来应不断加大研究力度与深度，提升区域综合能源系统运行性能的同时，实现经济效益与社会效益最大化。