源-储联动的综合能源系统协调与优化运行策略研究.pdf

第 42 卷 第 4 期2023 年 8 月内蒙古工业大学学报（自然科学版）Journal of Inner Mongolia University of Technology（Natural Science Edition）Vol.42 No.4Aug.2023源-储联动的综合能源系统协调与优化运行策略研究李兴国，曹家乐，陈建，任永峰（内蒙古工业大学 能源与动力工程学院，呼和浩特 010051）摘要：综合能源系统（Integrated energy system，IES）在能源消纳和满足多元化能源需求的同时兼具低碳性和经济性的优点。为进一步提升综合能源系统消纳水平以及经济性，提出了考虑源-储联动综合能源系统协调优化运行策略。首先，将综合能源系统分为供给侧、转换侧和储存侧、用户侧，重点阐述源-储两侧组成单元的运行机理，并分析其在IES中发挥的作用。其次，将聚焦式光热（Concentrating solar power，CSP）电站引入能源供给侧，充分利用电耦合CSP电站能量时移特性维持供需平衡。利用储能侧双层电转气（Power to gas，P2G）系统提升综合能源系统消纳水平，并与单层氢储系统在可再生能源消纳效果上进行对比分析。最后，基于Matlab/simulink软件平台对所提优化协调运行策略有效性进行时域仿真验证。实验结果表明：所提优化协调策略可有效增强系统消纳水平，提升系统经济性，对解决弃风、弃光问题以及能源行业绿色低碳转型具有重要参考价值。关键词：综合能源系统；光热电站；电转气中图分类号：TK 519 文献标志码：AA Coordinated and optimized operation strategy for comprehensive energy systems considering source storage linkageLI Xingguo,CAO Jiale,CHEN Jian,REN Yongfeng(School of Energy and Power Engineering,Inner Mongolia University of Technology,Hohhot 010051,China)Abstract：Integrated energy systems(IES)possess the advantages of carbon reduction and economic viability while addressing diverse energy demands and ensuring energy consumption.To further enhance the level of energy consumption and economy in IES,this paper proposes a coordinated optimization operation strategy considering the synergy between energy sources and energy storage units.Firstly,the IES is divided into the supply side,conversion and storage side,and user side,with a focus on elucidating the operational mechanisms of source and storage units and analyzing their roles in IES.Secondly,concentrating solar power(CSP)plants are introduced to the energy supply side,utilizing the temporal characteristics of energy transmission in electric-coupled CSP plants to maintain supply-demand balance.The energy storage side utilizes a two-layer power-to-gas(P2G)system to improve the level of energy consumption in the integrated energy system,and a comparative analysis is conducted with the single-layer hydrogen storage system in terms of renewable energy consumption effectiveness.Finally,the effectiveness of the proposed optimized coordination operation strategy is validated through time-domain simulations using the Matlab/Simulink software platform.Experimental results demonstrate that the proposed strategy effectively enhances the systems level of energy consumption,improves its economic feasibility,and provides valuable insights for addressing wind and solar curtailment issues and achieving green and low-carbon transformation in the energy industry.Keywords：integrated energy system;concentrating solar power;power to gas随着我国经济快速发展，能源需求不断上升，电力行业已成为碳排放的最大单一行业1-3。尽管高比例可再生能源有助于实现降碳目标，但仍存在技术难题，如新型电力系统如何实现稳定运行和灵活调度。综合能源系统为解决这一问题提供了新思路，整合多种能源并解决大规模新能源接入和消纳的适文章编号：1001-5167（2023）04-0336-07收稿日期：2023-06-04基金项目：国家自然科学基金项目（51967016）；内蒙古自治区自然科学基金项目（2022LHQN05001）；内蒙古工业大学科学研究项目（ZY201903）第一作者：李兴国（1997），男，2020级硕士研究生，主要从事综合能源系统研究。E-mail:通信作者：陈建（1987），男，博士，讲师，主要从事新能源并网发电与电能质量控制。E-mail:第 4 期李兴国等 源-储联动的综合能源系统协调与优化运行策略研究应性问题。光热电站和电转气综合能源系统具有巨大的研究价值。目前，综合能源系统模型正向精细化和物理化发展，但尚无统一建模方法。部分研究已探讨了电转气、碳捕集、随机博弈等多方面的综合能源系统建模方法，但关于源-储联动系统的经济性和低碳性研究不足4-7。太阳能热发电的研究表明，光伏发电和光热发电混合发电厂具有廉价和可调度的优势8-13。电转气技术加快了综合能源系统多能深度耦合，为解决能源过剩与浪费提供了新途径14-18。本文旨在探讨光热电站在综合能源系统中的优化应用，以提高可再生能源的供能稳定性。本文的创新性主要体现在以下几点：首先，在源侧考虑以光热电站优化综合能源系统可再生能源的供能稳定性，同时降低碳排放。其次，在光热发电系统中添加电热转换模块，实现电热系统耦合，利用光热电站配置的储热系统辅助消纳风光电量。最后，在储侧构建双层电转气系统，充分发挥电转气技术储能优势，分段分级消纳可再生能源电量，同时稳定系统供需平衡。1综合能源系统组成单元运行机理分析及数学模型1.1源侧光热电站CSP电站具有储热系统可以直接输出热能，具有良好的输出、可调度特性和能量时移特性，还可根据电网用电负荷需要参与电力系统的一次调频和二次调频，确保电网频率稳定，保证电网安全。下文中所提光热电站均为塔式熔盐光热电站。电耦合塔式熔盐光热电站由镜场、高低温熔盐罐、电加热器、换热装置和热电联供机组组成，如图1所示。根据质量守恒定律建立数学模型：Ml(t+1)=Ml()t-Mg()t-Meh()t+Mr()tMh(t+1)=Mh()t+Mg()t+Meh()t-Mr()t(1)式中：Ml为低温熔盐罐中熔融盐质量；Mg为进出集热塔的熔融盐质量；Meh为进出电加热器的熔融盐质量；Mr为进出换热装置的熔融盐质量；Mh为高温熔盐罐中熔融盐质量。1.2储侧电转气系统1.2.1电转气运行机理目前电转气技术主要分为电转氢气和电转天然气两种，电转氢气是电解水生成氢气和氧气，同时可以进一步将氢气与二氧化碳合成为甲烷等利于存储运输的气体，称之为电转天然气。两个化学过程如下：2H2O2H2+O2(2)CO2+4H2CH4+2H2O(3)1.2.2双层电转气系统图2为双层电转气储能系统，由于电转天然气全过程的能量转换率较低，可以将电转天然气分为两阶段。第一阶段为电解水阶段，建立氢储能系统。在可再生能源出力峰值时，以电解槽制氢气，将氢气储存在储氢罐中。若还有富余弃风、弃光电量，可进入第二阶段氢气转天然气阶段，将制成的天然气由天然气管网运输出去，不仅提高了综合能源系统中储能容量的上限，而且做到分层次、分阶段消纳弃风、弃光电量。同时氢气与二氧化碳反应，也有助于综合能源系统低碳性的实现。依据双层电转气储能系统原理，构建其能量流动数学模型如下：QH2(1)=18QH2(t+1)=QH2(t)+ECPEC()t-PFC()tFC-qCH4()tQH2minQH2()t QH2max(4)式中：MH2为t时刻氢储系统储存的能量；PEC为电解槽出力；PFC为燃料电池出力；EC为电解槽效率；FC为燃料电池效率；QCH4为电转天然气所消耗氢能；QH2min、QH2max分别为氢储能系统上下限约束。图2双层电转气系统原理图Fig.2Double-layer power to gas schematic diagram图1电耦合光热电站原理图Fig.1CSP station with electric heater schematic diagram337内蒙古工业大学学报（自然科学版）2023 年1.3其他组成设备1.3.1风力发电风力发电机组出力与风速和风轮桨叶尺寸等多种因素有关，风力发电机组输出功率表达式为：Pw=12CpSwv3(5)式中：Pw为风机输出的有功功率；Cp为风能利用系数；为空气密度；Sw为风轮桨叶扫掠面积；v3为风速。根据风机的切入、额定、切出风速简化式(5）得到式(6）：Pw=0vvout(6)1.3.2光伏发电影响光伏发电出力的主要因素是光照强度和环境温度,三者关系如下：Ppv=PSGC1+k()TC-TSGS(7)式中：Ppv为光伏电池板出力；PS为在标准测试环境下的光伏电池板出力；GS为标准测试环境下光照强度，1 000 W/m2；GC为实际工作环境下光照强度；k为功率温度系数，k=-0.47%/K；TS为标准测试环境下光伏电池板温度；Tc为实际工作环境下光伏电池板温度。1.3.3热电联产机组本文热电联供机组的热源为光热电站的储热系统及火力发电的燃煤锅炉。热电联供机组热电比固定，其生产的热功率与电功率高度相关，故可用以下数学模型进行表示：PCHP=CHP-eGCHPHCHP=CHP-hGCHP(8)式中：GCHP为热源为热电联供机组提供的功率；CHP-e为热电联供机组电效率；CHP-h为热电联供机组热效率；PCHP为热电联供机组电功率；HCHP为热电联供机组热功率。1.3.4燃气锅炉燃气锅炉数学模型如下：Hb=bVCH4qCH4(9)式中：Hb为燃气锅炉出力；b为燃气锅炉效率；VCH4为燃气锅炉进气量；qCH4为天然气热值。2含光热电站和电转气的综合能源系统运行2.1含光热电站和电转气的综合能源系统系统模型搭建含光热电站和双层电转气的综合能源系统如图3所示。将整个综合能源系统划分为三个部分，能源供给侧由风力发电、光伏发电、光热发电和火力发电组成，以可再生能源为主，化石能源为辅。能源转换侧由电加热器、电解槽、燃料电池、燃气锅炉及热电联供机组组成。储能为光热电站自备的熔盐储热系统和双层电转气系统。用户侧包括电能负荷、热能负荷。2.1.1目标函数本文的综合能源系统以运行成本最低为目标，优化系统内各设备出力。建立目标函数：minF=C1+C2+C3+C4(10)式中：F为系统运行总成本；C1为设备运维成本；C2为碳处理成本；C3为能源购买成本；C4为弃风弃光成本。1)设备运维成本根据各个设备的运行时长，运行功率计算其运维成本。C1=t=1T(i=1NCw-iPi(t)(11)式中：T为总运行时间；N为运维设备数量；CW-i为i设备的运行维护费用；Pi为i设备的出力。2)碳处理成本碳处理成本是为了鼓励能源转型减少碳排放。图3综合能源系统结构图Fig.3Structure diagram of integrated energy system338第 4 期李兴国等 源-储联动的综合能源系统协调与优化运行策略研究C2=CO2(3.6bqCH4bHb+tpPtp)-gPCH4(12)式中：CO2为二氧化碳处理成本；b为燃烧单位天然气产生二氧化碳量；qCH4为天然气热值；b为燃气锅炉的效率；Hb为燃气锅炉总出力；tp为火电厂每单位电量产生二氧化碳量；Ptp为火电总出力；g为单位功率甲烷反应器获得碳收益指数；PCH4为甲烷反应器总功率。3)能源购买成本综合能源系统中火力发电需要购买煤炭，燃气锅炉需要购买天然气。C3=GctpPtp+GCH43.6qCH4bHb(13)式中：Gc为煤炭购买价格；tp为火电厂每单位电量耗煤量；GCH4为分时天然气价。4)弃风弃光成本弃风、弃光电量的产生，不仅没有产生收益，还会使设备折旧。C4=a(Pw-a+Ppv-a)(14)式中：a为弃风、弃光惩罚；Pw-a为弃风量；Ppv-a为弃光量。2.1.2约束条件1)功率平衡约束 ptp()t+pcsp()t+pw()t+ppv()t+pfc()t=pec()t+ph()t+pCH4()t+pL()thtp()t+hcsp()t+hb()t=hL()t(15)式中：Pcsp为光热电站出力；Pw为风电出力；Ppv为光伏出力；Pfc为燃料电池出力；Pec为电解槽功率；Ph为电加热器功率；PL为电负荷；htp为火电热出力；hcsp为光热电站热出力。2)设备启停约束 D=onoffi()t-onoffi()t-1Range=t:min()Tt+Ton-1onoffi()Range 1-D(16)式中：D为启停状态指示变量；onoffi为二进制变量表示i设备的启停状态；Range为启动范围变量；Ton为最小连续启动时间。停止约束与启动约束原理相同。3)储能系统约束 QcspminQcsp()t QcspmaxQcsp()t+1-()1-heatQcsp()t=qm()t+pH()t-pcsp()tQcsp()1=60(17)式中：Qcspmin、Qcspmax分别为热储能系统上下限容量；Qcsp为t时刻热储系统中储存的能量；heat为储热罐的热能损耗率；qm为光热电站镜场收集热量值，氢储能系统与热储能系统相似。4)设备出力上下限约束onoffi(t)Piminpi(t)onoffi(t)Pimax(18)式中：Pimin、Pimax为i设备的出力上下限。5)机组爬坡约束PiCnpi(t+1)-pi(t)PiCp(19)式中：PiCn、PiCp为i设备最大向上、向下爬坡功率。6)可再生能源约束Pwmax=Pw-a+PwPpvmax=Ppv-a+Ppv(20)式中：Pmax为风电最大可利用出力；Ppvmax为光伏的最大可利用出力。7)设备矛盾约束该约束是防止储能系统同时充放能量。onoffcsp()t+onoffh()t 1onofffc()t+onoffh()t 1onofffc()t+onoffec()t 1(21)2.2算例系统概述以内蒙古某工业园区为参考构建模型，园区能源的实时价格如表1所示。系统机组的相关参数数据见表2。该园区冬季典型日可再生能源的日前预测出力如图4所示，电负荷、热负荷预测曲线如图5所示。在MATLAB中依靠YAMLIP工具箱搭建模型，并将原问题转化为混合整数线性规划问题，最后运用CPLEX商业求解器求解，求解流程如图6所示。以本文搭建的综合能源系统以及系统参数可得综合能源系统运行结果，如图7所示。受限于机组爬坡、机组最小运行功率等，火力发电并不能完全紧跟负荷曲线。在23:00-07:00、10:00-14:00两个时段可以看出，弃电量的产生与可再生能源高发期、综合能源系统调度上下限、用电负荷低谷期三者密切相关。339内蒙古工业大学学报（自然科学版）2023 年光热电站出力具有明显时移特征，在12:00左右光热条件最好的时段，光热发电出力不多，而在太阳落山的时段19:00-23:00是用电高峰期，光热发电出力较多，分担了火力发电机组的调度压力，优化了综合能源系统中的可再生能源出力结构。电热耦合模块在02:00-04:00时段吸收弃风、弃光电量，少量提升光热电站调度能力同时消纳一部分弃电量。热力系统组成较为简单，由火力发电余热收集和光热余热收集为基础，燃气锅炉保障供需平衡。3光热降本减排效果分析本文采用控制变量法，分析光热电站在综合能功率/MW风电光伏光热250200150100500时刻/h1 2 3 4 5 6 7 8 9 101112131415161718192021222324图4可再生能源出力预测值Fig.4Predicted output of renewable energy功率/MW电负荷热负荷22020016018014012010080时刻/h1 2 3 4 5 6 7 8 9 101112131415161718192021222324图5电、热负荷预测值Fig.5Predicted load of electric and heat表1园区内分时能源价格Table 1Real time energy price in the park类型电能/（元kWh-1）天然气/（元m-3）煤炭/（元t-1）时段18:00-21:00,05:00-09:0015:00-17:00,22:00-23:001:00-04:00,10:00-14:001:00-6:007:00-8:00,12:00-14:00,19:00-0:009:00-11:00,15:00-18:00全时段价格0.710.480.382.683.655.11500表2IES各单元参数Table 2Parameters of each unit of IES设备火电光热光伏风电电解槽燃料电池CH4反应器加热器锅炉运维成本 Cw-i/(元kh-1)0.070.060.020.020.020.020.050.010.06最大出力Pimax/MW12060309018181212150最小出力Pimin/MW4860022110效率i0.400.400.750.750.800.980.90图6算例分析流程图Fig.6Flow chart of case study功率/MW火电出力光热出力锅炉出力总负荷180160140120100806020400时刻/h1 2 3 4 5 6 7 8 9 101112131415161718192021222324功率/MW火电出力(a)电力部分(b)热力部分光热出力电加热器光伏风电总负荷电解槽燃料电池CH4反应器250300200150100500-50时刻/h1 2 3 4 5 6 7 8 9 101112131415161718192021222324图7综合能源系统运行结果分析Fig.7Analysis of operation results of integrated energy system340第 4 期李兴国等 源-储联动的综合能源系统协调与优化运行策略研究源系统运行中的作用。3.1场景分配对综合能源系统中的光热发电单元进行替换，对比分析光伏电站、光热电站、电耦合光热电站对综合能源系统运行影响，划分为以下三个场景：场景一：基础场景，综合能源系统中不配置光热发电，配置90 MW光伏发电；场景二：综合能源系统中配置 30 MW 光伏发电、60 MW光热发电；场景三：综合能源系统中配置 30 MW 光伏发电、60 MW电耦合光热发电。3.2结果分析模拟结果表明，在相同光热条件下，只有场景二、三可以正常运行，场景一无法运行。原因是光伏发电峰值与用电峰值错开,光伏发电集中在白天08:00-18:00时段，而IES的用电峰值为18:00以后。汇总场景二、场景三成本信息如表3，可知在光热电站中耦合电加热设备，将会使系统设备维护成本提高约0.07万元，但会降低系统在碳处理、能源购买、弃风弃光三方面的成本共计0.9万元，并且会降低总碳排放6.06吨。3.3双层电转气系统消纳效果分析3.3.1含单层氢储能系统综合能源系统运行结果含单层氢储能系统的综合能源系统运行结果如图8所示。可看出储能容量的上限限制了电解槽的可再生能源消纳能力，储能单元的变动几乎没有影响IES热能系统的运行。储能系统变化主要影响IES对可再生能源的消纳。对比单层氢储能系统(图8)和双层电转气储能系统(图7)在相同条件下对系统内可再生能源弃电量。首先可以观察到，两者可再生能源弃电量基本都是在01:00-07:00和10:00-16:00两个时段出现，这与综合能源系统用电负荷低谷期基本吻合，此时用户用电供大于求，易产生弃电量。在16:00-23:00时段两者没有弃电量，这是因为该时段为电能系统负荷高峰期，用户用电供小于求，还需要储能系统对供需不足进行补充，没有产生弃电量。3.3.2弃电量对比对比弃电量的大小如图9所示，可以看出单层氢储系统弃电量无论持续时间、幅值大小均远超双层电转气系统。弃电总量达344.5 MW，弃风弃光率21.2%，超1/5的风电和光伏电量被浪费。而双层电转气系统在同等条件下表现优越，几乎全时段降低弃电量，甚至在 01:00-03:00 和 07:00-09:00 两个时段将弃电量降到0，仅有一个时间点弃电量稍高于单层氢储系统。总体来看，双层电转气系统将综合能源系统总弃电量下降至126.1 MW，弃电率下降约14个百分点，下降至7.76%。功率/MW火电出力光热出力锅炉出力总负荷180160140120100806020400时刻/h1 2 3 4 5 6 7 8 9 101112131415161718192021222324功率/MW火力光热电加热器(a)电能部分(b)热能部分光伏风电总负荷电解槽燃料电池250200150100500-50时刻/h1 2 3 4 5 6 7 8 9 101112131415161718192021222324图8单层氢储能的综合能源系统运行Fig.8Results of IES with single-layer hydrogen storage system表3场景二、三成本对比Table 3Scenario 2 and 3 cost comparison单位：万元项目设备运维成本碳处理成本能源购买成本弃风、弃光成本总成本场景二41.9327.7177.453.01150.10场景三42.0027.6077.152.52149.27弃风、弃光电量/MW70806050403020100双层P2G氢储时刻/h1 2 3 4 5 6 7 8 9 101112131415161718192021222324图9不同储能系统弃电量情况Fig.9Comparison of power abandonment of different energy storage systems341内蒙古工业大学学报（自然科学版）2023 年4结论本文分析了源-储联动综合能源系统主要组成单元的机理分析，介绍了源侧光热发电技术的分类、工作过程及电耦合熔盐塔式光热电站的数学模型、电转气技术的原理与储侧双层电转气系统的结构及模型。在MATLAB中通过仿真探究电耦合熔盐塔式光热和双层电转气储能系统对综合能源系统的影响。通过算例分析揭示了这两项技术对于综合能源系统经济性、低碳性等方面的提升具有巨大潜力，具体结论如下：1）通过对综合能源系统运行结果的分析，可以得出弃风、弃光电量的产生主要受用户用电低谷期与可再生能源高发期重合及综合能源系统调度能力不足影响。2）“以电定热”模式下，热能供应与电能负荷高度耦合，火力发电和光热发电的热能供应曲线与用电负荷曲线趋势相同，热能供应受电能供应制约，热力系统调度压力大。3）在源-储联动综合能源系统中，源、储两侧的设备运维成本有一些提高，但在可再生能源消纳上效果显著,对于解决弃风、弃光问题以及能源行业绿色低碳转型起着重要作用。参考文献1黄雨涵,丁涛,李雨婷,等.碳中和背景下能源低碳化技术综述及对新型电力系统发展的启示J.中国电机工程学报,2021,41(增刊1):28-51.2CHENG Y H,ZHANG N,ZHANG B S,et al.Low-carbon operation of multiple 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