中國儲能網(wǎng)訊：液態(tài)空氣儲能(LAES)在多能耦合的綜合能源系統(tǒng)中極具應(yīng)用前景，合理的儲能容量配置更有利于綜合能源系統(tǒng)低碳經(jīng)濟運行，但目前研究未充分考慮LAES熱電聯(lián)儲聯(lián)供強相關(guān)的特性和優(yōu)勢。因此，本文提出了一種LAES耦合綜合能源系統(tǒng)的熱電聯(lián)儲聯(lián)供優(yōu)化配置方法，針對綜合能源系統(tǒng)的基本架構(gòu)，構(gòu)建了各組成單元的熱電聯(lián)儲/供調(diào)度約束模型，并以設(shè)備初始投資成本、設(shè)備運維成本、購能成本、棄風(fēng)棄光成本等為目標(biāo)函數(shù)，考慮了系統(tǒng)能量平衡約束、設(shè)備容量約束、設(shè)備出力約束、外網(wǎng)交互功率約束以及儲能約束，建立了相應(yīng)的優(yōu)化配置模型，并基于混合整數(shù)線性規(guī)劃方法進行模型求解。以某實際園區(qū)為例，設(shè)置了5種場景進行優(yōu)化結(jié)果對比分析，結(jié)果表明：考慮LAES熱電聯(lián)儲聯(lián)供特性的綜合能源系統(tǒng)能實時有效地滿足系統(tǒng)用能需求，同時能實現(xiàn)更好的經(jīng)濟效益和環(huán)境效益，相較于傳統(tǒng)分供系統(tǒng)，系統(tǒng)總經(jīng)濟成本下降37.1%，實現(xiàn)碳減排71.50%，并在消納可再生能源和減少棄光棄風(fēng)方面更具潛力。本研究可為LAES耦合系統(tǒng)熱電聯(lián)儲聯(lián)供優(yōu)化模型的有效性提供理論依據(jù)，有助于推動LAES在綜合能源系統(tǒng)中的商業(yè)化應(yīng)用。
當(dāng)前全球面臨著嚴(yán)重的能源短缺和環(huán)境問題，構(gòu)建低碳、安全、高效、可持續(xù)的能源供應(yīng)體系是未來能源領(lǐng)域研究的重要方向。綜合能源系統(tǒng)與可再生能源相結(jié)合通過多能源的優(yōu)勢互補和梯級利用，能夠有效提高能源利用率、促進可再生能源消納、減少溫室氣體排放，受到能源領(lǐng)域的廣泛關(guān)注。然而，可再生能源固有的間歇性和波動性會影響含高比例可再生能源的綜合能源系統(tǒng)供電的穩(wěn)定性和可靠性。儲能技術(shù)的引入將能夠有效解決上述問題，進一步促進可再生能源的消納，保障系統(tǒng)供能的質(zhì)量和可靠性。
儲能系統(tǒng)的容量合理配置有利于系統(tǒng)穩(wěn)定經(jīng)濟運行，近些年來國內(nèi)外涌現(xiàn)了大量研究工作。魏震波等提出一種含抽水蓄能的微電網(wǎng)混合儲能系統(tǒng)容量優(yōu)化配置方法，表明加入抽水蓄能可以在有效平抑聯(lián)絡(luò)線功率波動的同時將系統(tǒng)經(jīng)濟性提高約10.8%。劉忠等研究了一種由風(fēng)電-光伏-抽水蓄能-蓄電池組成的聯(lián)合運行系統(tǒng)，通過NSGA-Ⅱ算法和TOPSIS方法進行優(yōu)化，使該系統(tǒng)能夠保證電能供應(yīng)的可靠，實現(xiàn)更好的經(jīng)濟性和環(huán)保性。Elaheh等研究了一種含絕熱壓縮空氣儲能、光伏的混合微電網(wǎng)系統(tǒng)，考慮系統(tǒng)技術(shù)經(jīng)濟、環(huán)保性提出優(yōu)化方法，表明采用該混合系統(tǒng)可以實現(xiàn)52%的電力調(diào)節(jié)和65%的碳減排。賈宏剛等考慮蓄電池、超級電容儲能特性，構(gòu)建了一種風(fēng)儲微電網(wǎng)混合儲能系統(tǒng)優(yōu)化配置模型，采用自適應(yīng)粒子群算法優(yōu)化求解，表明混合儲能可以較好地平抑風(fēng)電波動，在滿足風(fēng)電并網(wǎng)要求的同時提升約17%的系統(tǒng)經(jīng)濟性。這些研究均指出：①通過合理配置儲能系統(tǒng)的容量，綜合能源系統(tǒng)能夠更有效地應(yīng)對電力波動，提高電網(wǎng)的穩(wěn)定性和可靠性；②采用先進有效控制算法，不僅能平抑功率波動，還能提高綜合能源系統(tǒng)經(jīng)濟性，實現(xiàn)更加可持續(xù)的能源利用。
上述綜合能源系統(tǒng)研究體大多配置的是常規(guī)儲電系統(tǒng)，能量轉(zhuǎn)化形式單一，而綜合能源系統(tǒng)的用能側(cè)需求往往是多維的，對熱能和電能的需求都很大。液態(tài)空氣儲能(liquid air enery storage, LAES)具有良好的熱電聯(lián)儲聯(lián)供特性，且擁有儲能密度高、不受地域限制、壽命長、環(huán)境友好等優(yōu)勢，在分布式/微網(wǎng)綜合能源系統(tǒng)中應(yīng)用前景巨大。LAES是一項可實現(xiàn)節(jié)能減排的大規(guī)模清潔儲能技術(shù)，國內(nèi)外學(xué)者在能源耦合利用方面開展了大量研究工作。何子睿等通過對耦合液化天然氣的LAES系統(tǒng)進行熱力學(xué)分析，發(fā)現(xiàn)耦合系統(tǒng)能夠充分利用LAES系統(tǒng)壓縮熱，系統(tǒng)?效率提升15.67%，系統(tǒng)循環(huán)效率提升17.3%。肖力木等提出了一種耦合LNG和ORC實現(xiàn)冷熱電三聯(lián)供的LAES系統(tǒng)，熱力學(xué)分析結(jié)果表明，提出的新系統(tǒng)壓縮熱得到充分利用，利用率可達96.67%，系統(tǒng)循環(huán)發(fā)電效率達81.34%。游廣增等提出一種光伏發(fā)電-液化空氣儲能系統(tǒng)，能夠有效改善電網(wǎng)負(fù)荷季節(jié)性強，難以靈活調(diào)峰以及新能源長時消納等問題。朱振山等提出了一種結(jié)合LAES、碳捕集、電轉(zhuǎn)氣的綜合能源系統(tǒng)低碳經(jīng)濟調(diào)度策略，結(jié)合需求側(cè)響應(yīng)，通過算例驗證所提策略可以促進系統(tǒng)的低碳經(jīng)濟運行。韋古強等探究了綜合能源系統(tǒng)是否配置LAES以及系統(tǒng)供能模式對系統(tǒng)運行經(jīng)濟性的影響，發(fā)現(xiàn)配置LAES的園區(qū)綜合能源系統(tǒng)采用“以熱定電”模式運行經(jīng)濟效益最高。Liang等將LAES與可再生能源微電網(wǎng)集成運行，發(fā)現(xiàn)LAES能夠?qū)崿F(xiàn)負(fù)荷時移、可再生能源消納、調(diào)峰、靈活運行等功能，在系統(tǒng)運行中發(fā)揮關(guān)鍵價值，驗證了在可再生能源微電網(wǎng)集成LAES的可行性。上述研究表明：①LAES自身壓縮熱是富余狀態(tài)，多余熱能完全可對外直接供暖以提高收益；②當(dāng)前LAES研究主要是從熱力學(xué)角度對系統(tǒng)性能優(yōu)化，在能源系統(tǒng)應(yīng)用中多是參與電能運行調(diào)度，而LAES內(nèi)電能和熱能的存儲和再利用是強耦合的關(guān)系，未充分考慮LAES熱電聯(lián)儲聯(lián)供的特性和優(yōu)勢。
本文由此提出了一種考慮LAES熱電聯(lián)儲聯(lián)供特性的綜合能源系統(tǒng)優(yōu)化配置方法，并開展容量配置和運行優(yōu)化研究分析。針對提出的LAES耦合綜合能源系統(tǒng)基本架構(gòu)，構(gòu)建了系統(tǒng)內(nèi)各部件的數(shù)學(xué)模型，以系統(tǒng)年總經(jīng)濟成本最小化為目標(biāo)函數(shù)，構(gòu)建了系統(tǒng)容量配置優(yōu)化模型?；诨旌险麛?shù)線性規(guī)劃(mixed-integer linear programming, MILP)方法，在MATLAB軟件平臺通過YALMIP調(diào)用Gurobi求解器對模型求解，得到最優(yōu)容量配置。最終通過某實際算例驗證模型方法的有效性和合理性，分析討論了LAES供能方式對系統(tǒng)優(yōu)化結(jié)果的影響，并且與含蓄電池的綜合能源系統(tǒng)、不含儲能的綜合能源系統(tǒng)及傳統(tǒng)分供系統(tǒng)優(yōu)化結(jié)果進行對比。
1 LAES耦合綜合能源系統(tǒng)架構(gòu)
綜合能源系統(tǒng)主要由供能網(wǎng)絡(luò)(如供電、供氣、供熱等網(wǎng)絡(luò))、能源交換環(huán)節(jié)(如發(fā)電機組、鍋爐、熱泵)、能源存儲環(huán)節(jié)(如儲電、儲氣、儲熱)和大量終端用戶共同構(gòu)成。綜合能源系統(tǒng)能實現(xiàn)電力、熱力、天然氣、交通等系統(tǒng)的耦合，以電力網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)，各能源系統(tǒng)之間協(xié)調(diào)規(guī)劃、優(yōu)化運行、協(xié)同管理、交互響應(yīng)和互補互濟。為達到能源的高效利用和綜合優(yōu)化，上述綜合能源系統(tǒng)基礎(chǔ)架構(gòu)應(yīng)是全面涵蓋的，但具體形式必然是根據(jù)實際應(yīng)用場景選擇。本文提出的LAES耦合綜合能源系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示，該系統(tǒng)與上級電網(wǎng)和天然氣網(wǎng)相連接，并由風(fēng)電機組(WT)、光伏機組(PV)、燃?xì)廨啓C(GT)、燃?xì)忮仩t(GB)、LAES、蓄熱箱(HS)和用戶終端組成。其中，儲能系統(tǒng)包括了基于LAES的電儲能系統(tǒng)和基于蓄熱箱(HS)的熱儲能系統(tǒng)。考慮了用戶終端的大量電、熱負(fù)荷需求，綜合能源系統(tǒng)的電負(fù)荷由燃?xì)廨啓C(GT)、光伏機組(PV)、風(fēng)電機組(WT)、LAES和上級電網(wǎng)供給，熱負(fù)荷由燃?xì)廨啓C(GT)、燃?xì)忮仩t(GB)、LAES壓縮余熱、蓄熱箱(HS)放熱供給。
圖1 LAES耦合綜合能源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖
2 系統(tǒng)設(shè)備建模
2.1 LAES模型
LAES是一種利用液態(tài)空氣作為儲能介質(zhì)的清潔低碳儲能技術(shù)，可由空氣液化模塊(LFU)、液態(tài)空氣儲罐(TANK)、發(fā)電透平模塊(PRU) 3部分構(gòu)成，其具體的工作原理可參考文獻[19]。針對LAES系統(tǒng)3個模塊分別進行獨立建模。考慮到可再生能源的間歇性和用戶負(fù)荷需求的波動性，LFU主要部件空氣壓縮機和PRU主要部件發(fā)電透平都將處于非額定工況下運行。為了簡化模型，忽略LAES在變工況運行下各個設(shè)備溫度、壓力等參數(shù)變化產(chǎn)生的影響，壓縮功率和發(fā)電功率可以表示為空氣質(zhì)量流量的線性變化。建立的LAES數(shù)學(xué)模型以及約束條件如下：
式中，圖片、圖片、圖片分別為t時段透平發(fā)電功率、壓縮機耗電功率和可對外輸出熱功率，kW；圖片、圖片分別為透平、壓縮機級數(shù)；圖片、圖片分別為t時段進入透平、壓縮機空氣質(zhì)量流量，kg/s；圖片、圖片分別為透平、壓縮機入口空氣溫度，K；圖片、圖片分別為透平等熵效率、機械效率；圖片、圖片分別為壓縮機等熵效率、機械效率；圖片為膨脹比；圖片為壓縮比；圖片為換熱器換熱效率，0.9；圖片為對外輸出熱比例系數(shù)，取0.3；k為空氣絕熱指數(shù)，1.4；圖片為氣體常數(shù)，286.7 圖片；圖片、圖片分別為LAES充、放電狀態(tài)；圖片、圖片分別為透平最小、最大發(fā)電功率；圖片、圖片分別為壓縮機最小、最大耗電功率；圖片為t時段液態(tài)空氣儲罐儲液量，t；圖片、圖片、圖片、圖片分別為液態(tài)空氣儲罐最小、最大、初始、結(jié)束儲液量。
2.2 系統(tǒng)其他設(shè)備模型
2.2.1 燃?xì)廨啓C
式中，圖片為t時段燃?xì)廨啓C天然氣消耗量；圖片、圖片分別為t時段燃?xì)廨啓C對外輸出電功率、熱功率；圖片、圖片分別為燃?xì)廨啓C電效率、熱效率；圖片為天然氣熱值，取值為9.75 圖片。
2.2.2 燃?xì)忮仩t
式中，圖片為t時段燃?xì)忮仩t天然氣消耗量；圖片為t時段燃?xì)忮仩t對外輸出熱功率；圖片為燃?xì)忮仩t熱效率。
2.2.3 儲能設(shè)備
儲能設(shè)備包括蓄電池(ES)、蓄熱箱(HS)，模型如下：
式中，圖片；圖片為儲能設(shè)備t時段蓄能量；圖片為自耗散率；圖片、圖片分別為t時段儲能設(shè)備充、放能功率；圖片、圖片分別為充、放能效率。
2.2.4 可再生能源設(shè)備
可再生能源設(shè)備包括光伏機組(PV)、風(fēng)電機組(WT)，模型如下：
式中：圖片；圖片為t時段可再生能源出力；圖片為單臺可再生能源設(shè)備額定容量；圖片為可再生能源設(shè)備安裝數(shù)量；圖片為t時段可再生能源可利用率。
3 LAES耦合綜合能源系統(tǒng)配置優(yōu)化模型
3.1 目標(biāo)函數(shù)
本文以LAES耦合綜合能源系統(tǒng)為研究對象，在滿足系統(tǒng)負(fù)荷需求的前提下，以實現(xiàn)系統(tǒng)年總經(jīng)濟成本最小為目標(biāo)進行設(shè)備的容量配置。構(gòu)建的目標(biāo)函數(shù)如下所示：
式中，圖片、圖片、圖片、圖片分別代表設(shè)備投資成本、設(shè)備運行維護成本、購能成本和棄風(fēng)棄光成本。
（1）設(shè)備投資成本
式中，圖片為LAES投資成本，圖片、圖片、圖片分別為空氣液化模塊(LFU)、發(fā)電透平模塊(PRU)、液態(tài)空氣儲罐(TANK)投資成本；圖片、圖片分別為空氣液化模塊(LFU)、發(fā)電透平模塊(PRU)額定安裝容量，MW；圖片為液態(tài)空氣儲罐(TANK)安裝容量，t；s代表容量固定、考慮配置臺數(shù)的離散設(shè)備，圖片；w代表容量連續(xù)的儲能設(shè)備，圖片；圖片、圖片分別為單臺s類設(shè)備額定容量、安裝數(shù)量；圖片為w類設(shè)備安裝容量；圖片、圖片分別為s類、w類設(shè)備單位容量投資成本；R為設(shè)備等值投資成本回收系數(shù)；r為貼現(xiàn)率，取0.067；n為系統(tǒng)的設(shè)計壽命，假設(shè)為30年；圖片為美元兌換人民幣匯率，取7.2。
（2）設(shè)備運行維護成本
式中，圖片為LAES運行維護成本，圖片、圖片、圖片分別為空氣液化模塊(LFU)、發(fā)電透平模塊(PRU)、液態(tài)空氣儲罐(TANK)運維成本與投資成本的比值，均取為0.01；圖片、圖片分別為s類設(shè)備、w類設(shè)備的單位功率維護成本；圖片為t時段s類設(shè)備輸出功率；圖片、圖片分別為t時段w類設(shè)備的輸出、輸入功率。
（3）購能成本
式中，圖片為t時段單位電價；圖片為天然氣價；圖片為t時段向電網(wǎng)購電量。
（4）棄風(fēng)棄光成本
式中，圖片、圖片分別為單位棄光、棄風(fēng)成本；圖片、圖片分別為t時段棄光、棄風(fēng)量。
3.2 約束條件
（1）能量平衡約束
在系統(tǒng)運行過程中，必須滿足電、熱負(fù)荷需求，系統(tǒng)的電平衡、熱平衡表達如下：
式中，圖片、圖片分別為t時段電、熱負(fù)荷。
（2）主要設(shè)備出力約束
式中，圖片,圖片、圖片分別為系統(tǒng)中設(shè)備最小、最大出力。
（3）儲能設(shè)備約束
式中，圖片、圖片為儲能設(shè)備w最小、最大儲能狀態(tài)；圖片為t時段儲能設(shè)備w的儲能量；圖片、圖片分別為儲能設(shè)備w的最大充、放能功率；圖片、圖片分別為儲能設(shè)備w的充、放能狀態(tài)；圖片、圖片分別初始和結(jié)束儲能狀態(tài)。
（4）設(shè)備容量約束
受地域風(fēng)光資源多少以及可安裝設(shè)備空間大小的影響，設(shè)備安裝容量有限。設(shè)備容量約束表達如下：
式中，圖片為s類設(shè)備最大安裝數(shù)量；圖片為w類設(shè)備的最大安裝容量。
（5）外網(wǎng)交互功率約束
式中，圖片為與上級電網(wǎng)交互的最大電功率，取為10 MW。
3.3 系統(tǒng)性能評價指標(biāo)
本文選擇系統(tǒng)碳排放量、綜合能源利用率、棄風(fēng)棄光率作為評價指標(biāo)。引入碳排放量指標(biāo)來評價系統(tǒng)的環(huán)保性能；引入綜合能源利用率來反映系統(tǒng)用能的高效性；引入棄風(fēng)棄光率來反映可再生能源的利用程度。
系統(tǒng)碳排放量：
式中，圖片、圖片分別為電能、天然氣碳排放系數(shù)，分別取值為0.8 kg/kWh、0.184 kg/kWh。
綜合能源利用率：
棄風(fēng)棄光率：
3.4 求解方法
本文所構(gòu)建的優(yōu)化配置模型屬于混合整數(shù)非線性規(guī)劃問題，通過進行相應(yīng)的分段線性化處理，轉(zhuǎn)化為混合整數(shù)線性規(guī)劃(MILP)問題，在CPU為i9-10940X、內(nèi)存為128 GB的服務(wù)器計算平臺，基于MATLAB R2020a仿真平臺進行建模仿真，通過YALMIP調(diào)用Gurobi 10.0.1求解器進行優(yōu)化配置模型求解。
4 算例與分析
4.1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)與場景設(shè)置
本文以北方某園區(qū)作為算例研究對象，將本文提出的LAES耦合綜合能源系統(tǒng)用于供應(yīng)該園區(qū)的電、熱負(fù)荷需求。為了簡化計算，基于往年歷史數(shù)據(jù)，利用K-means聚類分析方法，通過以各個場景到聚類中心的歐氏距離最近原則劃分為以聚類中心為中心的簇，聚類中心被選作為代表性場景，來表示具有相似特征的一類場景，針對每個季節(jié)，將各個場景聚類成一類，從而獲得四季典型日場景。以各典型日場景代表當(dāng)季情況，負(fù)荷需求曲線如圖2所示，風(fēng)、光可利用率曲線如圖3所示。以典型日24 h為規(guī)劃運行周期，時間步長為1 h。該系統(tǒng)與上級電網(wǎng)和天然氣網(wǎng)相連接，不考慮向電網(wǎng)售電。購電采用分時電價，見表1，天然氣價格為3元/m3。LAES儲能系統(tǒng)的技術(shù)參數(shù)見表2，除LAES系統(tǒng)外的其他設(shè)備技術(shù)參數(shù)見表3，其他設(shè)備經(jīng)濟參數(shù)見表4。需要注意的是，鑒于LAES系統(tǒng)內(nèi)壓縮熱溫度一般遠(yuǎn)高于國家標(biāo)準(zhǔn)中供暖/生活用水的供回水溫度，故本文研究中不考慮壓縮熱溫度高低對供熱結(jié)果影響，而只從量的角度來滿足系統(tǒng)的熱負(fù)荷。本文設(shè)置了以下5種場景進行仿真對比分析，探究了LAES供能方式對綜合能源系統(tǒng)配置優(yōu)化結(jié)果的影響，并與傳統(tǒng)分供系統(tǒng)、無儲能綜合能源系統(tǒng)、含蓄電池的綜合能源系統(tǒng)仿真結(jié)果對比。
圖2 典型日負(fù)荷需求
圖3 風(fēng)、光可利用率
表1 分時電價
表2 LAES儲能系統(tǒng)運行參數(shù)
表3 除LAES系統(tǒng)外的其他設(shè)備技術(shù)參數(shù)
表4 除LAES系統(tǒng)外的其他設(shè)備經(jīng)濟參數(shù)
場景設(shè)置如下：①系統(tǒng)采用傳統(tǒng)分供模式供能，電負(fù)荷由電網(wǎng)供應(yīng)，熱負(fù)荷由燃?xì)忮仩t供應(yīng)；②系統(tǒng)采用多能聯(lián)供模式供能，引入可再生能源，電負(fù)荷由風(fēng)電、光電、燃?xì)廨啓C、電網(wǎng)供應(yīng)，熱負(fù)荷由燃?xì)忮仩t、燃?xì)廨啓C供應(yīng)；③在方案②的基礎(chǔ)上，加入蓄電池和蓄熱箱；④將方案③中蓄電池?fù)Q成LAES儲能，LAES僅參與電能供應(yīng)；⑤在方案④的基礎(chǔ)上，LAES采用熱電聯(lián)供方式運行，同時參與電能、熱能供應(yīng)。
4.2 配置結(jié)果及分析
4.2.1 容量配置結(jié)果分析
在以實現(xiàn)系統(tǒng)經(jīng)濟最優(yōu)為目標(biāo)的配置優(yōu)化中，只有能實現(xiàn)較高價值的設(shè)備才會被配置。5種場景對應(yīng)系統(tǒng)優(yōu)化配置結(jié)果總結(jié)如表5。從表5中可知，各個場景的光伏配置容量較低，而風(fēng)力發(fā)電機配置容量較高，這是由于光伏投資成本較高，配置優(yōu)化優(yōu)先選擇投資成本較低的風(fēng)力發(fā)電機用于滿足系統(tǒng)的電負(fù)荷。比較場景3、4、5，3個場景都進行了相應(yīng)的儲能配置，表明引進儲能有利于系統(tǒng)經(jīng)濟性的提升。由表5還可知，采用LAES不同供能模式的場景4和場景5，空氣液化單元和發(fā)電單元配置容量相當(dāng)，但是場景5液態(tài)空氣儲罐配置容量更大。由于兩場景具有相同資源配置，LAES液化單元和發(fā)電單元投資成本較高，LAES運行方式不同所帶來的經(jīng)濟性提升并不能抵消其容量變化引起的投資成本增加，因此，為了實現(xiàn)系統(tǒng)的最大經(jīng)濟性，兩場景配置的液化單元和發(fā)電單元相當(dāng)。而液態(tài)空氣儲罐的投資成本相對較低，場景5配置更大容量的液態(tài)空氣儲罐更有利于消納可再生能源，這有利于提升系統(tǒng)經(jīng)濟性。
表5 系統(tǒng)容量配置優(yōu)化結(jié)果
4.2.2 運行調(diào)度結(jié)果分析
以場景5系統(tǒng)為例，對其運行調(diào)度結(jié)果進行分析。圖4、圖5分別為對應(yīng)的4個典型日電力、熱力調(diào)度情況。由圖4可知，系統(tǒng)電能供應(yīng)來源主要是燃?xì)廨啓C和風(fēng)力發(fā)電，冬春兩季風(fēng)光資源充足，不與上級電網(wǎng)購電交易，向電網(wǎng)購電主要發(fā)生在夏秋兩季用電高峰時期。LAES充能發(fā)生在用電低谷期，能夠有效吸收過剩風(fēng)能，減少棄風(fēng)量；在用電高峰供電不足時，LAES放電供應(yīng)不足電力，能夠有效減少用電高峰購電量，降低購電成本，也有利于降低系統(tǒng)的碳排放。
圖4 電力調(diào)度優(yōu)化結(jié)果
圖5 熱力調(diào)度優(yōu)化結(jié)果
由圖5可知，系統(tǒng)熱能供應(yīng)來源主要是燃?xì)廨啓C和燃?xì)忮仩t。為了滿足熱負(fù)荷穩(wěn)定供應(yīng)，燃?xì)廨啓C持續(xù)以較高負(fù)荷運行，產(chǎn)生的余熱能夠較大程度供應(yīng)系統(tǒng)熱負(fù)荷需求，其余不足供熱由燃?xì)忮仩t滿足。LAES在消納可再生能源的同時，能夠向系統(tǒng)供一部分熱。系統(tǒng)運行多余的熱能將被蓄熱箱存儲起來，在供熱不足時放熱補充不足。LAES供熱和蓄熱箱供熱可以有效降低燃?xì)忮仩t的供熱功率，因此燃?xì)忮仩t消耗的天然氣量減少，相應(yīng)的購氣成本降低約219萬元，系統(tǒng)碳排放降低約1310 t，產(chǎn)生良好的經(jīng)濟效益和環(huán)境效益。由圖5還可以看出，冬季、春季、秋季熱負(fù)荷較高，熱負(fù)荷供需匹配情況較好，對蓄熱的要求較少，而夏季熱負(fù)荷低，有較多的熱能過剩，對蓄熱的要求較高。通過分析可知，本文提出的LAES耦合綜合能源系統(tǒng)能夠充分發(fā)揮LAES“削峰填谷”作用，能夠很好地滿足系統(tǒng)的用能需求。
4.2.3 系統(tǒng)經(jīng)濟性分析
5種場景的系統(tǒng)經(jīng)濟成本優(yōu)化結(jié)果如圖6所示。從圖6可以看出，相較于場景1傳統(tǒng)分供系統(tǒng)，熱電聯(lián)供綜合能源系統(tǒng)年總經(jīng)濟成本顯著降低，場景2、3、4、5的年總經(jīng)濟成本分別為場景1的63.57%、63.53%、63.93%、62.9%，儲能系統(tǒng)的引入有利于進一步降低系統(tǒng)的年總經(jīng)濟成本。這是由于多能耦合的綜合能源系統(tǒng)雖然伴隨著對應(yīng)設(shè)備投資成本和設(shè)備維護成本的增加，但是可再生能源以及儲能的引入，極大地減少了系統(tǒng)與上級電網(wǎng)和天然氣網(wǎng)交互成本，能夠有效抵消系統(tǒng)引入設(shè)備帶來的投資及維護成本的增加。以場景5為例，設(shè)備投資成本和維護成本增加45250萬元，但與上級電網(wǎng)和天然氣網(wǎng)交互成本減少134050萬元。場景3相較于場景2，引入蓄電池和蓄熱箱，設(shè)備投資與維護成本增加了175.9萬元，但是儲能的引入減少了與電網(wǎng)和氣網(wǎng)的交互，也促進可再生能源的消納，使購能成本和棄風(fēng)棄光成本減少了183.6萬元，因此系統(tǒng)的經(jīng)濟性得到略微提升。將場景4、5與場景3比較，場景4 LAES采用僅供電模式運行的系統(tǒng)年總經(jīng)濟成本比場景3高92.8萬元，而采用LAES熱電聯(lián)供模式運行的場景5系統(tǒng)年總經(jīng)濟成本比場景3減少147.1萬元。這是由于LAES本身投資成本較高，LAES僅供電產(chǎn)生的經(jīng)濟效益不足以抵消引入LAES投資和維護成本的增加，相比之下，采用熱電聯(lián)供的LAES同時供應(yīng)電熱，能夠更進一步減少系統(tǒng)與電網(wǎng)和氣網(wǎng)的交互，使購能成本進一步降低170.8萬元，也更有利于消納可再生能源，減少棄風(fēng)棄光成本49.5萬元，實現(xiàn)系統(tǒng)更好的經(jīng)濟性?？傮w而言，采用LAES熱電聯(lián)供的綜合能源系統(tǒng)整體經(jīng)濟效果更顯著。
圖6 不同場景經(jīng)濟成本優(yōu)化結(jié)果
4.2.4 系統(tǒng)性能分析
表6總結(jié)了除場景1外的不同場景的系統(tǒng)性能指標(biāo)。場景1傳統(tǒng)分供系統(tǒng)的碳排放量約為19.47萬t，場景2、3、4、5碳排放量分別為場景1的28.70%、28.69%、28.95%、28.50%，表明采用熱電聯(lián)供的綜合能源系統(tǒng)能夠顯著降低系統(tǒng)碳排放，引入儲能后，系統(tǒng)碳排放進一步降低，其中場景5系統(tǒng)碳排放量最少。這是由于系統(tǒng)碳排放主要來源是購電、購氣，引入可再生能源后，系統(tǒng)與上級電網(wǎng)交互明顯降低，使得購電碳排放大大降低；儲能的引入能夠降低用電高峰期的燃?xì)廨啓C供電功率，LAES還能向系統(tǒng)供一部分熱，降低燃?xì)忮仩t供熱功率，因此，天然氣消耗量減少，購氣碳排放進一步降低。從表6可知，各個系統(tǒng)綜合能源利用率都在85%以上，輸入系統(tǒng)能源得到充分利用，各個系統(tǒng)的棄風(fēng)棄光率都在5%以下，可再生能源得到充分利用，驗證本文提出模型的有效性。可以發(fā)現(xiàn)，儲能設(shè)備的引入也有利于進一步減少系統(tǒng)的棄風(fēng)、棄光量。LAES熱電聯(lián)供的綜合能源系統(tǒng)，在降低碳排放、減少棄風(fēng)、棄光方面更有優(yōu)勢。
表6 系統(tǒng)性能指標(biāo)
5 結(jié) 論
多能耦合的綜合能源系統(tǒng)是改善當(dāng)前能源結(jié)構(gòu)和緩解環(huán)境問題的重要途徑，引入儲能系統(tǒng)可以保障綜合能源系統(tǒng)供能的質(zhì)量和穩(wěn)定性，并促進可再生能源消納。液態(tài)空氣儲能(LAES)的良好熱電聯(lián)供特性使其在各種儲能技術(shù)中脫穎而出，在綜合能源系統(tǒng)中應(yīng)用前景巨大。本文構(gòu)建了耦合LAES的綜合能源系統(tǒng)配置優(yōu)化模型，并基于MILP算法對模型進行求解，驗證了所提配置優(yōu)化方法的有效性。通過算例仿真分析，得到以下結(jié)論：
（1）在具有相同配置資源的綜合能源系統(tǒng)中，LAES供能方式對LAES液化單元和發(fā)電單元配置容量影響不大，采用LAES熱電聯(lián)供的綜合能源系統(tǒng)液態(tài)空氣儲罐容量配置更大，更有利于消納可再生能源。
（2）本文提出的LAES耦合綜合能源系統(tǒng)能夠有效加強電、熱耦合，實現(xiàn)多能流靈活調(diào)度和“削峰填谷”，實時有效滿足系統(tǒng)的用能需求。
（3）LAES熱電聯(lián)供更有利于提升系統(tǒng)的經(jīng)濟性。相較于LAES僅供電，系統(tǒng)年總經(jīng)濟成本節(jié)約了240萬元，相較于含蓄電池的綜合能源系統(tǒng)，年總經(jīng)濟成本降低約150萬元。相比于傳統(tǒng)分供系統(tǒng)，LAES熱電聯(lián)供綜合能源系統(tǒng)整體經(jīng)濟效益提升37.1%。
（4）LAES熱電聯(lián)供也更有利于降低系統(tǒng)的碳排放量，產(chǎn)生良好的環(huán)境效益。LAES熱電聯(lián)供綜合能源系統(tǒng)碳排放量僅為傳統(tǒng)分供系統(tǒng)的28.50%。此外，相較于蓄電池和LAES單一供電，LAES熱電聯(lián)供在棄風(fēng)、棄光方面更有優(yōu)勢。
第一作者：黃思遠(yuǎn)（1999—），男，碩士研究生，研究方向為液態(tài)空氣儲能及綜合能源系統(tǒng)配置優(yōu)化，E-mail：[email protected]；
通訊作者：王晨，副教授，研究方向為液態(tài)空氣儲能，E-mail：[email protected]。
通訊作者：張小松，教授，研究方向為低碳建筑與節(jié)能技術(shù)，E-mail：[email protected]
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