PDF《多元储能系统运行策略对综合能源微网可靠性影响评估》

多元储能系统运行策略对综合能源微网可靠性影响评估 刘洪,李吉峰,葛少云,张鹏,孙昊,王亦然 ( 智能电网教育部重点实验室( 天津大学) ,天津市

3 0

0 0

7 2 ) 摘要:针对目前储能环节对供能可靠性影响仍有待挖掘的研究背景, 通过制定储能环节不同的运 行策略, 结合相关可靠性指标, 量化分析了多元储能对供能可靠性的影响.

首先, 以综合能源微网 作为研究对象, 构建了关键设备的能效出力模型;

其次, 针对储能设备制定不同的运行策略, 并梳理 相应指标以分析储能设备的自身特性以及对系统整体供能可靠性的影响;

最后, 通过实际算例量化 分析储能设备不同配置及不同运行策略对系统供能可靠性产生的影响.重点分析了综合能源微网 能量存储环节对系统供能可靠性的影响, 从而为后续储能设备的规划提供了指导. 关键词:综合能源微网;

储能系统;

运行策略;

可靠性 收稿日期:

2 0

1 8 -

0 3 -

1 3;

修回日期:

2 0

1 8 -

0 7 -

1 6. 上网日期:

2 0

1 8 -

1 2 -

1 0. 国家重点研发计划资 助项目(

2 0

1 7 Y F B

0 9

0 3

4 0 0) ;

国家自然科学基金资助项目(

5 1

7 7

7 1

3 3 ) .

0 引言 由于传统化石能源的过度消耗以及不可再生 性, 建立以安全可靠、 经济高效、 清洁环保为目标的 先进综合能源供给系统, 已经成为全球各地共同追 求的发展目标[ 1] .作为综合能源系统内的关 键环节, 储能系统可以发挥平滑负荷以及平抑可再生能 源出力不确定性的作用;

同时, 当系统处于孤岛独立 运行状态时, 储能设备是决定负荷能否持续供应的 关键因素.因此, 研究多元储能设备对综合能源系 统的影响十分必要. 目前针对储能环节的研究主要集中在以下两个 方面.

1 ) 对储能设备的容量配置方面.文献[ 2] 研究 了独立模式下综合能源微网内多能存储系统优化配 置方法, 并提出了微网系统内储电、 储热 设备的功 率/容量配置模型;

文献[ 3] 以平抑风电出力的不确 定性为目标, 提出了一种储能容量配置方法, 并具体 分析了风电并网方式、 装机容量等因素对储能配置 的影响;

文献[

4 ] 结合博弈论建立了主动配电网扩展 规划和光储选址定容的双层优化模型, 并分析了配 置方案与用户用电成本之间的关系.

2 ) 分析储能系统参与能源管理、 调峰调频的作 用方面.文献[

5 ] 通过储能设备对热电运行约束进 行有效解耦, 提出了含热电联供综合能源系统的运 行优化方法;

文献[

6 ] 以微电网经济利益最大化为目 标, 介绍了一种利用负荷与储能协调配合平抑联络 线功率波动的策略;

文献[

7 ] 在高比例可再生能源接 入的背景下, 综合建立技术与经济指标, 提出了一种 储能与常规调峰手段的组合调峰方法;

文献[

8 ] 通过 引入电热两种储能装置, 并制定以经济性最优为目 标的能量管理策略, 以解决 以热定电 模式造成大 规模弃风与调度经济性较差等问题. 然而, 评估多类型储能系统对综合能源系统可 靠性的影响, 目前尚缺乏相关的研究.文献[

9 ] 考虑 了不同能源之间的品位差异以及通过转换设备产生 的耦合关系, 提出了一种能够评估综合能源微网供 能可靠性的方法, 但是系统内储能装置是运行在固 定策略 下, 同时也缺少储能影响的专项分析.文献[

1 0 -

1 1 ] 分析了储电装置在不同运行策略下对电 力系统可靠性的影响, 但针对单一能源网络的评估 与研究, 已经难以满足能源互联网背景下多能耦合 协同规划设计的需求. 上述研究成果从思路与模型等方面为本文的研 究奠定了基础, 然而目前的研究仍存在以下问题有 待完善: ①研究对象大多停留在单一能源储能系统, 而多类型储能设备对综合能源系统的影响仍有待深 入挖掘;

②研究问题大多是以经济性最优为目标的 调度控制, 未考虑储能系统对综合能源系统可靠性 的影响, 而作为未来吸引投资建设的另一重要依据, 量化储能系统对综合能源可靠性的影响十分必要. 因此, 基于上述分析, 本文考虑了多元储能在综 合能源微网系统的作用, 并通过算例量化分析了储 能设备不同运行策略及不同配置方案对微网系统供

6 3 第4 3卷第1 0期2019年5月2 5日Vol.43N o .

1 0 M a y2 5,

2 0

1 9 D O I :

1 0.

7 5

0 0 / A E P S

2 0

1 8

0 3

1 3

0 0

6 h t t p : / / ww w. a e p s - i n f o . c o m 能可靠性的影响, 验证了本文所提观点的有效性与 适用性.

1 综合能源微网架构 作为能源互联网的关键节点, 综合能源微网由 于其具备灵活的运行模式、 高度的多能源集成性与 智能的调控方式受到了越来越多的关注;

同时, 综合 能源微网是能源互联网的初级阶段, 是以小区、 园区 或一个相对较小的区域为单位建设的自治运行的能 源互联网, 具有更高的可建设性.在结构上, 综合能 源微网可分为能源输入、 转换、 存储和输出等环节;

在构成上, 能量管理设备、 分布式可再生能源设备、 储能设备、 能量转换设备和多种终端能源负荷共同 组成了综合能源微网的主要架构.本文基于上述特 点, 构建包含分布式冷热电联供系统、 燃气热泵、 分 布式风机、 电制冷机、 储电装置、 储热装置等设备, 以 及电/气/冷/热多种能源在内的综合能源微网, 典型 的微网系统结构如图1所示. 图1 综合能源微网结构 F i g .

1 S t r u c t u r eo fm u l t i - e n e r g ym i c r o g r i d 微网系统内包含多种供能设备机组, 通过相互 配合以满足不同终端能源负荷需求.电负荷常规情 况下由冷热电三联供系统及风机进行供给, 在供给 不足情况下调用储电设备补充;

热负荷由冷热电三 联供系统及燃气热泵进行供应, 供给不足情况下调 用储热设备补充;

冷负荷由冷热电三联供系统及电 制冷机进行供给. 本文后续将重点评估微网系统内储能对电孤岛 模式微网系统可靠性的影 响, 同时做出如下假设: ①综合能源微网内部的配送网络均为辐射结构, 在 可靠性评估过程中考虑设备之间的隔离;

②不同终 端能源负荷基于上述分析由相应的供能设备或储能 进行集中供应;

③机组设备的故障由可靠性参数决 定, 故障相互独立, 并且只考虑微网系统内发生单重 故障的情况;

④在必要时刻外部能源主网络能提供 足够的天然气.

2 综合能源微网设备能效与出力模型 由于综合能源微网系统内的机组出力以及负荷 需求均会随时间发生变化, 将会直接影响微网系统 内的供需平衡, 本节针对微网系统内的关键设备建 立能效出力模型, 为后续的评估建立模型基础. 2.

1 风电机组 在风轮系数、 风轮扫掠面积、 空气密度不变的情 况下, 风速是决定风机输出功率的主要因素.风电 机组输出功率P WT o u t p u t 的表达式如下: P WT o u t p u t=

0 0≤ v<

vc i A+B v+C v

2 vc i≤ v<

vr P WT x vr≤ v<

vc o

0 vc o≤ v ? ? ? ?? ? ?? ? (

1 ) 式中: v 为风机轮毂处的风速;

vc i, vr, vc o 分别为风 机的切入风速、 额定风速和切出风速;

A, B, C 为风 机功率特性曲线参数;

P WT x 为风机的额定功率. 2.

2 微型燃气三联供系统 正常运行状况下, 三联供系统将为吸收式冷机、 换热器等自身设备以及微网系统内的电/热/冷终端 能源负荷进行供给.常规的运行方式为计及基荷约 束条件下的以热( 冷) 定电, 动力设备参考微网终端 热( 冷) 需求量制定运行计划, 故实际发电量与电需 求存在偏差.当系统发电量高于需求时, 可将多余 电量进行存储或上网卖出;

当发电量低于需求时, 可 从电网购电或由微网内其他资源( 如风机、 储电设 备) 进行补充.不同类型用户对于冷/热能源的需求 不同, 当需求差异较大时, 三联供系统会参考终端 热/冷负荷需求中较小的值制定运行计划[

1 2 ] . 在综合能源微网系统中, 主要关注燃气三联供 系统的出力特性、 燃料耗量特性及运维特性等.在 本文的研究中, 重点关注燃气三联供系统的能效出 力特性.燃气三联供系统的模型方程为[

1 3 ] : QMT = P C C H P o u t p u t( 1-η C C H P MT -η C C H P

1 ) η C CH P MT Qh

0 =QMT η C CH P r e c Kh

0 Qc

0 =QMT η C CH P r e c Kc

0 η C CH P r e c = T1 -T2 T1 -T0 V C CH P MT = ∑P C CH P o u t p u t Δ t η C C H P MT L ? ? ? ????? ? ????? ? (

2 ) 式中: P C CH P o u t p u t 为燃气三联供系统输出电功率;

QMT 为 燃气三联供系统的排气余热量;

η C CH P MT 为燃气轮机的 效率;

η C C H P

1 为燃气三联供系统的散热损失系数;

Qh

0 和Qc

0 分别为通过烟气余热量产生的制热及制冷 量;

Kh

0 和Kc

0 分别为溴冷机的制热系数和制冷系

7 3 刘洪, 等 多元储能系统运行策略对综合能源微网可靠性影响评估 数, 分别 取1.

2 和0.

9 5;

η C C H P r e c 为烟气余热回收效率;

T0 为环境温度;

T1 和T2 为环境系数, 本模型 中分别取5

7 3.

1 5K 和4

2 3.

1 5K;

V C CH P MT 为运行时间 内燃气三联供系统消耗的天然气量;

Δ t 为燃气轮机 的运行时间;

L 为天然气的低热值,取为9.

7 ( kW・h ) / m

3 . 2.

3 储电系统 当综合能源微网系统运行在并网运行模式下 时, 储电系统主要发挥平抑可再生能源出力不确定 性、 提高系统运行经济性的作用;

而当微网系统运行 在孤岛模式下时, 储电系统则是重要的能源供给点, 其充放电时序策略会直接影响电负荷的供给. 本文采用铅酸电池组成微网系统的储电单元, 相比较于其他储能技术, 铅酸电池由于其不受场地 限制、 充电效率与能量密度较高的特点, 更适合在微 网系统内使用, 表示其荷电状态( S O C) 的动态模型 可表示为[

8 ] : SS O C( t) =( 1-δ) SSO C( t-1 ) + P E S C Δ t η E S C ES O C, m a x - P E S D Δ t ES O C, m a x η E S D (

3 ) 式中: SS O C( t) 为t时刻储电单元的荷电状态;

δ 为储 电单元的自放电率;

P E S C 和PESD分别为储电单元的 充、 放电功率;

η E S C 和η E S D 分别为储电单元的充、 放电 效率;

ES O C, m a x 为储电单元的额定容量. 2.

4 储热系统 基于2. 2节的介绍, 综合能源微网内的三联供 系统运行在 以热( 冷) 定电 的运行机制下, 配合燃 气热泵, 二者均是参考终端能源需求制定运行计划, 故在正常运行状况下基本不会生产多余的热量.因此, 本文采用以蓄热式电锅炉为代表的电储热设备, 在电能富裕时段将多余的电能转换成热能, 从而起 到后备可调控资源的作用, 在实现储热功能的同时 还能够帮助消纳可再生能源, 同时体现不同等级的 能源利用. 其动态模型可表示为[ 8] : H H S( t) =( 1- kL O S S) H H S( t-1 ) + Q H S C Δ t η H S C - Q H S D Δ t η H S D (

4 ) 式中: H H S( t) 为t 时刻储热单元的热量;

kL O S S 为储 热单 元的散热率;

Q H S C 和QHSD分别为储热单元的充、 放热功率;

η H S C 和η H S D 分别 为 储热单元的充、 放 热效率. 2.

5 能源转换设备 除上述设备外, 综合能源微网内还包含燃气热 泵、 电制冷机等能源转换装置.能源转换装置的能 效出力模型可统一表示为: Pb=Ca b Pa (

5 ) 式中: Ca b 为输入能源a和输出能源 b之间的转换 系数;

Pa 和Pb 分别为输入能源a和输出能源 b的 功率. 另外, 本文在涉及运行与时序方面的分析中, 考 虑了机组/储能设备的出力约束、 储能设备的容量约 束、 机组出力的爬坡约束等反映实际运行情况的约 束条件.由于篇幅限制, 本文不逐一列举说明.

3 储能运行策略及可靠性影响评估 3.

1 储能运行策略 在保障系统内供需平衡的前提下, 根据不同的 运行需求, 可以制定不同的储能运行策略.本文所 研究的微网系统包含电储能与热储能两种储能设 备, 其中, 微网系统内产生的多余电能会通过电储热 装置转换成热能进行储存, 以发挥储热设备的后备 资源作用.因此, 针对微网系统内的储电装置制定 不同的运行策略会直接影响电能的存储情况, 并间 接影响热能的后备资源, 从而影响微网系统的整体 供能可靠性.基于上述分析, 对于储电设备制定如 下3种运行策略. 策略1: 模拟风电出力曲线, 计算风电机组的平 均输出功率P WT a v .当t时刻风电机组的输出功率大 于平均功率, 则多余能量进入储电装置;

当t 时刻风 电机组的输出功率小于平均功率, 则通过储电装置 放电补充至平均输出功率 P WT a v .在该策略下, 电储 能设备的状态为: P E S ± ( t) = η E S ± ( P WT o u t p u t( t) -P WT a v ( t) ) (

6 ) 式中: P E S ± ( t) 为电储能设备的充、 放电功率, 其中 + 表示充电状态, - 表示放电状态, 公式计算结 果中的符号代表电储能设备在该时刻的状态;

η E S ± 为 电储能设备的充、 放电效率. 策略2: 当t 时刻风电机组与燃气三联供系统 的电出力大于微网系统的电负荷需求时, 则多余能 量进入储电装置;

当t 时刻风电机组与燃气三联供 系统的电出力小于微网系统的电负荷需求时, 则储 电装置放电, 但是t 时刻储电装置与风机的出力总 和不得高于系统负荷需求的β( 本文取3 0%) .在该 策略下, 电储能设备的状态为: P E S ± ( t) = η E S ± ( P WT o u t p u t( t) - β Le( t) ) P WT o u t p u t( t) >

β Le( t) m i n { | P WT o u t p u t( t) +P C CH P o u t p u t( t) -Le( t) |, | P WT o u t p u t( t) - β Le( t) | } η E S ± P WT o u t p u t( t) ≤ β Le( t) &

P C CH P o u t p u t( t) P E S d i s c h a r( t) +P WT o u t p u t( t) (

1 6 ) 同理, 通过对式(

1 6 ) 的分析, 3. 1节所介绍的不 同储能设备的运行策略将会直接........