刘 超，陈思宇，孟冰冰，胡林献

（1.哈尔滨工业大学电气工程及自动化学院，黑龙江 哈尔滨 150001；2.国网山东省电力公司聊城供电公司，山东 聊城 252000）

能源是人类生存和发展的基础，如何充分利用可再生能源，提高综合能源利用效率，实现多能源之间的协调互补，是区域能源系统的研究热点[1-2]。通过对区域能源系统各环节的协调优化和控制，构建包含可再生能源和电热气联供的区域能源系统，是人类能源领域变革的必经之路。

国内外学者对区域能源系统已有一定研究。文献[3]介绍了区域能源系统的通用建模理论与效益评估方法，探讨了区域能源系统在中国的发展前景。文献[4]以区域能源系统为研究对象，构建了考虑建筑容积率影响的需求侧负荷模型，仿真结果表明提高建筑容积率可以有效提升区域能源系统的节能效果。文献[5]对燃气-蒸汽联合循环机组的工作原理和工艺流程进行了详细分析，建立了以燃气机组为基础的区域能源系统模型，分析了热负荷与冷负荷对系统总燃料成本与弃风率的影响。上述文献并未研究储能对区域能源系统优化调度的影响。

储能作为区域综合能源系统的关键环节，对提高能源利用率、消纳可再生能源、保障系统安全可靠运行具有重要意义。储能和能源转化设备共同构建了区域能源系统的耦合关系，各能源子系统的融合依赖于储能技术，如电力与热力系统的融合依赖电储能和储热技术[6]，而电力与天然气系统的融合则需储气与电化学储能技术的支持。可见，储能是多种能源子系统联系的纽带，也是区域能源系统的“心脏”[7]。储能技术能实现电能与其他能源之间的单向转化和存储，以及电能之间的双向转化[8]，最终使多种能源在时间和空间上完全解耦，有效实现能源互联。

利用储能装置促进可再生能源消纳主要分2 个方面：1）利用储热、电转气（P2G）等单向大规模储能技术为可再生能源提供其他能源形式的转移途径；2）通过配置电化学储能装置，促进电能的双向转化，进而提高电网调峰能力，促进可再生能源消纳。文献[9]通过在热电机组侧配置储热装置，解耦其“以热定电”约束，提高了热电机组调峰能力。文献[10]研究了蓄热式电锅炉的电-热时移特性，计及风电弃风特性与负荷相关性，提出了基于蓄热电锅炉和蓄热电锅炉融合热电联产的2 种组合方案，结果表明2 种方案均可提高系统弃风消纳效果。文献[11]考虑风电不确定性，提出了一种含电储能的风电跨区域优化调度方案。文献[12]研究了具有P2G 功能的区域能源系统消纳弃风效果，并对比了电锅炉的消纳情况。这些研究大多关注单一储能装置的消纳弃风效果，极少涉及混合储能装置。文献[13]提出了一种风电-电储能-蓄热式电锅炉的联合系统，对比分析了传统热电联产、单独配置蓄热式电锅炉和蓄热式电锅炉结合电储能3 种场景下的风电消纳效果，但未考虑储电与储热之间的相互协调作用。

本文首先研究储气与储电的协调运行策略，建立电气混合储能系统的数学模型；然后分析其消纳弃风原理，并在协调运行策略基础上，建立了包括电气混合储能的区域能源系统优化调度模型；最后通过算例对比分析不考虑储能装置、考虑P2G 和储气装置、电-气混合储能常规运行和电气混合储能协调运行4 种场景，验证电气协调运行策略可优化电/气储能设备出力，有利于风电消纳和经济运行。

1 区域能源系统结构

区域能源系统结构如图1 所示，其由供能网络、能源转换设备、储能设备和用户侧构成。源侧包括燃气机组、火电机组以及风电机组，担负系统供能任务；荷侧包括电、热、气3 种负荷；储能装置主要包括电储能和气储能。区域能源系统涵盖电、热、气等多种能源，由于不同能量转换装置与储能设备的工作原理、运行规律和经济性存在较大差异，因此，需要研究不同能量转换、储能环节之间的协调优化策略，以促进可再生能源消纳、提高系统能源利用率。

2 电气混合储能运行策略及模型

2.1 P2G 模型

P2G 设备消耗的电功率表达式为

式中：PP2G为电转气设备消耗功率；Pz为直供气部分消耗功率；Pc为储气部分消耗功率；f为弃风标志，f为0 表示无弃风，f为1 表示有弃风。

P2G 设备的供气量可表示为：

式中：VP2G为电转气设备的供气流量；Vz为P2G 设备直接供气流量；Vc为储气罐储气流量设备转化效率，目前可达60%~70%；HG为天然气热值，标准状态下为0.015 5 (MW·h)/m3。

2.2 储气装置模型

储气容量数学模型为

式中：下标t表示第t个时段；Et为储气罐t时段的储气量；Vf,t为储气罐t时段的放气流量；Vc,t为储气罐t时段储气流量。

2.3 电储能装置模型

电储能系统可灵活出力，能够对电能进行合理转移，实现电能在时间上的解耦。本文选用目前应用于大规模电力系统的锂电池，其荷电量与充放电功率的关系为

式中：SSOC,t为t时刻储能电量荷电状态；SSOC,0为储能初始时刻荷电状态；为电池储能充放电效率；Eb为电池储能最大容量；F1为充电标志；F2为放电标志。

2.4 电气混合储能协调运行策略

由于电气混合储能设备的运行存在经济性差异，因此，应该研究电气混合储能协调运行策略，优先启动经济性能好的储能设备。储电效率较高，而储气需先电制气再储气，效率低于储电，故发生弃风时，先储电，若不能完全消纳弃风，再考虑储气。

在夜间，风电出力较大，而电负荷较小，风电的反调峰特性引起弃风，此时优先启动电储能设备以低电价储电，通过增加电负荷的谷值来消纳弃风；若电储能设备无法消纳全部弃风，则启动P2G装置将多余风电转化为天然气，满足气负荷需求，剩余部分将存于储气罐中，进一步提高风电消纳率。而在电负荷高峰、风电低发时段，电储能设备放出电能，削弱电负荷峰值，并利用峰谷电价差盈利；同时P2G 停止制气，储气罐放气供气负荷使用。

为定量表达上述电气混储装置协调运行策略，在P2G 设备启动之前，先依据区域能源系统的全网电负荷、风电预测功率、机组强迫出力和电储能充放电功率来判断是否存在弃风，然后再根据有无弃风现象来决定P2G 设备的启停。判断公式为

式中：PGASF,t为所有燃气-蒸汽联合循环机组强迫出力之和；PCONF,t为系统所有火电机组强迫出力之和（PGASF,t、PCONF,t的计算见文献[14]）；Pload为系统总电负荷；Pdis,t为电储能放电功率；Pch,t为电储能充电功率；PWF,t为风电场预测出力。

3 调度模型

3.1 目标函数

假设区域能源系统中有燃气-蒸汽联合循环电厂N座，每座电厂中有R台燃气-蒸汽联合循环机组，带X个换热站；系统中有H台纯凝火电机组、K台风电机组，装设y台P2G 设备和G个储气罐，并配有电储能装置。

以系统总运行成本最小为目标函数：

式中：Vbuy,t为t时段天然气购买量；c1、c2分别为天然气和燃煤的价格，其中c1为3 元/m3，c2为680 元/t；FCON,t,h为t时段第h台纯凝火电机组煤耗量。

3.2 约束条件

1）电功率平衡约束

式中：PGAS,t,n,r为t时段第n个热电厂第r台燃气机组电功率；PCON,t,h为t时段第h台纯凝火电机组电功率；Pw,t为t时段风电机组电功率；PLoad,t为t时段全网电负荷功率；PP2G,t,y为t时段第y台P2G 设备电功率。

2）热功率平衡约束

忽略供热过程中热能的传输损耗，每座热电厂的热功率平衡约束为

式中：QGAS,t,r为t时段第r台燃气机组的供热功率；QHLoad,t,x为t时段第x个换热站的热负荷。

3）天然气流量平衡约束

式中：GGAS,t,n,r为t时段第n个热电厂第r台燃气机组消耗的天然气流量；VLoad,t为t时段系统的天然气负荷需求量；Vf,t,g为t时段第g个储气罐的放气流量；Vz,t,y为t时段第y个P2G 设备的直供气流量。

4）天然气购买量约束

5）燃气-蒸汽联合循环机组出力约束

式中：P1,max、P1,min分别为燃气-蒸汽联合循环机组燃气轮机电功率的上、下限；P2,max、P2,min为燃气-蒸汽联合循环机组蒸汽轮机上、下限；QH,max、QH,min为燃气-蒸汽联合循环机组供热功率的上、下限。

6）燃气-蒸汽联合循环机组内部约束

式中：f1、f2、f3为燃气机组拟合系数；QH为燃气机组供热功率；P1、P2为燃气和蒸汽轮机电功率。

其余各项约束见文献[15]，在此不再赘述。本文用MATLAB 软件编程，调用Gurobi 求解器对模型进行求解。

4 算例分析

4.1 原始数据

本文研究区域能源系统包括1 座热电厂（1 台燃气机组，6 个换热站供热）、1 座火电厂（4 台火电机组）、1 座风电场（装机容量为264 MW）。系统中配置6 台P2G 设备、6 个储气罐和锂电池储能装置。调度间隔为1 h，调度总时长为1 天。

火电机组参数见表1，燃气-蒸汽轮机参数见表2，P2G 及储气装置参数见表3，电储能设备参数见表4，全网气负荷见文献[12]。P2G 转换效率取0.7，蒸汽焓降取2 327.53 kJ/kg，各时段电负荷、热负荷及风电预测出力见文献[5]。

为了验证所研究电气混合储能协调策略弃风消纳效果与经济性，设置4 种场景进行对比分析：场景1 不配置任何储能装置；场景2 配置P2G 装置和储气装置；场景3 电气混合储能常规运行方式；场景4 电气混合储能协调运行方式。

表1 火电机组参数Tab.1 The parameters of thermal power unit

表2 燃气-蒸汽轮机参数Tab.2 The parameters of gas-steam turbine unit

表3 P2G 及储气装置参数Tab.3 The parameters of P2G and gas storage device

表4 电储能设备参数Tab.4 The parameters of electric energy storage device

4.2 调度结果

采用Gurobi 求解器计算优化模型，场景4 的电功率调度结果及储能功率及P2G 转化功率结果如图2、图3 所示，图3 也反映了电储能、P2G 和储气设备协调工作情况。图2 中的负值代表各设备消耗的电功率，图3 中的负值则代表电储能的放电功率。由图2、图3 可知，时段08:00—11:00、18:00—19:00 风电低发，电储能设备释放电能供给高峰负荷。同时该时段内，P2G 停止制气，储气设备放气供气负荷使用，场景4 天然气调度结果如图4 所示。由图3 可以看出，弃风时段为23:00—次日05:00。在时段23:00，电储能率先启动，这是因为电储能效率最高，而P2G 设备需要进行二次转化，因此优先选择储电，并且此时电储能未达到最大功率，仅靠电储能即可消纳全部弃风；在时段24:00，弃风增加，电储能已达到最大功率，但仍然无法消纳全部弃风，此时P2G 设备启动，供给燃气机组与气负荷，但此时P2G 功率较小，气负荷可以全部消耗所产生的天然气，储气装置并未启动；在时段01:00，随着弃风功率进一步增加，P2G 产气量超过用气量，储气装置启动，储存剩余天然气。此时电储能、P2G与储气装置共同作用，提高风电的消纳能力。由此可见，本文电气混合储能协调策略可以依次调度成本低、弃风消纳效果好的资源，从而实现消纳弃风，低成本运行的优化目标。

4.3 储能装置对弃风率的影响分析

图5 为风电总额与不同调度方式下的风电上网功率，表5 为4 种场景的系统弃风率和总成本。由图5 和表5 可以得出，相比于其他储能场景，场景4低弃风、低运行成本，即电气混合储能协调运行策略有利于风电消纳和系统经济运行。

表5 4 种场景的系统弃风率和总成本Tab.5 The wind rejection rate and total cost of four scenarios

假设电储能装置的容量E′b与原始容量Eb之比为k1，储气装置的容量E′c与原始容量Ec之比为k2，即有：

储能容量与系统弃风率的关系曲线如图6 所示。由图6 可见，随着储能装置容量增大，弃风率有所降低，且电储能容量改变对弃风率影响更大。

5 结 论

1）本文提出的电气混合储能协调运行策略可优化电/气储能设备出力，增大风电上网空间，提高弃风消纳率。

2）相比于无储能和单一储能，电气混合储能具有更好的风电消纳效果和运行经济性，且随着电/气储能装置容量增大，弃风率进一步降低。

3）电储能容量对弃风率的影响大于储气容量的影响。

4）后续研究中可以考虑储能设备的投资成本、设备维护成本等，从而更好地研究系统的整体经济性。