門家凱 邱建龍 陳向勇

0 引言

目前,化石燃料供應短缺以及過度使用化石燃料造成的環(huán)境污染問題嚴重威脅著國家經(jīng)濟社會的發(fā)展．世界各國都積極將分布式可再生電源、高效儲能裝置、能量轉(zhuǎn)換裝置整合到區(qū)域綜合能源系統(tǒng)中,以達到減緩能源枯竭與環(huán)境保護的目的[1]．儲能裝置在促進區(qū)域綜合能源系統(tǒng)優(yōu)化能源調(diào)度、改善供電供熱方式等方面起著至關(guān)重要的作用,但傳統(tǒng)儲能裝置易受地理位置、空間大小或設(shè)備制造難度等因素的限制,難以滿足結(jié)構(gòu)愈加復雜的區(qū)域綜合能源系統(tǒng)的需求．因此,壓縮空氣儲能裝置[2]逐漸受到研究人員的關(guān)注．

現(xiàn)階段壓縮空氣儲能裝置主要被用于對單一分布式能源的優(yōu)化研究:在電能互補利用方面,文獻[3]利用壓縮空氣儲能裝置變工況運行特性,建立了風儲協(xié)同系統(tǒng)模型,文獻[4]分析了風力發(fā)電的隨機性與壓縮空氣儲能裝置的運行特性,構(gòu)建了壓縮空氣儲能裝置運行與風力發(fā)電裝置發(fā)電功率模型;在能源耦合分析方面,文獻[5]基于壓縮空氣儲能裝置的熱力學特性分析了4種不同的壓縮空氣儲能與燃氣輪機熱電聯(lián)供耦合系統(tǒng)模型,文獻[6]以小型燃氣輪機為核心,建立了耦合壓縮空氣儲能的分布式熱電聯(lián)供系統(tǒng);在能源系統(tǒng)優(yōu)化方面,文獻[7]研究了各參數(shù)對含壓縮空氣儲能的綜合能源系統(tǒng)運行效率的影響,文獻[8]以輸出功率最優(yōu)作為目標設(shè)計了一種綜合能源系統(tǒng)運行模型．但上述文獻未涉及壓縮空氣儲能裝置應用于區(qū)域綜合能源系統(tǒng)后對其運行成本等經(jīng)濟性方面的研究．

本文選用先進的絕熱壓縮空氣儲能(Advanced Adiabatic Compressed Air Energy Storage,AA-CAES)裝置,建立了一種包含AA-CAES裝置的新型區(qū)域綜合能源系統(tǒng)模型．AA-CAES裝置的發(fā)展目標主要以能源高效化與綠色化為主,旨在促進電能充分利用,降低外電網(wǎng)購電成本[9]．因此,將AA-CAES裝置加入到區(qū)域綜合能源系統(tǒng)中,可以達到提高能效、降低運行成本的目的．壓縮空氣儲能裝置相較于傳統(tǒng)儲能裝置具有容量更大、儲能周期更長、轉(zhuǎn)化周期更短、使用時限更長、投資更小的特點,尤其是目前研發(fā)的AA-CAES裝置,不再依靠化石燃料實現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換,真正意義上成為了零排放儲能裝置,為區(qū)域綜合能源系統(tǒng)提供了一種理想儲能裝置[10-11]．

在本文所建區(qū)域綜合能源系統(tǒng)模型的基礎(chǔ)上,分別對模型內(nèi)各裝置建立相應的數(shù)學模型,再以區(qū)域綜合能源系統(tǒng)內(nèi)各供能裝置的出力特性、功率波動和運行約束為基礎(chǔ),建立包括AA-CAES裝置在內(nèi)的能量流動模型,充分耦合電、氣、熱多種能量．在區(qū)域綜合能源系統(tǒng)協(xié)調(diào)運行優(yōu)化技術(shù)的支持下,降低其運行成本,提高其能量利用效率．采用GAMS 優(yōu)化軟件求得網(wǎng)內(nèi)各單元最佳出力功率、運行成本以及環(huán)境成本,并與傳統(tǒng)模型進行了比較分析,結(jié)果表明本文所建立的模型在降低成本、促進新能源消納和節(jié)能減排方面是有效且可行的．

1 區(qū)域綜合能源系統(tǒng)物理模型

本文所建區(qū)域綜合能源系統(tǒng)模型如圖1所示．模型主要組成部分包括風電機組(wind turbine)、燃氣輪機(gas turbine)、電鍋爐(electric boiler)、AA-CAES裝置等．其中,系統(tǒng)內(nèi)部電源為風電機組和燃氣輪機,系統(tǒng)內(nèi)部熱源為燃氣輪機和電鍋爐．外電網(wǎng)、外熱網(wǎng)以及天然氣供應網(wǎng)與區(qū)域綜合能源系統(tǒng)相聯(lián)接,由此構(gòu)建含AA-CAES裝置的區(qū)域綜合能源系統(tǒng)模型．

圖1 區(qū)域綜合能源系統(tǒng)模型Fig.1 Regional integrated energy system

本文所建立的系統(tǒng)模型將多種分布式能源進行關(guān)聯(lián)耦合,促進了區(qū)域綜合能源系統(tǒng)對清潔能源的消納,降低了對化石能源的使用,同時也達到節(jié)約成本的目的．燃氣輪機是一種將空氣與氣體燃料混合后連續(xù)燃燒產(chǎn)生高溫高壓燃氣推動渦輪葉片高速旋轉(zhuǎn),從而將燃料內(nèi)能轉(zhuǎn)換為機械能的熱力機械[12]．電鍋爐是一種高效低耗、節(jié)能環(huán)保的新型以電供熱裝置,在當前的區(qū)域綜合能源系統(tǒng)中,主要用于協(xié)助新能源過剩電力的消納,同時在低電價時段提高電鍋爐功率,通過降低天然氣和煤炭等傳統(tǒng)供熱燃料的使用量,從而起到減輕環(huán)境壓力和清潔能源消納的作用[13]．風電機組作為能源系統(tǒng)中的清潔能源裝置,能夠提高系統(tǒng)運行的經(jīng)濟性能[14]．

先進絕熱壓縮空氣儲能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示,它滿足綜合能源系統(tǒng)對電熱聯(lián)儲的要求．AA-CAES系統(tǒng)采用“多級壓縮,存儲空氣”和“多級膨脹,釋放空氣”的方式對電能存儲和釋放,分別需要借助壓縮機組和膨脹機組完成,壓縮機組工作于電動機狀態(tài)進行儲電,膨脹機組工作于發(fā)電機狀態(tài)進行供電,儲電和供電過程不能同時進行．

圖2 AA-CAES裝置結(jié)構(gòu)Fig.2 Schematic diagram of AA-CAES

AA-CAES裝置處于電動機工作狀態(tài)時,通過消耗電能壓縮空氣,將電能轉(zhuǎn)換為高壓空氣的勢能,壓縮機運行時的數(shù)學模型[15-16]如下:

PCAESC,tηc=

(1)

式中:PCAESC,t表示壓縮機在t時段內(nèi)的工作功率;ηc表示壓縮機的運行效率;mc,t表示壓縮機在t時段內(nèi)通過的空氣的流量;γ表示理想空氣的比熱容比;Rg表示理想空氣常數(shù);n表示壓縮機和膨脹機的級數(shù);Tc,k,in，Tc,n,in分別表示k級和末級壓縮機入口處理想空氣的溫度;βc,k表示額定運行狀態(tài)下的k級壓縮機的壓縮比;βc,n,t表示末級壓縮機在t時段內(nèi)的壓縮比．

AA-CAES裝置處于發(fā)電機工作狀態(tài)時,通過釋放高壓空氣,將高壓空氣的勢能轉(zhuǎn)換為電能,膨脹機運行時的數(shù)學模型[16-17]如下:

(2)

式中:PCAESG,t表示膨脹機在t時段內(nèi)的工作功率;ηg表示膨脹機的運行效率;mg,t表示膨脹機在t時段內(nèi)通過的空氣的流量;Tg,j,in,t表示j級膨脹機入口處理想空氣的溫度,它與儲氣罐的氣體溫度有關(guān);βg,j表示額定運行狀態(tài)下的j級膨脹機的膨脹比．

儲氣罐在遵從能量守恒與質(zhì)量守恒的前提下,對空氣進行處理,且在某時刻只能進行儲氣或放氣．儲氣罐內(nèi)空氣氣壓變化數(shù)學模型[18]如下:

(θ+δ|mc,t-mg,t|0.8)(Tst,t-Twall)，

(3)

式中:pst,t表示儲氣罐在t時段內(nèi)的氣壓變化率;Tst,in和Tst,t分別表示儲氣罐進氣口氣溫和儲氣罐內(nèi)氣溫;Vst表示儲氣罐體積;θ和δ分別表示由自然對流和強制對流引起的傳熱系數(shù);Twall表示儲氣罐壁的溫度;pst,0表示儲氣罐初始氣壓．

AA-CAES裝置主要通過換熱器進行儲熱罐和壓縮機、膨脹機之間的熱能交換．在儲熱放熱過程中,換熱器的放熱和吸熱功率數(shù)學模型[7,14]如下:

PQc,t=mc,tcp,airε·

(4)

PQg,t=mg,tcp,airε·

(5)

式中:PQc,t表示換熱器在t時段內(nèi)與壓縮機的熱交換功率;PQg,t表示換熱器在t時段內(nèi)與膨脹機的熱交換功率;cp,air表示理想空氣的比熱容;ε表示換熱器的工作效率;Tcold表示壓縮狀態(tài)時換熱器內(nèi)載熱介質(zhì)的溫度;Thot表示膨脹狀態(tài)時換熱器內(nèi)載熱介質(zhì)的溫度．

儲熱罐的熱能變化模型可由下式表示:

(6)

式中:QHS,t表示儲熱罐在t時段內(nèi)儲熱總量;QHS,0表示儲熱罐在起始狀態(tài)的儲熱總量,該值為前一個周期調(diào)度結(jié)束時的儲熱罐儲熱總量的值．

2 綜合能源系統(tǒng)經(jīng)濟模型

本文研究的綜合能源系統(tǒng)經(jīng)濟性優(yōu)化調(diào)度的目標建立在各系統(tǒng)裝置穩(wěn)定運行約束的基礎(chǔ)上,在優(yōu)先充分利用系統(tǒng)內(nèi)部資源的前提下,實現(xiàn)經(jīng)濟成本最優(yōu)．

(7)

CPOWER,t=CPPOWER,t-CSPOWER,t，

(8)

式中:CPOWER,t表示t時段系統(tǒng)向外電網(wǎng)購售電成本;CGT,t表示t時段燃氣輪機的運行成本;CSS,t表示t時段燃氣輪機的啟停過程總成本;CCO2,t表示t時段CO2的治理成本;CHEAT,t表示t時段系統(tǒng)向外熱網(wǎng)購熱成本;CSPOWER,t和CPPOWER,t分別表示t時段系統(tǒng)向外電網(wǎng)售電量和購電量．

AA-CAES裝置的工作狀態(tài)約束:

PCAESC,minvc,t≤PCAESC,t≤PCAESC,maxvc,t，

(9)

PCAESG,minvg,t≤PCAESG,t≤PCAESG,maxvg,t，

(10)

pst,min≤pst,t≤pst,max，

(11)

0≤QHS,t≤QHS，

(12)

vc,t+vg,t≤1,

(13)

式中:PCAESC,min表示壓縮機組工作時的最小功率;PCAESC,max表示壓縮機組工作時的最大功率;PCAESG,min表示膨脹機組工作時的最小功率;PCAESG,max表示膨脹機組工作時的最大功率;Pst,min表示儲氣罐氣壓的最小值;Pst,max表示儲氣室氣壓的最大值;QHS,t表示t時段內(nèi)儲熱罐的儲熱總量;QHS表示儲熱罐的最大儲熱量;vc,t表示控制壓縮機組工作狀態(tài)的變量,用于表示 AA-CAES 系統(tǒng)是否處于電動機工況,當AA-CAES 系統(tǒng)處于電動機工況時,vc,t=1,其他工況,vc,t=0．

在運行時綜合能源系統(tǒng)需要滿足功率平衡、熱平衡的運行約束:

PLoad,t+PPOWER,t+PCAESC,t=Oac,t,

(14)

Oac,t=OGT,t+OWT,t+PCAESG,t,

(15)

(16)

HQcg,t=PQg,t-PQc,t,

(17)

式中:PLoad,t表示t時段內(nèi)電需求負荷功率;PPOWER,t表示t時段內(nèi)向外電網(wǎng)的購電功率;Oac,t表示t時段內(nèi)由網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的發(fā)電裝置向綜合能源微網(wǎng)供電功率;HLoad,t表示t時段內(nèi)綜合能源微網(wǎng)的熱需求負荷功率;Hweb,t表示t時段內(nèi)向外熱網(wǎng)購熱量;HQcg,t表示t時段內(nèi)AA-CAES系統(tǒng)儲熱罐的熱功率變化;Hweb-eff表示外熱網(wǎng)向微網(wǎng)內(nèi)熱需求負荷供熱的效率．

3 算例分析

3.1 基本參數(shù)設(shè)定

本文擬選用冬季某日我國北方某工業(yè)園區(qū)作為研究對象,參考其一天內(nèi)的用電負荷和用熱負荷數(shù)據(jù),設(shè)置了算例中區(qū)域綜合能源系統(tǒng)在一天內(nèi)的電熱負荷數(shù)據(jù)和風電機組出力數(shù)據(jù)曲線如圖3所示．

圖3 電熱負荷及風電機組出力曲線Fig.3 Electric load (green),thermal load (red),and wind turbine output (blue) curves

本文按照峰谷分時計費的原則,劃分不同時段內(nèi)的區(qū)域綜合能源系統(tǒng)向外電網(wǎng)購售電價格,具體如表1所示．

表1 外電網(wǎng)購售電情況

AA-CAES裝置運行參數(shù)如表2所示．在保證模型科學性和結(jié)果正確性的基礎(chǔ)上,簡化部分對模型影響極小的因素．參數(shù)設(shè)置前提:1)空氣處于理想氣體狀態(tài);2)AA-CAES各裝置在運行過程中不存在漏氣漏液現(xiàn)象;3)單位時間內(nèi)壓縮機和膨脹機中的介質(zhì)流量無損耗;4)工作過程在絕熱環(huán)境中進行．同時,將AA-CAES裝置設(shè)置為“多級壓縮、級減冷卻”和“多級膨脹、級間再熱”的工作模式,從而達到提高空氣循環(huán)效率和利用率的目的．

表2 AA-CAES裝置參數(shù)

3.2 綜合能源系統(tǒng)運行結(jié)果分析

為驗證基于先進絕熱壓縮空氣儲能裝置的區(qū)域綜合能源系統(tǒng)的優(yōu)勢和不同工作特性的AA-CAES裝置對系統(tǒng)運行成本的影響,設(shè)計以下4種區(qū)域綜合能源系統(tǒng)運行模式進行對比分析．模式1:AA-CAES裝置未運行,系統(tǒng)為電熱分儲運行模式,區(qū)域綜合能源系統(tǒng)富余熱電分別儲存到蓄電池和儲熱罐中,優(yōu)化系統(tǒng)供給側(cè)設(shè)備出力．模式2—4:AA-CAES裝置運行,系統(tǒng)為電熱聯(lián)儲運行模式,區(qū)域綜合能源系統(tǒng)富余熱電儲存至AA-CAES裝置中,提高能量循環(huán)效率和利用率,優(yōu)化系統(tǒng)儲能設(shè)備響應和供給側(cè)設(shè)備出力．

區(qū)域綜合能源系統(tǒng)在不同模式下的運行結(jié)果如圖4所示.對結(jié)果進行分析如下:

圖4 綜合能源系統(tǒng)電能運行Fig.4 Electricity supply cycles of integrated energy system under different operation modes

1) 模式1.系統(tǒng)在用電低谷時段,燃氣輪機和風電供電比例較高;在用電高峰時段,外電網(wǎng)供電比例提高.

2) 模式2.系統(tǒng)在用電低谷時段,外電網(wǎng)供電比例提高,AA-CAES裝置用電;在用電高峰時段,外電網(wǎng)供電比例降低,AA-CAES裝置供電,燃氣輪機額定運行時間減少.

3) 模式3.系統(tǒng)在用電低谷時段,外電網(wǎng)供電比例提高,AA-CAES裝置用電量增多;在用電高峰時段,外電網(wǎng)出力比例降低,AA-CAES裝置供電量增多,燃氣輪機運行功率降低.

4) 模式4.系統(tǒng)在用電低谷時段,外電網(wǎng)供電比例提高,AA-CAES裝置用電量增多且用電時間減少；在用電高峰時段,外電網(wǎng)供電功率較為穩(wěn)定,AA-CAES裝置供電量增多,燃氣輪機運行功率降低．

4種運行模式下的區(qū)域綜合能源系統(tǒng)運行成本如表3所示．在模式1中,各時刻系統(tǒng)電能由外電網(wǎng)以及內(nèi)部電源滿足,在保證總電負荷平衡的前提下,不可避免地出現(xiàn)系統(tǒng)在峰電價時段購電,谷電價時段售電的現(xiàn)象,因此向外電網(wǎng)購售電成本較高(6 208.65元),系統(tǒng)運行總成本為26 919.52元．模式2在模式1的基礎(chǔ)上,在系統(tǒng)內(nèi)增加AA-CAES裝置,在谷電價時段進行儲能,電能由燃氣輪機、風電機組和外電網(wǎng)滿足,燃氣輪機出力增多,天然氣成本達到17 505.21元．在峰電價時段進行釋能,減小供給側(cè)設(shè)備的輸出功率,從而降低向外電網(wǎng)購售電成本(3 676.45元),系統(tǒng)運行總成本為24 614.71元．模式3和4在模式2的基礎(chǔ)上提高了AA-CAES裝置的儲能容量及壓縮機組和膨脹機組的運行功率．模式3中的AA-CAES裝置的功率和儲能容量增加,更大程度地減小系統(tǒng)向外電網(wǎng)購售電成本(3 353.50元),系統(tǒng)總運行成本為23 420.84元．模式4中AA-CAES裝置的儲能容量及壓縮機組和膨脹機組的運行功率過高,在谷電價時段消耗大量電能,同時向系統(tǒng)供熱明顯增多,系統(tǒng)內(nèi)部熱源和外熱網(wǎng)出力減小,使其購熱成本減少至1 839.09元,向外電網(wǎng)購售電成本則增加至5 041.10元,系統(tǒng)總運行成本為24 495.34元．

表3 綜合能源系統(tǒng)運行成本

4 結(jié)語

本文研究了AA-CAES裝置的儲能特性,并設(shè)計了一種基于AA-CAES裝置的區(qū)域綜合能源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型,通過分析不同模式下的仿真算例結(jié)果,得到以下結(jié)論:

1) AA-CAES裝置具備優(yōu)越的儲能釋能特性,適用于調(diào)節(jié)綜合能源系統(tǒng)電能熱能運行．且AA-CAES裝置基于成熟熱力學常規(guī)技術(shù),因此區(qū)域綜合能源系統(tǒng)運行模式切實可行．絕熱壓縮空氣儲能方式解決了傳統(tǒng)空氣儲能裝置對天然氣等燃料依賴的問題,降低了綜合能源系統(tǒng)的運行成本,提高了系統(tǒng)運行的安全性和可靠性．

2) 本文所提出的基于先進絕熱壓縮儲能裝置的綜合能源系統(tǒng)模型能夠明顯降低系統(tǒng)向外電網(wǎng)購售電成本．由于AA-CAES裝置的“電轉(zhuǎn)熱”的效率較低,“電到電”的效率較高,它主要參與系統(tǒng)電能運行,向外熱網(wǎng)購熱量有所增加,有利于降低系統(tǒng)內(nèi)部以“電轉(zhuǎn)熱”方式運行的供熱設(shè)備在峰電價時段的用電成本.同時,系統(tǒng)在谷電價時段總耗電量與傳統(tǒng)系統(tǒng)相比有所增加,一定程度上減小了系統(tǒng)在峰電價時段對外電網(wǎng)的依賴．

3) 適當?shù)卦黾覣A-CAES裝置功率以及儲能容量能夠獲得更高的電熱能運行效率和更低的系統(tǒng)運行成本．當AA-CAES裝置功率和儲能容量與系統(tǒng)內(nèi)各設(shè)備不匹配時,它對系統(tǒng)運行的優(yōu)化效果隨之減小,因此合理選擇AA-CAES裝置功率和儲能容量是一個關(guān)鍵問題．