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能源互聯網中的微能源系統儲能容量規劃及投資效益分析

作者:中國儲能網新聞中心 來源:電氣新科技 發布時間:2020-04-16 瀏覽:
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北京市變頻技術工程研究中心(北方工業大學)、新能源與儲能運行控制國家重點實驗室(中國電力科學研究院有限公司)、國網綜合能源服務集團有限公司的研究人員李建林、牛萌、周喜超、修曉青、周京華,在2020年第4期《電工技術學報》上撰文,以實現多類型能源的協同優化、微能源系統的運行效益最優為出發點,在包含光伏發電、儲能系統、蓄熱式電鍋爐、冰蓄冷空調、電動汽車的微能源系統的簡化模型基礎上,對微能源系統中儲能系統容量規劃和投資效益展開研究,并結合某微能源系統示范工程,開展新型混合能源系統配置方案的應用驗證,旨在探索微能源系統中儲能系統的優化配置方案。

未來能源互聯網將實現物理配電網與信息通信系統的高度融合,實現多種能源的共享和供需匹配。作為其物理部分的配電網,隨著分布式電源、儲能裝置、電動汽車、供熱(冷)系統等新型元件的大量接入,將逐步演變為電、氣、熱(冷)等多種能源耦合形成的多能源系統。類似地,作為多能源系統基本單元的微能源系統,由微電網發展而來,正逐漸演變成包含風、光、氣等多類型能源輸入和電、冷、熱等多類型輸出的小型綜合能源系統,可實現不同類型能源的互補融合和綜合利用。

微能源系統作為未來能源系統發展的趨勢之一,吸引了國內外相關工作者的廣泛關注。

有學者針對電力-天然氣組成的微能源系統,提出一種電-氣耦合的微能源系統能量流計算方法,實現穩態能量流的快速求解,并提出評估微能源系統電網和氣網耦合程度的指標;

有學者構建了微能源系統中電、熱、氣多能流計算模型,提出了一種適用于微能源系統的多能流計算方法;

有學者建立了微能源系統中各部分的數學模型,以各類經濟成本、一次能耗和環境影響最小為目標,實現微能源系統的最優綜合效益;

有學者為提高微能源系統在不確定環境下的安全可靠性,引入弱魯棒優化方法,以微能源系統綜合效益和懲罰項之差最大為目標,構建了微能源系統的調度模型;

有學者結合已有研究成果,討論了能源互聯網中需求側響應的關鍵問題,并對未來需求側響應的發展進行展望;

有學者以社區微能源系統為研究對象,將主從博弈引入需求側響應,提出了一種基于主從博弈的能量管理方法。

以上針對微能源系統的研究主要集中在微能源系統的能量流建模分析、優化運行調度、需求側響應等方面。隨著供冷(熱)系統、電動汽車等新型元件接入微電網,微能源系統開始初見雛形,為使得系統運行成本最低,并保證系統的可靠高效運行,需對各能源的生產、存儲及消費進行合理的安排,儲能設備的接入將打破能源生產和消費的不同步性,提高微能源系統的靈活性和可靠性。如何協調以電能為核心的多能源生產和消費,對微能源系統的儲能容量進行合理規劃,提高整體投資效益成為值得研究的問題。

從儲能容量規劃角度出發,有學者在傳統微電網基礎上加入電鍋爐,對比分析了儲能協調電鍋爐對風電的跟蹤效果;有學者建立了包含熱電機組的微電網模型,對儲能系統進行優化配置研究;有學者通過分析商業園區微電網中人員作息規律,制定了儲能與制冷機組的協調運行策略;有學者建立了包含冷熱電聯供的微電網模型,通過微電網與用戶相互博弈,優化冷熱電出力;有學者以海島微電網運行成本最低為目標,結合居民駕駛習慣,規劃電動汽車投放數量,為電動汽車在獨立微電網中的推廣提供參考。

上述針對儲能容量規劃的研究,其場景多為在傳統微電網基礎上加入熱電機組、制冷機組、冷熱電聯供、電動汽車等其中之一,其儲能容量規劃結果對實際包含多種能源類型的微能源系統建設不能提供較好的技術與經濟參考。

北京市變頻技術工程研究中心、新能源與儲能運行控制國家重點實驗室、國網綜合能源服務集團的研究人員,以實現多類型能源的協同優化、微能源系統的運行效益最優為出發點,在包含光伏發電、儲能系統、蓄熱式電鍋爐、冰蓄冷空調、電動汽車的微能源系統的簡化模型基礎上,對微能源系統的儲能容量配置和投資效益展開研究。

圖1 微能源系統結構

圖2 本研究的微能源系統結構

首先為保證微能源系統的各類型能源的生產/消費需求,假設分別為其配置虛擬儲能,基于儲能系統成本、多種類型能源的生產/消費需求約束及儲能系統約束,同時考慮峰谷分時電價、碳減排政策,進行優化求解得出各虛擬儲能運行曲線,基于各虛擬儲能運行曲線,匯聚出實際儲能運行曲線,最終給出實際儲能所需功率容量配置。結合某微能源系統示范工程,開展新型混合能源系統配置方案的應用驗證,從投資人角度出發,考慮銀行貸款、內部收益率等投資回收相關參數,對儲能系統進行投資回收分析,旨在探索微能源系統中儲能系統的優化配置方案。

圖3 算法流程

研究人員最后總結指出:

1)針對微能源系統中儲能容量配置問題。為保證微能源系統的各類型能源的生產/消費需求,假設分別為其配置虛擬儲能,基于儲能系統成本、多種類型負荷需求約束及儲能系統約束,同時考慮峰谷分時電價、碳減排政策等,進行優化求解得出各虛擬儲能運行曲線,基于各虛擬儲能運行曲線,匯聚出實際儲能運行曲線,最后仿真得出,所采用微能源系統算例,儲能系統最優額定功率容量為17MW×4h。

2)所建立的模型為微能源系統中儲能的容量規劃提供技術經濟參考,通過考慮儲能容量衰減、系統投資和運維成本、以及電價政策、微能源系統技術經濟參量、電網升級改造、碳減排,建立儲能系統的凈收益模型,來評估各虛擬儲能之間的協同配置方案和實際儲能最優配置方案。

3)從投資人角度出發,對微能源系統中儲能系統進行投資回收分析。通過分析不同規模虛擬儲能下,投資回收相關指標值的變化情況,以經濟性最優為目標,規劃微能源系統的儲能規模,最后得出實際儲能系統評估期內完整現金流,旨在探索儲能商業運營模式,推動儲能產業發展。

本研究在保證儲能滿足不同類型能源需求的同時,為保證投資效益最大化,未對儲能循環次數進行約束。隨著國內電化學等主流儲能技術成本不斷下降,儲能的商業化應用機遇不斷顯現,研究人員將進一步考慮儲能整體健康狀態。

以上研究成果發表在2020年第4期《電工技術學報》,論文標題為“能源互聯網中微能源系統儲能容量規劃及投資效益分析”,作者為李建林、牛萌、周喜超、修曉青、周京華。

關鍵字:微能源系統儲能容量

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