儲能作為綜合能源系統(tǒng)融合的紐帶，如何配置電/熱/冷多能存儲是綜合能源系統(tǒng)規(guī)劃中的重要研究內(nèi)容。湖南大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院的研究人員刁涵彬、李培強(qiáng)、呂小秀、劉小龍、李欣然，在2021年第1期《電工技術(shù)學(xué)報》上撰文，提出考慮電/熱/冷多元儲能差異化建模的區(qū)域綜合能源系統(tǒng)儲能協(xié)同配置方法。建立多元儲能協(xié)同配置模型，該模型用于得到多元儲能額定容量、功率、位置等規(guī)劃方案，以經(jīng)濟(jì)性、環(huán)保性為目標(biāo)，有機(jī)融合了典型日優(yōu)化運(yùn)行；采用遺傳算法和Gurobi求解器相結(jié)合的混合策略求解。算例表明多元儲能協(xié)同配置、協(xié)調(diào)運(yùn)行具有優(yōu)越性；考慮多元儲能之間的統(tǒng)一性和差異性有助于得到更加全面的儲能配置方案。
能源互聯(lián)網(wǎng)的重要物理載體——綜合能源系統(tǒng)（或稱多能源系統(tǒng)），創(chuàng)新了能源系統(tǒng)的技術(shù)、市場和管理體制，對提高各種能源利用效率、推動能源利用轉(zhuǎn)型、實現(xiàn)多能源的互補(bǔ)互濟(jì)具有重要意義。綜合能源系統(tǒng)可分為跨區(qū)級、區(qū)域級和用戶級，其中發(fā)揮“承上啟下”作用的區(qū)域多能源系統(tǒng)（RIES）由智能配電系統(tǒng)、供熱/冷系統(tǒng)等供能網(wǎng)絡(luò)耦合而成。
儲能作為RIES能源子系統(tǒng)融合的紐帶，電/熱/冷等多能存儲（以下簡稱多元儲能）協(xié)同配置有助于實現(xiàn)不同類型儲能間的互補(bǔ)協(xié)調(diào)，因此RIES中如何協(xié)同配置多元儲能是一個值得關(guān)注的問題。
儲能是提高能源系統(tǒng)時空范圍優(yōu)化配置能力的有效手段。傳統(tǒng)研究一般集中在電力系統(tǒng)范疇，有學(xué)者提出了輸電側(cè)儲能和輸電線路聯(lián)合魯棒規(guī)劃方法，并表明儲能對緩解輸電線路阻塞更為經(jīng)濟(jì)；有學(xué)者提出了配網(wǎng)側(cè)儲能有效的配置方法。在能源互聯(lián)網(wǎng)背景下，電力、熱力、天然氣等多種能源系統(tǒng)有機(jī)結(jié)合形成綜合能源系統(tǒng)。
在綜合能源系統(tǒng)范疇，儲能配置拓展為電/熱/冷/氣等多能存儲的規(guī)劃研究，有學(xué)者對能源微網(wǎng)中儲能系統(tǒng)容量規(guī)劃和投資效益展開了研究；有學(xué)者同時考慮電力和熱力柔性負(fù)荷，提出了RIES中電/熱儲能的優(yōu)化配置方法；有學(xué)者針對季節(jié)性儲能的優(yōu)化問題，計及電/熱等多元儲能提出混合整數(shù)線性規(guī)劃方法；有學(xué)者提出一種集主動配電網(wǎng)、天然氣網(wǎng)和能源樞紐為一體的綜合能源系統(tǒng)擴(kuò)展規(guī)劃方法，該方法涉及電/熱/氣等儲能的配置；有學(xué)者考慮熱網(wǎng)和電網(wǎng)綜合潮流，建立含風(fēng)機(jī)、光伏、電池儲能、微型燃?xì)廨啓C(jī)及燃?xì)忮仩t的能源站雙層規(guī)劃模型；有學(xué)者提出一種考慮交通、天然氣和主動配電網(wǎng)絡(luò)耦合的優(yōu)化規(guī)劃框架，該方法涉及電/熱儲能。
RIES中電/熱/冷/氣等多元儲能配置的研究基礎(chǔ)是綜合能源系統(tǒng)耦合能量流和儲能系統(tǒng)運(yùn)行特性的數(shù)學(xué)描述。耦合能流的數(shù)學(xué)描述主要有能源集線器模型（EH）和多能流潮流模型，有些學(xué)者對儲能配置研究均是基于EH，該類配置模型往往只能對儲能進(jìn)行定容，無法考慮儲能接入供能網(wǎng)絡(luò)的位置；有學(xué)者的研究則考慮了多能流潮流，即優(yōu)化中計及了供能網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行約束。
圖1 區(qū)域綜合能源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
儲能系統(tǒng)運(yùn)行特性的數(shù)學(xué)描述往往包含儲能荷電狀態(tài)方程、儲能容量范圍、充放能功率范圍、充放能功率互補(bǔ)約束、運(yùn)行周期能量守恒等；有學(xué)者考慮先進(jìn)絕熱壓縮空氣儲能電站的變壽命特性，建立了儲能定容雙層優(yōu)化模型；有學(xué)者考慮熱儲能結(jié)構(gòu)類型、體積等特性參數(shù)，開展了季節(jié)性儲熱的技術(shù)-經(jīng)濟(jì)規(guī)劃研究；有學(xué)者考慮儲能的能量存儲特性，將光伏與儲能協(xié)同配置，實現(xiàn)能源社區(qū)的零凈能耗。
以上多能存儲協(xié)同配置研究均考慮了儲能的能量存儲特性，但較少有涉及多元儲能間的特性差異，比如電池儲能系統(tǒng)具有無功支撐能力，冷/熱儲能的物理特性與電儲能不同，其熱損耗會受到環(huán)境溫度、蓄水罐高徑比等因素的影響。此外，構(gòu)建綜合能源系統(tǒng)目的之一是提高能源綜合利用效率，而儲能在跨時段能量存儲過程中不可避免地產(chǎn)生能量損耗，儲能損耗將對RIES綜合能效和經(jīng)濟(jì)性產(chǎn)生不同程度的影響，因此在多元儲能協(xié)同配置時還需控制儲能效率的影響。
基于以上考慮，湖南大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院的研究人員提出考慮多元儲能差異化建模的RIES儲能協(xié)同配置方法。
首先，多元儲能協(xié)同配置的基礎(chǔ)是耦合能量流和儲能特性描述，在耦合能量流上明確包含電/熱/冷三種能量形式的RIES結(jié)構(gòu)，并建立電-熱網(wǎng)絡(luò)模型（E-TN）。其次，在儲能特性描述上基于儲能統(tǒng)一模型建立計及電/熱/冷儲能的共性和個性對多元儲能進(jìn)行建模，在共性上建立多元儲能統(tǒng)一模型，在個性上建立電儲能無功特性模型和熱/冷儲能精細(xì)化模型，并定義多元儲能綜合效率用于控制不同類型儲能效率對配置結(jié)果的影響。
圖2 綜合能源系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)
然后，提出以經(jīng)濟(jì)性和環(huán)保性為目標(biāo)的多元儲能配置模型，采用改進(jìn)遺傳算法+Gurobi求解器的混合策略求解。最后，將所提方法應(yīng)用于改進(jìn)IEEE 33節(jié)點(diǎn)配電與45節(jié)點(diǎn)熱網(wǎng)耦合系統(tǒng)算例。結(jié)果表明多元儲能協(xié)同配置的優(yōu)越性，以及考慮多元儲能差異性對儲能配置的積極影響。其得出的結(jié)論如下：
1）多元儲能協(xié)同配置、協(xié)調(diào)運(yùn)行具有優(yōu)越性，有助于發(fā)揮多能耦合及互補(bǔ)優(yōu)勢。多元儲能協(xié)同配置減少了單類型儲能的配置需求，使儲能配置電/熱/冷多元化；多元儲能協(xié)同配置具有更好的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益，算例中，多元儲能協(xié)同配置節(jié)省了9.83%的RIES年運(yùn)行成本及降低了9.58%的年碳排放量。多元儲能協(xié)調(diào)運(yùn)行提高了RIES運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性和靈活性，有助于可再生能源就地消納。
2）考慮多元儲能之間的統(tǒng)一性和差異性有助于得到更加全面的儲能配置方案?？紤]EES無功特性可有效減少電網(wǎng)損耗，提高多元儲能協(xié)同配置的經(jīng)濟(jì)性。精細(xì)化TES/CES模型引入對流傳熱系數(shù)、高徑比等實際參數(shù)，能夠解決儲能定損耗系數(shù)選取不當(dāng)造成的熱損偏大、配置容量冗余、資源浪費(fèi)等問題。
3）多元儲能協(xié)同配置在提高供能網(wǎng)絡(luò)能量傳輸效率和熱源供能效率等方面具有優(yōu)勢；考慮到儲能能量損耗，可通過多元儲能綜合效率約束控制多元儲能效率對RIES經(jīng)濟(jì)性和能效的影響，進(jìn)而合理協(xié)同配置電/熱/冷多類型儲能。
以上研究成果發(fā)表在2021年第1期《電工技術(shù)學(xué)報》，論文標(biāo)題為“考慮多元儲能差異性的區(qū)域綜合能源系統(tǒng)儲能協(xié)同優(yōu)化配置”，作者為刁涵彬、李培強(qiáng)、呂小秀、劉小龍、李欣然。
