中國儲(chǔ)能網(wǎng)訊：液態(tài)空氣儲(chǔ)能(LAES)在多能耦合的綜合能源系統(tǒng)中極具應(yīng)用前景，合理的儲(chǔ)能容量配置更有利于綜合能源系統(tǒng)低碳經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，但目前研究未充分考慮LAES熱電聯(lián)儲(chǔ)聯(lián)供強(qiáng)相關(guān)的特性和優(yōu)勢。因此，本文提出了一種LAES耦合綜合能源系統(tǒng)的熱電聯(lián)儲(chǔ)聯(lián)供優(yōu)化配置方法，針對(duì)綜合能源系統(tǒng)的基本架構(gòu)，構(gòu)建了各組成單元的熱電聯(lián)儲(chǔ)/供調(diào)度約束模型，并以設(shè)備初始投資成本、設(shè)備運(yùn)維成本、購能成本、棄風(fēng)棄光成本等為目標(biāo)函數(shù)，考慮了系統(tǒng)能量平衡約束、設(shè)備容量約束、設(shè)備出力約束、外網(wǎng)交互功率約束以及儲(chǔ)能約束，建立了相應(yīng)的優(yōu)化配置模型，并基于混合整數(shù)線性規(guī)劃方法進(jìn)行模型求解。以某實(shí)際園區(qū)為例，設(shè)置了5種場景進(jìn)行優(yōu)化結(jié)果對(duì)比分析，結(jié)果表明：考慮LAES熱電聯(lián)儲(chǔ)聯(lián)供特性的綜合能源系統(tǒng)能實(shí)時(shí)有效地滿足系統(tǒng)用能需求，同時(shí)能實(shí)現(xiàn)更好的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益，相較于傳統(tǒng)分供系統(tǒng)，系統(tǒng)總經(jīng)濟(jì)成本下降37.1%，實(shí)現(xiàn)碳減排71.50%，并在消納可再生能源和減少棄光棄風(fēng)方面更具潛力。本研究可為LAES耦合系統(tǒng)熱電聯(lián)儲(chǔ)聯(lián)供優(yōu)化模型的有效性提供理論依據(jù)，有助于推動(dòng)LAES在綜合能源系統(tǒng)中的商業(yè)化應(yīng)用。
當(dāng)前全球面臨著嚴(yán)重的能源短缺和環(huán)境問題，構(gòu)建低碳、安全、高效、可持續(xù)的能源供應(yīng)體系是未來能源領(lǐng)域研究的重要方向。綜合能源系統(tǒng)與可再生能源相結(jié)合通過多能源的優(yōu)勢互補(bǔ)和梯級(jí)利用，能夠有效提高能源利用率、促進(jìn)可再生能源消納、減少溫室氣體排放，受到能源領(lǐng)域的廣泛關(guān)注。然而，可再生能源固有的間歇性和波動(dòng)性會(huì)影響含高比例可再生能源的綜合能源系統(tǒng)供電的穩(wěn)定性和可靠性。儲(chǔ)能技術(shù)的引入將能夠有效解決上述問題，進(jìn)一步促進(jìn)可再生能源的消納，保障系統(tǒng)供能的質(zhì)量和可靠性。
儲(chǔ)能系統(tǒng)的容量合理配置有利于系統(tǒng)穩(wěn)定經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，近些年來國內(nèi)外涌現(xiàn)了大量研究工作。魏震波等提出一種含抽水蓄能的微電網(wǎng)混合儲(chǔ)能系統(tǒng)容量優(yōu)化配置方法，表明加入抽水蓄能可以在有效平抑聯(lián)絡(luò)線功率波動(dòng)的同時(shí)將系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性提高約10.8%。劉忠等研究了一種由風(fēng)電-光伏-抽水蓄能-蓄電池組成的聯(lián)合運(yùn)行系統(tǒng)，通過NSGA-Ⅱ算法和TOPSIS方法進(jìn)行優(yōu)化，使該系統(tǒng)能夠保證電能供應(yīng)的可靠，實(shí)現(xiàn)更好的經(jīng)濟(jì)性和環(huán)保性。Elaheh等研究了一種含絕熱壓縮空氣儲(chǔ)能、光伏的混合微電網(wǎng)系統(tǒng)，考慮系統(tǒng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)、環(huán)保性提出優(yōu)化方法，表明采用該混合系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)52%的電力調(diào)節(jié)和65%的碳減排。賈宏剛等考慮蓄電池、超級(jí)電容儲(chǔ)能特性，構(gòu)建了一種風(fēng)儲(chǔ)微電網(wǎng)混合儲(chǔ)能系統(tǒng)優(yōu)化配置模型，采用自適應(yīng)粒子群算法優(yōu)化求解，表明混合儲(chǔ)能可以較好地平抑風(fēng)電波動(dòng)，在滿足風(fēng)電并網(wǎng)要求的同時(shí)提升約17%的系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性。這些研究均指出：①通過合理配置儲(chǔ)能系統(tǒng)的容量，綜合能源系統(tǒng)能夠更有效地應(yīng)對(duì)電力波動(dòng)，提高電網(wǎng)的穩(wěn)定性和可靠性；②采用先進(jìn)有效控制算法，不僅能平抑功率波動(dòng)，還能提高綜合能源系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性，實(shí)現(xiàn)更加可持續(xù)的能源利用。
上述綜合能源系統(tǒng)研究體大多配置的是常規(guī)儲(chǔ)電系統(tǒng)，能量轉(zhuǎn)化形式單一，而綜合能源系統(tǒng)的用能側(cè)需求往往是多維的，對(duì)熱能和電能的需求都很大。液態(tài)空氣儲(chǔ)能(liquid air enery storage, LAES)具有良好的熱電聯(lián)儲(chǔ)聯(lián)供特性，且擁有儲(chǔ)能密度高、不受地域限制、壽命長、環(huán)境友好等優(yōu)勢，在分布式/微網(wǎng)綜合能源系統(tǒng)中應(yīng)用前景巨大。LAES是一項(xiàng)可實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的大規(guī)模清潔儲(chǔ)能技術(shù)，國內(nèi)外學(xué)者在能源耦合利用方面開展了大量研究工作。何子睿等通過對(duì)耦合液化天然氣的LAES系統(tǒng)進(jìn)行熱力學(xué)分析，發(fā)現(xiàn)耦合系統(tǒng)能夠充分利用LAES系統(tǒng)壓縮熱，系統(tǒng)?效率提升15.67%，系統(tǒng)循環(huán)效率提升17.3%。肖力木等提出了一種耦合LNG和ORC實(shí)現(xiàn)冷熱電三聯(lián)供的LAES系統(tǒng)，熱力學(xué)分析結(jié)果表明，提出的新系統(tǒng)壓縮熱得到充分利用，利用率可達(dá)96.67%，系統(tǒng)循環(huán)發(fā)電效率達(dá)81.34%。游廣增等提出一種光伏發(fā)電-液化空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)，能夠有效改善電網(wǎng)負(fù)荷季節(jié)性強(qiáng)，難以靈活調(diào)峰以及新能源長時(shí)消納等問題。朱振山等提出了一種結(jié)合LAES、碳捕集、電轉(zhuǎn)氣的綜合能源系統(tǒng)低碳經(jīng)濟(jì)調(diào)度策略，結(jié)合需求側(cè)響應(yīng)，通過算例驗(yàn)證所提策略可以促進(jìn)系統(tǒng)的低碳經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。韋古強(qiáng)等探究了綜合能源系統(tǒng)是否配置LAES以及系統(tǒng)供能模式對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性的影響，發(fā)現(xiàn)配置LAES的園區(qū)綜合能源系統(tǒng)采用“以熱定電”模式運(yùn)行經(jīng)濟(jì)效益最高。Liang等將LAES與可再生能源微電網(wǎng)集成運(yùn)行，發(fā)現(xiàn)LAES能夠?qū)崿F(xiàn)負(fù)荷時(shí)移、可再生能源消納、調(diào)峰、靈活運(yùn)行等功能，在系統(tǒng)運(yùn)行中發(fā)揮關(guān)鍵價(jià)值，驗(yàn)證了在可再生能源微電網(wǎng)集成LAES的可行性。上述研究表明：①LAES自身壓縮熱是富余狀態(tài)，多余熱能完全可對(duì)外直接供暖以提高收益；②當(dāng)前LAES研究主要是從熱力學(xué)角度對(duì)系統(tǒng)性能優(yōu)化，在能源系統(tǒng)應(yīng)用中多是參與電能運(yùn)行調(diào)度，而LAES內(nèi)電能和熱能的存儲(chǔ)和再利用是強(qiáng)耦合的關(guān)系，未充分考慮LAES熱電聯(lián)儲(chǔ)聯(lián)供的特性和優(yōu)勢。
本文由此提出了一種考慮LAES熱電聯(lián)儲(chǔ)聯(lián)供特性的綜合能源系統(tǒng)優(yōu)化配置方法，并開展容量配置和運(yùn)行優(yōu)化研究分析。針對(duì)提出的LAES耦合綜合能源系統(tǒng)基本架構(gòu)，構(gòu)建了系統(tǒng)內(nèi)各部件的數(shù)學(xué)模型，以系統(tǒng)年總經(jīng)濟(jì)成本最小化為目標(biāo)函數(shù)，構(gòu)建了系統(tǒng)容量配置優(yōu)化模型。基于混合整數(shù)線性規(guī)劃(mixed-integer linear programming, MILP)方法，在MATLAB軟件平臺(tái)通過YALMIP調(diào)用Gurobi求解器對(duì)模型求解，得到最優(yōu)容量配置。最終通過某實(shí)際算例驗(yàn)證模型方法的有效性和合理性，分析討論了LAES供能方式對(duì)系統(tǒng)優(yōu)化結(jié)果的影響，并且與含蓄電池的綜合能源系統(tǒng)、不含儲(chǔ)能的綜合能源系統(tǒng)及傳統(tǒng)分供系統(tǒng)優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。
1 LAES耦合綜合能源系統(tǒng)架構(gòu)
綜合能源系統(tǒng)主要由供能網(wǎng)絡(luò)(如供電、供氣、供熱等網(wǎng)絡(luò))、能源交換環(huán)節(jié)(如發(fā)電機(jī)組、鍋爐、熱泵)、能源存儲(chǔ)環(huán)節(jié)(如儲(chǔ)電、儲(chǔ)氣、儲(chǔ)熱)和大量終端用戶共同構(gòu)成。綜合能源系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)電力、熱力、天然氣、交通等系統(tǒng)的耦合，以電力網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)，各能源系統(tǒng)之間協(xié)調(diào)規(guī)劃、優(yōu)化運(yùn)行、協(xié)同管理、交互響應(yīng)和互補(bǔ)互濟(jì)。為達(dá)到能源的高效利用和綜合優(yōu)化，上述綜合能源系統(tǒng)基礎(chǔ)架構(gòu)應(yīng)是全面涵蓋的，但具體形式必然是根據(jù)實(shí)際應(yīng)用場景選擇。本文提出的LAES耦合綜合能源系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示，該系統(tǒng)與上級(jí)電網(wǎng)和天然氣網(wǎng)相連接，并由風(fēng)電機(jī)組(WT)、光伏機(jī)組(PV)、燃?xì)廨啓C(jī)(GT)、燃?xì)忮仩t(GB)、LAES、蓄熱箱(HS)和用戶終端組成。其中，儲(chǔ)能系統(tǒng)包括了基于LAES的電儲(chǔ)能系統(tǒng)和基于蓄熱箱(HS)的熱儲(chǔ)能系統(tǒng)。考慮了用戶終端的大量電、熱負(fù)荷需求，綜合能源系統(tǒng)的電負(fù)荷由燃?xì)廨啓C(jī)(GT)、光伏機(jī)組(PV)、風(fēng)電機(jī)組(WT)、LAES和上級(jí)電網(wǎng)供給，熱負(fù)荷由燃?xì)廨啓C(jī)(GT)、燃?xì)忮仩t(GB)、LAES壓縮余熱、蓄熱箱(HS)放熱供給。
圖1 LAES耦合綜合能源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖
2 系統(tǒng)設(shè)備建模
2.1 LAES模型
LAES是一種利用液態(tài)空氣作為儲(chǔ)能介質(zhì)的清潔低碳儲(chǔ)能技術(shù)，可由空氣液化模塊(LFU)、液態(tài)空氣儲(chǔ)罐(TANK)、發(fā)電透平模塊(PRU) 3部分構(gòu)成，其具體的工作原理可參考文獻(xiàn)[19]。針對(duì)LAES系統(tǒng)3個(gè)模塊分別進(jìn)行獨(dú)立建模?？紤]到可再生能源的間歇性和用戶負(fù)荷需求的波動(dòng)性，LFU主要部件空氣壓縮機(jī)和PRU主要部件發(fā)電透平都將處于非額定工況下運(yùn)行。為了簡化模型，忽略LAES在變工況運(yùn)行下各個(gè)設(shè)備溫度、壓力等參數(shù)變化產(chǎn)生的影響，壓縮功率和發(fā)電功率可以表示為空氣質(zhì)量流量的線性變化。建立的LAES數(shù)學(xué)模型以及約束條件如下：
式中，圖片、圖片、圖片分別為t時(shí)段透平發(fā)電功率、壓縮機(jī)耗電功率和可對(duì)外輸出熱功率，kW；圖片、圖片分別為透平、壓縮機(jī)級(jí)數(shù)；圖片、圖片分別為t時(shí)段進(jìn)入透平、壓縮機(jī)空氣質(zhì)量流量，kg/s；圖片、圖片分別為透平、壓縮機(jī)入口空氣溫度，K；圖片、圖片分別為透平等熵效率、機(jī)械效率；圖片、圖片分別為壓縮機(jī)等熵效率、機(jī)械效率；圖片為膨脹比；圖片為壓縮比；圖片為換熱器換熱效率，0.9；圖片為對(duì)外輸出熱比例系數(shù)，取0.3；k為空氣絕熱指數(shù)，1.4；圖片為氣體常數(shù)，286.7 圖片；圖片、圖片分別為LAES充、放電狀態(tài)；圖片、圖片分別為透平最小、最大發(fā)電功率；圖片、圖片分別為壓縮機(jī)最小、最大耗電功率；圖片為t時(shí)段液態(tài)空氣儲(chǔ)罐儲(chǔ)液量，t；圖片、圖片、圖片、圖片分別為液態(tài)空氣儲(chǔ)罐最小、最大、初始、結(jié)束儲(chǔ)液量。
2.2 系統(tǒng)其他設(shè)備模型
2.2.1 燃?xì)廨啓C(jī)
式中，圖片為t時(shí)段燃?xì)廨啓C(jī)天然氣消耗量；圖片、圖片分別為t時(shí)段燃?xì)廨啓C(jī)對(duì)外輸出電功率、熱功率；圖片、圖片分別為燃?xì)廨啓C(jī)電效率、熱效率；圖片為天然氣熱值，取值為9.75 圖片。
2.2.2 燃?xì)忮仩t
式中，圖片為t時(shí)段燃?xì)忮仩t天然氣消耗量；圖片為t時(shí)段燃?xì)忮仩t對(duì)外輸出熱功率；圖片為燃?xì)忮仩t熱效率。
2.2.3 儲(chǔ)能設(shè)備
儲(chǔ)能設(shè)備包括蓄電池(ES)、蓄熱箱(HS)，模型如下：
式中，圖片；圖片為儲(chǔ)能設(shè)備t時(shí)段蓄能量；圖片為自耗散率；圖片、圖片分別為t時(shí)段儲(chǔ)能設(shè)備充、放能功率；圖片、圖片分別為充、放能效率。
2.2.4 可再生能源設(shè)備
可再生能源設(shè)備包括光伏機(jī)組(PV)、風(fēng)電機(jī)組(WT)，模型如下：
式中：圖片；圖片為t時(shí)段可再生能源出力；圖片為單臺(tái)可再生能源設(shè)備額定容量；圖片為可再生能源設(shè)備安裝數(shù)量；圖片為t時(shí)段可再生能源可利用率。
3 LAES耦合綜合能源系統(tǒng)配置優(yōu)化模型
3.1 目標(biāo)函數(shù)
本文以LAES耦合綜合能源系統(tǒng)為研究對(duì)象，在滿足系統(tǒng)負(fù)荷需求的前提下，以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)年總經(jīng)濟(jì)成本最小為目標(biāo)進(jìn)行設(shè)備的容量配置。構(gòu)建的目標(biāo)函數(shù)如下所示：
式中，圖片、圖片、圖片、圖片分別代表設(shè)備投資成本、設(shè)備運(yùn)行維護(hù)成本、購能成本和棄風(fēng)棄光成本。
（1）設(shè)備投資成本
式中，圖片為LAES投資成本，圖片、圖片、圖片分別為空氣液化模塊(LFU)、發(fā)電透平模塊(PRU)、液態(tài)空氣儲(chǔ)罐(TANK)投資成本；圖片、圖片分別為空氣液化模塊(LFU)、發(fā)電透平模塊(PRU)額定安裝容量，MW；圖片為液態(tài)空氣儲(chǔ)罐(TANK)安裝容量，t；s代表容量固定、考慮配置臺(tái)數(shù)的離散設(shè)備，圖片；w代表容量連續(xù)的儲(chǔ)能設(shè)備，圖片；圖片、圖片分別為單臺(tái)s類設(shè)備額定容量、安裝數(shù)量；圖片為w類設(shè)備安裝容量；圖片、圖片分別為s類、w類設(shè)備單位容量投資成本；R為設(shè)備等值投資成本回收系數(shù)；r為貼現(xiàn)率，取0.067；n為系統(tǒng)的設(shè)計(jì)壽命，假設(shè)為30年；圖片為美元兌換人民幣匯率，取7.2。
（2）設(shè)備運(yùn)行維護(hù)成本
式中，圖片為LAES運(yùn)行維護(hù)成本，圖片、圖片、圖片分別為空氣液化模塊(LFU)、發(fā)電透平模塊(PRU)、液態(tài)空氣儲(chǔ)罐(TANK)運(yùn)維成本與投資成本的比值，均取為0.01；圖片、圖片分別為s類設(shè)備、w類設(shè)備的單位功率維護(hù)成本；圖片為t時(shí)段s類設(shè)備輸出功率；圖片、圖片分別為t時(shí)段w類設(shè)備的輸出、輸入功率。
（3）購能成本
式中，圖片為t時(shí)段單位電價(jià)；圖片為天然氣價(jià)；圖片為t時(shí)段向電網(wǎng)購電量。
（4）棄風(fēng)棄光成本
式中，圖片、圖片分別為單位棄光、棄風(fēng)成本；圖片、圖片分別為t時(shí)段棄光、棄風(fēng)量。
3.2 約束條件
（1）能量平衡約束
在系統(tǒng)運(yùn)行過程中，必須滿足電、熱負(fù)荷需求，系統(tǒng)的電平衡、熱平衡表達(dá)如下：
式中，圖片、圖片分別為t時(shí)段電、熱負(fù)荷。
（2）主要設(shè)備出力約束
式中，圖片,圖片、圖片分別為系統(tǒng)中設(shè)備最小、最大出力。
（3）儲(chǔ)能設(shè)備約束
式中，圖片、圖片為儲(chǔ)能設(shè)備w最小、最大儲(chǔ)能狀態(tài)；圖片為t時(shí)段儲(chǔ)能設(shè)備w的儲(chǔ)能量；圖片、圖片分別為儲(chǔ)能設(shè)備w的最大充、放能功率；圖片、圖片分別為儲(chǔ)能設(shè)備w的充、放能狀態(tài)；圖片、圖片分別初始和結(jié)束儲(chǔ)能狀態(tài)。
（4）設(shè)備容量約束
受地域風(fēng)光資源多少以及可安裝設(shè)備空間大小的影響，設(shè)備安裝容量有限。設(shè)備容量約束表達(dá)如下：
式中，圖片為s類設(shè)備最大安裝數(shù)量；圖片為w類設(shè)備的最大安裝容量。
（5）外網(wǎng)交互功率約束
式中，圖片為與上級(jí)電網(wǎng)交互的最大電功率，取為10 MW。
3.3 系統(tǒng)性能評(píng)價(jià)指標(biāo)
本文選擇系統(tǒng)碳排放量、綜合能源利用率、棄風(fēng)棄光率作為評(píng)價(jià)指標(biāo)。引入碳排放量指標(biāo)來評(píng)價(jià)系統(tǒng)的環(huán)保性能；引入綜合能源利用率來反映系統(tǒng)用能的高效性；引入棄風(fēng)棄光率來反映可再生能源的利用程度。
系統(tǒng)碳排放量：
式中，圖片、圖片分別為電能、天然氣碳排放系數(shù)，分別取值為0.8 kg/kWh、0.184 kg/kWh。
綜合能源利用率：
棄風(fēng)棄光率：
3.4 求解方法
本文所構(gòu)建的優(yōu)化配置模型屬于混合整數(shù)非線性規(guī)劃問題，通過進(jìn)行相應(yīng)的分段線性化處理，轉(zhuǎn)化為混合整數(shù)線性規(guī)劃(MILP)問題，在CPU為i9-10940X、內(nèi)存為128 GB的服務(wù)器計(jì)算平臺(tái)，基于MATLAB R2020a仿真平臺(tái)進(jìn)行建模仿真，通過YALMIP調(diào)用Gurobi 10.0.1求解器進(jìn)行優(yōu)化配置模型求解。
4 算例與分析
4.1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)與場景設(shè)置
本文以北方某園區(qū)作為算例研究對(duì)象，將本文提出的LAES耦合綜合能源系統(tǒng)用于供應(yīng)該園區(qū)的電、熱負(fù)荷需求。為了簡化計(jì)算，基于往年歷史數(shù)據(jù)，利用K-means聚類分析方法，通過以各個(gè)場景到聚類中心的歐氏距離最近原則劃分為以聚類中心為中心的簇，聚類中心被選作為代表性場景，來表示具有相似特征的一類場景，針對(duì)每個(gè)季節(jié)，將各個(gè)場景聚類成一類，從而獲得四季典型日?qǐng)鼍?。以各典型日?qǐng)鼍按懋?dāng)季情況，負(fù)荷需求曲線如圖2所示，風(fēng)、光可利用率曲線如圖3所示。以典型日24 h為規(guī)劃運(yùn)行周期，時(shí)間步長為1 h。該系統(tǒng)與上級(jí)電網(wǎng)和天然氣網(wǎng)相連接，不考慮向電網(wǎng)售電。購電采用分時(shí)電價(jià)，見表1，天然氣價(jià)格為3元/m3。LAES儲(chǔ)能系統(tǒng)的技術(shù)參數(shù)見表2，除LAES系統(tǒng)外的其他設(shè)備技術(shù)參數(shù)見表3，其他設(shè)備經(jīng)濟(jì)參數(shù)見表4。需要注意的是，鑒于LAES系統(tǒng)內(nèi)壓縮熱溫度一般遠(yuǎn)高于國家標(biāo)準(zhǔn)中供暖/生活用水的供回水溫度，故本文研究中不考慮壓縮熱溫度高低對(duì)供熱結(jié)果影響，而只從量的角度來滿足系統(tǒng)的熱負(fù)荷。本文設(shè)置了以下5種場景進(jìn)行仿真對(duì)比分析，探究了LAES供能方式對(duì)綜合能源系統(tǒng)配置優(yōu)化結(jié)果的影響，并與傳統(tǒng)分供系統(tǒng)、無儲(chǔ)能綜合能源系統(tǒng)、含蓄電池的綜合能源系統(tǒng)仿真結(jié)果對(duì)比。
圖2 典型日負(fù)荷需求
圖3 風(fēng)、光可利用率
表1 分時(shí)電價(jià)
表2 LAES儲(chǔ)能系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)
表3 除LAES系統(tǒng)外的其他設(shè)備技術(shù)參數(shù)
表4 除LAES系統(tǒng)外的其他設(shè)備經(jīng)濟(jì)參數(shù)
場景設(shè)置如下：①系統(tǒng)采用傳統(tǒng)分供模式供能，電負(fù)荷由電網(wǎng)供應(yīng)，熱負(fù)荷由燃?xì)忮仩t供應(yīng)；②系統(tǒng)采用多能聯(lián)供模式供能，引入可再生能源，電負(fù)荷由風(fēng)電、光電、燃?xì)廨啓C(jī)、電網(wǎng)供應(yīng)，熱負(fù)荷由燃?xì)忮仩t、燃?xì)廨啓C(jī)供應(yīng)；③在方案②的基礎(chǔ)上，加入蓄電池和蓄熱箱；④將方案③中蓄電池?fù)Q成LAES儲(chǔ)能，LAES僅參與電能供應(yīng)；⑤在方案④的基礎(chǔ)上，LAES采用熱電聯(lián)供方式運(yùn)行，同時(shí)參與電能、熱能供應(yīng)。
4.2 配置結(jié)果及分析
4.2.1 容量配置結(jié)果分析
在以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)最優(yōu)為目標(biāo)的配置優(yōu)化中，只有能實(shí)現(xiàn)較高價(jià)值的設(shè)備才會(huì)被配置。5種場景對(duì)應(yīng)系統(tǒng)優(yōu)化配置結(jié)果總結(jié)如表5。從表5中可知，各個(gè)場景的光伏配置容量較低，而風(fēng)力發(fā)電機(jī)配置容量較高，這是由于光伏投資成本較高，配置優(yōu)化優(yōu)先選擇投資成本較低的風(fēng)力發(fā)電機(jī)用于滿足系統(tǒng)的電負(fù)荷。比較場景3、4、5，3個(gè)場景都進(jìn)行了相應(yīng)的儲(chǔ)能配置，表明引進(jìn)儲(chǔ)能有利于系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性的提升。由表5還可知，采用LAES不同供能模式的場景4和場景5，空氣液化單元和發(fā)電單元配置容量相當(dāng)，但是場景5液態(tài)空氣儲(chǔ)罐配置容量更大。由于兩場景具有相同資源配置，LAES液化單元和發(fā)電單元投資成本較高，LAES運(yùn)行方式不同所帶來的經(jīng)濟(jì)性提升并不能抵消其容量變化引起的投資成本增加，因此，為了實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的最大經(jīng)濟(jì)性，兩場景配置的液化單元和發(fā)電單元相當(dāng)。而液態(tài)空氣儲(chǔ)罐的投資成本相對(duì)較低，場景5配置更大容量的液態(tài)空氣儲(chǔ)罐更有利于消納可再生能源，這有利于提升系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性。
表5 系統(tǒng)容量配置優(yōu)化結(jié)果
4.2.2 運(yùn)行調(diào)度結(jié)果分析
以場景5系統(tǒng)為例，對(duì)其運(yùn)行調(diào)度結(jié)果進(jìn)行分析。圖4、圖5分別為對(duì)應(yīng)的4個(gè)典型日電力、熱力調(diào)度情況。由圖4可知，系統(tǒng)電能供應(yīng)來源主要是燃?xì)廨啓C(jī)和風(fēng)力發(fā)電，冬春兩季風(fēng)光資源充足，不與上級(jí)電網(wǎng)購電交易，向電網(wǎng)購電主要發(fā)生在夏秋兩季用電高峰時(shí)期。LAES充能發(fā)生在用電低谷期，能夠有效吸收過剩風(fēng)能，減少棄風(fēng)量；在用電高峰供電不足時(shí)，LAES放電供應(yīng)不足電力，能夠有效減少用電高峰購電量，降低購電成本，也有利于降低系統(tǒng)的碳排放。
圖4 電力調(diào)度優(yōu)化結(jié)果
圖5 熱力調(diào)度優(yōu)化結(jié)果
由圖5可知，系統(tǒng)熱能供應(yīng)來源主要是燃?xì)廨啓C(jī)和燃?xì)忮仩t。為了滿足熱負(fù)荷穩(wěn)定供應(yīng)，燃?xì)廨啓C(jī)持續(xù)以較高負(fù)荷運(yùn)行，產(chǎn)生的余熱能夠較大程度供應(yīng)系統(tǒng)熱負(fù)荷需求，其余不足供熱由燃?xì)忮仩t滿足。LAES在消納可再生能源的同時(shí)，能夠向系統(tǒng)供一部分熱。系統(tǒng)運(yùn)行多余的熱能將被蓄熱箱存儲(chǔ)起來，在供熱不足時(shí)放熱補(bǔ)充不足。LAES供熱和蓄熱箱供熱可以有效降低燃?xì)忮仩t的供熱功率，因此燃?xì)忮仩t消耗的天然氣量減少，相應(yīng)的購氣成本降低約219萬元，系統(tǒng)碳排放降低約1310 t，產(chǎn)生良好的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益。由圖5還可以看出，冬季、春季、秋季熱負(fù)荷較高，熱負(fù)荷供需匹配情況較好，對(duì)蓄熱的要求較少，而夏季熱負(fù)荷低，有較多的熱能過剩，對(duì)蓄熱的要求較高。通過分析可知，本文提出的LAES耦合綜合能源系統(tǒng)能夠充分發(fā)揮LAES“削峰填谷”作用，能夠很好地滿足系統(tǒng)的用能需求。
4.2.3 系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性分析
5種場景的系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)成本優(yōu)化結(jié)果如圖6所示。從圖6可以看出，相較于場景1傳統(tǒng)分供系統(tǒng)，熱電聯(lián)供綜合能源系統(tǒng)年總經(jīng)濟(jì)成本顯著降低，場景2、3、4、5的年總經(jīng)濟(jì)成本分別為場景1的63.57%、63.53%、63.93%、62.9%，儲(chǔ)能系統(tǒng)的引入有利于進(jìn)一步降低系統(tǒng)的年總經(jīng)濟(jì)成本。這是由于多能耦合的綜合能源系統(tǒng)雖然伴隨著對(duì)應(yīng)設(shè)備投資成本和設(shè)備維護(hù)成本的增加，但是可再生能源以及儲(chǔ)能的引入，極大地減少了系統(tǒng)與上級(jí)電網(wǎng)和天然氣網(wǎng)交互成本，能夠有效抵消系統(tǒng)引入設(shè)備帶來的投資及維護(hù)成本的增加。以場景5為例，設(shè)備投資成本和維護(hù)成本增加45250萬元，但與上級(jí)電網(wǎng)和天然氣網(wǎng)交互成本減少134050萬元。場景3相較于場景2，引入蓄電池和蓄熱箱，設(shè)備投資與維護(hù)成本增加了175.9萬元，但是儲(chǔ)能的引入減少了與電網(wǎng)和氣網(wǎng)的交互，也促進(jìn)可再生能源的消納，使購能成本和棄風(fēng)棄光成本減少了183.6萬元，因此系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性得到略微提升。將場景4、5與場景3比較，場景4 LAES采用僅供電模式運(yùn)行的系統(tǒng)年總經(jīng)濟(jì)成本比場景3高92.8萬元，而采用LAES熱電聯(lián)供模式運(yùn)行的場景5系統(tǒng)年總經(jīng)濟(jì)成本比場景3減少147.1萬元。這是由于LAES本身投資成本較高，LAES僅供電產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益不足以抵消引入LAES投資和維護(hù)成本的增加，相比之下，采用熱電聯(lián)供的LAES同時(shí)供應(yīng)電熱，能夠更進(jìn)一步減少系統(tǒng)與電網(wǎng)和氣網(wǎng)的交互，使購能成本進(jìn)一步降低170.8萬元，也更有利于消納可再生能源，減少棄風(fēng)棄光成本49.5萬元，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)更好的經(jīng)濟(jì)性?？傮w而言，采用LAES熱電聯(lián)供的綜合能源系統(tǒng)整體經(jīng)濟(jì)效果更顯著。
圖6 不同場景經(jīng)濟(jì)成本優(yōu)化結(jié)果
4.2.4 系統(tǒng)性能分析
表6總結(jié)了除場景1外的不同場景的系統(tǒng)性能指標(biāo)。場景1傳統(tǒng)分供系統(tǒng)的碳排放量約為19.47萬t，場景2、3、4、5碳排放量分別為場景1的28.70%、28.69%、28.95%、28.50%，表明采用熱電聯(lián)供的綜合能源系統(tǒng)能夠顯著降低系統(tǒng)碳排放，引入儲(chǔ)能后，系統(tǒng)碳排放進(jìn)一步降低，其中場景5系統(tǒng)碳排放量最少。這是由于系統(tǒng)碳排放主要來源是購電、購氣，引入可再生能源后，系統(tǒng)與上級(jí)電網(wǎng)交互明顯降低，使得購電碳排放大大降低；儲(chǔ)能的引入能夠降低用電高峰期的燃?xì)廨啓C(jī)供電功率，LAES還能向系統(tǒng)供一部分熱，降低燃?xì)忮仩t供熱功率，因此，天然氣消耗量減少，購氣碳排放進(jìn)一步降低。從表6可知，各個(gè)系統(tǒng)綜合能源利用率都在85%以上，輸入系統(tǒng)能源得到充分利用，各個(gè)系統(tǒng)的棄風(fēng)棄光率都在5%以下，可再生能源得到充分利用，驗(yàn)證本文提出模型的有效性?？梢园l(fā)現(xiàn)，儲(chǔ)能設(shè)備的引入也有利于進(jìn)一步減少系統(tǒng)的棄風(fēng)、棄光量。LAES熱電聯(lián)供的綜合能源系統(tǒng)，在降低碳排放、減少棄風(fēng)、棄光方面更有優(yōu)勢。
表6 系統(tǒng)性能指標(biāo)
5 結(jié) 論
多能耦合的綜合能源系統(tǒng)是改善當(dāng)前能源結(jié)構(gòu)和緩解環(huán)境問題的重要途徑，引入儲(chǔ)能系統(tǒng)可以保障綜合能源系統(tǒng)供能的質(zhì)量和穩(wěn)定性，并促進(jìn)可再生能源消納。液態(tài)空氣儲(chǔ)能(LAES)的良好熱電聯(lián)供特性使其在各種儲(chǔ)能技術(shù)中脫穎而出，在綜合能源系統(tǒng)中應(yīng)用前景巨大。本文構(gòu)建了耦合LAES的綜合能源系統(tǒng)配置優(yōu)化模型，并基于MILP算法對(duì)模型進(jìn)行求解，驗(yàn)證了所提配置優(yōu)化方法的有效性。通過算例仿真分析，得到以下結(jié)論：
（1）在具有相同配置資源的綜合能源系統(tǒng)中，LAES供能方式對(duì)LAES液化單元和發(fā)電單元配置容量影響不大，采用LAES熱電聯(lián)供的綜合能源系統(tǒng)液態(tài)空氣儲(chǔ)罐容量配置更大，更有利于消納可再生能源。
（2）本文提出的LAES耦合綜合能源系統(tǒng)能夠有效加強(qiáng)電、熱耦合，實(shí)現(xiàn)多能流靈活調(diào)度和“削峰填谷”，實(shí)時(shí)有效滿足系統(tǒng)的用能需求。
（3）LAES熱電聯(lián)供更有利于提升系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性。相較于LAES僅供電，系統(tǒng)年總經(jīng)濟(jì)成本節(jié)約了240萬元，相較于含蓄電池的綜合能源系統(tǒng)，年總經(jīng)濟(jì)成本降低約150萬元。相比于傳統(tǒng)分供系統(tǒng)，LAES熱電聯(lián)供綜合能源系統(tǒng)整體經(jīng)濟(jì)效益提升37.1%。
（4）LAES熱電聯(lián)供也更有利于降低系統(tǒng)的碳排放量，產(chǎn)生良好的環(huán)境效益。LAES熱電聯(lián)供綜合能源系統(tǒng)碳排放量僅為傳統(tǒng)分供系統(tǒng)的28.50%。此外，相較于蓄電池和LAES單一供電，LAES熱電聯(lián)供在棄風(fēng)、棄光方面更有優(yōu)勢。
第一作者：黃思遠(yuǎn)（1999—），男，碩士研究生，研究方向?yàn)橐簯B(tài)空氣儲(chǔ)能及綜合能源系統(tǒng)配置優(yōu)化，E-mail：hsy000125@163.com；
通訊作者：王晨，副教授，研究方向?yàn)橐簯B(tài)空氣儲(chǔ)能，E-mail：wangchen@stdu.edu.cn。
通訊作者：張小松，教授，研究方向?yàn)榈吞冀ㄖc節(jié)能技術(shù)，E-mail：rachpe@seu.edu.cn
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