王之龍，于東立，門向陽，曹 軍，方 野

（1.華北電力大學 新能源電力系統(tǒng)國家重點實驗室，北京 102206；2.中國南方電網(wǎng)超高壓輸電公司天生橋局，貴州 興義 562400）

21世紀以來，經(jīng)濟發(fā)展和能源緊缺的矛盾日益凸顯，推動了對風光氣電儲微網(wǎng)綜合規(guī)劃設計的研究［1］。能源互聯(lián)微網(wǎng)能夠整合源側(cè)多類供能能源和用戶側(cè)冷熱電負荷綜合需求，實現(xiàn)一體化運行，靈活的選擇并網(wǎng)或孤島模式，是未來電網(wǎng)的重要發(fā)展形勢。

能源互聯(lián)微網(wǎng)中儲能可以緩沖分布式能源隨機和間歇的發(fā)電量［2］，其容量配置是微網(wǎng)經(jīng)濟安全運行的重要因素。而CAES除了具有造價低、儲能容量大、啟動時間快等特點［3］，其特有的冷熱電三聯(lián)輸出更好的契合了能源互聯(lián)微網(wǎng)中多類型能源的需求，成為微網(wǎng)儲能配置新選擇。文獻［4］利用壓縮氣儲的耦合燃氣輪機技術，增加了新能源的消納，但未考慮對微網(wǎng)其它設備容量影響。文獻［5］分析了電動汽車有微網(wǎng)調(diào)度中改善峰谷差的作用。

需求側(cè)響應可以引導用戶調(diào)整負荷結(jié)構(gòu)從而影響能源互聯(lián)微網(wǎng)中設備容量配置，潛在可控居民負荷約占居民總負荷的60%［6］。在能源互聯(lián)微網(wǎng)調(diào)度運行中已有較多文獻研究需求側(cè)響應減小負荷峰谷差［7］、降低微網(wǎng)運行成本、提高分布式能源利用率，但對儲能容量配置的影響較少涉及。

在上述背景下，本文主要研究綜合CAES和需求側(cè)響應的能源互聯(lián)微網(wǎng)型系統(tǒng)容量配置和運行費用優(yōu)化。首先構(gòu)建含燃氣輪機等能量轉(zhuǎn)換設備，分布式能源，冷熱電三聯(lián)輸出CAES系統(tǒng)和需求側(cè)響應的能源互聯(lián)微網(wǎng)模型。以年運行費用最低為優(yōu)化目標，綜合考慮安裝成本、維護成本、能耗成本、需求側(cè)響應成本和售電收益。設立有無CAES和需求側(cè)響應4種場景，對比分析CAES和需求側(cè)響應對燃氣輪機等耦合元件容量配置及各類成本影響，以及相關參數(shù)和V2G對微網(wǎng)的影響。最后，為能源互聯(lián)微網(wǎng)的容量配置和運行優(yōu)化提出合理規(guī)劃方案。

1 能源互聯(lián)微網(wǎng)型系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和數(shù)學描述

本文構(gòu)建含光伏（photovoltaic,PV）、風電（wind turbine,WT）、CAES、燃氣輪機（micro turbine,MT）、余熱鍋爐、電制冷機（electric refrigerator）、吸收式制冷機（absorption refrigerator）、燃氣鍋爐（Gas Boiler）及電熱冷負荷并網(wǎng)運行的能源互聯(lián)微網(wǎng)型系統(tǒng)，如圖1所示。

圖1 含非補燃壓縮空氣儲能的能源互聯(lián)微網(wǎng)結(jié)構(gòu)

1.1 能源生產(chǎn)轉(zhuǎn)化設備模型

1.1.1 熱電聯(lián)產(chǎn)模型

微型燃氣輪機和余熱鍋爐作為熱電聯(lián)產(chǎn)的重要裝置，是氣電耦合的核心組件。熱電聯(lián)產(chǎn)（CHP）機組以天然氣管道輸送的天然氣為燃料，生產(chǎn)電能和熱能

1.1.2 光伏電池模型

假設光伏電池的溫度等于環(huán)境溫度，模型如式（3）所示式中：為第k組光伏電池在t時段的電功率；為第k組光伏電池在標準測試條件下額定功率；為第k組光伏電池在t時段光照強度；kT為功率溫度系數(shù)；為第k組光伏電池溫度；Tr為參考溫度；GSTC為標準測試條件下的光照強度。

1.2 儲能裝置模型

1.2.1 CAES模型

非補燃壓縮空氣儲能消納多余風光電、低谷電等為用戶側(cè)負荷提供冷熱電供應，減輕用能高峰期配電網(wǎng)壓力。其冷熱電三聯(lián)模型如下

假設在Δt時間內(nèi)充放功率恒定，儲氣室空氣質(zhì)量與額定質(zhì)量的比和高溫儲熱罐熱量模型如下

式中：Ωt-1、Ωt分別為充放電前后儲氣室中儲存空氣的質(zhì)量比；Mcav為儲氣室中額定空氣質(zhì)量；R為通用氣體常數(shù)；Vcav為儲氣室的容積；Tcav為儲氣室的溫度；分別為充放熱前后高溫儲熱罐中的熱量；ηc、ηd分別為儲熱和釋熱效率。

1.2.2 V2G模型

V2G技術使得電動車可與微網(wǎng)系統(tǒng)進行雙向功率交換，本文將電動汽車作為分布式儲能單元參與調(diào)度。對模型做如下假設：①總調(diào)度時間T，共N輛電動車，且每輛參數(shù)類型均一致；②電動汽車電池為鋰電池且恒功率充放電；③電量低于60%的電動車參與調(diào)度，且離開時電量不低于額定容量的80%；④假設參與的電動車可進行全天調(diào)度。模型如式（7）所示。

時刻t車輛k的實際充放電功率為

1.3 需求側(cè)響應模型

可平移負荷可根據(jù)價格激勵引導負荷從電價高峰轉(zhuǎn)移到電價低估時段，也可根據(jù)分布式能源的波動性將峰值負荷轉(zhuǎn)移到分布式能源高峰出力區(qū)

2 能源互聯(lián)微網(wǎng)型系統(tǒng)容量配置模型

2.1 目標函數(shù)

能源互聯(lián)微網(wǎng)系統(tǒng)的優(yōu)化以年運行費用最低為目標，目標函數(shù)如下

式中：CIN表示設備一次性投資成本折算到每年的費用支出；Cs表示設備s的單位容量安裝成本；PNs表示設備s的安裝容量；r表示基準折現(xiàn)率；ls表示設備平均壽命；i=1,2,3分別表示夏季、冬季、過渡季；COP,i表示i季節(jié)的能耗成本；COM,i表示i季節(jié)的維護成本；CDR,i表示i季節(jié)的需求側(cè)響應成本；CV2G,i表示i季節(jié)的V2G成本；di表示i季節(jié)的典型日天數(shù)；分別為天然氣成本、需求側(cè)響應成本和購售電成本；μPV、μWT、μMT、μGB、μER、μAR、μCAES、μTES分別為光伏電池、風電、微型燃氣輪機、燃氣鍋爐、電制冷機、吸收式制冷機、壓縮機及透平機、高溫儲熱罐的維護成本分別為t時刻購電功率、售電功率、光伏功率、風電功率、燃氣輪機消耗天然氣功率、燃氣鍋爐消耗天然氣功率、電制冷機消耗電能、吸收式制冷機電能。

2.2 約束條件

（1）平衡約束

（2）可控機組約束

（3）CAES/EV約束

CAES和EV應滿足容量和充放功率限制，且不能同時充放電。

式中：Ωmax、Ωmin分別為儲氣室空氣質(zhì)量比的上下限；分別為高溫儲熱罐中熱量上下限；分別為高溫儲熱罐充放熱功率上下限；分別為儲氣室充放電功率上下限；為0-1變量，保證CAES不能同時充放電；WEVN,k為電動車額定容量。

（4）設備安裝容量約束

式中：PNSmax、PNSmin分別為設備s安裝容量的上下限；nPVmax、nPVmin分別為光伏電池安裝數(shù)量的上下限。

（5）需求側(cè)響應約束

可平移負荷轉(zhuǎn)出轉(zhuǎn)入量應平衡且轉(zhuǎn)移負荷量和轉(zhuǎn)移時間間隔滿足限制。

上述能源互聯(lián)微網(wǎng)模型為混合整數(shù)規(guī)劃問題，針對該問題，本文在MATLAB中調(diào)用CPLEX進行求解。

3 算例分析

3.1 算例設置

本文以含風光儲的能源互聯(lián)微網(wǎng)向某居民聚集區(qū)提供冷熱電負荷為例［2］。能源互聯(lián)微網(wǎng)中分布式光伏、CAES、能量轉(zhuǎn)換設備參數(shù)詳見參考文獻［8］—文獻［9］，設備基準折算率取5%。系統(tǒng)熱負荷由燃氣輪機和燃氣鍋爐提供，冷負荷由電制冷機和吸收式制冷機提供。燃氣輪機和燃氣鍋爐消耗天然氣，單位天然氣價格為2.05元/m3，低熱值9.78 kWh/m3。

當?shù)胤植际斤L電和光照強度如文獻［10］所示，單個太陽能電池模塊容量選取為0.2 kW；需求側(cè)響應補償價格為0.4元/kW；電動車初始電量服從N（0.5,0.4）定義域［0.2,0.9］的正態(tài)分布，電池放電的補償價格為0.4元/kW；電價采用分時電價；為縮短仿真運行時間，選取夏季、冬季和過渡季的典型日冷熱電負荷數(shù)據(jù)而不是年負荷數(shù)據(jù)，各季節(jié)典型日持續(xù)天數(shù)分別為92、90和183天。其余相關能源互聯(lián)微網(wǎng)參數(shù)見文獻［9］。

3.2 微網(wǎng)設備優(yōu)化配置

為分析需求側(cè)響應和CAES對能源互聯(lián)微網(wǎng)優(yōu)化配置的影響，建立以下4種場景進行對比分析：場景一為不考慮需求側(cè)響應和CAES；場景二為僅考慮需求側(cè)響應，忽略CAES；場景三為僅考慮CAES，忽略需求側(cè)響應；場景四同時考慮需求側(cè)響應和CAES在系統(tǒng)容量配置中的影響。4種場景下微網(wǎng)中設備容量配置如表1所示，各類成本如表2所示。

對比分析4種場景可知，需求側(cè)響應和CAES通過影響微網(wǎng)設備和光伏的安裝容量進而影響微網(wǎng)費用。由于CAES降低負荷峰谷差，且其具有冷熱電三聯(lián)的輸出特性，減小了燃氣輪機、燃氣鍋爐和吸收式制冷機的安裝容量，使得安裝成本降低，且在光伏出力高峰區(qū)儲存多余的光伏，增加光伏消納率。需求側(cè)響應則將負荷轉(zhuǎn)移到光伏出力峰值和電價低谷區(qū)，以提高新能源利用率、降低峰谷差。V2G供電需要支付一定的補償費用，但應合理設置補償價格，增大V2G調(diào)差效益。

3.3 CAES參數(shù)對微網(wǎng)運行成本和容量配置的影響

CAES透平壓力及透平溫度是設計CAES的重要參數(shù)。模型中透平溫度的不同，通過回熱利用子系統(tǒng)消耗的儲熱罐中熱量不同；透平壓力通過節(jié)流閥壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)控制，本文重點研究不同運行方式優(yōu)化配置，因此忽略壓力調(diào)節(jié)及溫度控制過程中的損耗。

表1 4種場景下微網(wǎng)中設備容量配置

表2 4種場景下各類成本 萬元

3.3.1 CAES透平壓力對微網(wǎng)運行成本和容量配置的影響

GAES透平壓力與微網(wǎng)設備容量關系如圖2所示。在儲氣室空氣質(zhì)量充足的前提下，由圖2可知，透平壓力增加，透平機的出力增大，壓縮機的安裝容量逐漸增加，能夠在光伏充足和負荷低谷時消耗更多的電能，并在負荷高峰區(qū)提供電能，削峰填谷，從而降低了燃氣輪機的安裝容量。燃氣輪機容量降低使得余熱鍋爐回收熱量減少，從而降低余熱鍋爐熱出力，為補足熱負荷缺額，燃氣鍋爐配置容量增大。透平機配置容量增大，增加了CAES供冷量，一定程度上減小了電制冷的配置容量，使得吸收式制冷機容量減小。CAES容量的增大使得負荷缺額減少，從而降低了光伏的安裝數(shù)量。

圖2 透平壓力與微網(wǎng)設備容量關系

CAES透平壓力與年運行費用關系如圖3所示。由圖3可知安裝成本隨透平壓力增大而增加。CAES安裝成本相對較高，容量的增加對安裝成本影響較大。但CAES容量的增加減小了負荷的峰谷差，從而減少了購買的天然氣電能及可平移負荷的轉(zhuǎn)移量，進而減少了能耗成本和需求側(cè)響應成本，同時增加了售電收益，使得系統(tǒng)年運行成本降低。

圖3 透平壓力與年運行費用關系

3.3.2 CAES透平溫度對微網(wǎng)運行成本和容量配置的影響

GAES透平溫度與微網(wǎng)設備容量、年運行費用的關系分別如圖4和5所示。由圖5可知，年運行費用隨透平溫度的升高先增大而后降低。結(jié)合圖4可知，在CAES額定出力范圍內(nèi)，透平溫度400 K前,透平溫度升高，透平機出力增大，配置容量相應增大。

圖4 透平溫度與微網(wǎng)設備容量關系

圖5 透平溫度與年運行費用關系

在透平溫度升高過程中，透平后的低溫氣體溫度升高，使得透平過程中產(chǎn)生的冷量減少。為補充冷負荷缺額，電制冷機的配置容量增大，儲能容量的增加，減小了負荷峰谷差，從而減小了燃氣輪機的配置容量，余熱鍋爐回收熱量減少，使得燃氣鍋爐配置容量增大。

透平溫度在400 K后，透平氣體溫度高于環(huán)境溫度，CAES不在釋放冷量，所以電制冷機和吸收式制冷機的配置容量保持不變。由于CAES容量的增大，用戶側(cè)負荷峰時提供電能增加而減小了負荷的轉(zhuǎn)移量，從而降低了需求側(cè)響應成本，使得系統(tǒng)年運行費用降低。

3.4 需求響應對微網(wǎng)運行成本和容量配置的影響

需求響應與微網(wǎng)設備容量、年運行費用關系分別如圖6和圖7所示。由圖6可知，當可平移負荷在占電負荷10%以內(nèi)時對微網(wǎng)設備的容量影響較為明顯。

可平移負荷比例增大，電價峰時可平移負荷增多，可平移負荷的補償成本相較燃氣輪機發(fā)電成本較低，從而減小燃氣輪機、余熱鍋爐容量。峰值負荷的轉(zhuǎn)移減輕了CAES的供電壓力，從而減小了壓縮機和透平機的容量。一部分可平移負荷轉(zhuǎn)移光伏出力峰值區(qū)，增加了光伏的安裝數(shù)量。當可平移負荷大于10%時，峰值負荷基本滿足供應，微網(wǎng)各設備容量基本保持不變。由圖7可知，隨著可平移負荷比例增加，成本減小逐漸變緩。

圖6 需求響應與微網(wǎng)設備容量關系

圖7 需求響應與年運行費用關系

3.5 V2G對微網(wǎng)運行成本的影響

V2G技術使得電動車可以參與到微網(wǎng)系統(tǒng)調(diào)度。對比有無V2G對微網(wǎng)系統(tǒng)的各類成本影響如表3所示。

表3 V2G對各類成本的影響 萬元

V2G可以降低微網(wǎng)運行的年費用，雖然對V2G放電進行補償增加了V2G運行成本，但V2G的調(diào)峰作用降低了微網(wǎng)的運行成本、維護成本、需求側(cè)響應成本3%，4%和4.8%，從未使得系統(tǒng)運行更經(jīng)濟。

5 結(jié)論

本文建立了含CAES和需求側(cè)響應的能源互聯(lián)微網(wǎng)型系統(tǒng)優(yōu)化配置模型并得到相關結(jié)論如下：

（1）單獨的CAES和需求側(cè)響應都能降低能源互聯(lián)微網(wǎng)年運行成本，雖然CAES和需求側(cè)響應增加了安裝成本和需求側(cè)響應成本，但利用電價峰谷差調(diào)度負荷并提高分布式能源消納降低了運行成本。

（2）同時引入CAES和需求側(cè)響應，能源互聯(lián)微網(wǎng)年運行費用更優(yōu)，設備配置容量更合理。但需求側(cè)響應降低成本相較于單獨考慮需求側(cè)響應時，對微網(wǎng)年運行成本影響削弱，CAES對用戶側(cè)負荷的削峰填谷及分布式能源的消納影響了可平移負荷的轉(zhuǎn)移量，所以應該合理制定可平移負荷補償價格。

（3）CAES透平壓力和透平溫度直接影響了透平機出力，進而影響透平機和壓縮機的安裝容量。在儲氣室空氣質(zhì)量充足前提下，微網(wǎng)年運行成本隨透平壓力增加而降低，透平壓力影響CAES出力，從而改變?nèi)細廨啓C等設備配置容量。透平溫度不僅直接影響CAES的電熱出力，還通過改變透平機透平輸出溫度影響CAES供冷量，進而影響能源互聯(lián)微網(wǎng)中吸收式制冷機和電制冷機等設備容量。因此可根據(jù)不同地區(qū)冷熱電負荷比例，合理設定透平壓力和透平溫度?？赊D(zhuǎn)移負荷比例增大可以降低微網(wǎng)運行成本，但隨著比例增大降低效果減小，所以應合理設置用戶可轉(zhuǎn)移負荷的比例，V2G的投入同樣有利于微網(wǎng)運行費用的減小。D