湖南大学科研团队提出区域综合能源系统的多元储能协同配置方法

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储能作为综合能源系统融合的纽带，如何配置电/热/冷多能存储是综合能源系统规划中的重要研究内容。湖南大学电气与信息工程学院的研究人员刁涵彬、李培强、吕小秀、刘小龙、李欣然，在2021年第1期《电工技术学报》上撰文，提出考虑电/热/冷多元储能差异化建模的区域综合能源系统储能协同配置方法。

建立多元储能协同配置模型，该模型用于得到多元储能额定容量、功率、位置等规划方案，以经济性、环保性为目标，有机融合了典型日优化运行；采用遗传算法和Gurobi求解器相结合的混合策略求解。算例表明多元储能协同配置、协调运行具有优越性；考虑多元储能之间的统一性和差异性有助于得到更加全面的储能配置方案。

能源互联网的重要物理载体——综合能源系统（或称多能源系统），创新了能源系统的技术、市场和管理体制，对提高各种能源利用效率、推动能源利用转型、实现多能源的互补互济具有重要意义。综合能源系统可分为跨区级、区域级和用户级，其中发挥“承上启下”作用的区域多能源系统（RIES）由智能配电系统、供热/冷系统等供能网络耦合而成。

储能作为RIES能源子系统融合的纽带，电/热/冷等多能存储（以下简称多元储能）协同配置有助于实现不同类型储能间的互补协调，因此RIES中如何协同配置多元储能是一个值得关注的问题。

储能是提高能源系统时空范围优化配置能力的有效手段。传统研究一般集中在电力系统范畴，有学者提出了输电侧储能和输电线路联合鲁棒规划方法，并表明储能对缓解输电线路阻塞更为经济；有学者提出了配网侧储能有效的配置方法。在能源互联网背景下，电力、热力、天然气等多种能源系统有机结合形成综合能源系统。

在综合能源系统范畴，储能配置拓展为电/热/冷/气等多能存储的规划研究，有学者对能源微网中储能系统容量规划和投资效益展开了研究；有学者同时考虑电力和热力柔性负荷，提出了RIES中电/热储能的优化配置方法；有学者针对季节性储能的优化问题，计及电/热等多元储能提出混合整数线性规划方法；有学者提出一种集主动配电网、天然气网和能源枢纽为一体的综合能源系统扩展规划方法，该方法涉及电/热/气等储能的配置；有学者考虑热网和电网综合潮流，建立含风机、光伏、电池储能、微型燃气轮机及燃气锅炉的能源站双层规划模型；有学者提出一种考虑交通、天然气和主动配电网络耦合的优化规划框架，该方法涉及电/热储能。

RIES中电/热/冷/气等多元储能配置的研究基础是综合能源系统耦合能量流和储能系统运行特性的数学描述。耦合能流的数学描述主要有能源集线器模型（EH）和多能流潮流模型，有些学者对储能配置研究均是基于EH，该类配置模型往往只能对储能进行定容，无法考虑储能接入供能网络的位置；有学者的研究则考虑了多能流潮流，即优化中计及了供能网络的运行约束。

图1  区域综合能源系统结构

储能系统运行特性的数学描述往往包含储能荷电状态方程、储能容量范围、充放能功率范围、充放能功率互补约束、运行周期能量守恒等；有学者考虑先进绝热压缩空气储能电站的变寿命特性，建立了储能定容双层优化模型；有学者考虑热储能结构类型、体积等特性参数，开展了季节性储热的技术-经济规划研究；有学者考虑储能的能量存储特性，将光伏与储能协同配置，实现能源社区的零净能耗。

以上多能存储协同配置研究均考虑了储能的能量存储特性，但较少有涉及多元储能间的特性差异，比如电池储能系统具有无功支撑能力，冷/热储能的物理特性与电储能不同，其热损耗会受到环境温度、蓄水罐高径比等因素的影响。此外，构建综合能源系统目的之一是提高能源综合利用效率，而储能在跨时段能量存储过程中不可避免地产生能量损耗，储能损耗将对RIES综合能效和经济性产生不同程度的影响，因此在多元储能协同配置时还需控制储能效率的影响。

基于以上考虑，湖南大学电气与信息工程学院的研究人员提出考虑多元储能差异化建模的RIES储能协同配置方法。

首先，多元储能协同配置的基础是耦合能量流和储能特性描述，在耦合能量流上明确包含电/热/冷三种能量形式的RIES结构，并建立电-热网络模型（E-TN）。其次，在储能特性描述上基于储能统一模型建立计及电/热/冷储能的共性和个性对多元储能进行建模，在共性上建立多元储能统一模型，在个性上建立电储能无功特性模型和热/冷储能精细化模型，并定义多元储能综合效率用于控制不同类型储能效率对配置结果的影响。

图2  综合能源系统网络结构

然后，提出以经济性和环保性为目标的多元储能配置模型，采用改进遗传算法+Gurobi求解器的混合策略求解。最后，将所提方法应用于改进IEEE 33节点配电与45节点热网耦合系统算例。结果表明多元储能协同配置的优越性，以及考虑多元储能差异性对储能配置的积极影响。其得出的结论如下：

1）多元储能协同配置、协调运行具有优越性，有助于发挥多能耦合及互补优势。多元储能协同配置减少了单类型储能的配置需求，使储能配置电/热/冷多元化；多元储能协同配置具有更好的经济效益和环境效益，算例中，多元储能协同配置节省了9.83%的RIES年运行成本及降低了9.58%的年碳排放量。多元储能协调运行提高了RIES运行经济性和灵活性，有助于可再生能源就地消纳。

2）考虑多元储能之间的统一性和差异性有助于得到更加全面的储能配置方案。考虑EES无功特性可有效减少电网损耗，提高多元储能协同配置的经济性。精细化TES/CES模型引入对流传热系数、高径比等实际参数，能够解决储能定损耗系数选取不当造成的热损偏大、配置容量冗余、资源浪费等问题。

3）多元储能协同配置在提高供能网络能量传输效率和热源供能效率等方面具有优势；考虑到储能能量损耗，可通过多元储能综合效率约束控制多元储能效率对RIES经济性和能效的影响，进而合理协同配置电/热/冷多类型储能。

以上研究成果发表在2021年第1期《电工技术学报》，论文标题为“考虑多元储能差异性的区域综合能源系统储能协同优化配置”，作者为刁涵彬、李培强、吕小秀、刘小龙、李欣然。