先进绝热压缩空气储能多能流优化调度模型

徐卫君 张 伟 胡宇涛 尹俊杰 王建华

先进绝热压缩空气储能多能流优化调度模型

徐卫君1张 伟2胡宇涛3尹俊杰4王建华4

（1. 国网江苏省电力有限公司常州市金坛区供电分公司 常州 213164 2. 国网江苏省电力有限公司常州市供电分公司 常州 213164 3. 东南大学软件学院 苏州 215000 4. 东南大学电气工程学院 南京 210000）

先进绝热压缩空气储能（AA-CAES）是一种可实现大容量和长时间电能存储的电力储能系统，其储能的过程中会伴随产生额外的多种能流，若将运行中产生的额外能流收集起来，AA-CAES可作为微型综合能源系统进行使用。该文通过基于能源集线器（EH）构建通用能量交换分析模型，针对AA-CAES内部组件压缩机、透平机、换热器等部件进行模块化矩阵建模，分析其热力学特性和能流产生效率，研究AA-CAES的多能流联供调度策略。以最大化经济性运行为目标，提出了一种基于能源集线器矩阵化建模的AA-CAES多能流优化调度模型，并采用典型的压缩空气储能系统设备数据，进行仿真验证。仿真结果表明，AA-CAES作为微型综合能源系统具有较好的经济性，并且可以实现日常的热电联供，减少或降低其他供热系统的能耗，提高区域的能量利用效率。

微型综合能源系统 先进绝热压缩空气储能（AA-CAES） 能源集线器（EH） 矩阵化 多能流

0 引言

随着化石能源枯竭和环境污染问题的日益严重，大力发展分布式可再生电源，提高综合能源利用效率，已成为各国政府、企业和民众的共识[1-2]。我国目前已经开始大力发展清洁能源，由于风电、光伏等新能源发电具有波动性、不确定性，其大规模并网将对电网的安全和稳定运行产生冲击[3]。而储能装置由于具有对功率和能量的时间迁移能力，其应用可以使原本刚性连接的电力系统呈现柔性，从而为大规模风电、光伏等新能源发电并网问题的解决，提供技术解决方案[4]。其中先进绝热压缩空气储能（Advanced Adiabatic Compressed Air Energy Storage, AA-CAES），由于存储量大、转换效率高，具有良好的应用前景，近些年来受到国内外学者的广泛关注，被认为是当今具发展潜力的大规模储能技术之一[5]。AA-CAES电站不但可为系统提供调峰、备用、无功调节等多类型辅助服务[6-8]，还有一项具有显著优势的特性——冷热电联供特性[9]，该特性可使AA-CAES作为微型综合能源系统使用，通过能量梯级利用和灵活的能源利用模式，实现对输入能源高达90%的一次能源利用率[10-11]。

综合能源系统的规划和运行是以各个能源网络的建模和分析为基础的[12]，为了对具有不同物理本质的能源系统进行统一规划调度，已有学者开展了大量研究。文献[13]建立了多能源网络支路层能量流的统一数学方程，通过拉普拉斯变换和戴维南等值定理，将多能源网络在时域的复杂传输特性转换为拉普拉斯域简单的代数问题。文献[12]提出直观的统一能路方法论，并以天然气网络、热力网络为研究对象，推导了统一能路理论中的气路、水路与热路模型。这些研究和方法论对数学化研究综合能源系统提出了一定的指导意见。

国内外在综合能源系统矩阵化建模方面也有较为深入的研究。苏黎世联邦理工学院P. Favre-Perrod教授团队于2005年提出能源集线器（Energy Hub, EH）概念。EH是一种用来表示不同能源载体输入、输出、转换、存储的多端口装置[14]，并于2007年首次提出通过耦合矩阵描述EH内部的能源分配和转换关系[15]。EH可以将电、热、冷等多种能源进行相互耦合并整合到一个微型综合能源系统中，通过对EH进行矩阵化建模，可以对微型综合能源系统的运行机理进行详细研究[16]。

目前国内外学者已经在AA-CAES多能流联供和优化调度方面开展了大量研究。文献[17]将AA-CAES与风电场相结合，研究在AA-CAES在变工状态下的运行特性，并给出一种混合整数线性规划模型来描述变工状态下的AA-CAES；文献[18]通过对文献[19-21]的分析，提出一种考虑AA-CAES装置参与热电联储/供的微型综合能源系统优化运行策略，并通过经济性角度分析得出该优化调度模型可以削减微型综合能源系统的运行成本。

本文提出一种基于能源集线器矩阵化建模的压缩空气储能多能流优化调度模型。该模型通过矩阵化建模方式，对AA-CAES系统进行简化，通过建立分配矩阵和效率矩阵对各能流之间相互转换关系进行描述。最后从经济性的角度进行建模分析，提出基于AA-CAES的微型综合能源系统调度策略，充分发挥其在多能流联供方面的优越性能。

1 基于能源集线器概念的通用能量交换分析模型

能源集线器概念是苏黎世联邦理工学院P. Favre-Perrod教授团队，于2005年提出的一种描述不同能源载体输入、输出、转换的多端口装置。可基于能源集线器概念，提出一种通用能量交换分析模型，该模型对AA-CAES模型的多能流联供特性进行简化，弱化了AA-CAES内部的复杂变化，通过分配矩阵和效率矩阵对AA-CAES内部的能量转换进行描述。通用能量交换分析模型的耦合矩阵描述了能流从集线器的输入到输出的转换，元素可从集线器的转换器结构和转换器的效率特性中得出。该模型对电、气、热等各种能量流均可使用，适用的程度取决于所进行的研究类型。该模型由三个模块构成，分别为能量输入端、能量输出端和能量转换模块，如图1所示。

图1 通用能量交换分析模型

通用能量交换分析模型的左端由多种初始能量输入构成；能量经过能源集线器内部转换后，变成多种能量向外输出；在数学上通用能量交换分析模型可用映射函数进行表示，即

可以简记为

2 基于能量集线器的AA-CAES的多能流架构

2.1 AA-CAES系统内部矩阵化建模

图2 基于EH的AA-CAES系统及内部元件示意图

在二号换热器中，其输入端由高压压缩机中流出的高温高压气体和从低温储热器中分配过来的冷能共同作用，通过能量交换将携带的热能进行换出。随后从二号换热器的输出端口中流出热能和较低温的高压气体，会进入储气系统，在储气系统中忽略传输和存储过程中对高压气体的损耗，可得储气系统的输入矩阵、输出矩阵为