一种考虑能源双向传输的能源枢纽能量管理策略研究

黄金凤，白 迪，姚宗君，于 源

（沈阳工程学院a.研究生部；b.电力学院；c.国际教育学院，辽宁 沈阳 110136）

随着世界环境污染的日益严重，为减少环保需求带来的压力，对于之前较为依赖化石能源的能源格局正朝着清洁能源、可再生能源的新能源格局方向发展[1-6]。作为能源接口，能源枢纽（Energy Hub，EH）在整合和转换能源方面发挥着重要的作用。能源枢纽是能源互联网的重要组成部分，可通过多个能源枢纽之间的互联实现综合能源管理[7-10]。能量集线器可视为黑匣子，能量从输入端口流向输出端口。输入能源枢纽不仅可通过能源线路相互连接，同时也可将输出端口与某个能源区相连。传统的能源枢纽模型包含能量传输、能量转换和能量存储，且能量只能从输入端口流向输出端口[11-14]。

与以往的能源枢纽研究不同，本文提出了一种能源双向传输的能源枢纽模型，可以实现电能、热能的双向传输，促进清洁能源的利用，从而提高能源利用效率，达到能源就地消耗的目的。当系统有多余的电能时，它可以通过双向变压器（Solidstate Transformer，SST）[15]反向输出电能到输入口，实现电能的双向传输。在这里，假设加热管网的入口温度高于出口，则热能从输入端口流到输出端口；如果加热管网的入口温度低于出口，则热能从输出端口流向输入端口。

图1 展示了具有双向传输功能的能源枢纽结构。该系统包含电负荷、热负荷和气负荷，可通过光伏发电自给自足，也可通过能源中心与其他能源区域相互作用。双向能源枢纽模型由双向变压器（SST）、电锅炉（EB）、微型燃气轮机（MT）、蓄电池（ES）、储热器（HS）、储气罐（GS）、电负荷（EL）、热负荷（HL）和气负荷（GL）组成，可实现电能、气能和热能的产生，通过双向变压器SST可将电能反向输出而实现电能的双向传输，通过电锅炉将电能转换为热能，利用微型燃气轮机将气能转换成热能和电能，并储存电能、气能和热能。

图1 双向传输的能源枢纽

1 储能结构模型

1.1 储电结构模型

本文以目前应用最广且发展较为成熟的锂离子电池储能为例，对储能的数学模型进行探索分析。

随着电能的吸收和释放，电池状态也有所变化。用电池的荷电状态（SOC，State of Charge）来描述电池实时状态，电池的荷电状态是指电池的当前容量和总容量的比。

式中，E表示t时刻储能的容量。SOC的取值范围在 0～1 之间，当SOC接近 0 时，代表电池电量很少；当SOC接近1时，代表电池电量很充足。

储电的基本数学模型如下：

式中，Ech、Edisch分别为充、放电功率；SOCmax和SOCmin分别为储能荷电状态上、下限；SOC(t- 1)为上一时刻储能的SOC值；P为储能额定容量；ηch和ηdisch分别为储能充、放电效率；Δt为采样时间间隔。βch,βdisch={0 ,1} 表示系统在t时刻只能处于储电、放电或不工作三种状态之一，即βch,βdisch=0时表示在t时刻蓄电池不工作；当βch=0,βdisch=1 时表示在t时刻蓄电池处于储电状态；当βch=1,βdisch=0 时表示在t时刻蓄电池处于放电状态。

1.2 储热结构模型

定义1：在理想情况下，管道的热功率是指单位时间内管道中流体通过某一截面时所具有的热量，单位为W，热功率表征管道输送热量的快慢，其计算公式为

式中，c为比热容，单位为 J/(kg·K)；m=ρvS为流体密度，其中v为速度，S为管道横截面积。

本文以储热罐为例，对储热数学模型进行分析。

随着储热罐吸收、释放热能，其状态也有所变化。可用储热罐的储热状态（SOH，State of Heat）来描述储热实时状态，储热罐的储热状态是指储热罐的储热容量和总容量的比值，表征储热的吸放热深度。

式中，H表示t时刻储热罐的储热容量。SOH的取值范围在 0～1 之间，当SOH接近 0 时，代表当前热能很少；当SOH接近1时，代表当前热能很充足。

储热的基本数学模型如下：

式中，Eh、Edish分别为实时充、放热功率，吸热为正，放热为负；SOHmax和SOHmin分别为储热状态上、下限；SOH(t- 1)为上一时刻储热的SOH值；PQmax为储热额定容量；λh和λdish分别为储热吸、放热效率；Δt为采样时间间隔。μh,μdish={ 0,1} 表示系统在t时刻只能处于储热、放热或不工作三种状态之一，即当μh,μdish=0 时，表示在t时刻储热罐不工作；当μh=0,μdish=1 时，表示在t时刻储热罐处于储热状态；当μh=1,μdish=0 时，表示在t时刻储热罐处于放热状态。

1.3 储气结构模型

由于储气装置本身特有的性质，可用储气罐的储气状态SOG（SOG，State of Gas）来描述储气实时状态，储气罐的储气状态是指储气罐的储气容量和总容量的比值，表征储气的深度。

储气的基本数学模型如下：

式中，Eg、Edisg分别为实时储、放气功率，储气为正，放气为负。εg,εdisg={ 0,1} 表示系统在t时刻只能处于储气、放气或不工作三种状态之一，即当εg,εdisg=0时，表示在t时刻储气罐不工作；当εg=0,εdisg=1 时，表示在t时刻储气罐处于储气状态；当εg=1,εdisg=0时，表示在t时刻储气罐处于放气状态。

2 转换设备建模

电锅炉可以将电能转化为热能为热网提供能量，当输入电功率为Eeb时，其热功率表达式为

式中，ηe2h为电锅炉热效率。

微型燃气轮机可向系统同时提供电能和热能，在单位时间内产生的电能、热能与微型燃气轮机进气量的关系为

式中，为微型燃气轮机的输出电功率；σg2e为微型燃气轮机电气转换效率为微型燃气轮机的输出热功率；ηg2h为微型燃气轮机燃气热效率；Hu为天然气低热值（燃烧一定体积或质量的燃气所能放出的热量）[4]。

3 系统日收益

3.1 目标函数

优化模型以储电、储热、储气的日收益最大为目标：

式中，R为系统的日收益；Re为年售电收益；Cinv为投资成本；Cop为运行成本。

式中，Ce、Ch和Cg分别为考虑国家补贴的系统上网电价、热价和气价分别为系统在时段t的输出电功率、热功率和气功率；Epv为光伏发电出力；Ewp为风力发电出力；Eel、Ehl、Egl分别为电负荷、热负荷及气负荷；Eeb为电锅炉出力分别为微型燃气轮机出力、转热和转电功率；Δt为一个采样时段。

1）投资成本

储能系统的初始投资包括储能电池、储气罐及储热罐等设备的投资：

式中，Ces、Chs、Cgs分别为储电、储热、储气的容量成本。

2）运行维护成本

储能设备的年维护成本可表示为

式中，κ为电、气、热储能设备的维护成本在总投资成本中的比重。

3.2 约束条件

1）储能装置约束

储电装置的荷电状态约束：SOCmin＜SOC＜SOCmax，SOCmax和SOCmin分别表示储电系统SOC的上、下限。

储热装置的储热状态约束：SOHmin＜SOH＜SOHmax，SOHmax和SOHmin分别表示储热系统SOH的上、下限。

储气装置的储气状态约束：SOGmin＜SOG＜SOGmax，SOGmax和SOGmin分别表示储气系统SOG的上、下限。

2）储能能量约束

储能能量上、下限约束为

式中，Es,t为t时段储能容量；E为储能系统的能量容量。

3）电源功率约束

各电源功率约束为

式中，Pimin和Pimax分别为第i台电源运行功率的下限和上限[11]。

4 能量管理策略

当系统输出的总功率大于当前负荷需求时，储能系统需要将多余的能量存储起来，当储能达到峰值时则处于不工作状态；当系统输出的总功率小于当前负荷需求时，储能系统需要弥补当前出力不足的功率输出能量。

若当前的电负荷需求多余系统输出时，储能电池应放电：

若当前的系统输出多余电负荷需求时，储能电池应充电：

若当前的热负荷需求多余系统输出时，储热罐应放热：

若当前的系统输出多余热负荷需求时，储热罐应储热：

若当前的气负荷需求多余系统输出时，储气罐应放气：

若当前的系统输出多余气负荷需求时，储气罐应储气：

5 案例分析

本文以沈阳市某单元小区数据作为计划出力，基于本文模式，按单位电价0.5元，热价0.6元，气价0.4 元，折旧率取0.1，通过储能系统、供电系统、能量转化系统之间合理的配合，使案例中的收益达到最大。电负荷、热负荷及气负荷功率曲线如图2 所示。以风、光预测功率作为计划出力，如图3 所示。电锅炉的转换效率设为0.7，微型燃气轮机转热效率设为0.9，转电效率设为0.85，根据收益最优化得到的电锅炉电转热功率曲线如图4 所示。微型燃气轮机气转电转热曲线如图5 所示。电、热、气的充放效率均设为0.9，储能装置的储放深度为0.2～0.8，根据收益最优化得到的SOC、SOH、SOG 曲线如图6所示。电、热、气充放功率曲线如图7所示。

图2 负荷功率曲线

图3 风力、光伏功率曲线

图4 电锅炉功率转换曲线

图5 微型燃气轮机功率转换曲线

图6 SOC、SOG、SOH曲线

图7 电、气、热充放功率曲线

由于电锅炉受电网约束小，很少因为电负荷减少而减小自身的出力，虽限于其自身实现电转热的效率并不高，但其能为高峰时的热负荷需求承担出力。在 0：00～4：00 及 21：00～24：00 时段，由于电负荷需求少，因此电锅炉出力很高，可以满足热负荷的需求；在白天时段，电负荷需求增大，但由于风力发电及微型燃气轮机的加入，使得电锅炉出力较小。

微型燃气轮机具有容量大、产热效率高、发电效率较高等优点，使微型燃气轮机在系统中起到了重要作用。由微型燃气轮机电/热出力可以看出：在0：00～6：00 及21：00～24：00 时段，由于受自身功率下限约束，发电功率低，但发热功率很高，微型燃气轮机在这段时间内主要用于供热；在8:00～16:00时段，由于电负荷的增加，热负荷的减少，微型燃气轮机承担大部分的电负荷需求。

图8 为单向传输与双向传输系统的收益对比。从图中可以看出：考虑系统双向传输后，系统的收益较传统的单向传输有所增加，在 0：00～6：00 及21：00～24：00 时段，系统收益平稳且出现最少为2 188 元，主要由于该时段电负荷和气负荷需求少，由风力发电及燃气轮机提供出力，热负荷虽然需求大但是相对平稳，由电锅炉进行热负荷供应，此时单向传输会有明显的弃风等现象，导致收益较低。在白天时段，系统收益增加，最高为3 145 元，主要由于电负荷和气负荷需求量剧烈增大，此时主要由光伏发电及微型燃气轮机提供，热负荷相对较少，主要由储热装置及电锅炉提供，此时单向传输系统有弃光等现象，导致收益少于双向传输系统。

图8 单向传输与双向传输系统收益对比

6 结 论

为促进清洁能源的利用，从而提高能源效率，实现能源就地消耗的目的，本文提出了双向传输的能源枢纽模型。首先建立模型中各设备的数学模型，接着建立能量双向传输的能源枢纽收益函数，通过对控制变量的优选可以实现系统收益最大的目标，最后利用仿真表明了通过储能设备（储电装置、储热装置、储气装置）间的协调优化和能源转换设备（电锅炉、微型燃气轮机）的合理分配，可以提高能源利用效率，实现系统收益最大化。