综合能源系统下虚拟储能建模方法与应用场景研究综述及展望

为了促进多能耦合互补和实现可再生能源就地消纳,综合能源系统已成为多领域的研究热点。考虑到能源设备及网络的多样性、复杂性以及多种能源时间尺度的差异性,根据能量平衡原理,对系统内具有可调特性的源、网、荷进行储能化建模,并构成虚拟储能系统参与到综合能源系统的优化调度中。为了准确把握虚拟储能的研究重点,首先介绍了虚拟储能的定义、逻辑架构和技术内涵;其次针对综合能源系统源、网、荷端设备或网络,总结和归纳了4种虚拟储能建模方法和特性指标;然后重点分析了虚拟储能在4种典型场景的具体应用;最后展望了虚拟储能未来的发展方向。

电池储能温度-功率特性建模及其在综合能源系统中的应用

针对综合能源系统(IES)中电池储能在极端高温、低温下寿命衰减快、性能差的问题,该文提出含温度-功率特性的电池储能运行模型及含电池储能温度控制的IES低碳经济调度方法。通过电池特性实验和软件仿真,构建电池电热耦合模型,并提出相应的电热耦合模型凸化方法;根据凸化电池电热耦合模型估算电池温度并构建含温度-功率特性的电池储能运行模型,分析电、气、冷、热多能流耦合特性,构建IES低碳经济运行模型;结合电池储能运行模型及其温度控制,以最小化IES总运行成本为目标,构建混合整数规划模型,制定IES经济调度策略。为验证所提方法的效果,该文根据不同季节运行场景,构建仿真模型,将所提方法与不包含电池储能温度控制的方法进行对比。对比结果表明,所提方法可以有效提升电池储能运行的使用寿命、热安全性及利用率,降低IES运行成本与碳排放量。

考虑温室虚拟储能特性的现代农业园区综合能源系统优化配置方案

实现“双碳”目标,农业发展起到重要作用,农业园区化是农业现代化的重要方向。以北方某现代农业园区为例,确立园区运行约束条件,建立园区综合能源系统优化配置模型,提出考虑园区温室虚拟储能特性的现代农业园区综合能源系统优化配置方案,与未考虑温室虚拟储能特性的方案进行对比,验证了模型的有效性和优越性。该模型提高了现代农业园区综合能源系统的能源利用效率,有效降低了系统运行成本和投资成本。

计及新能源机会约束与虚拟储能的电-热系统分布式多目标优化调度

为提升综合能源系统消纳新能源的能力,探究不同优化目标之间的联系,该文将含虚拟储能的电-热系统调度问题分解为备用制定问题与计及机会约束的新能源消纳最优运行问题,构建了兼顾经济性、低碳性与综合能效提升的电-热综合能源系统多目标优化模型。通过引入多场景与场景指示变量近似机会约束,提出一种双线性Benders分布式计算框架以提升求解效率,将原问题分解为主问题和若干子问题迭代求解,采用法线边界交叉法得到Pareto前沿面。算例分析表明,所提算法相较于集中式算法的求解速度有明显提升,考虑新能源消纳机会约束的模型可在调度中通过调整置信度平衡运行的经济性与鲁棒性,同时虚拟储能可以根据新能源处出力情况调节热网充放功率,进一步提升新能源消纳能力,降低运行成本。最后,通过求解得到的Pareto前沿面分析了经济、低碳、能效不同优化目标之间的影响。

微网电池储能系统通用综合控制策略

储能系统作为微网的功率/能量缓冲环节,对微网的稳定控制、电能质量改善和不间断供电起着重要作用,是微网安全可靠运行的关键。首先分析了微网中储能系统常用的3种控制策略,讨论了其在微网不同运行控制模式中的应用;进而设计了一种针对电池储能系统(battery energy storage system,BESS)逆变器外环控制器的综合控制策略,能够兼具PQ控制、V/f控制和下垂控制功能,从而既可以用于主从控制的微网,也能用于对等控制的微网;同时还考虑了微网从孤岛转入并网和并网转入孤岛的双向切换过程,对设计的BESS综合控制策略进行了改进,实现了双向的平滑切换。算例结果验证了提出的综合控制策略的有效性。

考虑电池储能系统的配电网广义综合负荷建模

针对含电池储能系统(batter energy storage system,BESS)的配电网参与电网仿真所需的广义综合负荷模型展开研究。阐述了BESS的仿真数学模型,搭建了基于MATLAB/Simulink的BESS仿真平台;通过对BESS暂态运行特性的仿真分析,提出了一种面向负荷的BESS等效模型并进行了检验;建立了考虑BESS的配电网广义综合负荷模型,该广义综合负荷模型由BESS等效模型和经典综合负荷模型(composite load model,CLM)并联构成;通过多场景的仿真分析,检验了提出的广义综合负荷模型的有效性和模型参数稳定性。

基于不确定性分析与电价波动的电-氢-热综合能源系统分析

“双碳”目标背景下,建设以电—氢—热多能流耦合的综合能源系统不仅可以解决新能源并网难的问题,也可以促进能源领域降碳减排。对于电—氢—热综合能源系统,以燃料电池与电解池为能源枢纽,实现电—氢—热的相互转换,进一步提高能源的梯级利用效率,增强电网调度灵活性。文中首先建立了一个基于不确定性分析与电价波动的电—氢—热综合能源系统,分析了不同能量消耗方式和电价波动对综合能源系统投资成本的影响;其次,研究了可再生能源的不确定性对系统“弃风、弃光”决策的影响机制。结果表明:综合能源系统可通过电—氢—热3种形式的能量高效转换,实现削峰填谷和长时间储能。由于可再生能源不确定性而产生的“弃风弃光”现象,可通过降低风光发电成本进行消除,进而提高综合能源系统的稳定性和灵活性。

碳交易背景下基于综合协调储能系统的碳捕集电厂优化调度

煤电低碳化改造过程中存在着峰荷时段碳捕集水平降低和碳配额计算与实际应用存在偏差的问题。针对该问题,首先引入氢燃料电池和储氢装置构成综合协调储能系统,改善碳捕集电厂峰荷时段碳捕集水平不足的问题;然后建立碳配额计算模型,使碳配额的计算方法更符合实际应用;最后以系统综合运行成本最低为目标,构建基于综合协调储能系统的碳捕集电厂优化调度模型,并使用Cplex对所提模型进行求解。算例结果表明:碳捕集电厂在优先消纳风电的基础上提高了碳捕集水平和经济性,兼顾了系统低碳性。

基于可逆固体氧化物电池的风光氢综合能源系统容量规划

可逆固体氧化物电池(reversible solid oxide cell,RSOC)作为新型氢储能技术,有利于促进可再生能源消纳、提高系统运行效率。为此,提出一种基于RSOC技术的风光氢综合能源系统规划设计方法。首先,建立风光氢综合能源系统规划模型,考虑RSOC辅助系统(balance of plant,BOP)功耗占比高、功率调节受限等约束。其次,以系统年弃电缺电量、投资成本最小化为目标,采用粒子群优化算法求解该规划问题。最后,针对氢气价格、RSOC成本等不确定性因素,开展系统规划灵敏度分析。仿真结果表明该方法能够获得合理的配置方案,大规模减小系统弃电缺电频率,提升系统资源配置的灵活性。

考虑含全钒液流电池储能系统的广义综合负荷模型

构建了适用于电网仿真的全钒液流电池(all-vanadium redox flow battery,VRB)模型,研究了VRB储能系统的外特性.从外特性等效拟合的原理出发,忽略VRB系统的无功功率,提出了VRB储能系统的等效模型.该模型结构简单,参数少,易于辨识,能够有效拟合电网在大扰动和连续小扰动情况下的储能系统外特性,其优势在于能够模拟电池储能的出力极限情形.建立了所提出的VRB等效模型与考虑配电网参数和无功补偿的传统负荷模型并联的广义综合负荷模型(Generalized Synthesis Load Model,GSLM),对含VRB储能系统的配电网广义综合负荷特性进行辨识建模.算例表明,与传统综合负荷模型相比,该GSLM能够更精确描述含储能系统的配电网综合负荷特性,VRB在综合负荷中比例越大,这种优势越明显,且模型参数辨识结果具有较好的稳定性和综合描述能力.

基于NSGA-Ⅱ-WPA的综合能源系统多目标优化调度

针对复杂多能流综合能源系统(IES)运行调控难以兼顾经济性与低碳性的问题,提出了结合非支配遗传算法Ⅱ(NSGA-Ⅱ)与狼群算法(WPA)的NSGA-Ⅱ-WPA算法,以实现IES在多目标条件下的优化调度。首先依据IES多能流的系统特性建立具有强耦合关系的运行调度模型,主要包括电能供应子系统、热能供应子系统以及制冷供应子系统;其次,构建IES的多目标运行策略,包括实时电价下的电池储能运行策略、分层能源供应策略以及碳排放权交易策略,以实现多目标因素影响下的IES协同运行控制调度优化模型;最后,提出了基于NSGA-Ⅱ-WPA的多目标优化求解算法,实现对多能流IES的优化调度。通过仿真试验对IES运行成本以及碳排放量进行评估,试验结果证明该算法能切实提高IES的综合能效,并且结果优于一般的NSGA-Ⅱ算法。

流量自适应方式下考虑热管道虚拟储能的电热能源系统优化调度

循环系统控制水力工况,是综合能源系统的必需组成部分和基础用电负荷。现有综合能源研究中循环系统大多采用质调节方式且不计能耗,忽视了其调节潜力的同时也导致调度不准确;且目前考虑热管道储能的研究大多将热网整体作为储能模型描述其在调度中的效果,缺乏对单管道储能特性的量化定义,忽略了能量在管网内部拓扑中的分布情况,不利于系统对其进行主动调用。为此,该文提出一种流量自适应方式下考虑热管道虚拟储能的电热系统优化调度方法。首先,构建由系统参数、流量决定的循环系统用电模型;其次,从储热设备角度,构建单管道虚拟储能模型,定义各项储能指标;然后,以总运行成本最低为目标函数,构建流量自适应方式下考虑热管道虚拟储能的优化调度模型;最后,算例验证了所提模型的有效性。结果表明:该文构建的单管道虚拟储能模型能准确描述各管道的储能特性及管网内部储能量分布情况,为对其主动调控提供依据;其和流量自适应调节方式均可有效降低系统运行成本,两者协同配合可进一步提高系统经济性、灵活性。

综合能源规划中配网/用户侧锂电池储能系统的技术经济研究

为消纳本地可再生能源和降低用户用能成本,在城市园区能源规划中,随着储能成本的降低,储能系统成为一个可能的选项。本文对锂离子电池的技术特性、大规模电池储能系统应用的技术、经济进行研究分析,为城市园区级综合能源规划提供参考;通过案例研究,计算储能系统的年收益与支出,得到四类情况下峰谷差与静态回收周期的关系,对比了新旧电池、不同充放电策略的经济性和适用性。相比于新电池,梯级利用电池可缩短25%的回收周期;"两充两放"策略相比于"一充一放"策略可以更快获得40%的收益,适合于峰谷电价差较大的地区。本文的研究为用户侧中建设储能系统提供理论依据。

基于纵横交叉算法的储能系统自适应控制策略

大量储能设备通过虚拟同步机(VSG)并入电网时,传统固定惯量和阻尼控制策略中,控制参数选取不当会造成调节时间长或超调量大,且无法充分发挥VSG控制灵活的优势。为此,提出了基于纵横交叉(CSO)算法的储能系统自适应控制策略,首先,建立了储能系统VSG系统,将储能VSG系统频率的误差与电压总谐波畸变率之和的最小值作为CSO的目标函数,并引入电池的荷电状态(SOE)约束求解最佳惯量以及阻尼,该算法收敛速度更快且有效地规避了参数局部解。在此基础上,设计一种改进的惯量阻尼自适应控制策略,有效地改善了VSG的动态性能。最后,通过Matlab/Simulink搭建仿真模型,验证了所提策略的有效性。

考虑功能区差异性和虚拟储能的综合能源系统多元储能规划

综合能源系统实现了冷、热、电等多种能源形式的横向互补以及“源-网-荷-储”多个环节的纵向协调。基于区域综合能源系统功能区内冷热产消就地平衡,以及电作为功能区间能量枢纽的特点,分析了典型功能区“源-网-荷-储”的差异特性,包括电动汽车(EV)的时空特征、用户冷热需求的柔性和供热系统的热惯性等;考虑了EV负荷、冷热负荷和供热系统的虚拟储能特性,建立了计及功能区间能量交换能力、储能设备成本等差异的区域综合能源系统实体储能(设备)规划模型;以某一包含居民区、办公区、商业区和工业区的新区综合能源系统为例进行算例分析,结果表明考虑了虚拟储能的多功能区综合能源系统优化调度为整个系统带来了更多的弹性和联网效益,有效减少了消纳可再生能源所需的实体储能配置容量。

级联型储能系统中虚拟同步发电机控制及电池自均衡策略

为更好地应对可再生能源装机容量不断提升而传统分布式储能系统容量小、电压等级低的问题,提出采用级联H桥拓扑实现单机电池储能系统(BESS)的高压、大容量化。为增强储能系统入电网友好性,对虚拟同步发电机(VSG)控制技术进行了研究,结合同步发电机的一次调频特性及调压特性,详细分析了同步发电机的二阶等效模型和VSG控制策略,建立VSG控制的宽频带小信号动态模型,定量分析VSG控制的固有功率耦合特性及交流侧阻抗对VSG控制的影响,提高了VSG模型准确度。通过频域模型分析虚拟惯性和阻尼以及无功控制参数与BESS性能的关系,为VSG稳定性分析及关键参数的设计与优化提供了依据。针对VSG控制下BESS模块电池荷电状态均衡的问题,提出一种改进型最近电平调制方法并给出了调制原理,实现了相内模块间荷电状态的自均衡。最后,利用搭建的仿真模型,验证了VSG在级联型BESS应用中的可行性、参数分析以及调制方法的有效性。

基于虚拟储能的综合能源系统分布式电源功率波动平抑策略

针对含分布式可再生能源的热电联供综合能源系统,提出一种基于虚拟储能技术的热电联供综合能源系统联络线功率波动平抑策略。分析了综合能源系统中热电联供系统的结构特点与电热耦合方式。热电联供综合能源系统中的可控设备包括微型燃气轮机、热泵、蓄电池和超级电容。虚拟储能系统是基于建筑物蓄热特性的模型。引入可控设备及虚拟储能系统状态指标,采用加权滑动平均滤波算法确定联络线目标平滑功率;将联络线波动功率在可控设备间分配,并基于设备状态映射表,引入设备修正系数以确定其最终出力。在上海某高校“中意绿色能源实验中心”进行验证,结果表明,所提策略能够实现电热耦合协调,保证功率波动平抑效果,在满足虚拟储能状态约束的前提下,保证客户的舒适度,延长可控设备的使用寿命,并充分发掘热电联供综合能源系统的控制灵活性,增强分布式可再生能源的综合消纳能力。

基于不同种类储能电池的微电网综合储能系统性能对比

储能系统是保证微电网正常运行的关键,综合储能系统是微电网中储能应用的重要方式。本文将由电池储能与氢储能共同构成的综合储能系统应用在光伏微电网中,实现了电能、氢能、光能的多能互补。本文首先为微电网设计了一套经济可行的调度方案,该调度方案包含日前调度和实时调度两部分,根据不同的天气情况采取不同的调度原则。接着,本文分别计算了包含铅炭电池、磷酸铁锂电池和液态金属电池的微电网综合储能系统的全寿命周期成本,从而确定最佳的电池种类。对于本文所研究的综合储能系统而言,目前磷酸铁锂电池是系统全寿命周期成本最低的电池,而液态金属电池有可能成为该系统未来的一种新选择。

计及SOC的电池储能系统一次调频自适应综合控制策略

考虑电池储能系统自身容量限制下提升一次频率响应的自适应性,提出一种计及荷电状态(SOC)的电池储能系统一次调频综合控制策略。建立电池储能系统一次调频动态模型,对比分析了虚拟惯性与虚拟下垂控制对电网频率偏差的调节特性。设计考虑SOC的电池储能系统一次调频自适应综合控制策略,并引入一种由综合考虑频率偏差及其变化率的输入系数与计及电池储能系统SOC的反馈系数相结合的自适应因子,输入系数由模糊逻辑控制器自适应调节,反馈系数通过回归函数自适应调节。最后搭建仿真模型进行阶跃和连续负荷扰动工况下不同控制策略对比分析,仿真结果验证了所提控制策略能自适应控制电池储能系统出力,有效提升一次调频效果。

不同种类储能电池的微电网综合储能系统性能对比及电池选择

为维持微电网安全可靠运行,实现对电能质量的改善,需要对不同种类储能电池微电网综合储能系统性能有一定认识,基于此选择合适的电池。在关于铅酸电池和铅碳电池性能实施试验对比基础上,实现对不同种类储能电池性能的认识,由此选择高性价比电池。试验结果显示:铅碳电池和铅酸电池相比,循环寿命及额定充放电倍率更高,成本更低,性能更优。为实现对纯电池充放电的有效控制,提出了微电网储能系统充放电控制方法,并且对其应用实施仿真分析,结果显示这一系统在确保电池正常工作基础上,也可以有效缓解充放电压力,提升储能系统的效率运行时长。在微电网发展中以光伏等分布式发电电源为主光储微电网成为主要发展方向,可以实现对广大用户安全性及个性化需求的有效满足,具有重要的推广和应用价值。