中國儲能網(wǎng)訊：
1.新型綜合能源系統(tǒng)設計及分析
在新型綜合能源系統(tǒng)研究方面，本專欄刊出西南石油大學李茜等發(fā)表的《海上油氣微能系統(tǒng)的低碳優(yōu)化運行研究》和大連理工大學袁鐵江教授等發(fā)表的《新能源-PEM電解制氫全壽命經(jīng)濟性評估》2篇文章，主要內容如下。
1）海洋新能源資源豐富，利用海洋新能源為海上油氣平臺供能已成為一種重要的發(fā)展方向。但新能源的出力往往受到氣候影響，具有很強的不確定性，其接入海上油氣平臺后將對系統(tǒng)的運行及調度帶來一定困難。為實現(xiàn)海上油氣平臺的低碳運行及用能安全，研究新能源接入海上油氣微能系統(tǒng)的可行性，解決新能源接入給系統(tǒng)運行帶來的挑戰(zhàn)具有重要意義?！逗Ｉ嫌蜌馕⒛芟到y(tǒng)的低碳優(yōu)化運行研究》構建了一種考慮新能源接入的海上油氣微能系統(tǒng)（offshore oil and gas micro integrated energy system，OMIES），主要包括供能系統(tǒng)和油氣生產(chǎn)系統(tǒng)（oil and gas production system，OGPS），是一種特殊形式的綜合能源系統(tǒng)，具有獨立的供能模式。余熱梯級利用單元（waste heat cascade utilization unit，WSCU）是供能系統(tǒng)的核心單元，其通過燃燒柴油與伴生氣為整個 OMIES 供能；OGPS 則消耗電能、熱能進行作業(yè)生產(chǎn)石油及伴生氣，整個生產(chǎn)過程主要是從油井中采出混合原油并將其分離為石油原液和混合伴生氣，然后將石油原液加工成石油輸出，混合伴生氣進行脫水脫酸處理轉變成可燃燒的伴生氣；同時，為應對新能源帶來的挑戰(zhàn)，建立的混合儲能系統(tǒng)由浮式海水制氣-伴生氣儲庫低碳模塊、電轉熱單元（electric-heat，E-H）以及儲電單元（electric storage，ES）組成，實現(xiàn)儲電、儲氣功能、電能的轉換、CO2的捕集以及天然氣的合成。文章全面分析了OMIES各單元之間的能量-物質耦合關系，建立了含新能源與FP2G-AGS的OMIES整體數(shù)學模型，實現(xiàn)系統(tǒng)多能量流、物質流耦合的建模與分析；并且對源、荷雙重不確定性進行分析，基于不確定性理論和模糊隨機優(yōu)化理論，建立了相應的模糊隨機雙重不確定性優(yōu)化模型，并對不同場景下的OMIES進行優(yōu)化運行對比分析，算例驗證了FP2G-AGS低碳模塊的建立極大地降低了海上油氣平臺的CO2排放量，且考慮了雙重不確定性得到的優(yōu)化結果也更加趨近真實值。
2）習近平總書記在2020年聯(lián)合國大會一般性辯論和氣候雄心峰會等重要會議上提出中國爭取2030年前碳達峰、2060年實現(xiàn)碳中和，這一目標對中國能源系統(tǒng)綠色發(fā)展提出了更高要求?！熬G電制氫”被認為是支撐高比例新能源為主要特征的“碳中和”能源系統(tǒng)的關鍵技術之一。質子交換膜（proton exchange membrane，PEM）電解槽具有高電流密度、靈活可調等特性，可作為支撐新型電力系統(tǒng)的關鍵設備，但其一次投資成本和運行成本較高，規(guī)模化發(fā)展受到制約?！缎履茉?PEM電解制氫全壽命經(jīng)濟性評估》根據(jù)電解槽的衰減原理，面向風電、光伏制氫場景，提出了PEM電解槽變功率運行效率與壽命計算模型。考慮新能源-PEM電解槽全壽命周期成本模型以及售氫收入與等效環(huán)境收入等，建立其全壽命周期收入模型，進而建立全壽命周期經(jīng)濟評估模型。最后，以甘肅某區(qū)域風電場為例驗證了所提模型與方法的有效性，以及PEM電解槽制氫的經(jīng)濟可行性。
2.太陽能光伏光熱（PVT）熱泵系統(tǒng)研究
在太陽能光伏光熱利用方面，本專欄刊出上海交通大學劉文杰等發(fā)表的《直膨式太陽能PVT熱泵熱水系統(tǒng)運行性能仿真與分析》以及馬光柏等發(fā)表的《直膨式太陽能熱泵供暖系統(tǒng)實驗及性能分析》2篇文章，主要內容如下。
1）太陽能利用技術可分為太陽能光熱利用技術和太陽能光伏發(fā)電技術，而太陽能光伏光熱（photovoltaic-thermal，PVT）技術結合了光伏與光熱技術，將換熱結構與光伏組件相耦合，利用集熱介質（水、空氣、潛熱工質等）帶走光伏組件的工作廢熱并加以利用。該技術在提高太陽能綜合利用效率的同時，也可有效降低光伏溫度，提高光伏發(fā)電效率。其中，直接膨脹式（簡稱直膨式）太陽能PVT熱泵技術通過直膨式蒸發(fā)器背板，將光伏組件與太陽能熱泵耦合起來，可以進一步提高系統(tǒng)的換熱性能和熱能輸出品位?！吨迸蚴教柲躊VT熱泵熱水系統(tǒng)運行性能仿真與分析》通過建立直膨式太陽能PVT熱泵熱水系統(tǒng)的仿真模型，以上海臨港地區(qū)為例，分析了3種不同配置方式的系統(tǒng)在全年波動工況下的熱水供應和發(fā)電性能。結果表明在組件數(shù)量相同的情況下，減少壓縮機理論輸氣量可以提高系統(tǒng)的性能系數(shù)，但系統(tǒng)所需加熱時間延長，而熱泵循環(huán)的引入顯著降低了光伏組件的工作溫度，能有效提高系統(tǒng)的發(fā)電性能。
2）熱泵是提高能效、低碳減排的關鍵技術，熱泵技術的發(fā)展為高效利用太陽能熱能提供了新思路，直膨式太陽能熱泵（DX-SAHP，direct expansion solar assisted heat pump）技術將太陽能熱利用技術和熱泵技術相結合，充分利用太陽能和空氣源熱泵的各自優(yōu)勢，提供高效低成本的熱量，是一種創(chuàng)新技術應用?！吨迸蚴教柲軣岜霉┡到y(tǒng)實驗及性能分析》圍繞建筑供暖需求，搭建了太陽能集熱/蒸發(fā)器和翅片蒸發(fā)器并聯(lián)的DX-SAHP供暖系統(tǒng)，并采用實驗的方式對系統(tǒng)性能進行了研究，結果表明，系統(tǒng)運行時，集熱器陣列工質均勻分布性較好，能獲得較高的性能，系統(tǒng)性能系數(shù)最高達到6.88，壓縮機頻率、太陽輻照度和環(huán)境溫度是影響系統(tǒng)性能的主要因素；壓縮機定頻運行時，太陽能集熱/蒸發(fā)器的性能系數(shù)比翅片蒸發(fā)器大約高30%，變頻運行時，大約高45%，采用變頻運行的方式具有更優(yōu)的性能；實際工程應用時，為滿足建筑供暖的需求，晴天時可考慮設置儲熱水箱用于調節(jié)熱量，多云天氣需要優(yōu)化運行控制方式，如增加壓縮機頻率、適時切換為翅片蒸發(fā)器運行等，陰天需要通過翅片蒸發(fā)器運行提高制熱量。
3.海上風電集群控制策略研究
本專欄刊出華北電力大學副教授、《中國電力》青年編委閻潔研究團隊發(fā)表的《基于深度強化學習的海上風電集群自進化功率平滑控制方法》1篇文章，主要內容如下。
海上風電作為推進中國能源結構轉型、保障能源安全的重要戰(zhàn)略支撐，是目前和未來幾十年中國可再生能源發(fā)展的重點。然而與陸上風電相比，海上風電場址平闊，開發(fā)規(guī)模大且布局集中，風資源相關性強。眾多機組總功率的波動幅度容易發(fā)生疊加擴大，也會導致大批機組處于高風速區(qū)造成切機時大幅功率損失，易引發(fā)電網(wǎng)備用容量不足或其他電源難以跟蹤調節(jié)等不良事件，這使得大規(guī)模海上風電并網(wǎng)對電力系統(tǒng)的影響更為突出。尤其對于接入中國東部電網(wǎng)的大型海上風電場或海上風電基地而言，由于西部特高壓輸電的大規(guī)模饋入，本地同步電源大幅降低、系統(tǒng)備用容量不足，上述問題將更為突出?！痘谏疃葟娀瘜W習的海上風電集群自進化功率平滑控制方法》提出了“策略離線訓練、在線快速尋優(yōu)、控制效果自進化”的控制架構，建立了深度強化學習的海上風電集群有功輸出平滑控制模型。首先，提出了面向集群功率平滑控制的短期收益函數(shù)，基于馬爾科夫決策過程模型求解最優(yōu)指令；其次，提出了面向功率策略校準的長期收益Policy函數(shù)，根據(jù)歷史反饋數(shù)據(jù)有效矯正控制偏差；最后，建立了智能體狀態(tài)、控制收益和控制決策之間映射的深度神經(jīng)網(wǎng)絡模型，實現(xiàn)基于深度確定性策略梯度算法的智能體訓練與求解。結果表明，所提方法采用深度確定性策略梯度算法在離線訓練中迭代優(yōu)化決策網(wǎng)絡，通過學習長期的實際反饋來有效修正預測誤差帶來的控制偏差，實現(xiàn)了控制模型的自進化；用決策網(wǎng)絡在線快速尋優(yōu)，可大幅縮短控制指令的運算時間，提高在線決策速度；案例結果表明所提方法能夠在滿足較少壓低負荷的前提下，有效平滑風電集群的總有功輸出。
相關研究延伸
1.綜合能源系統(tǒng)研究
綜合能源系統(tǒng)指的是在規(guī)劃、建設和運行等過程中，通過對能源的產(chǎn)生、傳輸與分配(能源網(wǎng)絡)、轉換、存儲、消費等環(huán)節(jié)進行有機協(xié)調與優(yōu)化后，形成的能源產(chǎn)供銷一體化系統(tǒng)。它主要由供能網(wǎng)絡(如供電、供氣、供冷/熱等網(wǎng)絡)、能源交換環(huán)節(jié)(如CCHP機組、發(fā)電機組、鍋爐、空調、熱泵等)、能源存儲環(huán)節(jié)(儲電、儲氣、儲熱、儲冷等)、終端綜合能源供用單元(如微網(wǎng))和大量終端用戶共同構成。綜合能源系統(tǒng)是能源互聯(lián)網(wǎng)的物理載體。目前研究主要集中在綜合能源系統(tǒng)協(xié)同規(guī)劃設計技術、運行優(yōu)化調度技術等方面。
綜合能源系統(tǒng)協(xié)同規(guī)劃設計技術研究中，帝國理工的Nilay Shah團隊[1]研究了城市能源系統(tǒng)的混合整數(shù)線性/非線性優(yōu)化方法，統(tǒng)籌考慮建筑選址布局、負荷需求以及能源技術選擇之間的關系。西班牙Zaragoza大學Jose M Yusta[2]采用遺傳算法對混合發(fā)電系統(tǒng)進行規(guī)劃設計，并研究了蓄電池容量配置的優(yōu)化方案。Ali Zangeneh[3]提出了以基于帕累托方法的多目標優(yōu)化算法，解決一個綜合能源系統(tǒng)的規(guī)劃問題。華南理工大學管霖[4]把同時考慮“質”和“量”調節(jié)的方法運用到優(yōu)化設計IES管網(wǎng)管徑方案中，以年等值最小投資作為優(yōu)化目標。武漢大學王琪鑫[5]把IES中的供、用暖系統(tǒng)作為研究對象，通過分析需求側用戶的行為，得到了同時對IES供、需側進行優(yōu)化的方法。天津大學王成山團隊[6]在IES系統(tǒng)的框架搭建過程中，選用了集中母線，建立了0-1混合整數(shù)線性規(guī)劃模型。東南大學顧偉團隊[7]針對可再生能源出力及負荷不確定問題提出一種在線優(yōu)化調度微網(wǎng)的方法。四川大學劉繼春[8]考慮電轉氣能量損失和環(huán)境成本，提出了一種日前經(jīng)濟調度優(yōu)化模型。華北電力大學的胡浩[9]將CVaR理論引入綜合能源運行調度問題，提出一種計及風、光出力和電、熱負荷不確定性的經(jīng)濟調度模型。河海大學孫國強[10]提出采用虛擬電廠模式實現(xiàn)不同區(qū)域分布式冷熱電聯(lián)供型IES的協(xié)調優(yōu)化控制。在多能協(xié)同規(guī)劃設計、優(yōu)化運行方面，國外已開發(fā)的軟件有美國CERTS資助開發(fā)的DER-CAM、美國NREL開發(fā)的HOMER、克羅地亞Zagreb大學開發(fā)的H2RES、西班牙Zaragoza大學開發(fā)的i HOGA、丹麥Alborg大學開發(fā)的EnergyPLAN；國內有中科院廣州能源研究所開發(fā)的DCOT、天津大學開發(fā)的PDMG和廈門大學開發(fā)的CEPAS。
綜合能源系統(tǒng)運行優(yōu)化調度技術研究主要集中在運行策略選擇、優(yōu)化指標選擇、優(yōu)化方法等方面。張義志等[11]重點考率了供熱系統(tǒng)與熱力管網(wǎng)特性，建立了供熱系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)能流計算的精細化模型，提出以電力系統(tǒng)為骨架，在供熱系統(tǒng)模型的基礎上，將供熱系統(tǒng)能流方程采用熱負荷和聯(lián)供機組抽汽量的形式引入最優(yōu)能流計算模型。顧偉等[12]在原有的冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)模型的基礎上，考慮區(qū)域熱網(wǎng)對能源利用率的影響，利用傳熱學的機理構建非線性熱網(wǎng)約束模型，并通過推導將其線性化處理成熱網(wǎng)模型以便于求解，最后，將CCHP運行優(yōu)化模型與熱網(wǎng)模型進行熱功率耦合，建立含有熱網(wǎng)的多區(qū)域IES優(yōu)化模型。胡榮等[13]對裝有蓄能裝置的冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)進行優(yōu)化研究。李智等[14]為解決CCHP系統(tǒng)因設備容量導致經(jīng)濟性變差的問題，以年運行費用成本最低為目標函數(shù)，以負荷平衡，設備運行和安全穩(wěn)定性約束為約束條件，構建了CCHP系統(tǒng)的混合整數(shù)線性規(guī)劃模擬對CCHP系統(tǒng)的設備容量進行優(yōu)化分析。李明等[15]提出“?”的概念并將其作為衡量用能質量的標準，以“?經(jīng)濟”損失最小的目標函數(shù)，不等式約束包括供能出力約束，耐受量及運行量約束，以及傳輸單元的容量約束，等式約束包含能量，熱量，廣延量及強度量平衡約束，構建一個完整的區(qū)域綜合能源系統(tǒng)運行優(yōu)化模型。張寧[16]分析了能量樞紐在能源互聯(lián)網(wǎng)中應該具備的功能，在此基礎上建立包含電、氣、熱三種能源的能量樞紐模型。
2.風能熱利用技術
我國風能資源豐富，具有大規(guī)模開發(fā)利用的前景，我國10m高度層的風能資源總儲量為32.26億kW，其中可開發(fā)利用的陸地風能儲量為2.53億kW。根據(jù)國家能源局最新統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，截至2022年底，我國風電累計裝機容量已達3.65億kW，占全國總發(fā)電裝機容量的14.25%，同比增長11.2%。但傳統(tǒng)風電領域面臨電價退坡、棄風限電、補貼拖欠等諸多挑戰(zhàn)，風電行業(yè)不得不面對與煤電和光伏競爭的短期陣痛，降本增效成為風電行業(yè)在“后補貼時代”和“雙碳目標時代”提升競爭力的重中之重，風能領域能源變革和創(chuàng)新勢在必行。多學科交叉融合與多元化模式創(chuàng)新是未來風能發(fā)展的重要方向，新型、高效、低成本風能熱利用技術的研究值得關注。
風能熱利用技術對風質要求低，對風況適應性強，作為一種清潔能源供暖方式已受到廣泛關注。早期風力致熱研究工作，主要集中于液體攪拌、液體擠壓、固體摩擦和渦電流法四種方式，由于供熱規(guī)模小、能量轉化效率較低，無法滿足供暖方式清潔化高效化分布式規(guī)?；陌l(fā)展需求。隨著熱泵技術的發(fā)展，利用風能驅動熱泵成為一種可能的清潔高效制熱技術。
美國克羅拉多州立大學[17]搭建了5kW風力熱泵用以加熱牛奶，證明了風能直接驅動熱泵的可行性，該熱泵在8m/s風速時度熱成本為3~5美分/度。臺北科技大學采用鏈條齒輪傳動和皮帶輪傳動兩種方法利用風能直接驅動熱泵機組[18-19]，對不同風速下熱泵的穩(wěn)定運行工況進行了測試。實驗結果表明，風能直驅熱泵系統(tǒng)避免了風能轉化電能的過程能量損失，與風—電—熱泵過程相比，效率提高了10%以上，但目前無法實現(xiàn)風力機變槳偏航運行。土耳其烏魯達大學[20]搭建了一種風力機直接驅動熱泵的系統(tǒng)，通過實驗發(fā)現(xiàn)熱泵可制得風力機所捕獲機械能四倍的熱能。華南理工大學[21-22]在實驗室中利用風力驅動一個5kW的小型風輪，通過傳動機構驅動壓縮機工作，研究風力機的輸出功率、扭矩與壓縮機輸入功率、轉動扭矩間的匹配關系，但缺乏風輪變槳偏航等控制模式，只能為熱泵壓縮機的選擇、風力機轉速范圍的確定提供一定的參考。西南科技大學[23]在理論上對一種風能熱泵供暖進行了評估，該系統(tǒng)憑借液壓傳動裝置將風力機的機械能傳動至熱泵壓縮機，帶動壓縮機制熱供暖。經(jīng)測算10萬m2的住宅建筑供暖需要兩臺3MW的風力機組，從理論計算上證明技術的可行性，但缺乏進一步的仿真模擬及實驗研究工作。
綜上所述，目前國內外相關研究機構對風能直接驅動熱泵的理論研究尚處于起步階段，研究主要集中在實驗室環(huán)境中，在恒定風向風速條件下，對小型定槳風力機驅動熱泵的性能進行測試，論證了風能直驅熱泵技術路線的可行性。但是現(xiàn)有小型試驗只是各部件的簡單拼接，缺乏風能直驅熱泵機組（以下簡稱“風熱機組”）一體化概念設計和深入的理論研究。風熱機組將發(fā)電機更換為壓縮機后，壓縮機與傳動系統(tǒng)之間依然存在多場耦合，但是耦合特性發(fā)生了改變，需結合風電機組傳動系統(tǒng)模型詳細考慮傳動系統(tǒng)-壓縮機多場耦合特性，研究熱負載的遲滯響應和制冷劑的動態(tài)變化過程對風熱機組運行狀態(tài)及性能帶來的影響。此外，風熱機組控制策略需充分耦合風電機組與熱泵調控策略，一方面風輪需承擔最大功率捕獲的任務，另一方面熱泵需要適應輸入工況的波動性進行自適應調節(jié)，以制熱量/制冷量最大為目標，建立并優(yōu)化風熱機組的控制策略，作為能量傳輸機理揭示與機組性能優(yōu)化之間的橋梁，是上游端能量傳輸機理能夠指導下游端機組性能優(yōu)化所必須的途徑與方法。
3.海上風電技術
根據(jù)裝機位置不同，風力發(fā)電可分為陸地風力發(fā)電和海上風力發(fā)電兩種。目前，我國大部分風力發(fā)電機組分布在陸地，隨著近幾年可再生能源發(fā)電的大力推廣，陸地風力發(fā)電已形成規(guī)模，其具有安裝、檢修方便等優(yōu)點，但由于風能具有波動性，導致風力發(fā)電的不穩(wěn)定風險較大，存在一定量的“棄風”現(xiàn)象。為獲得更好的風力條件，風電機組選址較為考究，導致機組安裝成本難以降低，且因其噪音及轉動特性會造成生態(tài)環(huán)境的破壞。相比之下，海上風電具有風速更大、靜風期更短、節(jié)約土地資源且免于考慮噪音等污染的優(yōu)點，但目前投產(chǎn)的海上風力發(fā)電項目多位于近海，風電資源更為豐富的遠海風電還未得到充分利用。
由于海上環(huán)境特殊，海上風電機組與陸上風電機組有極大不同，而且，海上風電機組所處海洋環(huán)境遠比陸地環(huán)境惡劣，因此對海上風電機組的技術有著更高的要求。目前，國內外采用的風電機組根據(jù)其基礎結構是否接觸海底分為固定式和漂浮式兩種[24]，固定式機組根據(jù)其基礎不同又分為重力式、單樁基礎和套管式等，漂浮式則根據(jù)浮體不同分為半潛型、立柱型和張力腿(拉桿)型；固定式機組穩(wěn)定性高、應用早，技術較為成熟，成本較低且安裝難度小，已在近岸淺海得到廣泛應用。但隨著海上風電發(fā)展逐漸深遠?；潭ㄊ斤L電機組已無法滿足應用要求，新型漂浮式海上風電機組得到了極大發(fā)展。
目前，海上風電的送出還是以電力輸送方式為主，隨著電力輸送技術的發(fā)展，結合海上風電的特點，用于輸送海上風電的技術[25]主要有高壓交流輸電、高壓直流輸電、分頻輸電(fractional frequency transmission system, FFTS)和船運電池輸電技術等。高壓交流輸電技術憑借其結構簡單、成本低廉、技術成熟等優(yōu)點已被廣泛用在近海海上風力發(fā)電的電力傳輸工程中。其主要原理[26]為：首先將各風電機組輸出的電壓幅值、頻率波動的交流電經(jīng)過換流器轉換為恒壓的工頻交流電，經(jīng)過海上升壓變壓器升壓后匯入海底電纜，傳輸至陸地并入電網(wǎng)。受到電纜線路電容充電的影響，此種輸電方式無功損耗較大，電纜有效負荷率低，因此只能短距離、小容量傳輸電能，一般還需要增加無功補償器，且直接與電網(wǎng)相連也會增加電網(wǎng)與電廠的安全風險。高壓直流輸電技術主要有兩種拓撲：基于線換相換流器的傳統(tǒng)高壓直流輸電和基于自換相電壓源換流器的柔性直流高壓輸電[27]。二者主要工作原理類似，即將風電機組輸出的交流電能經(jīng)過海上換流器轉換為直流后，經(jīng)過海底直流電纜傳輸至陸上，再經(jīng)陸上換流站將電能轉換為工頻交流電后并入電網(wǎng)。FFTS技術由王錫凡院士提出，旨在通過降低交流電頻率減小輸電電纜電容效應導致的充電電流的影響。研究表明，如果只考慮交流海底電纜電容充電電流的影響，在50、16、15、10、5和1Hz頻率下，有功最大傳輸距離分別為140、437、465、630、1280和14945km,因此該方法可極大減小工頻交流輸電的無功影響，延長交流電能輸送里程和電纜使用壽命，也可相應減少風電機組齒輪箱增速比，簡化結構的同時降低成本；但也需考慮降頻之后帶來的相應變壓器體積[28]、重量變大的問題及全場風力發(fā)電機運行的效率問題。隨著海上風電場逐漸向深遠?；l(fā)展，輸電線路建設成本大幅提高。近年來，電力儲能技術取得快速發(fā)展，特別是鋰電池技術的成熟和相關產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，船運電池輸電技術[29]成為可能。與傳統(tǒng)輸電線路輸送相比，船運電池輸電技術無電纜鋪設問題，不受輸電距離的限制，具有靈活性強、建設投資成本低等優(yōu)點。目前來看，輸送容量偏小、損耗費用偏高等是限制其發(fā)展的主要因素，但其仍為深遠海風電輸電方式的研究提供了新的思路。
