计及先进绝热压缩空气储能的电气协调枢纽规划优化方法与流程

本发明属于综合能源系统规划优化，具体涉及计及先进绝热压缩空气储能的电气协调枢纽规划优化方法。

背景技术：

1、风机(wind turbine,wt)和光伏(photovoltaic,pv)等可再生能源发电设备在能源系统的高比例接入已成为实现碳中和的关键解决方案。为了促进可再生能源消纳、提高能源利用效率，综合能源系统(integrated energy system,ies)作为一种新型能源利用模式被提出，它可以将电、气、冷、热等多种能源形式耦合起来，进行能源梯级利用。其中，冷热电联供(combined cooling,heating and power,cchp)系统作为一种常见的用户侧分布式ies因其灵活的应用规模和供能方式等优势被广泛研究并推广。城市作为能源消耗的主战场，也是可再生能源大规模发展的前沿阵地。然而，在城市级ies的发展进程中，随着可再生能源在终端能源消费中比重的不断增大以及分布式可再生能源的快速普及，确保安全、经济的能源供应已成为研究重点。

2、从城市能源系统可靠运行角度，采用环状的电力网络、天然气网络可实现高、中、低压的多级能源输送和分配，通过多区域cchp系统的耦合互联，保证能源互补、可靠供应，其中天然气高压环网还可用于储存天然气，并在一天或一周内进行调峰填谷。然而，可再生能源的高比例接入给能源系统的可靠、经济运行带来了巨大的压力。为此，电储能(electrical energy storage,ees)和电转气(power-to-gas,p2g)已成为可再生能源可靠消纳的关键技术。其中，容量型储能(储能时长/放电持续时间≥4h)和能量型储能(储能时长/放电持续时间1～2h)分别在削峰填谷和离网储能、调峰调频和紧急备用中的应用受到广泛关注。目前，传统且已广泛应用的储能为容量型储能抽水蓄能(pumped hydro energystorage,phes)和能量型储能电化学储能。其中，phes(效率可达75％)虽然能够实现gw级能量的存储，但是由于其受水利条件、建设周期长等限制，存在应用局限性。相比之下，电化学储能被广泛应用于电动汽车、微电网等分布式领域，效率高达90％，但是由于其投资成本高、使用寿命有限、单体容量较小，在大规模可在生能源消纳中的发展有限。因此，作为继phes之后被认为适合gw级大规模存储的容量型储能，压缩空气储能(compressed airenergy storage,caes)近年来受到广泛重视。但是，由于其放电时需要燃气型设备进行补燃，效率一般在50％左右。近年来，随着先进绝热压缩空气储能(advanced adiabaticcompressed air energy storage,aacaes)的研究和示范应用，采用回收压缩热取代燃料补燃加热，从而省去燃烧室，实现资源的高效利用和零碳排放，具有广泛应用前景，其效率可达60％-70％。因此，在能源系统应用领域，aacaes成为时代新宠。与此同时，相比ees，一种新型的能源大规模存储利用模式被提出，即p2g。p2g设备效率可达50％-70％，且转化成为的天然气能量密度高、可压缩，是大规模存储的有效能源形式。但是，相比于ees，由于存在能源形式的转化，整体效率较低。随着电力系统的发展，对长时大规模储能的要求愈发增加，aacaes、p2g+气储能等模式作为容量型储能具有极大的发展潜力。

3、近年来，研究人员对bt、aacaes、p2g在ies中的运行进行了仿真和优化。然而，现有文献均没有研究在电力系统或者ies等具体网络级场景中以更高的容量水平进行aacaes的大规模应用。同时，部分aacaes模型仅描述了电能充放与储能量变化的过程，无法刻画能量在压缩机、储热罐等不同设备间的传递与损失过程，而另一部分模型对动态过程的描述过于复杂，计算复杂度显著增加。因此，为应对大规模应用需求，有必要在建模的准确度和复杂度之间进行权衡并建立适用于优化的aacaes稳态模型。此外，尚未有文献针对不同可再生能源消纳技术耦合于实际能源系统背景下的经济性与能效性进行对比，不同ees之间、ees与p2g之间、长短时储能场景之间的分析不够深入。

4、在ees的利用模式方面，针对城市电气环形能源网络结构，相比分布式储能，常采用建造于城市燃气门站和配电站的集中式储能模式以实现分布式可再生能源的高效、经济、可靠消纳，但由于城市燃气门站和配电站一般独立运行，运行效率低。城市燃气门站中，透平膨胀机(turbo-expander,te)回收降压能所产生的电能、用于降压补热的热电联产(combined heating and power,chp)机组产生的电能在其独立运行时被直接浪费。城市配电站中，分布式可再生能源仅可存储在ees中，其通过p2g转换成天然气并实现长时存储的潜力尚未挖掘。因此，如何基于电气耦合能源站对降压能、燃气补热能、分布式可再生能源等多种能源进行梯级利用，并进一步构建城市级电气协调枢纽、开展此类新型能源站的规划优化对推动城市级ies中可再生能源高效消纳、可靠运行、经济调度至关重要。目前，针对ies的规划集中于单一cchp系统内设备、管道-设备联合规划优化等研究，存在以下局限性：一方面，基于用户侧分布式cchp系统安装的储能均为分布式储能，仅基于各自利益进行规划运行，缺乏可调资源互动，城市整体的投资和运行成本较高；另一方面，从城市级ies角度，适用的aacaes稳态模型以及其与bt、p2g+气储能在长短时储能运行场景下运行特性的对比尚未得到深入挖掘。

5、综上，有必要从以城市燃气门站与配电站耦合为核心的能源站建设、aacaes精细化建模、不同储能方式多场景经济技术对比等角度针对传统ies规划优化模型进行完善。

技术实现思路

1、针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供计及先进绝热压缩空气储能的电气协调枢纽规划优化方法，解决了现有技术中的问题。

2、本发明的目的可以通过以下技术方案实现：

3、计及先进绝热压缩空气储能的电气协调枢纽规划优化方法，包括以下步骤：

4、构建城市级电气协调枢纽多能梯级利用框架、多能设备模型以及先进绝热压缩空气储能精细化模型；

5、搭建区域内冷热电联供、区域间电气环网耦合的城市级电气协同互联系统模型；

6、对城市级电气协调枢纽多能梯级利用框架、多能设备模型、先进绝热压缩空气储能精细化模型以及城市级电气协同互联系统模型中的非线性项进行线性化降维；

7、基于降维后的城市级电气协调枢纽多能梯级利用框架、多能设备模型、先进绝热压缩空气储能精细化模型以及城市级电气协同互联系统模型，搭建计及先进绝热压缩空气储能的城市级电气协调枢纽规划优化模型。

8、一种计算机存储介质，存储有可读程序，当程序运行时，能够执行上述规划优化方法。

9、本发明的有益效果：

10、1、本发明建立一种计及先进绝热压缩空气储能的城市级电气协调枢纽规划优化方法，类比于城市燃气门站与配电站，提出了一种用于城市级能源联供输配的电气协调枢纽框架以实现分布式可再生能源100％消纳，并且为描述储能大规模应用下具体的能量转换与损失过程、提高规划可靠性与有效性，提出了机理驱动的先进绝热压缩空气储能精细化模型。

11、2、构建区域内冷热电联供、区域间电气环网耦合的城市级电气协同互联系统，并通过城市级电气协调枢纽实现城市级电气协同互联系统与上级输电网络、输气网络的互动，以城市级电气协调枢纽投资运维成本、可再生能源弃风弃光惩罚、城市级电气协同互联系统运行成本之和最小为目标，构建了计及先进绝热压缩空气储能的城市级电气协调枢纽规划优化模型，可指导城市级综合能源系统中集中式能源站的多能设备配置，并在不同运行场景下研究能量型与容量型储能的应用经济性，指明以城市燃气门站与配电站耦合为核心的城市级电气协调枢纽的建设意义，从而达到可靠经济规划优化的目的。