中国储能网讯：

 1.新型综合能源系统设计及分析

  在新型综合能源系统研究方面，本专栏刊出西南石油大学李茜等发表的《海上油气微能系统的低碳优化运行研究》和大连理工大学袁铁江教授等发表的《新能源-PEM电解制氢全寿命经济性评估》2篇文章，主要内容如下。

  1）海洋新能源资源丰富，利用海洋新能源为海上油气平台供能已成为一种重要的发展方向。但新能源的出力往往受到气候影响，具有很强的不确定性，其接入海上油气平台后将对系统的运行及调度带来一定困难。为实现海上油气平台的低碳运行及用能安全，研究新能源接入海上油气微能系统的可行性，解决新能源接入给系统运行带来的挑战具有重要意义。《海上油气微能系统的低碳优化运行研究》构建了一种考虑新能源接入的海上油气微能系统（offshore oil and gas micro integrated energy system，OMIES），主要包括供能系统和油气生产系统（oil and gas production system，OGPS），是一种特殊形式的综合能源系统，具有独立的供能模式。余热梯级利用单元（waste heat cascade utilization unit，WSCU）是供能系统的核心单元，其通过燃烧柴油与伴生气为整个 OMIES 供能；OGPS 则消耗电能、热能进行作业生产石油及伴生气，整个生产过程主要是从油井中采出混合原油并将其分离为石油原液和混合伴生气，然后将石油原液加工成石油输出，混合伴生气进行脱水脱酸处理转变成可燃烧的伴生气；同时，为应对新能源带来的挑战，建立的混合储能系统由浮式海水制气-伴生气储库低碳模块、电转热单元（electric-heat，E-H）以及储电单元（electric storage，ES）组成，实现储电、储气功能、电能的转换、CO2的捕集以及天然气的合成。文章全面分析了OMIES各单元之间的能量-物质耦合关系，建立了含新能源与FP2G-AGS的OMIES整体数学模型，实现系统多能量流、物质流耦合的建模与分析；并且对源、荷双重不确定性进行分析，基于不确定性理论和模糊随机优化理论，建立了相应的模糊随机双重不确定性优化模型，并对不同场景下的OMIES进行优化运行对比分析，算例验证了FP2G-AGS低碳模块的建立极大地降低了海上油气平台的CO2排放量，且考虑了双重不确定性得到的优化结果也更加趋近真实值。

  2）习近平总书记在2020年联合国大会一般性辩论和气候雄心峰会等重要会议上提出中国争取2030年前碳达峰、2060年实现碳中和，这一目标对中国能源系统绿色发展提出了更高要求。“绿电制氢”被认为是支撑高比例新能源为主要特征的“碳中和”能源系统的关键技术之一。质子交换膜（proton exchange membrane，PEM）电解槽具有高电流密度、灵活可调等特性，可作为支撑新型电力系统的关键设备，但其一次投资成本和运行成本较高，规模化发展受到制约。《新能源-PEM电解制氢全寿命经济性评估》根据电解槽的衰减原理，面向风电、光伏制氢场景，提出了PEM电解槽变功率运行效率与寿命计算模型。考虑新能源-PEM电解槽全寿命周期成本模型以及售氢收入与等效环境收入等，建立其全寿命周期收入模型，进而建立全寿命周期经济评估模型。最后，以甘肃某区域风电场为例验证了所提模型与方法的有效性，以及PEM电解槽制氢的经济可行性。

  2.太阳能光伏光热（PVT）热泵系统研究

  在太阳能光伏光热利用方面，本专栏刊出上海交通大学刘文杰等发表的《直膨式太阳能PVT热泵热水系统运行性能仿真与分析》以及马光柏等发表的《直膨式太阳能热泵供暖系统实验及性能分析》2篇文章，主要内容如下。

  1）太阳能利用技术可分为太阳能光热利用技术和太阳能光伏发电技术，而太阳能光伏光热（photovoltaic-thermal，PVT）技术结合了光伏与光热技术，将换热结构与光伏组件相耦合，利用集热介质（水、空气、潜热工质等）带走光伏组件的工作废热并加以利用。该技术在提高太阳能综合利用效率的同时，也可有效降低光伏温度，提高光伏发电效率。其中，直接膨胀式（简称直膨式）太阳能PVT热泵技术通过直膨式蒸发器背板，将光伏组件与太阳能热泵耦合起来，可以进一步提高系统的换热性能和热能输出品位。《直膨式太阳能PVT热泵热水系统运行性能仿真与分析》通过建立直膨式太阳能PVT热泵热水系统的仿真模型，以上海临港地区为例，分析了3种不同配置方式的系统在全年波动工况下的热水供应和发电性能。结果表明在组件数量相同的情况下，减少压缩机理论输气量可以提高系统的性能系数，但系统所需加热时间延长，而热泵循环的引入显著降低了光伏组件的工作温度，能有效提高系统的发电性能。

  2）热泵是提高能效、低碳减排的关键技术，热泵技术的发展为高效利用太阳能热能提供了新思路，直膨式太阳能热泵（DX-SAHP，direct expansion solar assisted heat pump）技术将太阳能热利用技术和热泵技术相结合，充分利用太阳能和空气源热泵的各自优势，提供高效低成本的热量，是一种创新技术应用。《直膨式太阳能热泵供暖系统实验及性能分析》围绕建筑供暖需求，搭建了太阳能集热/蒸发器和翅片蒸发器并联的DX-SAHP供暖系统，并采用实验的方式对系统性能进行了研究，结果表明，系统运行时，集热器阵列工质均匀分布性较好，能获得较高的性能，系统性能系数最高达到6.88，压缩机频率、太阳辐照度和环境温度是影响系统性能的主要因素；压缩机定频运行时，太阳能集热/蒸发器的性能系数比翅片蒸发器大约高30%，变频运行时，大约高45%，采用变频运行的方式具有更优的性能；实际工程应用时，为满足建筑供暖的需求，晴天时可考虑设置储热水箱用于调节热量，多云天气需要优化运行控制方式，如增加压缩机频率、适时切换为翅片蒸发器运行等，阴天需要通过翅片蒸发器运行提高制热量。

  3.海上风电集群控制策略研究

  本专栏刊出华北电力大学副教授、《中国电力》青年编委阎洁研究团队发表的《基于深度强化学习的海上风电集群自进化功率平滑控制方法》1篇文章，主要内容如下。

  海上风电作为推进中国能源结构转型、保障能源安全的重要战略支撑，是目前和未来几十年中国可再生能源发展的重点。然而与陆上风电相比，海上风电场址平阔，开发规模大且布局集中，风资源相关性强。众多机组总功率的波动幅度容易发生叠加扩大，也会导致大批机组处于高风速区造成切机时大幅功率损失，易引发电网备用容量不足或其他电源难以跟踪调节等不良事件，这使得大规模海上风电并网对电力系统的影响更为突出。尤其对于接入中国东部电网的大型海上风电场或海上风电基地而言，由于西部特高压输电的大规模馈入，本地同步电源大幅降低、系统备用容量不足，上述问题将更为突出。《基于深度强化学习的海上风电集群自进化功率平滑控制方法》提出了“策略离线训练、在线快速寻优、控制效果自进化”的控制架构，建立了深度强化学习的海上风电集群有功输出平滑控制模型。首先，提出了面向集群功率平滑控制的短期收益函数，基于马尔科夫决策过程模型求解最优指令；其次，提出了面向功率策略校准的长期收益Policy函数，根据历史反馈数据有效矫正控制偏差；最后，建立了智能体状态、控制收益和控制决策之间映射的深度神经网络模型，实现基于深度确定性策略梯度算法的智能体训练与求解。结果表明，所提方法采用深度确定性策略梯度算法在离线训练中迭代优化决策网络，通过学习长期的实际反馈来有效修正预测误差带来的控制偏差，实现了控制模型的自进化；用决策网络在线快速寻优，可大幅缩短控制指令的运算时间，提高在线决策速度；案例结果表明所提方法能够在满足较少压低负荷的前提下，有效平滑风电集群的总有功输出。

相关研究延伸

  1.综合能源系统研究

  综合能源系统指的是在规划、建设和运行等过程中，通过对能源的产生、传输与分配(能源网络)、转换、存储、消费等环节进行有机协调与优化后，形成的能源产供销一体化系统。它主要由供能网络(如供电、供气、供冷/热等网络)、能源交换环节(如CCHP机组、发电机组、锅炉、空调、热泵等)、能源存储环节(储电、储气、储热、储冷等)、终端综合能源供用单元(如微网)和大量终端用户共同构成。综合能源系统是能源互联网的物理载体。目前研究主要集中在综合能源系统协同规划设计技术、运行优化调度技术等方面。

  综合能源系统协同规划设计技术研究中，帝国理工的Nilay Shah团队[1]研究了城市能源系统的混合整数线性/非线性优化方法，统筹考虑建筑选址布局、负荷需求以及能源技术选择之间的关系。西班牙Zaragoza大学Jose M Yusta[2]采用遗传算法对混合发电系统进行规划设计，并研究了蓄电池容量配置的优化方案。Ali Zangeneh[3]提出了以基于帕累托方法的多目标优化算法，解决一个综合能源系统的规划问题。华南理工大学管霖[4]把同时考虑“质”和“量”调节的方法运用到优化设计IES管网管径方案中，以年等值最小投资作为优化目标。武汉大学王琪鑫[5]把IES中的供、用暖系统作为研究对象，通过分析需求侧用户的行为，得到了同时对IES供、需侧进行优化的方法。天津大学王成山团队[6]在IES系统的框架搭建过程中，选用了集中母线，建立了0-1混合整数线性规划模型。东南大学顾伟团队[7]针对可再生能源出力及负荷不确定问题提出一种在线优化调度微网的方法。四川大学刘继春[8]考虑电转气能量损失和环境成本，提出了一种日前经济调度优化模型。华北电力大学的胡浩[9]将CVaR理论引入综合能源运行调度问题，提出一种计及风、光出力和电、热负荷不确定性的经济调度模型。河海大学孙国强[10]提出采用虚拟电厂模式实现不同区域分布式冷热电联供型IES的协调优化控制。在多能协同规划设计、优化运行方面，国外已开发的软件有美国CERTS资助开发的DER-CAM、美国NREL开发的HOMER、克罗地亚Zagreb大学开发的H2RES、西班牙Zaragoza大学开发的i HOGA、丹麦Alborg大学开发的EnergyPLAN；国内有中科院广州能源研究所开发的DCOT、天津大学开发的PDMG和厦门大学开发的CEPAS。

  综合能源系统运行优化调度技术研究主要集中在运行策略选择、优化指标选择、优化方法等方面。张义志等[11]重点考率了供热系统与热力管网特性，建立了供热系统稳态能流计算的精细化模型，提出以电力系统为骨架，在供热系统模型的基础上，将供热系统能流方程采用热负荷和联供机组抽汽量的形式引入最优能流计算模型。顾伟等[12]在原有的冷热电联供系统模型的基础上，考虑区域热网对能源利用率的影响，利用传热学的机理构建非线性热网约束模型，并通过推导将其线性化处理成热网模型以便于求解，最后，将CCHP运行优化模型与热网模型进行热功率耦合，建立含有热网的多区域IES优化模型。胡荣等[13]对装有蓄能装置的冷热电三联供系统进行优化研究。李智等[14]为解决CCHP系统因设备容量导致经济性变差的问题，以年运行费用成本最低为目标函数，以负荷平衡，设备运行和安全稳定性约束为约束条件，构建了CCHP系统的混合整数线性规划模拟对CCHP系统的设备容量进行优化分析。李明等[15]提出“㶲”的概念并将其作为衡量用能质量的标准，以“㶲经济”损失最小的目标函数，不等式约束包括供能出力约束，耐受量及运行量约束，以及传输单元的容量约束，等式约束包含能量，热量，广延量及强度量平衡约束，构建一个完整的区域综合能源系统运行优化模型。张宁[16]分析了能量枢纽在能源互联网中应该具备的功能，在此基础上建立包含电、气、热三种能源的能量枢纽模型。

  2.风能热利用技术

  我国风能资源丰富，具有大规模开发利用的前景，我国10m高度层的风能资源总储量为32.26亿kW，其中可开发利用的陆地风能储量为2.53亿kW。根据国家能源局最新统计数据显示，截至2022年底，我国风电累计装机容量已达3.65亿kW，占全国总发电装机容量的14.25%，同比增长11.2%。但传统风电领域面临电价退坡、弃风限电、补贴拖欠等诸多挑战，风电行业不得不面对与煤电和光伏竞争的短期阵痛，降本增效成为风电行业在“后补贴时代”和“双碳目标时代”提升竞争力的重中之重，风能领域能源变革和创新势在必行。多学科交叉融合与多元化模式创新是未来风能发展的重要方向，新型、高效、低成本风能热利用技术的研究值得关注。

  风能热利用技术对风质要求低，对风况适应性强，作为一种清洁能源供暖方式已受到广泛关注。早期风力致热研究工作，主要集中于液体搅拌、液体挤压、固体摩擦和涡电流法四种方式，由于供热规模小、能量转化效率较低，无法满足供暖方式清洁化高效化分布式规模化的发展需求。随着热泵技术的发展，利用风能驱动热泵成为一种可能的清洁高效制热技术。

  美国克罗拉多州立大学[17]搭建了5kW风力热泵用以加热牛奶，证明了风能直接驱动热泵的可行性，该热泵在8m/s风速时度热成本为3~5美分/度。台北科技大学采用链条齿轮传动和皮带轮传动两种方法利用风能直接驱动热泵机组[18-19]，对不同风速下热泵的稳定运行工况进行了测试。实验结果表明，风能直驱热泵系统避免了风能转化电能的过程能量损失，与风—电—热泵过程相比，效率提高了10%以上，但目前无法实现风力机变桨偏航运行。土耳其乌鲁达大学[20]搭建了一种风力机直接驱动热泵的系统，通过实验发现热泵可制得风力机所捕获机械能四倍的热能。华南理工大学[21-22]在实验室中利用风力驱动一个5kW的小型风轮，通过传动机构驱动压缩机工作，研究风力机的输出功率、扭矩与压缩机输入功率、转动扭矩间的匹配关系，但缺乏风轮变桨偏航等控制模式，只能为热泵压缩机的选择、风力机转速范围的确定提供一定的参考。西南科技大学[23]在理论上对一种风能热泵供暖进行了评估，该系统凭借液压传动装置将风力机的机械能传动至热泵压缩机，带动压缩机制热供暖。经测算10万m2的住宅建筑供暖需要两台3MW的风力机组，从理论计算上证明技术的可行性，但缺乏进一步的仿真模拟及实验研究工作。

  综上所述，目前国内外相关研究机构对风能直接驱动热泵的理论研究尚处于起步阶段，研究主要集中在实验室环境中，在恒定风向风速条件下，对小型定桨风力机驱动热泵的性能进行测试，论证了风能直驱热泵技术路线的可行性。但是现有小型试验只是各部件的简单拼接，缺乏风能直驱热泵机组（以下简称“风热机组”）一体化概念设计和深入的理论研究。风热机组将发电机更换为压缩机后，压缩机与传动系统之间依然存在多场耦合，但是耦合特性发生了改变，需结合风电机组传动系统模型详细考虑传动系统-压缩机多场耦合特性，研究热负载的迟滞响应和制冷剂的动态变化过程对风热机组运行状态及性能带来的影响。此外，风热机组控制策略需充分耦合风电机组与热泵调控策略，一方面风轮需承担最大功率捕获的任务，另一方面热泵需要适应输入工况的波动性进行自适应调节，以制热量/制冷量最大为目标，建立并优化风热机组的控制策略，作为能量传输机理揭示与机组性能优化之间的桥梁，是上游端能量传输机理能够指导下游端机组性能优化所必须的途径与方法。

  3.海上风电技术

  根据装机位置不同，风力发电可分为陆地风力发电和海上风力发电两种。目前，我国大部分风力发电机组分布在陆地，随着近几年可再生能源发电的大力推广，陆地风力发电已形成规模，其具有安装、检修方便等优点，但由于风能具有波动性，导致风力发电的不稳定风险较大，存在一定量的“弃风”现象。为获得更好的风力条件，风电机组选址较为考究，导致机组安装成本难以降低，且因其噪音及转动特性会造成生态环境的破坏。相比之下，海上风电具有风速更大、静风期更短、节约土地资源且免于考虑噪音等污染的优点，但目前投产的海上风力发电项目多位于近海，风电资源更为丰富的远海风电还未得到充分利用。

  由于海上环境特殊，海上风电机组与陆上风电机组有极大不同，而且，海上风电机组所处海洋环境远比陆地环境恶劣，因此对海上风电机组的技术有着更高的要求。目前，国内外采用的风电机组根据其基础结构是否接触海底分为固定式和漂浮式两种[24]，固定式机组根据其基础不同又分为重力式、单桩基础和套管式等，漂浮式则根据浮体不同分为半潜型、立柱型和张力腿(拉杆)型；固定式机组稳定性高、应用早，技术较为成熟，成本较低且安装难度小，已在近岸浅海得到广泛应用。但随着海上风电发展逐渐深远海化，固定式风电机组已无法满足应用要求，新型漂浮式海上风电机组得到了极大发展。

  目前，海上风电的送出还是以电力输送方式为主，随着电力输送技术的发展，结合海上风电的特点，用于输送海上风电的技术[25]主要有高压交流输电、高压直流输电、分频输电(fractional frequency transmission system, FFTS)和船运电池输电技术等。高压交流输电技术凭借其结构简单、成本低廉、技术成熟等优点已被广泛用在近海海上风力发电的电力传输工程中。其主要原理[26]为：首先将各风电机组输出的电压幅值、频率波动的交流电经过换流器转换为恒压的工频交流电，经过海上升压变压器升压后汇入海底电缆，传输至陆地并入电网。受到电缆线路电容充电的影响，此种输电方式无功损耗较大，电缆有效负荷率低，因此只能短距离、小容量传输电能，一般还需要增加无功补偿器，且直接与电网相连也会增加电网与电厂的安全风险。高压直流输电技术主要有两种拓扑：基于线换相换流器的传统高压直流输电和基于自换相电压源换流器的柔性直流高压输电[27]。二者主要工作原理类似，即将风电机组输出的交流电能经过海上换流器转换为直流后，经过海底直流电缆传输至陆上，再经陆上换流站将电能转换为工频交流电后并入电网。FFTS技术由王锡凡院士提出，旨在通过降低交流电频率减小输电电缆电容效应导致的充电电流的影响。研究表明，如果只考虑交流海底电缆电容充电电流的影响，在50、16、15、10、5和1Hz频率下，有功最大传输距离分别为140、437、465、630、1280和14945km,因此该方法可极大减小工频交流输电的无功影响，延长交流电能输送里程和电缆使用寿命，也可相应减少风电机组齿轮箱增速比，简化结构的同时降低成本；但也需考虑降频之后带来的相应变压器体积[28]、重量变大的问题及全场风力发电机运行的效率问题。随着海上风电场逐渐向深远海化发展，输电线路建设成本大幅提高。近年来，电力储能技术取得快速发展，特别是锂电池技术的成熟和相关产业的发展，船运电池输电技术[29]成为可能。与传统输电线路输送相比，船运电池输电技术无电缆铺设问题，不受输电距离的限制，具有灵活性强、建设投资成本低等优点。目前来看，输送容量偏小、损耗费用偏高等是限制其发展的主要因素，但其仍为深远海风电输电方式的研究提供了新的思路。