《Energy》：Techno-economic analysis and life cycle design optimization of demand-side hybrid energy storage under different climates and electricity markets
编辑推荐：
摘要：需求侧在实现碳中和方面发挥着关键作用，特别是通过部署分布式光伏(PV)与混合储能系统(hybrid energy storage system, HESS)。然而，由于生命周期评估(life cycle assessment, LCA)过程高度复杂且耗时
摘要：需求侧在实现碳中和方面发挥着关键作用，特别是通过部署分布式光伏(PV)与混合储能系统(hybrid energy storage system, HESS)。然而，由于生命周期评估(life cycle assessment, LCA)过程高度复杂且耗时，以往研究在最优储能设计中未能充分考虑储能退化(storage degradation)及非线性运行优化等关键因素。因此，本研究提出一种系统化且高效的生命周期优化框架，用以确定需求侧最优储能组合，并在典型气候区与电力市场下进行对比技术经济分析。该方法采用K-means聚类选取典型日，并采用混合整数二次规划(mixed-integer quadratic programming, MIQP)进行储能运行优化，在考虑生命周期退化的同时有效提升计算效率并保证决策可靠性。针对办公建筑的结果表明：在冷负荷显著的亚热带地区，冷却储能(cooling storage, 即蓄冷)更受青睐，当蓄冷容量占比为8.03%时，生命周期成本节省可达初始投资的3.42倍；反之，冷负荷较低地区偏好电池储能(electrical battery storage)，温带气候区则被认为不适合投资任一类储能。若电池成本降至180 $/kWh以下，即使在冷负荷主导区域，混合储能组合的经济效益也优于单独蓄冷。
本文解读对象为Hong Tang、Wenke Zou、Rui Tang与Shengwei Wang发表于《Energy》的研究论文《Techno-economic analysis and life cycle design optimization of demand-side hybrid energy storage under different climates and electricity markets》。
一、研究背景与意义
建筑部门是全球最大的终端用能部门之一，占全球能源相关碳排放约27%。在碳中和转型背景下，建筑正由单纯用电者向产消者(prosumer)转变，通过安装分布式光伏(photovoltaic, PV)与储能系统——包括电储能(electrical energy storage, EES，通常为锂离子蓄电池)与热/冷储能(thermal energy storage, TES，此处指主动式蓄冷水箱active TES tank耦合空调制冷系统)——获取用能灵活性、提升光伏自发自用率并削减电费。然而，既有文献在确定最优混合储能组合(hybrid storage composition)时常存在三方面不足：其一，忽略蓄电池容量衰减(degradation)与冷水机组部分负荷率(part load ratio, PLR)下的非线性性能特征，易高估长期收益；其二，少有研究系统比较不同气候分区（影响冷热负荷形态与PV出力）与差异化电价机制[分时电价(time-of-use, TOU)、上网电价(feed-in tariff, FIT)]对最优配置的影响；其三，混合储能运行含二进制变量（电池充放电状态）与非线性约束（冷水机组性能系数coefficient of performance, COP随PLR变化），全生命周期扩展后计算量剧增，致使多数前人研究仅做单案例探讨。为此，研究人员开发了耦合K-means聚类与混合整数二次规划(mixed-integer quadratic programming, MIQP)的高效生命周期优化框架，对中国五个典型气候区（夏热冬暖/亚热带、温带、夏热冬冷、寒冷、严寒）办公建筑的混合储能方案进行技术与经济对比分析，填补了考虑退化效应及跨气候区比较的研究空白。
二、主要关键技术方法
研究人员以典型办公建筑为对象，首先利用TRNSYS模拟逐时PV发电量与建筑电、冷负荷；采用K-means聚类从全年8760 h中提炼典型日以降低计算规模。设定多组电池–蓄冷容量组合方案作为备选混合储能(hybrid energy storage system, HESS)构型。建立MIQP模型对典型日进行运行优化，模型中显式引入电池循环老化(degradation)导致的容量与效率衰减，并以冷水机组COP随PLR变化的回归关系表征非线性制冷性能。以生命周期成本节省(life cycle cost savings, LCCS)与折现投资回收期(discounted payback period, DPBP)为评价指标，遍历各气候区与典型TOU+FIT电价情景，筛选最优储能组合。数值求解基于MATLAB/YALMIP调用Gurobi完成。
三、研究结果
On the impacts of performance indicators and climates（气候与性能指标的影响）
通过对比各气候区下所有储能组合方案的LCCS与DPBP发现：夏热冬暖（亚热带）区因显著空调冷负荷，最优方案为含蓄冷的混合储能或纯蓄冷，蓄冷容量占总储能配比8.03%时LCCS可达初投资的3.42倍；夏热冬冷及寒冷区冷负荷偏低，纯电池储能经济性更优；温带气候区两类别储能均无正向LCCS，不建议投资。敏感性分析显示，当电池单位成本降至180 $/kWh以下后，即使在冷负荷主导区混合储能组合经济效益亦超过单一蓄冷。
Results and analysis（结果与分析总体运行验证）
无储能基线场景与有储能优化场景的逐时运行仿真验证了方法合理性。K-means聚类在Python中实现，MIQP运行优化通过YALMIP在MATLAB环境中调用Gurobi求解，典型办公建筑案例运算高效收敛，证实所提框架兼顾精度与速度。
Validation test arrangement（验证试验安排与通用性说明）
研究人员指出，该框架核心为动态建筑负荷模拟(TRNSYS)–典型日聚类(K-means)–生命周期退化与运行优化(MIQP)的串行工作流，可推广至任意建筑原型、气候区及电网排放因子情景，具良好通用性。
Section snippets / Method of design optimization for building integrated hybrid energy storage（建筑一体化混合储能设计优化方法）
优化流程分五步：Step 1—PV发电与建筑冷热/电负荷建模；Step 2—K-means聚类遴选典型日；Step 3—枚举备选混合储能（电池+蓄冷）容量组合；Step 4—基于MIQP进行全生命周期运行优化（含退化建模）；Step 5—依据LCCS与DPBP筛选最优组合并开展跨气候区与电价对比。
四、讨论与结论翻译
结论部分指出：(1) 本研究建立了耦合K-means典型日选取与混合整数二次规划(MIQP)的高计算效率需求侧混合储能系统生命周期设计优化框架；(2) 办公建筑案例显示亚热带高冷负荷区倾向配置蓄冷（蓄冷比8.03%时生命周期成本节省可达初投资3.42倍），低冷负荷区倾向电池储能，温带区两类储能均不宜投资，电池成本低于180 $/kWh后混合储能在冷负荷区亦具优势；(3) 跨五类气候区对比揭示了气候、负荷模式与电价结构对最优混合储能组合的关键影响，为政策制定者与工程师提供区域化决策依据。
综上，该研究通过引入考虑实际退化与非线性特性的MIQP全生命周期优化及典型日降维处理，克服了传统建筑侧混合储能设计计算复杂与泛化不足的缺陷，对不同气候区需求侧储能的科学规划具有重要参考价值。
