У нас подобная схема реализованна именно через
proxy_cache_bypass $cookie_session; proxy_no_cache $cookie_session;
Я, правда, в содержимое переменной не заглядывал ? не уверен, что именно там должно быть.
Работает как планировалось ? при наличии куки не кэширует, при отсутствии (анонимные пользователи) ? кэширует.
Д.