計及冷熱電聯供的微電網電源優化配置

2014-03-02 05:39:56劉皓明康鳳琴朱芳芳

電力需求側管理 2014年2期

關鍵詞：成本

劉皓明，康鳳琴，朱芳芳

（河海大學能源與電氣學院，南京 210098）

冷熱電聯供系統（Combined Cooling Heating and Power，CCHP）是一種建立在能量梯級利用概念基礎上，將制冷、制熱及發電過程一體化的供能系統，其可同時滿足用戶對冷、熱、電多種能源形式的需求，具有能源利用效率高、污染小等優點。冷熱電聯供機組具有穩定的能源供給，能量輸出平穩，可以同時滿足微電網中多種能源供給需求，緩解負荷峰谷差，提高微電網供電的安全性和穩定性[1—2]。

微電網電源配置是微電網規劃設計階段的一項非常重要且必不可少的工作，配置的合理性將直接影響系統今后運行的可靠性、經濟性等方面。配置微電網電源需要確定電源的類型、數目、容量及位置等。近年來，國內外眾多學者對其展開了研究，取得了許多有意義的成果。文獻[3]采用改進的細菌覓食算法對常年孤島運行的風/光/儲混合微電網電源配置進行了優化；文獻[4]在綜合考慮電網安全性和穩定性的前提下，通過定量分析分布式電源的環境效益，得出分布式電源選址和容量方案；文獻[5—6]以加入分布式電源（DG）后網損最小為目標，對分布式電源選址定容問題進行求解；文獻[7]以單位發電成本最低為目標，采用基于負荷組合匹配算法確定微電網電源容量；文獻[3—7]在研究微電網電源配置時沒有考慮冷熱電聯供情況；文獻[8]和文獻[9]分別以初期投資和年運行成本之和最小、發電成本最低為目標，對冷熱電聯供型微電網規劃優化建模；在含冷熱電聯供的微電網優化運行方面，文獻[10]在計算成本函數中考慮了各發電單元燃料消耗費用、系統的運行和維護費用以及購售電費用等；文獻[11]考慮了微型燃氣輪機的發電費用、機組啟動費用、購電費用以及供熱燃料費用等。

本文針對計及冷熱電聯供的微電網系統，基于各微電源的功率特性，考慮設備投資成本、運行維護成本、燃料成本、環境成本、替換成本、報廢成本等，以系統等年值總成本最低為目標，建立全壽命周期下的冷熱電聯供系統優化數學模型，在滿足微電源、儲能裝置以及負荷平衡等約束條件下，采用改進粒子群算法求解微電源優化配置方案。

1 冷熱電聯供系統

1.1 燃料電池供能

燃料電池冷熱電聯供模式由燃料電池、余熱鍋爐、吸收式制冷機構成，其原理圖如圖1所示。燃料電池利用氫氣和氧氣的電化學反應發電，發電的同時產生高溫煙氣、廢水等，再通過余熱鍋爐或吸收式制冷機回收這部分余熱，供暖或制冷。燃料電池效率比較高，且幾乎不產生NOx和SOx等排放物[12]。

圖1 燃料電池——余熱鍋爐+吸收式制冷機原理圖

燃料電池的高溫煙氣余熱量可以表示為

式中：PFC(t)和QFC(t)分別為t時段燃料電池的發電功率和煙氣余熱量，單位為kW；rFC(t)為t時段燃料電池的熱電比值。

燃料電池的煙氣余熱所能提供的制冷量可以表示為

式中：Qco-FC(t)為燃料電池的煙氣余熱所能提供的制冷量，單位為kW；QFC-co(t)為燃料電池的煙氣余熱進入吸收式制冷機的量，單位為kW；ηco和Kco分別為吸收式制冷機的余熱回收效率和制冷系數。

燃料電池的煙氣余熱所能提供的供熱量可以表示為

式中：Qhe-FC(t)為燃料電池的煙氣余熱所能提供的供熱量，單位為kW；QFC-he(t)為燃料電池的煙氣余熱進入余熱鍋爐的量，單位為kW；ηhe為余熱鍋爐的余熱回收效率。

1.2 微型燃氣輪機供能

微型燃氣輪機冷熱電聯供模式由微型燃氣輪機、余熱鍋爐、吸收式制冷機構成，其原理圖如圖2所示。微型燃氣輪機以天然氣為燃料發電，排出的高溫煙氣再進入余熱鍋爐和吸收式制冷機，供暖或提供熱水和制冷[13]。

圖2 微型燃氣輪機——余熱鍋爐+吸收式制冷機原理圖

微型燃氣輪機的高溫煙氣余熱量可以表示為

式中：QMT(t)為t時段微型燃氣輪機的煙氣余熱量，單位為kW；PMT(t)為t時段微型燃氣輪機的發電功率，單位為kW；ηMT(t)為微型燃氣輪機在t時段的效率；ηl為微型燃氣輪機的排煙熱損失系數。

微型燃氣輪機的煙氣余熱所能提供的制冷量可以表示為

式中：Qco-MT(t)為微型燃氣輪機的煙氣余熱所能提供的制冷量，單位為kW；QMT-co(t)為微型燃氣輪機的煙氣余熱進入吸收式制冷機的量，單位為kW。

微型燃氣輪機的煙氣余熱所能提供的供熱量可以表示為

式中：Qhe-MT(t)為微型燃氣輪機的煙氣余熱所能提供的供熱量，單位為kW；QMT-he(t)為微型燃氣輪機的煙氣余熱進入余熱鍋爐的量，單位為kW。

2 計及CCHP的微電網電源優化配置模型

對含有風力發電機、光伏電池組件、柴油發電機、燃料電池、微型燃氣輪機和蓄電池儲能裝置，以及余熱補燃型吸收式制冷機和余熱鍋爐的計及冷熱電聯供的獨立供電微電網系統建立其電源優化配置模型。系統發電的同時，燃料電池和微型燃氣輪機的余熱煙氣分別進入吸收式制冷機和余熱鍋爐，滿足系統中冷負荷和熱負荷的需求。

為便于分析，作如下假設：

（1）燃料電池、微型燃氣輪機、吸收式制冷機和余熱鍋爐的排煙溫度始終保持不變。

（2）燃料電池、微型燃氣輪機機組運行在滿負荷工況，其效率穩定不變。

2.1 目標函數

微電網電源優化配置的目標是根據負荷需求，在保證系統安全可靠供電的同時，使系統的總成本最小。對于微電源，主要考慮設備投資成本、燃料供應、微電網穩定性等[14]。在對計及冷熱電聯供的微電網進行電源配置時，還需要考慮氣候、經濟、社會等因素對冷熱電負荷的影響，對負荷進行估算，考慮負荷的波動、設備性能等約束，以及燃料價格等對系統配置的影響，以系統的經濟性為目標，實現能源供應與需求的合理匹配[15]。目標函數可以表示為

式中：Ccap為等年值設備投資成本；Co&m為年運行維護成本；Cf為年燃料成本；Ce為年環境成本；Crep為設備替換成本；Cdis為設備報廢成本。

2.1.1 設備投資成本

設備的投資成本包括設備購置成本、安裝成本、調試成本等，是微電網在建設期間內、正式投入運行前所支付的成本，發生在設備壽命周期的初期，屬于一次性投資。轉化為等年值，即等年值設備投資成本Ccap時，可以表示為

式中：Lproj為微電網項目規劃的壽命周期年限（20年）；m為微電源及余熱鍋爐和吸收式制冷機的類型數目；Ccap，i為第i種微電源或余熱鍋爐、吸收式制冷機的單機初始投資成本；Ni為第i種微電源或余熱鍋爐和吸收式制冷機的數目，為本文的決策變量。

2.1.2 運行維護成本

機組的運行維護成本Co&m正比于其實際輸出

式中：Ko&m，i為第i種微電源機組的運行維護成本比例常數，單位為元/kWh；Pi(t)為第i種微電源在t時段的實際總輸出功率。

2.1.3 燃料成本

燃料成本Cf包括燃料電池、微型燃氣輪機、柴油發電機發電所消耗的燃料費用。

式中：KDE為柴油發電機組發單位電量燃料耗率，單位為g/kWh；Cd為相應的柴油價格，單位為元/g；KFC為標準狀況下燃料電池的單位電量耗氫率，單位為L/kWh；CH2

為氫氣價格，單位為元/L；CNG為天然氣價格，單位為元/m3；LHVNG為天然氣低熱熱值，其值取為 9.7 kWh/m3；PDE(t)、PFC(t)、PMT(t)分別為柴油發電機、燃料電池、微型燃氣輪機在t時段的輸出功率。

2.1.4 環境成本

風能、太陽能為清潔無污染可再生能源，燃料電池以氫氣為燃料時，其產物只有純水，它們的環境成本均為0；而柴油發電機和微型燃氣輪機發電需要燃燒化石燃料，會產生NOx、SO2、CO2等大氣污染物，由此產生環境成本，環境成本可以表示為

式中：M為微電源發電所排放的污染物類型（NOx、SO2、CO2）；αj為處理每千克第j類污染物的費用，單位為元/kg；βij為第i種發電單元在污染物類型為j時的排放系數，單位為kg/kWh。

2.1.5 替換成本

若微電網電源規劃的壽命周期年限大于微電源設備或余熱鍋爐、吸收式制冷機的壽命年限，在設備壽命周期結束后還需對其進行更換而花費成本。替換成本Crep可以表示為

式中：Crep，i為第i種微電源或余熱鍋爐、吸收式制冷機的替換成本；Lrep，i為第i種微電源或余熱鍋爐、吸收式制冷機的替換壽命。燃料電池和蓄電池的壽命周期年限較小，一般需要考慮其替換成本。

2.1.6 報廢成本

設備的報廢成本指在微電網電源規劃的壽命周期結束以后，為處理微電源或余熱鍋爐和吸收式制冷機設備所需支付的費用。不同設備的報廢成本不一樣，有些設備在報廢時可以產生一定數量的殘值收入或者在其沒有完全報廢之前將其賣出用作它用，可能會獲得一定的經濟收益，能夠抵消相關費用，這種報廢成本為負值，如：設備的正常報廢；而有些設備不僅不能產生任何殘值收入，而且需要花費資金用于其清理和銷毀，這種報廢成本為正值，如：化學產品和核產品等的報廢。

通常根據當前市場情況對報廢成本進行評價，因此認為設備報廢成本同設備投資成本一樣，發生在設備壽命周期初期，屬于現值。在實際工程中，依據運行統計數據，報廢成本可以近似等效為初始投資成本的某一比值

式中：kdis，i為第i種微電源設備或余熱鍋爐和吸收式制冷機的報廢折算系數，假定當設備的壽命年限大于微電網電源規劃的壽命周期年限時，設備在微電網電源規劃年末的殘值正比于其剩余壽命；Cinv，i為折算為現值時第i種微電源設備或余熱鍋爐、吸收式制冷機的總投資成本，包括初始投資成本及替換成本。

2.2 約束條件

計及冷熱電聯供的微電網電源優化配置需滿足下列約束條件。

2.2.1 微電源安裝數量約束

式中：Nimax為受客觀條件所限，如：資金、地形等的限制，各微電源的最大允許安裝臺數。

2.2.2 微電源出力約束

為保證微電源安全穩定供電，各微電源的實際輸出功率需滿足其上下限約束限制

式中：Pimin、Pimax分別為第i種微電源出力的下限和上限。

2.2.3 蓄電池容量約束

任何時刻，蓄電池的容量都要滿足以下約束

式中：QBatmin和QBatmax分別為蓄電池剩余電量的最小允許值和最大允許值。QBatmax可取為蓄電池的額定容量QR，QBatmin可以表示為

式中：DOD（%）為蓄電池的最大允許放電深度。

2.2.4 冷負荷平衡約束

燃料電池、微型燃氣輪機的煙氣余熱所能提供的制冷量需滿足微電網中冷負荷的需求。

式中：Qc（t）為微電網中的冷負荷需求量。

2.2.5 熱負荷平衡約束

燃料電池、微型燃氣輪機的煙氣余熱所能提供的制熱量需滿足微電網中熱負荷的需求。

式中：Qh(t)為微電網中的熱負荷需求量。

3 遺傳算法-粒子群混合優化算法

遺傳算法（GA）是一類借鑒生物界的進化規律（適者生存、優勝劣汰機制）演化而來的隨機化搜索方法，主要通過選擇、交叉和變異進行群體的更新優化，其優點在于不容易陷入局部最優，缺點在于對參數有較大的依賴性。粒子群優化（PSO）沒有GA的交叉和變異操作，通過追隨當前搜索到的全局最優值和個體歷史來尋找全局最優，其優點在于通用性好，參數的選取對計算結果影響不是很大，缺點在于對初始粒子的好壞依賴較大。

GA與PSO的優點具有互補性，因此考慮將2種算法相結合，提出一種以PSO為主、GA為輔的GAPSO混合優化算法。該算法兼具GA和PSO的優點，能最大程度地降低搜索到局部最優解的概率，并同時保證全局最優解的精度。GA-PSO混合優化算法流程如圖3所示。

圖3 GA-PSO混合優化算法流程

4 算例分析

選取某計及冷熱電聯供的微電網孤島獨立供電系統作為本文的研究對象，系統可由風力發電機、光伏電池組件、柴油發電機、燃料電池、微型燃氣輪機和蓄電池組等分布式電源供電。對微電網電源的配置方案進行求解時，需綜合考慮當地氣候條件及能源資源、負荷需求等特點。風能、太陽能具有很強的隨機性和不確定性，為了計算風力發電和光伏發電的年發電量，本文按該地區全年每小時（共8 760 h）平均風速、平均溫度、平均光照強度來計算，以使計算結果更準確。該地區風速、光照強度、環境溫度和配置年系統冷、熱、電負荷需求曲線分別如附錄圖1—圖6所示，待選微電源機組及吸收式制冷機和余熱鍋爐的相關性能參數如附錄表1—表8所示[16]。根據第2節所述微電網電源容量優化配置模型，結合各微電源機組發電特性，對系統的電源配置方案進行求解，優化結果如表1所示，各種微電源詳細成本如表2所示。

表1 計及冷熱電聯供的微電網電源最優配置方案

表2 計及冷熱電聯供的微電網電源最優配置方案成本萬元

從表1可以看出，配置方案中微型燃氣輪機的臺數較多，其余熱用于滿足系統中冷負荷和熱負荷的需求；燃料電池由于裝機成本昂貴，同時燃料成本比柴油發電機和微型燃氣輪機的都高，所以并未投入。冷熱電聯供系統中微型燃氣輪機的能源利用率是指被有效利用的能量（發電量+供熱量+制冷量）與所消耗的能量（所消耗的天然氣量）之比，由于本配置方案中微型燃氣輪機的冷熱電能量被完全利用，保證了設備的優化運行和系統的經濟效益。

燃料電池在發電過程中會產生大量的熱能，這使得燃料電池除發電外還可以將其排放的余熱用于冷/熱生產或冷熱電聯供。但由于目前燃料電池還處于研發階段，技術尚未成熟，成本偏高等原因，其在冷熱電聯供系統中的應用尚處于起步階段，但是燃料電池不產生NOx、SOx等污染物，具有顯著的環境效益，是今后發展的方向。考慮到隨著技術的進步，燃料電池的裝機成本也將下降，假設燃料電池的壽命周期年限變為20年，裝機成本下降為30%，對系統進行優化配置，結果如表3所示。

表3 燃料電池對計及冷熱電聯供的微電網電源優化配置方案的影響

此時系統優化配置方案的等年值總成本降低為694.550萬元，燃料電池的臺數增多，同時由于燃料電池無污染，其環境效益也得到了體現，而且隨著柴油、天然氣等不可再生能源燃料價格的持續上漲，燃料電池在微電網中的應用有望得到推廣。

5 結論

微電網電源配置是微電網規劃設計階段必不可少的重要工作，合理的配置對于提高系統供電可靠性和改善系統經濟性具有重要意義。本文針對計及冷熱電聯供的風/光/儲混合微電網獨立供電系統，建立了基于燃料電池和微型燃氣輪機的冷熱電聯供系統數學模型，考慮冷負荷、熱負荷平衡等因素，在同時滿足系統中用戶對冷、熱、電多種能源形式需求的情況下，建立了以系統等年值總成本最低為目標的微電源優化配置數學模型，對算例進行了求解分析，得出了計及冷熱電聯供的微電網系統的電源最優配置方案。算例結果表明，計及冷熱電聯供的微電網電源的合理配置可獲得可靠、經濟、節能減排的效果。

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附錄