分布式能源系統經濟性優化建模研究

楊興林，羅星星，王玉寶，鄒曉薇

(1.江蘇科技大學能源與動力工程學院，江蘇鎮江212003)(2.滬東重機有限公司，上海200129)

當前，我國分布式能源進入實質性快速起步階段，即將邁向規模化實施進程，產業前景十分廣闊［1－5］.分布式熱電冷聯產系統(combined cooling，heating and power，CCHP)，利用這套設備可以不完全依賴電網系統，同時實現一個基地、一個院所、一群民居等區域用戶的獨立用電、供冷、供熱，對實現區域用戶市場和樓宇用戶市場的供能有著重要的現實意義［6－9］.相比于傳統電網供能方式，該系統的主要優點有:①節約能源，實現能量的梯級利用，能源利用率可達72%以上;②清潔環保，實現溫室氣體的超低排放;③模塊化設計，使用壽命長，系統維護費用低，降低了投資成本，縮短了回收周期;④系統運行安全、靈活、可靠.

文中提出一種分布式能源系統經濟性優化模型，通過對某示范工程大樓(以下簡稱示范大樓)分布式能源系統供能方案進行經濟性優化分析，驗證此模型的實用價值，使分布式能源供能不僅能夠滿足用戶要求，又可以提高系統運行的經濟性，進一步增加了用戶的滿意度.

1 系統優化分析

由于分布式能源系統復雜，牽涉到方案和運行多方面的優化，為了簡化問題，文中只對分布式能源系統運行的經濟性加以分析，優化方案的設備選擇燃氣內燃機與余熱直燃溴化鋰空調機組組合.由年度化成本和年運行收益建立優化的目標函數，建立以電定熱(熱電平衡)的數學模型，并在此基礎上進行經濟優化分析.

“以熱定電(熱電平衡)”模型，即這種模型要求電量基本滿足要求，當不足時可以從外網補充，冷熱不足時可以采用補燃的方式補充［10］.當電力、冷熱負荷富裕時由于系統設置逆保護功能，電力并網不上網，并且發電機發電量設置為用戶最低用電負荷，因此電力富裕量極小，相應產生的的冷、熱量不會產生富裕量.

影響系統成本的因素包括設備初投資、年購電費、年燃氣費以及設備維護費;系統運行收益包括政府補貼、發電收益、供熱收益以及制冷收益(圖1).

圖1 系統成本、收益示意圖Fig.1 System cost and revenue schematic plot

2 建模

冷熱電三聯供系統首要的優勢在于可以實現對能源的深度分級利用.聯供系統通過不同循環的有機整合可以在滿足用戶需求的同時實現能源的綜合梯級利用，使能源的利用率達到85%以上，而傳統的發電廠能源有效利用率僅為30%～40%，因此，CCHP可以大大提高能源利用效率.但是對于一個具體的能源需求問題，需要對于三聯供系統的經濟性做出定量的評價，由于傳統系統的經濟性評價是基于單一能量品種的，而CCHP涉及到熱、電、冷3種能量形式，這就需要建立基于全系統的CCHP系統綜合經濟性評價模型［11］.

國內對分布式能源系統經濟性分析的研究主要為:①利用建筑能耗分析軟件建立CCHP系統和建筑模型，進行設計日模擬，進而模擬全年運行情況［12］;②在“單耗分析”理論基礎上，建立了系統在熱電運行方式和冷電運行方式下不同環節的燃料單耗及成本單耗的計算模型，得到系統中各個環節(設備)存在的附加單耗過大的原因.國外的研究主要是基于數學程式的發電建模方法，并用數學規劃法對系統進行優化.

2.1 優化公式

1)在經濟學分析中，年度化成本是將非能量費用年度化［13］，其公式為:

式中:Cax為年度化成本，元 /年;Cox為初投資，元:Sv為經濟壽命期后的殘值系數;PWF(i，M)為現金系數;FN為第 N年耗費的運行成本，元;CRF(i，M)為資金回收系數.其中，現金系數、資金回收系數分別為:

式中:i為基準收益率，此處指銀行利率;M為系統運行壽命，年.

2)對于一個具體的能源系統，假設每年支出購買能源的費用和維護費用等值，則年度化成本可簡化為設備初投資折舊費Cox1與年費用Cl之和，得到以下公式:

式中:Cox1為設備初投資折舊費，元;Cl為年費用，元;Cgm為系統年燃料費，元;Cwm為系統年維護費，元;Cem為系統年購電費，元.

3)設備初投資(內燃機和空調機種類多，價格良莠不齊，文中根據某廠家給出的公式計算)

式中:CGE，Ccon，Ctrs分別為燃氣內燃機單價，余熱直燃空調機單價，機組運輸安裝費，元;Pe為單臺內燃機額定出力，kW;n為機組臺數;Qc為制冷機組額定制冷量，kW.

4)年燃氣費

式中:Cg，Ccq，Cheat，Ccool分別為年燃氣費，春秋季燃氣費，供熱期燃氣費，制冷季燃氣費，元;ag為單位體積天然氣價，元/m3;T，T1，T2分別為春秋季、制冷季、采暖季機組運行時間，h;n1為春秋季運行機組臺數;Hu為天然氣低位發熱量，kJ/m3;ηGE為內燃機發電效率;ηcon為余熱直燃機供熱效率;COPcon為余熱直燃機制冷系統;Qbheat，Qbcool分別為余熱直燃機采暖季、制冷季補燃的熱量及冷量，kW.

5)年購電費

式中:Cex為年購電費，元;ae為電網電價，元/(kW·h);Pcq，Psw分別為春秋季從電網購買電量，冬夏季從電網購買電量，kW.

6)以電定熱年運行收益

式中:Cins為年運行收益，元;Cinheat為年供熱收益，元;Cincool為制冷收益，元;Cingd為年供電收益，元.

式中:ah，ac分別為熱價、冷價，元/kW·h;Qheat，Qcool分別為用戶需求的熱負荷、冷負荷，kW.

2.2 優化模型

當系統的年度化成本最小，運行收益最大，整個系統運行的經濟性最優，因此可得以電定熱運行模式下目標函數為:

MinX=Cax－Cins=f(Pe，Qbheat，Qbcool)

式中:Pe為單臺內燃機發電功率，kW;Qbheat為采暖季補燃熱量，kW;Qbcool為制冷季補燃冷量，kW;且Pe，Qbheat，Qbcool為優化的決策變量.

函數格式X=fmincon(fun，x0，A，b，Aeq，Beq，lb，ub)

式中:f(x)為目標函數;fun為fun.m的m函數;x0為初始值，A，b，Aeq，Beq 分別為線性約束矩陣;lb，ub為優化變量的上下臨界值.

3 項目驗證

3.1 示范大樓概況及負荷分析

某示范大樓，設計建筑面積81 000 m2，主要用作辦公、專項實驗室及餐廳.全年用電量較高，電負荷為2451 kW.且辦公樓也有夏季冷/冬季熱空調以及少量生活熱水的需求.從表1冷熱負荷分析可知，示范大樓最大電負荷約為2 600 kW、最大冷負荷為6 249 kW，最大熱負荷為4 326 kW.考慮到部分節假日大樓關閉，運行時間為制冷季節150 d，采暖季節125 d，其余過渡季節22 d，每天8:00～18:00運行，10 h/d(工作時間內)，預計全年運行2970 h，具體負荷情況見表1.

表1 大樓負荷情況表Table 1 Building loads

3.2 天然氣分布式能源供能方案

3.2.1 設計思路

以“以電定熱、熱電平衡”為設計原則對系統進行配置，采用內燃機和熱水型溴化鋰機組組合，其余不足的能量全部由外電網補充.其他傳統節能方式(市電、電制冷機組或燃氣鍋爐等)作為備用和調峰.

根據《分布式供能系統工程技術規程》，并入電網的分布式供能系統的總裝機容量不應大于相應電力系統接入點上級變電站容量(2 600 kW)的30%，可知系統適宜的配置容量不應大于800 kW.

3.2.2 系統主要設備配置

考慮到系統的經濟性和可靠性，采用多個單元組成分布式能源系統，其通過電網構成能源互聯網，系統間可互為補充，互為備用;具有較強的自適應性和抗負載擾動性，實現供能效率最大化.系統中主要設備參數如下:

1)發電機組選擇燃氣內燃機參數見表2.

表2 TCG2016 V08C內燃機相關技術參數Table 2 TCG2016 V08C internal combustion engine related technical parameters

2)制冷機組選用熱水型溴化鋰機組，參數見表3.

表3 LCC-12D熱水型溴化鋰機組相關技術參數Table 3 LCC-12D hot water LiBr unit related technical parameters

3.3 經濟性優化

3.3.1 原方案經濟性分析

示范大樓首先由分布式能源系統供能，不足的部分通過電網供應.系統的投入資金與輸出效益分析見表4.

分析表4，與初投資相比，系統運行的年收益較少，僅為134.3萬元，系統靜態回收期卻高達5.37 a，系統的經濟性有進一步提升的可能.因此，希望通過對系統運行方案優化，增加系統年收益，縮短成本回收周期，提高系統經濟性.

表4 經濟性分析Table 4 Economic analysis

3.3.2 優化結果分析

根據文中所提模型，對師范大樓分布式能源系統的運行進行模擬，結果見表5及圖2.

表5 系統優化運行收益情況Table 5 System optimization run earnings

圖2 系統收益Fig.2 System earnings

圖2a)為n1=1，n分別取 1，2，3，4 時系統收益情況，可以看出:當n1一定，n越小，即冬夏季運行的機組越少，Cx值也越小，即當機組的發電量越接近用戶端的實際負荷時，系統成本回收期就越短，系統經濟性就越好.

從圖2b)，c)，d)趨勢可知，當冬夏季運行的機組臺數一定時，春秋季運行的機組臺數越多，即n一定，n1越大，系統經濟性越好，并且n1越接近n越好.雖然辦公樓對于春秋季的冷熱負荷需求較小，幾乎不會產生冷熱收益，但系統燃燒天然氣發電的成本要比直接購買市電要小得多，所以得以保證系統經濟性.

圖3為n=n1=1，2，3，4 的收益情況，從圖可知，當n=n1時分別取1，2，3，4，n越小系統運行產生的收益越多，成本回收期越短.

圖3 n=n1=1，2，3，4 系統收益Fig.3 n=n1=1，2，3，4 system earnings

綜上所述，n=n1=1時，系統產生收益最多.但是，如果整個系統只有一套設備，那么一旦這套設備發生故障，整個系統就會陷入癱瘓狀態，無法運行，這種情況非常不利于系統的穩定性，所以在既保證經濟性和穩定性的前提下，選取了n=n1=2.因此系統最佳運行組合為n=n1=2，其成本回收期為2.65a，詳細收益數據見圖4.

圖4 n=2，n1=2系統收益Fig.4 n=2，n1=2，system earnings

4 結論

文中提出的建模方法是根據具體案例的能量需求特性，采取不同的運行策略，建立優化目標函數，進行分布式能源系統的經濟性的優化分析，以確定不同運行策略下的最佳容量配置.通過文中優化結果分析可知，當內燃機發電機組額定功率為397.3 kW，并且兩臺發電機組同時運行時，發電機組輸出的功率較為接近示范大樓用戶實際負荷量.示范大樓電負荷、冷熱負荷由此分布式能源優先提供，電力不足則從電網購買;冷熱負荷不足則通過溴化鋰機組補燃補充，以達到系統最佳經濟性.原系統運行方案成本回收期為5.37 a，優化之后縮短至2.65 a，經濟性提高了50.7%，優化效果顯著.此優化模型，不僅僅針對某示范工程大樓，同樣也可為其他分布式能源系統提供一些借鑒，有較好的應用前景和實用價值.

References)

［1］ Raoofat M，Malekpour A.Optimal allocation of distributed generations and remote controllable switches to improve the network performance considering operation stretegy of distributed generations［J］.Electric Power Components and Syetems，2011，39(16):1809 －1827.

［2］ Yoboyama R，Bruce Hedman，Research，development and the prospect of cambined coding，hearting and power system［J］.Engergy，2011(35):4361 －4367.

［3］ 楊錦成.微型燃氣輪機冷熱電聯供系統集成與性能仿真研究［D］.上海:上海交通大學，2009:8－11.

［4］ 胡小堅.微燃機冷熱電聯供系統仿真研究及動態能耗分析［D］.浙江杭州:浙江工業大學，2010:9－12.

［5］ 許東.微型燃氣輪機冷電聯供系統能量優化與管理［D］.天津大學，2010:15－20.

［6］ 何源.分布式能源系統的分析及優化［D］.天津大學，2007:17－22.

［7］ 俞新祥，翁一武，楊錦成.分布式供能系統控制的設計和應用［J］.熱力發電，2006，35(10):11 －12.Yu Xinxiang，Wen Yiwu，Yang Jincheng.Distributed energy systems for the design and application control［J］.Thermal Power Generation，2006，35(10):11 － 12.(in Chinese)

［8］ 陽厚斌.我國分布式能源可持續發展研究［D］.北京:華北電力大學，2013:12－20.

［9］ 曹艷鋒.分布式能源系統建筑應用理論研究［D］.湖南長沙:湖南大學，2011:8－17.

［10］ 陳拓發，荊有印，李婷.天然氣冷熱電聯供系統在某商場建筑中的應用分析［J］.節能，2012(3):35－38.Chen Tuofa，Jin Youyin，Li Ting.Application of natural gas CCHP system in a mall buildings［J］.Energy Conservation，2012(3):35 －38.(in Chinese)

［11］ 劉小軍，李進，曲勇，陳建強.冷熱電三聯供(CCHP)分布式能源系統建模綜述［J］.電網與清潔能源，2012，28(7):64 －65.Liu Xiaojun，Li Jin，Qu Yong，Chen Jianqiang.CCHP(CCHP)distributed energy modeling system overview［J］.Grid and Clean Energy，2012，28(7):64－65.(in Chinese)

［12］ 孔祥強，李華，曲磊.樓宇冷熱電聯供系統節能性研究［J］.能源工程，2010(2):62－65.Kong Xiangqiang，Li Hua，Qu Lei.Building CCHP system energy research［J］.Energy Engineering，2010(2):62 －65.(in Chinese)

［13］ 畢慶生，宋之平，楊勇平.分布式冷熱電三聯供系統的單耗分析模型研究［J］.工程熱物理學報，2007(11):905－908.Bi Qingsheng，Song Zhiping，Yang Yongping.Studies consumption analysis model distributed CCHP system［J］.Journal of Engineering Thermophysics，2007(11):905 －908.(in Chinese)