基于太陽能的CCHP系統的多目標優化

鄭 濤, 盛婷婷, 李 鑫, 桂少婷

(合肥工業大學 電氣與自動化工程學院,安徽 合肥 230009)

基于太陽能的CCHP系統的多目標優化

鄭 濤, 盛婷婷, 李 鑫, 桂少婷

(合肥工業大學 電氣與自動化工程學院,安徽 合肥 230009)

在傳統的利用內燃機驅動的冷熱電三聯供(combined cooling,heating and power,CCHP)系統的基礎上,文章提出了結合太陽能發電和內燃機聯合驅動的新型冷熱電聯供系統模型,并加入了儲能電池以提高可再生能源的利用率并克服太陽能發電的缺點;通過分析新型CCHP系統的能量流動過程,針對該新型模型提出了基于該系統的經濟性、一次能源消耗量、用戶滿足度的多目標優化模型,以天然氣的使用量、向電網側的購電量以及切除的負載數為優化變量,使用字典序優化算法對其進行求解。

冷熱電三聯供(CCHP);字典序法;光伏發電;多目標;能量調度

0 引 言

冷熱電三聯供(combined cooling，heating and power,CCHP)系統主要是利用燃氣輪機或燃氣內燃機燃燒清潔能源進行發電,對發電做功后的余熱進一步進行回收,用來制冷、供暖和供應生活熱水,它可以實現能源的梯級利用,相比于傳統分供(separation production,SP)系統,CCHP具有能效高、污染少等特點,受到廣泛的關注[1-4]。但基于清潔能源的冷熱電聯供系統也存在不可忽略的缺點:① 燃料的限制,只能使用天然氣或輕質油品,費用受市場影響;② CCHP系統規模小,只能滿足小區域的需要;③ 若原動機產出過多電能會造成能量的損失;④ 系統主要依靠天然氣來驅動,在節能高效的同時還是增加了能源的消耗,不能從根本上實現零排放。

為了實現可持續發展,達到節能減排的目的,可再生能源與聯供系統的結合利用已經成為當前研究的熱點。其中,光伏發電對緩解能源短缺及減少環境污染有重要作用[5]。但是太陽能屬于間歇性能源,具有效率差、密度低、不穩定等缺陷,需要有效儲能以確保電網在任何時間都保持供電狀態,并提高電能質量,故需要大容量、大功率、高效能的儲能技術。因此,將冷熱電聯供系統與太陽能、儲能裝置相結合,一方面可以減少聯供系統的非可再生能源消耗,另一方面可以彌補太陽能不連續、不穩定的缺點,最大化利用可再生能源,還可以谷電峰用,增加經濟效益。

1 以太陽能為主的新型模型

以太陽能為主的冷熱電三聯供系統能量流圖如圖1所示。

圖1 以太陽能為主的冷熱電三聯供系統能量流圖

太陽能光伏發電機組和太陽能集熱器作為系統的第1發電和產熱裝置,負責滿足用戶的冷熱電負荷(Qc,Qh,E)需求。當兩者產生電力或熱力不能滿足用戶需求,或因天氣原因無法產生電力或熱力時,由燃氣內燃機和熱回收裝置構成的燃氣發電機組開始為系統提供電力和熱力;而當產生的電力足夠滿足用戶需求且有多余時,就會給儲能電池進行儲能。內燃機以天然氣為燃料,可向用戶提供電力,其產生的高溫煙氣攜帶的熱量可由熱回收裝置回收,該部分熱量可輸送至吸收式制冷機和熱交換器,兩者可以分別滿足用戶的冷熱負荷需求。如果燃氣發電機組產生的電力仍無法滿足用戶的電力需求,那么不足的電力可由城市電網或者儲能電池補充,城市電網部分電力源于燃煤火電廠;如果燃氣發電機組提供的回收熱量仍不能滿足用戶的冷熱負荷需求,那么燃氣鍋爐開始提供熱量以補充不足部分。其中儲能電池主要起谷電峰用的作用,與城市電網和儲能電池的連接和燃氣鍋爐的使用同樣可以增加系統的運行可靠性并提高能源利用率。

2 聯供系統的能量關系

假設E、Ec、Qh分別為單位時間內系統產生的電量、供冷量和供熱量。太陽能發電機組產生的電能為EPP,儲能電池單位時間充放電電量為Ebattery(充電時為負,放電時為正),太陽能集熱器產生的熱能為Qqv,其制冷量與供熱量分別為Qpv1、Qpv2,燃燒天然氣所產生的電能、供冷量、供熱量分別為E1、Q2、Q3,根據文獻[6]的研究得出如下關系:

(1)

(2)

其中,Qgas=Hvgasq0,Hvgas為天然氣的熱值系數;Hvgas=36 500 kJ/m3,假設聯供系統中太陽能集熱器與內燃機產生的熱量為Qw,一部分用于制冷,一部分用于供熱。設α為熱量分配率,當α=1時,表示Qw全部用于驅動制冷機;當α=0時，表示Qw全部用于熱交換器用于供暖,則有:

Qc=αQWηcold=Qpv1+Q2

(3)

Qh=(1-α)Qwηheat=Qpv2+Q3

(4)

E=Epv+Ebattery+E1

(5)

其中,ηcold為制冷機效率;ηheat為熱交換效率。

(3)～(4)式[7]給出了各種能量關系。

3 多目標函數及約束條件

聯供系統是一種復雜的能源系統,根據用戶的冷熱電負荷情況,采用合理的設備配置和運行策略對聯供系統運行性能的提高有很大幫助[8]。文獻[9]對CCHP系統的運行成本、一次能源消耗量以及CO2排放量3個目標建立了優化模型;文獻[10]對CCHP系統的炯效率、總平均成本率和環境成本率優化模型進行了研究。鑒于目前的多目標優化研究都沒有考慮到冷熱電三聯供系統負載的多級分層問題,本文以用戶端為立足點建立系統模型,以天然氣的使用量、向電網側的購電量以及切除的負載數為優化變量,提出經濟效益、能源利用率和用戶負載滿足度3個目標的目標函數及其約束條件。

3.1 目標函數

上述3個目標函數彼此之間是相互矛盾的,同時又有一定的聯系。從經濟方面考慮,要想經濟效益最大,則需要盡量少地向市電購電,但是這需要消耗一次能源來補充,同時需要適當切除負載,也就是會降低負載滿足度;從負載滿足度分析,若要使負載滿足度最大,則經濟性受損,同時一次能源消耗量也會增大;從一次能源消耗量分析,若要盡量少地使用一次能源,則負載滿足度需要一定程度的降低,并且經濟效益會減少。

3.1.1 系統的經濟性

聯供系統的經濟性包含系統的建設成本和運行維護成本等固定成本、內燃機消耗的天然氣成本、給用戶提供電量、供冷、供熱量的收益及從電網購電的成本,設p1、p2、p3分別為單位電量、冷量與熱量的售價,收益的計算公式為：

R=Rp1+Qcp2+Qhp3

(6)

則總成本為:

f1=fs+Qgaspgas+Ebuypele-R

(7)

其中,fs為固定成本;Qgas為天然氣消耗量,其為優化變量;pgas為天然氣價格;Ebuy為市電價格;pele為購電量,也是優化變量。要實現經濟效益最大,則希望盡可能多地利用太陽能和天然氣,而儲能的作用就是提高太陽能的利用率。

3.1.2 一次能源消耗量

太陽能作為可再生能源是取之不盡用之不竭的,但天然氣作為一次能源需要節約使用。由(1)式可得:

f2=20.47+1.22(Quser-Qpv)+

0.11(Euser-Ebuy-Ebattery-Epv)2

(8)

其中,Quser為用戶所需熱量;Qpv為光伏集熱器產生的熱量;Euser為用戶所需電量;Ebuy為從市電購買的電量;Ebattery為儲能電池發電量;Epv為光伏發電機組給用戶提供的電量。

3.1.3 用戶負載滿足度

將負載進行分級,根據其相對重要性將其分為一級負載和二級負載,則負載滿足度為:

(9)

其中,m為一級負載總數量;n為二級負載總數量;α為一級負載所占的權重;m1為滿足一級負載供電的數量;n1為滿足二級負載供電的數量,切除的負載總數量為優化變量。

3.2 約束函數

3.2.1 功率約束

功率關系應該滿足系統所提供的電量、供冷量、供熱量大于等于用戶所消耗的電量、供冷量、供熱量,即

Ebuy+E1+Ebattery+Epv≥Euser

(10)

Qc≥Quserc

(11)

Qh≥Quserh

(12)

其中,Quserc為用戶消耗的供冷量;Quserh為用戶所消耗的供熱量。

3.2.2 電池約束

對蓄電池工作條件和方式進行合理控制可以有效地延長蓄電池的使用壽命,因此需要對電池提出約束條件[11]。

(1) 充放電深度約束。蓄電池過充和過放都會縮短蓄電池的壽命,因此需要對電池的荷電狀態進行約束控制,即

SOCmin≤SOC≤SOCmax

(13)

其中,下標max、min表示變量的上、下限。

(2) 充放電功率約束。蓄電池單位時間充放電功率Δpbattery受其物理性質制約,根據文獻[12]所述,限定其在SOC工作區間內的充放電功率和蓄電池額定容量Cbattery的關系為:

Δpbattery≤εbatteryCbattery/Δt

(14)

(3) 充放電轉換次數約束。充放電深度決定了蓄電池循環總次數,即使用壽命。通過限制其每天充放電轉換次數Tbat以延長工作時間,即

Tbat≤Tbatmax

(15)

(4) 狀態一致性約束。每天00:00和24:00時蓄電池的荷電狀態需保持一致,即

SOC0=SOC24

(16)

4 字典序優化算法

因為本文的3個目標函數間屬于非線性關系,所以采用字典序法對目標函數進行求解。

字典序(Lexicographic)法,又稱完全分層法。它的基本思想是將所有目標從重要到次要,按照相對重要程度排序,給定每個目標的優先級,然后依次求解每個目標。在字典序方法中,除第1個(最重要的)目標外,每個目標都在上一個優先級目標的最優解集中求解,直至最后一個目標被解決或優化變量失去自由度。字典序方法將一個多目標優化問題轉化為多個單目標優化問題加以處理,是分層序列法區別于標量化方法的本質特征。

不妨假設多目標優化問題為:

x∈X?Rm

(17)

x∈X

(18)

(18)式所得字典序最優解是原始多目標最優化問題(17)式的一個有效解。

5 實例分析

以北方某工廠為例,假設該工廠建筑面積為2 000 m2，樓層高為4層,光伏集熱器功率為0 kW(采用文獻[14]中的電跟隨策略),采用的光伏板功率為120 kW,儲能電池容量為60 kW·h(下面成本中沒有計算固定成本并做了一些假設),以夏天的某一天為例,該工廠所需的冷量、熱量、電量如圖2所示。

圖2 某工廠1 d所需的冷量、熱量、電量

相關的價格參數如下:

峰電(8:00-21:00)時,p1=1.1元/(kW·h);

谷電(21:00-8:00)時,p1=0.3元/(kW·h)。

p2=0.56元/(kW·h),

p3=0.4元/(kW·h),q0=2.53元/m3。

1 d中光伏和儲能電池的出力情況如圖3所示。

光伏和儲能電池屬于輔助能源,儲能電池在這里的主要作用是谷電峰用。

從電網買電情況如下:買電遵循的原則是在峰電期間不從電網買電,只是在谷電期間才向電網買電,購電情況如圖4所示。

圖3 光伏發電和儲能電池充放電情況

圖4 購電情況

將不進行優化的目標函數與進行優化后選取了一組非劣解所得到的的目標函數值分別進行對比,得到優化前后的利潤、天然氣消耗量、負載滿足度的比較結果如圖5所示。

為了比較方便,其中成本圖中忽略了固定成本并取其負值即為利潤。

圖5 優化前后的利潤、天然氣消耗量、負載滿足度的比較結果

通過比較可知,在沒有優化時,系統是以保證所有用戶一整天用電均得到滿足的情況下工作的,而且是完全以燃燒天然氣來滿足用戶的冷、熱、電需求的,這個過程中難以避免余熱的浪費;而優化系統是在用電高峰期通過切除少量負載在滿足冷、熱需求的同時減少了余熱的浪費,從而使天然氣的消耗量減少,降低了成本,而在用電低谷時,由于電價便宜,便開始通過購電提高用戶滿足度并減少天然氣消耗。因此,雖然優化后的負載滿足度降低了,但是系統的成本和天然氣消耗量都減少了,總體上系統的性能提高了。

6 結 論

本文介紹了基于太陽能的冷熱電三聯供系統,與傳統冷熱電聯供系統相比,極大地提高了能源利用率,減少了一次能源的消耗。根據本文提出的系統經濟性、一次能源消耗量、用戶負載滿足度這3個目標函數及其約束條件,運用合適的算法進行求解得出有效解,然后根據有效解采用合理的配置和運行策略,從而提高系統的性能。

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Multi-objectiveoptimizationofCCHPsystembasedonsolarenergy

ZHENG Tao, SHENG Tingting, LI Xin, GUI Shaoting

(School of Electric Engineering and Automation, Hefei University of Technology, Hefei 230009, China)

A new model of combined cooling, heating and power(CCHP) system driven by solar energy and internal combustion engine is proposed on the basis of traditional CCHP system driven only by internal combustion engine. Then the energy storage battery is added to improve the utilization of renewable energy sources to avoid the shortcomings of solar energy. And the multi-objective optimization model of the economics, primary energy consumption and satisfaction of users is presented through the analysis of energy flow process of new type of CCHP system, which considers the consumption of natural gas, purchase of electricity from the grid and number of load cut as optimization variables. And the lexicographic optimization algorithm is put forward to solve it.

combined cooling, heating and power(CCHP); lexicographic method; photovoltaic power generation; multi-objective; energy scheduling

2016-02-29；

2016-04-20

合肥工業大學產學研校企合作資助項目(IMICZ201511)

鄭 濤(1981-),男，重慶市人,博士,合肥工業大學副研究員,碩士生導師.

10.3969/j.issn.1003-5060.2017.09.013

TK114

A

1003-5060(2017)09-1215-05

(責任編輯 張 镅)