熱電聯產在混合儲能系統中的優化配置

崔秀清　白楊

【摘 要】隨著經濟的發展，能源需求量越來越大，如何高效地使用能源，降低能源成本成為亟待解決的問題。園區綜合能源系統可以將多種形式的能源進行耦合互補，有效的提高了能源利用效率。本文引入了熱電比可調的熱電聯產，計及園區綜合能源系統的經濟性和可靠性并通過粒子群算法優化得到了系統各組件的出力策略。研究結果顯示：通過分季節對熱電聯產的熱電比進行優化，使系統的日均能源成本較優化前降低了5.2%。

【關鍵詞】熱電聯產；混合能源存儲系統；粒子群算法

中圖分類號： F426.61 文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2018）31-0033-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.31.016

【Abstract】With the development of the economy， the demand for energy is increasing. How to use energy efficiently and reduce energy costs has become an urgent problem. The integrated energy system in the park can couple and complement various forms of energy and improve effectively energy utilization efficiency. In this paper， we introduce the CHP with adjustable thermoelectric ratio， and calculate the economy and reliability of the integrated energy system in the park. The results show that the daily energy cost of the system is reduced approximately 5.2 % by optimizing the thermoelectric ratio of CHP in different seasons.

【Key words】CHP； Hybrid energy storage systems； Particle swarm algorithm

0 引言

隨著全球經濟的高速發展，能源的消耗量也變得越來越大，如何高效地利用各種能源，降低能源成本，成為世界關注的重要問題[1]。在用能側將冷熱電負荷結合起來，構成園區綜合能源系統，成為提升能源轉換效率，降低能源成本的重要途徑[2]。在此背景下，研究園區綜合能源系統的規劃設計和運行優化對于緩解能源緊張問題具有重要意義。

在園區綜合能源系統的研究中，熱電聯產系統以高效率，低污染等優點受到了廣泛關注。在文獻[3]中，解決了包含熱電聯產裝置中能源系統運行成本優化問題。連續時間表示法被應用于文獻[4]對與熱電聯產裝置結合的蓄熱箱的容量進行配置。混合整數線性規劃模型用來確定熱電聯產系統的最優運行方式[5]。在以上研究中，熱電聯產系統的熱電比均為定值，而實際上在不同季節用戶的能源需求形式會有很大區別。本文針對園區綜合能源系統，考慮了一年四季中不同的能源需求形式，通過引入熱電比可調的熱電聯產，提出了一種新的系統運行策略。

1 園區綜合能源系統能量樞紐模型建模

1.1 能量樞紐模型

能量樞紐模型通過增加能源的供給路徑提升能源系統的經濟性、靈活性和安全性[6]。圖1展示了一種典型的能量樞紐模型。

1.2 各機組出力模型

如圖1所示，本文所改進的能量樞紐模型包括熱電聯產、燃氣鍋爐、儲熱水罐，本節將會依次介紹各組件的出力模型。

●熱電聯產出力模型

熱電聯產可以利用余熱鍋爐收集微燃機在發電過程中產生的熱能，以此提升綜合能源效率。早期的研究中由于熱電聯產所裝備的余熱鍋爐多為無補燃余熱鍋爐，其熱電比不可調影響了供能效率[7]。在本文中，為了匹配供、用能側的熱電比，配備了帶補燃余熱鍋爐的熱電聯產裝置來改變供能側的熱電比。

熱電聯產熱電機組實際輸出的熱功率與實際輸出電功率之比為熱電比（R熱電聯產），即

式中P熱電聯產h和P熱電聯產e分別為熱電聯產熱電機組的輸出熱功率和輸出電功率，P熱電聯產in為熱電聯產的輸入功率，η熱電聯產h和η熱電聯產e分別代表熱電聯產熱轉換效率和電轉換效率。

●燃氣鍋爐出力模型

為了降低能源成本并改善園區綜合能源系統的運行可靠性，本文將燃氣鍋爐作為輔助產熱設備添加至能量樞紐模型中，并令其協同熱電聯產工作，共同供應園區的熱負荷。燃氣鍋爐的輸出功率PGB可以表示為：

其中，PGBin為燃氣鍋爐的輸入功率。a1、a2和a3分別為排煙熱損失、化學不完全燃燒損失和散熱損失，在本文中分別設為：9.87、0.95和2.18。

●儲熱水罐系統出力模型

為了提高系統運行可靠性，儲能系統需要被安裝于能量樞紐模型中來平抑系統負荷。然而考慮安裝成本，本文以儲熱為主要儲能方式，通過電熱耦合實現大規模儲存系統過剩產能。儲熱水罐中所儲的熱能可由下式表示：

QWT（t）=（1-εWT）QWT（t-1）+QWTh（t）-QWTr（t）（4）

其中，εWT為儲熱水罐的自放熱率；QWT（t）為儲熱水罐t時刻的存儲熱量；QWTh（t）和QWTr（t）分別為儲熱水罐儲熱量和放熱量。

2 優化運行策略

2.1 優化目標

本文基于所提出的能量樞紐模型，考慮天然氣和柴油的購置成本，以系統日前24時段運行成本最優為目標，構建目標函數如下：