含儲能的冷熱電聯供分布式綜合能源微網優化運行

耿健， 楊冬梅， 高正平， 陳永華， 劉剛， 陳卉

(1. 南瑞集團(國網電力科學研究院)有限公司，江蘇 南京 211106；2. 國電南瑞科技股份有限公司，江蘇 南京 211106；3. 國網江蘇省電力有限公司經濟技術研究院，江蘇 南京 210008)

0 引言

能源是推動社會發展和進步的重要動力之一[1]，隨著能源消費總量的日益增長，環境問題日益嚴重，同時也帶來能源緊缺和供需不平衡的問題[2]。如何以現階段能源利用模式為基礎提高能源綜合利用效率，已成為能源領域當今研究的熱點和難點之一[3]。為應對這一挑戰，光伏、風力發電以及燃氣輪機等分布式發電(distributed generation，DG)技術[4]興起，這也是各國政府和學者應對能源與環境危機的主要舉措之一。以燃氣輪機發電機和吸收式制冷/熱余熱利用設備為代表的冷熱電聯供(combined cooling heating and power，CCHP)系統[5]、生物質能利用的熱電聯產系統(combined heat and power,CHP)，已較為成熟地應用于分布式綜合能源微網(distributed integrated energy microgrid，DIEM)中。DIEM能夠協同和優化電、熱、冷、水、氣等各種能源的分配、轉化、傳輸、存儲、使用等環節[6]，提高綜合能源利用效率，改善異質能源的多能互補和梯級利用[7—8]。

現階段，對DIEM的有關研究在概念定義、運行控制、經濟性分析與可靠性評估等方面已取得一定成果。文獻[9—12]針對典型DIEM，分別建立DIEM的經濟性調度模型和基于儲能的多目標協同優化運行模型；文獻[13]從經濟、可靠、能耗、環保4個方面的影響因素進行分析，建立DIEM的指標評價模型。然而，針對儲能裝置容量對含CCHP的DIEM的運行優化影響還有待進一步研究。文獻[14]研究了儲電/熱/冷和混合儲能在CCHP機組等設備多能互補協同運行情況下的經濟性和可行性；文獻[15]針對DIEM中電/熱儲能容量配置優化不足的現狀，提出包含電/熱儲能系統額定容量和功率的配置方法；文獻[16]通過電力市場價格指導DIEM儲能設備的運行策略，以達到經濟性最優的目的；文獻[17]提出儲電、儲熱相結合的復合儲能技術，建立CCHP系統拓撲架構、系統模型、多目標函數及約束條件。以上研究雖然在儲能對DIEM的運行優化上有所應用，但是缺少儲能容量大小對其影響的分析。

文中以含CCHP的DIEM為研究對象，首先對DIEM多能耦合特點和儲能設備充放能通用模型進行分析；接著建立CCHP系統的發電及余熱利用模型；然后分別確立綜合運行優化目標、電/冷/熱和排煙余熱平衡條件和設備運行上下限不等式約束；最后以某大學城場景為具體分析對象，配置不同儲冷容量，驗證儲能容量配置對含CCHP的DIEM綜合運行優化的影響。

1 DIEM特點及儲能模型簡介

1.1 DIEM特點

和傳統的能源利用方式相比，多種能源形式強耦合是DIEM的顯著特點。

DIEM一般由電/熱/冷/氣等多種不同能源種類構成，且異質能源系統之間耦合關系嚴重。圖1為DIEM多能源系統耦合示意?？梢钥闯觯珻CHP、燃料電池、氣體壓縮機、熱泵、吸收式制冷機、電制冷機、電制氫、儲冷/熱/電等能源形式轉化和存儲設備，將電/熱/冷/氣各個能源系統高度關聯耦合起來[18]。多種能源系統間建立模型表達形式不盡相同，性能特點差別大，采用的運行控制方法也不同。由于電/熱/冷/氣多種能源系統間的轉化和利用，DIEM比傳統能源系統結構、組成和關系更為復雜。由于組成主體眾多，強耦合性在DIEM中體現更加明顯。傳統單一種類能源系統的建模、運行優化方法不能直接采用。因此，在DIEM運行優化方面，要加深儲能容量對其影響的研究，使整個能源微網能效最高，并最大化就地消納光伏、風電等綠色可再生能源。

圖1 DIEM多能源系統耦合示意Fig.1 Schematic diagram of DIEM multi-energy system coupling

1.2 儲能設備通用模型

儲能設備連接到DIEM后，充能時，可認為是電/熱/冷負荷；放能時，可認為是分布式電/熱/冷源[19—20]。建立儲能設備通用充放能模型，如下所示：

(1)

式中：Φin，Φout分別為儲能設備充、放能時間集合；i為儲能設備類型，1，2，3分別表示儲電、熱、冷設備；Est,i(t)，Est,i,0分別為儲能設備t時段、初始時段儲能量；Pst,i(t)為t時段儲能設備充/放能功率；ηin,i為儲能設備充能效率；ηout,i為儲能設備放能效率；Δt為相鄰時段的時間間隔。

2 CCHP系統模型

CCHP系統將天然氣燃燒后產生的高品位熱能轉換成電能，同時將做過功的低品位熱能用于供熱、制冷、干燥或作為生活熱水等用途，實現了能源的梯級利用，提高了綜合利用效率。這種既產電又產熱和制冷的先進能源利用方式，具有顯著的經濟與環境效益。根據余熱回收方式不同，CCHP系統可分為蒸汽型與煙氣型聯產系統兩大類。文中主要研究煙氣型回收方式，主要由燃氣輪機、余熱吸收式制冷機、余熱鍋爐三部分組成。

2.1 燃氣輪機模型

燃氣輪機主要分為小型燃氣輪機和微型燃氣輪機。與傳統發電設備相比，小型燃氣輪機和微型燃氣輪機具有使用壽命長、燃料多元化、運行可靠性高、污染物排放量少和機組控制靈活等優點，適用于中心城市和遠郊農村。其發電效率和制熱效率都與設備的部分負載率有關，下面給出燃氣輪機 的部分負載下的模型[21—22]。

(2)

式中：ηGT,E為燃氣輪機發電效率；Plr為燃氣輪機部分負荷率；ηGT,nomE為燃氣輪機額定發電效率；燃氣a，b，c，d為輪機發電效率系數，分別取0.826 4，-2.334，2.329，0.179 7。

HPR=ηGT,nomH/ηGT,E

(3)

式中：HPR為燃氣輪機熱電比；ηGT,nomH為燃氣輪機額定制熱效率。

Pex=PGTHPRηr

(4)

式中：ηr為聯產系統余熱回收效率；PGT為燃氣輪機輸出功率；Pex為燃氣輪機回收的余熱功率。

(5)

式中：FGT為燃氣輪機天然氣消耗量；HNG為天然氣低位熱值。

2.2 余熱鍋爐模型

余熱鍋爐是將排煙余熱的熱量轉化為所需要的熱能，模型表示如下：

Qe=Qhηheat

(6)

式中：Qe為余熱鍋爐輸出的熱量；Qh為輸入余熱鍋爐的熱量；ηheat為余熱鍋爐制熱效率。

Pex_heat=α1ηheatPex

(7)

式中：α1為排煙進入余熱鍋爐的比例;Pex_heat為余熱鍋爐制熱功率。

2.3 余熱吸收式制冷機模型

在聯供系統中，余熱吸收式制冷機是不可或缺的，是提高能源綜合利用效率的重要設備，也是改善系統運行的主要設備。余熱吸收式制冷機組驅動能源為熱能，工質為溴化鋰或氣水溶液，利用溶液吸收和蒸發制冷劑蒸氣等特性，通過各種循環流程進行機組制冷循環。余熱吸收式制冷機將輸入的熱量轉為冷量輸出，模型表示如下：

QAR=CACQAR,H

(8)

式中：QAR為余熱吸收式制冷機輸出的冷量；QAR,H為輸入余熱吸收式制冷機的熱量；CAC為制冷轉換性能系數。

Pex_cool=α2CACPex

(9)

式中：Pex_cool為余熱吸收式制冷機制冷功率；α2為排煙進入余熱吸收式制冷機的比例 。

3 含CCHP和儲能的優化運行模型

文中構建了考慮CCHP和儲能設備的目標協調優化模型，其主要作用是實現DIEM綜合目標最優。計及光伏、風力可再生能源主要采用蒙特卡洛(Monte Carlo)抽樣方法來進行模擬，并服從貝塔(Beta)分布和威布爾(Weibull)分布[23]。此外，文中構建系統和大電網并網連接，當DIEM電力供應不足時，會向大電網購電。同時，對于天然氣的處理，在此僅當作CCHP的燃料使用，不涉及天然氣其他功用的負荷。

3.1 運行優化目標

DIEM在一個調度運行周期T內的綜合運行優化目標Ftotal由運維總費用Ctotal和CO2總排放當量Ptotal兩部分構成[24]。

Ftotal=ω1Ctotal+ω2Ptotal

(10)

ω1+ω2=1

(11)

式中：ω1，ω2分別為運維總費用、CO2總排放當量權重系數。

Ctotal主要由從大電網購買電量的電費、消耗天然氣費、新增設備日平均購置費用和維護費用四部分構成，具體如下：

(12)

式中：pgrid(t)，pgas(t)分別為t時段電、氣價；Ggrid(t)，Ggas(t)分別為t時段購電、氣量；ppur，pmain分別為新增設備日平均購置費用和維護費用。

(13)

式中：pi,fixed為新增設備i的固定投資費用；Ci為新增設備i的容量；pi,unit為新增設備i的單位容量投資費用；Ni,des為新增設備i的設計使用年限。

(14)

式中：pi,m為新增設備i的單位容量日均維護費用。

Ptotal主要由DIEM消耗天然氣、外購電力和可再生能源發電的CO2排放當量等幾部分構成。

(15)

式中：cgrid，cgas分別為每消耗1 kW·h電網外購電力、1 m3天然氣的CO2排放當量；cPV，cWT分別為光伏、風機每生產1 kW·h電力的CO2排放當量；GPV(t)，GWT(t)分別為t時段光伏、風機上網電量。

3.2 系統平衡條件約束

DIEM主要由電、熱、冷3個能量平衡和煙氣余熱能量利用平衡條件約束組成，其系統組成如圖2所示。

圖2 DIEM系統組成結構Fig.2 Composition of DIEM system

(1) 電平衡條件約束。

PDG(t)+Pst,1(t)+Pgrid(t)=Pload(t)+PEE(t)

(16)

式中：PDG(t)為t時段所有分布式電源的出力功率；Pst,1(t)為t時段儲電裝置的出力功率，大于0表示儲電裝置放電，小于0表示儲電裝置充電；Pgrid(t)為t時段系統向大電網購電的功率；Pload(t)為t時段系統的電負荷需求；PEE(t)為電能轉換裝置耗電功率。

PDG(t)=PPV(t)+PWT(t)+PGE(t)

(17)

式中：PPV(t)，PWT(t)，PGE(t)分別為t時段光伏發電、風力發電和燃氣輪機發電機組的發電功率。

PEE(t)=PEC(t)+PEH(t)

(18)

式中：PEC(t)，PEH(t)分別為t時段電制冷、熱機耗電功率。

(2) 熱平衡條件約束。

PEH,1(t)+Pst,2(t)+Pex_heat(t)=Pheat(t)

(19)

式中：PEH,1(t)為t時段電制熱機輸出制熱功率；Pex_heat(t)為t時段余熱鍋爐制熱功率；Pst,2(t)為t時段儲熱裝置的出力功率，大于0表示儲熱裝置放熱，小于0表示儲熱裝置充熱；Pheat(t)為t時段系統的熱負荷需求。

PEH,1(t)=αheatPEH(t)

(20)

式中：αheat為電制熱機的制熱系數。

(3) 冷平衡條件約束。

PEC,1(t)+Pst,3(t)+Pex_cool(t)=Pcool(t)

(21)

式中：PEC,1(t)為t時段電制冷機輸出制冷功率；Pex_cool(t)為t時段余熱吸收式制冷機制冷功率；Pst,3(t)為t時段儲冷裝置的出力功率，大于0表示儲冷裝置放冷，小于0表示儲冷裝置充冷；Pcool(t)為t時段系統的冷負荷需求。

PEC,1(t)=αcoolPEC(t)

(22)

式中：αcool為電制冷機的制冷系數。

(4) 儲能設備充/放能平衡條件約束。在一個調度周期內T(通常為1 d)，若儲能設備起始工作的時間為t0，則應有：

(23)

(5) 排煙平衡條件約束。

α1+α2+α3=1

(24)

式中：α3為排煙未被利用的比例。

3.3 設備運行條件約束

Pgrid,MIN≤Pgrid(t)≤Pgrid,MAX

(25)

式中：Pgrid,MIN，Pgrid,MAX分別為微網與大電網之間按照合同允許傳輸的最小和最大功率。

PGE,MIN≤PGE(t)≤PGE,MAX

(26)

式中：PGE,MIN，PGE,MAX分別為燃氣輪機的最小、最大發電功率。

(27)

式中：Est,i,MIN，Est,i,MAX分別為儲能設備充/放能時的最小、最大運行容量。Pst,i,MIN，Pst,i,MAX分別為儲能設備充/放能時的最小、最大運行功率；Sst,i(t)為儲能設備當前儲能狀態，即剩余儲能量；Sst,i,MIN，Sst,i,MAX分別為儲能設備充/放能時的最小、最大運行荷電狀態(state of charge,SOC)。

(28)

式中：PEH,MIN，PEH,MAX分別為電制熱機的最小、最大耗電功率。PEH,1,MIN，PEH,1,MAX分別為電制熱機的最小、最大輸出制熱功率。

(29)

式中：PEC,MIN，PEC,MAX分別為電制冷機的最小、最大耗電功率；PEC,1,MIN，PEC,1,MAX分別為電制冷機的最小、最大輸出制冷功率。

Pex_heat,MIN≤Pex_heat(t)≤Pex_heat,MAX

(30)

式中：Pex_heat,MIN，Pex_heat,MAX分別為余熱鍋爐的最小、最大制熱功率。

Pex_cool,MIN≤Pex_cool(t)≤Pex_cool,MAX

(31)

式中：Pex_cool,MIN，Pex_cool,MAX分別為余熱吸收式制冷機的最小、最大制冷功率。

3.4 求解方法

含CCHP和儲能設備的DIEM運行優化求解問題，屬于典型的多約束多變量的動態規劃求解問題。文中采用商業化的Cplex軟件進行問題求解，具有求解速度快、求解精度高等優點，已在部分多能系統優化調度軟件開發中應用。

4 算例分析

4.1 基礎數據

文中選取國內某大學城為研究對象[25]，主要的基本參數如表1所示。其中，余熱吸收式制冷機和余熱鍋爐利用排煙的比例為4∶1，排煙全部來自燃氣輪機；儲冷設備漏能率為0.15%/h，最大充/放能功率均為0.3 MW，SOC運行區間為[5%, 95%]，初始SOC為50%。分時天然氣價格取2.4元/m3，且低位熱值為36 MJ/m3，分時電價如圖3所示。文中僅進行一天24 h的典型日各個設備日前出力情況分析，并以1 h劃分為調度子時段，夏季典型日冷熱電負荷、可再生能源出力曲線分別如圖4、圖5所示，組成拓撲示意如圖6所示。

表1 設備基本性能參數Table 1 Basic performance parameters of equipment

圖3 主網購電分時電價曲線Fig.3 Time sharing price of main network power purchase

圖4 典型調度日負荷情況曲線Fig.4 Typical daily dispatching load

圖5 典型調度日可再生能源出力曲線Fig.5 Typical dispatch daily renewable energy output

圖6 場景組成拓撲Fig.6 Topology of scene composition

4.2 案例分析

為驗證多能耦合系統下儲能容量大小對含CCHP的DIEM運行優化的影響，選取儲冷設備容量為單一變化量進行比較。運維總費用、CO2總排放當量權重系數分別為30%和70%，每消耗1 kW·h電網外購電力、1 m3天然氣的CO2排放當量分別為0.997 kg/(kW·h)和1.76 kg/m3，光伏、風機每生產1 kW·h電力的CO2排放當量分別為0.032 kg/(kW·h)和0.009 kg/(kW·h)[24]；儲冷設備設計使用年限為10 a，其固定投資費用為239 700元，單位容量投資費用為945元/(kW·h)，單位容量日均維護費用0.25 元/(kW·h)。比較以下3種情景的優化結果。情景一：無儲冷設備；情景二：配置儲冷設備的容量為2 MW·h；情景三：配置儲冷設備的容量為4 MW·h。各個設備的運行優化的出力結果如圖7—圖10所示。

圖7 不同情景下發電設備出力情況Fig.7 Power generation output under different cases

圖8 不同情景下制冷設備出力情況Fig.8 Refrigeration output under different cases

圖9 不同情景下制熱設備出力情況Fig.9 Heating equipment output under different cases

圖10 不同情景下儲能設備狀態情況Fig.10 Status of energy storages under different cases

圖7顯示配置儲冷設備容量越大，在01:00—03:00凌晨谷電時，從主網的購電量越多，燃氣輪機出力也越小，并且在谷電價時，燃氣輪機的出力普遍較低。圖8顯示在冷負荷需求較大時，12:00—16:00電制冷機的出力會隨著儲冷容量的增大而降低，從主網購得的峰電會減少。而在01:00—11:00，吸收式制冷機輸出冷負荷較多，就能滿足冷負荷需求，電制冷機不工作。圖9顯示電制熱機在01:00—12:00都工作，用以補充CCHP機組在低功率下的產熱。圖10顯示儲冷設備普遍在03:00—07:00夜晚谷電時進行充能，在08:00—11:00冷負荷需求處于上升階段，但是CCHP系統出力也處于上升階段，儲冷設備將未利用的冷能進行存儲，并在12:00—16:00進行放能；雖然儲冷設備容量越大，放的冷能更多，但是并未與容量大小成正比。

表2為不同情景下一個周期在綜合考慮運維總成本和CO2排放當量時的綜合運行優化目標情況。針對文中情景，配置儲冷設備容量為0 MW·h,2 MW·h,4 MW·h的運維總成本分別為125 153.77元，123 185.12元，123 963.95元，CO2排放當量分別為210 370 kg，208 263 kg，208 198 kg。配置容量為2 MW·h的時候，雖然CO2排放當量比配置容量為4 MW·h時多一些，但是經濟性和綜合運行優化目標會更好，配置儲冷設備優于未配置。儲冷設備容量為2 MW·h時，運維總成本和綜合運行優化目標最低，沒有造成儲冷設備容量過度配置，更好地實現了本場景兼顧經濟性和碳排放運行優化的目的。

表2 不同情景的一個周期綜合優化目標情況Table 2 One cycle comprehensive optimization objective under different cases

5 結論

建立區域DIEM系統是實現多能互補利用、提升可再生能源滲透消納率和提高能源綜合利用效率的重要手段。結合文中研究，主要得到如下結論：

(1) 文中充分考慮到電/熱/冷和煙氣余熱利用平衡約束、燃氣輪機等各個設備不等式約束，構建了由運維總成本和CO2排放當量組成的綜合運行優化多目標模型。

(2) 算例分析結果表明，配置儲冷設備容量為2 MW·h時一個周期運維總成本比為4 MW·h時少778.83元，CO2排放當量多65 kg，但綜合運行優化目標為3種情景中最高的，驗證了文中所述模型和方法的有效性和合理性。

(3) 選擇合適的儲能設備容量，可使一個周期內的運維總成本和綜合運行優化目標相對較低，從而更好地滿足DIEM系統兼顧經濟性和碳排放運行優化的需求，具有一定的實際工程指導意義。

文中對分布式能源設備出力模型和運行方式進行了簡化和線性化處理，未計及部分設備的變工況特性和啟停特性。另外，對各類儲能設備更加精準化建模，以及儲能設備對DIEM系統時間和空間上轉移特性對運行優化的影響，是今后的研究重點。