基于虛擬儲能模型的樓宇冷熱電耦合系統(tǒng)經(jīng)濟調(diào)度策略

朱超群，陳輝，，殷俊平，張曉明，周磊

（1.國網(wǎng)蘇州供電公司，江蘇 蘇州215000；2.國網(wǎng)（蘇州）城市能源研究院，江蘇 蘇州215000）

0 引言

綜合能源系統(tǒng)包含多種分布式能源，各能源相互補充，能有效提高能源的利用率，在經(jīng)濟、環(huán)保等方面具有顯著優(yōu)勢。冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)（combined cooling heating and power，CCHP）作為綜合能源系統(tǒng)的重要補充，具有靈活可靠、高效清潔等優(yōu)點，現(xiàn)已得到重視和廣泛的發(fā)展［1］。聯(lián)供系統(tǒng)能夠梯級利用能源，向系統(tǒng)內(nèi)的用戶提供電能、熱能以及冷能，實現(xiàn)能源利用效率最大化，同時天然氣較傳統(tǒng)電煤的排污更低［2］，但是聯(lián)供系統(tǒng)靈活性差，各能量輸出比例一般不能變化［3］。地源熱泵（ground source heat pump，GSHP）是利用地下相對穩(wěn)定的土壤溫度，通過媒介質(zhì)來獲取土壤內(nèi)冷（熱）能量的一種新型裝置，能量轉(zhuǎn)換效率高且運營成本低［4］。將2者結(jié)合后，地源熱泵可以彌補冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)制冷或制熱的不足，使得多能源設(shè)備的調(diào)度策略更加優(yōu)化，從而提高冷熱電聯(lián)供-地源熱泵耦合系統(tǒng)的靈活性、經(jīng)濟性和可靠性［5—6］。

文獻［7］考慮到傳統(tǒng)冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)的不足，結(jié)合冷熱電三聯(lián)供和地源熱泵建立了一種綜合能源系統(tǒng)的優(yōu)化模型，以北京某建筑為例提出了一種優(yōu)化運行策略并進行了運行能耗分析。文獻［8］提出了一種由發(fā)電單元、吸收式制冷機、儲水箱和地源熱泵組成的冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)，并采用3種負荷跟蹤策略來比較分析其成本、碳排放量和一次能源消耗量。具有圍護性結(jié)構(gòu)的建筑，其室內(nèi)溫度的變化速率相對較慢，具有一定的蓄熱特性，可以等效為儲能設(shè)備。而人體對溫度的感知存在一個舒適度范圍，溫度在小范圍內(nèi)波動時并不會讓人體感到不適。因此，在負荷低谷時打開空調(diào)，利用建筑的蓄熱特性提前制冷（熱）；在負荷高峰時，可以在人體舒適溫度范圍內(nèi)調(diào)整制冷（供暖）溫度，在降低負荷需求時同時釋放儲能［9］。

本文的創(chuàng)新點如下：①在建立冷熱電聯(lián)供-地源熱泵耦合系統(tǒng)的基礎(chǔ)上進一步考慮了虛擬儲能，實現(xiàn)了技術(shù)的優(yōu)勢互補，提升了能源利用效率，降低了運行成本；②根據(jù)建筑熱性能和設(shè)備能效比建立熱平衡方程，根據(jù)人體舒適度范圍對可變化溫度加以約束，從而建立起虛擬儲能模型。

1 虛擬儲能充放能模型

人體對于溫度變化的感知速度滯后于溫度變化速度，在一定的溫度變化范圍內(nèi)人體不會感到不適，該溫度范圍稱為人體舒適度范圍。利用建筑的的蓄熱能力和人體的溫度舒適度范圍，建筑可以在用電高峰期降低制熱（冷）功率，也可以在用電低峰期提前制熱（冷），從而實現(xiàn)削峰填谷。建筑的這種類似于儲能系統(tǒng)的充放電特性稱為虛擬儲能。

（1）人體舒適度范圍

通常將室內(nèi)溫度與用戶舒適感之間的匹配關(guān)系稱為舒適度，其變化特征如圖1所示。

由圖1可知：室內(nèi)溫度越接近最佳溫度，溫度變化程度越小，人體舒適度越高，反之則越低。對于室內(nèi)供熱、供冷溫度的變化，人體可接受溫度區(qū)間和可接受溫度變化區(qū)間如式（1）和式（2）［10］

圖1 人體舒適度變化曲線Fig.1 Variation curve of human comfort

（2）建筑熱性能

以冬季供熱為例，建筑熱性能可以用一階等效熱參數(shù)模型來模擬該過程。建筑內(nèi)部無熱量產(chǎn)生的主要影響因素有：制熱（冷）設(shè)備的熱（冷）功率出力、人體和設(shè)備的自發(fā)熱以及由于室內(nèi)外溫差造成的熱（冷）耗散。為簡化計算，忽略人體、設(shè)備等自發(fā)熱因素，根據(jù)能量守恒得到熱平衡方程為

式中：C、ρ、V分別為建筑內(nèi)空氣比熱容、密度以及該建筑的容量，具體數(shù)值可通過實際工程參數(shù)測算得到；kwall和kwin分別為外墻和外窗傳熱系數(shù)；Swall和Swin分別為外墻和外窗面積；為室內(nèi)溫度實際值，℃；Tout(t)為室外溫度，℃；QHpro(t)為該建筑單位時間內(nèi)的供熱量，kW；QHload(t)為該建筑t時刻的熱負荷，數(shù)值上與單位時間的供熱量相等，kW。將該微分方程進行差分化處理，形成由差分方程表示的熱平衡方程（5），從而簡化非線性方程

（3）設(shè)備能效比

制冷（熱）設(shè)備消耗功率并不能百分百轉(zhuǎn)化為制冷（熱）量，因此引入系數(shù)η表征設(shè)備的能效比。

根據(jù)人體舒適度、建筑熱性能、設(shè)備能效比3個因素的影響，構(gòu)建建筑虛擬儲能系統(tǒng)模型。當室內(nèi)溫度在人體舒適度區(qū)間發(fā)生變化時，建筑的實際供冷（熱）量隨之變化，可等效為建筑的虛擬儲能特性；室內(nèi)溫度設(shè)定最佳值與實際值的偏差帶來的熱量偏差，可等效為虛擬儲能系統(tǒng)的充放能功率。

以冬季供熱為例，建筑的熱虛擬儲能出力為

式中：Qsim(t)為熱虛擬儲能出力，kW；為建筑室內(nèi)供暖設(shè)定值，℃。

室內(nèi)溫度變化速率帶來的熱量變化速率可等效為虛擬儲能系統(tǒng)的充放能速率。根據(jù)室內(nèi)溫度變化速率的上、下限可以得到熱虛擬儲能出力的約束

當室內(nèi)溫度低于室內(nèi)最佳設(shè)定溫度時，虛擬儲能出力值大于0，熱虛擬儲能在該時段等效釋放熱能；當室內(nèi)溫度高于室內(nèi)最佳設(shè)定溫度時，虛擬儲能出力值小于0，熱虛擬儲能工作，在該時段等效儲存熱能。

以上建筑冬季供熱虛擬儲能模型同樣適用于建筑夏季供冷場景，不同之處僅在于當室內(nèi)溫度高于室內(nèi)最佳溫度時，虛擬儲能系統(tǒng)在該時段等效釋放冷能；當室內(nèi)溫度低于室內(nèi)最佳設(shè)定溫度時，虛擬儲能系統(tǒng)工作，在該時段等效存儲冷能。

2 耦合系統(tǒng)優(yōu)化模型

2.1 耦合系統(tǒng)運行方式

文中研究的耦合系統(tǒng)主要設(shè)備為燃氣輪機及其余熱鍋爐、吸收式冷水機組、熱交換器、地源熱泵、蓄電池和儲能裝置；負荷包括電負荷（生產(chǎn)生活用電和系統(tǒng)自耗電）與冷熱負荷（生產(chǎn)生活冷熱需求）。耦合系統(tǒng)供能示意圖如圖2所示。

圖2 耦合系統(tǒng)供能示意圖Fig.2 Energy supply diagram of coupling system

在耦合系統(tǒng)中，燃氣輪機燃燒天然氣做功，輸出電能供給用戶和系統(tǒng)內(nèi)部設(shè)備，當電能不足時向電網(wǎng)購電。余熱鍋爐會吸收燃氣輪機發(fā)電后排出的高溫煙氣，經(jīng)吸收式冷水機組和熱交換器進行制冷和供暖，燃氣鍋爐則直接通過燃燒天然氣供給熱負荷。地源熱泵系統(tǒng)由燃氣輪機發(fā)出的電和購自電網(wǎng)的電進行驅(qū)動，滿足用戶的冷熱負荷需求。小容量的蓄電池和儲熱裝置對系統(tǒng)的能量起到削峰填谷的作用，能夠分時段利用能量從而提高經(jīng)濟性。

2.2 考慮虛擬儲能的耦合系統(tǒng)優(yōu)化模型

2.2.1 目標函數(shù)

由上文可知虛擬儲能參與熱平衡方程，對熱負荷需求產(chǎn)生影響，從而改變各設(shè)備的出力情況，因此虛擬儲能對目標函數(shù)存在間接影響。

模型在滿足舒適度和負荷需求的基礎(chǔ)上最小化系統(tǒng)的日運行成本，該成本包括了發(fā)電的燃氣成本、系統(tǒng)向電網(wǎng)的購電成本和設(shè)備的維護成本

式中：Fp為年運行成本；Fgas為燃氣成本；Felc為購電成本；Fmit為設(shè)備維護成本

式中：Cgas為天然氣費用；Vgas為所購天然氣體積；選擇一天24 h為一個周期；Δt為單位時間間隔，取1 h；hpur(t)為t時刻電網(wǎng)的分時電價；Ppur(t)為t時刻購電功率；hsol(t)為t時刻售電電價；Psol(t)為t時刻售電功率；hi,dev為設(shè)備i單位發(fā)電功率的運行維護費用；Pi(t)為設(shè)備i在t時刻的輸出功率；I為設(shè)備總數(shù)。

2.2.2 約束條件

對于含虛擬儲能的優(yōu)化模型，首先需要考慮虛擬儲能對建筑負荷調(diào)控約束，同時還有能源供需平衡約束以及各類能源設(shè)備運行約束。

（1）虛擬儲能調(diào)控約束

虛擬儲能調(diào)控下的溫度必須在人體舒適度范圍內(nèi)。同時，其溫度的變化速率也必須在人體舒適溫度變化區(qū)間之內(nèi)。變化速率太快或太慢都將給人體帶來不適感，即滿足式（1）和式（2）所示約束。而室內(nèi)溫度變化速率決定了虛擬儲能出力，因此對于虛擬儲能出力存在以下約束

（2）電/熱供需平衡約束

電能平衡約束條件為

式中：Pi,gen(t)為燃氣輪機發(fā)電功率；Pi,dis(t)為蓄電池放電功率；Pload(t)為系統(tǒng)內(nèi)用戶電負荷總需求；Pi,cha(t)為蓄電池的充電功率。

熱能平衡約束條件為

式中：Qi,bol(t)為燃氣鍋爐供熱功率；Qi,hrsg(t)為余熱鍋爐供熱功率；Qi,dis(t)為儲熱裝置的放熱功率；Qi,hpum(t)為地源熱泵供熱功率；Qhsim(t)為虛擬儲能供熱功率；QHload(t)為系統(tǒng)中用戶熱負荷總需求；Qi,cha(t)為儲熱裝置的儲熱功率。

（3）設(shè)備運行約束

蓄電池運行約束

儲熱裝置運行約束

燃氣輪機、燃氣鍋爐和地源熱泵上、下限約束不詳細述及，給出蓄電池和儲熱裝置的約束條件。上述約束均為線性約束，文中采用混合整數(shù)線性規(guī)劃的方法來解決耦合系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度問題，使用Matlab軟件求解該問題。

3 算例分析

3.1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

文中選取南方某市2類樓宇建筑為例，進行考慮虛擬儲能影響的冬季供暖日的經(jīng)濟性優(yōu)化仿真，表1給出了樓宇設(shè)備參數(shù)。由于虛擬儲能與峰谷電價和空調(diào)開放時間有關(guān)系，因此將仿真聚焦于2類最常見的樓宇類型，分別稱之為I類建筑和II類建筑，I類建筑在白天開放，空調(diào)工作時間一般在8:00—22:00之間；II類建筑24 h開放，空調(diào)工作時間為24 h。表2給出了2類建筑的建筑參數(shù)表。2類建筑的容積均為10 000 m3，冬季最佳室溫設(shè)定為22℃，可接受溫度區(qū)間為18~24℃。圖3給出了該市冬季某日室外溫度變化曲線。實時交易電價和天然氣價格參考文獻［11］，如表3所示。

表1 樓宇設(shè)備參數(shù)Table 1 Device parameters of the building

表2 建筑參數(shù)表Table 2 Building parameters

圖3 該市冬季某日室外溫度Fig.3 Outdoor temperature of the city on a certain winter day

表3 實時交易電價和天然氣價格Table 3 Real time transaction electricity price and natural gas price

3.2 含虛擬儲能的調(diào)度策略分析

3.2.1 基于I類樓宇的經(jīng)濟調(diào)度結(jié)果

將實際算例的基本數(shù)據(jù)代入優(yōu)化模型中進行求解，得到耦合系統(tǒng)在供暖日的各個設(shè)備出力情況和電、熱負荷的負荷曲線，以下分別對電負荷和熱負荷進行優(yōu)化調(diào)度分析。

（1）熱負荷特性

對于I類建筑，其白天工作時間需要供暖。白天電價比氣價貴，為了節(jié)約成本傾向于使用天然氣，因此樓宇主要由冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)供熱。在該時間段內(nèi)還可以通過適當調(diào)節(jié)供暖設(shè)備的功率來實現(xiàn)虛擬儲能系統(tǒng)的充放電，調(diào)節(jié)功率的同時要保證室溫在人體舒適度范圍內(nèi)。虛擬儲能的應(yīng)用可以進一步降低運行成本。18:00工作人員下班后不再需要供暖，I類樓宇的供暖設(shè)備在夜間幾乎不運行，加上夜間降溫，因此建筑室內(nèi)溫度大幅度降低，在樓宇白天開放前可以利用地源熱泵系統(tǒng)在電價谷時段供熱，進行虛擬儲能系統(tǒng)的充電，累積熱負荷造成了熱負荷峰值點的出現(xiàn)。圖4給出了I類樓宇的熱負荷情況。

圖4 基于I類樓宇耦合系統(tǒng)的熱負荷情況Fig.4 Thermal load based on class I building of coupling system

（2）電負荷調(diào)度分析

如圖5所示，在0:00—7:00時段，僅有少量電力負荷，此時燃氣輪機出力較少，主要向處于谷時電價的電網(wǎng)購電來進行供電，多余電量給蓄電池充電；在5:00—6:00時段，由于地源熱泵啟動，電負荷增加，系統(tǒng)向電網(wǎng)購電量增加；在7:00之后由于工作人員開始上班，電負荷迅速上升至高峰，保持穩(wěn)定并持續(xù)至工作結(jié)束，該時間段主要由燃氣輪機承擔發(fā)電任務(wù)，呈現(xiàn)出與電力負荷變化的同步性特征，同時蓄電池放電，不足電量向電網(wǎng)購得作為補充。電價峰時段和平時段的燃氣輪機并非處于滿發(fā)狀態(tài)，因為需要考慮到燃氣輪機的電熱能并行出力的狀態(tài)。在17:00—19:00下班時段，電負荷逐漸減少，由于晚上部分辦公人員在加班，仍有小幅度電負荷。

圖5 基于I類樓宇耦合系統(tǒng)的電負荷情況Fig.5 Electrical load based on class I building of coupling system

3.2.2 基于II類樓宇的調(diào)度結(jié)果

（1）熱負荷特性

II類樓宇供熱工作日的熱負荷變化不同于I類樓宇。II類樓宇24 h營業(yè)，所以全天均有熱負荷需求，夜間為熱谷時段，供熱功率較小，主要由地源熱泵系統(tǒng)進行供熱。由于谷時段電價低于天然氣價格，因此在電價谷時段結(jié)束之前利用地源熱泵系統(tǒng)提前為樓宇蓄熱，相當于給虛擬儲能系統(tǒng)充電。由圖6可知，在0:00—4:00時熱負荷需求小，由地源熱泵進行供熱；5:00—7:00時段由于餐廳的供熱需求，熱負荷增加較多，同時又需要為樓宇提前存儲熱量，所以地源熱泵的出力大幅增加；在7:00—18:00，熱負荷需求穩(wěn)定，采用燃氣輪機為主，燃氣鍋爐為輔的供熱策略來向樓宇提供熱能，通過調(diào)整燃氣輪機的功率來實現(xiàn)虛擬儲能充放電；18:00以后，室外氣溫降低，熱負荷不斷增加并于22:00達到峰值，此時設(shè)備出力最大。

圖6 基于II類樓宇耦合系統(tǒng)的熱負荷情況Fig.6 Thermal load based on class II building of coupling system

（2）電負荷調(diào)度分析

II類樓宇的電負荷變化情況與I類樓宇類似，如圖7所示，8:00—22:00是用電高峰時段，此時主要由燃氣輪機進行供電，在其他時間段，II類樓宇仍要滿足動力及部分區(qū)域照明，電負荷維持在一定的水平，約為峰值負荷的50%~60%。2類辦公建筑的蓄電池裝置均處于低儲高發(fā)的工作狀態(tài)，即在電價谷時充電至存儲能量上限，在電價平時和峰時釋放儲能，以此來降低運行成本。

圖7 基于II類樓宇耦合系統(tǒng)的電負荷情況Fig.7 Electrical load based on class II building of coupling system

3.3 虛擬儲能影響下的經(jīng)濟性分析

II類樓宇的室內(nèi)溫度和供暖設(shè)備溫度的變化曲線如圖8（a）所示，其等效反應(yīng)了熱負荷的變化情況，可以看到在考慮虛擬儲能的影響后，負荷需求轉(zhuǎn)移，使得負荷曲線與能源供應(yīng)曲線更加匹配。由于熱虛擬儲能的調(diào)度不需要任何額外的成本，僅需要滿足室內(nèi)舒適度約束，使得圍護建筑熱虛擬儲能具有良好的經(jīng)濟效益。在無虛擬儲能的情況下，系統(tǒng)日總運行費用為6 785.35元，有虛擬儲能的情況下日總運行費用為6 544.90元。當忽略建筑熱虛擬儲能的作用，僅考慮耦合系統(tǒng)中各設(shè)備協(xié)調(diào)配合供能的優(yōu)化方案時，燃氣采購費用相比于購電費用和設(shè)備維護費用有較大幅度的增加，這反映了熱虛擬儲能調(diào)度對于降低熱負荷總需求的積極作用。因此利用耦合系統(tǒng)中各個能源設(shè)備的協(xié)調(diào)出力與熱虛擬儲能的有效調(diào)控，可明顯降低建筑中滿足電、熱、冷各負荷的運行成本，實現(xiàn)耦合系統(tǒng)的經(jīng)濟優(yōu)化運行。II類樓宇溫度與熱負荷的變化如圖8（b）所示，在計及虛擬儲能的影響后，可以看到其對熱負荷的削減作用，在無虛擬儲能的情況下其日總運行費用為12 568.90元，有虛擬儲能的情況下日總運行費用為12 257元。

2類建筑在不計及虛擬儲能時，中央空調(diào)的控制策略基本是使其持續(xù)運行且保持恒溫，但是計及虛擬儲能后因為中央空調(diào)需要啟停和調(diào)溫，所以需要考慮這種控制策略對設(shè)備的損耗。根據(jù)計價軟件可以得到2類建筑設(shè)備初投資分別為1 378 930元和1 989 400元。采用年成本比較法作為2類情況的比較準則，表4展示了2類建筑的具體費用。

圖8 Ⅱ類樓宇有無虛擬儲能下的溫度及熱負荷情況Fig.8 temperature and thermal loads with and without VES based on classⅡbuilding

表4 不同建筑類型的具體費用Table 4 Operating costs of different building types

4 結(jié)束語

文中提出了一種含虛擬儲能的冷熱電三聯(lián)供-地源熱泵耦合系統(tǒng)的優(yōu)化模型，將日運行費用最小作為優(yōu)化目標，以冬季場景為例對該系統(tǒng)進行優(yōu)化調(diào)度策略的分析，并且驗證了虛擬儲能的應(yīng)用確實能夠減少系統(tǒng)的運行成本。

（1）冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)與地源熱泵系統(tǒng)的耦合實現(xiàn)了系統(tǒng)間能量的流動與利用，提高了能源的利用效率，并且具有時間解耦特性。由于冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)使用燃氣輪機發(fā)電，地源熱泵從電網(wǎng)中取電，因此可以利用耦合系統(tǒng)實現(xiàn)電網(wǎng)的削峰填谷，在電網(wǎng)用電高峰期使用三聯(lián)供系統(tǒng)供熱（冷），電網(wǎng)用電低谷時使用地源熱泵系統(tǒng)供熱（冷），一方面可以減輕電網(wǎng)負擔，另一方面也可以利用電費和天然氣費的價格差減少系統(tǒng)的運行費用。

（2）將虛擬儲能理論應(yīng)用于冷熱電三聯(lián)供-地源熱泵耦合系統(tǒng)，由于樓宇可以儲存一定的熱量，因此可以在保證溫度在人體舒適溫度范圍內(nèi)的前提下，在用電低谷期提前打開供暖（冷）設(shè)備或者在用電高峰期降低供暖（冷）設(shè)備的功率，不僅能夠減輕電網(wǎng)運行壓力，還可以節(jié)省用電成本。