計及需求響應的智慧能源系統設計研究

潘廣旭，宮池玉，胡 軍，林國華，金新凱

（1.國網山東省電力公司日照供電公司，山東 日照 276800；2.國網山東省電力公司五蓮縣供電公司，山東 日照 276800；3.日照市光明電力服務有限責任公司，山東 日照 276800）

0 引言

隨著經濟的高速發展，各個領域的能源需求都在增加，環境問題日益嚴重。在這種形勢下，可再生能源冷熱電聯供系統因其節能、環保、高效的特點，可以同時滿足電能、冷能和熱能的需求，成為節能減排和提高能源利用率的有效途徑之一。

傳統能源系統的能源利用率低、用戶能量品質需求與供應之間不匹配、不均衡問題顯著，冷熱電聯供技術是解決該問題的重要途徑。冷熱電聯供系統的優化設計一直是冷熱電聯供系統研究的熱點問題。文獻［1］設計了一種基于可再生能源和非可再生能源的冷熱電聯供（Combined Cooling，Heating and Power，CCHP）系統模型；文獻［2］針對微型冷熱電聯供系統提出了一種兩階段優化設計方案；文獻［3］利用經濟學方法分析了雙燃料冷熱電聯供系統的熱力學性能和成本分配；文獻［4］建立了生物質與地熱能耦合的熱電聯供系統的分析和成本分析數學模型；文獻［5］采用免疫粒子群算法自動對優化目標賦予權重并進行優化求解，實現多目標的協調優化；文獻［6］采用遺傳算法對系統的參數進行優化，提高了系統的能源節約率；文獻［7］采用粒子群算法對含有太陽能的聯供系統進行優化配置；文獻［8］在系統經濟性模型中考慮了碳交易問題，并運用布谷鳥搜索算法進行求解；文獻［9］對比新能源驅動的CCHP與天然氣驅動的CCHP 系統的性能，結果表明前者具有更好的運行性能。但是以上針對冷熱電聯供系統的運行模式，多采用單一的“以電定熱”模式，導致過渡季能源的浪費；并且以上聯供系統的評價指標主要集中在能源減排、二氧化碳減排和成本節約方面等，優化目標不夠全面。

綜合考慮用戶行為規律，采用冬季、夏季“以電定熱”，過渡季“以熱定電”的運行模式，減少了過渡季能源的損耗；同時，在考慮熱能利用的基礎上，將效率提高率作為分析能量轉換率指標，更全面分析了冷熱電聯供系統的性能。

1 問題描述

1.1 系統結構

冷熱電聯供系統的結構如圖1 所示。該系統中，內燃機為主要的發電設備，太陽能光伏電池為輔助的發電設備為用戶提供電能。內燃機的缸套水和煙氣余熱為用戶提供所需的熱能。燃燒天然氣的鍋爐和電網分別作為熱能和電能的備用能源。電制冷機和吸收式制冷機聯合為用戶提供所需的冷量。

圖1 RES-CCHP系統結構與能量流

傳統的分供系統配置如圖2 所示。該系統中，用戶從電網獲取所需電負荷，并從電制冷機中獲取所需冷量，天然氣鍋爐作為熱能的能量來源。

圖2 分供系統結構與能量流

1.2 系統數學模型

內燃發電機組是冷熱電聯供系統的重要設備，只有對內燃發電機組進行全工況的分析，并建立合適的模型，才能掌握系統的實際運行特性［10］。主要考慮內燃機的整體發電效率和能量消耗，以小型內燃機組標準特性參數為依據建立內燃發電機組變工況特性的全工況建模［11］并得到其擬合曲線公式。

內燃機在不同負載率下的發電效率和熱系數如式（1）所示。

式中：r(t)為t時刻的負載率；ηig為內燃機發電效率；fe(t)為t時刻煙氣熱系數；fj(t)為t時刻缸套水熱系數。

要想研究系統的能量特性，就需要分析系統的能量流動關系［12］。內燃發電機的輸出電功率和輸入功率關系如式（2）所示。

式中：Eice(t)為t時刻內燃機輸出電功率；Gice(t)為t時刻內燃機輸入功率。

內燃發電機輸出余熱功率與輸入功率關系如式（3）所示。

式中：Hre(t)為t時刻內燃機輸出余熱功率；ηjw為缸套水換熱器效率；ηexh為煙氣換熱器效率。

忽略溫度的影響，太陽能光伏電池輸出功率和輸入光照強度關系為

式中：Epv(t)為t時刻太陽能電池輸出功率；Wsolar(t)為t時刻輸入光照強度；ηpv為太陽能光伏電池轉換效率；Npv為太陽能光伏電池數量；Spv為單個太陽能光伏電池占地面積。

溴化鋰吸收式制冷機輸出功率和輸入熱能關系如式（5）所示。

式中：Cac(t)為t時刻溴化鋰吸收式制冷機輸出冷量；Hac(t)為t時刻溴化鋰吸收式制冷機輸入熱量；ηCOP，ac為溴化鋰吸收式制冷機的制冷系數。

電制冷機的輸出功率和輸入電能關系為

式中：Cec(t)為t時刻電制冷機輸出冷量；Eec(t)為t時刻電制冷機輸入電量；ηCOP，ec為電制冷機的制冷系數。

燃氣鍋爐的輸出功率和輸入熱功率關系為

式中：Hboil(t)為t時刻燃氣鍋爐輸出熱功率；Gboil(t)為t時刻天然氣燃燒輸入熱功率；ηb為燃氣鍋爐的熱效率。

2 RES-CCHP系統優化目標函數

在系統優化過程中，從經濟性、節能性、減排性以及?效率等4 個方面，提出4 個不同的目標函數。所有目標函數的定義均以傳統分供系統為對照，其中分供系統中包含鍋爐、電制冷機和電網。為每一個目標函數賦予不同的權重，最后再將4 個目標函數優化的結果通過權重系數變換法整合在一起，即有：

式中：IAOC，year為聯供系統運行成本年節約率；IPE，year為聯供系統一次能源節約率；ICRE，year為聯供系統二氧化碳減排率；INEX，year為聯供系統?效率提高率；ω1，ω2，ω3，ω4為獨立目標函數權重。權重系數代表著各目標在優化求解中所占的權重，各目標權重系數的取值對優化運行的結果有重要影響。RES-CCHP系統的環保、節能潛力更應該被關注，系統投資成本偏高等經濟問題可通過產業規?；仁袌鍪侄谓鉀Q，故將ω1和ω3設置為較低的0.2，將ω2和ω4設置為較高的0.3。

2.1 聯供系統年運行成本節約率

第1個目標函數是年運行成本節約率，定義為：

式中：CCCHP，year為聯供系統年運行成本；CSP，year為參考分供系統年運行成本；為聯供系統的設備購買和運行維護成本；為聯供系統電網交互成本；為聯供系統天然氣燃料成本；T為時間間隔，取1h；R為系統投資回報系數；為系統主要設備投資成本；σ為系統運行和維護費用系數；Pgb(t)為時刻t電費價格；(t)為時刻t系統向電網購電功率；Pgs(t)為時刻t售電價格；為時刻t系統向電網售電功率；μgas為天然氣價格；為內燃機輸入功率；（t）為t時刻的燃氣鍋爐輸入功率；為分供系統的設備購買和運行維護成本；為分供系統主要設備投資成本；為分供系統電網交互成本；(t)為時刻t分供系統向電網購電功率；為分供系統天然氣燃料成本；(t)為分供系統燃氣鍋爐輸入功率。

2.2 聯供系統一次能源節約率

第2 個目標函數用來評估冷熱電聯供系統相較于參照分供系統的能源消耗，如式（14）所示。

式中：FSP，year為參考分供系統年一次能源消耗量；FCCHP，year為聯供系統年一次能源消耗量；為聯供系統消耗的一次能源；為電網系統消耗的一次能源；v為標準煤折算系數，本文取8.13 kWh/kg［13］；ηtp為電廠的發電效率；ηgrid為電網傳輸效率；為分供系統鍋爐的運行過程中要消耗的一次能源；為分供系統電網運行過程消耗的煤。

2.3 聯供系統二氧化碳減排率

第3個目標函數是二氧化碳減排率，定義為：

式中：VSP，year為參照系統的二氧化碳排放量；VCCHP，year為冷熱電聯供系統二氧化碳排放量；μc為電網燃煤的二氧化碳排放系數；μn為天然氣的二氧化碳排放系數。

2.4 聯供系統?效率提高率

第4 個目標函數是聯供系統?效率提高率的優化。該目標函數從熱經濟角度比較冷熱電聯供系統和參考系統，?效率提高率定義為：

聯供系統的?流結構如圖3所示。聯供系統輸入的?主要由天然氣燃料、太陽能、電廠消耗的煤、鍋爐內燃機燃燒所需的空氣、制冷機制冷需要的水和燃氣內燃機的缸套水的?組成；聯供系統輸出的?主要由建筑物電負荷、生活熱水、冷水的?組成。分供系統的?流結構如圖4所示。與聯供系統相比，分供系統沒有輸入太陽能的?和燃氣內燃機缸套水的?。

圖3 冷熱電聯供系統的?流結構

圖4 分供系統的?流結構

3 系統優化求解

在選擇優化配置變量的過程中，應選擇受其他設備影響較小的和相對獨立的設備容量作為優化配置這部分的優化變量［14］。選取燃氣內燃機容量Npgu，燃氣內燃機最低負載率a，光伏電池組數量Npv和吸收式制冷機和燃氣內燃機容量比s為優化變量。

3.1 系統參數配置

為充分發揮系統能效，聯供系統主要的設備參數如表1所示［15］。

表1 系統主要設備參數

聯供系統主要的經濟參數如表2所示。

表2 系統主要經濟參數

聯供系統主要環境參數如表3所示。

表3 系統主要環境參數

系統在不同時段向電網售電價格和從電網購電價格如表4所示。

表4 系統售電及購電價格

通過分析典型場景下的用戶用能行為，得到用戶全年用能規律。經過用戶用能分析后，調整的建筑物全年冷熱電負荷數據如圖5 所示。建筑物全年電負荷分布較為平均，冷熱負荷分布具有明顯的季節性。其中，冷負荷主要集中在夏季，熱負荷主要集中在冬季。

圖5 用能行為分析后建筑物全年負荷

3.2 遺傳算法

優化配置采用遺傳算法對該系統中的設備容量和關鍵參數進行優化。遺傳算法已成為求解最優化問題的一種重要解決方法，是現代智能計算領域廣泛采用的關鍵技術之一［16］。遺傳算法的相關參數如表5所示。遺傳算法流程如圖6所示。

表5 遺傳算法相關參數

圖6 冷熱電聯供系統的遺傳算法流程

表6給出了4個優化變量的取值范圍。

表6 遺傳算法優化變量

3.3 求解結果

聯供系統的主要設備容量優化結果如表7所示。

表7 聯供系統優化設備容量

將聯供系統和分供系統進行對比，得到聯供系統的各評價指標如表8所示。

表8 聯供系統各評價指標 單位：%

從上述數據可以看出，優化設計后的冷熱電聯供系統的年一次能源節約率為19.5%，年二氧化碳減排率為42.1%，聯供系統在環境、能源方面具有巨大優勢。聯供系統熱力學指標為2.1%，相比于傳統的分供系統也有提高，說明該系統在熱能的利用方面具有優勢。但由于聯供系統結構復雜，且前期系統設備的購買費用較高，投資較大，因此經濟性能欠佳。

3.4 仿真驗證

為了進一步驗證優化系統的可行性。圖7 和圖8 分別給出了冷熱電聯供系統以月為單位的全年供電和供熱情況。建筑物自身電負荷和電制冷機輸入電功率組成了電負荷需求；建筑物自身熱負荷和吸收式制冷機輸入熱功率組成了熱負荷需求。

圖7 聯供系統全年電負荷供求關系

由圖7 可知，聯供系統的電負荷供應量始終多于建筑物的電負荷需求量；由圖8 可知，聯供系統的熱負荷供應量始終多于建筑物的熱負荷需求量。因此，系統可以滿足建筑物的冷、熱、電負荷需求。

圖8 聯供系統全年熱負荷供求關系

為了進一步分析聯供系統各設備在不同時段的出力情況和聯供系統與電網的電能交互情況，分別選取夏季、冬季和過渡季的典型日（工作日和非工作日）進行聯供系統的負荷分析。

夏季系統工作在“以電定熱”模式，圖9—圖12為夏季典型日聯供系統負荷組成。

圖9 夏季典型工作日聯供系統電負荷組成

圖10 夏季典型非工作日聯供系統電負荷組成

圖11 夏季典型工作日聯供系統熱負荷組成

圖12 夏季典型非工作日聯供系統熱負荷組成

夜間電負荷需求較小且無太陽能，夜間負荷全部由電網供應。工作日白天電負荷需求較大，光伏輸出的電能無法滿足電負荷需求，內燃發電機啟動為建筑物提供電能。

非工作日電負荷需求較低，光伏輸出的電能足以供應白天建筑物所需電負荷，內燃發電機不啟動，太陽能板產生的多余電能向電網售出。

工作日白天內燃機啟動后產生的余熱基本可以滿足建筑的熱負荷需求，系統多余的熱能以廢氣的形式排出。夜間因內燃機不啟動，補燃鍋爐啟動提供所需熱負荷。

因電負荷較小內燃發電機不啟動，由補燃鍋爐提供全天熱負荷。

冬季系統工作在“以電定熱”模式，圖13—圖16為冬季典型日聯供系統負荷組成。

圖13 冬季典型工作日聯供系統電負荷組成

圖14 冬季典型非工作日聯供系統電負荷組成

圖15 冬季典型工作日聯供系統熱負荷組成

圖16 冬季典型非工作日聯供系統熱負荷組成

夜間負荷全部由電網供應；冬季工作日白天電負荷需求較大，太陽能和內燃發電機共同為建筑物提供電能。然而冬季日照時間較短，白天太陽能輸出功率較小，僅可為建筑物提供約8%的電能。

典型冬季非工作日聯供系統電負荷組成情況與典型夏季非工作日聯供系統電負荷組成類似。

典型冬季聯供系統熱負荷組成情況與典型夏季工作日聯供系統熱負荷組成類似。

過渡季系統工作在“以熱定電”模式，圖17—圖20為過渡季典型日聯供系統負荷組成。

圖17 過渡季典型工作日聯供系統電負荷組成

圖18 過渡季典型非工作日聯供系統電負荷組成

圖19 過渡季典型工作日聯供系統熱負荷組成

圖20 過渡季典型非工作日聯供系統熱負荷組成

夜間負荷組成與冬夏季無異；工作日白天電負荷需求較大，且遠超于內燃發電機額定功率，較冬夏季，聯供系統在過渡季典型工作日從電網購買的電量明顯增大。

典型過渡季非工作日聯供系統電負荷組成，其組成情況與冬夏季非工作日大致相同。

系統優先使用燃氣內燃機余熱通過換熱器以生活用水等形式向建筑提供熱能，不足的部分由燃氣鍋爐補足，多余的熱量將以廢氣的形式排出。

典型過渡季非工作日聯供系統熱負荷組成，其組成情況與冬夏季基本相同。

4 結語

通過綜合考慮用戶行為規律，深度挖掘需求側負荷的節能潛力，提出了一種結合天然氣和太陽能的冷熱電聯供系統配置，通過與傳統分供系統相比較，基于經濟、環境、能源、熱力學評價指標對該系統進行了優化設計。經驗證，與分供系統相比，該系統的CO2排放和一次能源的消耗顯著減少，系統?效率有所提高。根據聯供系統仿真結果按月分析電熱負荷供求關系，分析了冬夏和過渡季典型日電熱負荷組成，驗證該聯供系統的可行性。本文的設計優化模型采用了“以電定熱”的傳統運行模式，運行經濟性有待進一步提高，本研究將在下一步研究計劃中，將系統設計與運行優化結合，提高系統經濟性。