含風光儲及熱泵的CCHP系統配置優化研究

劉 權，徐在亮，宋鑫華，葛 藝，韓吉田

（1.山東大學 能源與動力工程學院，山東 濟南 250061；2.靑島市西海岸新區市政公用事業發展中心，山東 青島 266400）

0 引言

燃氣冷熱電聯供系統（Combined Cooling，Heating and Power，CCHP）基于能源的梯級利用原理，以天然氣為燃料，帶動燃氣機組發電的同時利用余熱回收裝置進行余熱回收為用戶供冷供熱，其綜合能源利用率可達70%以上。與傳統的分供系統（Separate Production，SP）相比，CCHP 系統具有能源綜合利用效率高、環境友好、投資少及系統安全穩定性高等優點。作為一個典型的多能流多設備耦合的復雜供能系統，聯供系統的系統配置與運行策略是影響其經濟性和節能減排性能的重要因素。由于冷熱電聯供系統組合形式多樣，配置復雜，參數與運行方式變化會引起系統性能的變化，給系統優化配置帶來了較大難度。因此，研究CCHP 系統優化配置和運行優化策略對燃氣冷熱電聯供系統的研發和工程應用具有非常重要的意義。

目前，國內外在系統優化配置及優化運行方面已進行了較系統的研究。魏征［1］提出了一種面向CCHP系統的光伏容量優化配置方法，應用改進小生境粒子群算法及模糊理想決策方法對方案進行了多目標優化研究，得到了CCHP 系統的最佳光伏容量配置。江卓翰［2］提出了一種計及風光儲的CCHP 雙層協同優化配置方法，可有效實現系統的協同優化。楊濤［3］建立了含蓄能裝置的冷熱電聯供系統設備配置與運行策略協同優化的數學模型，研究結果表明，在分時電價體系下，CCHP系統中引入蓄能裝置能夠有效降低運行成本、減少CO2排放和提高系統運行的靈活性。葛藝［4］提出了一種具有儲能的太陽能輔助天然氣CCHP 系統，以年總成本（Annual Total Cost，ATC）為目標，建立了考慮設備部分負荷性能的混合整數非線性規劃（Mixed Integer Nonlinear Programming，MINLP）模型，研究結果表明，引入儲能裝置的太陽能輔助天然氣CCHP 系統具有良好的經濟性。付文鋒［5］設計了一種吸收式熱泵輔助的太陽能-地熱多聯產系統，利用雙熱泵組合的運行調節方式，使系統在不同負荷時段可以靈活調節冷、熱、電比例，具有良好的綜合性能。黃景光［6］建立了包含風電、光伏、地源熱泵和儲能的CCHP 模型，構建了計及綜合需求響應的CCHP 魯棒優化調度模型，仿真結果表明，該系統具有良好的經濟性與風電消納率。楊志鵬［7］建立了包含風電、光伏、燃料電池、CCHP 系統、地源熱泵及儲能裝置的微網運行優化模型，并采用混合整數線性規劃（Mixed Integer Linear Programming，MILP）算法求解，通過與常規CCHP 系統比較表明，熱泵和儲能裝置可增強系統的靈活調節能力，具有顯著的經濟效益。

上述研究表明，采用風光儲的冷熱電聯供系統具有良好的節能減排性能和發展前景。但是已有研究主要考慮了儲電，而未同時耦合熱泵及蓄冷蓄熱設備。另外，已有研究主要集中在某類設備的容量優化上，很少在某類設備中（如內燃機）考慮多種備選型號，并對不同型號的設備數量或容量進行配置優化以滿足用戶的不同負荷需求。

因此，建立一種耦合風光儲及熱泵的冷熱電聯供系統（Wind-Solar-Storage-and-Heat-Pump-CCHP，WSSH-CCHP），構建系統設備配置和運行策略協同優化的數學模型，在此基礎上，采用考慮經濟、環保及能耗性能的綜合評價指標，結合具體案例，依據自建數據庫設備信息，利用MILP 算法實現不同供能模式下系統設備數量、容量和運行策略的整體優化，并分析耦合風光儲及熱泵的冷熱電聯供系統關鍵因素對其性能的影響。

1 CCHP系統

如圖1所示，本文建立的耦合風光儲及熱泵的冷熱電聯供系統主要包括光伏電池、風電機組、燃氣內燃機、燃氣鍋爐、溴化鋰吸收式制冷機組、電制冷機、地源熱泵、電蓄冷空調、蓄熱槽及蓄電池等設備。其工作原理為：光伏電池、風電機組與燃氣內燃機為用戶提供電負荷，該系統并網不上網，不足電量由電網補足。利用內燃機運行過程中產生的高溫煙氣驅動溴化鋰機組為用戶提供冷熱負荷。當溴化鋰機組的冷熱負荷供應不足時，由熱泵、電制冷機及燃氣鍋爐補足。儲能設備在設備運行高峰時釋能，設備運行低谷時儲能，可減小聯供系統負荷波動性，更好平衡冷熱電負荷。

圖1 計及風光儲及熱泵的CCHP系統結構

2 數學模型

CCHP 系統數學模型包括滿足用能端逐時電熱冷能源需求的負荷功率平衡模型和體現系統內各設備轉換效率和能源消耗的性能約束模型。

2.1 功率平衡約束

2.1.1 電功率平衡

CCHP系統利用燃氣內燃機、光伏、風電、蓄電池等發電單元滿足用戶的電力負荷需求及系統內各用電設備的需要，不滿足時從電網購電。電功率平衡為

2.1.2 熱功率平衡

燃氣鍋爐、吸收式制冷機、熱泵及蓄熱槽等制熱單元為用戶提供熱負荷需求。熱功率平衡為

2.1.3 冷功率平衡

電制冷機組、吸收式制冷機組、熱泵及蓄冷空調等制冷單元滿足用戶冷負荷需求。冷平衡約束為

2.2 設備性能約束

2.2.1 光伏電池

光伏電池（Photovoltaic，PV）利用太陽輻射能產生電能，與CCHP 系統結合后可降低污染物排放和一次能源消耗，提升系統性能。光伏電池輸出功率模型為［8］

式中：Npv是光伏板數量；ζpv是考慮陰影、線路損耗和積雪等影響的修正系數；Ppvr為光伏系統額定輸出功率，kW；W和WS分別為光伏電池實際太陽輻照值和標準條件（太陽輻照1 000 W/m2，電池溫度25℃）下的太陽輻照值，W/m2；T和TS分別為當地氣溫及標準條件下的溫度，℃；αT是實際組件的功率溫度系數，為無量綱量。

2.2.2 風電機組

風力發電機（Wind Turbine，WT）輸出功率主要由空氣密度、葉片半徑、風速等因素決定，其輸出功率模型為

式中：Pw為風電機組的輸出功率，W；ρair為空氣密度，kg/m3；R為風機葉片的半徑，m；Vwind為風機葉尖風速，m/s；C（λp，β）為風能利用率，λ為葉尖速比，β為漿距角。

2.2.3 燃氣內燃機

CCHP 系統可利用燃氣內燃機（Gas Engine，GE）產生的高品位熱能進行發電做功，同時將GE 發電過程中產生的熱量及尾氣排放中的熱量供給余熱機組進行回收利用，實現能量的高效階梯利用。

燃氣內燃機的數學模型為

式中：VGE為內燃機燃氣耗量，kW；PGE為燃氣內燃機發電功率，kW；ηGE為內燃機發電效率；QGE為排放余熱量，kW；αGE為內燃機熱電比，QGE，max為設備允許安裝容量，kW。

2.2.4 吸收式制冷機

吸收式制冷機（Absorption Chiller，AC）利用燃氣內燃機余熱制冷制熱，提升系統效率。

吸收式制冷機數學模型為

2.2.5 燃氣鍋爐

燃氣鍋爐（Gas Boiler，GB）的輸出功率與自身的輸出特性和負荷情況有關，其模型為

式中：VGB為燃氣鍋爐消耗天然氣量，kW；ηGB是燃氣鍋爐的制熱效率；QGB是供給用戶的熱量，kW；CGB是燃氣鍋爐允許安裝容量，kW。

2.2.6 冷水機組

選用冷水機組（Electric Chiller，EC）作為系統的補冷設備，滿足系統冷負荷需求。其數學模型為

式中：QEC是冷水機組制冷量，kW；EEC是冷水機組耗電量，kW；ηCOP為電制冷冷水機組性能系數；CEC是冷水機組允許安裝容量，kW。

2.2.7 地源熱泵

地源熱泵（Ground Source Heat Pump，HP）是一種利用淺層地熱資源實現供冷與供熱的高效節能環保空調系統，與CCHP 系統結合可進一步提升系統經濟性。地源熱泵數學模型為

2.2.8 儲能設備

CCHP系統供需不匹配會降低系統經濟性，引入儲能設備（Energy Storage，ES）可以有效協調冷、熱、電負荷間的調度和轉換，緩解供需不匹配問題。儲能設備模型為

式中：Ed，t+1、Ed，t分別為第d天的t+1時刻與t時刻儲能前后設備容量，kW；ε為儲能設備損耗率；分別為設備充放能功率，kW；γin和γout分別為設備充放能效率。

儲能設備需要運行在一定范圍內，其充放能功率約束為

2.3 評價指標

分布式能源系統的評價準則主要考慮能效、經濟及環保性能。選取分供系統作為對照系統，分供系統由電網供電，電制冷機供冷，燃氣鍋爐供熱，根據實際情況結合上述三項指標提出綜合評價指標對系統進行優化。

2.3.1 能效

燃氣CCHP 系統具有良好的節能減排效益，系統一次能源消耗量（Primary Energy Consumption，PEC）更少。本文以聯供系統相比分供系統的年一次能源節約率作為能效指標［9-10］，則：

2.3.2 經濟性

投入成本是實際工程項目落地的關鍵因素。因此，本文選取年總成本節約率作為經濟性指標，年總成本費用包括設備投資折合到每年的費用Ccap、土建安裝費Ca、設備維護費用Com、燃料消耗費Cfuel和電網購電費Cgrid。CCHP系統年總成本節約率為

式中：CCCHP和Csp分別為聯供系統和分供系統的年綜合成本，元。

年綜合成本為

式中：Ccap為系統的年設備投資費用，元；Com為系統年維護費用，元；Cfuel為系統年燃料費用，元；Cgrid為系統購電費用，元；Ca為系統土建費用，元。

系統各項費用為

2.3.3 環保性

CCHP 系統所排放的污染物主要有CO2、NOx及SO2。本文不考慮排放量小的SO2的影響，以CO2與NOx減排率作為環境性能評價指標，定義為：

式中：EGE為燃氣內燃機年發電量，kWh；EAC為余熱機組年制冷量和制熱量，kWh；EGB為燃氣鍋爐年制熱量，kWh。

2.4 目標函數

本文系統綜合考慮能效、經濟、環保三方面，使其綜合收益最大化，建立綜合評價性能指標Zmax，并以Zmax為本文優化目標函數。

式中：ωi（i=1，2，3，4）為各評價指標的權重，ω1+ω2+ω3+ω4=1，Zmax值越大，代表系統性能相比分供系統越好，考慮工程實際，設定本文評價指標的權重分布為ω1>ω2>ω3>ω4［12-14］。

3 案例分析

3.1 建筑動態負荷模擬與分析

以濟南某規劃總面積約130 000 m2的能源中心為例，該區域屋頂光伏可利用面積約14 000 m2，風電安裝容量2 342 kW。通過建筑能耗模擬軟件DeST 可以獲得建筑的相關數據［15］。

根據本文所得到的建筑負荷信息，選取4 個典型日，其持續時長如表1所示。

表1 典型日持續時長 單位：天

不同時段的能源價格如表2所示。

表2 能源價格

圖2—圖4 分別表示典型日逐時冷熱電負荷數據、該地區典型日太陽輻照量及風速信息。

圖2 典型日逐時冷熱電負荷曲線

圖3 地區典型日太陽光輻照量

圖4 區域典型日風速

表3—表4 為本文系統設備數據庫中數量型設備的參數信息［16-17］，表5為可靈活配置的容量型設備參數［18］。

表3 燃氣內燃機及燃氣鍋爐參數

表5 容量型設備部分參數

結合案例冷熱電風光負荷數據及設備信息，本文建立如表6的3種方案，探究不同設備組合方式下的系統配置與運行效果。

表6 不同系統方案

3.2 設備選型優化結果

針對以上濟南能源中心負荷參數，選擇設備品牌，考慮能源價格，采用并網不上網的運行策略，以綜合指標為優化目標，運用MILP 算法對三種能源系統進行優化求解，優化選型結果如表7—表9所示。

表7 SP系統優化選型結果

表8 CCHP系統優化選型結果

表9 WSSH-CCHP系統優化選型結果

分析上述優化選型結果可知，SP 系統冷負荷僅由冷水機組負責，所以其容量配置很高。WSSHCCHP 和CCHP 中燃氣內燃機、溴化鋰制冷機組等設備容量相差不大，由于電網購電綜合指標較差，WSSH-CCHP 和CCHP 相比SP 都大幅減少了冷水機組容量，被溴化鋰機組替代。WSSH-CCHP 相比CCHP 引入了風光設備，減小了內燃機、溴化鋰機組的數量，WSSH-CCHP 系統與CCHP 系統都引入了儲能設備，從配置容量可以看出耦合風光后的WSSHCCHP系統儲能量遠高于CCHP系統。

3.3 評價指標優化結果

以本文的綜合性能指標Zmax為優化目標，得出各方案優化結果如表10所示。

表10 評價指標優化結果

不同能源系統折合每年各項費用如圖5 所示。由圖5 可見，WSSH-CCHP 相比CCHP 年總費用減少了319 萬元，而CCHP 與WSSH-CCHP 雖年總費用相差不大，但后者污染物排放更少，PEC指標更低。此外由于WSSH-CCHP與CCHP主要依靠自身發電，設備費及維護費用遠高于SP，但同時兩者購電費用相比SP 少。CCHP 由于無風光供電，主要供能方式為燃氣內燃機，故燃料費用相比其他方案較多。總體來說，從年總費用來看，CCHP系統年總費用最少，引入風光設備的WSSH-CCHP系統次之，SP系統年總費用最高。

圖5 不同能源系統各項費用對比

相較于SP 系統，WSSH-CCHP 及CCHP 各項評價指標對比優化如圖6 所示。由圖可以看出WSSHCCHP 系統及CCHP 系統相比SP 系統各項指標均有很大提升。由于聯供系統減少電網供電份額，從而減少電廠耗煤量，使得二氧化碳及氮氧化物排放量大幅下降，故SCDE及SNDE相比SP 系統均提升45%以上，而WSSH-CCHP 系統由于引入光伏風電等可再生能源為系統提供電能，進一步削減了天然氣耗量，使得二氧化碳及氮氧化物排放極低，極大提升了系統的環保性。此外，兩種聯供系統由于高比例的采用可再生能源及轉化效率極高的天然氣，故其一次能源消耗量遠少于SP 系統，PEC 節約率分別達49.3%及62.3%。WSSH-CCHP 及CCHP雖然購電費用很小，但是由于系統自身設備費及燃氣費的上升，導致經濟性提升較小，約11.1%和10.41%，且由于WSSH-CCHP系統引入成本較高的風電光伏，提高了系統運行成本，經濟性相較CCHP 系統有所下降，但是環保指標提升較為明顯。綜合來說，從提升效率來看，環保指標提升最為顯著，能耗指標次之，經濟指標提升較小。

圖6 不同供能方案指標提升對比

3.4 系統敏感性分析

以WSSH-CCHP 系統為研究對象，以綜合性指標為目標函數，進一步研究能源價格參數變化對系統影響。設定氣價格變化范圍為-20%～20%，間隔10%，比較WSSH-CCHP 系統及SP 系統各指標變化，結果如圖7 所示。由圖7 可見，氣價由-20%變化至20%的過程中，WSSH-CCHP 系統成本波動較SP 系統更大，聯供系統主要動力源是天然氣，而分供系統僅熱負荷由燃氣提供，故燃氣價格波動對WSSHCCHP 系統影響更大。從綜合指標來看，因為本文綜合考慮經濟、能耗及環境等因素，且綜合指標中環境因子占比較大，故系統綜合性能隨氣價上漲總體變化不大。隨著氣價的不斷上漲，系統購氣減少，不足的負荷需求由風光出力滿足，故一次能源節約率、CO2及NOx減排率隨之升高。同時由于風光出力的升高及燃料價格的上漲，WSSH-CCHP 系統的總成本升高，成本節約率下降。總之，隨著氣價的升高，系統能源節約率及環保指標越來越好，但成本升高，綜合性能提升不明顯。

圖7 氣價敏感性分析

設定電價變化范圍為-30%～30%，間隔為15%，比較WSSH-CCHP 系統指標變化，結果如圖8 所示。由圖8 可以看出隨著電價由70%變化到130%，系統綜合指標提升，說明隨著電價上漲系統收益升高，綜合性能提升，而隨著電價上漲，SP 系統投入成本升高，WSSH-CCHP 系統優勢凸顯，其總成本與同SP系統相比越來越低。而環保性能WSSH-CCHP 也遠高于SP 分供系統。由圖右側各項性能指標也可看出，隨著電價由70%變化到130%，WSSH-CCHP 系統各項指標均提升明顯，可見隨著電價上漲，WSSHCCHP系統綜合收益越來越高。

圖8 電價敏感性分析

4 結論

將風光儲及熱泵引入到冷熱電聯供系統中，提出了一種新型的冷熱電聯供系統（WSSH-CCHP），采用綜合考慮經濟、能源和環境的綜合性能指標，結合算例，利用混合整數線性規劃算法，以綜合性能指標為優化目標進行了優化研究，得出了設備最優選型結果，并將WSSH-CCHP 系統與其他系統進行了比較，得到了如下結論：

1）提出的耦合風光儲及熱泵的CCHP 系統可減少電網購電，加入風光減少了內燃機出力，提升了系統環保性能，耦合儲能及熱泵設備進一步提高了系統調節的靈活性及移峰填谷能力，具有良好的運行特性。

2）加入風光設備可有效提升系統的環境友好性，且本文目標函數環境因子權重高，使得WSSHCCHP系統綜合性能優于CCHP系統。

3）隨著天然氣價格的上漲，WSSH-CCHP 綜合性能變化不大，而隨著電價上漲其綜合性能明顯升高。