可再生能源冷熱電分布式供能系統智慧高效運行

潘廣旭，裴麗偉，李英杰，封常福，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.日照市光明電力服務有限責任公司，山東 日照 276800）

0 引言

隨著能源短缺問題的嚴重化，世界各國對能源穩定供應的要求也隨之升高。當前廣泛使用傳統供能系統存在弊端，難以滿足當今社會的快速發展。使用直接面向用戶側、可滿足多重目標的新型供能系統越來越受到人們的重視［1-4］。

冷熱電聯供（Combined Cooling Heating and Power，CCHP）系統能夠實現能量的梯級利用，同時通過冷、熱、電3 種形式為用戶輸送不同種類的能量。相比于傳統的集中供能方式，該系統所具有的分布式特點使其可以實現新能源在用戶側的直接消納，有效緩解了新能源并網效率低帶來的問題；由于分布式的冷熱電聯供系統靠近用戶端，有效減少了能量長途傳輸帶來的損失。在運行模式方面，冷熱電聯供系統除獨立運行外，還可并網運行，通過不同的模式將用戶需求與現有資源整合分析，實現配置狀況的最優化。目前，典型的CCHP 系統的組成部分通常為：發電裝置、供冷裝置、供熱裝置、余熱回收裝置。

據有關數據表明，無論國內還是國外，對該系統的優化運行研究方面，研究人員均在一定程度上取得了一定的成果［5-6］。合理的優化運行策略是能夠讓系統高效穩定運行［7-8］。文獻［9-20］分別從不同的評價指標、系統結構、求解方法等角度在系統優化運行方面做了一定的研究，但局限性仍然存在，主要包括幾個方面：結構設計方面，現已運行投產的冷熱電聯供系統絕大多數仍采用天然氣等不可再生能源供能，而以新能源為驅動能源的系統較少，因此CCHP系統所具有的節能減排的優勢尚未得到充分體現；運行調度方面，傳統CCHP 系統普遍采用“以電定熱”或“以熱定電”模式運行，無法使系統運行在最佳狀態下。因此，十分需要新的優化調度方法出現。

選擇系統能量流模型進行數據分析，同時建立系統性能評價標準，探究了CCHP 系統在不同負荷需求下的日前優化調度方法，進行優化調度模型的求解。通過與冷熱電聯供系統在傳統運行模式下各項性能參數的比較，驗證所提出的新型優化調度模型在節能減排等方面所擁有的綜合優勢。

1 系統分析

新能源CCHP 系統與傳統CCHP 系統相比，其不同點主要體現在能源種類應用方面，即新能源CCHP系統以生物質能和太陽能作為驅動能源。

動力設備主要有內燃機、蒸汽輪機、燃料電池等。圖1 所示為新能源冷熱電聯供系統的系統結構。熱負荷可由燃氣鍋爐、缸套水換熱器、煙氣換熱器供給；冷負荷可由溴化鋰吸收式制冷機、電制冷機供給；電負荷可由電網、光伏電池組、生物質氣內燃發電機組供給。

圖1 新能源冷熱電聯供系統結構

1.1 系統能量流分析

在研究系統能量特性時，需要分析系統能量流。在下文公式推導中，設t時刻為內燃發電機組某工作時刻，則其輸入功率可表示為

式中：Gpgu(t)為內燃發電機組輸入功率，kW；Epgu(t)為機組輸出的電功率，kW；ηig(t)為t時刻內機組的發電效率。

t時刻回收的余熱功率為

式中：Qre(t)為t時刻總回收余熱功率，kW；Qjw(t)、Qech(t)分別為t時刻缸套水、煙氣余熱回收功率，kW；fe(t)、fj(t)分別為t時刻煙氣熱系數、缸套水熱系數；ηjw、ηexh分別為缸套水換熱器、煙氣換熱器效率。

系統t時刻的熱功率平衡關系如式（3）所示。

式中：Qb(t)為燃氣鍋爐輸出熱功率，kW；Q(t)為熱負荷需求功率，kW；Qach(t)為溴化鋰吸收式制冷機的輸入熱功率，kW；Qexh(t)為損失熱功率，kW。

t時刻系統的冷平衡方程為

式中：C(t)為t時刻冷負荷功率，kW；Cach(t)為溴化鋰吸收式制冷機輸出冷功率，kW；Cech(t)為電制冷機輸出冷功率，kW。

系統的電能平衡關系如式（5）所示。

式中：Epv(t)為t時刻光伏電池組的輸出功率，kW；Egb(t)、Egs(t)為t時刻從電網購電、售電功率；Eech(t)為電制冷機的電功率，kW；E(t)為t時刻用戶電負荷功率，kW；δ(t)為t時刻系統與電網交互的狀態變量。

當系統從電網購電時δ(t)取值為1，系統向電網售電時δ(t)取值為0。δ(t)可通過式（6）表示。

1.2 系統運行模式

傳統的CCHP 系統大多運行于“以電定熱”或“以熱定電”兩類模式。兩類模式的定義分別為：

1）以電定熱。從電負荷出發，隨時根據用戶用電量的變化改變主動力設備的輸出功率，即需要多少電就產多少電。熱作為一種副產品，當主動力設備的產熱量無法與用戶的需求相持平時，內燃發電機組將被開啟以進行電能的補充生產操作。當主動力設備產生冗余電能時，可上網出售多余電能減輕系統經濟負擔。在本文新能源冷熱電聯供設備中，應優先考慮光伏太陽能電池組以及生物質氣發電。

2）以熱定電。從熱負荷出發，隨時根據用戶熱（冷）負荷的變化改變內燃發電機組的輸出功率，即需要多少熱就產多少熱。在內燃發電機組回收余熱不足的情況下，可啟動燃氣鍋爐等補燃設備來輔助熱量供應。電作為副產品，當供電量不足時可由公共電網購電。

上述的兩大傳統運行模式均具有明顯局限性，如“以電定熱”會浪費多余熱能、“以熱定電”無法在當前社會發展情況下合理解決冗余電量等。本文所設計新能源CCHP 系統運行策略，可根據實時電價等參數，采用優化調度模式。同時提前預測負荷量和天氣信息得到系統各設備最優逐時工作計劃。

1.3 系統性能評價指標

從經濟、環境、能源三方面考慮，建立新能源CCHP系統的綜合性能評價標準。

1）經濟指標。

年綜合成本節約率作為系統的經濟指標，可表示為

式中：CCCHP、CSP分別為聯供、分供系統的年綜合成本，元。

其中，

2）環境指標。

CO2年減排率作為系統的環境指標，可表示為

3）能源指標。

一次能源節約率作為系統的能源指標，本文所述的該類能源年消耗量均為將各種一次能源消耗折算為標準煤消耗銷量后的。CCHP系統的一次能源節約率可表示為

2 系統的日前優化調度

除了傳統的“以電定熱”和“以熱定電”模式。CCHP 系統還可以運行于一種優化調度模式中。以24 h 為優化周期，提出了一種日前優化調度模型。新能源CCHP 系統中各設備的工作計劃將根據各類用戶負荷需求量、太陽能光伏電池組工作情況預測為先決條件，實現系統未來24 h 出力規劃，滿足高效、低碳、經濟供能。圖2展示了優化方案執行流程。

圖2 執行流程

2.1 優化調度目標

為構建系統綜合最優目標函數，選取聯供系統運行成本日節約率IAOC，day、一次能源日節約率IPESR，day、CO2日減排率ICRE，day為優化調度目標。

式中：α1、α2、α3為加權系數，且α1+α2+α3=1，0≤α1、α2、α3≤1，根據判斷矩陣法，系數標度為均取1時，可得到各目標的權重系數均為0.33。

1）運行成本日節約率。

聯供系統的運行成本日節約率為

式中：CCCHP，day、CSP，day分別為聯供系統、分供系統的日運行成本，元。

2）一次能源日節約率。

聯供系統的一次能源日節約率為

3）CO2日減排率。

CO2日減排率為

2.2 優化調度變量

為保證日前優化調度模型的可行性，選取合適的優化調度變量極為重要。目前CCHP 系統的供能設備由燃氣鍋爐、內燃發電機組、光伏電池組組成。其中，燃氣鍋爐屬于被動供能設備，其供熱功率是根據用戶熱負荷需求及內燃發電機組工作情況不斷變化的。同樣，為保證新能源冷熱電聯供系統的經濟效益最大化，太陽能光伏電池組將持續以當前環境下所能達到的最大功率輸出，以充分利用太陽能，也屬于被動設備。因此，上述兩種設備不作為優化調度變量。

選取內燃發電機組電功率Epgu(t)、電制冷機的輸出功率Cech(t)作為優化調度變量。此外，在優化求解過程中，還應滿足式（15）—式（18）的條件。

式中：θ為發電機組最低負載率；Npgu、Nech、Nb、Nach分別為生物質氣內燃發電機組、電制冷機、燃氣鍋爐、吸收式制冷機的容量。

3 系統的仿真驗證

3.1 仿真參數設置

系統的優化調度模型以某辦公建筑作為驗證模型。該建筑物負荷具有明顯的季節性，可按照負荷有明顯差別的時間分布，將一年分為夏、冬、過渡季3個典型季節。該建筑物信息如表1所示。

表1 建筑物信息

以該建筑物能耗數據為基礎，選取3 個典型季節中的典型日的負荷數據作為優化樣本，各數據如圖3—圖5所示。

圖3 夏季典型日負荷曲線

圖4 冬季典型日負荷曲線

圖5 過渡季典型日負荷曲線

為充分發揮系統能效，查閱資料并與實際情況相結合可得系統中各設備的較優配置如表2所示［21］。

表2 新能源冷熱電聯供系統相關參數

系統中各主要設備購置價格如表3所示［22］。

表3 設備購置價格 單位：元/kW

表4為建筑物所在地分時電價表。

表4 分時電價表 單位：元/kW

3.2 仿真結果分析

為驗證所設計的新能源CCHP 系統優化調度模式具有有效性，將該系統運行于調度模式下的優化結果與其在傳統模式下的結果相比較，通過數據的形式，更加直觀地說明該系統運行于優化調度模式的性能優勢。

1）夏季優化結果。

各設備日逐時最優工作計劃如圖6—圖8所示。

圖6 夏季供電設備典型日逐時工作曲線

圖7 夏季供冷設備典型日逐時工作曲線

圖8 夏季供熱設備典型日逐時工作曲線

將夏季工況時工作于優化調度模式與運行于傳統模式相比較，得到表5。

表5 夏季工況不同運行模式的各項指標 單位：%

由數據對比可得，夏季工況時優化運行模式下的各指標相比傳統的運行模式要有顯著的優勢存在。綜上所述，本文所提出的優化調度方法在夏季工況下具有節能、減排、降費的綜合優越性。

2）冬季優化結果。

各設備日逐時最優工作計劃如圖9—圖10所示。

圖9 冬季供電設備典型日逐時工作曲線

圖10 冬季供熱設備典型日逐時工作曲線

將冬季工況時工作于優化調度模式與工作于傳統模式相比較，得到表6。

表6 冬季工況不同運行模式的各項指標 單位：%

由兩種工作模式下的各項指標可知，冬季工況時優化運行模式下的各指標均高于傳統“以電定熱”模式。尤其是一次能源日節約率，比傳統模式下的高出12%。綜上所述，本文所提及的方法在冬季工況下同樣擁有節能、減排、降費的綜合優越性。

3）過渡季優化結果。

各設備日逐時最優工作計劃如圖11—圖13所示。

圖11 過渡季供電設備典型日工作曲線

圖12 過渡季供冷設備典型日逐時工作曲線

圖13 過渡季供熱設備典型日工作曲線

將過渡季工況時工作于優化調度模式和工作于傳統模式相比較，得到表7。

表7 過渡季不同運行模式的各項指標 單位：%

由兩種運行模式下的各項指標可知，過渡季工況時優化運行模式下的一次能源日節約率高于傳統“以電定熱”模式，且高出4%左右。然而運行成本日節約率、CO2日減排率相比傳統模式較低，但相差均不超過5個百分點。

綜合3 種典型季節的典型日于不同運行模式下的各項數據分析可知，新能源冷熱電聯供系統在全年均有較高的可再生能源利用率。相比于傳統模式，雖然過渡季工況的運行成本日節約率、CO2日減排率未超過傳統模式，但相差不超過5%，屬于可接受范圍。其余所有指標都表明優化調度方法可有效降低運行成本、減少CO2排放、節約一次能源。

4 結語

針對含可再生能源的CCHP 系統，建立了系統能量流模型，提出了一種日前優化調度方案，利用智能優化算法求解得到各設備日逐時最優工作計劃。通過仿真驗證，本文提出的新能源CCHP系統日前優化調度方案在節能、減排、降費3個方面與傳統分供運行模式相比，具有較為突出的優點。本文研究結果仍存在些許不足，如在實際工程應用中，各設備的暫態特性同樣會對系統影響比較大。因此，后續應針對各設備建立全工況模型，以便后續CCHP系統的應用與推廣。