計及碳排放成本的風光燃儲綜合能源系統規劃

韓 旭， 周峻毅， 李 奇， 吳 迪， 李 鵬， 韓中合

(華北電力大學 河北省低碳高效發電技術重點實驗室，河北保定 071003)

符號說明：

CASHP——電制冷機的制冷量，kW·h

Cload——用戶冷負荷，kW·h

ηCOP,ASHP——電制冷機的制冷效率

CIES——系統總成本，元

Cinv——投資成本，元

Cope——運行維護成本，元

Cng——全年消耗天然氣成本，元

Cgrid——全年購電成本，元

Ccet——碳稅成本，元

Cgrid,cde——市政購電產生的CO2排放量,g/(kW·h)

Cng,cde——燃燒天然氣產生的CO2排放量,g/(kW·h)

Cgrid,t——t時間段購電價格，元/(kW·h)

cgrid，cell——電網逐時購電價格，元/(kW·h)

Egrid,t——t時間段市政購電量，kW·h

Eeq,i,t——i型設備的出力，kW·h

EASHP——電制冷機消耗的電量，kW·h

Egrid——市政電網購電量，kW·h

EGT——燃氣輪機發電量，kW·h

Eload——用戶所需電負荷，kW·h

Enon——非可再生能源電力出力，kW·h

Egrid,sell,t——電網逐時售電價格，元/(kW·h)

EICE——燃氣輪機產電量，kW·h

EPS——蓄電池的額定容量，kW·h

EPV——光伏發電量，kW·h

Eserved——系統年總電力負荷，kW·h

EWT——風力發電機發電量，kW·h

F0——燃料曲線的截距系數，m3/(kW-1·h-1)

F1——燃料曲線的斜率

Ft——天然氣總耗能量，kW·h

FGT,t——燃氣輪機天然氣耗能，kW·h

FGB,t——燃氣鍋爐天然氣耗能，kW·h

FGB——補燃鍋爐的耗能，kW

GGT——燃氣輪機裝機容量，kW

GPS——儲電系統輸出功率，kW

GPV——光伏系統裝機容量，kW

GWT——風機系統裝機容量，kW

Geq,i——i型設備的額定容量，kW

I0——光伏板額定輻射強度，kW/m2

IT——實際太陽輻射強度，kW/m2

QLHV,ng——燃料的低位發熱量，MJ/kg

N——風機臺數

ni——i型設備的數量

fPV——光伏板降額系數

cng——每天消耗的天然氣成本，元/(kW·h)

Pin——蓄電池存入電能的功率，kW

PN——風電機組的額定功率，kW

PGT——燃氣輪機實際輸出功率，kW

Pout——蓄電池釋放電能的功率，kW

QEB——熱電聯產余熱，kW·h

Qload——用戶的熱負荷，kW·h

Qnon——非可再生能源輸出能量，kW·h

Qserved——年總熱負荷，kW·h

ESOC(t)——t時間段蓄電池電量，kW

ηGB——補燃鍋爐效率，%

Vin——風力發電機的切入風速，m/s

Vout——風力發電機的切出風速，m/s

Vrated——風力發電機額定風速，m/s

Vw,t——t時間段的風機運行風速，m/s

YGT——燃氣輪機額定發電功率，kW

YPV——光伏板額定輸出功率，kW

δe——蓄電池自身電能消耗率,%

ρng——天然氣的密度，kg/m3

ηcetr——碳稅價格，元/t

ηe——蓄電池的充放電效率，%

Δt——蓄電池工作時間，h

下標

i——不同設備類型

綜合能源系統(Intergrated Energy System, IES)能夠對具有各異性質的能源進行高效地梯級利用，有利于節能減排和可再生能源的大幅度消納，因而被廣泛應用于工、商業園區[1]，其也是能源互聯網和泛在電力物聯網的重要組成部分[2-3]。鑒于綜合能源系統能夠實現能源供應和碳中和，因此越來越受到國內外學者的關注[4]。 在綜合能源系統設備建模方面，Zhang等[5]構建了一種耦合了電、熱、氣和冷的具有多樣性負荷需求和源形式的園區級綜合能源系統，發現在綜合能源系統提高能效和降低運行成本方面，階梯級優化方法具有顯著作用。金泰等[6]以系統經濟性為優化目標，結合混合整數非線性規劃方法針對綜合能源系統的容量配置問題構建了一套系統容量配置的最佳方案，并提出了一種電轉氣設備在風-光-儲系統中的最佳工作模式。韋古強等[7]基于“以電定熱”和“以熱定電”2種運行模式，在冬季和夏季2種典型季節下對比研究了不同系統的優劣。張大海等[8]綜合考慮儲電、儲熱、儲氣并引入光熱，構建了一種電熱氣的綜合能源系統。在綜合能源系統政策研究及評價標準方面，文明等[9]將碳稅作為懲罰因子并引進綜合能源系統，從環境和經濟的角度提出4種優化方案，并進行了關于碳稅的敏感性分析。萬文軒等[10]梳理了碳交易市場的關鍵因素，并分析了其影響機理、交易機制和應用模式。李健等[11]基于包含能源稅收、碳稅和碳交易機制等6項政策動態，研究了不同政策工具的實施效果。顧文波等[12]針對大型公共機構建筑多源聯供系統的優化問題進行了建模，并進行了兼顧經濟和環保的多目標優化調度研究，基于滿意度指標提出多種優化調度方案。在綜合能源系統算法優化方面，陳曦等[13]以耦合天然氣庫的綜合能源系統為研究對象，利用布谷鳥搜索算法，以包含系統初始投資成本、系統運行成本和碳排放成本在內的系統總成本為優化目標對系統進行容量優化。Wu等[14]以得到最小逐時運行成本為目標，基于窮舉搜索法的自適應策略提出了一種年均成本最低的綜合能源系統優化方案，并確定了最佳設備容量和運行參數。

在以上研究的基礎上，筆者結合某辦公園區的負荷特性，通過建立5種綜合能源系統模型，以經濟性和環境效益為優化目標對綜合能源系統進行優化，并進行了相應的敏感性分析。

1 綜合能源系統結構

圖1為綜合能源系統的典型結構，該系統包括市政電網、光伏板、風機、熱電聯產(CHP)系統、鋰電池、電制冷機和補燃鍋爐等。其中，用戶電負荷由光伏板、風機、燃氣輪機和儲能系統提供，不足的部分由市政電網購入滿足；用戶熱負荷由CHP系統產生的余熱和補燃鍋爐燃燒天然氣所釋放的熱量聯合提供；用戶冷負荷由電制冷機提供。

圖1 綜合能源系統結構圖Fig.1 Integrated energy system structure diagram

2 系統數學模型

2.1 設備模型

太陽能光伏板的實際輸出功率PPV為：

(1)

不考慮風場時的滯效應和尾流效應，t時間段內風機的輸出功率Pw,t為：

Pw,t=

(2)

充電和放電時蓄電池的電量ESOC(t)分別見式(3)和式(4)。

ESOC(t)=(1-δe)·ESOC(t-1)+PinΔtηe/EPS

(3)

ESOC(t)=(1-δe)·ESOC(t-1)-PoutΔtηe/EPS

(4)

燃氣輪機燃氣消耗速率FGT為：

FGT=F0YGT+F1PGT

(5)

燃氣輪機效率ηGT為：

(6)

補燃鍋爐產熱量QGB為：

QGB=FGBηGB

(7)

電制冷機的制冷量CASHP為：

CASHP=ηCOP,ASHP×EASHP

(8)

2.2 約束條件

約束條件為綜合能源系統與用戶之間的冷、熱、電的逐時平衡。電負荷約束為：

EPV+EWT+EPS+EICE+Egrid≥Eload+EASHP

(9)

補燃鍋爐產熱和CHP余熱應滿足用戶熱負荷需求，熱負荷約束為：

QEB+QGB≥Qload

(10)

冷負荷約束為：

CASHP≥Cload

(11)

2.3 評價方法

2.3.1 環境評估

CO2的排放主要來源于燃氣輪機、補燃鍋爐燃燒天然氣，通過CO2排放量的大小可以定量評價系統的環境效益。可再生能源利用率是指可再生能源發電利用量占整個系統發電量的比值。可再生能源利用率越高，說明系統利用環境資源能力越強，融合當地環境的效果更好。可再生能源利用率fren為：

(12)

2.3.2 經濟性評估

燃料成本的影響因素為燃料消耗總量與單位燃料價格，燃料成本越低，系統經濟性越好；綜合能源系統中的燃氣輪機熱電聯產、太陽能光伏板、風力機、蓄電池等投入運行后，每年會存在一定的運行和維護費用，運行成本用來描述該系統生命周期內各組件的運行費用之和；設備投資成本包含燃氣輪機、太陽能光伏板、風力機、蓄電池等初始投資費用成本。

2.4 目標函數

目標函數為綜合能源系統的年總成本，包括年投資成本、年運行維護成本、年消耗天然氣成本、年購電成本和年碳稅成本。

CIES=Cinv+Cng+Cope+Cgrid+Ccet

(13)

(14)

(15)

(16)

Ft=FGT,t+FGB,t

(17)

(18)

(19)

2.5 模型求解算法

網格搜索算法通過遍歷搜索給指定空間的所有可行系統配置參數來優化模型，并對比各目標值，從而尋找最優的優化變量組合。網格搜索算法相較于其他尋優算法耗時長，但可避免常規算法可能出現的一些問題。此外，網格搜索算法不需要根據經驗設置關鍵參數，操作簡單實用、魯棒性強。因此，筆者采用網格搜索算法對模型進行尋優和求解。模型求解流程圖見圖2。

圖2 模型求解流程圖Fig.2 Flow chart of model solution

構建包含風-光-燃-儲-網、光-燃-儲-網、風-燃-儲-網、風-光-儲-網、風-光-燃-網在內的5種綜合能源系統，并設置系統輻射條件、風力條件、階梯電價、系統負荷和設備參數等初始條件。基于上述數學模型和約束條件等確定相應的系統供能約束，以經濟性為目標并結合自然條件和社會條件2種邊界條件對上述5種綜合能源系統進行優化，得到各系統元件的構成參數和供能情況，根據優先級確定當前環境下5種綜合能源系統模型對應的綜合效益最優方案。自然條件分析主要研究系統在面對復雜可再生能源處理狀況時的系統表現情況。社會條件分析主要研究光伏價格和碳稅對系統性能的影響。最終得到受自然條件和社會條件波動影響的綜合能源系統的配置建議。

3 參數設置

補燃鍋爐的熱效率取80%，電制冷機的能效比取2.5，儲能系統效率取72%。設備投資及維護費用見表1[14]，市政電網分時電價和天然氣價格見表2。電網購電的碳排放量為960 g/(kW·h)。

表1 設備投資和維護費用Tab.1 Economic parameters of the equipment

表2 市政電網分時電價和天然氣價格Tab.2 Time-of-use electricity price and natural gas price of municipal power grid

以北京某辦公園區為研究對象，其負荷類型由冷、熱、電3種負荷組成，如圖3所示。其中，園區電負荷需求跨度最大且分布較為均勻，除部分夏季時間段略高外，其余月份相差不大，峰值約為2 150.2 kW，日間電負荷需求主要集中在9：00—20：00之間；園區冷負荷需求分布在3—10月，冷負荷峰值出現在7月和8月，約為10 985 kW；園區熱負荷需求分布在1—6月和8—12月，熱負荷峰值主要出現在1月，約為3 164.7 kW。圖4給出了自然資源的約束條件，該地區年平均太陽輻射強度為4.32 kW/m2，年平均風速為3.62 m/s。

圖3 用戶負荷的變化Fig.3 Variation of user load

(a) 輻射強度

(b) 環境溫度

(c) 風速

4 案例分析

4.1 系統構成

針對該園區綜合能源系統的優化規劃問題，建立了5種綜合能源系統模型，通過計算得到各系統設備參數和供能情況。系統設備參數見表3。

表3 系統設備裝機容量Tab.3 System equipment installed capacity

為研究碳排放因子對綜合能源系統的影響，對5種系統的各設備投資成本、可再生能源滲透率、年CO2排放量、系統運行維護成本和總燃料消耗成本進行分析，見圖5。對比不同系統的優劣程度可以從系統投資成本、可再生能源滲透率和年CO2排放量3個角度考慮。從年CO2排放量角度來說，系統1<系統4<系統2<系統3<系統5，系統5的年CO2排放量最大，可達4 681 762 kg；系統3次之，且略高于系統2；系統1的年CO2排放量最小，約為系統4的97%。從系統投資成本角度來說，系統1<系統2<系統3<系統5<系統4，系統4的系統投資成本最高，系統1的系統投資成本約為系統4的81%，且系統1、系統2和系統3的系統投資成本相當，系統5略高于前三者。從可再生能源滲透率角度來說，系統4>系統1>系統2>系統3>系統5，系統4的可再生能源滲透率略高于其他系統。綜上所述，系統1為最優系統，其年CO2排放量和全生命周期成本均最低；系統4消納可再生能源的能力最佳，可再生能源滲透率為69.93%，但總成本為系統1的159%。

圖5 不同系統的系統投資成本、可再生能源滲透率和年CO2排放量對比Fig.5 Total system cost, renewable energy penetration and carbon dioxide emissions of different systems

4.2 電、熱平衡

圖6為典型冬季日(即1月15日)系統的電、熱平衡圖。由于此時電負荷小且燃氣鍋爐運行經濟性差，系統即使對CHP系統所產生的余熱需求很大，但考慮到經濟效益，也未能引入大量的燃氣鍋爐出力。由圖6可知，通常燃氣輪機在電網電價為峰值和可再生能源短缺時出力。光伏在9：00—17：00期間持續出力，其發電量幾乎占到全天電負荷需求的55%；風機的主要出力時間為21：00—22：00和5：00—9：00，并與光伏發電相互補充，在此期間，用戶電負荷需求較少，風機發電量除滿足電負荷需求外，其余流向儲能系統中。電池在5：00—9：00期間工作，將可再生能源產生的多余電量儲存并在電網電價處于峰值時釋放電量。23：00—24：00和00：00—4：00時系統用電量少，且此時市政電網電價較低，僅需電網少量購電。其中，燃氣輪機主要為調峰設備在可再生能源出力短缺時18：00—21：00供能，其供能量大約占到總電負荷需求的29.5%，當負荷需求較大、電力成本提高、可再生能源設備出力無法滿足用電需求時，燃氣輪機起到了很好的調峰和緩沖作用。

(a) 電平衡

(b) 熱平衡

4.3 經濟和環境的敏感性分析

圖7給出了平均風速和平均輻射強度變化對系統年CO2排放量和年運行維護成本的影響規律。如圖7(a)所示，平均風速和平均輻射強度越大，年CO2排放量越少，系統對化石能源依賴的程度越低。如圖7(b)所示，年運行維護成本隨平均輻射強度和平均風速的增加呈先增大后減小的趨勢。平均風速為2～3 m/s時，年CO2排放量隨風速的增加而增大。這是因為風機未達到最佳出力曲線。由于光伏發電量占到系統總發電量的55%，且光伏運行維護成本略高于風機，因此年運行維護成本受平均輻射強度的影響較大。

(a) 年CO2排放量

(b) 年運行維護成本

圖8為系統總成本、可再生能源滲透率和年CO2排放量隨碳稅價格的變化曲線。由圖8(a)可知，隨著碳稅價格的提高，系統總成本隨之提高。年CO2排放量隨著碳稅價格的提高而減小，隨光伏價格的下降而減小。當碳稅價格提高時，系統總成本和可再生能源滲透率均大幅增加。但同時系統逐漸減少了對燃氣輪機發電的依賴，具體表現為系統可再生能源滲透率逐漸增加，可再生能源電量盈余通過電池存儲后滿足電負荷需求。由圖8(a)中還可知，在碳稅價格超過1 000元/t之后，碳稅與系統總成本和可再生能源滲透率的相關性逐漸減小。在碳稅價格接近1 000元/t時，年CO2排放量降速達到峰值。由圖8(b)可知，光伏降價比例對系統總成本有所限制，可通過控制光伏降價比例來控制系統總成本。隨著光伏降價比例的不斷增加，系統的經濟性和環境效益將逐漸提升。但當光伏降價比例達到40%后，其對年CO2排放量的限制作用不再突出。

(a) 碳稅價格

(b) 光伏價格

5 結 論

(1) 在5種系統中，系統1的年CO2排放量和總成本最低，在經濟性和減排效率方面具有明顯的優勢，為當前環境下的最優系統。

(2) 燃氣輪機主要為調峰和可再生能源短缺時供能，占到總用電量的29.5%，當負荷需求較大、電力成本提高、可再生能源設備出力無法滿足用電需求時，燃氣輪機起到了很好的調峰和緩沖作用。儲電系統的釋能可在風機、光伏出力受自然因素限制和峰值電價的時間段發揮作用。

(3) 對綜合能源系統征收碳稅可減少系統年CO2排放量，同時會引起系統總成本和系統可再生能源滲透率增加。隨著光伏降價比例的增加，年CO2排放量減小，但當光伏降價比例達到40%后，其對年CO2排放量的限制作用不再突出。