基于供需博弈的園區綜合能源微網系統優化

貝斌斌，樂程毅

(國網浙江省電力有限公司寧波供電公司,浙江 寧波 315000 )

0 引言

綜合能源系統被廣泛應用于工商業園區，尤其是近零能耗園區的建設對我國實現“碳達峰”“碳中和”目標具有重要的作用[1]。歐盟地平線2020計劃在高效能源利用領域投入59.31億歐元，主要用于開展綜合能源微網系統的研究。丹麥擬定在2035年實現供電和供熱領域脫離化石能源、2050年完全擺脫化石能源的依賴，以實現零碳排放[2]的目標。我國相關研究仍處于起步階段。目前，國家發改委出臺了多項與綜合能源微網系統相關的政策法規，相關科研院所也建立多能互補集成優化示范工程[3]。近年來，以天然氣為能源的冷熱電聯產系統得到了廣泛應用。相關研究集中在建筑類型、系統配置、運行策略等方面，有逐漸取代傳統分產系統的趨勢[4]。Hongbo等[5]采用混合整數線性規劃的方法評價了冷熱電聯產系統的經濟、節能和環保效益，發現聯產系統比分產系統年總成本、一次能源消耗量分別降低了13.4%和17.0%。韓中合[6]建立了設備容量優化的非線性整體優化模型，研究了某工業園區冷熱電聯產系統的優化配置。劉繼春[7]基于改進的神經網絡模型，分析了綜合能源系統的運行約束因素。劉洪[8]構造了考慮需求響應的區域綜合能源系統，基于供給側和用戶側的負荷、經濟效益、峰谷比、碳排量，采用遺傳優化算法開展了系統配置和容量優化研究。

本文在上述研究的基礎上，首先對某辦公園區(包含居住建筑、辦公建筑、商業建筑)的冷熱電負荷進行全年逐時動態模擬分析；然后建立了綜合能源系統數學模型，并對綜合能源微網系統進行了配置優化；最后進行了相應敏感性分析，以確定不同的成本價格參數和不同的氣象參數對優選方案的影響。

1 園區綜合能源微網系統數學模型

1.1 綜合能源微網系統模型

離網型低碳園區綜合能源微網系統結構包括光伏板、風力發電機、燃氣輪機系統、燃氣鍋爐等。其中，園區電負荷由光伏板、風力發電機、燃氣輪機和蓄電池儲能模塊提供。當發電量富余時，電能通過蓄電池進行儲存。當發電量較小時，電能可以通過蓄電池和燃氣輪機發電進行補充。園區熱負荷由燃氣輪機余熱鍋爐、燃氣鍋爐聯合提供。用戶冷負荷則由電制冷機和溴化鋰吸收式制冷機提供。當余冷或余熱無法滿足用戶的冷熱負荷需求時，可通過電制冷機補充冷量、補燃鍋爐補充熱量。離網型低碳園區綜合能源微網系統結構如圖1所示。

圖1 離網型低碳園區綜合能源微網系統結構Fig.1 Off-grid low-carbon park integrated energy micro-grid system structure

1.2 評價方法

經濟性指標用于評估離網型低碳園區綜合能源微網系統全生命周期內的經濟效益[9-11]。本文采用的主要經濟指標如下[12]。

①全生命周期成本。

(1)

式中：TAC為綜合能源微網系統總年化成本，元；r為年實際利率，%；n為綜合能源微網系統生命周期。

②燃料成本。

(2)

式中：cng為逐時天然氣成本，元/m3；Ft為每小時燃料消耗量,m3。

Ft=FICE,t+FGB,t

(3)

式中：FICE,t為燃氣輪機每小時燃料消耗量,m3；FGB,t為補燃鍋爐每小時燃料消耗量,m3。

③運行成本。

系統投入運行后，每年都會產生一定的運行和維護費用。運維成本則表示全生命周期內系統各部件的運行和維護成本之和。系統的運維成本越低，則經濟效益越好。系統年維護成本為：

(4)

式中：cope,i為i型設備每小時維護成本，元/kWh；Eeq,i為i型設備的出力，kW·h；ni為i型設備的數量。

④設備投資成本。

設備投資成本包含燃氣輪機、燃氣鍋爐、太陽能光伏板、風力機、蓄電池、吸收式熱泵等設備的初始投資成本。

(5)

式中：cinv，i為i型設備投資成本，元/kW；Geq,i為i型設備裝機容量，kW。

⑤可再生能源利用率。

可再生能源利用率是指光伏、風電發電量占整個系統發電量的比值。可再生能源利用率越高，則整個系統環境效益越好。可再生能源利用率計算式為：

(6)

式中：Enonren為系統非可再生能源的電力年輸出量，kWh；Hnonren為系統非可再生能源的熱能年輸出量，kWh；Eserver為系統年總電力負荷,kWh；Hserver為年總熱負荷,kWh。

⑥系統年二氧化碳排放量。

本文系統的二氧化碳排放量僅來源于燃氣輪機和燃氣鍋爐。通過二氧化碳排放量的大小，可以定量評價系統的環境效益。系統年二氧化碳排放量為：

(7)

式中：Cng,cde為燃燒單位質量天然氣排放的二氧化碳量，m3/kg。

2 園區冷熱電負荷計算

2.1 系統裝機設備參數

系統裝機設備參數設定如下：燃氣鍋爐的熱效率為85%；電制冷機的制冷系數為2.7；吸收式熱泵的制冷系數為1.2；蓄電池的儲能效率為0.7；年實際利率為5%；燃燒單位質量天然氣排放的二氧化碳量為1.96 kg/m3。設備投資及維護費用如表1所示。天然氣價格為2.6元/m3，低位發熱量為45 MJ/kg，密度為0.79 kg/m3，含碳量為67%，含硫量為0%。

表1 設備投資及維護費用

2.2 園區負荷情況

本文以某辦公園區為研究對象。園區總建筑面積為42 000 m2，主要分為居住建筑、辦公建筑、商業建筑3個片區。3個片區建筑面積分別為15 000 m2、12 000 m2、15 000 m2。園區所處地區太陽能資源較豐富，年日照時數可達2 600 h，全年太陽輻射量約為1 452 kW/ m2，風資源屬于IV類地區。

居住建筑外墻為珍珠巖陶粒混凝土(200 mm)+純石膏板(10 mm)+聚苯乙烯泡沫塑料(80 mm)+純石膏板(8 mm)。商業建筑外墻為水泥砂漿(20 mm)+鋼筋混凝土(200 mm)+膨脹珍珠巖(85 mm)+無水泥纖維板(20 mm)。辦公建筑外墻為珍珠巖陶粒混凝土(200 mm)+純石膏板(10 mm)+聚苯乙烯泡沫塑料(80 mm)+純石膏板(8 mm)。居住建筑、商業建筑窗戶為標準外窗。辦公建筑窗戶為普通三玻(普通中空+單玻)。

根據建筑節能設計標準設立各自的圍護結構參數，對于建筑的內擾參數不作修改，選定相應的房間類型進行計算。園區負荷類型由冷、熱、電三種類型的負荷組成。由計算結果可知，居住建筑冷負荷全年需求累計97 826 kWh，峰值為1 872 kWh；熱負荷年需求累計476 561 kWh，峰值為998 kWh；電負荷年需求累計567 621 kWh，峰值為281 kWh。商業建筑冷負荷需求全年累計2 231 231 kWh，峰值為2 872 kWh；熱負荷年需求累計789 812 kWh，峰值為1 987 kWh；電負荷年需求累計3 082 121 kWh，峰值為861 kWh。辦公建筑冷負荷全年需求累計1 273 311 kWh，峰值為2 323 kWh；熱負荷年需求累計1 371 212 kWh，峰值為1 878 kWh；電負荷年需求累計1 370 981 kWh，峰值為602 kWh。環境風速和輻射強度如圖2所示。

圖2 環境風速和輻射強度Fig.2 Ambient wind speed and radiation intensity

3 綜合能源微網系統對比研究

3.1 系統構成

針對所研究園區綜合能源系統的優化規劃問題，本文建立了3種綜合能源系統模型：模型一為燃氣輪機+光伏+風電；模型二為燃氣輪機+風電；模型三為燃氣輪機+光伏。這3種綜合能源系統都配置了蓄電池儲能。系統設備容量參數如表2所示。

表2 系統設備容量參數

不同系統最優配置月均發電量出力情況如表3所示。

表3 不同系統最優配置月均發電量出力情況

當系統內存在風電時，風力機的電力輸出均超過50%。5～9月的內燃機負荷顯著大于其他月份。這主要是因為園區夏季電負荷需求比其他季節大，可再生能源發電量無法滿足負荷需求，需要通過內燃機來滿足缺額電量。風電出力表現為夏季少、冬季多。這主要是由于試驗地區為典型的大陸性季風氣候，冬季風資源更佳。

3.2 經濟效益評估

經濟效益評估主要從全生命周期成本、燃料成本、運行成本、設備投資成本等方面進行分析。設備的燃料消耗情況如表4所示。

表4 設備的燃料消耗情況

3個方案的具體成本指標信息如表5所示。

表5 成本指標信息

從初投資成本和運維成本來看，在全生命周期(20年)內，內燃機和蓄電池組件的初投資成本較低，但是運維成本較高，而光伏和風電則恰巧相反。從全生命周期成本和燃料成本來看，模型一的凈現值成本為9 199萬元，單位電量成本為0.945元/kWh，明顯低于其他2種方案。燃料成本由內燃機和補燃鍋爐消耗天然氣產生。模型二和模型三的燃料成本明顯高于模型一。這主要是因為前2種方案的天然氣消耗量更大。從經濟性的角度分析對比這3種方案，發現模型一在滿足用戶負荷需求的同時，經濟效益最好。

3.3 環境效益評估

本文的大氣污染物指標包含二氧化碳排放量、懸浮顆粒物排放量、氮氧化物排放量。可再生能源利用率主要分析其在整個綜合能源系統內的電出力占比。為了更好地比較綜合能源系統的環境效益，參照物為不包含可再生能源的傳統供能分產系統。該系統所有電力均由火電廠提供。各方案環境效益指標信息見表6。

表6 各方案環境效益指標信息

研究結果表明，模型一的可再生能源利用率最高，達到了67.7%。3種綜合能源系統方案的污染物排放量都有所下降。模型一的污染物排放量降低幅度最大。相比較于傳統分供系統，模型一的二氧化碳排放量、氮氧化物排放量和懸浮顆粒物排放量分別減少了59.6%、42.2%和74.9%。

3.4 敏感性分析

根據綜合效益評估結果，模型一的經濟效益和環境效益都較好。但時間變化、技術進步、政策改革等諸多不確定因素均會對結果產生影響。設備安裝完成后，對系統影響最大的因素是天然氣價格。本文選擇燃料價格進行敏感性分析，以確定其對綜合能源系統經濟效益和環境效益的影響程度和敏感性程度。成本價格不確定性對系統凈現值的影響如圖3所示。

圖3 成本價格不確定性對系統凈現值的影響Fig.3 Effect of cost-price uncertainty on the net present value of the system

由于風力機初投資成本高于光伏初始投資成本，導致風力機初始投資成本對凈現值的影響更大。但由圖3仍然可以看出，降低可再生能源的初始投資成本有利于經濟效益的提高。天然氣價格波動的敏感性較高，當天然氣的成本變為原來的1.5倍，系統全生命周期成本增加了22%。這說明綜合能源微網系統受燃料價格波動的影響很大。為了規避燃料價格波動帶來的風險，在降低可再生能源成本的同時還應該積極參與跨區域的能源協調互補，以實現能源互通互助。

氣象參數在可再生能源發電組件部分是一個影響程度很大的不確定因素。氣象參數的變化對系統的影響主要體現在可再生能源組件(光伏和風力機)的發電量變化。這會間接影響到系統污染物的排放量。本文將對光照強度和風速這2種氣象參數進行敏感性分析，所選取的基準光照強度為4.2 kWh/ m2/d，基準風速為4.45 m/s。以0.3、0.5、0.8、1.0、1.2、1.6、2.0這7個比例系數來改變氣象參數，本文得到光照強度的變化范圍為1.25～9 kWh/ m2/d、風速變化范圍為1.2～9 m/s。

隨著光照強度和風速的增加，風力發電和光伏發電的電出力占比呈現不斷上升的趨勢，二氧化碳排放量和凈現值呈現不斷下降的趨勢。但是，氣象參數的變化對二氧化碳排放量的影響并不是線性關系。當光照強度從1.25 kWh/ m2/d增加到9 kWh/ m2/d時，光伏發電占比增加了近50%，系統凈現值降低了10%，二氧化碳排放量降低了10%。當風速從1.2 m/s增加到9 m/s時，風力發電占比增加了近86%，系統凈現值降低了45%，二氧化碳排放量降低了45.6%。這說明風速變化對方案一系統的影響更大。環境因素不確定性對系統凈現值的影響如圖4所示。

圖4 環境因素不確定性對系統凈現值的影響Fig.4 Effect of uncertainty of environmental factors on the net present value of the system

研究結果表明，氣象條件變好導致可再生能源組件的電出力量增加，以及燃氣輪機出力量和二氧化碳排放量減少。

4 結論

本文基于DeST軟件對某園區建筑群的全年逐時冷熱電負荷進行動態模擬分析。在滿足園區負荷需求的情況下，本文通過經濟-環境綜合效益模型，綜合考慮系統的初始投資成本、運維成本、燃料成本、污染物排放量、可再生能源占比等因素，以最小全生命周期成本為優化目標，對系統設備容量組合進行了優化研究，并得到以下幾點結論。

①三種方案中，模型一的凈現值成本最低，模型二成本次之，模型三成本最高。這說明燃氣輪機+光伏+風電系統的經濟效益最佳。

②模型一的二氧化碳排放量最低，可再生能源利用率最高。相比傳統分供系統，模型一的二氧化碳排放量、氮氧化物排放量和懸浮顆粒物排放量分別減少了59.6%、42.2%和74.9%，具有較好的環境效益。

③天然氣價格波動的敏感性較高。微網系統應該積極參與跨區域的能源協調互補，完成多個微網并聯，積極發展多源儲能，實現能源互通，互助提高用能穩定性。