基于多元儲(chǔ)能的分布式能源系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度方法研究

韓中合, 馬 立, 段宇軒, 劉 奧, 吳 迪, 李桂強(qiáng)

(1. 華北電力大學(xué) 能源動(dòng)力與機(jī)械工程學(xué)院, 河北保定 071003;2. 華北電力大學(xué) 河北省低碳高效發(fā)電技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 河北保定 071003;3. 中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué) 工程科學(xué)學(xué)院, 合肥 230026)

為了應(yīng)對(duì)日益嚴(yán)重的化石能源危機(jī)和環(huán)境污染問(wèn)題,實(shí)現(xiàn)能源利用的清潔高效和可持續(xù)發(fā)展,我國(guó)于2020年提出了“雙碳”目標(biāo),能源結(jié)構(gòu)的主體從傳統(tǒng)化石能源逐步轉(zhuǎn)換成可再生能源[1]。分布式能源系統(tǒng)耦合了可再生能源利用設(shè)備,涵蓋了冷、熱、電等多種能源形式,實(shí)現(xiàn)了能量的梯級(jí)利用[2-3]。但現(xiàn)有的分布式能源系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境保護(hù)效益仍不夠理想,沒(méi)有充分發(fā)揮其多能互補(bǔ)、能量梯級(jí)利用的巨大優(yōu)勢(shì)。

現(xiàn)有的分布式能源系統(tǒng)不包含儲(chǔ)能單元或儲(chǔ)能形式單一。由于用戶負(fù)荷具有波動(dòng)性,峰谷差巨大,不包含儲(chǔ)能設(shè)備的能源系統(tǒng)在應(yīng)對(duì)巨大的能量需求時(shí),可能出現(xiàn)供能不足的問(wèn)題[4]。單一的儲(chǔ)能形式在應(yīng)對(duì)不同形式能量需求時(shí),無(wú)法發(fā)揮冷、熱、電聯(lián)產(chǎn)的優(yōu)勢(shì),多余的產(chǎn)能將會(huì)被浪費(fèi),能源利用率較低[5]。

針對(duì)分布式能源系統(tǒng)的優(yōu)化配置及優(yōu)化運(yùn)行已經(jīng)有了一定的研究成果。如荊朝霞等[6]以經(jīng)濟(jì)性為目標(biāo),針對(duì)含燃?xì)廨啓C(jī)、蓄電池、光伏的分布式能源系統(tǒng)構(gòu)建日前優(yōu)化調(diào)度模型。葛懷宇等[7]考慮能源系統(tǒng)的季節(jié)特性,模擬季節(jié)和日內(nèi)2個(gè)尺度的出力和負(fù)荷特征,進(jìn)行電-氣綜合能源系統(tǒng)配置規(guī)劃,實(shí)現(xiàn)跨季節(jié)儲(chǔ)能。陳華等[8]將能源利用率和碳排放作為系統(tǒng)優(yōu)化的目標(biāo),對(duì)系統(tǒng)內(nèi)各類裝置的型號(hào)、配置以及數(shù)量進(jìn)行優(yōu)化,實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的目標(biāo)。

在針對(duì)含有儲(chǔ)能的分布式能源系統(tǒng)進(jìn)行日前優(yōu)化調(diào)度方面,Soheyli等[9]將可再生能源消納與區(qū)域綜合能源系統(tǒng)進(jìn)行耦合,并以污染物排放和一次能源消耗量最小為目標(biāo)構(gòu)建優(yōu)化調(diào)度模型。Shao等[10]以社會(huì)效益為目標(biāo)構(gòu)建分布式能源系統(tǒng)的雙層優(yōu)化調(diào)度模型。劉洪等[11]考慮了棄風(fēng)成本以及儲(chǔ)電和儲(chǔ)熱的損耗成本,針對(duì)區(qū)域電熱綜合能源系統(tǒng)的日前階段進(jìn)行優(yōu)化調(diào)度。王志光等[12]研究了微燃?xì)廨啓C(jī)機(jī)組配置及運(yùn)行模式對(duì)冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)運(yùn)行的影響。賀慶等[13]以經(jīng)濟(jì)、環(huán)保能效最優(yōu)為目標(biāo),采用ε-約束方法構(gòu)建了冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)的區(qū)間多目標(biāo)優(yōu)化調(diào)度模型。上述研究雖然從多方面綜合考慮對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化調(diào)度,但優(yōu)化方法較為單一。

基于此,建立了含有風(fēng)電、光伏以及冷、熱、電多元儲(chǔ)能的分布式能源系統(tǒng)模型,分別選取成本節(jié)約率、一次能源節(jié)約率和二氧化碳減排率作為系統(tǒng)運(yùn)行的評(píng)價(jià)指標(biāo)并整合為系統(tǒng)綜合效益(Comprehensive benefits,CB)。首先采用傳統(tǒng)的以電定熱策略作為系統(tǒng)運(yùn)行的基本策略,并將其作為對(duì)照組,隨后提出一種以系統(tǒng)綜合效益最高為目標(biāo)的自適應(yīng)優(yōu)化運(yùn)行策略,來(lái)優(yōu)化調(diào)度系統(tǒng)內(nèi)各設(shè)備的運(yùn)行情況。在系統(tǒng)控制的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)選取4個(gè)決策變量,利用窮舉搜索法和遺傳算法分別進(jìn)行求解。最后,對(duì)比分析3種不同運(yùn)行策略下該分布式能源系統(tǒng)的運(yùn)行情況以及所產(chǎn)生的收益,驗(yàn)證了所提出的運(yùn)行策略的有效性。

1 分布式能源系統(tǒng)

分布式能源系統(tǒng)模型如圖1所示。該系統(tǒng)由風(fēng)力發(fā)電機(jī)和光伏發(fā)電以及光伏玻璃幕墻構(gòu)建風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng),另外采用燃?xì)廨啓C(jī)作為系統(tǒng)的核心設(shè)備為用戶供電,此外園區(qū)內(nèi)的微電網(wǎng)還與市政電網(wǎng)相連,以保證供電穩(wěn)定性;供熱供冷方面由地源熱泵(Geothermal heat pumps,GHP)、吸收式熱泵(Absorption heat pump,AHP)、冷水機(jī)組(Cooling-watermachine,CWM)、余熱鍋爐(Waste heat boiler,WB)以及電鍋爐(Electric boiler,EB)負(fù)責(zé)。為應(yīng)對(duì)負(fù)荷側(cè)巨大的峰谷差,提高分布式能源系統(tǒng)的供能可靠性,本系統(tǒng)中還加入了多元儲(chǔ)能設(shè)備:電池儲(chǔ)能、飛輪儲(chǔ)能以及蓄熱(冷)水箱。

圖1 分布式能源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

1.1 供電設(shè)備

1.1.1 光伏發(fā)電

太陽(yáng)能光伏板(Photovoltaics,PV)發(fā)電功率受工作電流(I,A)、工作電壓(U,V)和實(shí)際工作溫度(tpv,real,℃)的影響[14]。總發(fā)電功率(Ppv,sum,kW)計(jì)算方法為

Ppv,sum(t)=P0(t)×Ft(t)×Fs×Fμ×Fo×nPV

(1)

式中:P0為PV理論發(fā)電功率,kW;Ft(t)、Fs、Fμ、Fo分別為溫度修正因子、積塵因子、性能失配因子以及由材料老化等引起的發(fā)電減少量;nPV為光伏板的數(shù)量。發(fā)電功率和溫度修正因子的計(jì)算方法可參考文獻(xiàn)[15]。

光伏玻璃幕墻(Building integrated photovoltaic,BIPV)的發(fā)電功率PBIPV與PV發(fā)電功率的計(jì)算式相同,相同外部條件下,發(fā)電功率約為PV的0.6倍。

1.1.2 風(fēng)電

風(fēng)力發(fā)電機(jī)(Wind turbines,WT)輸出的電功率與當(dāng)?shù)仫L(fēng)速密切相關(guān)。當(dāng)風(fēng)速較低時(shí),風(fēng)機(jī)未達(dá)到啟動(dòng)條件,輸出功率為0 kW;當(dāng)風(fēng)速較高時(shí),為保證電機(jī)安全,風(fēng)機(jī)停機(jī);當(dāng)實(shí)際風(fēng)速介于風(fēng)機(jī)可工作區(qū)間內(nèi)時(shí),才能啟動(dòng)風(fēng)機(jī)進(jìn)行發(fā)電。

風(fēng)力發(fā)電機(jī)的輸出功率PWT(t)與風(fēng)速v(t)之間的關(guān)系如下

(2)

(3)

(4)

式中:vin、vN、vout分別為風(fēng)機(jī)工作的切入風(fēng)速、額定風(fēng)速和切出風(fēng)速,m/s;PN,w為風(fēng)機(jī)的額定功率,kW。

1.1.3 燃?xì)廨啓C(jī)

燃?xì)廨啓C(jī)(Gas turbine,GT)利用天然氣發(fā)電,產(chǎn)生的高溫排氣同樣可以加以利用。將該設(shè)備引入分布式能源系統(tǒng),可以有效提高冷熱電聯(lián)供的可靠性。燃?xì)廨啓C(jī)的數(shù)學(xué)模型如下:

(5)

(6)

(7)

式中:RGT為燃?xì)廨啓C(jī)部分負(fù)荷率;RGT,thres為燃?xì)廨啓C(jī)啟動(dòng)負(fù)荷率,取20%,當(dāng)燃?xì)廨啓C(jī)的部分負(fù)荷率小于啟動(dòng)負(fù)荷率時(shí),燃?xì)廨啓C(jī)不啟動(dòng);PGT為燃?xì)廨啓C(jī)實(shí)際發(fā)電功率,kW;PGT,norm為燃?xì)廨啓C(jī)額定工況下的發(fā)電功率,kW;ηGT,e為燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電效率;ηGT,e,norm為燃?xì)廨啓C(jī)額定工況下的發(fā)電效率;f(RGT)為燃?xì)廨啓C(jī)的發(fā)電效率衰減系數(shù),根據(jù)實(shí)際燃?xì)廨啓C(jī)運(yùn)行情況擬合得出。

(8)

(9)

(10)

PGT,h=(1-ηGT,e)Pfuel

(11)

式中:ηm為燃?xì)廨啓C(jī)機(jī)械效率,近似取0.93;PGT,m為輸出的電功率(考慮機(jī)械效率),kW;Pfuel為天然氣消耗功率,kW;qV為消耗的天然氣體積流量,m3/s;PGT,h為燃?xì)廨啓C(jī)輸出熱功率,kW;Qgas,LHV為天然氣的低位發(fā)熱值,取35 600 kJ/m3。

1.2 儲(chǔ)能設(shè)備

1.2.1 蓄電池

蓄電池(Battery,BAT)荷電狀態(tài)計(jì)算方法為

(12)

式中:PBAT(t)為蓄電池充放電功率,kW,其中放電為正,充電為負(fù);Qbattery為電池的容量,kW·h;EB,SOC(t)為t時(shí)刻電池荷電狀態(tài);EB,SOC,0為初始時(shí)刻電池荷電狀態(tài);Δt為充/放電時(shí)間,s;t0為初始時(shí)刻,t0=1;t1為終止時(shí)刻,t1=3 600。

1.2.2 飛輪儲(chǔ)能

飛輪儲(chǔ)能(Flywheel energy storage,FE)相比蓄電池,具有更長(zhǎng)的使用壽命,但是儲(chǔ)電量較低,可以作為系統(tǒng)瞬時(shí)調(diào)頻手段。

(13)

式中:PFE為飛輪儲(chǔ)能的充放電功率,kW;J為飛輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量,kg·m2;ω1和ω2分別為飛輪充放電前后的轉(zhuǎn)動(dòng)角速度,rad/s。

飛輪儲(chǔ)能設(shè)備的荷電狀態(tài)計(jì)算公式為

(14)

式中:EFE,SOC為飛輪的荷電狀態(tài);ωt、ωmin、ωmax分別為飛輪儲(chǔ)能t時(shí)刻的轉(zhuǎn)速、飛輪最小轉(zhuǎn)速和飛輪最大轉(zhuǎn)速,rad/s。

1.2.3 蓄能水箱

本系統(tǒng)中只設(shè)置單個(gè)水箱,在供冷季用于儲(chǔ)冷,在供熱季用于儲(chǔ)熱。水箱為控制體的能量平衡方程,等號(hào)右邊第一項(xiàng)是散熱量,第二項(xiàng)是進(jìn)入水箱的能量,第三項(xiàng)是離開(kāi)水箱的能量。

u(t)·m(t)=-qhl,tank(t)+qm,in·h(Tin)-
qm,out·h(T(t))

(15)

式中:u(t)為t時(shí)刻水箱內(nèi)工質(zhì)內(nèi)能,kJ;m(t)為t時(shí)刻水箱內(nèi)工質(zhì)質(zhì)量,kg;qm,in與qm,out分別為水箱進(jìn)出、口質(zhì)量流量,kg/s;T(t)為t時(shí)刻水箱內(nèi)工質(zhì)溫度,即水箱出口處工質(zhì)溫度,℃;qhl,tank(t)為水箱散熱量,kW;h(Tin)與h(T(t))分別為進(jìn)入水箱內(nèi)工質(zhì)的焓和水箱內(nèi)工質(zhì)焓,kJ/kg。式中各項(xiàng)的具體計(jì)算方法可參考文獻(xiàn)[16]。

1.3 制冷制熱設(shè)備

為方便計(jì)算,將制冷制熱設(shè)備簡(jiǎn)化,采用制熱系數(shù)和制冷系數(shù)來(lái)計(jì)算各設(shè)備輸入輸出的能量,包括余熱鍋爐、電鍋爐、地源熱泵、吸收式熱泵和冷水機(jī)組。

Ci(t)=Ei,in(t)·ηEER,i

Hi(t)=Ei,in(t)·ηCOP,i

(16)

式中:Ci(t)和Hi(t)分別為第i個(gè)制冷/制熱設(shè)備輸出的冷量和熱量,kW;Ei,in(t)為輸入第i個(gè)設(shè)備的能量,kW;ηEER,i和ηCOP,i分別為第i個(gè)制冷/制熱設(shè)備的制冷系數(shù)和制熱系數(shù)。

在能源系統(tǒng)中添加了供熱和供冷設(shè)備,用以滿足用戶冷熱負(fù)荷需求,另一方面這些冷熱設(shè)備均屬于能源轉(zhuǎn)換設(shè)備,可以在優(yōu)化調(diào)度過(guò)程中起到能源互補(bǔ)的作用,提高能源利用率,同時(shí)使得系統(tǒng)調(diào)度的靈活性增加。

1.4 約束條件

1.4.1 能量平衡約束

能量的供給側(cè)和需求側(cè)需要滿足平衡關(guān)系。電平衡約束:發(fā)電設(shè)備發(fā)電、用戶用電、供能設(shè)備用電、儲(chǔ)能設(shè)備充放電以及與電網(wǎng)交互之間要達(dá)到供需平衡的關(guān)系。

Ppv,sum(t)+PBIPV,sum(t)+PWT(t)+PGT(t)+
PBAT(t)+PFE(t)+Pgrid(t)-
PEB(t)-PGHP(t)=Puser(t)

(17)

式中:PBIPV,sum(t)、Pgrid(t)、PEB(t)、PGHP(t)、Puser(t)分別為光伏玻璃幕墻總發(fā)電功率、電網(wǎng)交互功率、電鍋爐耗電功率、地源熱泵耗電率以及用戶電負(fù)荷,kW。

熱平衡約束:吸收式熱泵、余熱鍋爐、地源熱泵、電鍋爐、蓄熱水箱、熱量浪費(fèi)以及為用戶供熱之間要達(dá)到供需平衡關(guān)系。

HAHP(t)+HWB(t)+HGHP(t)+HEB(t)-Htank,in(t)+
Htank,out(t)-Hwaste(t)=Huser(t)

(18)

式中:HAHP(t)、HWB(t)、HGHP(t)、HEB(t)、Htank,in(t)、Htank,out(t)、Hwaste(t)、Huser(t)分別為t時(shí)刻吸收式熱泵、余熱鍋爐、地源熱泵、電鍋爐的制熱功率以及蓄熱罐輸入熱功率、蓄熱罐輸出熱功率、熱量浪費(fèi)、用戶熱負(fù)荷,kW。

冷平衡約束:吸收式熱泵、地源熱泵、冷水機(jī)組、蓄冷水箱、冷量浪費(fèi)以及用戶供冷之間要達(dá)到供需平衡。

CAHP(t)+CGHP(t)+CCWM(t)-Ctank,in(t)+
Ctank,out(t)-Cwaste(t)=Cuser(t)

(19)

式中:CAHP(t)、CGHP(t)、CCWM(t)、Ctank,in(t)、Ctank,out(t)、Cwaste(t)、Cuser(t)分別為t時(shí)刻吸收式熱泵、地源熱泵、冷水機(jī)組的制熱功率以及蓄冷罐輸入、蓄熱罐輸出功率、冷量浪費(fèi)、用戶冷負(fù)荷,kW。

1.4.2 設(shè)備出力約束

系統(tǒng)中各設(shè)備出力需滿足出力約束,最大出 力不高于設(shè)備額定功率,最小出力不低于啟動(dòng)負(fù)荷。

Pi,min≤Pi(t)≤Pi,norm

(20)

式中:Pi,min和Pi,norm分別為第i個(gè)設(shè)備的啟動(dòng)負(fù)荷和額定功率,kW;Pi(t)為第i個(gè)設(shè)備在t時(shí)刻的出力。

需要約束的設(shè)備有:燃?xì)廨啓C(jī)、電鍋爐、冷水機(jī)組、地源熱泵。另外,儲(chǔ)能設(shè)備也需要對(duì)其最大儲(chǔ)能和供能功率進(jìn)行約束。為防止電池和飛輪過(guò)度充放電,延長(zhǎng)設(shè)備使用壽命,其荷電狀態(tài)約束在0.2～0.8,同理蓄能水箱內(nèi)的工質(zhì)占比也維持在0.2～0.8。

(21)

式中:PBAT,max為蓄電池最大充放電功率,kW;PFE,max為飛輪儲(chǔ)能的最大充放電功率,kW;qm,max為儲(chǔ)能水箱進(jìn)出口最大質(zhì)量流量,kg/s。

考慮到可能存在的極端氣候和突發(fā)性負(fù)荷大幅波動(dòng)情況,本文未對(duì)電網(wǎng)交互功率進(jìn)行限制,以確保滿足用戶需求。

2 優(yōu)化運(yùn)行方法

2.1 運(yùn)行策略

2.1.1 以電定熱運(yùn)行策略

選取某辦公園區(qū)作為研究對(duì)象,其電負(fù)荷較高,冷熱負(fù)荷受季節(jié)影響較大,且夜間無(wú)冷熱負(fù)荷,選取傳統(tǒng)的以電定熱(Following electrical load,FEL)運(yùn)行策略作為優(yōu)化運(yùn)行的對(duì)照。在該運(yùn)行策略中,冬季優(yōu)先考慮供熱,夏季優(yōu)先考慮供冷,以此來(lái)分配吸收式熱泵和地源熱泵的運(yùn)行狀態(tài)。“以電定熱”運(yùn)行策略即優(yōu)先考慮滿足用戶電負(fù)荷,根據(jù)用戶電負(fù)荷、可再生能源發(fā)電以及儲(chǔ)電系統(tǒng)運(yùn)行之間的差額來(lái)調(diào)控燃?xì)廨啓C(jī)運(yùn)行負(fù)荷率,隨后計(jì)算燃?xì)廨啓C(jī)產(chǎn)出的熱量,調(diào)控其他供熱(冷)設(shè)備的出力。具體運(yùn)行策略如圖2(a)所示。

(a) “以電定熱”運(yùn)行策略流程圖

供電設(shè)備調(diào)控的優(yōu)先級(jí)為:可再生能源發(fā)電>蓄電池>飛輪儲(chǔ)能>燃?xì)廨啓C(jī),若不能滿足用戶需求則向電網(wǎng)購(gòu)電;若可再生能源發(fā)電量大于當(dāng)前時(shí)段電負(fù)荷,則由蓄電池和飛輪先后儲(chǔ)存多余電量。調(diào)控供熱設(shè)備時(shí),首先計(jì)算利用燃?xì)廨啓C(jī)余熱進(jìn)行制熱的吸收式熱泵和余熱鍋爐的產(chǎn)熱量,若大于當(dāng)前時(shí)段熱負(fù)荷,則多余熱量?jī)?chǔ)存進(jìn)蓄熱罐;若供熱不足,則依次調(diào)控地源熱泵、蓄熱罐、電鍋爐進(jìn)行供熱。調(diào)控供冷設(shè)備時(shí),首先計(jì)算吸收式熱泵冷量產(chǎn)出,若產(chǎn)出大于用戶負(fù)荷,則由蓄冷罐儲(chǔ)冷;若供冷不足,則由地源熱泵、蓄冷罐和冷水機(jī)組相繼補(bǔ)冷。

2.1.2 自適應(yīng)優(yōu)化運(yùn)行策略

筆者提出一種以經(jīng)濟(jì)性、節(jié)能性和環(huán)保性為目標(biāo)的自適應(yīng)優(yōu)化運(yùn)行策略,通過(guò)調(diào)整選取的決策變量使整個(gè)系統(tǒng)的綜合效益最大。

參考以電定熱策略,從整個(gè)系統(tǒng)調(diào)控流程的重要節(jié)點(diǎn)選取4個(gè)決策變量:

(1)x1為燃?xì)廨啓C(jī)負(fù)荷率。燃?xì)廨啓C(jī)作為整個(gè)系統(tǒng)的核心設(shè)備可以發(fā)電供能,同時(shí)產(chǎn)生的高溫透平排氣也可以通過(guò)余熱鍋爐或吸收式熱泵進(jìn)行供熱或供冷。作為表征燃?xì)廨啓C(jī)運(yùn)行的重要參數(shù),燃?xì)廨啓C(jī)負(fù)荷率直接影響燃?xì)廨啓C(jī)的發(fā)電效率以及余熱產(chǎn)出,間接影響其他設(shè)備的出力調(diào)控。燃?xì)廨啓C(jī)負(fù)荷率需滿足燃?xì)廨啓C(jī)啟動(dòng)條件或停機(jī),即{0}∪[0.2, 1]。

(2)x2為蓄電池充放電功率。蓄電池是園區(qū)供電微網(wǎng)中削峰填谷的重要調(diào)控手段,且具有運(yùn)行成本高、儲(chǔ)能容量大、不宜多次充放電等特點(diǎn)。選取蓄電池充放電功率作為一個(gè)決策變量,其變化會(huì)較為直觀地影響系統(tǒng)的運(yùn)行成本和能源節(jié)約率。蓄電池充放電功率的搜索范圍受其最大充放電功率的約束,即-PBAT,max～PBAT,max。

(3)x3為進(jìn)入吸收式熱泵和余熱鍋爐的煙氣分配占比。在確定燃?xì)廨啓C(jī)負(fù)荷率之后,燃?xì)廨啓C(jī)高溫排氣的分配問(wèn)題就成為下一個(gè)重點(diǎn)調(diào)控節(jié)點(diǎn),它是進(jìn)行供熱(冷)調(diào)控的第一步。選取進(jìn)入溴冷機(jī)和余熱鍋爐煙氣分配占比作為一個(gè)優(yōu)化變量,旨在合理充分地利用燃?xì)廨啓C(jī)排氣余熱,以提高一次能源利用率。

(4)x4為地源熱泵出力占比。在進(jìn)行制熱(冷)調(diào)控中,將電鍋爐/冷水機(jī)組置于調(diào)控的最后一個(gè)環(huán)節(jié),作為被動(dòng)調(diào)節(jié),在供熱(冷)不足時(shí)進(jìn)行補(bǔ)充,因此,最后需要主動(dòng)調(diào)控的設(shè)備就只有地源熱泵和蓄熱(冷)罐。除溴冷機(jī)和余熱鍋爐外,供熱(冷)不足的部分由地源熱泵與蓄熱(冷)罐共同承擔(dān),其中地源熱泵產(chǎn)能所占的比例即為該變量的含義。該變量的取值范圍為0～1。

采取窮舉搜索法[17](Exhaustive search algorithm,ESA)和遺傳算法( Genetic algorithm,GA)作為自適應(yīng)優(yōu)化運(yùn)行策略的尋優(yōu)計(jì)算方法,從經(jīng)濟(jì)性、節(jié)能性以及環(huán)保性3個(gè)方面選取成本節(jié)約率、一次能源節(jié)約率和二氧化碳減排率作為目標(biāo)函數(shù),將3個(gè)目標(biāo)視為同一優(yōu)先級(jí),三者均為無(wú)量綱參數(shù),直接按照相同比例計(jì)算綜合效益,并以該綜合效益最大為目標(biāo)進(jìn)行單目標(biāo)優(yōu)化。2種算法具體的操作步驟如圖2(b)和圖2(c)所示,圖中:xi,t表示第i個(gè)變量在t時(shí)刻的取值,t取1～24之間的整數(shù),tmax取24。

遺傳算法[18]是一種可以自適應(yīng)搜索方向的智能優(yōu)化算法,具有較強(qiáng)的全局搜索尋優(yōu)能力。它模擬生物遺傳進(jìn)化的規(guī)律,通過(guò)計(jì)算適應(yīng)度函數(shù),選取出每一代的較優(yōu)個(gè)體進(jìn)行相互交叉、變異,生成下一代種群,重復(fù)上述操作,通過(guò)不斷循環(huán)迭代后產(chǎn)生最優(yōu)個(gè)體。考慮到計(jì)算時(shí)間和精度的因素,設(shè)置遺傳算法種群數(shù)為100,迭代次數(shù)為100,交叉概率為0.8,變異概率為0.1。

為有效縮短尋優(yōu)過(guò)程的計(jì)算時(shí)間,將窮舉過(guò)程分兩個(gè)階段進(jìn)行搜索。第一階段給定后兩個(gè)決策變量的初始值,對(duì)前兩個(gè)變量進(jìn)行尋優(yōu),即在煙氣分配占比和地源熱泵出力占比不變的情況下,尋找最佳的燃?xì)廨啓C(jī)負(fù)荷率和蓄電池充放電功率。第二階段在第一階段尋優(yōu)結(jié)果的基礎(chǔ)上,對(duì)剩余2個(gè)變量的可行解進(jìn)行計(jì)算,得出最佳的煙氣分配占比以及地源熱泵出力占比。該方法與全局搜索相比,尋優(yōu)結(jié)果相差較小,且可以極大地縮短計(jì)算時(shí)間,適用于短時(shí)間尺度的優(yōu)化運(yùn)行調(diào)整。

2.2 目標(biāo)函數(shù)

在經(jīng)濟(jì)性計(jì)算過(guò)程中考慮了系統(tǒng)內(nèi)能源采購(gòu)成本、各個(gè)設(shè)備的運(yùn)行維護(hù)成本以及折舊成本:

C=Cop+Cd+Cbe

(22)

式中:C為總成本,元;Cop為設(shè)備運(yùn)行維護(hù)成本,元;Cd為設(shè)備折舊成本,元;Cbe為能源采購(gòu)成本,元。式中各項(xiàng)指標(biāo)具體計(jì)算方法可參考文獻(xiàn)[19]。

成本節(jié)約率CSR由假想的分供系統(tǒng)和建立的分布式能源系統(tǒng)在相同負(fù)荷條件下的運(yùn)行總成本計(jì)算得出:

(23)

式中:下標(biāo)SP和DES分別代表作為參考的分供系統(tǒng)和本文建立的分布式能源系統(tǒng)。

一次能源節(jié)約率PESR計(jì)算公式為

(24)

其中:

(25)

(26)

式中:FDES和FSP分別為該分布式能源系統(tǒng)和分供系統(tǒng)的一次能源消耗量,kJ;FGT為天然氣消耗量,m3;Pgrid,in為電網(wǎng)購(gòu)電量,kW·h;ηcp、ηgrid,P、ηEC、ηH、ηgrid,H分別為發(fā)電廠的能量轉(zhuǎn)換效率、電網(wǎng)的輸送效率、分供系統(tǒng)電制冷效率、供熱公司制熱效率和熱力管網(wǎng)輸送效率;Psum、Csum和Hsum分別為系統(tǒng)總產(chǎn)電量、產(chǎn)冷量和產(chǎn)熱量,kW·h。

二氧化碳減排率為

(27)

式中:Rgrid,CO2為電網(wǎng)購(gòu)電的二氧化碳排放當(dāng)量,kg/kJ;Rng,CO2為天然氣的二氧化碳排放當(dāng)量,kg/m3;Rh,CO2為分供系統(tǒng)購(gòu)熱的二氧化碳排放當(dāng)量,kg/kJ。

綜合效益的具體計(jì)算公式為

(28)

系統(tǒng)中設(shè)備性能和經(jīng)濟(jì)性的具體參數(shù)如表1所示[12-15],表中:cinv,i和cm,i分別為設(shè)備i的初投資成本和運(yùn)行維護(hù)成本,用于計(jì)算系統(tǒng)總成本。

表1 設(shè)備技術(shù)和經(jīng)濟(jì)參數(shù)

2.3 研究對(duì)象

選取北京某辦公園區(qū)作為研究對(duì)象,利用DeST軟件模擬預(yù)測(cè)用戶負(fù)荷及風(fēng)光條件,對(duì)所提出的優(yōu)化方法進(jìn)行驗(yàn)證分析。

該園區(qū)夜間無(wú)冷熱負(fù)荷,且電負(fù)荷較低,氣候條件為典型的夏熱冬冷地區(qū),因此從夏季、冬季以及過(guò)渡季選取3個(gè)典型日進(jìn)行分析計(jì)算。各典型日的用戶負(fù)荷及環(huán)境數(shù)據(jù)如圖3所示。

(a) 冬季典型日

冬季典型日風(fēng)速較大,但光照強(qiáng)度低,夜間無(wú)熱負(fù)荷,全天無(wú)冷負(fù)荷。上午7:00時(shí),熱、電負(fù)荷差異較大。

夏季典型日的全天風(fēng)速較低,無(wú)法滿足風(fēng)機(jī)的啟動(dòng)條件,太陽(yáng)輻照度較高,在12:00達(dá)到頂峰。全天無(wú)熱負(fù)荷,夜間只有較低的電負(fù)荷。晚上20:00時(shí),用戶冷負(fù)荷達(dá)到全天最大值,為4 968.9 kW。

筆者將一年中的春季和秋季定義為過(guò)渡季,即每年的2月中旬到5月中旬、8月中旬到11月中旬,過(guò)渡季的特點(diǎn)是冷熱負(fù)荷都處于較低水平甚至為零,但電負(fù)荷與其他季節(jié)差異不大。過(guò)渡季典型日的風(fēng)速和光照強(qiáng)度相對(duì)其他典型日均處于較低水平。全天無(wú)冷負(fù)荷,熱負(fù)荷較低,最大熱負(fù)荷為215.8 kW。

3 結(jié)果與討論

3.1 以電定熱運(yùn)行策略

以電定熱策略下,各個(gè)典型日的系統(tǒng)運(yùn)行情況以及綜合性能如圖4所示。其中rH,tank和rC,tank分別為蓄熱水箱與蓄冷水箱內(nèi)的工質(zhì)占比,計(jì)算方法如下:

(29)

(a) 冬季典型日電平衡圖

式中:Dtank為蓄能水箱底部直徑,m;H為蓄能水箱高度,m。rC,tank計(jì)算方法與上式相同。

由于夜間0:00—6:00時(shí)段電價(jià)較低,以電定熱策略下,該分布式能源系統(tǒng)夜間從電網(wǎng)購(gòu)電進(jìn)行存儲(chǔ),以便白天在用電高峰期填補(bǔ)電力空缺。與此同時(shí),冬季該系統(tǒng)還從電網(wǎng)購(gòu)電驅(qū)動(dòng)地源熱泵以及電鍋爐制熱,并將其存儲(chǔ)進(jìn)蓄能水箱。但在此方法下,夜間的綜合效益較低,這是由于夜間買電儲(chǔ)能策略引起的,夜間儲(chǔ)能全部由電網(wǎng)提供原動(dòng)力,這與分供系統(tǒng)相差不大,所以當(dāng)下的成本節(jié)約率、一次能源節(jié)約率以及二氧化碳減排率均處于較低水平。

夏季典型日23:00—8:00沒(méi)有冷負(fù)荷,只有較低的電負(fù)荷,白天的太陽(yáng)輻照度也明顯高于冬季和過(guò)渡季。與冬季典型日類似,在以電定熱策略下由電網(wǎng)購(gòu)電進(jìn)行儲(chǔ)能,保證用戶負(fù)荷高峰期的供能穩(wěn)定性。上午8:00有極小的冷負(fù)荷,在以電定熱策略下,該部分冷負(fù)荷由電網(wǎng)驅(qū)動(dòng)地源熱泵進(jìn)行供能,雖然地源熱泵具有較高的制冷效率,但從電網(wǎng)購(gòu)電還是具有一定的二氧化碳排放當(dāng)量以及一次能源消耗,所以該時(shí)刻的節(jié)能減排效益不足1。

由于過(guò)渡季夜間只有微弱的電負(fù)荷,冷熱負(fù)荷為零,在以電定熱策略中,夜間儲(chǔ)存的電量以及用戶供電全部來(lái)自市政電網(wǎng),這與傳統(tǒng)分供系統(tǒng)的運(yùn)行方式一致,因此該時(shí)段系統(tǒng)的成本節(jié)約率、一次能源節(jié)約率以及二氧化碳減排率均為零。

對(duì)比冬季和夏季典型日,夏季系統(tǒng)內(nèi)電制冷設(shè)備具有較高的能量轉(zhuǎn)換效率,但作為參照的分供系統(tǒng)利用空調(diào)制冷的方法,同樣具有可觀的能量轉(zhuǎn)換效率,因此在以電定熱策略下,夜間系統(tǒng)運(yùn)行的綜合效益并沒(méi)有顯著提高。

3.2 自適應(yīng)優(yōu)化運(yùn)行策略

由于遺傳算法與窮舉搜索法所得結(jié)果相差不大,筆者只選取基于窮舉搜索法下的自適應(yīng)優(yōu)化運(yùn)行結(jié)果進(jìn)行分析,各典型日的冷熱電平衡圖及系統(tǒng)性能如圖5所示。

(a) 冬季典型日電平衡圖

自適應(yīng)優(yōu)化運(yùn)行策略下,夜間啟動(dòng)燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)行儲(chǔ)電,同時(shí)帶動(dòng)吸收式熱泵和余熱鍋爐(冬季啟動(dòng)制熱)供熱或供冷,實(shí)現(xiàn)能量的梯級(jí)利用,不僅提高了系統(tǒng)的節(jié)能減排效益,而且減小了系統(tǒng)的電網(wǎng)購(gòu)電成本。

由于地源熱泵與傳統(tǒng)的分供系統(tǒng)供熱方式差別較大,能效性顯著提升,因此圖5(c)中可以看出冬季系統(tǒng)夜間綜合效益顯著提升。冬季典型日上午7:00的電、熱負(fù)荷較低,在自適應(yīng)優(yōu)化運(yùn)行策略中,該時(shí)刻的用戶負(fù)荷由儲(chǔ)能設(shè)備提供,燃?xì)廨啓C(jī)未啟動(dòng),系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)自給自足,不需要與電網(wǎng)進(jìn)行交互,因此既不會(huì)消耗一次能源也沒(méi)有產(chǎn)生二氧化碳,節(jié)能減排指標(biāo)為1,系統(tǒng)只產(chǎn)生少量的設(shè)備運(yùn)行維護(hù)成本。而在以電定熱策略下,供熱設(shè)備耗電完全由電網(wǎng)提供,啟動(dòng)地源熱泵供熱雖然系統(tǒng)本身沒(méi)有碳排放,但電網(wǎng)購(gòu)電有一定的二氧化碳排放當(dāng)量,因此該策略下二氧化碳減排率不足1,同理一次能源節(jié)約率也不足1。夜晚23:00系統(tǒng)的運(yùn)行情況以及綜合效益與此相同。

夏季典型日夜間23:00時(shí)系統(tǒng)綜合效益降為0,此時(shí)用能側(cè)只有微弱的電負(fù)荷,未能達(dá)到燃?xì)廨啓C(jī)啟動(dòng)條件,同時(shí)儲(chǔ)電設(shè)備達(dá)到釋能下限,該時(shí)刻的負(fù)荷只能由電網(wǎng)提供,這種運(yùn)行方式與分供系統(tǒng)完全相同,因此成本和一次能源節(jié)約率以及二氧化碳減排率均為0。

過(guò)渡季典型日全天的冷熱負(fù)荷較低,不需要啟動(dòng)儲(chǔ)熱或儲(chǔ)冷設(shè)備來(lái)平衡峰谷差值,同時(shí)也減免了蓄能水箱的運(yùn)行維護(hù)成本。為了減少系統(tǒng)的額外運(yùn)行成本,吸收式熱泵只產(chǎn)生少量的熱能用來(lái)滿足用戶負(fù)荷,燃?xì)廨啓C(jī)的排氣沒(méi)有全部利用,系統(tǒng)的一次能源利用率低,能源節(jié)約率也相應(yīng)降低。自適應(yīng)優(yōu)化運(yùn)行策略下過(guò)渡季典型日系統(tǒng)的一次能源利用率只有41.7%,而夏季典型日系統(tǒng)的一次能源利用率達(dá)到93%。雖然燃?xì)廨啓C(jī)的發(fā)電效率低于傳統(tǒng)的大型火電站,但由于分布式能源系統(tǒng)的供能設(shè)備直接布置在用戶側(cè),減少了能量長(zhǎng)距離輸送的運(yùn)輸損耗,所以自適應(yīng)優(yōu)化運(yùn)行策略下夜間依然選擇啟動(dòng)燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電并進(jìn)行儲(chǔ)存,而不是選擇市政電網(wǎng)。上午7:00—8:00,蓄電池放電將電能通過(guò)驅(qū)動(dòng)地源熱泵轉(zhuǎn)換為熱能來(lái)滿足用戶的熱負(fù)荷,實(shí)現(xiàn)了熱電調(diào)蓄。

3種運(yùn)行方式在3個(gè)典型日對(duì)應(yīng)的全天總效益如圖6所示。由圖6可以看出,該分布式能源系統(tǒng)在冬季運(yùn)行的綜合效益優(yōu)于夏季和過(guò)渡季,采用窮舉搜索法計(jì)算得出的自適應(yīng)優(yōu)化運(yùn)行策略較遺傳算法有略微優(yōu)勢(shì)。

圖6 不同運(yùn)行策略下系統(tǒng)綜合性能對(duì)比分析

由于該系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度是基于小時(shí)級(jí)進(jìn)行的,因此飛輪儲(chǔ)能和蓄電池并未展現(xiàn)出其在調(diào)頻過(guò)程中運(yùn)行的差異性,統(tǒng)一視作調(diào)峰手段進(jìn)行調(diào)度,僅在系統(tǒng)設(shè)備建模過(guò)程中進(jìn)行區(qū)分。

自適應(yīng)優(yōu)化運(yùn)行策略不同于傳統(tǒng)的人工決策,利用計(jì)算機(jī)超高的計(jì)算效率在所有可行域內(nèi)求出針對(duì)當(dāng)前源荷信息的最優(yōu)解,在保證供能可靠性的前提下,使得系統(tǒng)削峰填谷、熱電調(diào)蓄的優(yōu)勢(shì)得以充分實(shí)現(xiàn)。

4 結(jié)論

(1) 以冬季典型日為例,啟動(dòng)燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)行熱電協(xié)同存儲(chǔ)的綜合效益遠(yuǎn)高于電網(wǎng)驅(qū)動(dòng)的儲(chǔ)電儲(chǔ)熱模式,如夜間3:00時(shí),前者的綜合效益比后者提高了14%。

(2) 該分布式能源系統(tǒng)對(duì)于用戶負(fù)荷較高、峰谷差較大的典型日具有更為顯著的經(jīng)濟(jì)、節(jié)能和環(huán)保優(yōu)勢(shì)。基于窮舉算法的自適應(yīng)優(yōu)化運(yùn)行策略下,過(guò)渡季典型日的綜合效益僅為0.42,而冬季典型日的綜合效益是過(guò)渡季的1.4倍,夏季典型日的綜合效益是過(guò)渡季的1.2倍。

(3) 傳統(tǒng)以電定熱策略下,系統(tǒng)的綜合效益平均為0.41;而基于遺傳算法的自適應(yīng)優(yōu)化運(yùn)行策略可使系統(tǒng)的綜合效益達(dá)到0.5,相比以電定熱策略下提高了22%;基于窮舉搜索法的自適應(yīng)優(yōu)化運(yùn)行策略可使系統(tǒng)的綜合效益達(dá)到0.51,相比以電定熱策略下提高了24%。自適應(yīng)優(yōu)化運(yùn)行策略相較以電定熱策略,系統(tǒng)運(yùn)行綜合效益有大幅提升,且窮舉搜索法得出的結(jié)果較優(yōu)。