王世萱, 朱 武

(上海電力大學 電子與信息工程學院, 上海 201306)

能源產(chǎn)業(yè)在全球范圍內(nèi)不斷發(fā)展的同時,其消耗巨大、污染嚴重等問題日益凸顯,調(diào)整現(xiàn)有產(chǎn)能方式并改善能源系統(tǒng)的節(jié)能和環(huán)保效益勢在必行[1]。冷熱電聯(lián)供(Combined Cooling Heating and Power,CCHP)型微電網(wǎng)作為綜合能源系統(tǒng)的基本物理實現(xiàn),其內(nèi)含CCHP單元,可依靠天然氣、風能、太陽能和地熱能等多類型能源輸入進行電、熱、冷等能源的梯級轉(zhuǎn)換與輸出。發(fā)展CCHP微電網(wǎng)是提高能源利用效率、減少環(huán)境污染的有效手段,對于實現(xiàn)多能協(xié)調(diào)互補與促進可再生能源(Renewable Energy Sources,RES)消納具有重要意義。合理規(guī)劃供能框架和制定優(yōu)化調(diào)度策略是實現(xiàn)CCHP微電網(wǎng)高效、低碳運行的重要保障[2]。文獻[3]構(gòu)建了含多類型儲能設備的能量優(yōu)化模型,有效平衡了光伏出力波動性并降低了能量損耗及運行費用。文獻[4]考慮了分時電價、環(huán)境效益等因素,以綜合運行成本最低為目標實現(xiàn)了系統(tǒng)經(jīng)濟的優(yōu)化。文獻[5]提出了基于供需互動的實時調(diào)度策略,在保證經(jīng)濟性和環(huán)保性的同時提高了能源響應效率。文獻[6]在CCHP系統(tǒng)中引入了冰蓄冷裝置,并用算例驗證了電儲能與冰蓄冷系統(tǒng)的有機結(jié)合能夠顯著提高經(jīng)濟效益。本文采用含冰蓄冷空調(diào)(Ice-storage Air-conditioning,ISAC)的CCHP微電網(wǎng)產(chǎn)能結(jié)構(gòu),并綜合考慮RES出力及分時電價的波動性,建立了計及運行成本、環(huán)保水平和RES消納量等多個評價指標構(gòu)成的多目標能量優(yōu)化模型,最后通過算例對比驗證了所選運行方案的有效性。

1 CCHP系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)與設備建模

1.1 系統(tǒng)供能框架

CCHP在產(chǎn)能方案的選擇上具有能量獲取路徑多樣性及設備組成方式豐富等特點。不同負荷需求可由多種設備進行產(chǎn)供,而不同設備配置及調(diào)度策略的選擇在具體負荷場景下將會發(fā)揮不同程度的影響,密切關系到系統(tǒng)的運行性能。本文研究的CCHP可實現(xiàn)并網(wǎng)運行,其中能源輸入包括外部電網(wǎng)、天然氣、風能、太陽能和地熱能,能源輸出包括冷能、熱能和電能。網(wǎng)內(nèi)包含的供能設備、能量流動和轉(zhuǎn)換狀態(tài)如圖1所示。

1.2 系統(tǒng)各單元模型

1.2.1 CCHP單元

典型的CCHP單元包含微型燃氣輪機(Micro gas Turbine,MT)、余熱回收單元和吸收式制冷機(Absorption Chiller,AC)3個部分[7]。MT作為該單元的能量源頭,可通過天然氣獲取電能并產(chǎn)生大量余熱煙氣,是實現(xiàn)冷、熱、三聯(lián)供與能源梯級利用的核心裝置。CCHP單元制冷、制熱功率與輸出電功率之間的關系以及天然氣消耗量的數(shù)學模型為

圖1 CCHP系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意

(1)

(2)

式中:QMT(t),PMT(t)——t時段MT余熱功率和輸出電功率;

ηMT,ηL,ηres——MT產(chǎn)電效率、散熱損失系數(shù)和煙氣回收率;

QMTC(t),QMTH(t)——t時段CCHP單元制冷功率和制熱功率;

CMTC,CMTH——CCHP單元制冷、制熱系數(shù);

VMT(t)——t時段MT燃料消耗量;

LNG——天然氣低熱值;

Δt——單位時間時長。

1.2.2 燃料電池

燃料電池(Fuel Cell,FC)能夠?qū)⑷剂纤哂行Щ瘜W能直接轉(zhuǎn)換為電能,其能量轉(zhuǎn)化效率可達65%以上[8],同時具備噪聲低、污染小、易于建設等特點。燃料電池消耗量模型為

(3)

式中:VFC(t),PFC(t)——t時段內(nèi)FC燃料消耗量和輸出電功率;

ηFC(t)——t時段內(nèi)FC發(fā)電效率。

1.2.3 ISAC單元

ISAC單元集供、儲、冷功能于一體,主要由制冷機組、蓄冷罐和空調(diào)末端等輔助設備組成[9],可通過夜間低谷段電力制冰儲冷,并在供冷時段靈活選擇單融冰供冷、單制冷或聯(lián)合供冷模式以滿足負荷需求,能夠有效地提高經(jīng)濟效益,同時對于電網(wǎng)側(cè)具有削峰填谷的作用[10]。其中,制冷機組工作的數(shù)學模型表達式為

(4)

式中:Pch(t),Qch(t)——t時段制冷機組用電功率與輸出冷量;

FCOPch——制冷機組額定能效比;

a,b,c——動態(tài)能效比擬合系數(shù)。

1.2.4 熱 泵

熱泵可借助水、空氣、土壤等獲取低品位熱能,并通過少量電力驅(qū)動產(chǎn)出高位熱能[11]。該裝置具有耗能少、效率高、使用壽命長等優(yōu)點,是近年來倍受關注的新能源技術產(chǎn)物。其制冷(熱)功率模型為

(5)

式中:QHPC(t),QHPH(t)——t時段熱泵制冷功率和制熱功率;

CHPC,CHPH——制冷、制熱系數(shù);

PHP(t)——t時段熱泵用電功率。

1.2.5 儲能單元

儲能單元能夠有效平抑負荷和RES出力的波動性,有利于實現(xiàn)能量緩沖與供需平衡,是CCHP的重要組成部分[12]。除ISAC單元內(nèi)的蓄冷裝置外,網(wǎng)內(nèi)還配備儲電和儲熱單元,它們在運行中具有相似的能量充放特征。其數(shù)學模型為

(6)

EES(t+1)=(1-τES)EES(t)+

(7)

式中:PES(t)——t時段儲能單元功率;

PES,in(t),PES,out(t)——t時段能量輸入功率和輸出功率;

EES(t)——t時段儲能單元能量值;

τES——儲能損失系數(shù);

ηin,ηout——能量的輸入和輸出效率。

2 CCHP系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度模型

2.1 目標函數(shù)

CCHP優(yōu)化調(diào)度旨在滿足供需兩側(cè)各單元運行特性、交互功率等約束下使系統(tǒng)的特定目標或綜合效益達到最優(yōu)。

考慮分時電價和氣價,并計入碳排放懲罰費用和RES發(fā)電補貼,建立以綜合運行成本最小為目標的優(yōu)化模型為

Cgrid(t)+Ccarb(t)-Csubs(t)]

(8)

式中:f,T——系統(tǒng)綜合運行費用和運行周期總時段數(shù);

Cgas(t),Com(t)——t時段燃料成本和運行維護成本;

Cgrid(t),Ccarb(t)——t時段電網(wǎng)購電費用和碳排放懲罰成本;

Csubs(t)——t時段RES發(fā)電補貼。

2.2 約束條件

2.2.1 功率平衡約束

電平衡、冷平衡和熱平衡約束分別為

PMT(t)+Pgrid(t)+PBS(t)+PFC(t)+

(9)

QMTC(t)+QHPC(t)+Qch(t)+

QCS(t)=Qc,load(t)

(10)

QMTH(t)+QHPH(t)+QHS(t)=

Qh,load(t)

(11)

式中:Pgrid(t)——電網(wǎng)交互電功率;

PBS(t)——儲電單元充放電功率;

M——RES機組數(shù)量;

Pload(t)——電負荷預測值;

Qh,load(t),Qc,load(t)——熱、冷負荷預測值;

QCS(t)——蓄冷罐蓄放冷功率;

QHS(t)——儲熱單元蓄放熱功率。

2.2.2 機組出力約束

(12)

2.2.3 電力交互約束

(13)

2.2.4 儲能單元約束

(14)

Uin(t),Uout(t)——儲放能狀態(tài)。

2.3 模型求解算法

粒子群優(yōu)化算法(Particle Swarm Optimization,PSO)具有應用范圍廣、收斂速度快等特點,是優(yōu)化模型求解的常用方法。但標準PSO在優(yōu)化過程中存在早熟收斂和易陷入局部極值等問題[13]。為了平衡PSO的全局探測和局部開采能力,本文采用變慣性權(quán)重的改進PSO進行求解。改進PSO算法流程如圖2所示。

圖2 改進PSO算法流程示意

其慣性權(quán)重因子在迭代尋優(yōu)過程中的表達式為

(15)

式中:ωmax,ωmin——權(quán)重的上下限;

Nmax,N——最大及當前迭代次數(shù)。

為了驗證改進PSO的優(yōu)化性能,以Ackley函數(shù)進行尋優(yōu)能力測試,其收斂曲線對比如圖3所示。

圖3 收斂曲線對比

由圖3可知,變慣性權(quán)重的改進PSO能夠提升算法的收斂速度和尋優(yōu)能力。

3 算例分析

3.1 基礎數(shù)據(jù)

本文以夏季某園區(qū)并網(wǎng)條件下CCHP微電網(wǎng)為例進行分析。網(wǎng)內(nèi)供能設備包括 CCHP單元、ISAC單元、風電(Wind Turbine,WT)機組、光伏(Photovoltaic,PV)發(fā)電機組、熱泵、FC和儲能單元。為了充分發(fā)揮清潔能源的優(yōu)勢,提高RES消納量,采用RES優(yōu)先出力并以最大功率輸出模式運行。算例其余條件如下。

(1) 優(yōu)化模型以1個典型日為調(diào)度周期,調(diào)度間隔時長為1 h。WT和PV出力及冷、熱、電負荷預測曲線如圖4所示。

(2) CCHP微電網(wǎng)各單元運行參數(shù)如表1所示。其中,Pmax和Pmin為設備功率的上下限,com為設備單位維護成本。

(3) 采用分時電價模式,且不考慮CCHP向電網(wǎng)售電。時段劃分和分時電價如表2所示。天然氣的單價為2.95元/m3,低熱值LNG為9.7 kWh/m3。

圖4 風、光出力及負荷預測曲線

表1 CCHP設備運行參數(shù)

表2 時段劃分和分時電價

(4) 算法參數(shù)選取如下:種群規(guī)模為100,最大迭代次數(shù)為200,加速度值為0.2,慣性權(quán)重起止數(shù)值分別為0.69和0.77。

3.2 優(yōu)化結(jié)果分析

為了證明不同調(diào)度策略對于系統(tǒng)RES消納能力以及經(jīng)濟性的優(yōu)化作用,本文將按照RES優(yōu)先滿足電負荷需求和RES優(yōu)先滿足冷熱負荷需求的兩種運行策略進行求解,記為方式1和方式2,并分析對比其結(jié)果。CCHP微電網(wǎng)在兩種策略下的具體運行方案如下。

3.2.1 RES優(yōu)先滿足電負荷

在該調(diào)度策略下,PV和WT出力首先用于滿足用戶電負荷需求,其余電能缺額通過MT和FC出力或從大電網(wǎng)購電進行電量補充。由于CCHP微電網(wǎng)內(nèi)存在多能互補和耦合,MT發(fā)電情況將跟隨冷、熱負荷需求進行調(diào)整,避免能量過度損失和浪費。此外,MT運行過程中產(chǎn)生的廢熱可滿足部分熱能需求同時借助AC供冷,其余冷、熱能缺額可分別通過ISAC單元和熱泵進行能量補充。RES優(yōu)先滿足電負荷優(yōu)化調(diào)度結(jié)果如圖5所示。

圖5 RES優(yōu)先滿足電負荷優(yōu)化調(diào)度結(jié)果

在供電工況下,各設備出力如圖5(a)所示。其中綜合電負荷指用戶電負荷與網(wǎng)內(nèi)用電量之和,網(wǎng)內(nèi)電負荷包括ISAC單元與熱泵供能用電。為降低大電網(wǎng)并網(wǎng)壓力和碳排放懲罰費用,PV,WT,MT出力后電能缺額首先由FC進行發(fā)電補充,若需求超過FC功率上限,再從電網(wǎng)購電。在電價峰時段,由于處于負荷峰時段的MT功率較大,FC出力能夠滿足剩余電量缺口,在22～23時間段內(nèi)FC出力達到上限,此時從電網(wǎng)購電正處于電價谷時段,因此能夠有效降低購電成本。

在供冷工況下,各設備出力如圖5(b)所示。AC不能滿足冷負荷需求的部分由ISAC單元供應。1～9時段的電價和冷量需求處于谷時,ISAC單元在夜間制冰儲存冷能,并在負荷峰時釋放以緩解需求壓力,同時降低運行成本。此外,結(jié)合圖5(a)可知,ISAC單元制冰使得綜合電負荷升高,從而促進了RES消納,對于提升系統(tǒng)運行環(huán)保性具有積極作用。由于夏季園區(qū)冷能用量較大,所以制冷機組一直處于運行狀態(tài)可以平衡供冷需求。

在供熱工況下,各設備出力如圖5(c)所示。夏季熱負荷較低,在熱負荷谷時段,MT產(chǎn)電余熱能夠滿足熱量需求,熱能過剩部分可通過儲熱單元進行存儲。在熱需求峰值時段,優(yōu)先通過儲備熱量進行補充,不足部分采用地源熱泵制熱填補差額。

3.2.2 RES優(yōu)先滿足冷熱負荷

在該調(diào)度策略下,PV和WT出力優(yōu)先滿足冷熱負荷用電需求。此外,MT首先計劃保持恒定功率運行,若RES出力不能滿足冷熱能供應,則根據(jù)能量缺額增加MT輸出功率,進而根據(jù)負荷量相應調(diào)整FC和ISAC單元、熱泵和儲能單元出力以及購電量,以滿足用戶側(cè)需求。RES優(yōu)先滿足冷熱負荷優(yōu)化調(diào)度結(jié)果如圖6所示。

圖6 RES優(yōu)先滿足冷熱負荷優(yōu)化調(diào)度結(jié)果

在供電工況下,各設備出力如圖6(a)所示。由于調(diào)度策略的改變,MT出力減少,使得多能互補能力下降,網(wǎng)內(nèi)用電量增加。在電負荷峰時段,FC以最大功率運行,且系統(tǒng)購電量相較于方式1明顯增加。

在供冷工況下,各設備出力如圖6(b)所示。ISAC單元在電價谷時段的蓄冷模式不變。由于MT出力減少,AC制冷量相應改變,冷能缺額由電制冷機組和蓄冷罐放冷補充。

在供熱工況下,各設備出力如圖6(c)所示。MT燃氣廢熱在負荷谷時段能夠滿足熱能需求,并將多余熱能存于儲熱單元內(nèi)。在熱負荷峰時段,釋放存儲的熱能,剩余熱需求缺額由熱泵制熱補充。

3.3 調(diào)度效益對比

兩種調(diào)度方式均采用RES優(yōu)先出力的策略以提高RES消納量,同時能夠有效降低常規(guī)產(chǎn)電設備運行成本、燃料成本及碳排放量,有利于提高CCHP微電網(wǎng)的經(jīng)濟性和環(huán)保性。在兩種調(diào)度方式下,綜合用電負荷和RES發(fā)電占比以及系統(tǒng)綜合運行成本如圖7與表3所示。

圖7 兩種方式下的綜合用電負荷與RES發(fā)電占比

表3 兩種調(diào)度策略的綜合成本與RES時均發(fā)電率

由圖7可知,相較于方式1,方式2調(diào)度下的綜合用電負荷在各個單位時段內(nèi)增加了5～50 kW不等。由表3可知,方式2調(diào)度下的CCHP微電網(wǎng)綜合運行成本較方式1高出563.40元,而RES出力在總電量輸出中的時均占比下降了至少3%。究其原因在于,方式2調(diào)度下,MT出力受到冷熱能供應用電量的波動影響而未能有效提高,從而導致多能互補能力不足,網(wǎng)內(nèi)用電量增加,致使FC不足以完全補充電能缺額,購電量升高;而方式1能夠充分發(fā)揮MT運行的能源互補優(yōu)勢,在消納RES的同時提高了網(wǎng)內(nèi)能量的梯級利用率,減少了從電網(wǎng)購電,有效降低了化石能源的消耗,達到了系統(tǒng)經(jīng)濟性和環(huán)保性的目標。

4 結(jié) 語

本文綜合考慮了設備運行維護、電網(wǎng)交互、環(huán)境成本以及RES消納等效益指標,建立了以CCHP微電網(wǎng)綜合運行成本最低為目標的優(yōu)化調(diào)度模型,并采用PSO獲取了最優(yōu)產(chǎn)能方案。此外,以夏季典型日為例分析了系統(tǒng)在兩種優(yōu)化調(diào)度方式下的供能情況。算例分析表明,ISAC單元具有顯著負荷轉(zhuǎn)移特性且有助于增長RES消納量以及提高系統(tǒng)運行的綠色經(jīng)濟性能,并通過優(yōu)化結(jié)果對比得到RES優(yōu)先滿足電負荷需求的調(diào)度方式能夠提升RES發(fā)電占比,可以有效增強系統(tǒng)多能互補能力,且對于降低碳排放量和綜合運行費用具有積極的作用。