陳孟石，杜傳銘，杜尚斌，宿鳳明，趙義軍，張 雪

(1.哈爾濱工業(yè)大學 能源科學與工程學院，黑龍江 哈爾濱 150001； 2.國家電投集團電站運營技術(北京)有限公司，北京 102209； 3. 93015部隊，黑龍江 哈爾濱 150046)

0 引言

“量體裁衣、就地取材、就近利用”的分布式能源系統(tǒng)憑借其高效、靈活、可靠、清潔的優(yōu)勢，在能源供應體系中的比重和作用快速提升[1]。分布式能源系統(tǒng)是服務于當?shù)赜脩?、小型的、模塊化的智慧能源網(wǎng)，同時滿足用戶的冷熱電需求，能源的總體利用率可達80%以上[2-5]。

分布式能源系統(tǒng)運行、管理、調(diào)節(jié)等較傳統(tǒng)供能系統(tǒng)復雜很多[6]。除用戶負荷隨區(qū)域、時間發(fā)生變化外，系統(tǒng)中分布式電源也具有波動性高、難以預測和間歇發(fā)電的特點[7]?，F(xiàn)有分布式能源系統(tǒng)往往未考慮負荷規(guī)律、供給規(guī)律等的差異，導致系統(tǒng)實際運行效率下降等諸多問題，直接影響經(jīng)濟效益[8]。

為突破能源“不可能三角”——價格低廉、穩(wěn)定供給、清潔環(huán)保，系統(tǒng)構建方面可將光能、天然氣、風電等多種能源從空間、時間和特性上整合互補，緩解整個系統(tǒng)的波動[9]。系統(tǒng)配置方面要根據(jù)各電源的發(fā)電特性和用戶的冷熱電需求規(guī)律，結(jié)合系統(tǒng)經(jīng)濟性與互補特性權衡考量，給出多能互補型分布式能源系統(tǒng)的優(yōu)化配置方案，包含分布式電源的靜態(tài)裝機容量配置和各電源在總供能中的出力動態(tài)配置兩個方面。

目前國內(nèi)外的配置優(yōu)化研究基本是從環(huán)境、能效、經(jīng)濟性三個方面出發(fā)。Ebrahimi等[7]以用于住宅建筑的微型CCHP為研究對象，以運行成本和二氧化碳排放量為優(yōu)化目標，使用模糊邏輯和灰色關聯(lián)法來確定最佳配置。Santo[10]等以一次能源利用率最高為優(yōu)化標準來研究冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)，其中一次能源節(jié)約率為與傳統(tǒng)供能系統(tǒng)一次能源消耗量的對比。范松麗[11]等建立基于機會約束規(guī)劃，求解分布式能源系統(tǒng)的最優(yōu)調(diào)度結(jié)果和風險水平。差分進化算法具有收斂速度快、優(yōu)化結(jié)果穩(wěn)定、控制參數(shù)少等優(yōu)點[12]，是解決分布式能源系統(tǒng)優(yōu)化配置這種多目標優(yōu)化問題的常用算法。

系統(tǒng)各容量配置得到最優(yōu)解后，得到的優(yōu)化配置方案還需進行技術經(jīng)濟分析，以保證項目的可持續(xù)性，因此系統(tǒng)技術經(jīng)濟分析也尤為重要。

1 風光氣供能系統(tǒng)的構建

1.1 系統(tǒng)介紹

“風光氣”分布式能源系統(tǒng)由三個典型的系統(tǒng)耦合構成，即風力發(fā)電系統(tǒng)、光伏發(fā)電系統(tǒng)和天然氣三聯(lián)供系統(tǒng)，其能量流動如圖1所示。該系統(tǒng)主要應用于以港口、沿海經(jīng)濟開發(fā)區(qū)、沿海辦公樓等。

圖1 風光氣供能系統(tǒng)能量流動圖

1.2 系統(tǒng)構造方案

風光氣能量供應系統(tǒng)集發(fā)電、供熱、制冷于一體，其模型結(jié)構如圖2所示，分為能量源、能量轉(zhuǎn)化、能量分類匯總、能量供給和負荷中心五大部分。此系統(tǒng)利用的一次能源除了風能、太陽能、天然氣，還有集中電網(wǎng)火力發(fā)電使用的煤炭資源。能量源通過風力發(fā)電機、光伏板、燃氣內(nèi)燃機等進行能量轉(zhuǎn)化產(chǎn)生電能和余熱，實現(xiàn)能量轉(zhuǎn)化。電能一部分直接輸送給用戶，一部分存儲到儲能裝置備用。余熱通過余熱回收機組進行回收，根據(jù)用戶冷熱負荷確定補燃鍋爐的運行容量，實現(xiàn)能量的分類匯總。匯總所得熱量通過冷熱水機組和熱交換器后產(chǎn)生用戶可直接利用的冷熱源，當冷源不滿足需求時，利用壓縮式制冷機補充制冷，實現(xiàn)能量供給。最終冷熱電聯(lián)合供給，滿足負荷中心日常需求。

圖2 “風光氣”分布式供能系統(tǒng)模型圖

1.3 系統(tǒng)主要設備建模

風力發(fā)電系統(tǒng)主要由發(fā)電機、升壓變壓器等組成，本系統(tǒng)選用龍向能源50 kW垂直軸風力發(fā)電機，運行參數(shù)及變工況特性參考企業(yè)提供的設備數(shù)據(jù)。光伏發(fā)電系統(tǒng)主要由光伏組件、控制器、逆變器等組成，光伏系統(tǒng)逐時提供電量Ep為[13]

Ep=H×P×K

(1)

式中H——單位面積水平面所接受的太陽能輻照量/kWh·m-2；

P——裝機量/kWp；

K——綜合效率系數(shù),0.4767。

天然氣基三聯(lián)供系統(tǒng)(簡稱CCHP)主要由原動機、補燃鍋爐、制冷機組以及換熱器等設備組成。動力系統(tǒng)是CCHP的核心，綜合考慮發(fā)電效率、熱效率、造假等因素并結(jié)合應用場景，選取燃氣內(nèi)燃機作為動力系統(tǒng)。描述內(nèi)燃機的特性的數(shù)學關系如下公式所示[14]

(2)

(3)

ηe=ηeo×(0.011 3+2.980 1×r-2.472 6×r2+0.481 2×r3)

(4)

ηq=ηqo×(1.585 3-2.124 7×r+2.887×r2-1.347 6×r3)

(5)

式中Pno——額定容量/kW；

ηE——額定電效率；

ηQ——額定熱效率；

ηe——實際電效率；

ηq——實際熱效率；

r——負載率。

本研究使用的冷熱水機組性能模型可簡化為下式

Cq=Qqx·COPqc

(6)

(7)

Qq=Qqx·COPqh

(8)

(9)

式中Cq——機組制冷量;

Qq——機組量；

COPqc——機組制冷系數(shù)；

COPqh——機組制熱系數(shù)；

Qqx——被回收熱量；

εq—— 機組的狀態(tài)參數(shù)；

本研究采用的電制冷機為電壓縮式制冷機組，假設電制冷機制冷系數(shù)恒定，模型如下式

Cce=Ece·COPce

(10)

(11)

式中Cce——制冷量/kW；

COPce——制冷系數(shù)；

Ece——輸入的電能/kW；

εce——狀態(tài)參數(shù)；

當用戶熱負荷高于系統(tǒng)的供熱量時利用燃氣鍋爐補充。其變工況熱力學模型如下式

Qg,add=Fg,add·ηg

(12)

ηg,add=ηg,add,o(0.095 1+1.525βg-0.624 9(βg)2)

(13)

(14)

式中Qg,add——輸出補燃鍋爐的熱量/kW；

Fg,add——輸入補燃鍋爐的天然氣能量/kW；

ηg,add——補燃鍋爐效率/kW；

ηg,add,o——額定效率/kW；

βg——負荷率；

εgb——狀態(tài)參數(shù)。

2 風光氣供能系統(tǒng)優(yōu)化配置

2.1 用戶負荷分析

本研究以天津市靜海區(qū)的某居民樓為研究對象。該建筑高28層，層高2.8 m，共336戶，總居住面積49 029 m2?？蓪⒂脩舻哪芰啃枨蠓譃榭照{(diào)冷負荷、空調(diào)熱負荷、電負荷和熱水負荷四大類，它們受人為習慣、氣候環(huán)境、建筑物圍護結(jié)構、建筑類型等多種因素影響，要綜合以上因素評估建筑的冷熱電負荷特性。每戶選取用水人數(shù)為3，求得基本熱水負荷為0.95 kW。該建筑共計336戶，算得全年熱水負荷為52 428.6 kWh。

利用DeST軟件完成全年逐時空調(diào)和電負荷，模擬結(jié)果如圖3和圖4。

圖3 系統(tǒng)全年逐時冷熱負荷

圖4 全年逐時電負荷

該建筑的DeST模擬結(jié)果如圖。如圖3，建筑的冷熱空調(diào)負荷隨全年發(fā)生變化。DeST模擬的電負荷只包括家用電器耗電，因此其與季節(jié)基本無關，主要受居住習慣決定，每周電負荷大致相同，如圖4。各類負荷的年總需求、負荷峰值和需求時間如表1。

表1 建筑物全年逐時負荷分析結(jié)果

系統(tǒng)通過調(diào)節(jié)系統(tǒng)冷電比、熱電比來滿足用戶動態(tài)負荷需求，本文將全年負荷分為供暖期、供冷期和過渡期三大階段，以此為標準制定系統(tǒng)的容量匹配和運行策略。

結(jié)合圖5、圖6和圖7，得出該建筑的動態(tài)負荷特征：

圖5 供暖期典型日用戶動態(tài)負荷

圖6 供冷期典型日用戶動態(tài)負荷

圖7 過渡期典型日用戶動態(tài)負荷

(1)電負荷較高時間段主要分布在7：00～9：00、12：00～14：00和17：00～23：00三個時間段，最高峰在400 kW左右，其他時間需求較為平穩(wěn)。

(2)白天的冷熱需求較低，主要原因是住宅型建筑白天入住率較低。伴隨夜間降溫，0：00時熱負荷達到峰值4 000 kW；22：00時冷負荷達到峰值3 700 kW。

(3)該住宅建筑的冷熱負荷與電負荷需求相差較大，因此要構建熱電比、冷電比較大的裝機配置和運行策略。

2.2 系統(tǒng)運行策略

本研究采用“余熱利用最大化、發(fā)電并網(wǎng)不上網(wǎng)”的原則。由2.1的負荷分析結(jié)果可知，該建筑冷熱負荷需求多于電負荷，因此采用以電定熱模式確定裝機容量。

如圖8，低谷電價時間段內(nèi)，市電網(wǎng)滿足用戶全部電需求，其余時間由燃氣內(nèi)燃機提供；當燃氣內(nèi)燃機運行后，余熱不滿足制冷或制熱需求的部分由電制冷機和補燃鍋爐提供。

圖8 系統(tǒng)冷、熱、電負荷供給策略

2.3 系統(tǒng)配置優(yōu)化模型

本研究針對“風光氣”供能系統(tǒng)的優(yōu)化配置問題，以能源高效、經(jīng)濟最優(yōu)和環(huán)境友好為目標進行優(yōu)化。將該系統(tǒng)與同體量傳統(tǒng)集中供能對比，計算得到的總運營成本節(jié)省率、大氣污染物減排率和一次能源節(jié)約率作為目標函數(shù)，結(jié)合人為權重轉(zhuǎn)化為單目標，得到多目標優(yōu)化值MEI。然后利用差分進化得到最優(yōu)解，進而得出最優(yōu)配置方案，具體流程如圖9所示。

圖9 風光氣供能系統(tǒng)優(yōu)化模型基本結(jié)構

2.4 系統(tǒng)配置優(yōu)化計算

如圖10所示，差分進化算法運行后，首先計算某一隨機初始群體的適應值，然后經(jīng)過變異和交叉，根據(jù)變異算子和交叉算子產(chǎn)生一個種群，將這個種群與父代進行適應度的比較，較大或較小的留下，形成新一代種群，然后循環(huán)，直到滿足終止條件后停止。本研究適應值的計算流程如圖11所示。

圖10 差分進化算法流程圖

圖11 差分進化算法適應值計算流程圖

容量初值范圍選取50～500 kW，種群個數(shù)NP=50，變異算子F=0.4，交叉算子=0.1，進化200代。差分進化算法計算結(jié)果如圖12，進化到19代之后，種群的MEI趨于定值0.496 3，導出第19代種群中最佳MEI的個體為418 kW。選用相同優(yōu)化模型，用遍歷法驗證優(yōu)化結(jié)果的準確性，得到相同結(jié)果?，F(xiàn)實中還需要考慮設備的生產(chǎn)型號，因此最終選取額定發(fā)電量為400 kW的燃氣內(nèi)燃機，系統(tǒng)工作特性如表2。

表2 風光氣供能系統(tǒng)工作特性表

圖12 差分進化算法計算結(jié)果

2.5 系統(tǒng)典型日運行分析

2.5.1 供暖期典型日運行結(jié)果

如圖13、圖14，在供暖期典型日中，13：00前的電負荷完全由風力發(fā)電和光伏發(fā)電提供，14：00～17：00電負荷由處于低谷電價期的市電滿足。在此之前天然氣三聯(lián)供系統(tǒng)未啟動，空調(diào)熱負荷由補燃鍋爐提供。18：00之后天然氣三聯(lián)供系統(tǒng)啟動，燃氣內(nèi)燃機產(chǎn)電滿足電負荷，余熱回收熱水機組制熱量無法滿足熱負荷部分由補燃鍋爐提供。如圖15、圖16，該典型日屬于冬季，日照輻射較少，光伏發(fā)電占總電負荷7%，因此白天仍需接入市電；熱負荷需求較多，吸收式機組供熱遠遠無法滿足熱需求，余熱被充分利用后，剩余95%熱負荷由補燃鍋爐提供。

圖13 系統(tǒng)供暖期熱負荷供給

圖14 系統(tǒng)供暖期電負荷供給

圖15 供暖期各設備供電出力圖

圖16 供暖期各設備供暖出力圖

2.5.2 供冷期典型日運行結(jié)果

如圖17、圖18，在供冷期典型日中，17：00前的電負荷完全由風力和光伏發(fā)電提供，天然氣三聯(lián)供系統(tǒng)未啟動，空調(diào)冷負荷由電制冷機提供。18：00之后天然氣三聯(lián)供系統(tǒng)啟動，其產(chǎn)電滿足電負荷，冷水機組制冷量無法滿足負荷部分由電制冷機提供。如圖19、圖20，該典型日輻射很強，光伏發(fā)電占總電負荷14%，白天無需接入市電；冷負荷需求較多，吸收式機組無法滿足熱需求，剩余88%冷負荷由補燃鍋爐提供。

圖17 系統(tǒng)供冷期冷負荷供給

圖18 系統(tǒng)供冷期電負荷供給

圖19 供冷期各設備供電出力圖

圖20 供冷期各設備供冷出力圖

2.5.3 過渡期典型日運行結(jié)果

如圖21，在過渡期典型日中，17：00前的電負荷完全由風力發(fā)電和光伏發(fā)電提供，在此之前天然氣三聯(lián)供系統(tǒng)未啟動。18：00之后天然氣三聯(lián)供系統(tǒng)啟動，燃氣內(nèi)燃機產(chǎn)電滿足電負荷，余熱回收機組制熱量用于滿足用戶熱水負荷，過量余熱將被耗散掉。如圖22，該典型日照輻射較強，光伏發(fā)電占總電負荷15%，因此白天無需接入市電。

圖21 過渡期典型日電負荷供給模式

圖22 過渡期各設備供冷出力圖

3 項目可行性分析

3.1 經(jīng)濟性分析

3.1.1 項目投資、收入分析

投資估算應該能真實反應所有的投資項目。主要包括各子系統(tǒng)的設備費、安裝費、工程建筑費和其他。表3是包括了風光氣供能系統(tǒng)常見投資項的投資估算表，最終測算該項目的總投資額大約為1 003.45萬元。

表3 風光氣供能系統(tǒng)的投資估算表/萬元

該風光氣供能系統(tǒng)項目的營收主要來自于向居民出售冷、熱、電負荷的收入以及光伏電價補貼，如表4，全年銷售額為275.79萬元。

表4 風光氣供能項目的年銷售收入估算表

3.1.2 經(jīng)濟性評價指標

內(nèi)部收益率、凈現(xiàn)值和靜態(tài)回收期可以用來評價項目經(jīng)濟性。設定基準收益率(ic=8%)和設備使用年限(20年)，整理得項目技術經(jīng)濟表5。資金稅前內(nèi)部收益率12.45%，高于一般供熱行業(yè)基準收益率，凈現(xiàn)值353.08萬元，靜態(tài)回收期7.26年，項目可行。

表5 風光氣供能項目的技術經(jīng)濟表

3.2 敏感性分析

以項目上網(wǎng)電價、供熱熱價、天然氣價及靜態(tài)投資作為項目敏感性因素，分析以上因素變化對內(nèi)部收益率的影響，分析結(jié)果如圖23所示。

圖23 風光氣分布式能源項目敏感性因素分析圖

分析上圖可知本項目收益率對靜態(tài)投資最為敏感，天然氣價格影響較大，供熱價格次之，上網(wǎng)電價相對影響較低。

前期工程總投資對項目的經(jīng)濟性影響最大。由項目投資估算表可知，設備價格占總投資的75.74%。設備價格主要與技術水平和生產(chǎn)鏈的發(fā)展程度有關，因此國家和社會應在該領域投入足夠精力，盡早形成成熟的生產(chǎn)鏈條。

天然氣價格因素對內(nèi)部收益率影響較大，企業(yè)要盡可能選擇多個天然氣供應商和多種天然氣源，增強價格穩(wěn)定性。此外目前北京、上海、杭州等地區(qū)已經(jīng)出臺了分布式能源的相關補貼政策，為項目提供廉價天然氣，因此項目建設前期需要密切關注相關國家/地區(qū)政策，及時修正建設周期。

上網(wǎng)電價和冷熱價格影響顯著，因此在項目可行性分析時，要對用戶負荷需求進行重點分析。

3.3 相關案例分析

北科產(chǎn)業(yè)園智慧能源項目位于北京市海淀區(qū)永豐產(chǎn)業(yè)基地，該項目綜合利用風能、太陽能和天然氣資源，運用多能流能量管理系統(tǒng)(IEMS)最終滿足用戶冷、熱、電等能源需求，是典型的多能互補分布式能源項目，投產(chǎn)后財務內(nèi)部收益率達到要求，且環(huán)境效益較好。

北科園區(qū)與“風光氣”系統(tǒng)對比：

(1)能源需求：北科園區(qū)擁有總建筑面積6.3萬m2的綜合大樓和生產(chǎn)廠房，與本研究中居民樓的用能種類相同，均為冷、熱、電負荷。用能負荷規(guī)律略有差異，北科園區(qū)負荷需求中電負荷最多。

(2)技術方案：北科園區(qū)項目配備一套天然氣冷熱電三聯(lián)供機組(主要包含1臺1 000 kW級燃氣內(nèi)燃機和1臺溴化鋰機組)、100 kW/500 kWh的蓄電池儲能終端、智能光伏車棚(占地面積為36 m×14 m)和分布式低速風機(4臺600 W垂直軸風力發(fā)電機)。能量源轉(zhuǎn)化為需求負荷的基本路線相同，但北科項目中光伏發(fā)電用于發(fā)儲充一體化智能車棚，且風機裝機容量較小，導致天然氣供能占總供能的90%以上。

(3)優(yōu)化配置：北科園區(qū)利用IEMS系統(tǒng)解決追求效益最大化的最優(yōu)配置問題，與“風光氣”系統(tǒng)需要解決的問題相同，但在約束條件、多目標優(yōu)化等優(yōu)化策略上側(cè)重點不同，且優(yōu)化算法具有差異。

因此“風光氣”供能系統(tǒng)與北科產(chǎn)業(yè)園區(qū)除核心優(yōu)化配置外的整體框架類似，具有一定的可行性。

4 結(jié)論

通過構建典型的風能、太陽能和天然氣耦合的分布式供能系統(tǒng)，給出系統(tǒng)的運行調(diào)控策略，利用差分進化法對配置方案從能源、經(jīng)濟和環(huán)境三個方面進行多目標優(yōu)化。最后構建項目的技術經(jīng)濟分析模型，并進行敏感性分析，得出以下結(jié)論：

(1)耦合風能、太陽能和天然氣為分布式系統(tǒng)供能可以在提高系統(tǒng)穩(wěn)定性、保證經(jīng)濟性的同時，大幅降低環(huán)境污染程度。其中可再生能源轉(zhuǎn)化的電能約占全部電負荷的40%，相對于同體量傳統(tǒng)供能系統(tǒng)的二氧化碳減排率、二氧化硫減排率、二氧化氮減排率分別為77.53%、81.45%、48.10%。

(2)差分進化算法可用于對多能互補的分布式能源系統(tǒng)配置優(yōu)化，準確性方面與遍歷法所得結(jié)果相同，但模擬時間可大幅降低。且隨著項目復雜度的提高，差分進化算法的優(yōu)勢更為明顯。

(3)考慮人為習慣和季節(jié)環(huán)境變化，將負荷需求分時分區(qū)，搭建精細化、智能化的系統(tǒng)優(yōu)化模型，實現(xiàn)了逐時的供需平衡分析，相對于同體量傳統(tǒng)供能系統(tǒng)的一次能源節(jié)約率為35.21%，提高系統(tǒng)工作效率。

(4)“風光氣”分布式供能項目的財務內(nèi)部收益率(稅前)、財務凈現(xiàn)值和靜態(tài)回收期分別為12.45%、353.08萬元、7.26年，具有良好的經(jīng)濟性，有一定的投資吸引力。通過敏感性分析可以看出，前期工程總投資、天然氣價格、冷熱電負荷波動對經(jīng)濟效益影響較大。

綜上，該“風光氣”供能系統(tǒng)具有技術和經(jīng)濟的可行性，提高能源綜合利用效率、改善區(qū)域大氣環(huán)境、降低用戶用能成本，為區(qū)域用戶提供了能源綜合解決方案。