潘廣旭，裴麗偉，李英杰，封常福，金新凱

（1.國(guó)網(wǎng)山東省電力公司日照供電公司，山東 日照 276800；2.日照市光明電力服務(wù)有限責(zé)任公司，山東 日照 276800）

0 引言

隨著能源短缺問(wèn)題的嚴(yán)重化，世界各國(guó)對(duì)能源穩(wěn)定供應(yīng)的要求也隨之升高。當(dāng)前廣泛使用傳統(tǒng)供能系統(tǒng)存在弊端，難以滿足當(dāng)今社會(huì)的快速發(fā)展。使用直接面向用戶側(cè)、可滿足多重目標(biāo)的新型供能系統(tǒng)越來(lái)越受到人們的重視［1-4］。

冷熱電聯(lián)供（Combined Cooling Heating and Power，CCHP）系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)能量的梯級(jí)利用，同時(shí)通過(guò)冷、熱、電3 種形式為用戶輸送不同種類的能量。相比于傳統(tǒng)的集中供能方式，該系統(tǒng)所具有的分布式特點(diǎn)使其可以實(shí)現(xiàn)新能源在用戶側(cè)的直接消納，有效緩解了新能源并網(wǎng)效率低帶來(lái)的問(wèn)題；由于分布式的冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)靠近用戶端，有效減少了能量長(zhǎng)途傳輸帶來(lái)的損失。在運(yùn)行模式方面，冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)除獨(dú)立運(yùn)行外，還可并網(wǎng)運(yùn)行，通過(guò)不同的模式將用戶需求與現(xiàn)有資源整合分析，實(shí)現(xiàn)配置狀況的最優(yōu)化。目前，典型的CCHP 系統(tǒng)的組成部分通常為：發(fā)電裝置、供冷裝置、供熱裝置、余熱回收裝置。

據(jù)有關(guān)數(shù)據(jù)表明，無(wú)論國(guó)內(nèi)還是國(guó)外，對(duì)該系統(tǒng)的優(yōu)化運(yùn)行研究方面，研究人員均在一定程度上取得了一定的成果［5-6］。合理的優(yōu)化運(yùn)行策略是能夠讓系統(tǒng)高效穩(wěn)定運(yùn)行［7-8］。文獻(xiàn)［9-20］分別從不同的評(píng)價(jià)指標(biāo)、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、求解方法等角度在系統(tǒng)優(yōu)化運(yùn)行方面做了一定的研究，但局限性仍然存在，主要包括幾個(gè)方面：結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面，現(xiàn)已運(yùn)行投產(chǎn)的冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)絕大多數(shù)仍采用天然氣等不可再生能源供能，而以新能源為驅(qū)動(dòng)能源的系統(tǒng)較少，因此CCHP系統(tǒng)所具有的節(jié)能減排的優(yōu)勢(shì)尚未得到充分體現(xiàn)；運(yùn)行調(diào)度方面，傳統(tǒng)CCHP 系統(tǒng)普遍采用“以電定熱”或“以熱定電”模式運(yùn)行，無(wú)法使系統(tǒng)運(yùn)行在最佳狀態(tài)下。因此，十分需要新的優(yōu)化調(diào)度方法出現(xiàn)。

選擇系統(tǒng)能量流模型進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，同時(shí)建立系統(tǒng)性能評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，探究了CCHP 系統(tǒng)在不同負(fù)荷需求下的日前優(yōu)化調(diào)度方法，進(jìn)行優(yōu)化調(diào)度模型的求解。通過(guò)與冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)在傳統(tǒng)運(yùn)行模式下各項(xiàng)性能參數(shù)的比較，驗(yàn)證所提出的新型優(yōu)化調(diào)度模型在節(jié)能減排等方面所擁有的綜合優(yōu)勢(shì)。

1 系統(tǒng)分析

新能源CCHP 系統(tǒng)與傳統(tǒng)CCHP 系統(tǒng)相比，其不同點(diǎn)主要體現(xiàn)在能源種類應(yīng)用方面，即新能源CCHP系統(tǒng)以生物質(zhì)能和太陽(yáng)能作為驅(qū)動(dòng)能源。

動(dòng)力設(shè)備主要有內(nèi)燃機(jī)、蒸汽輪機(jī)、燃料電池等。圖1 所示為新能源冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。熱負(fù)荷可由燃?xì)忮仩t、缸套水換熱器、煙氣換熱器供給；冷負(fù)荷可由溴化鋰吸收式制冷機(jī)、電制冷機(jī)供給；電負(fù)荷可由電網(wǎng)、光伏電池組、生物質(zhì)氣內(nèi)燃發(fā)電機(jī)組供給。

圖1 新能源冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.1 系統(tǒng)能量流分析

在研究系統(tǒng)能量特性時(shí)，需要分析系統(tǒng)能量流。在下文公式推導(dǎo)中，設(shè)t時(shí)刻為內(nèi)燃發(fā)電機(jī)組某工作時(shí)刻，則其輸入功率可表示為

式中：Gpgu(t)為內(nèi)燃發(fā)電機(jī)組輸入功率，kW；Epgu(t)為機(jī)組輸出的電功率，kW；ηig(t)為t時(shí)刻內(nèi)機(jī)組的發(fā)電效率。

t時(shí)刻回收的余熱功率為

式中：Qre(t)為t時(shí)刻總回收余熱功率，kW；Qjw(t)、Qech(t)分別為t時(shí)刻缸套水、煙氣余熱回收功率，kW；fe(t)、fj(t)分別為t時(shí)刻煙氣熱系數(shù)、缸套水熱系數(shù)；ηjw、ηexh分別為缸套水換熱器、煙氣換熱器效率。

系統(tǒng)t時(shí)刻的熱功率平衡關(guān)系如式（3）所示。

式中：Qb(t)為燃?xì)忮仩t輸出熱功率，kW；Q(t)為熱負(fù)荷需求功率，kW；Qach(t)為溴化鋰吸收式制冷機(jī)的輸入熱功率，kW；Qexh(t)為損失熱功率，kW。

t時(shí)刻系統(tǒng)的冷平衡方程為

式中：C(t)為t時(shí)刻冷負(fù)荷功率，kW；Cach(t)為溴化鋰吸收式制冷機(jī)輸出冷功率，kW；Cech(t)為電制冷機(jī)輸出冷功率，kW。

系統(tǒng)的電能平衡關(guān)系如式（5）所示。

式中：Epv(t)為t時(shí)刻光伏電池組的輸出功率，kW；Egb(t)、Egs(t)為t時(shí)刻從電網(wǎng)購(gòu)電、售電功率；Eech(t)為電制冷機(jī)的電功率，kW；E(t)為t時(shí)刻用戶電負(fù)荷功率，kW；δ(t)為t時(shí)刻系統(tǒng)與電網(wǎng)交互的狀態(tài)變量。

當(dāng)系統(tǒng)從電網(wǎng)購(gòu)電時(shí)δ(t)取值為1，系統(tǒng)向電網(wǎng)售電時(shí)δ(t)取值為0。δ(t)可通過(guò)式（6）表示。

1.2 系統(tǒng)運(yùn)行模式

傳統(tǒng)的CCHP 系統(tǒng)大多運(yùn)行于“以電定熱”或“以熱定電”兩類模式。兩類模式的定義分別為：

1）以電定熱。從電負(fù)荷出發(fā)，隨時(shí)根據(jù)用戶用電量的變化改變主動(dòng)力設(shè)備的輸出功率，即需要多少電就產(chǎn)多少電。熱作為一種副產(chǎn)品，當(dāng)主動(dòng)力設(shè)備的產(chǎn)熱量無(wú)法與用戶的需求相持平時(shí)，內(nèi)燃發(fā)電機(jī)組將被開啟以進(jìn)行電能的補(bǔ)充生產(chǎn)操作。當(dāng)主動(dòng)力設(shè)備產(chǎn)生冗余電能時(shí)，可上網(wǎng)出售多余電能減輕系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)。在本文新能源冷熱電聯(lián)供設(shè)備中，應(yīng)優(yōu)先考慮光伏太陽(yáng)能電池組以及生物質(zhì)氣發(fā)電。

2）以熱定電。從熱負(fù)荷出發(fā)，隨時(shí)根據(jù)用戶熱（冷）負(fù)荷的變化改變內(nèi)燃發(fā)電機(jī)組的輸出功率，即需要多少熱就產(chǎn)多少熱。在內(nèi)燃發(fā)電機(jī)組回收余熱不足的情況下，可啟動(dòng)燃?xì)忮仩t等補(bǔ)燃設(shè)備來(lái)輔助熱量供應(yīng)。電作為副產(chǎn)品，當(dāng)供電量不足時(shí)可由公共電網(wǎng)購(gòu)電。

上述的兩大傳統(tǒng)運(yùn)行模式均具有明顯局限性，如“以電定熱”會(huì)浪費(fèi)多余熱能、“以熱定電”無(wú)法在當(dāng)前社會(huì)發(fā)展情況下合理解決冗余電量等。本文所設(shè)計(jì)新能源CCHP 系統(tǒng)運(yùn)行策略，可根據(jù)實(shí)時(shí)電價(jià)等參數(shù)，采用優(yōu)化調(diào)度模式。同時(shí)提前預(yù)測(cè)負(fù)荷量和天氣信息得到系統(tǒng)各設(shè)備最優(yōu)逐時(shí)工作計(jì)劃。

1.3 系統(tǒng)性能評(píng)價(jià)指標(biāo)

從經(jīng)濟(jì)、環(huán)境、能源三方面考慮，建立新能源CCHP系統(tǒng)的綜合性能評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。

1）經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。

年綜合成本節(jié)約率作為系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，可表示為

式中：CCCHP、CSP分別為聯(lián)供、分供系統(tǒng)的年綜合成本，元。

其中，

2）環(huán)境指標(biāo)。

CO2年減排率作為系統(tǒng)的環(huán)境指標(biāo)，可表示為

3）能源指標(biāo)。

一次能源節(jié)約率作為系統(tǒng)的能源指標(biāo)，本文所述的該類能源年消耗量均為將各種一次能源消耗折算為標(biāo)準(zhǔn)煤消耗銷量后的。CCHP系統(tǒng)的一次能源節(jié)約率可表示為

2 系統(tǒng)的日前優(yōu)化調(diào)度

除了傳統(tǒng)的“以電定熱”和“以熱定電”模式。CCHP 系統(tǒng)還可以運(yùn)行于一種優(yōu)化調(diào)度模式中。以24 h 為優(yōu)化周期，提出了一種日前優(yōu)化調(diào)度模型。新能源CCHP 系統(tǒng)中各設(shè)備的工作計(jì)劃將根據(jù)各類用戶負(fù)荷需求量、太陽(yáng)能光伏電池組工作情況預(yù)測(cè)為先決條件，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)未來(lái)24 h 出力規(guī)劃，滿足高效、低碳、經(jīng)濟(jì)供能。圖2展示了優(yōu)化方案執(zhí)行流程。

圖2 執(zhí)行流程

2.1 優(yōu)化調(diào)度目標(biāo)

為構(gòu)建系統(tǒng)綜合最優(yōu)目標(biāo)函數(shù)，選取聯(lián)供系統(tǒng)運(yùn)行成本日節(jié)約率IAOC，day、一次能源日節(jié)約率IPESR，day、CO2日減排率ICRE，day為優(yōu)化調(diào)度目標(biāo)。

式中：α1、α2、α3為加權(quán)系數(shù)，且α1+α2+α3=1，0≤α1、α2、α3≤1，根據(jù)判斷矩陣法，系數(shù)標(biāo)度為均取1時(shí)，可得到各目標(biāo)的權(quán)重系數(shù)均為0.33。

1）運(yùn)行成本日節(jié)約率。

聯(lián)供系統(tǒng)的運(yùn)行成本日節(jié)約率為

式中：CCCHP，day、CSP，day分別為聯(lián)供系統(tǒng)、分供系統(tǒng)的日運(yùn)行成本，元。

2）一次能源日節(jié)約率。

聯(lián)供系統(tǒng)的一次能源日節(jié)約率為

3）CO2日減排率。

CO2日減排率為

2.2 優(yōu)化調(diào)度變量

為保證日前優(yōu)化調(diào)度模型的可行性，選取合適的優(yōu)化調(diào)度變量極為重要。目前CCHP 系統(tǒng)的供能設(shè)備由燃?xì)忮仩t、內(nèi)燃發(fā)電機(jī)組、光伏電池組組成。其中，燃?xì)忮仩t屬于被動(dòng)供能設(shè)備，其供熱功率是根據(jù)用戶熱負(fù)荷需求及內(nèi)燃發(fā)電機(jī)組工作情況不斷變化的。同樣，為保證新能源冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)效益最大化，太陽(yáng)能光伏電池組將持續(xù)以當(dāng)前環(huán)境下所能達(dá)到的最大功率輸出，以充分利用太陽(yáng)能，也屬于被動(dòng)設(shè)備。因此，上述兩種設(shè)備不作為優(yōu)化調(diào)度變量。

選取內(nèi)燃發(fā)電機(jī)組電功率Epgu(t)、電制冷機(jī)的輸出功率Cech(t)作為優(yōu)化調(diào)度變量。此外，在優(yōu)化求解過(guò)程中，還應(yīng)滿足式（15）—式（18）的條件。

式中：θ為發(fā)電機(jī)組最低負(fù)載率；Npgu、Nech、Nb、Nach分別為生物質(zhì)氣內(nèi)燃發(fā)電機(jī)組、電制冷機(jī)、燃?xì)忮仩t、吸收式制冷機(jī)的容量。

3 系統(tǒng)的仿真驗(yàn)證

3.1 仿真參數(shù)設(shè)置

系統(tǒng)的優(yōu)化調(diào)度模型以某辦公建筑作為驗(yàn)證模型。該建筑物負(fù)荷具有明顯的季節(jié)性，可按照負(fù)荷有明顯差別的時(shí)間分布，將一年分為夏、冬、過(guò)渡季3個(gè)典型季節(jié)。該建筑物信息如表1所示。

表1 建筑物信息

以該建筑物能耗數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，選取3 個(gè)典型季節(jié)中的典型日的負(fù)荷數(shù)據(jù)作為優(yōu)化樣本，各數(shù)據(jù)如圖3—圖5所示。

圖3 夏季典型日負(fù)荷曲線

圖4 冬季典型日負(fù)荷曲線

圖5 過(guò)渡季典型日負(fù)荷曲線

為充分發(fā)揮系統(tǒng)能效，查閱資料并與實(shí)際情況相結(jié)合可得系統(tǒng)中各設(shè)備的較優(yōu)配置如表2所示［21］。

表2 新能源冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)

系統(tǒng)中各主要設(shè)備購(gòu)置價(jià)格如表3所示［22］。

表3 設(shè)備購(gòu)置價(jià)格 單位：元/kW

表4為建筑物所在地分時(shí)電價(jià)表。

表4 分時(shí)電價(jià)表 單位：元/kW

3.2 仿真結(jié)果分析

為驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的新能源CCHP 系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度模式具有有效性，將該系統(tǒng)運(yùn)行于調(diào)度模式下的優(yōu)化結(jié)果與其在傳統(tǒng)模式下的結(jié)果相比較，通過(guò)數(shù)據(jù)的形式，更加直觀地說(shuō)明該系統(tǒng)運(yùn)行于優(yōu)化調(diào)度模式的性能優(yōu)勢(shì)。

1）夏季優(yōu)化結(jié)果。

各設(shè)備日逐時(shí)最優(yōu)工作計(jì)劃如圖6—圖8所示。

圖6 夏季供電設(shè)備典型日逐時(shí)工作曲線

圖7 夏季供冷設(shè)備典型日逐時(shí)工作曲線

圖8 夏季供熱設(shè)備典型日逐時(shí)工作曲線

將夏季工況時(shí)工作于優(yōu)化調(diào)度模式與運(yùn)行于傳統(tǒng)模式相比較，得到表5。

表5 夏季工況不同運(yùn)行模式的各項(xiàng)指標(biāo) 單位：%

由數(shù)據(jù)對(duì)比可得，夏季工況時(shí)優(yōu)化運(yùn)行模式下的各指標(biāo)相比傳統(tǒng)的運(yùn)行模式要有顯著的優(yōu)勢(shì)存在。綜上所述，本文所提出的優(yōu)化調(diào)度方法在夏季工況下具有節(jié)能、減排、降費(fèi)的綜合優(yōu)越性。

2）冬季優(yōu)化結(jié)果。

各設(shè)備日逐時(shí)最優(yōu)工作計(jì)劃如圖9—圖10所示。

圖9 冬季供電設(shè)備典型日逐時(shí)工作曲線

圖10 冬季供熱設(shè)備典型日逐時(shí)工作曲線

將冬季工況時(shí)工作于優(yōu)化調(diào)度模式與工作于傳統(tǒng)模式相比較，得到表6。

表6 冬季工況不同運(yùn)行模式的各項(xiàng)指標(biāo) 單位：%

由兩種工作模式下的各項(xiàng)指標(biāo)可知，冬季工況時(shí)優(yōu)化運(yùn)行模式下的各指標(biāo)均高于傳統(tǒng)“以電定熱”模式。尤其是一次能源日節(jié)約率，比傳統(tǒng)模式下的高出12%。綜上所述，本文所提及的方法在冬季工況下同樣擁有節(jié)能、減排、降費(fèi)的綜合優(yōu)越性。

3）過(guò)渡季優(yōu)化結(jié)果。

各設(shè)備日逐時(shí)最優(yōu)工作計(jì)劃如圖11—圖13所示。

圖11 過(guò)渡季供電設(shè)備典型日工作曲線

圖12 過(guò)渡季供冷設(shè)備典型日逐時(shí)工作曲線

圖13 過(guò)渡季供熱設(shè)備典型日工作曲線

將過(guò)渡季工況時(shí)工作于優(yōu)化調(diào)度模式和工作于傳統(tǒng)模式相比較，得到表7。

表7 過(guò)渡季不同運(yùn)行模式的各項(xiàng)指標(biāo) 單位：%

由兩種運(yùn)行模式下的各項(xiàng)指標(biāo)可知，過(guò)渡季工況時(shí)優(yōu)化運(yùn)行模式下的一次能源日節(jié)約率高于傳統(tǒng)“以電定熱”模式，且高出4%左右。然而運(yùn)行成本日節(jié)約率、CO2日減排率相比傳統(tǒng)模式較低，但相差均不超過(guò)5個(gè)百分點(diǎn)。

綜合3 種典型季節(jié)的典型日于不同運(yùn)行模式下的各項(xiàng)數(shù)據(jù)分析可知，新能源冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)在全年均有較高的可再生能源利用率。相比于傳統(tǒng)模式，雖然過(guò)渡季工況的運(yùn)行成本日節(jié)約率、CO2日減排率未超過(guò)傳統(tǒng)模式，但相差不超過(guò)5%，屬于可接受范圍。其余所有指標(biāo)都表明優(yōu)化調(diào)度方法可有效降低運(yùn)行成本、減少CO2排放、節(jié)約一次能源。

4 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)含可再生能源的CCHP 系統(tǒng)，建立了系統(tǒng)能量流模型，提出了一種日前優(yōu)化調(diào)度方案，利用智能優(yōu)化算法求解得到各設(shè)備日逐時(shí)最優(yōu)工作計(jì)劃。通過(guò)仿真驗(yàn)證，本文提出的新能源CCHP系統(tǒng)日前優(yōu)化調(diào)度方案在節(jié)能、減排、降費(fèi)3個(gè)方面與傳統(tǒng)分供運(yùn)行模式相比，具有較為突出的優(yōu)點(diǎn)。本文研究結(jié)果仍存在些許不足，如在實(shí)際工程應(yīng)用中，各設(shè)備的暫態(tài)特性同樣會(huì)對(duì)系統(tǒng)影響比較大。因此，后續(xù)應(yīng)針對(duì)各設(shè)備建立全工況模型，以便后續(xù)CCHP系統(tǒng)的應(yīng)用與推廣。