基于HOMER的智慧能源系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計(jì)
——以高速公路收費(fèi)站為例

劉 偉 ， 郭甲生 ， 唐喜慶 ， 蔣 明

（1.航天智慧能源研究院，上海 201201；2.上海航天能源股份有限公司，上海 201201）

0 引言

智慧能源是一種先進(jìn)的用能系統(tǒng)，它包含分布式天然氣、風(fēng)光儲(chǔ)可再生能源和余熱余壓利用技術(shù)等多種能源利用方式，具有高效、清潔、安全的特點(diǎn)，在多種場(chǎng)景得到了廣泛應(yīng)用。文獻(xiàn)[1-5]研究了分布式能源在酒店、醫(yī)院建筑、數(shù)據(jù)中心、高鐵火車站、獨(dú)立性海島中的規(guī)劃設(shè)計(jì)和應(yīng)用。隨著智慧能源理念的不斷深入，越來(lái)越多的領(lǐng)域開始引入智慧能源系統(tǒng)。智慧能源的規(guī)劃設(shè)計(jì)已經(jīng)成為國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者關(guān)注的重點(diǎn)。文獻(xiàn)[6]采用設(shè)計(jì)流程的方法對(duì)多能互補(bǔ)綜合能源系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)和優(yōu)化。文獻(xiàn)[7-8]采用混合整數(shù)非線性規(guī)劃的方法分別對(duì)城市三聯(lián)供、微燃機(jī)與熱泵耦合系統(tǒng)進(jìn)行了規(guī)劃設(shè)計(jì)。

HOMER是由NREL（美國(guó)國(guó)家可再生能源實(shí)驗(yàn)室）研發(fā)的用于分析電力系統(tǒng)的軟件[9]。該軟件因具有強(qiáng)大的仿真、優(yōu)化功能，在國(guó)內(nèi)外得到了廣泛應(yīng)用。如文獻(xiàn)[10-14]采用HOMER軟件分別對(duì)太陽(yáng)能混合發(fā)電系統(tǒng)、并離網(wǎng)微網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)、仿真、能量管理控制策略和工程管理等方面的研究。目前，雖然有關(guān)智慧能源規(guī)劃設(shè)計(jì)的研究文獻(xiàn)很多，但是綜合考慮風(fēng)、光資源的有效獲取，進(jìn)行系統(tǒng)全年8 760 h運(yùn)行工況的仿真，開展多能互補(bǔ)能源系統(tǒng)運(yùn)行策略的集成規(guī)劃卻鮮有報(bào)道。本文首次關(guān)注智慧能源在高速收費(fèi)站（含收費(fèi)管理區(qū)）的應(yīng)用，在關(guān)注系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)的同時(shí)，對(duì)多能互補(bǔ)智慧能源系統(tǒng)的運(yùn)行策略進(jìn)行了深入研究。以山東某高速收費(fèi)站為例，基于HOMER軟件對(duì)收費(fèi)站智慧能源系統(tǒng)進(jìn)行了規(guī)劃設(shè)計(jì)和運(yùn)行策略研究。研究結(jié)果表明，該系統(tǒng)有著良好的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益，具有一定的推廣應(yīng)用價(jià)值。

1 項(xiàng)目概況

近年來(lái)，隨著我國(guó)高速公路的快速發(fā)展，配套收費(fèi)站也越來(lái)越多。收費(fèi)站雖然單體面積較小，但數(shù)量龐大且長(zhǎng)年保持全天候工作，能耗巨大[15]。智慧能源是一種多能互補(bǔ)、清潔環(huán)保的用能系統(tǒng)，主要包括光伏、風(fēng)機(jī)、儲(chǔ)能以及燃?xì)馊?lián)供，可以滿足冷、熱、電多種用能需求。將智慧能源應(yīng)用于高速公路收費(fèi)站可以保障電力供應(yīng)，減少一次能源消耗，節(jié)約用能成本。

目前，山東某收費(fèi)站用電從收費(fèi)管理處10/0.4 kV變壓器接入，變壓器容量為400 kVA。另外，收費(fèi)管理處配備1臺(tái)250 kW柴油發(fā)電機(jī)，以滿足應(yīng)急用電需求。2017年該收費(fèi)站月用電量統(tǒng)計(jì)及電費(fèi)如表1所示，其中，7月、8月數(shù)據(jù)缺失，按照9月數(shù)據(jù)估算。收費(fèi)站年用電量約58.39萬(wàn)kWh，電費(fèi)40.97萬(wàn)元（當(dāng)?shù)仉妰r(jià)如表2所示）。

表1 收費(fèi)站電量及電費(fèi)逐月統(tǒng)計(jì)

項(xiàng)目所在地年平均日照為2 728.5 h左右，年光照輻射強(qiáng)度達(dá)5 103.15 MJ/m2，年等效可用小時(shí)數(shù)在1 407 h左右，屬于太陽(yáng)能資源較為豐富地區(qū)。擬建設(shè)智慧能源項(xiàng)目，以滿足收費(fèi)站電、熱負(fù)荷需求，同時(shí)減少收費(fèi)站電費(fèi)支出，緩解地區(qū)用能緊張、環(huán)境污染嚴(yán)重的問(wèn)題。

表2 收費(fèi)站峰、平、谷電價(jià)和時(shí)間表

2 用能負(fù)荷模擬

收費(fèi)站主要用電負(fù)荷包括收費(fèi)亭冷暖負(fù)荷、頂棚燈、道路閘機(jī)、攝像機(jī)和管理區(qū)辦公用電。收費(fèi)站24 h有人值班，有生活熱水負(fù)荷需求。采用HOMER軟件進(jìn)行8 760 h負(fù)荷模擬，得到典型日模擬結(jié)果如圖1、圖2所示。

圖1 典型日電負(fù)荷模擬

圖2 典型日熱水負(fù)荷模擬

HOMER軟件優(yōu)勢(shì)明顯，可以方便地訪問(wèn)自然資源數(shù)據(jù)庫(kù)，獲取項(xiàng)目當(dāng)?shù)貧庀髷?shù)據(jù)；靈活建立包含風(fēng)、光、儲(chǔ)能、儲(chǔ)氫、發(fā)電設(shè)備模塊的微網(wǎng)；以NPC（凈現(xiàn)值）為優(yōu)化目標(biāo)，通過(guò)窮舉法，遍歷所有的可能方案，測(cè)算不同技術(shù)方案的可行性以及經(jīng)濟(jì)效益并排序。用戶也可以選擇HOMER軟件的優(yōu)化求解器設(shè)置優(yōu)化上下限，軟件自動(dòng)通過(guò)迭代給出優(yōu)化方案（HOMER設(shè)計(jì)流程見圖3）。

圖3 HOMER設(shè)計(jì)流程

3 智慧能源系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

智慧能源綜合考慮了可再生能源、儲(chǔ)能系統(tǒng)和熱電聯(lián)供系統(tǒng)的集成應(yīng)用，智慧能源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖4所示，方案設(shè)計(jì)主要有以下特點(diǎn)：

（1）盡可能多采用可再生能源，增加用能系統(tǒng)可再生能源比例。

（2）采用內(nèi)燃機(jī)聯(lián)供技術(shù)，通過(guò)實(shí)現(xiàn)能量的梯級(jí)利用，提高系統(tǒng)的能源利用效率。

（3）采用儲(chǔ)能電池，存儲(chǔ)多余的電量，避免能源浪費(fèi)。

圖4 智慧能源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

智慧能源系統(tǒng)方案優(yōu)化范圍如表3所示，方案優(yōu)化結(jié)果如表4所示。光伏容量70 kW，燃?xì)馊?lián)供1 kW，儲(chǔ)能10 kWh。沒(méi)有安裝風(fēng)機(jī)的主要原因是：當(dāng)?shù)仫L(fēng)速大部分時(shí)間低于5 m/s，低于風(fēng)機(jī)的最低出力風(fēng)速；另外，夜間谷段電價(jià)低，安裝風(fēng)機(jī)沒(méi)有經(jīng)濟(jì)效益。

4 智慧能源系統(tǒng)運(yùn)行分析

智慧能源系統(tǒng)典型日運(yùn)行策略如圖5所示。在夜間谷段電價(jià)時(shí)間，CHP系統(tǒng)停運(yùn)，電、熱負(fù)荷需求通過(guò)市電和燃?xì)鉄崴鱽?lái)滿足；在白天，系統(tǒng)優(yōu)先使用光伏發(fā)電，如果光伏不能滿足負(fù)荷需求，不足部分通過(guò)電池、CHP、市電來(lái)滿足。

表3 智慧能源設(shè)備優(yōu)化范圍

表4 收費(fèi)站智慧能源系統(tǒng)方案主要指標(biāo)

圖5 智慧能源運(yùn)行策略

圖6 智慧能源電力供應(yīng)平衡

圖7 智慧能源熱水供應(yīng)平衡

典型日電、熱供應(yīng)如圖6、圖7所示。由圖6可知，在11:00光伏發(fā)電大于負(fù)荷需求，此時(shí)儲(chǔ)能電池進(jìn)行充電，在12:00進(jìn)行釋放；在13:00進(jìn)行充電，而在14:00電池因充滿而出現(xiàn)棄電現(xiàn)象；在16:00進(jìn)行釋放。由圖7可知，由于收費(fèi)站熱負(fù)荷需求小，而HOMER設(shè)備庫(kù)中只有CHP模塊+燃?xì)鉄崴餮a(bǔ)充作為供熱設(shè)備，氣價(jià)為2.6元/m3，燃?xì)獍l(fā)電燃料成本約為0.65元/kWh，低于市電平段電價(jià)0.749元/kWh。因此內(nèi)燃機(jī)在白天即使余熱浪費(fèi)，仍是滿負(fù)荷運(yùn)行，如9:00、10:00、17:00-23:00。

5 結(jié)論

本文基于HOMER軟件，綜合考慮了全年風(fēng)、光資源以及負(fù)荷模擬、運(yùn)行策略等因素，對(duì)某高速收費(fèi)站進(jìn)行了多能互補(bǔ)智慧能源系統(tǒng)集成規(guī)劃和運(yùn)行策略研究，研究結(jié)果表明：

（1）為收費(fèi)站建設(shè) 1套“1 kW 內(nèi)燃機(jī)CHP+10 kWh鋰電池+70 kW光伏”的智慧能源系統(tǒng)，每年光伏發(fā)電量107 890 kWh，經(jīng)濟(jì)效益7.2萬(wàn)元，節(jié)約標(biāo)煤33.4 t，經(jīng)濟(jì)效益良好。

（2）典型日的運(yùn)行策略充分考慮了儲(chǔ)能電池對(duì)可再生能源的優(yōu)先消納，通過(guò)CHP運(yùn)行實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益。項(xiàng)目當(dāng)?shù)厝細(xì)鈨r(jià)格相對(duì)較低，燃?xì)獍l(fā)電燃料成本約為0.65元/kWh，低于平段電價(jià)0.749元/kWh。從經(jīng)濟(jì)效益角度出發(fā)，內(nèi)燃機(jī)在白天會(huì)存在余熱直接排空的現(xiàn)象。

（3）HOMER在可再生能源規(guī)劃設(shè)計(jì)方面優(yōu)勢(shì)明顯，可以方便地訪問(wèn)自然資源數(shù)據(jù)庫(kù)，獲取項(xiàng)目當(dāng)?shù)貧庀髷?shù)據(jù)，靈活建立包含風(fēng)、光、儲(chǔ)能、CHP發(fā)電設(shè)備模塊的智慧能源系統(tǒng)。但是軟件也存在一些缺點(diǎn)，如沒(méi)有考慮熱力系統(tǒng)的熱慣性，缺少儲(chǔ)熱、蓄冷設(shè)備模塊。因此，如何綜合考慮這些問(wèn)題并對(duì)智慧能源系統(tǒng)進(jìn)行更加精準(zhǔn)的規(guī)劃設(shè)計(jì)，是一個(gè)值得深入研究的問(wèn)題。