含光伏的冷熱電聯(lián)供微網(wǎng)系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度方案

段紹輝，汪偉，劉中勝，劉瑋，楊毅，楊寧

（1.深圳供電局有限公司，深圳 518000；2.天津天大求實(shí)電力新技術(shù)股份有限公司，天津 300384）

含光伏的冷熱電聯(lián)供微網(wǎng)系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度方案

段紹輝1，汪偉1，劉中勝2，劉瑋2，楊毅2，楊寧2

（1.深圳供電局有限公司，深圳 518000；2.天津天大求實(shí)電力新技術(shù)股份有限公司，天津 300384）

可實(shí)現(xiàn)能源梯級(jí)利用的冷熱電蓄能聯(lián)供系統(tǒng)具有效率高、經(jīng)濟(jì)效益好、環(huán)境友好等優(yōu)點(diǎn)，是能源利用的重要發(fā)展方向之一。文中分析了一種包含光伏發(fā)電的冷熱電蓄能聯(lián)供系統(tǒng)的優(yōu)化調(diào)度方法，以系統(tǒng)的購電成本、燃料成本、分布式能源等年值成本及年運(yùn)行維護(hù)成本作為優(yōu)化調(diào)度目標(biāo)，結(jié)合一天當(dāng)中的分時(shí)電價(jià)，同時(shí)考慮了設(shè)備運(yùn)行約束、冷熱電功率平衡約束等約束條件。采用線性整數(shù)規(guī)劃方法，以深圳某辦公大樓為背景進(jìn)行聯(lián)供系統(tǒng)的優(yōu)化調(diào)度。結(jié)果表明，加入光伏發(fā)電的冷熱電蓄能聯(lián)供微網(wǎng)系統(tǒng)能夠?qū)ふ业降统杀?、低碳排放的運(yùn)行方案，在經(jīng)濟(jì)調(diào)度、節(jié)能減排以及提高能源利用率等方面都具有重要意義。

冷熱電蓄能聯(lián)供系統(tǒng)；可再生能源；優(yōu)化調(diào)度；平衡約束；經(jīng)濟(jì)性；節(jié)能減排

隨著傳統(tǒng)煤炭、石油等一次能源的日益消耗，各種使用清潔或可再生能源的分布式發(fā)電供能技術(shù)在電力系統(tǒng)中將得到日益廣泛的應(yīng)用[1]。微型冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)CCHP（combined cooling heating and power）是一種建立在能源階梯利用的概念基礎(chǔ)上，將制冷、制熱及發(fā)電過程一體化的多聯(lián)供總能系統(tǒng)[2]，同時(shí)提供冷、熱、電三種能量。與傳統(tǒng)的供能系統(tǒng)相比，冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)不僅回收了一部分利用過的能量，而且整個(gè)能量轉(zhuǎn)換過程無煙塵排放，對空氣環(huán)境的污染很小。

三聯(lián)供系統(tǒng)多使用天然氣作為驅(qū)動(dòng)，然而雖然天然氣處于清潔能源的應(yīng)用范疇，但畢竟是礦產(chǎn)資源，屬于不可再生能源的領(lǐng)域。而可再生能源具有隨機(jī)性和間歇性等特點(diǎn)，限制了它的發(fā)展空間。如果將冷熱電蓄能聯(lián)供系統(tǒng)與可再生能源相結(jié)合，以微網(wǎng)形式接入大電網(wǎng)，不僅具有傳統(tǒng)三聯(lián)供系統(tǒng)的優(yōu)勢，而且比原系統(tǒng)更加節(jié)能。可以有效對內(nèi)部負(fù)荷波動(dòng)進(jìn)行調(diào)節(jié)，減少電網(wǎng)高峰時(shí)段的用電負(fù)荷，緩解電力系統(tǒng)峰谷負(fù)荷之間日益增加的矛盾，解決了電力設(shè)備有效利用時(shí)間持續(xù)下降的問題，提高了我國用電安全性和電網(wǎng)穩(wěn)定性，使發(fā)電效率和經(jīng)濟(jì)效益均得到有力保障[3]。

深圳大部分地區(qū)屬于太陽能資源豐富地區(qū)。平原地區(qū)太陽輻射年總量為（4 759～5 116）MJ/m2，而深圳市風(fēng)能的空間分布不均勻，除了一些海岸和山區(qū)風(fēng)能相對豐富外，其他地區(qū)風(fēng)能相對貧乏[4]。針對深圳市的環(huán)境條件，本文設(shè)計(jì)一種將光伏發(fā)電接入冷熱電蓄能聯(lián)供系統(tǒng)，從用戶側(cè)角度出發(fā)，提出了微網(wǎng)綜合成本及費(fèi)用定量分析、評(píng)估方法，基于微網(wǎng)各方面的成本分析以最大化經(jīng)濟(jì)效益建立系統(tǒng)的優(yōu)化調(diào)度模型，結(jié)合混合整數(shù)線性規(guī)劃方法進(jìn)行優(yōu)化調(diào)度，結(jié)果表明含光伏發(fā)電的冷熱電蓄能聯(lián)供系統(tǒng)能夠在項(xiàng)目投資成本及節(jié)能減排方面都具有很大優(yōu)勢，具有長遠(yuǎn)而重大意義。

1 系統(tǒng)方案描述

傳統(tǒng)的三聯(lián)供系統(tǒng)一般由動(dòng)力系統(tǒng)、發(fā)電機(jī)和余熱回收構(gòu)成。對于一個(gè)由光伏發(fā)電系統(tǒng)、儲(chǔ)能系統(tǒng)構(gòu)成，需要滿足用戶冷、熱、電負(fù)荷需求的復(fù)雜微網(wǎng)而言，其能量流動(dòng)關(guān)系也比較復(fù)雜。調(diào)度方案和傳統(tǒng)的三聯(lián)供系統(tǒng)相比會(huì)有所差異。

設(shè)計(jì)該聯(lián)供系統(tǒng)，通過配電變壓器連接到電網(wǎng)，聯(lián)供系統(tǒng)內(nèi)分布式電源由光伏PV（photovoltaic）、微型燃?xì)廨啓C(jī)MT（micro-turbines）構(gòu)成，相應(yīng)的配置有熱交換器HX（heat-exchanger）、吸收式制冷機(jī)AC（absorption chiller）、電儲(chǔ)能系統(tǒng)ES （battery energy storage system）、熱儲(chǔ)能系統(tǒng)TS （thermal rnergy storage system）和燃?xì)忮仩tGB （gas-fired boiler）組成。聯(lián)供系統(tǒng)內(nèi)有冷負(fù)荷LC0（包含電制冷負(fù)荷LC及由吸收式制冷機(jī)制冷的冷負(fù)荷LCt）、熱負(fù)荷LT（包括供暖及熱水供應(yīng)所需的熱負(fù)荷LT0及吸收式制冷機(jī)制冷所需吸收的熱功率QT，AC）、電負(fù)荷LE（包括重要純電負(fù)荷LEop、一般純電負(fù)荷LEot和電制冷負(fù)荷LC）。聯(lián)供系統(tǒng)中的微型燃?xì)廨啓C(jī)、熱交換器和吸收式制冷機(jī)構(gòu)成了CCHP系統(tǒng)。針對上述含可再生能源的冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)，其能量流動(dòng)關(guān)系如圖1所示，為簡便模型，能量流動(dòng)不考慮聯(lián)供系統(tǒng)的損耗。

圖1 含光伏發(fā)電的冷熱電蓄能聯(lián)供微網(wǎng)能量流動(dòng)關(guān)系示意圖Fig.1The energy relationship diagram of CCHP with photovoltaic power generation

圖中，實(shí)線、虛線、虛點(diǎn)線和箭頭分別代表電負(fù)荷、熱負(fù)荷、冷負(fù)荷和能量流動(dòng)方向；經(jīng)過熱交換器回收的微燃機(jī)余熱、燃?xì)忮仩t及熱儲(chǔ)能系統(tǒng)輸出的熱功率QMTηHX、QGB及QTS0共同滿足聯(lián)供系統(tǒng)內(nèi)所有熱功率LT及部分冷負(fù)荷LCt；聯(lián)供系統(tǒng)內(nèi)光伏、微燃機(jī)和儲(chǔ)能系統(tǒng)的輸出功率為PPV、PMT和PES0，分布式電源優(yōu)先供電負(fù)荷需求，多余的電功率從大電網(wǎng)購電Pgridt共同滿足電負(fù)荷的需求（包括電負(fù)荷功率LE、電制冷負(fù)荷LC及網(wǎng)絡(luò)損耗功率Ploss）。

2 系統(tǒng)成本分析

針對含可再生能源的冷熱電蓄能聯(lián)供微網(wǎng)系統(tǒng)，整個(gè)微網(wǎng)的費(fèi)用構(gòu)成如圖2所示。從用戶側(cè)角度考慮，將該系統(tǒng)的電源投資、運(yùn)行、購電、供熱、環(huán)境治理等多項(xiàng)費(fèi)用最小作為優(yōu)化的目標(biāo)函數(shù)，各項(xiàng)費(fèi)用成本構(gòu)成分析如下。

圖2 微網(wǎng)費(fèi)用及收益Fig.2The cost and income of microgrid

（1）用戶購電費(fèi)用

用戶購電費(fèi)用構(gòu)成同所在區(qū)域的電價(jià)機(jī)制密切相關(guān)，一般可歸納為基本容量、功率、電度（電量）這三大類費(fèi)用：

式中，Cte、Cfc、Cdc、Cec分別為系統(tǒng)年總購電費(fèi)用（考慮分時(shí)電價(jià)）、基本容量費(fèi)用、功率費(fèi)用和電度費(fèi)用，單位均為萬元/a。

（2）分布式電源費(fèi)用

分布式電源總費(fèi)用可折算為等年值，包括初始投資等年值費(fèi)用、年運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用以及年發(fā)電所需燃料費(fèi)用，可表示為[5-6]

式中：CDER為分布式電源總費(fèi)用等年值（萬元/a）；CIGA、COMG、CFE分別代表分布式電源初始投資等年值費(fèi)用、年運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用以及年發(fā)電消耗燃料費(fèi)用，單位均為萬元/a。

（3）供熱費(fèi)用

微網(wǎng)實(shí)際運(yùn)行時(shí)熱負(fù)荷所需功率可由燃?xì)鉄犭娐?lián)產(chǎn)CHP（combined heating and power）系統(tǒng)余熱、鍋爐或熱儲(chǔ)能提供。由于僅鍋爐供熱需要直接消耗燃料，供熱燃料費(fèi)用即為鍋爐年燃料消耗費(fèi)用，鍋爐年供熱燃料費(fèi)用及年供熱點(diǎn)可表示為[7]

式中：CFT為鍋爐年供熱燃料費(fèi)用（萬元/a）；cNG為燃料單位熱值價(jià)格（元/kWh）；Ea，GB代表燃?xì)忮仩t年供熱量（kWh/a）；HGB，h為鍋爐在第h時(shí)段輸出的熱功率（kW）；ηGB為鍋爐效率。

（4）環(huán)境費(fèi)用

電網(wǎng)及不同形式分布式電源供能會(huì)產(chǎn)生CO2、SO2、NOx等溫室、有害氣體。根據(jù)不同供能形式的污染物排放系數(shù)及單位污染物排放的治理費(fèi)用，可有環(huán)境治理費(fèi)用[5]：

式中：CEPA為聯(lián)供系統(tǒng)年環(huán)境治理費(fèi)用（萬元/a）；x代表污染物種類，如CO2、SO2、NOx等；βx為污染物x的單位治理費(fèi)用（元/kg）；Vx為污染物x年排放量（kg/a）；αi，x、αGB，x、αgrid，x分別為分布式電源i、燃?xì)忮仩t和外部電網(wǎng)污染物x的排放系數(shù)；Ea，i、Ea，GB、Ea，grid分別代表分布式電源i年發(fā)電量、燃?xì)忮仩t年供熱量和聯(lián)供系統(tǒng)從電網(wǎng)的年等效購電量（大小等于微網(wǎng)每年從電網(wǎng)的購電量減去向電網(wǎng)的售電量）。

3 優(yōu)化模型

3.1 優(yōu)化目標(biāo)

含可再生能源的冷電蓄能聯(lián)供微網(wǎng)系統(tǒng)，采用經(jīng)濟(jì)最優(yōu)的單目標(biāo)對其實(shí)現(xiàn)優(yōu)化調(diào)度，調(diào)度以微網(wǎng)系統(tǒng)的年購電成本、燃料成本、分布式能源費(fèi)用等年值成本及年運(yùn)行維護(hù)成本之和最低為優(yōu)化目標(biāo)，其中購電成本和燃料成本中還考慮了碳排放稅成本[5]。目標(biāo)函數(shù)描述如下：

式中，CCTax為微網(wǎng)每年所需繳納的碳排放稅，其數(shù)學(xué)表達(dá)式如下[5]：

式中：cCTax代表單位CO2排放所需繳納稅費(fèi)（元/ kg）；VCO2代表微網(wǎng)年CO2排放量（kg）；αi，CO2αGB，CO2αgrid，CO2分別為分布式電源i、燃?xì)忮仩t和外部電網(wǎng)碳排放系數(shù)（g/kWh）。

3.2 約束條件

①冷熱負(fù)荷平衡約束

電負(fù)荷平衡約束可描述為[5-6]：

冷負(fù)荷平衡約束可描述為[5-6]

式中：Lcooling為冷負(fù)荷需求；QMT表示微燃機(jī)產(chǎn)生的余熱量；Qboiler為補(bǔ)燃鍋爐所產(chǎn)生的熱量；COPabs表示吸收式制冷機(jī)的COP值；Pechiller表示電空調(diào)的COP值。

②電網(wǎng)運(yùn)行約束

默認(rèn)電網(wǎng)為容量無限大、可靠性為100%的理想元件。除可規(guī)定微網(wǎng)不能向電網(wǎng)倒送功率外[5]，節(jié)點(diǎn)電壓、線路傳輸功率上限等約束按慣例設(shè)置。

③分布式能源的運(yùn)行約束

④電儲(chǔ)能約束

電儲(chǔ)能系統(tǒng)除能量的約束外，電儲(chǔ)能運(yùn)行時(shí)實(shí)際充放電功率也有限制，同時(shí)，由于蓄電池內(nèi)在特性的特殊性，蓄電池不能同時(shí)充放電。約束條件為

3.3 優(yōu)化變量

本文以24 h內(nèi)系統(tǒng)各設(shè)備和電網(wǎng)的出力為優(yōu)化變量。從經(jīng)濟(jì)性角度考慮，有光照強(qiáng)度的情況下光伏系統(tǒng)滿出力，即一天24 h內(nèi)光伏系統(tǒng)的出力為max Ppv[1…24]。優(yōu)化變量為

其中各變量的物理意義如表1所示。

表1 各設(shè)備在一天不同時(shí)段的出力Tab.1The devices output power at different times of the day

4 算例分析

本文以深圳某辦公大樓的數(shù)據(jù)為依據(jù)，采用混合整數(shù)線性規(guī)劃方法對優(yōu)化模型進(jìn)行仿真分析。本文設(shè)定數(shù)據(jù)采樣周期為1 h，采樣時(shí)間為1天。

以辦公大樓8月份典型日的負(fù)荷情況進(jìn)行研究，其電、冷負(fù)荷的情況如圖3所示。

圖3 冷、電負(fù)荷情況Fig.3Cooling load and electric load

當(dāng)?shù)?月份典型日的太陽輻射強(qiáng)度如圖4所示。

深圳電網(wǎng)與微網(wǎng)聯(lián)絡(luò)線功率上限取1 000 kW。微網(wǎng)與主網(wǎng)之間能量交換原則：微網(wǎng)只能從主網(wǎng)購電，不考慮向主網(wǎng)售電，多余電量以棄能量形式消耗。水貝基地項(xiàng)目屬于商業(yè)大量用電，且變壓器容量在250 kWh以上，故采用深圳商業(yè)用電250 kWh以上的峰谷電價(jià)進(jìn)行優(yōu)化仿真測算。深圳市具體電價(jià)信息如表2所示。各設(shè)備的容量如表3所示。

表2 深圳地區(qū)分時(shí)電價(jià)Tab.2Time-of-use electricity price at Shenzhen

表3 各設(shè)備參數(shù)表Tab.3The parameters of equipments

考慮儲(chǔ)能充電情況及各設(shè)備的啟停等必須為整數(shù)，本文采用混合整數(shù)線性規(guī)劃方法。對含可再生能源的冷熱電蓄能聯(lián)供系統(tǒng)和不含可再生能源的冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)進(jìn)行經(jīng)濟(jì)優(yōu)化調(diào)度。

混合整數(shù)線性規(guī)劃算法分三個(gè)階段：第一階段是縮小變量的取值范圍；第二階段是去除冗余不等式和判斷是否有解；第三階段是確定一些變量的取值，減少約束變量的數(shù)目。結(jié)合優(yōu)化模型及約束條件，對系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化調(diào)度。

對比兩種情況下的成本費(fèi)用、發(fā)電情況和二氧化排放量等，結(jié)果分析如表4所示。

表4 年等值費(fèi)用優(yōu)化結(jié)果對比Tab.4The optimization results of equivalent annual cost

從表4可以看出，含可再生能源的冷熱電蓄能聯(lián)供微網(wǎng)系統(tǒng)無論從總成本、年發(fā)電量上，還是二氧化碳的排放量上都占有很大優(yōu)勢。數(shù)據(jù)展示充分說明將可再生能源加入到冷熱電蓄能聯(lián)供系統(tǒng)，不僅可以提高系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性和整體效率，還能達(dá)到節(jié)能減排的目標(biāo)。

本文采用混合整數(shù)線性規(guī)劃方法對含分布式能源的冷電蓄能聯(lián)供微網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)度，這里以8月的典型日為例，各設(shè)備的優(yōu)化調(diào)度結(jié)果如圖5～圖7所示（實(shí)線為耗能設(shè)備，面積為出力設(shè)備）。

圖5 電負(fù)荷優(yōu)化調(diào)度結(jié)果Fig.5The optimization scheduling results of electric load

圖6 熱負(fù)荷優(yōu)化調(diào)度結(jié)果Fig.6The optimization scheduling results of heat load

圖7 冷負(fù)荷優(yōu)化調(diào)度結(jié)果Fig.7The optimization scheduling results of cooling load

典型日為滿足電負(fù)荷的需求，各設(shè)備的出力情況如表5所示。

表5 電負(fù)荷優(yōu)化調(diào)度表Tab.5The optimal scheduling list of electric load （kW）

三聯(lián)供系統(tǒng)從7時(shí)—21時(shí)持續(xù)出力；光伏系統(tǒng)從早晨6時(shí)左右光伏開始出力，并持續(xù)到下午19時(shí)左右，出力較大的時(shí)間集中在上午10時(shí)至下午14時(shí)；儲(chǔ)能系統(tǒng)在上午9時(shí)放電功率為30.36 kW，中午12時(shí)放電功率為2.82 kW；光儲(chǔ)系統(tǒng)在7—8時(shí)、10—11時(shí)、13—14時(shí)、16—19時(shí)、21時(shí)都為充電狀態(tài)；制冷機(jī)從7—24時(shí)代替電空調(diào)制冷抵消電負(fù)荷；當(dāng)各設(shè)備出力不能滿足電負(fù)荷需求，則從大電網(wǎng)購電。三聯(lián)供持續(xù)供熱，當(dāng)不能滿足熱負(fù)荷需求時(shí)則采用補(bǔ)燃鍋爐供熱。

為滿足冷負(fù)荷的需求，典型日各設(shè)備的出力情況如表6所示。吸收式制冷機(jī)持續(xù)制冷，當(dāng)吸收式制冷機(jī)不能完全滿足冷負(fù)荷需求時(shí)采用電制冷。

表6 冷負(fù)荷優(yōu)化調(diào)度表Tab.6The optimal scheduling list of cooling load （kW）

5 結(jié)論

本文針對深圳市自然資源條件提出了一種含光伏發(fā)電的冷熱電蓄能聯(lián)供系統(tǒng)，并對該系統(tǒng)的各個(gè)成本進(jìn)行分析。從系統(tǒng)的年購電成本、燃料成本、分布式能源費(fèi)用等年值成本及年運(yùn)行維護(hù)成本之和建立優(yōu)化調(diào)度模型，以深圳某辦公大樓為研究對象，在不同的電價(jià)機(jī)制下，對加入光伏發(fā)電的冷熱電蓄能聯(lián)供微網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化調(diào)度。結(jié)果證明該系統(tǒng)能夠?qū)ふ业降统杀?、低碳排放的運(yùn)行方案。

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Research on Optimal Scheduling of Combined Cooling Heating and Power with Photovoltaic Power Generation

DUAN Shao-hui1，WANG Wei1，LIU Zhong-sheng2，LIU Wei2，YANG Yi2，YANG Ning2
（1.Shenzhen Power Supply Bureau Co.，Ltd.，Shenzhen 518000，China；2.Tianjin Tianda Qiushi Electric Power High Technology Co.，Ltd.，Tianjin 300384，China）

Combined cooling heating and power（CCHP）has the advantages of high efficiency for energy cascade utilization，the better economic benefit，environment friendly.It is one of the important developments of energy utilization.This paper analyzes the optimization scheduling method of CCHP with photovoltaic power generation.The target function of the system includes the electricity purchasing cost，fuel cost，distributed energy cost，annual cost and maintenance cost.With the combination of time-of-use electricity price during the day，the constraints of equipment running，balance of cold，hot and electric power and so on are considered.By applying the mixed integer linear programming method，the optimal schedule is carried out based on an office building at Shenzhen.The results show that the system of CCHP with photovoltaic power generation can find the lowest cost and the operation plan of the lowest carbon emissions.It is important to the economic dispatching，energy conservation and emissions reduction and energy efficiency.

combined cooling heating and power（CCHP）；renewable energy；optimization scheduling；equilibrium constraints；economy；energy conservation and emission reduction

TM921.5

A

1003-8930（2013）04-0150-06

段紹輝（1961—），男，碩士，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)橹悄茈娋W(wǎng)新技術(shù)。Email：13502821051@139.com

2013-02-21；

2013-04-09

汪偉（1985—），男，碩士，工程師，研究方向?yàn)橹悄茈娋W(wǎng)新技術(shù)。Email：romanstart@gmail.com

劉中勝（1977—），男，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)樾履茉窗l(fā)電技術(shù)。Email：lzstdqs@163.com