冷熱電聯(lián)供型微電網(wǎng)容量規(guī)劃優(yōu)化研究

崔恒志，黃奇峰，楊世海，戰(zhàn)麗萍，周 贛

(1.江蘇省電力公司電力科學(xué)研究院，江蘇南京211103；2.東南大學(xué) 江蘇 南京210096)

冷熱電聯(lián)供型微電網(wǎng)是指可以同時(shí)供應(yīng)電負(fù)荷、熱負(fù)荷、冷負(fù)荷的分布式能源利用形式，由于其具有能源利用效率高、能源利用形式多樣、能就地解決綜合能源需求等特點(diǎn)，可以很好地滿足綜合能源用戶的需求，其研究利用也越來越受到重視[1-3]。在經(jīng)歷了1973～1974年和1979～1980年2次能源危機(jī)后，熱電聯(lián)供開始受到西方國家的重視，美國和歐洲已有許多在運(yùn)行的項(xiàng)目。日本從1981年開始支持天然氣冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)的發(fā)展，并制定了一系列的保護(hù)政策和法規(guī)。截止2003年，日本民用燃?xì)鉄犭姡ɡ洌╉?xiàng)目總裝機(jī)容量達(dá)到1 429 kW，項(xiàng)目達(dá)到2 915個(gè)。中國自上世紀(jì)90年代初期也開始重視冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)，并開始了相關(guān)的探索和研究，上海浦東機(jī)場和天津西站也分別采用了冷熱電聯(lián)供型的供能形式[4-7]。然而，目前在運(yùn)行或在建的冷熱電聯(lián)供項(xiàng)目往往由于設(shè)備配置比例不合理，使得設(shè)備利用率低，或無法達(dá)到原理上高達(dá)80%的能源利用效率。在聯(lián)供系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，比較經(jīng)典的“以熱定電”或“以電定熱”原則并不能給出較優(yōu)的系統(tǒng)配置策略。已投入商業(yè)應(yīng)用的設(shè)計(jì)軟件如DeST[1]和HOMER也只能簡單的依據(jù)峰值負(fù)荷信息和簡單的比例原則給出系統(tǒng)的設(shè)備配置方案和設(shè)計(jì)。

冷熱電聯(lián)供型微電網(wǎng)供能形式多樣，設(shè)備組合策略較多，如何提出一種通用性較強(qiáng)的聯(lián)供型微電網(wǎng)的優(yōu)化規(guī)劃方法很重要。文中分析了不同冷熱電聯(lián)供型微電網(wǎng)的特性，然后研究了聯(lián)供型微電網(wǎng)通用規(guī)劃模型，最后在CPLEX中編程實(shí)現(xiàn)該規(guī)劃模型并用算例進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)果顯示該規(guī)劃模型通用性較強(qiáng)，且規(guī)劃結(jié)果也較優(yōu)。

1 典型聯(lián)供型微電網(wǎng)

冷熱電聯(lián)供型微電網(wǎng)中原動(dòng)機(jī)可采用（微型）燃?xì)廨啓C(jī)、內(nèi)燃機(jī)、燃料電池、斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)等，余熱吸收利用中可采用換熱器、余熱鍋爐、余熱吸收式制冷機(jī)等，在熱負(fù)荷或冷負(fù)荷較大時(shí)還可以采用加入燃?xì)忮仩t的形式加以補(bǔ)燃。另外還可以根據(jù)系統(tǒng)的儲能需求加入一定容量的蓄熱或蓄冷裝置。

由于燃料電池和斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)并沒有商業(yè)應(yīng)用，下面介紹典型的聯(lián)供型微電網(wǎng)是只考慮原動(dòng)機(jī)為微型燃?xì)廨啓C(jī)和內(nèi)燃機(jī)的情況。

類型一。以內(nèi)燃機(jī)或燃?xì)廨啓C(jī)為原動(dòng)機(jī)，采用換熱器、余熱鍋爐進(jìn)行余熱回收利用以供應(yīng)熱負(fù)荷，冷負(fù)荷供應(yīng)分產(chǎn)系統(tǒng)采用吸收式制冷機(jī)和電制冷機(jī)組，并網(wǎng)不上網(wǎng)，如圖1[1]所示。

類型二。與類型一的主要區(qū)別在于類型二聯(lián)供型微電網(wǎng)包含蓄能罐/箱，在夏季可以蓄冷，冬季可以蓄熱，如圖2[1]所示。

類型三。與類型一的差別在于，類型三聯(lián)供型微電網(wǎng)中的吸收式制冷設(shè)備可由燃?xì)忮仩t供熱或采用部分直燃式的制冷機(jī)組。

2 容量規(guī)劃優(yōu)化建模

在聯(lián)供型微電網(wǎng)的規(guī)劃定容中，需要確定各分產(chǎn)系統(tǒng)中主要設(shè)備的最佳容量及分產(chǎn)系統(tǒng)間的最佳設(shè)備組合。因而文中規(guī)劃模型的變量選定為T，B，A，E，S，分別為微型燃?xì)廨啓C(jī)/內(nèi)燃機(jī)、燃?xì)忮仩t、吸收式制冷機(jī)、電制冷機(jī)、蓄能罐的容量。由決策變量數(shù)組Z確定系統(tǒng)的組成，Z[i]的值可取0或1。

2.1 目標(biāo)函數(shù)

電力規(guī)劃中，考慮資金的時(shí)間價(jià)值是進(jìn)行方案比較的基礎(chǔ)。電力規(guī)劃模型的目標(biāo)函數(shù)是與項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)評價(jià)準(zhǔn)則相關(guān)聯(lián)的，常用的電力規(guī)劃目標(biāo)函數(shù)有凈現(xiàn)值最大、內(nèi)部收益率大于基準(zhǔn)收益率、總費(fèi)用最小及年費(fèi)用最小4種。然而由于項(xiàng)目未來收益的難預(yù)測性及規(guī)劃模型的計(jì)算復(fù)雜度較高，前兩種規(guī)劃模型的目標(biāo)函數(shù)應(yīng)用并不多[8]。微電網(wǎng)的規(guī)劃亦如此。

文中聯(lián)供型微電網(wǎng)規(guī)劃模型的目標(biāo)函數(shù)選定為初期投資和年運(yùn)行成本分別乘以權(quán)重系數(shù)后相加最小，記為式（1）。

2.2 約束條件

微電網(wǎng)內(nèi)負(fù)荷平衡約束，包括電負(fù)荷、熱負(fù)荷、冷負(fù)荷的平衡，方程為：

式中：ELi，HLi，CLi分別為逐時(shí)電負(fù)荷、熱負(fù)荷、冷負(fù)荷需求；Gi為微電網(wǎng)與電網(wǎng)的功率交換量。

安全約束包括系統(tǒng)中設(shè)備出力約束、設(shè)備運(yùn)行爬坡和下坡約束、微電網(wǎng)聯(lián)絡(luò)線上潮流約束等。

式中：Lin，Lout分別為微電網(wǎng)與大電網(wǎng)聯(lián)絡(luò)線上吸收或輸出功率，對于并網(wǎng)不上網(wǎng)的微電網(wǎng)形式，Lout為0。

3 算例分析

算例取自文獻(xiàn)[1]，北京某新建四星級酒店，建筑面積為7.3萬m2，其中客房面積4.2萬m2，餐廳宴會面積1.5萬m2，車庫及其他等為1.6萬m2，其等效熱負(fù)荷-電負(fù)荷（Q-E）散點(diǎn)如圖3所示。

圖3 酒店負(fù)荷Q-E散點(diǎn)

在CPLEX環(huán)境下編程實(shí)現(xiàn)文中提出的規(guī)劃模型。規(guī)劃模型中的目標(biāo)函數(shù)中初期投資和年運(yùn)行成本的權(quán)重定為1:1。

分析該酒店的負(fù)荷數(shù)據(jù)及能源價(jià)格（見表1），并在此基礎(chǔ)上制定數(shù)據(jù)輸入文檔。該酒店的最大電負(fù)荷為2 000 kW，最大熱負(fù)荷為2 700 kW，最大生活熱水負(fù)荷為1 200 kW，最大冷負(fù)荷為4 900 kW。

在該微電網(wǎng)容量規(guī)劃模型中，燃?xì)廨啓C(jī)采用經(jīng)典變工況運(yùn)行模型[9-11]。

式中：η*，W*和f*分別為燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電效率、輸出功率和消耗燃料與額定的比值，即標(biāo)幺值。

聯(lián)供微電網(wǎng)系統(tǒng)中余熱利用供冷設(shè)備常用的為吸收式制冷機(jī)組。包括單效或雙效的溴化鋰吸收式制冷機(jī)組和氨水制冷機(jī)組等。其中溴化鋰制冷機(jī)組以水為制冷劑，溴化鋰容易為吸收劑，一般熱源（低壓蒸汽0.12 MPa以上或熱水75℃以上）均可滿足要求，且易于自動(dòng)化實(shí)現(xiàn)，在負(fù)載率10%～100%范圍內(nèi)可以實(shí)現(xiàn)制冷量的自動(dòng)、無級調(diào)節(jié)。氨水制冷機(jī)組以氨作為制冷劑，能夠制取0℃以下的低溫，變工況性能良好，在負(fù)載率30%～100%范圍內(nèi)調(diào)節(jié)時(shí)，裝置的經(jīng)濟(jì)性無明顯變化[2]。

系統(tǒng)中可采用蓄能罐蓄熱或蓄冷，比較常見的有自然分層水蓄能裝置，其冬天可蓄熱，夏天蓄冷，數(shù)學(xué)模型如下：

式中：R為蓄能罐中可用能量；ρ為水的密度；V蓄能罐中可用水的體積；Cp為水的比熱容；Δt為蓄能罐進(jìn)出水溫差；ε蓄能罐的完善度；α蓄能罐容積的利用率。能源價(jià)格如表1[1]所示。

表1 能源價(jià)格

根據(jù)輸入的不同狀態(tài)變量數(shù)組Z得到優(yōu)化配置結(jié)果，結(jié)果如表2所示。其中，原動(dòng)機(jī)模型選用的是微型燃?xì)廨啓C(jī)模型，額定發(fā)電效率0.3；吸收式制冷機(jī)組采用的是雙效溴化鋰吸收式制冷機(jī)組，COP=1.2；蓄能罐采用自然分層水蓄能罐，蓄熱密度31.78 kW·h/m3，蓄冷密度8.47 kW·h/m3。

表2 微燃機(jī)系統(tǒng)容量優(yōu)化配置結(jié)果

原動(dòng)機(jī)選用的是內(nèi)燃機(jī)，其他設(shè)備模型同上。同樣根據(jù)輸入的不同狀態(tài)變量數(shù)組Z得到優(yōu)化配置結(jié)果，結(jié)果如下表3所示。

表3 內(nèi)燃機(jī)系統(tǒng)容量優(yōu)化配置結(jié)果

表2中，聯(lián)供型微電網(wǎng)系統(tǒng)以微型燃?xì)廨啓C(jī)為原動(dòng)機(jī)，類型一系統(tǒng)的容量規(guī)劃結(jié)果采用通用型容量規(guī)劃算法比DeST軟件的規(guī)劃結(jié)果較優(yōu)，初期投資減少8.5%，投資回收期也降低10%。表3中，以內(nèi)燃機(jī)為原動(dòng)機(jī)，容量規(guī)劃優(yōu)化結(jié)果也較優(yōu)。配備蓄能的類型二聯(lián)供系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于其他類型的聯(lián)供系統(tǒng)。

由以上幾個(gè)算例結(jié)果可知，采用文中提出的通用型規(guī)劃模型可對不同的系統(tǒng)進(jìn)行容量配置的優(yōu)化，且優(yōu)化配置結(jié)果可有效地提高系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性，降低運(yùn)行成本。

4 結(jié)束語

在分析幾種典型的冷熱電聯(lián)供型微電網(wǎng)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上提出了一種通用的容量配置優(yōu)化模型，并在CPLEX環(huán)境中進(jìn)行建模，在描述規(guī)劃模型的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的優(yōu)化計(jì)算。通過對北京某酒店算例的計(jì)算分析，并與前人工作的對比，驗(yàn)證了該模型的有效性和可靠性，研究表明該冷熱電聯(lián)供型微電網(wǎng)容量規(guī)劃優(yōu)化算法具有較好的通用性和可靠性。

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