計(jì)及等排性能系數(shù)的冷熱電多聯(lián)供環(huán)境經(jīng)濟(jì)調(diào)度

冉曉洪 ，周任軍 ，李湘華 ，張 斌

（1.長沙理工大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院 “可再生能源電力技術(shù)”湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 長沙 410114；2.湖南省電力公司，湖南 長沙 410007）

0 引言

冷熱電多聯(lián)供 CCHP（Combined Cool，Heat and Power）實(shí)質(zhì)是按照能量品位高低對(duì)能量實(shí)行對(duì)口梯級(jí)利用，其品位隨著能量梯級(jí)利用而逐級(jí)下降［1］。文獻(xiàn)［2-3］在熱力學(xué)基本原理基礎(chǔ)上，結(jié)合不同能量轉(zhuǎn)換過程中能量梯級(jí)利用的本質(zhì)特征，提出了能量梯級(jí)利用率的新準(zhǔn)則。文獻(xiàn)［4］提出了能量梯級(jí)利用率的評(píng)價(jià)準(zhǔn)則，該準(zhǔn)則從發(fā)電、制冷及供熱等過程來權(quán)衡不同能量轉(zhuǎn)換利用過程的本質(zhì)差異，并利用實(shí)際熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)對(duì)該準(zhǔn)則進(jìn)行了分析。為了減少能量梯級(jí)利用過程中低品位能量的浪費(fèi)，文獻(xiàn)［5］闡述了利用先進(jìn)技術(shù)將低品位的熱能轉(zhuǎn)化為電能，從而充分利用低品位能量。目前能量品味相關(guān)的文獻(xiàn)基本是從能量品味本身研究能量梯級(jí)利用以及節(jié)能優(yōu)勢，很少涉及克服能量品位研究能量等值轉(zhuǎn)化關(guān)系。

為了克服能量品味給能量等值轉(zhuǎn)化帶來的困難，需從無能量品味的污染排放角度出發(fā)，研究能量轉(zhuǎn)化隨生產(chǎn)供能狀態(tài)變化的轉(zhuǎn)化關(guān)系。CCHP系統(tǒng)的污染排放在國內(nèi)外有一定研究，文獻(xiàn)［6］考慮到微網(wǎng)中熱能供應(yīng)的不確定性，優(yōu)化模型僅考慮了環(huán)境保護(hù)效益，沒有涉及熱能供應(yīng)。文獻(xiàn)［7］提出了一種微電網(wǎng)熱電聯(lián)合調(diào)度的優(yōu)化模型，該模型以系統(tǒng)總運(yùn)行費(fèi)用最小為目標(biāo)函數(shù)，同時(shí)把微電網(wǎng)和大電網(wǎng)連接點(diǎn)處的功率波動(dòng)引入目標(biāo)函數(shù)，使得在系統(tǒng)總成本最小的同時(shí)減小風(fēng)電出力波動(dòng)性對(duì)電網(wǎng)的影響。文獻(xiàn)［8］提出了一種以能耗與污染物排放最少為目標(biāo)的發(fā)電側(cè)節(jié)能減排新模式，通過可變成本排序和污染物排放量排序確定機(jī)組上網(wǎng)電量，以達(dá)到節(jié)能減排的目的。文獻(xiàn)［9］從協(xié)調(diào)運(yùn)行的角度討論了互聯(lián)區(qū)域的發(fā)電調(diào)度策略，將發(fā)電成本最小和污染氣體排放最小同時(shí)作為目標(biāo)函數(shù)，提出一種新的分區(qū)設(shè)置多目標(biāo)權(quán)系數(shù)的方案?？紤]大規(guī)模風(fēng)電入網(wǎng)，構(gòu)建含風(fēng)電機(jī)組的電力系統(tǒng)環(huán)境經(jīng)濟(jì)調(diào)度靜態(tài)隨機(jī)優(yōu)化模型，以盡可能實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)總污染排放量最少化和運(yùn)行成本最低化的綜合優(yōu)化目標(biāo)［10］。以上文獻(xiàn)基本是兼顧發(fā)電成本和環(huán)境效益成本最小的經(jīng)濟(jì)調(diào)度，對(duì)CCHP系統(tǒng)的環(huán)境經(jīng)濟(jì)調(diào)度也是僅將污染氣體排放成本作為優(yōu)化目標(biāo)之一。

文獻(xiàn)［11］已明確定義能量品位（單位能量所具有可用能的比例，即能量在某種狀態(tài)下經(jīng)過可逆過程變化到環(huán)境基態(tài)時(shí)火用的變化量與能量變化量的比值）與溫度和壓力有關(guān)，并可通過熱電比反映系統(tǒng)的生產(chǎn)供能狀態(tài)。因此，為了研究具有能量品味差異的CCHP系統(tǒng)在不同供能狀態(tài)下的能量轉(zhuǎn)化關(guān)系，以供熱當(dāng)量為基礎(chǔ)，提出等排性能系數(shù)作為能量等值轉(zhuǎn)化依據(jù)，并建立CCHP系統(tǒng)環(huán)境調(diào)度新模型，進(jìn)一步研究等排性能系數(shù)對(duì)實(shí)時(shí)能耗成本以及調(diào)度的影響。由于將具有能量品味的熱（冷）能與電能轉(zhuǎn)化為無能量品味的污染排放，所以模型中沒有涉及能量品味，雖然用戶的多余電力利用儲(chǔ)能裝置存儲(chǔ)，但模型暫時(shí)不計(jì)入儲(chǔ)能成本。

1 熱（冷）能與電能轉(zhuǎn)化

1.1 轉(zhuǎn)化關(guān)系

電能和熱（冷）能屬于二次能源，其傳統(tǒng)轉(zhuǎn)化關(guān)系是通過供熱當(dāng)量轉(zhuǎn)化進(jìn)行折算的，如圖1所示。

圖1 熱（冷）電轉(zhuǎn)化關(guān)系Fig.1 Conversion between heat/cool and power

自然界的能量不僅在數(shù)量上具有守恒性，而且在質(zhì)量上具有品位性。這使得熱（冷）能與電能在轉(zhuǎn)化和傳遞過程中存在著品位的差異，使得它們之間的轉(zhuǎn)化關(guān)系不能完全按照數(shù)量相等進(jìn)行，即電能或者機(jī)械能可以全部轉(zhuǎn)化為熱（冷）能，但熱（冷）能卻只能部分轉(zhuǎn)化為機(jī)械能或者電能，即能量轉(zhuǎn)化不等價(jià)可逆。

為進(jìn)一步揭示機(jī)組的能耗本質(zhì)及計(jì)算的簡便，準(zhǔn)確量化熱（冷）能與電能轉(zhuǎn)化關(guān)系是相當(dāng)必要的。隨著國家政策對(duì)環(huán)保及能源利用率的重視，并且考慮到供熱當(dāng)量轉(zhuǎn)化未能完全表達(dá)能量直接等價(jià)轉(zhuǎn)化不可逆的缺陷，需要提出新方法描述熱（冷）能與電能的等值轉(zhuǎn)化關(guān)系。

1.2 轉(zhuǎn)化關(guān)系分類

目前，二次能源折算成標(biāo)準(zhǔn)煤有當(dāng)量值和等價(jià)值2種方法。其中當(dāng)量值系數(shù)是固定不變的，但隨著能源轉(zhuǎn)化效率的提高，電力折算成標(biāo)準(zhǔn)煤的等價(jià)值系數(shù)卻會(huì)逐漸下降。

2 等排性能系數(shù)

2.1 基本定義

等排性能系數(shù)是在傳統(tǒng)供熱當(dāng)量轉(zhuǎn)化基礎(chǔ)上從污染排放角度著手，通過機(jī)組生產(chǎn)不同二次能源（電能和熱（冷）能）產(chǎn)生相同污染排放消耗一次能源的多少，研究不同二次能源之間的轉(zhuǎn)化關(guān)系。

若將冷熱電多聯(lián)供機(jī)組生產(chǎn)的電能和熱（冷）能視為商品使用價(jià)值，由馬克思主義的商品價(jià)值理論可知，等排性能系數(shù)就相當(dāng)于交換價(jià)值，能量品位性的高低相當(dāng)于價(jià)值的大小，如圖2所示。

圖2 等排性能系數(shù)概念類比Fig.2 Conceptual analogy of equal emission performance coefficient

2.2 與供熱當(dāng)量的關(guān)系

等排性能系數(shù)（等價(jià)值）與供熱當(dāng)量（當(dāng)量值）從能量守恒角度是一致的，但從能量轉(zhuǎn)化角度卻有區(qū)別。因?yàn)闊幔ɡ洌┠苁强刹糠洲D(zhuǎn)化能量，電能作為可全部轉(zhuǎn)化能量，正是能量品位的高低給能量等值轉(zhuǎn)化帶來了困難。傳統(tǒng)熱（冷）能與電能的轉(zhuǎn)化是通過供熱當(dāng)量實(shí)現(xiàn)，且在不同供能狀態(tài)下供熱當(dāng)量系數(shù)是一常數(shù)，而等排性能系數(shù)是通過沒有能量品位差異的污染排放實(shí)現(xiàn)，但是其能量的等值轉(zhuǎn)化與生產(chǎn)供能狀態(tài)（溫度和壓力等）有關(guān)，等排性能系數(shù)關(guān)系如圖3所示。

圖3 等排性能系數(shù)示意圖Fig.3 Schematic diagram of equal emission performance coefficient

2.3 等排性能系數(shù)

由供熱當(dāng)量系數(shù)計(jì)算方法［12］可知，設(shè)第i個(gè)冷熱電多聯(lián)供機(jī)組的供電量為 Wn（kW·h），供熱（冷）量為 Qh（MJ·h）時(shí)，產(chǎn)生的總污染排放量為 mi（g），而由供電和供熱（冷）產(chǎn)生的污染物排放量分別為m′i（g）和 m″i（g），并滿足 m′i+m″i=mi。

供電污染物的排放強(qiáng)度 ej，i（g/（kW·h））為：

供熱（冷）污染物的排放強(qiáng)度 e′j，i（g/（MJ·h））為：

由式（1）有：

由式（2）有：

則等排性能系數(shù)λ為：

根據(jù)等排性能系數(shù)的模型，可得出等排性能系數(shù)與供熱當(dāng)量系數(shù)關(guān)系為：

其中，SEERC（kW·h）為供熱（冷）Qh當(dāng)量電量消耗。

3 計(jì)及等排性能系數(shù)環(huán)境經(jīng)濟(jì)調(diào)度

3.1 發(fā)電成本

電源包括僅發(fā)電、僅供熱和冷熱電多聯(lián)供3種，其各自燃料成本不同，運(yùn)行成本也有差異。

3.1.1 燃料成本

a.僅發(fā)電的燃料成本：

b.僅供熱（冷）的燃料成本：

c.冷熱電多聯(lián)供的燃料成本：

則調(diào)度周期內(nèi)所有機(jī)組的燃料成本模型為：

其中，Ci（Pi（t））為電功率為 Pi時(shí)第 i個(gè)僅發(fā)電燃料成本，Ck（Hk（t））為熱（冷）功率達(dá)到 Hk時(shí)第 k 個(gè)僅發(fā)熱（冷）的燃料成本，Cj（Pj（t），Hj（t））為電、熱（冷）功率分別達(dá)到Pj、Hj時(shí)第j個(gè)冷熱電多聯(lián)供燃料成本，α、β、γ、δ、θ、ε 為燃料成本模型的系數(shù)，Np、Nc、Nh分別為僅發(fā)電、冷熱電多聯(lián)供和僅供熱（冷）發(fā)電電源的數(shù)量，T為調(diào)度周期總時(shí)段數(shù)。

3.1.2 計(jì)及等排性能系數(shù)的管理運(yùn)行成本

電廠除燃料成本外，還包括人員管理、機(jī)組啟停等，可用功率運(yùn)行成本［13］定量描述。

則計(jì)及等排性能系數(shù)的運(yùn)行成本模型為：

其中，KOM為功率運(yùn)行常數(shù)。

則冷熱電多聯(lián)供的發(fā)電成本模型為：

3.2 計(jì)及等排性能系數(shù)的環(huán)境成本

3.2.1 污染氣體排放

可得僅發(fā)電的CO2排放模型為：

由等排性能系數(shù)可得冷熱電多聯(lián)供和僅供熱（冷）的CO2排放F′CO2，i（Pt）和F″CO2，i（Pt）模型分別為：

污染排放包括 CO2、SO2和 NOx，其中 SO2和 NOx的排放模型與CO2相同，但其系數(shù)各異。

3.2.2 環(huán)境成本模型

環(huán)境成本主要包括消耗的環(huán)境資源和由于排放污染物所受到的罰款［14］。

其中，VCO2、VSO2、VNOx分別為 CO2、SO2和 NOx的環(huán)境價(jià)值價(jià)格和由于排污受到的罰款價(jià)格之和）［12］。模型前半部分表示僅發(fā)電和冷熱電多聯(lián)供機(jī)組供電部分的環(huán)境成本，后半部分表示僅供熱（冷）和冷熱電多聯(lián)供機(jī)組供熱（冷）的環(huán)境成本。

3.3 多目標(biāo)優(yōu)化模型

3.3.1 目標(biāo)函數(shù)

其中，f1、f2分別為冷熱電多聯(lián)供系統(tǒng)的發(fā)電成本和環(huán)境成本。

3.3.2 約束條件

a.功率平衡約束：

b.出力約束：

c.氣體排放約束：

d.機(jī)組爬坡約束：

其中，Pit與Pjt分別為第i臺(tái)僅供電機(jī)組與第j臺(tái)冷熱電聯(lián)供機(jī)組在t時(shí)刻的電功率輸出；Hit與Hjt分別為第i臺(tái)僅供熱機(jī)組與第j臺(tái)冷熱電聯(lián)供機(jī)組在t時(shí)刻的熱能輸出；PDt與HDt分別為t時(shí)刻系統(tǒng)對(duì)電能與熱能的需求；與分別為冷熱電聯(lián)機(jī)組在供熱為Hj時(shí)電功率的最小與最大值；與為冷熱電聯(lián)機(jī)組在供電為Pj時(shí)熱能的最小與最大值；N為所有電源的個(gè)數(shù)；FCO2z、FNOxz和FSO2z為所有電源各種污染物的排放總量（t）；ξ1downi，t、ξ1upi，t分別為各臺(tái)機(jī)組的爬坡速度的下限和上限約束，其他類似。

3.4 目標(biāo)函數(shù)的模糊化處理

a.首先求解發(fā)電成本和環(huán)境成本目標(biāo)函數(shù)值C01和C02以及各單目標(biāo)優(yōu)化時(shí)對(duì)應(yīng)的其他目標(biāo)函數(shù)值，發(fā)電成本最小時(shí)對(duì)應(yīng)的環(huán)境成本為C′02，環(huán)境成本最小時(shí)對(duì)應(yīng)的發(fā)電成本為C′01。

b.定義隸屬函數(shù)，將各單目標(biāo)函數(shù)模糊化。其中成本伸縮原則為：

其中，δ01、δ02分別為發(fā)電成本與環(huán)境成本的最大耗量節(jié)約。文中采用降半直線形作為2個(gè)目標(biāo)函數(shù)的隸屬函數(shù)［15-16］，如圖 4 所示。

圖4 優(yōu)化目標(biāo)對(duì)應(yīng)的隸屬度函數(shù)Fig.4 Membership function corresponding optimal objective

其中，C0i為以第i個(gè)目標(biāo)函數(shù)最小時(shí)的目標(biāo)函數(shù)值，C0i+δ0i為第i個(gè)目標(biāo)函數(shù)值可接受的最大延伸區(qū)間，δ0i的選取應(yīng)結(jié)合各專家對(duì)各單一目標(biāo)的認(rèn)識(shí)和傾向性。

c.采用最大隸屬度原理將多目標(biāo)問題轉(zhuǎn)化為下述單目標(biāo)非線性優(yōu)化問題：

約束條件還包括式（18）—（21）。

d.求解步驟c構(gòu)造的單目標(biāo)優(yōu)化模型，從而得到模型的最優(yōu)解。

4 算例仿真及結(jié)果分析

4.1 算例及參數(shù)

采用某醫(yī)院負(fù)荷進(jìn)行分析，其中熱負(fù)荷包括采暖負(fù)荷、熱水負(fù)荷和制冷負(fù)荷，系統(tǒng)基本參數(shù)［12，17-18］中的污染氣體排放系數(shù)見表 1，其中 ac，i、bc，i、cc，i，as，i、bs，i、cs，i，an，i、bn，i、cn，i分別為 CO2、SO2和 NOx的排放系數(shù)。

4.2 計(jì)算結(jié)果

等排性能系數(shù)與供熱當(dāng)量系數(shù)關(guān)系如圖5所示，表2為多目標(biāo)模糊優(yōu)化與單目標(biāo)優(yōu)化結(jié)果，圖6為多目標(biāo)模糊優(yōu)化成本變化，表3給出了等排性能系數(shù)的引入對(duì)成本造成的影響，表中“”表示升高了，“”表示下降了。

表1 污染氣體排放參數(shù)Tab.1 Parameters of pollution emission

由表2可知，在滿足所有約束條件下，與多目標(biāo)模糊決策優(yōu)化相比較，單純以發(fā)電成本最小為目標(biāo)時(shí)，環(huán)境成本有所增加，因?yàn)橛脩舳嘤嚯娏衫脙?chǔ)能裝置存儲(chǔ)。單純以環(huán)境成本最小為目標(biāo)時(shí)，發(fā)電成本也會(huì)減少，因?yàn)橛脩舨蛔愕碾娏上蛑骶W(wǎng)購買。綜上，與單目標(biāo)優(yōu)化比較可知，多目標(biāo)模糊優(yōu)化能達(dá)到更為綜合滿意的結(jié)果。

圖5 等排性能系數(shù)與供熱當(dāng)量系數(shù)關(guān)系Fig.5 Relationship between equal emission performance coefficient and heating equivalent

表2 多目標(biāo)模糊優(yōu)化與單目標(biāo)優(yōu)化結(jié)果Tab.2 Results by multi-objective optimization and single-objective optimization

由圖5可知，在不同供能狀態(tài)下，供熱當(dāng)量性能系數(shù)為一常數(shù)。然而冷熱電多聯(lián)供系統(tǒng)提供的不同能量具有品位的差異，并與能量的生產(chǎn)供能的狀態(tài)（溫度和壓力）有關(guān)，從而得到動(dòng)態(tài)變化的等排性能系數(shù)。

圖6 多目標(biāo)模糊優(yōu)化機(jī)組的成本曲線Fig.6 Cost curves of unit with multi-objective fuzzy optimization

表3 等排性能系數(shù)與供熱當(dāng)量系數(shù)成本的對(duì)比分析Tab.3 Comparison of cost between equal emission performance coefficient and heating equivalent coefficient

由表3可知，若以發(fā)電成本最小為目標(biāo)，采用等排性能系數(shù)后發(fā)電成本和環(huán)境成本要比采用供熱當(dāng)量時(shí)小，因?yàn)榈扰判阅芟禂?shù)不斷變化，且大部分時(shí)段都要比供熱當(dāng)量性能系數(shù)要小。多目標(biāo)模糊優(yōu)化時(shí)，采用等排性能系數(shù)的總發(fā)電成本與采用供熱當(dāng)量的幾乎相等，但總的環(huán)境成本卻略偏高，因?yàn)樵诓煌╇娕c供熱（冷）狀態(tài)下，系統(tǒng)提供不同能量時(shí)能耗不可能一樣，而與系統(tǒng)此時(shí)的供能狀態(tài)有關(guān)，所以等排性能系數(shù)能更詳細(xì)反映各時(shí)刻發(fā)電成本和環(huán)境成本的變化。

在現(xiàn)代電力系統(tǒng)中，隨著多種隨機(jī)性因素對(duì)系統(tǒng)的影響，加之不同生產(chǎn)供能狀態(tài)其能量之間的轉(zhuǎn)化各異以及微網(wǎng)中設(shè)備啟停的狀態(tài)變化較快，故系統(tǒng)調(diào)度部門在前一天做好的24 h計(jì)劃不完全精確。在此情況下，對(duì)系統(tǒng)備用容量以及機(jī)組調(diào)峰調(diào)頻能力要求更高，故針對(duì)含有微電網(wǎng)的系統(tǒng)則需要增加小容量的儲(chǔ)能蓄熱裝置，以提高系統(tǒng)的備用容量，填補(bǔ)由于調(diào)度計(jì)劃不完全精確所產(chǎn)生的差額。

5 結(jié)論

a.在供熱當(dāng)量基礎(chǔ)上，從污染排放角度提出了等排性能系數(shù)，進(jìn)一步深化了供熱當(dāng)量轉(zhuǎn)化關(guān)系。等排性能系數(shù)的提出不僅能更精確反映能量等值轉(zhuǎn)化關(guān)系隨生產(chǎn)供能狀態(tài)的變化而不同，而且對(duì)CCHP系統(tǒng)在供應(yīng)不同能量時(shí)所消耗的各種成本計(jì)算帶來了方便。

b.為了研究等排性能系數(shù)潛在特性，建立了CCHP系統(tǒng)環(huán)境經(jīng)濟(jì)調(diào)度模型。計(jì)算結(jié)果表明，該模型與方法不僅對(duì)環(huán)境經(jīng)濟(jì)調(diào)度與節(jié)能減排有重要意義，為不同供能狀態(tài)下系統(tǒng)的實(shí)時(shí)能耗成本計(jì)算帶來方便，還能定量反映環(huán)境效益，更準(zhǔn)確地計(jì)算在不同供能狀態(tài)下系統(tǒng)所消耗的實(shí)時(shí)發(fā)電成本與環(huán)境成本以及相應(yīng)變化。