分布式能源系統(tǒng)經(jīng)濟性優(yōu)化建模研究

楊興林，羅星星，王玉寶，鄒曉薇

(1.江蘇科技大學能源與動力工程學院，江蘇鎮(zhèn)江212003)(2.滬東重機有限公司，上海200129)

當前，我國分布式能源進入實質(zhì)性快速起步階段，即將邁向規(guī)模化實施進程，產(chǎn)業(yè)前景十分廣闊［1－5］.分布式熱電冷聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)(combined cooling，heating and power，CCHP)，利用這套設備可以不完全依賴電網(wǎng)系統(tǒng)，同時實現(xiàn)一個基地、一個院所、一群民居等區(qū)域用戶的獨立用電、供冷、供熱，對實現(xiàn)區(qū)域用戶市場和樓宇用戶市場的供能有著重要的現(xiàn)實意義［6－9］.相比于傳統(tǒng)電網(wǎng)供能方式，該系統(tǒng)的主要優(yōu)點有:①節(jié)約能源，實現(xiàn)能量的梯級利用，能源利用率可達72%以上;②清潔環(huán)保，實現(xiàn)溫室氣體的超低排放;③模塊化設計，使用壽命長，系統(tǒng)維護費用低，降低了投資成本，縮短了回收周期;④系統(tǒng)運行安全、靈活、可靠.

文中提出一種分布式能源系統(tǒng)經(jīng)濟性優(yōu)化模型，通過對某示范工程大樓(以下簡稱示范大樓)分布式能源系統(tǒng)供能方案進行經(jīng)濟性優(yōu)化分析，驗證此模型的實用價值，使分布式能源供能不僅能夠滿足用戶要求，又可以提高系統(tǒng)運行的經(jīng)濟性，進一步增加了用戶的滿意度.

1 系統(tǒng)優(yōu)化分析

由于分布式能源系統(tǒng)復雜，牽涉到方案和運行多方面的優(yōu)化，為了簡化問題，文中只對分布式能源系統(tǒng)運行的經(jīng)濟性加以分析，優(yōu)化方案的設備選擇燃氣內(nèi)燃機與余熱直燃溴化鋰空調(diào)機組組合.由年度化成本和年運行收益建立優(yōu)化的目標函數(shù)，建立以電定熱(熱電平衡)的數(shù)學模型，并在此基礎上進行經(jīng)濟優(yōu)化分析.

“以熱定電(熱電平衡)”模型，即這種模型要求電量基本滿足要求，當不足時可以從外網(wǎng)補充，冷熱不足時可以采用補燃的方式補充［10］.當電力、冷熱負荷富裕時由于系統(tǒng)設置逆保護功能，電力并網(wǎng)不上網(wǎng)，并且發(fā)電機發(fā)電量設置為用戶最低用電負荷，因此電力富裕量極小，相應產(chǎn)生的的冷、熱量不會產(chǎn)生富裕量.

影響系統(tǒng)成本的因素包括設備初投資、年購電費、年燃氣費以及設備維護費;系統(tǒng)運行收益包括政府補貼、發(fā)電收益、供熱收益以及制冷收益(圖1).

圖1 系統(tǒng)成本、收益示意圖Fig.1 System cost and revenue schematic plot

2 建模

冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)首要的優(yōu)勢在于可以實現(xiàn)對能源的深度分級利用.聯(lián)供系統(tǒng)通過不同循環(huán)的有機整合可以在滿足用戶需求的同時實現(xiàn)能源的綜合梯級利用，使能源的利用率達到85%以上，而傳統(tǒng)的發(fā)電廠能源有效利用率僅為30%～40%，因此，CCHP可以大大提高能源利用效率.但是對于一個具體的能源需求問題，需要對于三聯(lián)供系統(tǒng)的經(jīng)濟性做出定量的評價，由于傳統(tǒng)系統(tǒng)的經(jīng)濟性評價是基于單一能量品種的，而CCHP涉及到熱、電、冷3種能量形式，這就需要建立基于全系統(tǒng)的CCHP系統(tǒng)綜合經(jīng)濟性評價模型［11］.

國內(nèi)對分布式能源系統(tǒng)經(jīng)濟性分析的研究主要為:①利用建筑能耗分析軟件建立CCHP系統(tǒng)和建筑模型，進行設計日模擬，進而模擬全年運行情況［12］;②在“單耗分析”理論基礎上，建立了系統(tǒng)在熱電運行方式和冷電運行方式下不同環(huán)節(jié)的燃料單耗及成本單耗的計算模型，得到系統(tǒng)中各個環(huán)節(jié)(設備)存在的附加單耗過大的原因.國外的研究主要是基于數(shù)學程式的發(fā)電建模方法，并用數(shù)學規(guī)劃法對系統(tǒng)進行優(yōu)化.

2.1 優(yōu)化公式

1)在經(jīng)濟學分析中，年度化成本是將非能量費用年度化［13］，其公式為:

式中:Cax為年度化成本，元 /年;Cox為初投資，元:Sv為經(jīng)濟壽命期后的殘值系數(shù);PWF(i，M)為現(xiàn)金系數(shù);FN為第 N年耗費的運行成本，元;CRF(i，M)為資金回收系數(shù).其中，現(xiàn)金系數(shù)、資金回收系數(shù)分別為:

式中:i為基準收益率，此處指銀行利率;M為系統(tǒng)運行壽命，年.

2)對于一個具體的能源系統(tǒng)，假設每年支出購買能源的費用和維護費用等值，則年度化成本可簡化為設備初投資折舊費Cox1與年費用Cl之和，得到以下公式:

式中:Cox1為設備初投資折舊費，元;Cl為年費用，元;Cgm為系統(tǒng)年燃料費，元;Cwm為系統(tǒng)年維護費，元;Cem為系統(tǒng)年購電費，元.

3)設備初投資(內(nèi)燃機和空調(diào)機種類多，價格良莠不齊，文中根據(jù)某廠家給出的公式計算)

式中:CGE，Ccon，Ctrs分別為燃氣內(nèi)燃機單價，余熱直燃空調(diào)機單價，機組運輸安裝費，元;Pe為單臺內(nèi)燃機額定出力，kW;n為機組臺數(shù);Qc為制冷機組額定制冷量，kW.

4)年燃氣費

式中:Cg，Ccq，Cheat，Ccool分別為年燃氣費，春秋季燃氣費，供熱期燃氣費，制冷季燃氣費，元;ag為單位體積天然氣價，元/m3;T，T1，T2分別為春秋季、制冷季、采暖季機組運行時間，h;n1為春秋季運行機組臺數(shù);Hu為天然氣低位發(fā)熱量，kJ/m3;ηGE為內(nèi)燃機發(fā)電效率;ηcon為余熱直燃機供熱效率;COPcon為余熱直燃機制冷系統(tǒng);Qbheat，Qbcool分別為余熱直燃機采暖季、制冷季補燃的熱量及冷量，kW.

5)年購電費

式中:Cex為年購電費，元;ae為電網(wǎng)電價，元/(kW·h);Pcq，Psw分別為春秋季從電網(wǎng)購買電量，冬夏季從電網(wǎng)購買電量，kW.

6)以電定熱年運行收益

式中:Cins為年運行收益，元;Cinheat為年供熱收益，元;Cincool為制冷收益，元;Cingd為年供電收益，元.

式中:ah，ac分別為熱價、冷價，元/kW·h;Qheat，Qcool分別為用戶需求的熱負荷、冷負荷，kW.

2.2 優(yōu)化模型

當系統(tǒng)的年度化成本最小，運行收益最大，整個系統(tǒng)運行的經(jīng)濟性最優(yōu)，因此可得以電定熱運行模式下目標函數(shù)為:

MinX=Cax－Cins=f(Pe，Qbheat，Qbcool)

式中:Pe為單臺內(nèi)燃機發(fā)電功率，kW;Qbheat為采暖季補燃熱量，kW;Qbcool為制冷季補燃冷量，kW;且Pe，Qbheat，Qbcool為優(yōu)化的決策變量.

函數(shù)格式X=fmincon(fun，x0，A，b，Aeq，Beq，lb，ub)

式中:f(x)為目標函數(shù);fun為fun.m的m函數(shù);x0為初始值，A，b，Aeq，Beq 分別為線性約束矩陣;lb，ub為優(yōu)化變量的上下臨界值.

3 項目驗證

3.1 示范大樓概況及負荷分析

某示范大樓，設計建筑面積81 000 m2，主要用作辦公、專項實驗室及餐廳.全年用電量較高，電負荷為2451 kW.且辦公樓也有夏季冷/冬季熱空調(diào)以及少量生活熱水的需求.從表1冷熱負荷分析可知，示范大樓最大電負荷約為2 600 kW、最大冷負荷為6 249 kW，最大熱負荷為4 326 kW.考慮到部分節(jié)假日大樓關閉，運行時間為制冷季節(jié)150 d，采暖季節(jié)125 d，其余過渡季節(jié)22 d，每天8:00～18:00運行，10 h/d(工作時間內(nèi))，預計全年運行2970 h，具體負荷情況見表1.

表1 大樓負荷情況表Table 1 Building loads

3.2 天然氣分布式能源供能方案

3.2.1 設計思路

以“以電定熱、熱電平衡”為設計原則對系統(tǒng)進行配置，采用內(nèi)燃機和熱水型溴化鋰機組組合，其余不足的能量全部由外電網(wǎng)補充.其他傳統(tǒng)節(jié)能方式(市電、電制冷機組或燃氣鍋爐等)作為備用和調(diào)峰.

根據(jù)《分布式供能系統(tǒng)工程技術規(guī)程》，并入電網(wǎng)的分布式供能系統(tǒng)的總裝機容量不應大于相應電力系統(tǒng)接入點上級變電站容量(2 600 kW)的30%，可知系統(tǒng)適宜的配置容量不應大于800 kW.

3.2.2 系統(tǒng)主要設備配置

考慮到系統(tǒng)的經(jīng)濟性和可靠性，采用多個單元組成分布式能源系統(tǒng)，其通過電網(wǎng)構成能源互聯(lián)網(wǎng)，系統(tǒng)間可互為補充，互為備用;具有較強的自適應性和抗負載擾動性，實現(xiàn)供能效率最大化.系統(tǒng)中主要設備參數(shù)如下:

1)發(fā)電機組選擇燃氣內(nèi)燃機參數(shù)見表2.

表2 TCG2016 V08C內(nèi)燃機相關技術參數(shù)Table 2 TCG2016 V08C internal combustion engine related technical parameters

2)制冷機組選用熱水型溴化鋰機組，參數(shù)見表3.

表3 LCC-12D熱水型溴化鋰機組相關技術參數(shù)Table 3 LCC-12D hot water LiBr unit related technical parameters

3.3 經(jīng)濟性優(yōu)化

3.3.1 原方案經(jīng)濟性分析

示范大樓首先由分布式能源系統(tǒng)供能，不足的部分通過電網(wǎng)供應.系統(tǒng)的投入資金與輸出效益分析見表4.

分析表4，與初投資相比，系統(tǒng)運行的年收益較少，僅為134.3萬元，系統(tǒng)靜態(tài)回收期卻高達5.37 a，系統(tǒng)的經(jīng)濟性有進一步提升的可能.因此，希望通過對系統(tǒng)運行方案優(yōu)化，增加系統(tǒng)年收益，縮短成本回收周期，提高系統(tǒng)經(jīng)濟性.

表4 經(jīng)濟性分析Table 4 Economic analysis

3.3.2 優(yōu)化結(jié)果分析

根據(jù)文中所提模型，對師范大樓分布式能源系統(tǒng)的運行進行模擬，結(jié)果見表5及圖2.

表5 系統(tǒng)優(yōu)化運行收益情況Table 5 System optimization run earnings

圖2 系統(tǒng)收益Fig.2 System earnings

圖2a)為n1=1，n分別取 1，2，3，4 時系統(tǒng)收益情況，可以看出:當n1一定，n越小，即冬夏季運行的機組越少，Cx值也越小，即當機組的發(fā)電量越接近用戶端的實際負荷時，系統(tǒng)成本回收期就越短，系統(tǒng)經(jīng)濟性就越好.

從圖2b)，c)，d)趨勢可知，當冬夏季運行的機組臺數(shù)一定時，春秋季運行的機組臺數(shù)越多，即n一定，n1越大，系統(tǒng)經(jīng)濟性越好，并且n1越接近n越好.雖然辦公樓對于春秋季的冷熱負荷需求較小，幾乎不會產(chǎn)生冷熱收益，但系統(tǒng)燃燒天然氣發(fā)電的成本要比直接購買市電要小得多，所以得以保證系統(tǒng)經(jīng)濟性.

圖3為n=n1=1，2，3，4 的收益情況，從圖可知，當n=n1時分別取1，2，3，4，n越小系統(tǒng)運行產(chǎn)生的收益越多，成本回收期越短.

圖3 n=n1=1，2，3，4 系統(tǒng)收益Fig.3 n=n1=1，2，3，4 system earnings

綜上所述，n=n1=1時，系統(tǒng)產(chǎn)生收益最多.但是，如果整個系統(tǒng)只有一套設備，那么一旦這套設備發(fā)生故障，整個系統(tǒng)就會陷入癱瘓狀態(tài)，無法運行，這種情況非常不利于系統(tǒng)的穩(wěn)定性，所以在既保證經(jīng)濟性和穩(wěn)定性的前提下，選取了n=n1=2.因此系統(tǒng)最佳運行組合為n=n1=2，其成本回收期為2.65a，詳細收益數(shù)據(jù)見圖4.

圖4 n=2，n1=2系統(tǒng)收益Fig.4 n=2，n1=2，system earnings

4 結(jié)論

文中提出的建模方法是根據(jù)具體案例的能量需求特性，采取不同的運行策略，建立優(yōu)化目標函數(shù)，進行分布式能源系統(tǒng)的經(jīng)濟性的優(yōu)化分析，以確定不同運行策略下的最佳容量配置.通過文中優(yōu)化結(jié)果分析可知，當內(nèi)燃機發(fā)電機組額定功率為397.3 kW，并且兩臺發(fā)電機組同時運行時，發(fā)電機組輸出的功率較為接近示范大樓用戶實際負荷量.示范大樓電負荷、冷熱負荷由此分布式能源優(yōu)先提供，電力不足則從電網(wǎng)購買;冷熱負荷不足則通過溴化鋰機組補燃補充，以達到系統(tǒng)最佳經(jīng)濟性.原系統(tǒng)運行方案成本回收期為5.37 a，優(yōu)化之后縮短至2.65 a，經(jīng)濟性提高了50.7%，優(yōu)化效果顯著.此優(yōu)化模型，不僅僅針對某示范工程大樓，同樣也可為其他分布式能源系統(tǒng)提供一些借鑒，有較好的應用前景和實用價值.

References)

［1］ Raoofat M，Malekpour A.Optimal allocation of distributed generations and remote controllable switches to improve the network performance considering operation stretegy of distributed generations［J］.Electric Power Components and Syetems，2011，39(16):1809 －1827.

［2］ Yoboyama R，Bruce Hedman，Research，development and the prospect of cambined coding，hearting and power system［J］.Engergy，2011(35):4361 －4367.

［3］ 楊錦成.微型燃氣輪機冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)集成與性能仿真研究［D］.上海:上海交通大學，2009:8－11.

［4］ 胡小堅.微燃機冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)仿真研究及動態(tài)能耗分析［D］.浙江杭州:浙江工業(yè)大學，2010:9－12.

［5］ 許東.微型燃氣輪機冷電聯(lián)供系統(tǒng)能量優(yōu)化與管理［D］.天津大學，2010:15－20.

［6］ 何源.分布式能源系統(tǒng)的分析及優(yōu)化［D］.天津大學，2007:17－22.

［7］ 俞新祥，翁一武，楊錦成.分布式供能系統(tǒng)控制的設計和應用［J］.熱力發(fā)電，2006，35(10):11 －12.Yu Xinxiang，Wen Yiwu，Yang Jincheng.Distributed energy systems for the design and application control［J］.Thermal Power Generation，2006，35(10):11 － 12.(in Chinese)

［8］ 陽厚斌.我國分布式能源可持續(xù)發(fā)展研究［D］.北京:華北電力大學，2013:12－20.

［9］ 曹艷鋒.分布式能源系統(tǒng)建筑應用理論研究［D］.湖南長沙:湖南大學，2011:8－17.

［10］ 陳拓發(fā)，荊有印，李婷.天然氣冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)在某商場建筑中的應用分析［J］.節(jié)能，2012(3):35－38.Chen Tuofa，Jin Youyin，Li Ting.Application of natural gas CCHP system in a mall buildings［J］.Energy Conservation，2012(3):35 －38.(in Chinese)

［11］ 劉小軍，李進，曲勇，陳建強.冷熱電三聯(lián)供(CCHP)分布式能源系統(tǒng)建模綜述［J］.電網(wǎng)與清潔能源，2012，28(7):64 －65.Liu Xiaojun，Li Jin，Qu Yong，Chen Jianqiang.CCHP(CCHP)distributed energy modeling system overview［J］.Grid and Clean Energy，2012，28(7):64－65.(in Chinese)

［12］ 孔祥強，李華，曲磊.樓宇冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)節(jié)能性研究［J］.能源工程，2010(2):62－65.Kong Xiangqiang，Li Hua，Qu Lei.Building CCHP system energy research［J］.Energy Engineering，2010(2):62 －65.(in Chinese)

［13］ 畢慶生，宋之平，楊勇平.分布式冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)的單耗分析模型研究［J］.工程熱物理學報，2007(11):905－908.Bi Qingsheng，Song Zhiping，Yang Yongping.Studies consumption analysis model distributed CCHP system［J］.Journal of Engineering Thermophysics，2007(11):905 －908.(in Chinese)