儲能子系統(tǒng)對微型冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)的影響

劉倩囡，付忠廣，邊技超

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儲能子系統(tǒng)對微型冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)的影響

劉倩囡，付忠廣，邊技超

（華北電力大學能源動力與機械工程學院，北京 102206）

分布式冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)作為傳統(tǒng)分布式供能系統(tǒng)的延伸，在繼承傳統(tǒng)系統(tǒng)能量分級利用優(yōu)點的同時，其供能效率和經(jīng)濟性都有很大的提升。為保證系統(tǒng)冷、熱、電負荷按照既定的規(guī)律變化，維持能量的輸出與負荷需求相匹配，確保較高的運行效率，創(chuàng)新地加入儲能子系統(tǒng)。本文通過定性分析的方法，針對儲能子系統(tǒng)在分布式冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)中的作用展開討論，結(jié)合微型冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)的模擬結(jié)果，對儲能子系統(tǒng)進行初步的設計和計算，證明儲能子系統(tǒng)的加入對分布式冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)的效率和穩(wěn)定性均有提升。

冷熱電聯(lián)供；儲能；蓄電池；數(shù)值計算

節(jié)能減排是關(guān)系到我國社會經(jīng)濟發(fā)展的長期瓶頸問題，是我國發(fā)展戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)的重中之重。作為傳統(tǒng)分布式供能系統(tǒng)的進一步提升，分布式冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)能夠?qū)δ茉催M行出色的階梯綜合利用，是集高能源綜合利用率、低污染物排放量、布置靈活及運行安全等特點于一身的新興技術(shù)[1]。我國目前的發(fā)展主要集中于上海、廣州、北京等地區(qū)，各工業(yè)發(fā)達國家也都著力于在現(xiàn)有建筑中加入分布式冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)。針對目前的分布式冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)，雖在供能效率和經(jīng)濟性上都比傳統(tǒng)分布式供能系統(tǒng)有了很大的提升，但是針對居民區(qū)、辦公場所或一些商業(yè)場合來說，其冷、熱、電負荷并非按照既定的規(guī)律變化。為了保證系統(tǒng)正常運行且不至造成無端的浪費，能量的輸出與建筑物的負荷需求應保證一致[2]。

儲能系統(tǒng)便能很好地解決這個問題。所謂儲能，便是在系統(tǒng)需求低谷時儲存能量，在系統(tǒng)需求高峰時將所儲存的能量釋放出來，可簡稱為“移峰填谷”。發(fā)達國家對于儲能系統(tǒng)的應用早在第三次工業(yè)革命時便已經(jīng)普及。國內(nèi)儲能系統(tǒng)起步較晚，多應用于大型風電、太陽能電站中，其主要功能包括削峰填谷、新能源接入、電能質(zhì)量改善等，卻鮮少涉及微型系統(tǒng)。因此，在微型冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)中加入儲能子系統(tǒng)，將發(fā)電技術(shù)、制冷制熱技術(shù)以及儲能技術(shù)通過系統(tǒng)集成在一起，構(gòu)成完整的能量梯級利用系統(tǒng)，成為目前新興的發(fā)展方向。

本文基于定性與定量分析相結(jié)合的思路，針對國家支撐項目“微型移動式燃氣輪機冷熱電聯(lián)供技術(shù)及示范”中所設計的微型移動式冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)，分析儲能子系統(tǒng)的加入對該系統(tǒng)性能的影響，并對儲能子系統(tǒng)進行初步的設計和討論。

1 微型移動式冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)

微型移動式冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)如圖1所示，其中，微型燃氣輪機發(fā)電，空氣膨脹制冷，并利用燃氣輪機余熱制熱，構(gòu)成能量的梯級利用。與一般的分布式冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)不同，本系統(tǒng)并未采用余熱制冷的方式。利用Aspen軟件對系統(tǒng)熱力進行分析模擬，COMPR模型模擬燃氣輪機、壓氣機等部件，RGibbs模型模擬燃燒室反應器，結(jié)合Heater模型、Heatx模型、Mixer模型等其它模型，構(gòu)成整個系統(tǒng)的系統(tǒng)圖。系統(tǒng)流程涉及功流、熱流以及物流。主要模擬參數(shù)見表1。

表1 冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)部分重要參數(shù)設定

以上參數(shù)以哈爾濱夏天運行狀態(tài)為例，取30 ℃作為平均溫度；1.01 bar（1 bar=105 Pa）為大氣壓力；透平進氣溫度、壓氣機壓比、燃燒效率為微燃機設計參數(shù)；剩余參數(shù)為系統(tǒng)運行初步設定值。

通過模擬，系統(tǒng)共發(fā)電34.8 kW，制熱188.6 kW，制冷10 kW，達到了冷熱電聯(lián)供的目的。其中模擬所得壓氣機耗功為152.7 kW，以上參數(shù)將作為儲能子系統(tǒng)的初級設計參數(shù)。

2 儲能子系統(tǒng)

2.1 儲能子系統(tǒng)的作用

微型燃氣輪機雖具有低燃料消耗率、低噪音、低排放、可遠程遙控和診斷等一系列先進技術(shù)特征，但由于其容量、技術(shù)等方面的限制，在保證用戶端直接用電需求的同時，對電網(wǎng)負荷需求的變化不能進行較快速的響應，同時系統(tǒng)本身發(fā)電情況的不穩(wěn)定也會對電網(wǎng)造成不小的沖擊。此時加入儲能子模塊作為過渡的橋梁，保證兩者快速響應。其作用主要包括以下3方面[3]：①增強系統(tǒng)的可靠性—作為過渡的橋梁，儲能子系統(tǒng)協(xié)調(diào)發(fā)電與供電的需求，維持穩(wěn)定的運行；②平抑功率波動，提高系統(tǒng)電壓和頻率質(zhì)量；③控制系統(tǒng)的運行特性，使系統(tǒng)按照預先制定的規(guī)劃進行發(fā)電，提高運行的可靠性和靈活性。

2.2 儲能子系統(tǒng)的設計位置

如圖2所示，在空冷變頻發(fā)電機（電動機）處加入儲能子系統(tǒng)模塊，將儲能子系統(tǒng)作為空冷變頻發(fā)電機（電動機）與用戶端之間的橋梁。其具有以下兩個重要作用。①負責啟動電機：為電機提供初始的電壓和電流；②負責儲存能量：電機啟動后停止向電機供應電流，儲存電機發(fā)出的電量，作為儲備能源。

2.3 儲能子系統(tǒng)的初步設計

根據(jù)儲能子系統(tǒng)的位置及作用，設計如下的儲能子系統(tǒng)以滿足微型移動式冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)的要求。圖3所示為儲能子系統(tǒng)詳細的設計圖[4]。

在啟動初期，發(fā)射器④向蓄電池組①傳遞通電信號，使蓄電池組①通過交換器③將直流信號轉(zhuǎn)換為交流信號，向電動機②提供初始的啟動電流和啟動電壓，電動機②逐漸啟動，通過同軸轉(zhuǎn)動同時帶動壓氣機進行啟動，當壓氣機達到自持轉(zhuǎn)速后燃氣輪機點火啟動，進入發(fā)電階段。此時，發(fā)射器④停止向蓄電池組①傳遞通電信號，蓄電池組①停止向發(fā)電機②提供電流和電壓，發(fā)電機②轉(zhuǎn)變?yōu)殡妱訖C②進行發(fā)電，發(fā)出的電一部分供給用戶，一部分通過交換器③充入蓄電池組①。比較器⑤將蓄電池組①的端壓信號與標稱電壓進行對比，一旦端壓信號超過標稱電壓，控制器⑥控制交換器③停止交直流的轉(zhuǎn)換，停止向蓄電池組①中充電。微電網(wǎng)控制器⑦將蓄電池組①的電力和發(fā)電機②發(fā)出的電力融合，供給用戶端⑧。

其中交換器③、比較器⑤和控制器⑥構(gòu)成儲能系統(tǒng)的保護系統(tǒng)，保障電池的安全，防止電池過充出現(xiàn)危險。發(fā)射器④主要向蓄電池組傳遞信號，在啟動需要時使蓄電池組放電，等電機啟動以后停止傳遞信號，斷開該線路，并隨時準備啟動以防發(fā)電機電流過低造成停機。

2.4 儲能子系統(tǒng)的相關(guān)計算

根據(jù)儲能子系統(tǒng)的工作特性以及系統(tǒng)要求設計參數(shù)，對儲能子系統(tǒng)蓄電池組的特性參數(shù)進行如下計算。

放電終止電壓為蓄電池的最小電壓要求，因此蓄電池的放電終止電壓應比發(fā)電機的額定電壓380 V略高，先設定380 V為蓄電池的放電終止電壓。電池的最低放電電壓不能低于標準電壓的0.9倍。

鉛酸蓄電池單體的電壓為12 V，從電壓范圍383422 V可以得出，電池需要32～35塊串聯(lián)，即電壓可從384 V、396 V、408 V以及420 V之中進行選擇。

根據(jù)蓄電池的容量公式

式中，為所需蓄電池提供的最大功率，為蓄電池的放電電壓，為放電的時間。

15 kW為電動機額定功率，由于電機的轉(zhuǎn)矩=1.4～2.2T，T為額定轉(zhuǎn)矩，電機啟動過程中轉(zhuǎn)速是從0逐漸變到額定轉(zhuǎn)速的，如式(5)所示

由式(5)可知，取為最大額定轉(zhuǎn)速時，有=1.4～2.2P，因此保守估計啟動功率為額定功率的2.2倍。152.7 kW為Aspen模擬所得壓氣機耗功，在計算時先選用最大的功率進行計算；時間=1 min取自燃氣輪機轉(zhuǎn)速平穩(wěn)時間。

對于蓄電池模塊影響的主要參數(shù)有3個，蓄電池充電效率1取0.95、溫度系數(shù)2取0.55，老化系數(shù)3取0.8。因此：

為了能夠在為電動機提供初始電流的同時對用戶端持續(xù)供電，蓄電池的容量需要額外的增加15%份額（15%取自于列車儲能系統(tǒng)的要求參數(shù)，屬高級參數(shù)要求），因此最終電池的容量如式(7)所示

由式(7)可知，需要的蓄電池組的最大容量取22.23 A·h。

考慮到蓄電池均有容量儲備，且線路、啟動電機等均會造成損耗，為使發(fā)動機可靠啟動，容量的范圍應滿足式(8)[5]

綜上所述，蓄電池組需要滿足的參數(shù)是電壓參數(shù)在384 V、396 V、408 V以及420 V之間進行選擇，容量參數(shù)在19.74～22.23 A·h。

3 儲能子系統(tǒng)對微型冷熱電聯(lián)供系統(tǒng) 的影響

3.1 效率提升

根據(jù)所得蓄電池組電壓與容量參數(shù)，可以得出蓄電池組單位時間最低供電量為

分布式冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)理論能源利用率如式(10)所示[6]

式中，1為系統(tǒng)單位時間內(nèi)實際產(chǎn)生的電量，2與3分別為單位時間內(nèi)的供冷量與供熱量，gas為單位時間內(nèi)消耗的天然氣所對應的能量。

加入儲能子系統(tǒng)后，系統(tǒng)維持穩(wěn)定運行，其供冷量與供熱量按照Aspen模擬理論值運行，但實際產(chǎn)生的電量中加入了儲能子系統(tǒng)本身的電量，即1中加入儲能子系統(tǒng)供電量。因此，加入儲能系統(tǒng)后

由式(11)可知，加入儲能子系統(tǒng)后，分布式冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)能源利用率增大，對系統(tǒng)性能有所提升。

3.2 穩(wěn)定性提升

隨機性是分布式冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)對用戶端造成不利影響的本質(zhì)原因。根據(jù)用戶端一天需求電量繪制出微型移動式冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)理論供電與實際供電對比圖，如圖4所示[7]。

系統(tǒng)理論供電曲線即代表用戶端供電需求量。由于系統(tǒng)本身的波動，實際供電曲線出現(xiàn)高低不平的情況。為了使系統(tǒng)輸出與用戶端需求量相匹配，儲能子系統(tǒng)的加入便起到極大的作用：在實際供電量大于所需電量時進行自身的充電，儲存多余的電量；在實際供電量小于所需電量時放電，滿足所需電量。

根據(jù)3.1節(jié)中關(guān)于儲能子系統(tǒng)的計算，在系統(tǒng)中加入蓄電池組單位時間的最低供電功率為8.54 kW。在儲能系統(tǒng)的作用下，微型移動式冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)的理論供電與實際供電對比如圖5所示。

對比可知，加入儲能子系統(tǒng)后，其充放電過程對微型移動式冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)的運行有極大的補償作用，對系統(tǒng)的穩(wěn)定性有極大地提升。

4 結(jié) 論

將儲能子系統(tǒng)加入微型移動式冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)中，不僅為電動機提供初始的電壓和電流，保證系統(tǒng)的初始運行狀態(tài)，而且起到控制系統(tǒng)的運行特性、增強系統(tǒng)的可靠性、平抑功率波動、提高系統(tǒng)電壓和頻率質(zhì)量的作用，同時增大了系統(tǒng)能源利用率，提升系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性，更加符合分布式能源多級利用的核心宗旨。

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The effect of an energy storage unit on the performance micro CCHP systems

LIU Qiannan, FU Zhongguang, BIAN Jichao

(School of Energy Power and Mechanical Engineering, North China Electric Power University, Beijing 102206, China)

Distributed combined cooling heating and power (CCHP) systems can be regarded as an extension of traditional distributed energy supply system. A CCHP system not only inherits the advantages of the traditional system, but also bring other benefits such as overall energy efficiency and system economy. We consider the use of an energy storage unit in the CCHP system to ensure the system to maintain the energy output and the load demand match, on top of the ability of supplying cold, heat, and electricity load, while maintaining high efficiency. In this paper, the role of the energy storage unit in distributed CCHP systems are discussed and quantified using simulation tools. The results confirmed that the use of an energy storage unit helps enhance the system stability and efficiency.

combined cooling; energy storage; battery; numerical calculation

10.3969/j.issn.2095-4239.2015.06.010

TK 02

A

2095-4239（2015）06-622-05

2015-05-25；修改稿日期：2015-06-19?；痦椖浚簢铱萍贾斡媱濏椖浚?012BAA11B02）。第一作者：劉倩囡（1990—），女，碩士研究生，主要研究方向為分布式能源及儲能系統(tǒng)，E-mail：lilylqn007@163.com；通訊聯(lián)系人：付忠廣，教授，研究方向為電站機組運行優(yōu)化、復雜熱力系統(tǒng)建模方法，E-mail：fzg@ncepu.edu.cn。