面向多能協(xié)同園區(qū)的能源綜合利用率指標(biāo)

薛屹洵 ，郭慶來(lái) ，孫宏斌 ，沈欣煒，湯 磊

（1.清華大學(xué) 電機(jī)工程與應(yīng)用電子技術(shù)系，北京 100084；2.清華-伯克利深圳學(xué)院，廣東 深圳 518000；3.北京清大高科系統(tǒng)控制有限公司，北京 102208）

0 引言

能源是人類賴以生存和發(fā)展的基礎(chǔ)，是關(guān)系到國(guó)家安全穩(wěn)定、國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的根本戰(zhàn)略資源。近年來(lái)，我國(guó)在能源領(lǐng)域發(fā)展迅速，但仍面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。在源側(cè)，2015年我國(guó)平均棄風(fēng)率達(dá)到15%，西北部分地區(qū)平均棄光率則高達(dá)30%，棄風(fēng)棄光問(wèn)題嚴(yán)重。在用能側(cè)，2011年中國(guó)單位GDP是世界平均水平的2.5倍，能源利用效率低下成為阻礙中國(guó)經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型的重要問(wèn)題［1］。隨著中央提出推動(dòng)我國(guó)能源生產(chǎn)與消費(fèi)革命，促進(jìn)可再生能源消納、提升社會(huì)用能效率，成為我國(guó)能源發(fā)展的當(dāng)務(wù)之急。

面對(duì)當(dāng)今能源發(fā)展的諸多問(wèn)題，綜合能源系統(tǒng)成為適應(yīng)我國(guó)能源領(lǐng)域變革、確保社會(huì)用能安全和長(zhǎng)治久安的必經(jīng)之路。根據(jù)地理因素，綜合能源系統(tǒng)可分為跨區(qū)級(jí)、園區(qū)級(jí)和用戶級(jí)［2］。其中，多能協(xié)同園區(qū)是其在地域分布與功能實(shí)現(xiàn)的具體體現(xiàn)。目前，綜合能源系統(tǒng)在我國(guó)迅速發(fā)展，建立了一系列園區(qū)級(jí)示范工程，如天津中新生態(tài)城、上海崇明島、上海迪士尼度假園區(qū)等。綜合能源系統(tǒng)已成為國(guó)際學(xué)術(shù)界關(guān)注的新焦點(diǎn)，而多能協(xié)同園區(qū)亦成為產(chǎn)業(yè)界的又一前沿發(fā)展方向與重要課題［3］。

綜合能源系統(tǒng)的核心在于其將多種類型能源的源、網(wǎng)、荷深度融合，通過(guò)多能互補(bǔ)協(xié)同及能量梯級(jí)利用，促進(jìn)可再生能源的消納，實(shí)現(xiàn)能源的清潔高效供給［4］。然而，如何在規(guī)劃、運(yùn)行等階段合理地應(yīng)用與評(píng)估其低碳、高效的核心特點(diǎn)，體現(xiàn)其相對(duì)于傳統(tǒng)分供能源系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)，是多能協(xié)同園區(qū)在進(jìn)一步工程實(shí)踐中亟需解決的問(wèn)題。而應(yīng)對(duì)這一問(wèn)題，提出合理評(píng)價(jià)多能協(xié)同園區(qū)能效水平，同時(shí)能體現(xiàn)其低碳、高效核心特征，有助于園區(qū)消納可再生能源并減少非可再生能源消耗的指標(biāo)，正是本文所要解決的。

目前，有關(guān)能效評(píng)估指標(biāo)的研究可分為基于熱力學(xué)第一定律和熱力學(xué)第二定律2類，且多為“效率”指標(biāo)，即數(shù)值介于0與1之間。一次能源利用率是基于熱力學(xué)第一定律的典型指標(biāo)，其側(cè)重于能量的數(shù)量。Sun［5］等人通過(guò)一次能源利用率分析比較冷熱電聯(lián)供（CCHP）系統(tǒng)與分供系統(tǒng)在能源利用方面的優(yōu)勢(shì)，結(jié)果表明CCHP系統(tǒng)的一次能源利用率比分供系統(tǒng)高35%。Santo［6］以一次能源利用率最高為優(yōu)化目標(biāo)，分析了以內(nèi)燃機(jī)作為驅(qū)動(dòng)裝置的CCHP系統(tǒng)的運(yùn)行情況，并預(yù)測(cè)出基于2種不同運(yùn)行模式下系統(tǒng)的指標(biāo)特性。除一次能源利用率外，Hui Li［7］等人將一次能源節(jié)約率這一指標(biāo)作為評(píng)價(jià)指標(biāo)來(lái)對(duì)比分析CCHP系統(tǒng)和分供系統(tǒng)的一次能源利用情況，這一方法主要是通過(guò)與分供系統(tǒng)的對(duì)比來(lái)反映聯(lián)供的節(jié)能優(yōu)勢(shì)。但一次能源節(jié)約率為相對(duì)性指標(biāo)，其通過(guò)比較分供與CCHP一次能源耗量的差異以評(píng)估聯(lián)供的能效，受分供參考系統(tǒng)參數(shù)的影響較大。

除第一定律外，炯用效率是基于熱力學(xué)第二定律的能效評(píng)估指標(biāo)，其側(cè)重于不同能量轉(zhuǎn)化為寂態(tài)的最大做功能力。 Ebmhimi［8］等人選取炯用效率為評(píng)價(jià)指標(biāo)，分析了住宅建筑CCHP系統(tǒng)中各環(huán)節(jié)的炯用損失。Huangfu［9］人等則重點(diǎn)分析了微型CCHP系統(tǒng)的一次能源利用率和炯用效率，并得出結(jié)論采用高效燃?xì)廨啓C(jī)對(duì)CCHP的優(yōu)化運(yùn)行起到重要的作用。炯用效率忽視了炯無(wú)的作用，且結(jié)果受參考系影響很大，目前研究也多集中于CCHP系統(tǒng)。

除指標(biāo)所固有的問(wèn)題外，上述能效指標(biāo)主要是針對(duì)CCHP系統(tǒng)的評(píng)估。而針對(duì)多能協(xié)同園區(qū)，其能效評(píng)估存在一系列新的問(wèn)題：（1）與CCHP不同，綜合能源園區(qū)的能流關(guān)系復(fù)雜，其能量輸入不再限于燃?xì)?、煤炭等一次能源；?）熱泵、電制冷機(jī)等能效比（COP）超過(guò)1的設(shè)備的廣泛應(yīng)用使得“效率”評(píng)估必須考慮空氣中熱能等能量的輸入，而考慮空氣中熱能的利用程度并無(wú)實(shí)際意義；（3）綜合能源系統(tǒng)能效評(píng)估的意義在于指導(dǎo)其提高可再生能源的消納率、降低非可再生能源的利用量，因此僅僅細(xì)化傳統(tǒng)一次能源利用率以反映對(duì)一次能源的利用效率缺乏實(shí)際意義。

針對(duì)上述問(wèn)題，本文分析了傳統(tǒng)能效評(píng)估方法存在的問(wèn)題，考慮園區(qū)級(jí)綜合能量系統(tǒng)多能流特征及可再生能源接入的影響，提出了適用于園區(qū)能效評(píng)估的能源綜合利用率指標(biāo)。該指標(biāo)并非一次能源利用率的細(xì)化或簡(jiǎn)單推廣，其在考慮園區(qū)多能流特性的同時(shí)，引入了能源不可再生系數(shù)，并將外購(gòu)電依照滲透率折算為對(duì)應(yīng)的一次能源。該指標(biāo)反映了園區(qū)對(duì)于不可再生能源的利用率和對(duì)可再生能源的消納水平。相對(duì)于傳統(tǒng)指標(biāo)，本文的創(chuàng)新之處在于：（1）傳統(tǒng)指標(biāo)僅適用于CCHP設(shè)備，本文提出了適用于園區(qū)能效評(píng)估的能源綜合利用率指標(biāo)；（2）區(qū)別于傳統(tǒng)指標(biāo)，所提指標(biāo)綜合反映了園區(qū)對(duì)于可再生能源的消納率及不可再生能源的利用水平，從而可促進(jìn)園區(qū)的低碳、高效供能；算例中進(jìn)一步驗(yàn)證了所提指標(biāo)在多能協(xié)同園區(qū)不同運(yùn)行模式下的有效性，并以優(yōu)化調(diào)度為工具探討了不同目標(biāo)函數(shù)對(duì)調(diào)度策略的影響，以及為提升園區(qū)能源綜合利用率，合理定價(jià)的必要性。

1 多能協(xié)同園區(qū)能效評(píng)估

現(xiàn)有的評(píng)估指標(biāo)僅適用于CCHP設(shè)備，未考慮到多能協(xié)同園區(qū)多能流特性及其能效評(píng)估的實(shí)際意義。針對(duì)這一問(wèn)題，本文旨在從第三方的角度出發(fā)，考慮綜合能源系統(tǒng)的多能流特性，提出合理評(píng)價(jià)多能協(xié)同園區(qū)的能效水平，同時(shí)能體現(xiàn)其低碳、高效核心特征，有助于園區(qū)消納可再生能源并減少非可再生能源消耗的指標(biāo)。

對(duì)于多能協(xié)同園區(qū)，其輸入輸出能流組成如圖1所示。其中，輸出能量為冷、熱、電負(fù)荷，輸入能量包含來(lái)自電網(wǎng)的外購(gòu)電能、本地接入的可再生電能以及煤炭或天然氣等能源。進(jìn)一步，外購(gòu)電能可根據(jù)其來(lái)源劃分為燃煤發(fā)電、燃?xì)獍l(fā)電及可再生能源發(fā)電等。因此，該園區(qū)接入的可再生能源包含兩部分：一部分通過(guò)電網(wǎng)接入，另一部分為本地可再生能源，不通過(guò)大電網(wǎng)直接接入。

圖1 多能協(xié)同園區(qū)能流輸入輸出組成Fig.1 Input and output energy flows of park-levelmulti-energy cooperation

結(jié)合圖1，以T為評(píng)估周期，將多能協(xié)同園區(qū)能量輸入按是否來(lái)自外部電網(wǎng)分為購(gòu)電能量Egrid，T與其他能量Eother，T兩部分?？紤]到可再生能源接入的影響及園區(qū)多能流特性，提出能源綜合利用率指標(biāo)，其定義如下：

其中，η 為園區(qū)能源綜合利用率；PL，T、CL，T、QL，T分別為園區(qū)在T時(shí)段內(nèi)的供電、供冷與供熱量，單位為kJ；PL（t）、CL（t）、QL（t）為 t時(shí)刻園區(qū)電、冷、熱負(fù)荷功率，單位為kW；下標(biāo)re、coal、gas分別表示能量來(lái)源為可再生能源、煤炭、天然氣，下同；ξ為能源不可再生系數(shù)，對(duì)于可再生能源該值為0，不可再生能源為1；υ（t）為t時(shí)刻外購(gòu)電中不同一次能源來(lái)源的滲透率；λ為相應(yīng)機(jī)組發(fā)電效率；Pbuy（t）為t時(shí)刻園區(qū)購(gòu)入電網(wǎng)電能功率，單位為kW；Pre（t）為t時(shí)刻園區(qū)不經(jīng)電網(wǎng)所接入的可再生能源功率，單位為kW；F（t）為所消耗相應(yīng)燃料的低位熱值，單位為kJ。

由式（1）可知，該指標(biāo)著眼于整體評(píng)價(jià)園區(qū)對(duì)一次能源中不可再生部分的利用情況，其不考慮園區(qū)內(nèi)部能流轉(zhuǎn)換關(guān)系。如園區(qū)供電可能具有外購(gòu)電能、CCHP發(fā)電等多種來(lái)源，供冷量與供熱量同理。

考慮到能效評(píng)估主要是針對(duì)煤、天然氣等不可再生能源，對(duì)僅由可再生能源供能的系統(tǒng)進(jìn)行能效評(píng)估并無(wú)實(shí)際意義。因此本文定義了能源不可再生系數(shù)ξ來(lái)描述能源的不可再生程度，將外購(gòu)電網(wǎng)電能Egrid，T根據(jù)其來(lái)源按滲透率細(xì)分為可再生能源電能、燃?xì)獍l(fā)電、燃煤發(fā)電，并將各部分按照對(duì)應(yīng)機(jī)組發(fā)電效率折算到發(fā)電側(cè)。

由式（1）—（6）可知：（1）對(duì)于多能協(xié)同園區(qū)，在一定負(fù)荷下，其一次能源綜合利用率越高，則對(duì)應(yīng)的非可再生一次能源耗量越低，兩者具有一致性；（2）對(duì)于高比例可再生能源滲透的綜合能源系統(tǒng)，隨著其可再生能源消納量的增加，在負(fù)荷一定的情況下，其所消耗的非可再生一次能源也會(huì)相應(yīng)降低，從而使其能源綜合利用率提高，即該指標(biāo)可反映園區(qū)對(duì)于可再生能源的消納水平。

綜合以上分析，與傳統(tǒng)指標(biāo)不同，該指標(biāo)考慮綜合能源系統(tǒng)多能流特性及可再生能源接入的影響，綜合反映了園區(qū)對(duì)非可再生一次能源的利用水平及對(duì)可再生能源的消納率，可體現(xiàn)綜合能源系統(tǒng)低碳、高效的核心特征，為綜合能源園區(qū)規(guī)劃、調(diào)度方案的確定與評(píng)估提供參考。

2 對(duì)能源綜合利用率的討論

2.1 能源綜合利用率與其他能效指標(biāo)的比較

現(xiàn)有能效評(píng)估指標(biāo)依據(jù)其計(jì)算原理可分為3類：第1類指標(biāo)依據(jù)熱力學(xué)第一定律，以能量守恒關(guān)系進(jìn)行計(jì)算，包括一次能源利用率、一次能源節(jié)約率及本文所提出的能源綜合利用率；第2類指標(biāo)依據(jù)熱力學(xué)第二定律，以炯用來(lái)描述不同能量的質(zhì)量，主要為炯用效率；第3類指標(biāo)結(jié)合熱力學(xué)第一定律與第二定律，將炯用與炯無(wú)結(jié)合，含PURPA效率等。以坐標(biāo)圖形式進(jìn)行示意，評(píng)價(jià)指標(biāo)機(jī)理架構(gòu)如圖2所示。

圖2 評(píng)價(jià)指標(biāo)機(jī)理架構(gòu)Fig.2 Architecture of evaluation index mechanism

2.1.1 不同類別指標(biāo)對(duì)比

基于熱力學(xué)第一定律的各類指標(biāo)著眼于能量守恒，從能量數(shù)量角度進(jìn)行能效評(píng)估，其評(píng)估結(jié)果范圍一般為0～100%。而基于熱力學(xué)第二定律的各類指標(biāo)著眼于能量品質(zhì)，從炯用的角度評(píng)估能量傳遞與轉(zhuǎn)換過(guò)程中質(zhì)量的損失。燃料炯用與電炯用約等于其本身能量，而對(duì)熱與冷，熱量炯用ExQ和冷量炯用ExC的計(jì)算方法［6］如下：

其中，Te0、Te分別為參考環(huán)境寂態(tài)溫度與工質(zhì)本身溫度；QH、QC為工質(zhì)中的熱力學(xué)能。

炯用描述了系統(tǒng)達(dá)到熱力學(xué)寂態(tài)所能做出的最大有效功。 結(jié)合式（7）、（8）可知，冷、熱炯用受參考的環(huán)境寂態(tài)溫度影響極大，其炯用值遠(yuǎn)小于電炯用與燃料炯用。由于冷、熱的低炯用值特點(diǎn)，一般CCHP的炯用效率在50%以下。

結(jié)合以上分析，基于熱力學(xué)第一定律與基于熱力學(xué)第二定律的2類指標(biāo)著眼點(diǎn)不同，因此不具備可比性。而考慮到炯用效率評(píng)估側(cè)重于做功能力，與園區(qū)冷、熱的實(shí)際用途并不符合，且其受參考系影響較大，因此目前的能效評(píng)估中較多地采用了第1類指標(biāo)。

2.1.2 基于熱力學(xué)第一定律的指標(biāo)對(duì)比

在各類能效指標(biāo)中，應(yīng)用最為廣泛的是基于熱力學(xué)定律的一次能源利用率、一次能源節(jié)約率等指標(biāo)。本文提出的能源綜合利用率也屬于這一類指標(biāo)。

一次能源節(jié)約率為相對(duì)性指標(biāo)，其通過(guò)比較分供與CCHP一次能源耗量的差異以評(píng)估聯(lián)供的能效。對(duì)于多能協(xié)同園區(qū)，由于其運(yùn)行方式多樣，可能僅以CCHP供能，也可能分別以燃?xì)忮仩t供熱、電制冷機(jī)供冷，即其可能包含分供與聯(lián)供等多種運(yùn)行模式，因此該相對(duì)性指標(biāo)無(wú)法適用。一次能源利用率為CCHP供能量與輸入一次能源量的直接比值，未考慮園區(qū)綜合能源系統(tǒng)的多能流特性。該指標(biāo)可直接推廣至園區(qū)能效評(píng)估，但其無(wú)法體現(xiàn)可再生能源接入產(chǎn)生的能效影響。

由式（1）—（6）知，能源綜合利用率在考慮園區(qū)多能流特性的同時(shí)引入能源不可再生系數(shù)，可評(píng)估不同類型、不同運(yùn)行方式下的園區(qū)綜合能源系統(tǒng)。

2.2 能源綜合利用率與經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)的比較

實(shí)際中園區(qū)運(yùn)行常以經(jīng)濟(jì)性來(lái)評(píng)估，即評(píng)估園區(qū)在一定周期內(nèi)的總運(yùn)行成本，其計(jì)算表達(dá)如下：

其中，Ctotal、CEle、CLng分別為園區(qū)總運(yùn)行成本、總外購(gòu)電費(fèi)用、總購(gòu)氣費(fèi)用；rLng為單位體積燃?xì)鈨r(jià)格；VGT、VB分別為總?cè)細(xì)獍l(fā)電機(jī)耗氣量和總?cè)細(xì)忮仩t耗氣量；NGT、NB分別為燃?xì)獍l(fā)電機(jī)、燃?xì)忮仩t的數(shù)目；VLH為單位燃?xì)獾牡臀粺嶂怠?/p>

將（1）—（6）與式（9）—（12）進(jìn)行對(duì)比可發(fā)現(xiàn)，園區(qū)運(yùn)行成本與其購(gòu)電量、煤耗及氣耗量正相關(guān)，而能源綜合利用率則與其購(gòu)入的不可再生電能、煤耗及氣耗量負(fù)相關(guān)，因此低運(yùn)行成本與高能源綜合利用率具有一定的一致性。

3 算例分析

以上海某園區(qū)實(shí)際數(shù)據(jù)為例進(jìn)行分析。該園區(qū)由商業(yè)區(qū)、工業(yè)區(qū)、住宅區(qū)3類負(fù)荷區(qū)域組成，各區(qū)域均有冷、熱、電負(fù)荷需求。園區(qū)負(fù)荷由臨近的2個(gè)能源站供給，每個(gè)能源站均配置CCHP裝置、燃?xì)忮仩t與電制冷機(jī)，同時(shí)園區(qū)內(nèi)建設(shè)有風(fēng)機(jī)、光伏等可再生能源，能源站設(shè)備能流如圖3所示。各設(shè)備模型參考文獻(xiàn)［10］，參數(shù)如表1所示。根據(jù)協(xié)議，該園區(qū)僅能向電網(wǎng)購(gòu)電，其電能反送受阻。

圖3 能源站設(shè)備能流圖Fig.3 Energy flows of devices in energy station

表1 能源站主要設(shè)備參數(shù)與數(shù)值Table 1 Parameters of main devices in energy station

冷、熱、電負(fù)荷參考該區(qū)域夏、冬季典型負(fù)荷數(shù)據(jù)，風(fēng)電、光伏出力分別按照兩季節(jié)預(yù)測(cè)值進(jìn)行計(jì)算，具體數(shù)據(jù)分別如圖4、圖5所示。該區(qū)域電網(wǎng)可再生電能滲透率取為0.25。

夏季氣溫高，日照時(shí)間長(zhǎng)、強(qiáng)度大，對(duì)冷負(fù)荷需求較大，熱負(fù)荷相對(duì)較小。但工業(yè)及商業(yè)負(fù)荷的需求依然存在一定的熱負(fù)荷。

冬季氣溫低，日照時(shí)間、強(qiáng)度都較夏季低，熱負(fù)荷需求大，冷負(fù)荷低。同時(shí)冬季光伏出力也比夏季低。

3.1 算例1

圖4 夏季冷熱電負(fù)荷及風(fēng)電、光伏預(yù)測(cè)值Fig.4 Typical heat，cooling and power loads and predicted wind and solar power outputs for summer

圖5 冬季冷熱電負(fù)荷及風(fēng)電、光伏預(yù)測(cè)值Fig.5 Typical heat，cooling and power loads and predicted wind and solar power outputs for winter

由上文知，能源綜合利用率與炯用效率等其他類指標(biāo)并無(wú)可比性，且一次能源節(jié)約率無(wú)法適用于多能協(xié)同園區(qū)。因此該算例將傳統(tǒng)的一次能源利用率細(xì)化推廣應(yīng)用于多能協(xié)同園區(qū)，利用其比較分供與聯(lián)供系統(tǒng)的能效差異，并與文中提出的一次綜合利用率的評(píng)估結(jié)果進(jìn)行比較。其中，分供模式是指園區(qū)按照傳統(tǒng)的冷、熱、電單獨(dú)供應(yīng)方式供能，即電能外購(gòu)，燃?xì)忮仩t供熱，電制冷機(jī)制冷；聯(lián)供模式是多能耦合互補(bǔ)的供能方式，通過(guò)余熱鍋爐再利用燃?xì)廨啓C(jī)產(chǎn)生的高品位廢熱，同時(shí)結(jié)合燃?xì)忮仩t等裝置保證負(fù)荷的用能需求。為準(zhǔn)確比較2類指標(biāo)的差異，此時(shí)不考慮風(fēng)電、光伏等新能源。

聯(lián)供模式運(yùn)行狀態(tài)參考該園區(qū)當(dāng)前“以熱定電”模式運(yùn)行數(shù)據(jù)，以24 h為評(píng)估周期，不同模式下的日能源綜合利用率及一次能源利用率計(jì)算結(jié)果見表2。

表2 聯(lián)供與分供模式能效對(duì)比Table 2 Comparison of energy efficiency between joint supply and separate supply

由表2可知，在冬季與夏季典型日，一次能源利用率與本文提出的能源綜合利用率對(duì)分供、聯(lián)供系統(tǒng)的評(píng)估結(jié)果完全相反。其原因在于多能協(xié)同園區(qū)的能源輸入除燃料外還包括電能等二次能源，若將這部分能量按傳統(tǒng)一次能源利用率的形式在分母簡(jiǎn)單求和，則該指標(biāo)無(wú)法體現(xiàn)出聯(lián)供模式運(yùn)行下能量梯級(jí)利用的優(yōu)勢(shì)，得出分供能效高于聯(lián)供的結(jié)果。

而能源綜合利用率將輸入園區(qū)的電能折算為發(fā)電側(cè)對(duì)應(yīng)的一次能源，以充分評(píng)估園區(qū)對(duì)一次能源的利用水平。其評(píng)估結(jié)果為聯(lián)供能效高于分供，該結(jié)果反映了多能聯(lián)合供應(yīng)通過(guò)不同品位的能量梯級(jí)利用可以實(shí)現(xiàn)能量的充分利用，與實(shí)際相符。進(jìn)而說(shuō)明：相比于傳統(tǒng)一次能源利用率的直接推廣，本文提出的能源綜合利用率指標(biāo)能夠反映聯(lián)供與分供的差異，體現(xiàn)多能聯(lián)供梯級(jí)利用的優(yōu)勢(shì)。

3.2 算例2

為分析不同目標(biāo)函數(shù)對(duì)調(diào)度策略的影響，結(jié)合上文中對(duì)該指標(biāo)與經(jīng)濟(jì)性關(guān)系的分析，分別以日運(yùn)行成本最低和能源綜合利用率最高為目標(biāo)函數(shù)對(duì)該園區(qū)在夏季典型日進(jìn)行優(yōu)化調(diào)度。約束條件包括設(shè)備出力約束、負(fù)荷平衡約束、爬坡約束［11-12］等。

比較不同目標(biāo)函數(shù)下的各時(shí)段外購(gòu)電功率及CCHP出力，結(jié)果如圖6—8所示。其中成本最低表示以運(yùn)行成本最低為目標(biāo)函數(shù)，能效最高表示目標(biāo)函數(shù)為能源綜合利用率最大。

圖6 不同目標(biāo)函數(shù)下外購(gòu)電功率Fig.6 Electric power purchase for different objective functions

圖7 不同目標(biāo)函數(shù)下燃機(jī)發(fā)電功率Fig.7 Power generation of gas turbine for different objective functions

圖8 不同目標(biāo)函數(shù)下燃?xì)忮仩t耗氣量Fig.8 Gas consumption of gas boiler for different objective functions

該園區(qū)夏季典型日全天的新能源消納率、能源綜合利用率及日運(yùn)行成本如表3所示。

表3 不同目標(biāo)下園區(qū)運(yùn)行指標(biāo)對(duì)比Table 3 Comparison of park-level operating indexes between two objective functions

由圖6—8可知，以能源綜合利用率最高為目標(biāo)函數(shù)時(shí)，園區(qū)外購(gòu)電功率近于0，燃?xì)忮仩t出力也基本為0，園區(qū)負(fù)荷通過(guò)CCHP供給。而以運(yùn)行成本最低為目標(biāo)時(shí)，在電價(jià)谷值段會(huì)大量外購(gòu)電能，造成的熱能缺額以燃?xì)忮仩t來(lái)補(bǔ)充；而在電價(jià)平端、峰值段兩者優(yōu)化調(diào)度的結(jié)果基本一致。

這一結(jié)果差異是由于在電價(jià)谷值段，從電網(wǎng)購(gòu)電成本低于燃?xì)獍l(fā)電機(jī)發(fā)電，因此以成本最優(yōu)為目標(biāo)會(huì)出現(xiàn)該時(shí)段電能的大量購(gòu)入。但由于電網(wǎng)中可再生能源電能滲透率僅占25%，且燃煤發(fā)電效率本身遠(yuǎn)低于CCHP機(jī)組，因此從節(jié)能角度會(huì)優(yōu)先采用CCHP發(fā)電。在電價(jià)平端、峰值段兩者結(jié)果一致則是該時(shí)段電價(jià)較高的結(jié)果。圖9給出了不同谷值電價(jià)下分別以成本最低和能效最高為目標(biāo)的外購(gòu)電網(wǎng)電量。

圖9 外購(gòu)電量與谷值電價(jià)關(guān)系Fig.9 Curve of electric power purchase vs.valley price

由圖9可知，以能效最高為目標(biāo)的調(diào)度結(jié)果不受谷值電價(jià)影響。而以成本最低為目標(biāo)時(shí)，隨谷值電價(jià)的提高，購(gòu)入電網(wǎng)電能會(huì)逐漸減少。當(dāng)谷值電價(jià)達(dá)到0.66元／（kW·h）以上后，能效最高與成本最低的外購(gòu)電量達(dá)到一致。這主要是因?yàn)閳@區(qū)的能源綜合利用率與電價(jià)無(wú)關(guān)，而當(dāng)谷值電價(jià)逐漸提高，以成本最低為目標(biāo)下園區(qū)會(huì)傾向于選擇更為經(jīng)濟(jì)的CCHP發(fā)電，趨向于能效最高。由于在實(shí)際中常以成本最低為目標(biāo)，這一結(jié)果說(shuō)明了通過(guò)電網(wǎng)合理定價(jià)，成本最低與能效最高可以趨于一致，反映了合理定價(jià)的必要性。

為進(jìn)一步分析兩指標(biāo)的關(guān)系，改變外購(gòu)電中可再生能源的滲透率，比較不同情況下能效最優(yōu)調(diào)度結(jié)果的差異，如圖10所示。

圖10 燃機(jī)發(fā)電量、外購(gòu)電量與可再生能源滲透率關(guān)系Fig.10 Curves of gas-turbine power generation and electric power purchase vs.renewable energy penetration rate

由圖10可知，以能效最優(yōu)為目標(biāo)的優(yōu)化調(diào)度結(jié)果與外購(gòu)電能中可再生能源滲透率密切相關(guān)。當(dāng)該滲透率達(dá)到0.35時(shí)，由于供應(yīng)相同負(fù)荷CCHP所消耗的不可再生能源與購(gòu)電基本一致，因此隨著電網(wǎng)中可再生能源電能滲透率的進(jìn)一步增大，相對(duì)于本地CCHP發(fā)電，電網(wǎng)中的電能更為清潔，因此園區(qū)會(huì)購(gòu)入更多的電網(wǎng)電能，其更多的負(fù)荷將由可再生能源供應(yīng)。

4 結(jié)論

a.本文分析了傳統(tǒng)能效評(píng)估方法存在的問(wèn)題，考慮園區(qū)級(jí)綜合能量系統(tǒng)多能流特點(diǎn)及可再生能源接入影響，提出了適用于多能協(xié)同園區(qū)能效評(píng)估的能源綜合利用率指標(biāo)。建立了能效評(píng)估指標(biāo)體系，分析比較了所提指標(biāo)與其他能效指標(biāo)的區(qū)別與聯(lián)系，討論了其與經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)的一致性。

b.本文結(jié)合上海某園區(qū)的實(shí)際數(shù)據(jù)進(jìn)行了算例分析。算例1表明，相比于傳統(tǒng)一次能源利用率的直接推廣，所提指標(biāo)能夠更加準(zhǔn)確地體現(xiàn)園區(qū)多能聯(lián)供、能量梯級(jí)利用的優(yōu)勢(shì)，有效評(píng)估園區(qū)在不同運(yùn)行模式下的能效；算例2表明，基于所提指標(biāo)的優(yōu)化調(diào)度與基于成本最低的調(diào)度策略在除電價(jià)谷值時(shí)段外具有一致性，且其一致性受電網(wǎng)中可再生能源滲透率影響。而通過(guò)適當(dāng)調(diào)整谷值電價(jià)，成本最低與能源綜合利用率最高的調(diào)度結(jié)果將趨于一致，反映了為促進(jìn)可再生能源消納，減少非可再生一次能源耗量，合理定價(jià)的必要性。

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