含光伏蓄電池的冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)運(yùn)行模式評(píng)估

薛新白

(合肥工業(yè)大學(xué)電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院，安徽合肥230009)

含光伏蓄電池的冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)運(yùn)行模式評(píng)估

薛新白

(合肥工業(yè)大學(xué)電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院，安徽合肥230009)

冷熱電聯(lián)供(CCHP)系統(tǒng)以其高效、清潔的特點(diǎn)而受到廣泛的關(guān)注。將作為清潔能源和可再生資源的太陽能加入聯(lián)供系統(tǒng)，可以進(jìn)一步緩解能源危機(jī)和環(huán)境污染問題。為了提高分布式電源并網(wǎng)的穩(wěn)定性，設(shè)計(jì)了一種可以平滑輸出功率的光伏蓄電池系統(tǒng)，并將其與傳統(tǒng)的CCHP系統(tǒng)相結(jié)合構(gòu)建了一個(gè)綜合型的聯(lián)供系統(tǒng)。在熱跟隨 (FTL)和電跟隨(FEL)兩種運(yùn)行模式下，考慮電動(dòng)汽車充電負(fù)荷的影響，評(píng)估環(huán)境成本和全壽命周期成本兩個(gè)指標(biāo)。

光伏蓄電池系統(tǒng);冷熱電聯(lián)供系統(tǒng);熱跟隨;電跟隨;模式評(píng)估

近年來隨著國民經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，我國的能源需求也日益增加，相對(duì)于美國等發(fā)達(dá)國家而言，我國的能源利用率較低[1]，導(dǎo)致能源危機(jī)、環(huán)境污染等問題日益嚴(yán)重。在這樣的背景下，以清潔能源為燃料，能實(shí)現(xiàn)能量梯級(jí)利用的冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)(Combined cooling heating and power system,CCHP)受到廣泛的關(guān)注[2-3]。太陽能是清潔能源和可再生資源，將太陽能加入聯(lián)供系統(tǒng)中，也可以在一定程度上緩解化石能源危機(jī)。電動(dòng)汽車(Electric vehicles,EVs)因具有環(huán)保、節(jié)能、經(jīng)濟(jì)的特點(diǎn)而受到了社會(huì)的廣泛關(guān)注[4-5]，在聯(lián)供系統(tǒng)中考慮電動(dòng)汽車的充電負(fù)荷影響，具有合理性。

文獻(xiàn) [6]設(shè)計(jì)了一只內(nèi)燃機(jī)驅(qū)動(dòng)和太陽能綜合利用的CCHP系統(tǒng)，基于全壽命周期法，對(duì)內(nèi)燃機(jī)的容量和光伏系統(tǒng)的容量進(jìn)行優(yōu)化配置；文獻(xiàn)[7]設(shè)計(jì)了一種與小型生物質(zhì)沼氣相結(jié)合的CCHP系統(tǒng)，同時(shí)考慮了能源、環(huán)境和經(jīng)濟(jì)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)；文獻(xiàn)[8]將CCHP系統(tǒng)與儲(chǔ)能系統(tǒng)相結(jié)合，達(dá)到平抑內(nèi)燃機(jī)輸出功率波動(dòng)的效果。

本文設(shè)計(jì)了一種可以平滑太陽能輸出功率的光伏蓄電池系統(tǒng)，并將光伏蓄電池系統(tǒng)和天然氣驅(qū)動(dòng)的傳統(tǒng)CCHP系統(tǒng)相結(jié)合，考慮電動(dòng)汽車充電負(fù)荷的影響，設(shè)計(jì)了一個(gè)綜合型CCHP系統(tǒng)。在熱跟隨(Following the thermal load,FTL)和電跟隨(Following the electric load,FEL)兩種運(yùn)行模式下，基于環(huán)境成本和全壽命周期成本(Life cycle cost,LCC)對(duì)已建立的系統(tǒng)進(jìn)行運(yùn)行模式評(píng)估。

1 光伏蓄電池系統(tǒng)

太陽能屬于不可控的分布式電源，其發(fā)電出力一直處于波動(dòng)狀態(tài)，采用蓄電池平滑與太陽電池板出力，可以降低太陽能出力的隨機(jī)性，提供分布式電源并網(wǎng)的穩(wěn)定性[9-10]。本文所研究的光伏蓄電池系統(tǒng)由太陽電池板利用光生伏特效應(yīng)將光能轉(zhuǎn)換為電能并輸出，當(dāng)太陽電池板的發(fā)電量大于電動(dòng)汽車的充電負(fù)荷需求時(shí)，蓄電池進(jìn)行充電，當(dāng)發(fā)電量小于電動(dòng)汽車的負(fù)荷需求時(shí)，蓄電池放電。

1.1 光伏系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型

太陽電池板的電功率表達(dá)式為：

式中：PPV(t)為太陽電池每小時(shí)發(fā)出的功率，kW；G(t)為每小時(shí)光照強(qiáng)度，kW；Pstc為太陽電池的額定輸出功率，kW；Gstc、Tstc分別為標(biāo)準(zhǔn)測試環(huán)境下的光照強(qiáng)度(取1 kW/m2)、太陽電池溫度(取 25℃)；k為溫度系數(shù)；T(t)為太陽電池表面溫度；Tair(t)為環(huán)境溫度；Vwind為風(fēng)速。

1.2 蓄電池的數(shù)學(xué)模型

1.2.1 蓄電池的充放電功率模型

使用鉛酸蓄電池作為儲(chǔ)能介質(zhì)，其剩余電量在充放電過程中的表達(dá)式為：

充電過程：

放電過程：

式中：Eba(t)為蓄電池在t時(shí)段結(jié)束后的剩余電量，kWh；σ為蓄電池的自放電率，%/h；Pba(t)為蓄電池在t時(shí)段的充放電功率，kW；ηc為蓄電池的充電效率；ηdisc為蓄電池的放電效率；Δt為每個(gè)時(shí)段的間隔，h。

1.2.2 蓄電池充放電功率約束

蓄電池t時(shí)刻的最大允許充放電功率由其自身的充放電特性和t時(shí)刻的剩余電量所決定，其表達(dá)式如下：充電過程：

式中：Pba_limit_c(t)、Pba_limit_dis(t)分別為蓄電池t時(shí)刻最大允許的充放電功率，kW；Pbamax_c、Pbamax_dis分別為蓄電池額定最大充放電功率，kW；Ebamax、Ebamin分別為蓄電池電量約束的上下限。

1.2.3 蓄電池的容量計(jì)算

蓄電池的容量計(jì)算如式(7)～(8)所示：

式中：Cba為蓄電池的安裝容量；emax為最大補(bǔ)償功率的絕對(duì)值；T為自給天數(shù)；VDC為直流母線標(biāo)稱電壓；η1為逆變器效率；η2為電池充放電效率；S為放電深度；K為溫度修正系數(shù)；yk為每個(gè)時(shí)段太陽電池板的實(shí)際輸出功率；u為太陽電池板的期望輸出功率。

1.2.4 光伏蓄電池系統(tǒng)的輸出功率曲線

根據(jù)公式(3)～(10)得出光伏蓄電池系統(tǒng)的輸出功率曲線，選取一年一月份的某日24 h為例，做出功率曲線如圖1。

圖1中黑色實(shí)線是太陽電池板的輸出功率，紅色實(shí)線是光伏蓄電池系統(tǒng)的輸出功率，陰影部分是蓄電池的充放電功率。由圖1可知，通過蓄電池的充放電調(diào)節(jié)，可以達(dá)到光伏電池板功率的平滑輸出。

2 燃?xì)廨啓C(jī)

燃?xì)廨啓C(jī)作為整個(gè)CCHP系統(tǒng)中的主要?jiǎng)恿υO(shè)備，其成本占整個(gè)系統(tǒng)的40%左右，由于燃?xì)廨啓C(jī)輔機(jī)的成本隨著燃?xì)廨啓C(jī)規(guī)模的增大而明顯下降，所以燃?xì)廨啓C(jī)單位容量造價(jià)也隨其容量增加整體呈下降趨勢。

圖1 光伏蓄電池系統(tǒng)的輸出功率

燃?xì)廨啓C(jī)的制電效率和制熱效率與其負(fù)載率有關(guān)，圖2為不同負(fù)載率下的燃?xì)廨啓C(jī)制電效率和制熱效率的變化曲線。

圖2 燃?xì)廨啓C(jī)的制電和制熱效率

從圖2中可以看出，燃?xì)廨啓C(jī)的制電效率隨著負(fù)載率的增大而增加，而制熱效率隨著負(fù)載率的增大而減小。同時(shí)制電效率始終低于制熱效率。

3 系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)與分析

大型賓館全年有穩(wěn)定的冷熱電負(fù)荷需求，故以其為對(duì)象設(shè)計(jì)含光伏蓄電池系統(tǒng)的CCHP系統(tǒng)。含光伏蓄電池系統(tǒng)的冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)能量流圖如圖3所示。

圖3 冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)的能量流圖

如圖3所示，本文研究的冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)由光伏蓄電池系統(tǒng)、30臺(tái)電動(dòng)汽車、微型燃?xì)廨啓C(jī)、燃?xì)忮仩t、余熱鍋爐、吸收式制冷機(jī)組成。電負(fù)荷Ee和電動(dòng)汽車充電所需的電能EEV和由大電網(wǎng)Egrid、燃?xì)廨啓C(jī)提供的電能Epgu以及光伏蓄電池系統(tǒng)產(chǎn)生的電能EPV滿足；冷負(fù)荷Qc由吸收式制冷機(jī)提供的Qab滿足；熱負(fù)荷Qh由燃?xì)忮仩t提供的Qgs和余熱鍋爐提供的Qre滿足。

4 系統(tǒng)的運(yùn)行模式分析

CCHP系統(tǒng)的性能很大程度上與運(yùn)行模式有關(guān)，對(duì)于微型燃?xì)廨啓C(jī)而言，目前最常見的兩種運(yùn)行模式為熱跟隨模式和電跟隨模式。本文也將基于這兩種模式對(duì)系統(tǒng)的效益進(jìn)行比較和優(yōu)化。

4.1 熱跟隨模式

熱跟隨模式即燃?xì)廨啓C(jī)的產(chǎn)能首先滿足熱負(fù)荷需求，此時(shí)冷負(fù)荷完全由吸收式制冷機(jī)供給。在此運(yùn)行模式下，電動(dòng)汽車充電負(fù)荷EEV疊加入電負(fù)荷Ee。燃?xì)廨啓C(jī)以天然氣作為燃料，將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為熱能Qpgu，其產(chǎn)生的高溫?zé)煔馑鶖y帶的能量被余熱鍋爐回收并輸出能量Qre，用于滿足熱負(fù)荷Qh和冷負(fù)荷Qc。燃?xì)廨啓C(jī)因此產(chǎn)生的電能Epgu，用于滿足所有電負(fù)荷(EEV+Ee)，不足部分先由光伏蓄電池系統(tǒng)產(chǎn)生的電能EPV補(bǔ)充，若EPV不能滿足，則由電網(wǎng)Egrid補(bǔ)充。

4.2 電跟隨模式

電跟隨模式即燃?xì)廨啓C(jī)的產(chǎn)能先滿足電負(fù)荷需求，此時(shí)系統(tǒng)不向大電網(wǎng)買電，所有負(fù)荷都由天然氣和太陽能供給。在此運(yùn)行模式下，電動(dòng)汽車充電負(fù)荷EEV疊加入電負(fù)荷Ee，同時(shí)燃?xì)廨啓C(jī)以天然氣作為燃料，光伏蓄電池系統(tǒng)產(chǎn)生的電能EPV和燃?xì)廨啓C(jī)產(chǎn)生電能Epgu，首先用于滿足所有電負(fù)荷EEV+Ee，燃?xì)廨啓C(jī)產(chǎn)生的高溫?zé)煔馑鶖y帶的能量被余熱鍋爐回收(Qre)，用于滿足熱負(fù)荷Qh和吸收式制冷機(jī)制冷所需要的能量Qbch，不足部分由作為系統(tǒng)補(bǔ)給部分的燃?xì)忮仩t補(bǔ)燃提供(Qgs)。

5 計(jì)及全壽命周期的評(píng)價(jià)指標(biāo)

CCHP作為一種復(fù)雜的能源系統(tǒng)，其評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)多種多樣，但多數(shù)分析是基于減少成本、提高經(jīng)濟(jì)性。在我國如今能源緊缺、霧霾嚴(yán)重的重要背景下，為了更科學(xué)地評(píng)價(jià)CCHP系統(tǒng)的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益，本文考慮了系統(tǒng)的環(huán)境成本和系統(tǒng)全壽命周期成本兩個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)。

5.1 環(huán)境成本費(fèi)用

系統(tǒng)的環(huán)境成本CEN是將發(fā)電所產(chǎn)生的污染物用一定標(biāo)準(zhǔn)的經(jīng)濟(jì)損失進(jìn)行衡量，主要包含發(fā)電污染物造成的環(huán)境損失和向有關(guān)部門繳納的排污費(fèi)。

式中：m為污染物類別；Vej為第j種污染物的環(huán)境價(jià)值；Vj為第j種污染物應(yīng)承擔(dān)的罰款；Qj為第j種污染物的排放量。

5.2 全壽命周期成本

全壽命周期成本YCOST是指系統(tǒng)內(nèi)的設(shè)備在其壽命周期內(nèi)，為其投資安裝、能源消耗、環(huán)境污染、運(yùn)行維護(hù)以及退役后回收的所有費(fèi)用之和。本文中全壽命周期成本YCOST包含一次能源購買成本CCH、系統(tǒng)的環(huán)境成本CEN、運(yùn)行維護(hù)成本COM和投資安裝成本CDC。

式中：Ce、Cf分別為電價(jià)和天然氣價(jià)格；Cc為二氧化碳排放稅；Comi為各個(gè)出力單元發(fā)出單位功率的運(yùn)行維護(hù)系數(shù)；Pik為各出力單元各時(shí)段發(fā)出的功率。

6 算例分析

6.1 算例系統(tǒng)

本文選取某賓館作為研究對(duì)象，太陽電池板安裝在屋頂，太陽能光伏電池板安裝在屋頂，屋頂面積為300 m2。假設(shè)賓館每天有30臺(tái)電動(dòng)汽車接入，單臺(tái)電池的容量為33.8 kWh，充電方式為無序充電。研究時(shí)間跨度為一年8 760個(gè)小時(shí)。假設(shè)每日電價(jià)不變，比較不同燃?xì)廨啓C(jī)容量下系統(tǒng)在熱跟隨和電跟隨兩個(gè)模式的環(huán)境和經(jīng)濟(jì)效益。

由蒙特卡洛模擬法可以模擬出30臺(tái)電動(dòng)汽車在無序充電的情況下，一年8 760個(gè)小時(shí)的負(fù)荷需求。選取一年一月份的某日24 h為例，做出負(fù)荷曲線如圖4。

圖4 電動(dòng)汽車的充電負(fù)荷曲線

由圖4可以看出電動(dòng)汽車的充電負(fù)荷在晚上18：00～22：00較大，符合一般私人電動(dòng)汽車車主在工作結(jié)束后對(duì)電動(dòng)汽車進(jìn)行充電的規(guī)律。

6.2 光伏蓄電池系統(tǒng)的影響

選取燃?xì)廨啓C(jī)為150 kW時(shí)，針對(duì)是否含光伏蓄電池系統(tǒng)，分別求出電跟隨和熱跟隨兩種運(yùn)行模式下的環(huán)境成本和全壽命周期成本，如圖5所示。

從圖5中可以看出，在兩種運(yùn)行模式下，整個(gè)CCHP系統(tǒng)包含光伏蓄電池系統(tǒng)時(shí)其環(huán)境指標(biāo)較優(yōu)，不含光伏蓄電池系統(tǒng)時(shí)其全壽命周期成本較優(yōu)。這是因?yàn)樘柲苁峭耆那鍧嵞茉矗粫?huì)產(chǎn)生任何環(huán)境成本，所以更為環(huán)保，但是其較高的安裝成本和隨之而來的運(yùn)行管理成本會(huì)使得全壽命周期成本增加，降低整個(gè)系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性。

圖5 環(huán)境成本和全壽命周期成本比較

6.3 環(huán)境指標(biāo)比較

選擇環(huán)境成本作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，隨著燃?xì)廨啓C(jī)額定容量的增加，不同模式下環(huán)境成本變化如圖6所示。從圖6中可以看出：電跟隨模式下的環(huán)境成本遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于熱跟隨模式下的環(huán)境成本。這是因?yàn)殡姼S模式中，冷、熱、電負(fù)荷全部由燃?xì)廨啓C(jī)及燃?xì)忮仩t提供，負(fù)荷需求全部由燃燒天然氣獲得，而天然氣是清潔能源，其污染物處理費(fèi)用以及環(huán)境懲罰費(fèi)用都大大低于電網(wǎng)燃煤所產(chǎn)生的費(fèi)用。

圖6 環(huán)境指標(biāo)

6.4 全壽命周期指標(biāo)比較

選擇全壽命周期成本作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，隨著燃?xì)廨啓C(jī)額定容量的增加，不同模式下的全壽命周期成本變化曲線如圖7所示。從圖7中可以看出：隨著燃?xì)廨啓C(jī)容量的增加，兩種模式下的全壽命周期成本都在增加。這是因?yàn)槿細(xì)廨啓C(jī)的設(shè)備投資成本占總成本的比重較大，雖然單位容量造價(jià)隨著額定容量的增加而減小，但是總成本依然是增加的；熱跟隨模式的全壽命周期成本在燃?xì)廨啓C(jī)容量較小時(shí)低于電跟隨模式，當(dāng)燃?xì)廨啓C(jī)額定容量增加時(shí)，又超過了電跟隨模式。這是因?yàn)楫?dāng)負(fù)荷需求不變時(shí)，隨著燃?xì)廨啓C(jī)容量增加，負(fù)載率不斷減小，燃?xì)廨啓C(jī)的制熱效率減小，制電效率不斷增加，熱跟隨模式下所消耗的天然氣量增加，而電跟隨模式下消耗的天然氣量減小，所以最終導(dǎo)致熱跟隨模式下的成本遠(yuǎn)大于電跟隨模式。

7 結(jié)語

本文建立了含光伏蓄電池系統(tǒng)和無序充電的電動(dòng)汽車的冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)，同時(shí)設(shè)定了熱跟隨和電跟隨兩種運(yùn)行模式，基于環(huán)境成本和全壽命周期成本兩個(gè)指標(biāo)對(duì)兩種運(yùn)行模式進(jìn)行評(píng)估。通過算例系統(tǒng)分析得出，光伏蓄電池系統(tǒng)較為環(huán)保，但是經(jīng)濟(jì)性差。在電跟隨模式下的環(huán)境指標(biāo)較優(yōu)，隨著燃?xì)廨啓C(jī)額定容量的增加，熱跟隨模式下的全壽命周期成本逐漸優(yōu)于電跟隨模式。

[1]王銳,顧偉,吳志.含可再生能源的熱電聯(lián)供型微網(wǎng)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行優(yōu)化[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化,2011,35(8):22-27.

[2]JIN H,MAGO P J,LUCK R,et al.Evaluation of CCHP systems performance based on operational cost primary energy consumption and carbon dioxide emission by utilizing an optimal operation scheme[J].Applied Energy,2009(89):2540-2549.

[3]周秋慧.天然氣冷熱電聯(lián)供能源系統(tǒng)運(yùn)行機(jī)制優(yōu)化分析[D].北京：北京交通大學(xué)，2014.

[4]吳紅斌,侯小凡,趙波,等.計(jì)及可入網(wǎng)電動(dòng)汽車的微網(wǎng)系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)調(diào)度[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化,2014,38(9)：78-84.

[5]LI J,ZHU S,ZHENG J,et al.Combined economic operation research of CCHP system and energy storage[C]//Information Science,Electronics and Electrical Engineering(ISEEE),2014 International Conference on.Sapporo,Japan：IEEE,2014:574-578.

[6]荊有印,白鶴,張建良.太陽能冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)的多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)與運(yùn)行策略分析[J].中國電機(jī)工程學(xué)報(bào),2012,32(20):82-87.

[7]魏大鈞，孫波，趙峰，等.小型生物質(zhì)沼氣冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)與運(yùn)行分析[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化,2015,39(12):7-12.

[8]KANG J E,RECKER W W.An activity-based assessment of the potential impacts of plug-in hybrid electric vehicles on energy and emissions using 1-day travel data[J].Transportation Research Part D,2009,14(8):541-556.

[9]GAVANIDOU E S,BAKIRTZIS A G.Design of a stand alone system with renewable energy sources using trade off methods[J].Energy Conversion IEEE Transactions on,1992,7(1):42-48.

[10]丁明，林根德，陳自年，等.一種適用于混合儲(chǔ)能系統(tǒng)的控制策略[J].中國電機(jī)工程學(xué)報(bào),2012,32(7):1-6.

Mode assessment of CCHP system with photovoltaic-battery system

XUE Xin-bai
(School of Electrical Engineering and Automation,Hefei University of Technology,Hefei Anhui 230009,China)

Combined cooling and heating system (CCHP) has attracted much attention with its efficient and clean features.To ease the energy crisis and environmental pollution problems,a clean and renewable resource solar is added to the cogeneration system.In order to improve the stability of distributed power grid,a photovoltaic-battery system was designed to smooth the output power.Combined the photovoltaic-battery system and traditional CCHP system,a comprehensive type of cogeneration system was built.Considering the impact of electric vehicle charging load,the environmental costs and life cycle costs were evaluated in following the electric load mode and following the thermal load mode.

photovoltaic-battery system;CCHP system;following electric load;following thermalload;mode assessment

TM 615

A

1002-087 X(2017)07-1035-04

2016-12-29

薛新白(1991—)，女，安徽省人，碩士生，主要研究方向?yàn)榉植际诫娫吹姆抡娼Ｅc能量管理。