基于太陽(yáng)能的CCHP系統(tǒng)的多目標(biāo)優(yōu)化

鄭 濤, 盛婷婷, 李 鑫, 桂少婷

(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)

基于太陽(yáng)能的CCHP系統(tǒng)的多目標(biāo)優(yōu)化

鄭 濤, 盛婷婷, 李 鑫, 桂少婷

(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)

在傳統(tǒng)的利用內(nèi)燃機(jī)驅(qū)動(dòng)的冷熱電三聯(lián)供(combined cooling,heating and power,CCHP)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上,文章提出了結(jié)合太陽(yáng)能發(fā)電和內(nèi)燃機(jī)聯(lián)合驅(qū)動(dòng)的新型冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)模型,并加入了儲(chǔ)能電池以提高可再生能源的利用率并克服太陽(yáng)能發(fā)電的缺點(diǎn);通過(guò)分析新型CCHP系統(tǒng)的能量流動(dòng)過(guò)程,針對(duì)該新型模型提出了基于該系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性、一次能源消耗量、用戶滿足度的多目標(biāo)優(yōu)化模型,以天然氣的使用量、向電網(wǎng)側(cè)的購(gòu)電量以及切除的負(fù)載數(shù)為優(yōu)化變量,使用字典序優(yōu)化算法對(duì)其進(jìn)行求解。

冷熱電三聯(lián)供(CCHP);字典序法;光伏發(fā)電;多目標(biāo);能量調(diào)度

0 引 言

冷熱電三聯(lián)供(combined cooling，heating and power,CCHP)系統(tǒng)主要是利用燃?xì)廨啓C(jī)或燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)燃燒清潔能源進(jìn)行發(fā)電,對(duì)發(fā)電做功后的余熱進(jìn)一步進(jìn)行回收,用來(lái)制冷、供暖和供應(yīng)生活熱水,它可以實(shí)現(xiàn)能源的梯級(jí)利用,相比于傳統(tǒng)分供(separation production,SP)系統(tǒng),CCHP具有能效高、污染少等特點(diǎn),受到廣泛的關(guān)注[1-4]。但基于清潔能源的冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)也存在不可忽略的缺點(diǎn):① 燃料的限制,只能使用天然氣或輕質(zhì)油品,費(fèi)用受市場(chǎng)影響;② CCHP系統(tǒng)規(guī)模小,只能滿足小區(qū)域的需要;③ 若原動(dòng)機(jī)產(chǎn)出過(guò)多電能會(huì)造成能量的損失;④ 系統(tǒng)主要依靠天然氣來(lái)驅(qū)動(dòng),在節(jié)能高效的同時(shí)還是增加了能源的消耗,不能從根本上實(shí)現(xiàn)零排放。

為了實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展,達(dá)到節(jié)能減排的目的,可再生能源與聯(lián)供系統(tǒng)的結(jié)合利用已經(jīng)成為當(dāng)前研究的熱點(diǎn)。其中,光伏發(fā)電對(duì)緩解能源短缺及減少環(huán)境污染有重要作用[5]。但是太陽(yáng)能屬于間歇性能源,具有效率差、密度低、不穩(wěn)定等缺陷,需要有效儲(chǔ)能以確保電網(wǎng)在任何時(shí)間都保持供電狀態(tài),并提高電能質(zhì)量,故需要大容量、大功率、高效能的儲(chǔ)能技術(shù)。因此,將冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)與太陽(yáng)能、儲(chǔ)能裝置相結(jié)合,一方面可以減少聯(lián)供系統(tǒng)的非可再生能源消耗,另一方面可以彌補(bǔ)太陽(yáng)能不連續(xù)、不穩(wěn)定的缺點(diǎn),最大化利用可再生能源,還可以谷電峰用,增加經(jīng)濟(jì)效益。

1 以太陽(yáng)能為主的新型模型

以太陽(yáng)能為主的冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)能量流圖如圖1所示。

圖1 以太陽(yáng)能為主的冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)能量流圖

太陽(yáng)能光伏發(fā)電機(jī)組和太陽(yáng)能集熱器作為系統(tǒng)的第1發(fā)電和產(chǎn)熱裝置,負(fù)責(zé)滿足用戶的冷熱電負(fù)荷(Qc,Qh,E)需求。當(dāng)兩者產(chǎn)生電力或熱力不能滿足用戶需求,或因天氣原因無(wú)法產(chǎn)生電力或熱力時(shí),由燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)和熱回收裝置構(gòu)成的燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組開(kāi)始為系統(tǒng)提供電力和熱力;而當(dāng)產(chǎn)生的電力足夠滿足用戶需求且有多余時(shí),就會(huì)給儲(chǔ)能電池進(jìn)行儲(chǔ)能。內(nèi)燃機(jī)以天然氣為燃料,可向用戶提供電力,其產(chǎn)生的高溫?zé)煔鈹y帶的熱量可由熱回收裝置回收,該部分熱量可輸送至吸收式制冷機(jī)和熱交換器,兩者可以分別滿足用戶的冷熱負(fù)荷需求。如果燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組產(chǎn)生的電力仍無(wú)法滿足用戶的電力需求,那么不足的電力可由城市電網(wǎng)或者儲(chǔ)能電池補(bǔ)充,城市電網(wǎng)部分電力源于燃煤火電廠;如果燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組提供的回收熱量仍不能滿足用戶的冷熱負(fù)荷需求,那么燃?xì)忮仩t開(kāi)始提供熱量以補(bǔ)充不足部分。其中儲(chǔ)能電池主要起谷電峰用的作用,與城市電網(wǎng)和儲(chǔ)能電池的連接和燃?xì)忮仩t的使用同樣可以增加系統(tǒng)的運(yùn)行可靠性并提高能源利用率。

2 聯(lián)供系統(tǒng)的能量關(guān)系

假設(shè)E、Ec、Qh分別為單位時(shí)間內(nèi)系統(tǒng)產(chǎn)生的電量、供冷量和供熱量。太陽(yáng)能發(fā)電機(jī)組產(chǎn)生的電能為EPP,儲(chǔ)能電池單位時(shí)間充放電電量為Ebattery(充電時(shí)為負(fù),放電時(shí)為正),太陽(yáng)能集熱器產(chǎn)生的熱能為Qqv,其制冷量與供熱量分別為Qpv1、Qpv2,燃燒天然氣所產(chǎn)生的電能、供冷量、供熱量分別為E1、Q2、Q3,根據(jù)文獻(xiàn)[6]的研究得出如下關(guān)系:

(1)

(2)

其中,Qgas=Hvgasq0,Hvgas為天然氣的熱值系數(shù);Hvgas=36 500 kJ/m3,假設(shè)聯(lián)供系統(tǒng)中太陽(yáng)能集熱器與內(nèi)燃機(jī)產(chǎn)生的熱量為Qw,一部分用于制冷,一部分用于供熱。設(shè)α為熱量分配率,當(dāng)α=1時(shí),表示Qw全部用于驅(qū)動(dòng)制冷機(jī);當(dāng)α=0時(shí)，表示Qw全部用于熱交換器用于供暖,則有:

Qc=αQWηcold=Qpv1+Q2

(3)

Qh=(1-α)Qwηheat=Qpv2+Q3

(4)

E=Epv+Ebattery+E1

(5)

其中,ηcold為制冷機(jī)效率;ηheat為熱交換效率。

(3)～(4)式[7]給出了各種能量關(guān)系。

3 多目標(biāo)函數(shù)及約束條件

聯(lián)供系統(tǒng)是一種復(fù)雜的能源系統(tǒng),根據(jù)用戶的冷熱電負(fù)荷情況,采用合理的設(shè)備配置和運(yùn)行策略對(duì)聯(lián)供系統(tǒng)運(yùn)行性能的提高有很大幫助[8]。文獻(xiàn)[9]對(duì)CCHP系統(tǒng)的運(yùn)行成本、一次能源消耗量以及CO2排放量3個(gè)目標(biāo)建立了優(yōu)化模型;文獻(xiàn)[10]對(duì)CCHP系統(tǒng)的炯效率、總平均成本率和環(huán)境成本率優(yōu)化模型進(jìn)行了研究。鑒于目前的多目標(biāo)優(yōu)化研究都沒(méi)有考慮到冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)負(fù)載的多級(jí)分層問(wèn)題,本文以用戶端為立足點(diǎn)建立系統(tǒng)模型,以天然氣的使用量、向電網(wǎng)側(cè)的購(gòu)電量以及切除的負(fù)載數(shù)為優(yōu)化變量,提出經(jīng)濟(jì)效益、能源利用率和用戶負(fù)載滿足度3個(gè)目標(biāo)的目標(biāo)函數(shù)及其約束條件。

3.1 目標(biāo)函數(shù)

上述3個(gè)目標(biāo)函數(shù)彼此之間是相互矛盾的,同時(shí)又有一定的聯(lián)系。從經(jīng)濟(jì)方面考慮,要想經(jīng)濟(jì)效益最大,則需要盡量少地向市電購(gòu)電,但是這需要消耗一次能源來(lái)補(bǔ)充,同時(shí)需要適當(dāng)切除負(fù)載,也就是會(huì)降低負(fù)載滿足度;從負(fù)載滿足度分析,若要使負(fù)載滿足度最大,則經(jīng)濟(jì)性受損,同時(shí)一次能源消耗量也會(huì)增大;從一次能源消耗量分析,若要盡量少地使用一次能源,則負(fù)載滿足度需要一定程度的降低,并且經(jīng)濟(jì)效益會(huì)減少。

3.1.1 系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性

聯(lián)供系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性包含系統(tǒng)的建設(shè)成本和運(yùn)行維護(hù)成本等固定成本、內(nèi)燃機(jī)消耗的天然氣成本、給用戶提供電量、供冷、供熱量的收益及從電網(wǎng)購(gòu)電的成本,設(shè)p1、p2、p3分別為單位電量、冷量與熱量的售價(jià),收益的計(jì)算公式為：

R=Rp1+Qcp2+Qhp3

(6)

則總成本為:

f1=fs+Qgaspgas+Ebuypele-R

(7)

其中,fs為固定成本;Qgas為天然氣消耗量,其為優(yōu)化變量;pgas為天然氣價(jià)格;Ebuy為市電價(jià)格;pele為購(gòu)電量,也是優(yōu)化變量。要實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益最大,則希望盡可能多地利用太陽(yáng)能和天然氣,而儲(chǔ)能的作用就是提高太陽(yáng)能的利用率。

3.1.2 一次能源消耗量

太陽(yáng)能作為可再生能源是取之不盡用之不竭的,但天然氣作為一次能源需要節(jié)約使用。由(1)式可得:

f2=20.47+1.22(Quser-Qpv)+

0.11(Euser-Ebuy-Ebattery-Epv)2

(8)

其中,Quser為用戶所需熱量;Qpv為光伏集熱器產(chǎn)生的熱量;Euser為用戶所需電量;Ebuy為從市電購(gòu)買的電量;Ebattery為儲(chǔ)能電池發(fā)電量;Epv為光伏發(fā)電機(jī)組給用戶提供的電量。

3.1.3 用戶負(fù)載滿足度

將負(fù)載進(jìn)行分級(jí),根據(jù)其相對(duì)重要性將其分為一級(jí)負(fù)載和二級(jí)負(fù)載,則負(fù)載滿足度為:

(9)

其中,m為一級(jí)負(fù)載總數(shù)量;n為二級(jí)負(fù)載總數(shù)量;α為一級(jí)負(fù)載所占的權(quán)重;m1為滿足一級(jí)負(fù)載供電的數(shù)量;n1為滿足二級(jí)負(fù)載供電的數(shù)量,切除的負(fù)載總數(shù)量為優(yōu)化變量。

3.2 約束函數(shù)

3.2.1 功率約束

功率關(guān)系應(yīng)該滿足系統(tǒng)所提供的電量、供冷量、供熱量大于等于用戶所消耗的電量、供冷量、供熱量,即

Ebuy+E1+Ebattery+Epv≥Euser

(10)

Qc≥Quserc

(11)

Qh≥Quserh

(12)

其中,Quserc為用戶消耗的供冷量;Quserh為用戶所消耗的供熱量。

3.2.2 電池約束

對(duì)蓄電池工作條件和方式進(jìn)行合理控制可以有效地延長(zhǎng)蓄電池的使用壽命,因此需要對(duì)電池提出約束條件[11]。

(1) 充放電深度約束。蓄電池過(guò)充和過(guò)放都會(huì)縮短蓄電池的壽命,因此需要對(duì)電池的荷電狀態(tài)進(jìn)行約束控制,即

SOCmin≤SOC≤SOCmax

(13)

其中,下標(biāo)max、min表示變量的上、下限。

(2) 充放電功率約束。蓄電池單位時(shí)間充放電功率Δpbattery受其物理性質(zhì)制約,根據(jù)文獻(xiàn)[12]所述,限定其在SOC工作區(qū)間內(nèi)的充放電功率和蓄電池額定容量Cbattery的關(guān)系為:

Δpbattery≤εbatteryCbattery/Δt

(14)

(3) 充放電轉(zhuǎn)換次數(shù)約束。充放電深度決定了蓄電池循環(huán)總次數(shù),即使用壽命。通過(guò)限制其每天充放電轉(zhuǎn)換次數(shù)Tbat以延長(zhǎng)工作時(shí)間,即

Tbat≤Tbatmax

(15)

(4) 狀態(tài)一致性約束。每天00:00和24:00時(shí)蓄電池的荷電狀態(tài)需保持一致,即

SOC0=SOC24

(16)

4 字典序優(yōu)化算法

因?yàn)楸疚牡?個(gè)目標(biāo)函數(shù)間屬于非線性關(guān)系,所以采用字典序法對(duì)目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行求解。

字典序(Lexicographic)法,又稱完全分層法。它的基本思想是將所有目標(biāo)從重要到次要,按照相對(duì)重要程度排序,給定每個(gè)目標(biāo)的優(yōu)先級(jí),然后依次求解每個(gè)目標(biāo)。在字典序方法中,除第1個(gè)(最重要的)目標(biāo)外,每個(gè)目標(biāo)都在上一個(gè)優(yōu)先級(jí)目標(biāo)的最優(yōu)解集中求解,直至最后一個(gè)目標(biāo)被解決或優(yōu)化變量失去自由度。字典序方法將一個(gè)多目標(biāo)優(yōu)化問(wèn)題轉(zhuǎn)化為多個(gè)單目標(biāo)優(yōu)化問(wèn)題加以處理,是分層序列法區(qū)別于標(biāo)量化方法的本質(zhì)特征。

不妨假設(shè)多目標(biāo)優(yōu)化問(wèn)題為:

x∈X?Rm

(17)

x∈X

(18)

(18)式所得字典序最優(yōu)解是原始多目標(biāo)最優(yōu)化問(wèn)題(17)式的一個(gè)有效解。

5 實(shí)例分析

以北方某工廠為例,假設(shè)該工廠建筑面積為2 000 m2，樓層高為4層,光伏集熱器功率為0 kW(采用文獻(xiàn)[14]中的電跟隨策略),采用的光伏板功率為120 kW,儲(chǔ)能電池容量為60 kW·h(下面成本中沒(méi)有計(jì)算固定成本并做了一些假設(shè)),以夏天的某一天為例,該工廠所需的冷量、熱量、電量如圖2所示。

圖2 某工廠1 d所需的冷量、熱量、電量

相關(guān)的價(jià)格參數(shù)如下:

峰電(8:00-21:00)時(shí),p1=1.1元/(kW·h);

谷電(21:00-8:00)時(shí),p1=0.3元/(kW·h)。

p2=0.56元/(kW·h),

p3=0.4元/(kW·h),q0=2.53元/m3。

1 d中光伏和儲(chǔ)能電池的出力情況如圖3所示。

光伏和儲(chǔ)能電池屬于輔助能源,儲(chǔ)能電池在這里的主要作用是谷電峰用。

從電網(wǎng)買電情況如下:買電遵循的原則是在峰電期間不從電網(wǎng)買電,只是在谷電期間才向電網(wǎng)買電,購(gòu)電情況如圖4所示。

圖3 光伏發(fā)電和儲(chǔ)能電池充放電情況

圖4 購(gòu)電情況

將不進(jìn)行優(yōu)化的目標(biāo)函數(shù)與進(jìn)行優(yōu)化后選取了一組非劣解所得到的的目標(biāo)函數(shù)值分別進(jìn)行對(duì)比,得到優(yōu)化前后的利潤(rùn)、天然氣消耗量、負(fù)載滿足度的比較結(jié)果如圖5所示。

為了比較方便,其中成本圖中忽略了固定成本并取其負(fù)值即為利潤(rùn)。

圖5 優(yōu)化前后的利潤(rùn)、天然氣消耗量、負(fù)載滿足度的比較結(jié)果

通過(guò)比較可知,在沒(méi)有優(yōu)化時(shí),系統(tǒng)是以保證所有用戶一整天用電均得到滿足的情況下工作的,而且是完全以燃燒天然氣來(lái)滿足用戶的冷、熱、電需求的,這個(gè)過(guò)程中難以避免余熱的浪費(fèi);而優(yōu)化系統(tǒng)是在用電高峰期通過(guò)切除少量負(fù)載在滿足冷、熱需求的同時(shí)減少了余熱的浪費(fèi),從而使天然氣的消耗量減少,降低了成本,而在用電低谷時(shí),由于電價(jià)便宜,便開(kāi)始通過(guò)購(gòu)電提高用戶滿足度并減少天然氣消耗。因此,雖然優(yōu)化后的負(fù)載滿足度降低了,但是系統(tǒng)的成本和天然氣消耗量都減少了,總體上系統(tǒng)的性能提高了。

6 結(jié) 論

本文介紹了基于太陽(yáng)能的冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng),與傳統(tǒng)冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)相比,極大地提高了能源利用率,減少了一次能源的消耗。根據(jù)本文提出的系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性、一次能源消耗量、用戶負(fù)載滿足度這3個(gè)目標(biāo)函數(shù)及其約束條件,運(yùn)用合適的算法進(jìn)行求解得出有效解,然后根據(jù)有效解采用合理的配置和運(yùn)行策略,從而提高系統(tǒng)的性能。

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Multi-objectiveoptimizationofCCHPsystembasedonsolarenergy

ZHENG Tao, SHENG Tingting, LI Xin, GUI Shaoting

(School of Electric Engineering and Automation, Hefei University of Technology, Hefei 230009, China)

A new model of combined cooling, heating and power(CCHP) system driven by solar energy and internal combustion engine is proposed on the basis of traditional CCHP system driven only by internal combustion engine. Then the energy storage battery is added to improve the utilization of renewable energy sources to avoid the shortcomings of solar energy. And the multi-objective optimization model of the economics, primary energy consumption and satisfaction of users is presented through the analysis of energy flow process of new type of CCHP system, which considers the consumption of natural gas, purchase of electricity from the grid and number of load cut as optimization variables. And the lexicographic optimization algorithm is put forward to solve it.

combined cooling, heating and power(CCHP); lexicographic method; photovoltaic power generation; multi-objective; energy scheduling

2016-02-29；

2016-04-20

合肥工業(yè)大學(xué)產(chǎn)學(xué)研校企合作資助項(xiàng)目(IMICZ201511)

鄭 濤(1981-),男，重慶市人,博士,合肥工業(yè)大學(xué)副研究員,碩士生導(dǎo)師.

10.3969/j.issn.1003-5060.2017.09.013

TK114

A

1003-5060(2017)09-1215-05

(責(zé)任編輯 張 镅)