多能互補(bǔ)綜合能源系統(tǒng)運(yùn)行優(yōu)化研究

李 兵，牛洪海，陳 俊，耿 欣，婁清輝

(南京南瑞繼保電氣有限公司，江蘇 南京 211102)

0 引言

傳統(tǒng)的冷、熱、電等能源系統(tǒng)隸屬于不同部門(mén)進(jìn)行管理與運(yùn)行，無(wú)法發(fā)揮協(xié)同潛力，抑制了能源利用率的提高和可再生能源的消納。具有多能協(xié)同特征的多能互補(bǔ)綜合能源系統(tǒng)通過(guò)冷、熱、電等多能流的綜合規(guī)劃、協(xié)調(diào)控制、智能調(diào)度與多元互動(dòng)可顯著提高能源供需協(xié)調(diào)能力，促進(jìn)可再生能源消納，是提高能源系統(tǒng)綜合效率的重要抓手；對(duì)于建設(shè)清潔低碳、安全高效的現(xiàn)代能源體系具有重要的現(xiàn)實(shí)意義和深遠(yuǎn)的戰(zhàn)略意義，目前這一技術(shù)成為研究的熱點(diǎn)[1]。

多能互補(bǔ)系統(tǒng)組成形式多樣，存在多種不同品質(zhì)能源介質(zhì)的生產(chǎn)與轉(zhuǎn)換，單一的指標(biāo)如發(fā)電煤耗、制冷性能系數(shù)等無(wú)法全面評(píng)價(jià)系統(tǒng)的性能，同時(shí)不同能源介質(zhì)相互耦合，設(shè)備運(yùn)行參數(shù)與系統(tǒng)運(yùn)行方式的改變均會(huì)對(duì)系統(tǒng)能耗產(chǎn)生影響[2-5]。

目前國(guó)內(nèi)外對(duì)多能互補(bǔ)綜合能源系統(tǒng)的研究多集中于宏觀層面，如系統(tǒng)規(guī)劃、技術(shù)形態(tài)等；部分學(xué)者借鑒微電網(wǎng)的控制理論及大電網(wǎng)的調(diào)度理論，開(kāi)展綜合能源系統(tǒng)的優(yōu)化運(yùn)行研究，但通常只研究其中2種能量耦合并使用了一致的優(yōu)化周期，優(yōu)化方法和傳統(tǒng)方法較為一致，多能流、多時(shí)間尺度的特性沒(méi)有充分體現(xiàn)；同時(shí)，鮮見(jiàn)關(guān)于多能流實(shí)時(shí)協(xié)調(diào)控制及系統(tǒng)整體性能評(píng)價(jià)的研究。因此，本文針對(duì)不同類(lèi)型的多能互補(bǔ)系統(tǒng)，建立相應(yīng)的能耗評(píng)價(jià)準(zhǔn)則，對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行能耗進(jìn)行精確表征，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與運(yùn)行的優(yōu)化。

1 以燃煤熱電聯(lián)產(chǎn)為基礎(chǔ)的多能互補(bǔ)系統(tǒng)運(yùn)行優(yōu)化準(zhǔn)則

1.1 系統(tǒng)能耗分析模型

(1)

式中：Copc為電制冷機(jī)組性能系數(shù)；Copa為吸收式機(jī)組性能系數(shù)；ηb為調(diào)峰鍋爐效率，%；ηp為凝汽式機(jī)組的熱效率，%；ηtg為熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組的燃料利用系數(shù)，%。

如采用冷熱電分供的形式，系統(tǒng)的熱耗量為

(2)

多能互補(bǔ)系統(tǒng)與分供系統(tǒng)相比，熱耗量的差值為

(3)

從式(3)可看出:在用戶側(cè)冷熱電負(fù)荷不斷增大時(shí)，多能互補(bǔ)系統(tǒng)產(chǎn)生的節(jié)能量逐漸減少；在多能互補(bǔ)系統(tǒng)調(diào)峰設(shè)備負(fù)荷為0時(shí)，系統(tǒng)節(jié)能潛力最大。進(jìn)而可得到多能互補(bǔ)系統(tǒng)的臨界節(jié)能條件如下：

(4)

1.2 系統(tǒng)節(jié)能評(píng)價(jià)條件

為研究方便，式(4)中Copc、Copa、ηb、ηp可取為常數(shù)，取值分別為5、1、0.8、0.4，得到不同運(yùn)行條件下系統(tǒng)的節(jié)能約束條件，如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)節(jié)能約束邊界Fig.1 Boundary condition of energy saving

由于吸收式制冷機(jī)組利用汽輪機(jī)抽汽進(jìn)行制冷后會(huì)影響機(jī)組的發(fā)電量，同時(shí)吸收式制冷機(jī)組的性能系數(shù)小于電制冷機(jī)組的性能系數(shù)，會(huì)對(duì)系統(tǒng)的節(jié)能效果產(chǎn)生影響;因此，當(dāng)系統(tǒng)冷、熱配比不合理時(shí)，會(huì)影響系統(tǒng)的整體能效[6-7]。由圖1可看出，在相同的燃料利用系數(shù)下，隨著吸收式制冷機(jī)組蒸汽份額的提高，系統(tǒng)節(jié)能區(qū)域變小，節(jié)能條件變得苛刻。

審計(jì)組長(zhǎng)在完成審計(jì)項(xiàng)目過(guò)程中處于中心地位，發(fā)揮著主導(dǎo)作用，不僅要身體立行做好戰(zhàn)斗員，還要運(yùn)籌帷幄當(dāng)好指揮員。為了保障審計(jì)項(xiàng)目順利、高效和高質(zhì)量地完成，要充分做好審前調(diào)查，精心編制審計(jì)方案，扎實(shí)做好現(xiàn)場(chǎng)查證，認(rèn)真復(fù)核審計(jì)文書(shū)，技巧性地與被審計(jì)單位“見(jiàn)面”。只有全過(guò)程綜合運(yùn)用 ，才能得心應(yīng)手地當(dāng)好審計(jì)組長(zhǎng)。

2 以天然氣冷熱電三聯(lián)供為基礎(chǔ)的多能互補(bǔ)系統(tǒng)運(yùn)行優(yōu)化準(zhǔn)則

2.1 系統(tǒng)能耗分析模型

以天然氣冷熱電聯(lián)三聯(lián)供為基礎(chǔ)的多能互補(bǔ)系統(tǒng)不像熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組可通過(guò)汽輪機(jī)抽汽的調(diào)整實(shí)現(xiàn)冷熱電負(fù)荷調(diào)整，其運(yùn)行方式主要采取以熱定電與以電定熱2種類(lèi)型。其中以熱定電方式又稱(chēng)為熱跟隨模式，即在系統(tǒng)運(yùn)行期間燃?xì)廨啓C(jī)及配套余熱鍋爐優(yōu)先滿足系統(tǒng)熱量需求，同時(shí)產(chǎn)生電能，如果該電能不能滿足需求，則從電網(wǎng)購(gòu)電；以電定熱方式又稱(chēng)電跟隨模式，其運(yùn)行思想與以熱定電方式相反，燃?xì)廨啓C(jī)優(yōu)先滿足系統(tǒng)電負(fù)荷需求，當(dāng)系統(tǒng)熱負(fù)荷較大時(shí)，不足的熱量由調(diào)峰鍋爐燃燒天然氣提供。針對(duì)該類(lèi)型系統(tǒng)的優(yōu)化主要對(duì)比以熱定電與以電定熱2種運(yùn)行方式的差異[8-11]。

在以熱定電運(yùn)行方式下，當(dāng)系統(tǒng)所需熱量大于系統(tǒng)余熱鍋爐提供的蒸汽量時(shí)，需要啟動(dòng)調(diào)峰鍋爐補(bǔ)充熱量，系統(tǒng)天然氣消耗量FS及外購(gòu)電量Pbuy為

(5)

式中：ω為電制冷機(jī)組供冷份額；Fmax為燃?xì)廨啓C(jī)最大工況下的天然氣消耗量；ηGT為燃?xì)廨啓C(jī)的發(fā)電效率;ηrec為余熱鍋爐的熱效率。

當(dāng)系統(tǒng)所需熱量小于余熱鍋爐提供的蒸汽量時(shí)，無(wú)需啟動(dòng)燃?xì)忮仩t，系統(tǒng)的天然氣消耗量及外購(gòu)電量分別為

(6)

以電定熱運(yùn)行方式下，當(dāng)系統(tǒng)所需電量大于三聯(lián)供機(jī)組提供的最大電量時(shí)，需要從電網(wǎng)買(mǎi)電，系統(tǒng)的天然氣消耗量及外購(gòu)電量分別為

(7)

當(dāng)系統(tǒng)所需電量小于三聯(lián)供機(jī)組提供的電量時(shí)，系統(tǒng)消耗的天然氣消耗量與外購(gòu)電量分別為

(8)

2.2 系統(tǒng)運(yùn)行優(yōu)化準(zhǔn)則

(9)

以電定熱方式下系統(tǒng)的天然氣消耗量及外購(gòu)電量為

(10)

2種方式下系統(tǒng)的能耗量差值為

(11)

此時(shí)系統(tǒng)采用以熱定電的運(yùn)行方式優(yōu)于以電定熱的方式。

(12)

以電定熱方式下系統(tǒng)的天然氣消耗量及外購(gòu)電量為

(13)

2種方式下系統(tǒng)的能耗差值為

(14)

一般情況下，由于(1-ηGT)ηrec-ηb<0，因此ΔE<0，此時(shí)采取以電定熱的方式運(yùn)行優(yōu)于以熱定電的方式。

通過(guò)上述分析可以得出以天然氣冷熱電三聯(lián)供為基礎(chǔ)的多能互補(bǔ)系統(tǒng)運(yùn)行優(yōu)化的基本準(zhǔn)則：當(dāng)系統(tǒng)等效熱負(fù)荷(含冷、熱)與電負(fù)荷比值小于燃?xì)廨啓C(jī)輸出煙氣熱量與發(fā)電功率的比值時(shí)，系統(tǒng)宜采用以熱定電的方式運(yùn)行；反之，應(yīng)采用以電定熱的方式運(yùn)行。

3 多能互補(bǔ)綜合能源系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制模型

為實(shí)現(xiàn)多能互補(bǔ)綜合能源系統(tǒng)運(yùn)行的優(yōu)化控制，本文根據(jù)綜合能源系統(tǒng)多能流多時(shí)間尺度的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)一種分層協(xié)調(diào)控制機(jī)制，實(shí)現(xiàn)冷熱電多能流日前與實(shí)時(shí)2個(gè)時(shí)間尺度的協(xié)調(diào)調(diào)度與控制，消除能源需求不確定性和負(fù)荷預(yù)測(cè)誤差給系統(tǒng)優(yōu)化帶來(lái)的不利影響，實(shí)現(xiàn)綜合能源系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。其系統(tǒng)架構(gòu)如圖2所示。

圖2 多能互補(bǔ)系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)架構(gòu)Fig.2 Topology of multi-energy collaboration control system

該系統(tǒng)分為3層架構(gòu)，其中上層為優(yōu)化調(diào)度層，中間層為協(xié)調(diào)控制層，底層為實(shí)時(shí)控制層。優(yōu)化調(diào)度層根據(jù)歷史數(shù)據(jù)，以綜合能源系統(tǒng)運(yùn)行成本最小為優(yōu)化目標(biāo)，根據(jù)系統(tǒng)運(yùn)行約束條件，結(jié)合預(yù)測(cè)的可再生能源發(fā)電功率、用戶冷熱電負(fù)荷需求進(jìn)行優(yōu)化調(diào)度，確定綜合能源系統(tǒng)中冷熱電計(jì)劃指令；協(xié)調(diào)控制層根據(jù)優(yōu)化調(diào)度層得到的冷熱電計(jì)劃指令，根據(jù)系統(tǒng)設(shè)備運(yùn)行情況，得到綜合能源系統(tǒng)中冷熱電實(shí)時(shí)負(fù)荷指令[12-15]。

優(yōu)化調(diào)度層的優(yōu)化調(diào)度為日前調(diào)度，一般可取調(diào)度周期為15 min，1 d有96個(gè)調(diào)度周期，系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度目標(biāo)函數(shù)為

約束條件包括系統(tǒng)的供能、儲(chǔ)能和輔助供能設(shè)備運(yùn)行條件約束、負(fù)荷平衡約束等。根據(jù)未來(lái)24 h冷熱電負(fù)荷預(yù)測(cè)結(jié)果，對(duì)上述模型進(jìn)行求解，形成冷熱電負(fù)荷優(yōu)化調(diào)度計(jì)劃。以夏季制冷負(fù)荷為例，優(yōu)化結(jié)果如圖3所示。

實(shí)際運(yùn)行時(shí)，協(xié)調(diào)控制器根據(jù)超短期負(fù)荷預(yù)測(cè)結(jié)果，對(duì)優(yōu)化調(diào)度層下發(fā)的計(jì)劃指令進(jìn)行滾動(dòng)修正，形成實(shí)時(shí)負(fù)荷指令，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)綜合能源的優(yōu)化運(yùn)行。

圖3 制冷優(yōu)化結(jié)果Fig.2 Optimization result of cooling system

4 結(jié)語(yǔ)

本文歸納了多能互補(bǔ)系統(tǒng)的主要組成形式，并分別建立了相應(yīng)的系統(tǒng)能耗模型，其可精確表征多能互補(bǔ)綜合能源系統(tǒng)的性能；在此基礎(chǔ)上得到上述2類(lèi)系統(tǒng)運(yùn)行優(yōu)化的一般性準(zhǔn)則；并提出了一種分層分布式多能互補(bǔ)綜合能源系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制架構(gòu)及方法，可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

[1] 賈宏杰, 王丹, 徐憲東, 等． 區(qū)域綜合能源系統(tǒng)若干問(wèn)題研究[J]. 電力系統(tǒng)自動(dòng)化， 2015， 39(7)： 198-207．

JIA Hongjie, WANG Dan, XU Xiandong, et al. Research on some key problems related to integrated energy systems[J]． Automation of Electric Power Systems, 2015, 39(7): 198-207.

[2] 張萬(wàn)坤, 陸震, 陳子煜, 等. 天然氣熱、電、冷聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)及其在國(guó)內(nèi)外的應(yīng)用現(xiàn)狀[J]. 流體機(jī)械, 2002, 30(12): 50-53.

ZHANG Wankun, LU Zhen, CHEN Ziyu， et al. Nature gas fired cooling-heating-power (CHP) cogeneration system and its application status[J]. Fluid Machinery, 2002, 30(12): 50-53.

[3] 張蓓紅, 龍文定. 熱電(冷)聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)優(yōu)化配置研究[J]. 暖通空調(diào), 2005, 35(4): 1-4, 12.

ZHANG Beihong, LONG Weiding. Optimal unit sizing of combined cooling heating and power systems[J]. HV&AC, 2005, 35(4): 1-4， 12.

[4] 王成山, 李鵬. 分布式發(fā)電、微網(wǎng)與智能配電網(wǎng)的發(fā)展與挑戰(zhàn)[J]. 電力系統(tǒng)自動(dòng)化, 2010, 34(2): 10-14.

WANG Chengshan, LI Peng. Development and challenges of distributed generation, the micro-grid and smart distribution system[J]. Automation of Electric Power Systems, 2010, 34(2): 10-14.

[5] 魯宗相, 王彩霞, 閔勇, 等. 微電網(wǎng)研究綜述[J]. 電力系統(tǒng)自動(dòng)化, 2007, 31(19): 100-107.

LU Zongxiang, WANG Caixia, MIN Yong, et al. Overview on microgrid research[J]. Automation of Electric Power Systems, 2007, 31(19): 100-107.

[6] 張曉暉, 陳鐘欣. 熱冷電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的能耗特性[J]. 中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào), 2007, 27(5): 93-95.

ZHANG Xiaohui, CHEN Zhongxin. Energy consumption performance of combined heat cooling and power system[J]. Proceedings of the CSEE, 2007, 27(5): 93-95.

[7] 宋之平. 以總能系統(tǒng)觀點(diǎn)與用熱端高效化為特征的大中型火電機(jī)組聯(lián)產(chǎn)供熱新模式[J]. 中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào), 1998, 18(1): 1-5.

SONG Zhiping. Novel model of CHP heating system for sizeable power plants[J]. Proceedings of the CSEE, 1998, 18(1): 1-5.

[8] 郭力, 許東, 王成山, 等. 冷電聯(lián)供分布式功能系統(tǒng)能量?jī)?yōu)化管理[J]. 電力系統(tǒng)自動(dòng)化, 2009, 33(19): 96-100.

GUO Li, XU Dong, WANG Chengshan, et al. Energy optimization and management of combined cooling and power distributed energy supply system[J]． Automation of Electric Power Systems, 2009, 33(19): 96-100.

[9] 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.

WANG Rui, GU Wei, WU Zhi. Economic and optimal operation of a combined heat and power microgrid with renewable energy resources[J]. Automation of Electric Power Systems, 2011, 35(8): 22-27.

[10] KANCHEV H, LU D, COLAS F, et al. Energy management and operational planning of a microgrid with a PV-based active generator for smart application[J]. IEEE Trans. on Industrial Electronics, 2011, 31(31): 77-84.

[11] 吳雄, 王秀麗, 別朝紅, 等. 含熱電聯(lián)合系統(tǒng)的微電網(wǎng)運(yùn)行優(yōu)化[J]. 電力自動(dòng)化設(shè)備, 2013, 33(8): 1-6.

WU Xiong, WANG Xiuli, BIE Zhaohong, et al. Economic operation of microgrid with combined heat and power system[J]. Electric Power Automation Equipment, 2013, 33(9): 1-6.

[12] 王成山, 洪博文, 郭力, 等. 冷熱電聯(lián)供微網(wǎng)優(yōu)化通用建模方法研究[J]. 中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào), 2013, 33(31): 26-29.

WANG Chengshan, HONG Bowen, GUO Li, et al. A general modeling method for optimal dispatch of combined cooling and heating power microgrid[J]. Proceedings of the CSEE, 2013, 33(31): 26-29.

[13] 劉小平, 丁明, 張穎媛, 等. 微網(wǎng)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)經(jīng)濟(jì)調(diào)度[J]. 中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào), 2011, 31(31): 77-84.

LIU Xiaoping, DING Ming, ZHANG Yingyuan, et al. Dynamic economic dispatch for microgrids[J]. Proceedings of the CSEE, 2011, 31(31): 77-84.

[14] 牛銘, 黃偉, 郭佳歡, 等. 微網(wǎng)并網(wǎng)時(shí)的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行研究[J]. 電網(wǎng)技術(shù), 2010, 34(2): 7-13.

NIU Ming, HUANG Wei, GUO Jiahuan, et al. Research on economic operation of grid-connected microgrid[J]. Power System Technology, 2010, 34(2): 7-13.

[15] 許立中, 楊光亞, 許昭, 等. 考慮風(fēng)電隨機(jī)性的微電網(wǎng)熱電聯(lián)合調(diào)度[J]. 電力系統(tǒng)自動(dòng)化, 2011, 35(9): 53-60.

XU Lizhong, YANG Guangya, XU Zhao, et al. Combined scheduling of electricity and heat in a microgrid with volatile wind power[J]. Automation of Electric Power Systems, 2011, 35(9): 53-60.