用戶側(cè)綜合能源系統(tǒng)評估指標(biāo)體系及其應(yīng)用

白牧可,唐 巍，吳邦旭

(1.中國農(nóng)業(yè)大學(xué)信息與電氣工程學(xué)院，北京 海淀 100083；2.中國電力科學(xué)研究院有限公司，北京 海淀 100192)

0 引言

能源安全、環(huán)境污染、氣候變化等諸多挑戰(zhàn)已成為人類社會可持續(xù)發(fā)展過程中亟待解決的問題。能源改革的快速進(jìn)展與清潔能源的大規(guī)模利用是迎接挑戰(zhàn)的關(guān)鍵。目前，利用風(fēng)、光等清潔能源的分布式電源技術(shù)已得到快速發(fā)展，為了優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)，提高能源效率，許多國家將注意力轉(zhuǎn)向了綜合能源系統(tǒng)(integrated energy system，IES)[1-2]。配置在用戶側(cè)的IES被稱為用戶側(cè)綜合能源系統(tǒng)(user side integrated energy system，USIES)，USIES是一種由分布式能源互聯(lián)構(gòu)成，且按用戶需求供應(yīng)能量的微型能源系統(tǒng)。USIES的量化評估對于IES的科學(xué)、合理、高效配置具有重要的理論和現(xiàn)實(shí)意義。

針對當(dāng)前USIES評估指標(biāo)體系缺乏系統(tǒng)研究的現(xiàn)狀，本文從IES整體性能出發(fā)，考慮能源效率、成本效益、供能質(zhì)量、環(huán)境保護(hù)4方面提出科學(xué)、系統(tǒng)的指標(biāo)體系；并以商住混合區(qū)USIES為例進(jìn)行仿真分析，驗(yàn)證所提出評估指標(biāo)體系的有效性。

1 USIES評估指標(biāo)及其內(nèi)涵

1.1 評估指標(biāo)體系

評價指標(biāo)體系是根據(jù)評價對象系統(tǒng)預(yù)定的目標(biāo)要求而選擇的評價指標(biāo)的集合。IES評估指標(biāo)體系的構(gòu)建應(yīng)以系統(tǒng)性、科學(xué)性、客觀性和實(shí)用性為基礎(chǔ)，從電網(wǎng)動態(tài)性能和電網(wǎng)靜態(tài)性能兩方面考慮，涉及能源效率、成本效益、供能質(zhì)量、環(huán)境保護(hù)不同方面，具體指標(biāo)如圖1所示。

圖1 IES規(guī)劃評價指標(biāo)體系Fig.1 Evaluation index system for IES planning

1.2 指標(biāo)含義

1.2.1 能源效率方面

1) 系統(tǒng)能源利用率。

系統(tǒng)能源利用率ηSER能反應(yīng)包含常規(guī)能源和可再生能源在內(nèi)的所有能源的利用率。

(1)

2) 清潔能源供能占比。

清潔能源供能占比ηRER能反應(yīng)清潔能源的消納情況。

(2)

3) 一次能源利用率。

一次能源利用率ηNER能夠反應(yīng)非可再生能源的利用效率。

(3)

4) 梯級能源利用率。

梯級能源利用率能夠反應(yīng)系統(tǒng)中能量的梯級利用效果。每級能量的利用情況用各級能量利用率來考查。

發(fā)電級能量利用率ηe、供冷級能量利用率ηc、供熱級能量利用率ηh分別定義為

式中：f為燃料量；H為燃料低位發(fā)熱值；W為發(fā)電功率。

能量梯級利用率ηt的表達(dá)式為

ηt=qeηe+kcqcηc+khqhηh

(7)

式中：qe、qc、qh分別為基準(zhǔn)點(diǎn)發(fā)電、供冷與供熱能量利用率的權(quán)重系數(shù)，是確定的常數(shù)；kc、kh分別為冷能溫度修正系數(shù)與熱能溫度修正系數(shù)[11]。

1.2.2 成本效益方面

1) 單位能量成本。

(8)

式中：CCOE為單位能量成本；Cann為等年值成本,元；Eload為系統(tǒng)每年的電、熱、冷負(fù)荷總量。

2) 單位電成本。

(9)

式中：CE為單位電成本；CEY為年產(chǎn)電成本，元；Eele為系統(tǒng)每年的電負(fù)荷總量；EHP為熱泵年耗電量；EEC為電制冷機(jī)年耗電量。

3) 單位熱成本。

(10)

式中：CH為單位熱成本；CHY為年產(chǎn)熱成本，元；Eheat為系統(tǒng)每年的熱負(fù)荷總量。

4) 單位冷成本。

(11)

式中：CCOOL為單位熱成本；CCY為年產(chǎn)熱成本，元；Ecool為系統(tǒng)每年的冷負(fù)荷總量。

1.2.3 供能質(zhì)量方面

1) 平均缺供電量。

(12)

式中：Pa,i為負(fù)荷點(diǎn)i的電平均負(fù)荷；Ui為負(fù)荷點(diǎn)i的年停電時間；Ni為負(fù)荷點(diǎn)i的用戶數(shù)；R為系統(tǒng)負(fù)荷點(diǎn)集合。

2) 平均缺供熱/冷量。

(13)

式中：La,i為熱負(fù)荷點(diǎn)i的熱平均負(fù)荷；Hi為熱負(fù)荷點(diǎn)i的年停熱時間；Mi為熱負(fù)荷點(diǎn)i的用戶數(shù)。

3) 用戶電壓合格率。

用戶電壓合格率，是反應(yīng)系統(tǒng)負(fù)荷節(jié)點(diǎn)電壓超出允許值的程度，值越大越好。其表達(dá)式為

(14)

4) 用戶溫度合格率。

用戶溫度合格率，是用戶供熱溫度符合允許值的程度，值越大越好。其表達(dá)式為

(15)

5) 電網(wǎng)網(wǎng)損率。

(16)

6) 熱網(wǎng)網(wǎng)損率。

(17)

1.2.4 環(huán)境保護(hù)方面

1) 單位能量二氧化硫排放量。

2) 單位能量氮氧化合物排放量。

式中：CNO為單位能量氮氧化合物排放量；MNO為氮氧化合物排放的排放量,t；μk,NO為第k種燃料對氮氧化合物的排放系數(shù)。

3) 單位能量二氧化碳排放量。

式中：CCO2為單位能量二氧化碳排放量；MCO2為二氧化碳排放的排放量,t；μk,CO2為第k種燃料對二氧化碳的排放系數(shù)。

2 USIES評估指標(biāo)計(jì)算方法

采用時序模擬計(jì)算得到除缺供電量及缺供熱量以外的各評價指標(biāo)值；采用序貫蒙特卡洛模擬法單獨(dú)計(jì)算系統(tǒng)缺供電量及缺供熱量指標(biāo)。

2.1 時序模擬計(jì)算方法

USIES的評估指標(biāo)獲得，取模擬間隔Δt為1 h，模擬總時長為1 a；全年分為供暖季(11月—次年3月)、供冷季(6—9月)和過渡季(4、5、10月)；對季內(nèi)每天24 h進(jìn)行調(diào)度，得到365 d調(diào)度數(shù)據(jù)。模擬過程如下：

1) 在模擬總時長范圍內(nèi)，分別生成光伏出力和負(fù)荷大小的時序序列；

2) 結(jié)合Matlab與CPLEX軟件進(jìn)行365 d優(yōu)化調(diào)度，得出指標(biāo)所需要的數(shù)值；

3) 根據(jù)各指標(biāo)公式及所得到的全年調(diào)度數(shù)值，進(jìn)行指標(biāo)計(jì)算。

2.2 序貫蒙特卡洛模擬計(jì)算方法

采用序貫蒙特卡洛模擬法對IES內(nèi)的各分布式能源進(jìn)行狀態(tài)抽樣，定量計(jì)算出IES缺供電量及缺供熱量指標(biāo)，間隔時間Δt取1 h，模擬總時長為T(T>20 a)，模擬過程如下：

1) 在模擬總時長范圍內(nèi)，分別生成光伏出力和負(fù)荷大小的時序序列。

2) 對可修復(fù)元件(光伏陣列、儲能設(shè)備、微燃機(jī)、燃?xì)忮仩t、制冷機(jī)、熱泵、外部系統(tǒng))采用序貫抽樣各元件的運(yùn)行-停運(yùn)循環(huán)狀態(tài)序列。抽樣過程中，只考慮每類元件的正常運(yùn)行和故障停運(yùn)兩種狀態(tài)，模擬初始時刻所有元件均處于正常運(yùn)行狀態(tài)。

3) 對1)和2)中的得到的各元件出力值和時序運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行組合，得到計(jì)及運(yùn)行狀態(tài)的各元件實(shí)時值序列。

4) 根據(jù)3)中得到的元件實(shí)時值序列，記錄負(fù)荷的停電、停熱/冷的情況，進(jìn)而計(jì)算相應(yīng)的缺供電量及缺供熱量指標(biāo)值。

3 仿真算例

3.1 算例背景

以北方某城市商住混合區(qū)為例分析USIES評估指標(biāo)體系的具體應(yīng)用，該區(qū)建筑最大電、冷、熱負(fù)荷為430、1 225和484 kW，全年全天24 h有效運(yùn)行，夏季制冷期共3 624 h，冬季供熱期共2 928 h，過渡期共2 208 h，全年共8 760 h。

各種分布式能源的可靠性數(shù)據(jù)參數(shù)如表1所示。缺供電量及缺供熱量指標(biāo)參數(shù)：主網(wǎng)等效故障率為0.015次/a，等效平均修復(fù)時間為8 h/次；線路的故障率和平均修復(fù)時間分別取0.046次/(km·a)和8 h/次。

對以下幾種方案進(jìn)行評估：

方案1。微燃機(jī)+燃?xì)忮仩t+吸收式制冷+電制冷機(jī)。系統(tǒng)由微燃機(jī)、燃?xì)忮仩t提供熱負(fù)荷，由吸收式制冷、電制冷機(jī)提供冷負(fù)荷，微燃機(jī)發(fā)電提供電能，不足電力從電網(wǎng)補(bǔ)充。

方案2。在方案1的基礎(chǔ)上增加光伏發(fā)電以提供電能。

表1 各種發(fā)電技術(shù)的污染排放及可靠性數(shù)據(jù)參數(shù)Table 1 Emission characteristics and reliability parameters of different types of power generation

方案3。在方案2的基礎(chǔ)上增加儲電設(shè)備。

方案4。在方案3的基礎(chǔ)上增加儲熱/冷設(shè)備。

方案5。在方案4的基礎(chǔ)上增加熱泵設(shè)備，熱泵可提供熱/冷負(fù)荷。

上述5種方案設(shè)備配置信息如表2所示。

表2 設(shè)備配置結(jié)果Table 2 Device configuration

3.2 仿真結(jié)果分析

表3給出了上述5種方案下各性能指標(biāo)仿真結(jié)果。由表3可知，所提每一個指標(biāo)都能從不同側(cè)面反應(yīng)不同能源和設(shè)備對用戶側(cè)綜合能源的影響，且其影響程度會隨著分布式能源類型、容量大小、布局等發(fā)生改變，如：系統(tǒng)能源利用率在方案5時最好，單位冷成本在方案3時最好，單位能量二氧化硫排放量在方案4時最好等。因此，為了協(xié)調(diào)各種影響，必須對USIES規(guī)劃方案進(jìn)行綜合評估。

從綜合指標(biāo)來看，方案5的能源效率、成本效益、供能質(zhì)量、環(huán)境保護(hù)效果均最好，方案3僅次于方案5，方案1則是綜合評估效果最差的方案，因此，最終的優(yōu)選結(jié)果應(yīng)是方案5、3。

4 結(jié)論

本文提出了USIES評估指標(biāo)體系，采用所提出的指標(biāo)體系對USIES配置方案進(jìn)行了評估，研究結(jié)果表明：

1) 所提出的評估指標(biāo)體系能夠系統(tǒng)、全面地量化分析USIES的能源效率、成本效益、供能質(zhì)量及環(huán)境影響；

2) 含不同種類設(shè)備的方案在能源效率、成本效益、供能質(zhì)量、環(huán)境保護(hù)等性能方面表現(xiàn)的效果不同，可根據(jù)1個或幾個性能指標(biāo)進(jìn)行系統(tǒng)規(guī)劃方案優(yōu)選，從而最大限度地發(fā)揮USIES的經(jīng)濟(jì)效益、環(huán)保效益及社會效益。

表3 各性能指標(biāo)仿真結(jié)果Table 3 Results for different performance indices

注：△表示正指標(biāo)，該指標(biāo)越大越好；▽表示逆指標(biāo)，該指標(biāo)越小越好。