考慮電能交互的冷熱電多微網(wǎng)系統(tǒng)日前優(yōu)化經(jīng)濟調(diào)度

徐青山, 李 淋, 蔡霽霖, 欒開寧, 楊 斌

(1. 東南大學電氣工程學院, 江蘇省南京市 210096; 2. 國網(wǎng)江蘇省電力有限公司, 江蘇省南京市 210024)

0 引言

冷熱電聯(lián)供(combined cooling,heating and power,CCHP)系統(tǒng)能夠同時對外供應(yīng)冷能、熱能和電能,通過能量的高效梯級利用,一次能源利用率可以達到80%以上,并減少對環(huán)境的污染[1-2]。隨著傳統(tǒng)煤炭、石油等化石能源的逐漸枯竭,可再生能源如風能、太陽能、地熱能等受到越來越多的重視[3]。微網(wǎng)作為一種包含可再生能源的分布式電源綜合集成技術(shù),是分布式發(fā)電的有效管理單元和重要組織形式[4],對于推進電力系統(tǒng)的環(huán)保性和經(jīng)濟性具有重要的意義[5-6]。CCHP技術(shù)與微網(wǎng)技術(shù)的結(jié)合,將CCHP系統(tǒng)與微網(wǎng)中各種用戶負荷、供用儲設(shè)備及分布式電源等結(jié)合在一起,滿足用戶冷、熱、電負荷供需平衡,提高整個微網(wǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性與可靠性[7-9]。CCHP型微網(wǎng)以高效的能源利用率、靈活的調(diào)度方式、較小的環(huán)境污染等優(yōu)點,成為國內(nèi)能源可持續(xù)利用、發(fā)展低碳綠色經(jīng)濟的重要手段[10]。

目前國內(nèi)外對CCHP型微網(wǎng)優(yōu)化調(diào)度模型和控制方法均有一定的研究。文獻[11]提出典型CCHP系統(tǒng)母線式結(jié)構(gòu),設(shè)計了優(yōu)化調(diào)度模型構(gòu)架,并建立了CCHP型微網(wǎng)日前動態(tài)經(jīng)濟調(diào)度的0-1混合線性規(guī)劃模型。文獻[12]設(shè)計了一種集成太陽能和聯(lián)供系統(tǒng)的太陽能冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng),基于生命周期分析法建立了多目標優(yōu)化模型,并對電跟隨和熱跟隨兩種運行策略下三聯(lián)供系統(tǒng)的綜合性能優(yōu)化過程進行了對比分析。文獻[13]在考慮電能和天然氣的不同費率結(jié)構(gòu)及季節(jié)性差異的基礎(chǔ)上,建立了風光氣儲互補發(fā)電的CCHP優(yōu)化協(xié)調(diào)模型,以實際算例驗證所提方法能夠平抑清潔能源的波動性,并實現(xiàn)多種電能的消納。文獻[14]將微網(wǎng)供能架構(gòu)內(nèi)冷熱電負荷細分為純電負荷、熱水負荷、空間熱負荷、冷凍負荷和空間冷負荷,建立CCHP型能源網(wǎng)經(jīng)濟優(yōu)化調(diào)度模型,采用基于Hessian矩陣迭代的內(nèi)點法對模型求解,并將優(yōu)化結(jié)果與傳統(tǒng)的“以熱定電”和“以電定熱”調(diào)度策略運行結(jié)果進行對比分析。文獻[15]提出基于模型預(yù)測控制的CCHP型微網(wǎng)動態(tài)優(yōu)化調(diào)度策略,并實時反饋校正冷熱電負荷和可再生能源出力預(yù)測偏差,實際算例驗證了所提模型能夠有效應(yīng)對系統(tǒng)不確定性對經(jīng)濟調(diào)度的影響。

上述文獻主要集中在單個CCHP型微網(wǎng)的經(jīng)濟優(yōu)化調(diào)度問題。隨著微網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展,多個微網(wǎng)連接在同一個局部配電網(wǎng)區(qū)域內(nèi),研究局部配電網(wǎng)中多個CCHP型微網(wǎng)的經(jīng)濟優(yōu)化問題具有實際意義,然而涉及含CCHP的區(qū)域多微網(wǎng)系統(tǒng)優(yōu)化經(jīng)濟調(diào)度的研究還比較少。文獻[16]將CCHP型多微網(wǎng)和主動配電網(wǎng)作為兩個不同的利益主體,采用分布式建模方法,以及天津中新生態(tài)城的算例驗證了提出的優(yōu)化調(diào)度模型可以實現(xiàn)兩個利益主體的經(jīng)濟最優(yōu),但沒有考慮CCHP型多微網(wǎng)間存在電能交互情況對經(jīng)濟調(diào)度的影響。文獻[17]提出考慮經(jīng)濟性和綜合能效的含CCHP系統(tǒng)的區(qū)域多微網(wǎng)雙目標優(yōu)化調(diào)度方法,冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)實行以冷/熱定電的運行模式,通過算例驗證所提方法在保證綜合能效的基礎(chǔ)上能夠進一步提高CCHP型多微網(wǎng)系統(tǒng)的經(jīng)濟性。文獻[18]提出了考慮微網(wǎng)間功率交互和微網(wǎng)出力協(xié)調(diào)的區(qū)域多微網(wǎng)優(yōu)化經(jīng)濟調(diào)度模型,多微網(wǎng)協(xié)調(diào)運行方式下CCHP型多微網(wǎng)系統(tǒng)總運行成本最小。但文獻[17-18]中CCHP型多微網(wǎng)均采用傳統(tǒng)的“以冷/熱定電”的運行策略,由文獻[14]可知，該文獻提出的調(diào)度方法比傳統(tǒng)的“以熱定電”和“以電定熱”調(diào)度策略經(jīng)濟性好。同時上述文獻對具體的CCHP型多微網(wǎng)間交易電價的制定和多微網(wǎng)內(nèi)冷熱電負荷平衡狀況沒有做進一步的研究。

針對以上問題,本文建立考慮微網(wǎng)間電能交互的CCHP型多微網(wǎng)系統(tǒng)優(yōu)化經(jīng)濟調(diào)度模型,采用以預(yù)測冷熱電負荷平衡和總體經(jīng)濟成本最優(yōu)來確定設(shè)備出力的運行策略?；谔旖蛑行律鷳B(tài)城的實際算例,通過分析各CCHP型微網(wǎng)內(nèi)各設(shè)備出力、冷熱電負荷平衡情況、經(jīng)濟運行成本和CO2排放量等來驗證所提出模型的有效性、經(jīng)濟性與環(huán)保性,同時對多微網(wǎng)系統(tǒng)總運行成本與微網(wǎng)間交易電價的關(guān)系進行了深入研究。

1 CCHP型微網(wǎng)結(jié)構(gòu)及設(shè)備模型

CCHP型微網(wǎng)中包含冷、熱、電、氣4種形式的能源,其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。由圖中可以看出,典型CCHP型微網(wǎng)中主要設(shè)備有:燃氣輪機、余熱鍋爐、燃氣鍋爐、蒸汽熱水換熱裝置、吸收式制冷機、電制冷機、蓄電池、風機和光伏電池。燃氣輪機通過燃燒燃氣產(chǎn)生電能,同時產(chǎn)生廢熱由余熱鍋爐收集起來,一部分通過換熱裝置供給熱負荷,另一部分通過吸收式制冷機進行制冷供給冷負荷。不足的熱負荷需求由燃氣鍋爐供給,不足的冷負荷需求由電制冷機供給,蓄電池用來存儲電能。CCHP型微網(wǎng)中分布式可再生電源為風力發(fā)電和光伏發(fā)電,并按照最大預(yù)測功率滿電。電網(wǎng)、相鄰微網(wǎng)和蓄電池與CCHP型微網(wǎng)間電能的交互是雙向的,其他設(shè)備間的能量交互都是單向的。

典型的CCHP型微網(wǎng)中有冷負荷、熱負荷、電負荷3種類型負荷,同時配備相應(yīng)負荷的供用儲設(shè)備。當圖1所示微網(wǎng)中只有冷、電負荷和相應(yīng)負荷的供用儲設(shè)備時,該微網(wǎng)為冷電聯(lián)供(combined cooling and power,CCP)型微網(wǎng)。同理,當只有熱、電負荷和相應(yīng)設(shè)備時,該微網(wǎng)為熱電聯(lián)供(combined heating and power,CHP)型微網(wǎng)。

圖1 CCHP型微網(wǎng)供能結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of energy supply structure of a CCHP microgrid

1.1 燃氣輪機

燃氣輪機作為CCHP系統(tǒng)中的核心設(shè)備,在燃燒燃氣產(chǎn)生電能的同時,熱能作為副產(chǎn)品供給整個系統(tǒng)的冷負荷和熱負荷。當不考慮外界環(huán)境變化時,燃氣輪機發(fā)電效率可以描述成關(guān)于機組電負荷率β的三次擬合多項式[19]。

ηGT=aβ3-bβ2+cβ+d

(1)

式中:ηGT為t時段內(nèi)燃氣輪機的發(fā)電效率;a,b,c,d為正常數(shù)。

燃氣輪機燃氣消耗量和排出煙氣中的余熱量的數(shù)學模型如下[16,18]:

(2)

(3)

式中:VGT為燃氣輪機消耗的燃氣量;PGT(t)為t時段內(nèi)燃氣輪機的發(fā)電功率;Δt為時間間隔;NT為調(diào)度時間段;LNG為燃氣熱值,本文取燃氣低熱值9.7 (kW·h)/m3;QGT(t)為燃氣輪機排出煙氣中的余熱量;ηGT,l為燃氣輪機的熱損失系數(shù)。

燃氣輪機的輸出電功率滿足運行約束條件:

(4)

1.2 余熱鍋爐

燃氣輪機排出煙氣余熱通過余熱鍋爐收集起來,供給CCHP系統(tǒng)的冷、熱負荷需求,余熱鍋爐的輸出熱量與輸入熱量及余熱鍋爐效率有關(guān)[14]:

(5)

1.3 燃氣鍋爐

當余熱鍋爐中輸出熱量不足以供給聯(lián)供系統(tǒng)熱負荷需求時,燃氣鍋爐通過燃燒燃氣對系統(tǒng)進行補熱。數(shù)學模型如下[16]:

(6)

1.4 蒸汽熱水換熱裝置

換熱裝置將余熱鍋爐的蒸汽熱量進行轉(zhuǎn)換,供給系統(tǒng)熱負荷需求。數(shù)學模型如下:

(7)

1.5 吸收式制冷機

吸收式制冷機將余熱鍋爐中的熱量進行制冷供給系統(tǒng)冷負荷需求。數(shù)學模型描述如下[14]:

(8)

1.6 電制冷機

在吸收式制冷機的輸出制冷量不足以供給系統(tǒng)的冷負荷時,電制冷機通過消耗電能制冷對系統(tǒng)進行補冷。數(shù)學模型如下[13]:

(9)

1.7 蓄電池

蓄電池可以在微網(wǎng)購電低谷電價時充電,在購電高峰電價時放電,以減少微網(wǎng)的總體運行成本。蓄電池的差分方程模型如下[20-21]:

(10)

1.8 與電網(wǎng)和相鄰微網(wǎng)交互電功率

當CCHP型微網(wǎng)中的分布式電源,即燃氣輪機、風力發(fā)電和光伏發(fā)電不能滿足微網(wǎng)的總電負荷需求時,微網(wǎng)從電網(wǎng)或者相鄰的微網(wǎng)中購買電能;同理,當CCHP型微網(wǎng)中電能過剩時,微網(wǎng)向電網(wǎng)或者相鄰微網(wǎng)售電。需要滿足的約束條件如下:

(11)

2 CCHP型多微網(wǎng)優(yōu)化調(diào)度模型

本文提出的考慮微網(wǎng)間電能交互的CCHP型多微網(wǎng)系統(tǒng)優(yōu)化經(jīng)濟調(diào)度模型以多微網(wǎng)系統(tǒng)的經(jīng)濟性為優(yōu)化目標,同時考慮約束條件,優(yōu)化各個微網(wǎng)內(nèi)設(shè)備的出力。由于多個CCHP型微網(wǎng)屬于同一個局部配電網(wǎng),忽略交互電功率過程中的電能損耗。

2.1 目標函數(shù)

CCHP型多微網(wǎng)系統(tǒng)的優(yōu)化目標是在調(diào)度周期NT內(nèi)m個微網(wǎng)總的運行成本最小,即

(12)

式中:FMG為CCHP型多微網(wǎng)系統(tǒng)的總運行成本;m為CCHP型微網(wǎng)的總個數(shù);Ffuel,i為第i個CCHP型微網(wǎng)的燃氣費用;FRm,i為第i個CCHP型微網(wǎng)的設(shè)備運行維護費用;Fgrid,i為第i個CCHP型微網(wǎng)與電網(wǎng)交互電功率的費用;Fmg,i為第i個微網(wǎng)與所有相鄰微網(wǎng)交互電功率的費用。

燃氣費用:

(13)

設(shè)備運行維護費用:

kBTPBT(t)+kWTPWT(t)+kPVPPV(t)

(14)

與電網(wǎng)交互功率費用:

(15)

與所有相鄰微網(wǎng)交互功率費用:

(16)

式中:cGas為燃氣氣價;kGT,kGB和kWH分別為燃氣輪機、燃氣鍋爐和余熱鍋爐單位時段單位功率運行維護費用;kHX,kAC和kEC分別為換熱裝置、吸收式制冷機和電制冷機單位時段單位功率運行維護費用;kBT,kWT和kPV分別為蓄電池、風電、光伏發(fā)電單位時段單位功率運行維護費用;PGB(t),PWH(t),PHX(t)和PAC(t)分別為燃氣鍋爐、余熱鍋爐、換熱裝置和吸收式制冷機的輸出功率;PBT(t),PWT(t)和PPV(t)分別為蓄電池、風電和光伏發(fā)電的輸出電功率;τ(t)為CCHP型微網(wǎng)與電網(wǎng)交互電功率的電價;λ(t)為CCHP型微網(wǎng)與相鄰微網(wǎng)交互電功率的電價。

2.2 約束條件

CCHP型多微網(wǎng)系統(tǒng)運行約束條件包括各個微網(wǎng)內(nèi)冷、熱、電能平衡約束，設(shè)備出力約束,以及與電網(wǎng)、相鄰微網(wǎng)的交互功率約束等,其中設(shè)備出力約束及交互功率約束在上一節(jié)中已述及。

冷平衡約束:

PEC(t)λEC+QAC(t)=Pcooling(t)Δt

(17)

熱平衡約束:

QGB(t)+QHX(t)=Pheating(t)Δt

(18)

電平衡約束:

PGT(t)+PWT(t)+PPV(t)+Pgrid(t)+

Pload(t)+Pabs(t)

(19)

式中:Pcooling(t),Pheating(t),Pload(t)分別為CCHP型微網(wǎng)的冷負荷功率、熱負荷功率和電負荷功率。

針對上述經(jīng)濟優(yōu)化調(diào)度模型,在MATLAB中調(diào)用商業(yè)求解器Cplex進行求解[22]。

3 算例分析

3.1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

采用天津中新生態(tài)城的典型CCHP型多微網(wǎng)系統(tǒng)算例,多微網(wǎng)系統(tǒng)由CCP型微網(wǎng)、CCHP型微網(wǎng)和CHP型微網(wǎng)組成,如圖2所示。

圖2 CCHP型多微網(wǎng)系統(tǒng)示意圖Fig.2 Schematic diagram of CCHP multi-microgrid

CCHP型微網(wǎng)與CCP型微網(wǎng)和CHP型微網(wǎng)通過聯(lián)絡(luò)線相連接,可以進行相互間的電功率交互,且多微網(wǎng)屬于同一個配電網(wǎng)區(qū)域。三種類型微網(wǎng)中同類型設(shè)備參數(shù)相同,見附錄A表A1。各類型微網(wǎng)中光伏發(fā)電和風力發(fā)電功率、冷熱電負荷預(yù)測數(shù)據(jù)見附錄A圖A1。天然氣的氣價為2.2元/m3,CCHP型多微網(wǎng)系統(tǒng)中微網(wǎng)與電網(wǎng)間、多微網(wǎng)間的交易電價[23]見附錄A表A2。為保護電力公司利益,CCHP型微網(wǎng)從電網(wǎng)購電的電價比微網(wǎng)向電網(wǎng)售電的電價高。微網(wǎng)售電給電網(wǎng)和其他相鄰微網(wǎng)的電價相同,且與微網(wǎng)從其他相鄰微網(wǎng)購電的電價相同。當CCHP型微網(wǎng)內(nèi)分布式電源發(fā)電功率不能滿足電負荷需求時,由于微網(wǎng)從其他相鄰微網(wǎng)購電的電價低于從電網(wǎng)的購電電價,為了總體經(jīng)濟成本最優(yōu),微網(wǎng)優(yōu)先從相鄰微網(wǎng)購電,再從電網(wǎng)購電。同理,當微網(wǎng)內(nèi)分布式電源發(fā)電量存在剩余時,而微網(wǎng)向電網(wǎng)和其他相鄰微網(wǎng)的售電電價相同,為了總體經(jīng)濟性,微網(wǎng)會優(yōu)先向相鄰微網(wǎng)售電,再向電網(wǎng)售電。

下面針對天津中新生態(tài)城算例,研究考慮微網(wǎng)間電能交互的CCHP型多微網(wǎng)系統(tǒng)的經(jīng)濟性與環(huán)保性,分析多微網(wǎng)內(nèi)的設(shè)備出力及冷熱電負荷平衡情況,并對多微網(wǎng)間交易電價的制定做進一步研究。

3.2 結(jié)果分析

3.2.1各CCHP型微網(wǎng)優(yōu)化調(diào)度結(jié)果分析

當CCHP型多微網(wǎng)通過聯(lián)絡(luò)線進行微網(wǎng)間電能交互時,各個微網(wǎng)的設(shè)備出力及冷熱電功率平衡情況如圖3、圖4所示。

圖3 CCP和CHP型微網(wǎng)冷熱電負荷平衡及設(shè)備出力曲線Fig.3 Cooling, heating, power balance curves and equipment output of CCP and CHP microgrid

CCP型微網(wǎng)中光伏和風電的發(fā)電功率大于電負荷功率,存在電量剩余的情況,屬于多電型微網(wǎng),微網(wǎng)中多余的電量出售給CCHP型微網(wǎng)和電網(wǎng)。微網(wǎng)中燃氣輪機沒有出力,不產(chǎn)生電能和煙氣廢熱。余熱鍋爐中沒有從燃氣輪機中收集的煙氣廢熱,因此吸收式制冷機沒有工作,微網(wǎng)中冷負荷功率全部由電制冷機提供。微網(wǎng)中電負荷與光伏發(fā)電、風力發(fā)電、蓄電池充放電、與電網(wǎng)交互電功率、與CCHP型微網(wǎng)交互電功率、電制冷機消耗電功率協(xié)調(diào)平衡。蓄電池在峰時段電價高時放電供給微網(wǎng)電能需求,在谷時段電價低時充電儲存電能,以達到減少系統(tǒng)運行費用的優(yōu)化目標,且蓄電池充放電功率在08:00—12:00和19:00—24:00時段達到最大充放電功率(100 kW)。

CHP型微網(wǎng)中光伏和風電發(fā)電功率大于電負荷功率需求,屬于多電型微網(wǎng),通過向電網(wǎng)和CCHP型微網(wǎng)售電平衡電功率。燃氣輪機的煙氣廢熱經(jīng)余熱鍋爐全部供給換熱裝置供熱,微網(wǎng)中熱負荷功率由換熱裝置和燃氣鍋爐提供,當換熱裝置的制熱功率不能滿足系統(tǒng)熱負荷需求時,燃氣鍋爐進行補熱。同時,蓄電池滿足高電價時刻放電、低電價時刻充電的規(guī)律,最大充放電功率為100 kW。

圖4 CCHP型微網(wǎng)冷熱電負荷平衡及設(shè)備出力曲線Fig.4 Cooling, heating, power balance curves and equipment output of CCHP microgrid

CCHP型微網(wǎng)中冷熱電負荷功率平衡,且未出現(xiàn)棄冷/熱/電能的情況。燃氣輪機煙氣廢熱經(jīng)余熱鍋爐供給吸收式制冷機和換熱裝置,給微網(wǎng)供冷和供熱。微網(wǎng)冷負荷功率由電制冷機和吸收式制冷機提供,當吸收式制冷機不足以提供微網(wǎng)冷負荷需求時,電制冷機進行補冷,且其在電價高時制冷功率所占比例小,在電價低時比例高。微網(wǎng)熱負荷功率由換熱裝置和燃氣鍋爐提供,當換熱裝置制熱功率不足以提供微網(wǎng)熱負荷需求時,燃氣鍋爐進行補熱。

微網(wǎng)電負荷功率與燃氣輪機發(fā)電、電制冷機消耗電功率、與電網(wǎng)交互電功率、與CCP型微網(wǎng)交互電功率、與CHP型微網(wǎng)交互電功率、蓄電池充放電、光伏、風電協(xié)調(diào)平衡。由附錄A圖A1(a)可以看出,微網(wǎng)電負荷功率大于光伏和風電的發(fā)電功率,屬于缺電型微網(wǎng),微網(wǎng)從電網(wǎng)、CCP型微網(wǎng)和CHP型微網(wǎng)購電供給電負荷需求。燃氣輪機在購電電價高時發(fā)電功率大,在購電電價低時發(fā)電功率小。從蓄電池的充放電功率可以看出,在低谷電價時段23:00—07:00蓄電池充電存儲電能,在高峰電價時段08:00—11:00和18:00—23:00蓄電池放電供給電負荷需求,且最大充放電功率為73 kW。

3.2.2與多微網(wǎng)間無電能交互對比分析

當CCHP型多微網(wǎng)系統(tǒng)中微網(wǎng)間不存在電能交互時,各個微網(wǎng)獨立運行,只與電網(wǎng)間存在電能的交易。為突出本文所提優(yōu)化經(jīng)濟調(diào)度方法的優(yōu)點,與多微網(wǎng)間獨立運行的優(yōu)化結(jié)果進行對比,從多微網(wǎng)系統(tǒng)電功率交互值、多微網(wǎng)系統(tǒng)經(jīng)濟性、多微網(wǎng)系統(tǒng)環(huán)保性三個方面展開分析。

1)多微網(wǎng)系統(tǒng)電功率交互值

當微網(wǎng)間存在電能交互時,CCHP型多微網(wǎng)系統(tǒng)中各微網(wǎng)與電網(wǎng)、各微網(wǎng)與相鄰微網(wǎng)的功率交互曲線如圖5(a)所示;當微網(wǎng)間不存在電能交互時,各微網(wǎng)與電網(wǎng)的功率交互曲線如圖5(b)所示。

當微網(wǎng)間存在電能交互時,CCHP型微網(wǎng)從相鄰微網(wǎng)和電網(wǎng)中購電,由于從電網(wǎng)購電電價高于從微網(wǎng)購電電價,CCHP型微網(wǎng)優(yōu)先從相鄰微網(wǎng)購電,若CHP型微網(wǎng)和CCP型微網(wǎng)中多余電功率值不足以提供CCHP型微網(wǎng)電功率需求,CCHP型微網(wǎng)再從電網(wǎng)購電,如圖5(a)中13:00和24:00所示。CCHP型微網(wǎng)從CHP型微網(wǎng)中購電量最大,其次是CCP型微網(wǎng)。微網(wǎng)向電網(wǎng)和相鄰微網(wǎng)售電電價相同,為了多微網(wǎng)系統(tǒng)經(jīng)濟成本最優(yōu),多電型微網(wǎng)優(yōu)先向相鄰缺電型微網(wǎng)售電,當相鄰微網(wǎng)的電功率需求已得到滿足時,再向電網(wǎng)售電。

當各微網(wǎng)獨立運行時,多電型CCP型微網(wǎng)和CHP型微網(wǎng)向電網(wǎng)售電,缺電型CCHP型微網(wǎng)向電網(wǎng)購電。從圖中可以看出,各微網(wǎng)獨立運行時,三個CCHP型微網(wǎng)與電網(wǎng)間交互電功率的值遠大于各微網(wǎng)間存在電能交互時的值。因此當微網(wǎng)間存在電能交易時,可以大大降低微網(wǎng)與電網(wǎng)間輸電線路的傳輸電功率壓力。

2)多微網(wǎng)系統(tǒng)的經(jīng)濟性

與各微網(wǎng)獨立運行相比,CCHP型微網(wǎng)從CCP型微網(wǎng)和CHP型微網(wǎng)購電的電價比從電網(wǎng)購電的電價低。附錄A表A3給出CCHP型多微網(wǎng)系統(tǒng)在微網(wǎng)間存在電能交互和無電能交互場景下的經(jīng)濟成本?？梢?當微網(wǎng)間無電功率交互時,多微網(wǎng)系統(tǒng)的總成本為40 939.3元,當微網(wǎng)間有電功率交互時,多微網(wǎng)系統(tǒng)的總成本為37 285.5元,成本下降8.92%。CCHP型微網(wǎng)獨立運行時運行成本為34 873.3元,微網(wǎng)間有電能交互時運行成本為31 049.8元,成本下降10.96%。CHP型微網(wǎng)和CCP型微網(wǎng)由于售電給電網(wǎng)和CCHP型微網(wǎng)的電價相同,所以在兩種場景下運行成本基本不變。

圖5 多微網(wǎng)系統(tǒng)功率交互曲線Fig.5 Curves of interaction power in multi-microgrid system

3)多微網(wǎng)系統(tǒng)的環(huán)保性

CCHP型多微網(wǎng)系統(tǒng)碳排放的主要來源為燃氣輪機、燃氣鍋爐和配電網(wǎng),燃氣輪機和燃氣鍋爐燃燒天然氣產(chǎn)生CO2,配電網(wǎng)中電能大部分由火力發(fā)電提供。多微網(wǎng)系統(tǒng)運行過程中CO2排放量如下式:

uc,powerPgrid(t))Δt

(20)

式中:FCO2為多微網(wǎng)系統(tǒng)運行過程中CO2的排放量;uc,gas為單位體積天然氣燃燒時的CO2排放率;FGT(t)為燃氣鍋爐消耗燃氣量;uc,power為配電網(wǎng)中單位電能生產(chǎn)時的CO2排放率。

根據(jù)天然氣標準煤折算系數(shù)1.214 3 kg/m3,標準煤CO2排放量2.49 kg,可換算得天然氣CO2排放率3.024 kg/m3,配電網(wǎng)電能的CO2排放率0.997 kg/(kW·h)[24]。附錄A表A4給出CCHP型多微網(wǎng)系統(tǒng)在微網(wǎng)間存在電能交互和無電能交互場景下的CO2排放量?？梢?當微網(wǎng)間沒有電能交互時,多微網(wǎng)系統(tǒng)的CO2排放量為100 307.7 kg,當微網(wǎng)間存在電能交互時,多微網(wǎng)系統(tǒng)的CO2排放量為51 712.7 kg,排放量減少48.44%。

3.2.3與CCHP傳統(tǒng)運行方式對比分析

CCHP系統(tǒng)的經(jīng)濟性能與燃氣輪機的運行方式有關(guān),目前普遍采用的兩種傳統(tǒng)運行方式為“以熱定電”和“以電定熱”[14,18,25-26]?！耙噪姸帷边\行方式為CCHP系統(tǒng)中燃氣輪機機組的出力跟隨系統(tǒng)電負荷的變化,當燃氣輪機機組的最大發(fā)電功率無法滿足系統(tǒng)電負荷需求時,從電網(wǎng)或者其他相鄰微網(wǎng)購電,燃氣輪機機組產(chǎn)生的余熱經(jīng)余熱鍋爐根據(jù)不同的工況,經(jīng)吸收式制冷機供給冷負荷或經(jīng)換熱裝置供給熱負荷,不足的冷熱負荷需求由電制冷機和燃氣鍋爐提供,“以熱定電”運行方式同理。

為突出本文提出的優(yōu)化調(diào)度方法的經(jīng)濟性優(yōu)勢,在多微網(wǎng)間有電能交互的前提下,對3個CCHP型微網(wǎng)采用“以熱定電”和“以電定熱”運行方式進行仿真分析,分別計算兩種傳統(tǒng)運行方式下的多微網(wǎng)系統(tǒng)總成本,并與本文提出的優(yōu)化調(diào)度方法進行對比,見附錄A表A5。與傳統(tǒng)“以熱定電”和“以電定熱”運行方式相比,本文提出的優(yōu)化調(diào)度方法可分別降低5.33%和9.58%的總運行成本。通過本文提出的優(yōu)化調(diào)度方法,調(diào)度CCHP型多微網(wǎng)系統(tǒng)中各微網(wǎng)設(shè)備出力和各微網(wǎng)與電網(wǎng)、相鄰微網(wǎng)間交互電功率值,可以顯著降低多微網(wǎng)系統(tǒng)的總運行成本。

4 討論

CCHP型多微網(wǎng)系統(tǒng)運行經(jīng)濟成本與多微網(wǎng)間交易電價的制定有密切關(guān)系,以附錄A表A2中電價為基礎(chǔ),研究多微網(wǎng)系統(tǒng)運行經(jīng)濟成本與微網(wǎng)間交易電價的關(guān)系如圖6所示,其中w為微網(wǎng)交易電價與附錄A表A2所設(shè)定的各相應(yīng)時段基礎(chǔ)電價間的差值。

可見,隨著微網(wǎng)間購售電電價的增加,CCP型微網(wǎng)的盈利越來越大,CHP型微網(wǎng)的經(jīng)濟成本逐漸減低,這是由于微網(wǎng)間購售電電價升高,CCP型微網(wǎng)和CHP型微網(wǎng)出售剩余電量獲得的收益變大。由于CCHP型微網(wǎng)從相鄰微網(wǎng)的購電電價增大,CCHP型微網(wǎng)的經(jīng)濟成本逐漸增加,而整個CCHP型多微網(wǎng)系統(tǒng)的經(jīng)濟成本呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢。為遵循微網(wǎng)向電網(wǎng)售電電價不高于從電網(wǎng)購電電價的原則,當微網(wǎng)間峰平谷時段交易電價取0.69,0.42,0.17元/(kW·h)(即w=0.04元/(kW·h))時,CCHP型多微網(wǎng)系統(tǒng)有最低運行經(jīng)濟成本36 907元。

圖6 多微網(wǎng)系統(tǒng)成本與電價關(guān)系曲線Fig.6 Relationship between cost and electricity prices of CCHP multi-microgrid system

5 結(jié)語

本文建立了考慮微網(wǎng)間電能交互的CCHP型多微網(wǎng)系統(tǒng)優(yōu)化經(jīng)濟調(diào)度模型,通過天津中新生態(tài)城算例,分析各微網(wǎng)優(yōu)化調(diào)度結(jié)果得出以下結(jié)論。

1)當多微網(wǎng)間通過聯(lián)絡(luò)線交互電能時,缺電型CCHP型微網(wǎng)從CCP型微網(wǎng)、CHP型微網(wǎng)和電網(wǎng)購買電能,多電型CCP微網(wǎng)和CHP微網(wǎng)向CCHP型微網(wǎng)和電網(wǎng)售電。CCP型、CCHP型和CHP型微網(wǎng)中冷熱電負荷功率平衡,各微網(wǎng)中沒有出現(xiàn)棄冷/熱/電能的情況,多微網(wǎng)中各設(shè)備出力趨向于最小化整個CCHP型多微網(wǎng)系統(tǒng)經(jīng)濟運行成本。

2)與多微網(wǎng)間無電能交互的優(yōu)化調(diào)度相比,本文提出的考慮微網(wǎng)間電能交互的優(yōu)化調(diào)度方法,可以減少各微網(wǎng)與電網(wǎng)間的購售電電量,減少電網(wǎng)高峰時段的供電壓力;同時可以降低8.92%的運行成本,減少48.44%的CO2排放量,驗證了本文所提模型的經(jīng)濟性和環(huán)保性。

3)與傳統(tǒng)的“以熱定電”和“以電定熱”運行方式相比,本文提出的考慮微網(wǎng)間電能交互的CCHP型多微網(wǎng)系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度方法通過調(diào)度各微網(wǎng)內(nèi)設(shè)備出力和微網(wǎng)與電網(wǎng)、相鄰微網(wǎng)間交互電功率值,可以分別降低5.33%和9.58%的總運行成本。

4)CCHP型多微網(wǎng)系統(tǒng)運行經(jīng)濟成本與微網(wǎng)間購售電電價有關(guān),在電價允許范圍內(nèi),隨著微網(wǎng)間購售電電價的提高,多微網(wǎng)系統(tǒng)運行經(jīng)濟成本呈逐漸下降趨勢,并在w=0.04元/(kW·h)時取最小值。

本文CCHP型微網(wǎng)中燃氣僅作為燃氣輪機和燃氣鍋爐的燃料,與微網(wǎng)內(nèi)電能間沒有耦合關(guān)系,隨著電轉(zhuǎn)氣(power-to-gas,P2G)技術(shù)的發(fā)展,能實現(xiàn)綜合能源系統(tǒng)中電、氣系統(tǒng)間能量的雙向流動。未來將進一步研究包含電轉(zhuǎn)氣裝置的CCHP型多微網(wǎng)系統(tǒng)優(yōu)化經(jīng)濟調(diào)度問題,分析電轉(zhuǎn)氣技術(shù)消納分布式電源發(fā)電所產(chǎn)生的經(jīng)濟效益，以及各個CCHP型微網(wǎng)內(nèi)冷、熱、電負荷的平衡情況。

附錄見本刊網(wǎng)絡(luò)版(http://www.aeps-info.com/aeps/ch/index.aspx)。