含混合儲能的冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)運行策略及容量配置

崔樹銀, 常 嘯, 陸 奕

(上海電力大學(xué)經(jīng)濟與管理學(xué)院，上海 200090)

隨著社會經(jīng)濟的不斷發(fā)展，能源開發(fā)與環(huán)境保護間的矛盾日益凸顯，如何在環(huán)境友好的前提下提高能源使用率成為世界各國和相關(guān)組織關(guān)注的重點[1]。在此背景，習(xí)總書記提出能源革命發(fā)展理念，明確國家能源安全戰(zhàn)略，積極推動能源生產(chǎn)和消費革命[2]。

能源行業(yè)是節(jié)能減排的主力軍，發(fā)展分布式能源對于低碳經(jīng)濟的實現(xiàn)和人類的可持續(xù)發(fā)展都具有重要的意義[3-4]。目前，針對冷熱電聯(lián)供(combined cooling heating and power，CCHP)系統(tǒng)優(yōu)化研究已取得了一定進展。文獻(xiàn)[5-6]以CCHP系統(tǒng)綜合效益最優(yōu)為目標(biāo)函數(shù)，探討引入能源價格和不同負(fù)荷結(jié)構(gòu)的影響；文獻(xiàn)[7-8]通過分析含儲能裝置的CCHP系統(tǒng)，驗證儲能裝置有效提高系統(tǒng)經(jīng)濟效益；文獻(xiàn)[9-10]以CCHP系統(tǒng)運行成本最低為優(yōu)化目標(biāo)，考慮分布式發(fā)電的不確定性，分析系統(tǒng)儲能容量最優(yōu)配置及運行策略；文獻(xiàn)[11]建立了全壽命周期的CCHP儲能調(diào)度規(guī)劃雙層優(yōu)化模型，討論CCHP配置不同類型儲能的經(jīng)濟性和可行性；文獻(xiàn)[12]針對含儲能的CCHP系統(tǒng)運行可靠性和經(jīng)濟性建立優(yōu)化模型，通過蒙特卡羅模擬法驗證算例得出最佳儲能容量；文獻(xiàn)[13]基于不同季節(jié)典型日光伏處理和負(fù)荷特性曲線，建立經(jīng)濟-環(huán)境效益最大化的區(qū)域綜合能源系統(tǒng)容量配置優(yōu)化模型；文獻(xiàn)[14]提出一種基于頻譜分析確定混合儲能系統(tǒng)(hybrid energy storage system，HESS)容量配置的方法，并基于此確定儲能最優(yōu)運行策略。上述文獻(xiàn)大多僅從經(jīng)濟性分析含儲能的CCHP系統(tǒng)容量配置，而CCHP系統(tǒng)涉及冷、熱、電三種能量形式間的耦合關(guān)系，僅從經(jīng)濟性角度不能客觀準(zhǔn)確評估儲能容量配置對CCHP系統(tǒng)優(yōu)化運行的影響。因此，從能源性、經(jīng)濟性、環(huán)境性三方面分析儲能容量配置對CCHP系統(tǒng)運行策略和綜合效益的影響。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與設(shè)備建模

冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)作為分布式綜合能源系統(tǒng)最直觀的體現(xiàn)形式，其能源綜合利用率可達(dá)到80%左右，采用科學(xué)合理的系統(tǒng)運行策略和設(shè)備配置對于推動能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型、推進中國能源革命具有重要意義。所建含混合儲能的CCHP系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 CCHP系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及能量流動圖

1.1 燃?xì)廨啓C模型

燃?xì)廨啓C(gas turbine，GT)。多以天然氣為燃料，通過高品質(zhì)的熱能驅(qū)動燃?xì)廨啓C發(fā)電。其數(shù)學(xué)模型為

ηgt=(aβ3+bβ2+cβ+d)/100

(1)

(2)

(3)

式中：ηgt為燃?xì)廨啓C發(fā)電效率；ηl為熱損失系數(shù)，取值0.06；Qgt(t)為燃?xì)廨啓C單位時間可回收余熱量；Pgt(t)為燃?xì)廨啓C單位時間發(fā)電功率；Δt為時間間隔，為1 h；Vgt(t)為單位時間天然氣消耗量；Lng為天然氣熱值，一般取9.7 kW·h/m3；β為機組負(fù)荷率；a、b、c、d為正常數(shù)，分別取值a=17.989、b=-27.081、c=33.157、d=8.935。

1.2 吸收式冷/熱機組模型

吸收式冷/熱機組是指通過余熱鍋爐(heat recovery boiler，HRB)和吸收式制冷機(absorption chiller，AC)回收利用低品質(zhì)熱能轉(zhuǎn)換為可利用熱能、冷能，其數(shù)學(xué)模型為

(4)

式(4)中：ηrec為煙氣余熱回收率，取ηrec=0.75；Pgt-he(t)和Pgt-co(t)為余熱回收利用機組提供的制熱量、制冷量；Phe和Pco為余熱回收利用機組的制熱、制冷系數(shù)，分別取值0.9和1.2。

1.3 混合儲能裝置模型

儲能裝置是CCHP系統(tǒng)重要補充部分，理論上只要儲能裝置容量足夠大且響應(yīng)速度足夠快，就可以實現(xiàn)分布式能源系統(tǒng)內(nèi)部能量平衡，保障系統(tǒng)穩(wěn)定運行。考慮儲能裝置充放電損耗、儲能功率約束、使用壽命、投資成本等因素[14]，采用由蓄電池組和超級電容器組成的混合儲能裝置，其數(shù)學(xué)模型為

(6)

式中：E(t)和E(t-1)分別為在t時段和t-1時段內(nèi)的儲能裝置能量；δ為儲能裝置的自損率，取值0.04；Pes(t)為儲能裝置充放電功率，放電取正值，充電取負(fù)值；ηch和ηdis為儲能裝置充放電效率，取值0.9。

1.4 電制冷/熱機組模型

電制冷/熱機組是指通過空調(diào)或電暖器等設(shè)備將電能轉(zhuǎn)換為冷能、熱能，其數(shù)學(xué)模型為

Peh,out(t)=Peh,in(t)ηeh

(7)

Pec,out(t)=Pec,in(t)ηec

(8)

式中：Pec,out(t)和Peh,out(t)分別為電制冷/熱裝置的輸出功率；Pec,in(t)和Peh,in(t)分別為電制冷/熱裝置的輸入功率；ηec和ηeh分別為電制冷/熱裝置的能耗比，分別取2.7和3.3。

2 含混合儲能的冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)容量配置優(yōu)化模型

2.1 目標(biāo)函數(shù)

由于多目標(biāo)函數(shù)權(quán)重系數(shù)的選取對優(yōu)化結(jié)果影響較大，因此，從能源性、經(jīng)濟性、環(huán)境性三方面分析儲能容量配置對CCHP系統(tǒng)運行策略和綜合效益的影響。

2.1.1 能源性指標(biāo)：系統(tǒng)一次能源消耗系數(shù)

(9)

式(9)中：λg為天然氣的一次能源轉(zhuǎn)換系數(shù)，取值為1.47；λe為電網(wǎng)購電的一次能源轉(zhuǎn)換系數(shù)，取3.36；s為典型日類數(shù)；Ts為第s類典型日全年持續(xù)天數(shù)。

2.1.2 經(jīng)濟性指標(biāo)：系統(tǒng)運行成本

f2(x)=Ce

(10)

Ce=Cpgt+Cpeg

(11)

(12)

(13)

式中：Ce為系統(tǒng)年運行成本；Cpgt為購買天然氣燃料成本；Cpeg為電網(wǎng)購電成本，Cgt(t)為天然氣價；Ceg(t)為電價。

2.1.3 環(huán)境性指標(biāo)：系統(tǒng)二氧化碳排放量

(14)

式中：μg和μe為天然氣和電網(wǎng)購電的二氧化碳排放系數(shù)，分別取μg=0.428 kg/(kW·h)、μe=0.928 kg/(kW·h)。

2.2 約束條件

2.2.1 設(shè)備運行約束

各設(shè)備應(yīng)滿足功率上下限要求：

Pimin≤Pi≤Pimax

(15)

式(15)中：Pi為第i個設(shè)備的運行功率；Pimax和Pimin分別為第i個設(shè)備額定功率上下限。

2.2.2 電功率平衡約束

Pgt(t)+Pes(t)+Pdisnet(t)=PLoad(t)+Pec,in(t)+

Peh,in(t)

(16)

式(16)中：Pdisnet(t)為系統(tǒng)購電功率；Pload(t)為系統(tǒng)電負(fù)荷需求功率。

2.2.3 熱功率平衡約束

Pgt-he(t)+Peh,out(t)=Pheat(t)

(17)

式(17)中：Pheat(t)為系統(tǒng)熱負(fù)荷需求功率。

2.2.4 冷功率平衡約束

Pgt-co(t)+Pec,out(t)=Pcold(t)

(18)

式(18)中：Pcold(t)為系統(tǒng)中冷負(fù)荷的需求功率。

2.2.5 儲能裝置容量約束

Pchmax≤Pes(t)≤Pdismax

(19)

0≤E(t)≤Emax

(20)

式中：Pes(t)為儲能裝置充、放電功率；Pchmax和Pdismax分別為儲能裝置最大充、放電功率；E(t)為儲能裝置實際容量；Emax為儲能裝置最大儲能量。

由于CCHP型系統(tǒng)調(diào)度呈現(xiàn)周期性，因此，儲能裝置應(yīng)在調(diào)度周期內(nèi)初始和結(jié)束時刻保持一致[15]，即應(yīng)滿足：

E(1)=E(24)

(21)

2.3 優(yōu)化求解

所建含混合儲能的CCHP系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度模型為混合整數(shù)非線性規(guī)劃問題其一般形式如式(22)，故采用MATLAB調(diào)用Cplex求解器進行求解。

minf(x,y)

s.tg(x,y)=0

h(x,y)≥0

(22)

式(22)中：f(x,y)為目標(biāo)函數(shù)；g(x,y)為等式約束；h(x,y)為不等式約束。

3 算例分析

3.1 算例概況

選取某辦公樓為分析對象，主要設(shè)備參數(shù)見表1，根據(jù)該地負(fù)荷需求將一年劃分為夏季(5—8月)、冬季(11—2月)和過渡季(3—4月、9—10月)，典型日的天數(shù)分別為122、121、122 d；典型日負(fù)荷曲線[7]如圖2所示，單位時間間隔為1 h，調(diào)度周期為1 d。采用上海市分時電價，電價和天然氣價格如表2所示，天然氣價格折合單位熱值為0.36元/(kW·h)。

表1 設(shè)備參數(shù)

表2 分時電價和天然氣價

注：峰時即6:00—22:00；谷時即0：00—6:00、22:00—24：00。

3.2 混合儲能容量配置分析

由于CCHP系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度呈現(xiàn)周期性，因此在初始和結(jié)束時刻，儲能容量應(yīng)保持一致[15]。因此，在此選取初始容量為100 kW。

3.2.1 能源性指標(biāo)

不同運行策略含混合儲能的CCHP系統(tǒng)年一次能源消耗系數(shù)如圖3所示，儲能容量為0 kW時，“以熱定電”運行模式優(yōu)于“以電定熱”；“以電定熱”運行模式下，一次能源消耗系數(shù)同儲能容量成正比，“以熱定電”運行模式成反比；當(dāng)儲能容量大于等于1 500 kW時，“以熱定電”運行模式下一次能源消耗系數(shù)不再變化，“以電定熱”則一直增加。

圖2 典型日負(fù)荷預(yù)測曲線

圖3 能源性指標(biāo)

3.2.2 經(jīng)濟性指標(biāo)

不同運行策略含混合儲能的CCHP系統(tǒng)年運行成本如圖4所示，儲能可有效減少系統(tǒng)運行成本且“以電定熱”運行模式優(yōu)于“以熱定電”；儲能容量取1 500 kW時，“以熱定電”運行模式下，系統(tǒng)年運行成本不在變化，“以電定熱”則一直減少。

圖4 經(jīng)濟性指標(biāo)

基于生命周期法由表1可得，單位容量的混合儲能投資成本和維護成本為106元/年?？紤]初期投資成本和維護成本的含儲能CCHP系統(tǒng)綜合成本如表3所示，“以熱定電”運行模式下，儲能容量取1 000 kW左右時，系統(tǒng)綜合成本最低。

表3 綜合成本

3.2.3 環(huán)境性指標(biāo)

不同運行策略含混合儲能的CCHP系統(tǒng)年二氧化碳排放量如圖5所示，儲能容量為0 kW時，“以熱定電”運行模式優(yōu)于“以電定熱”；“以電定熱”運行模式下，二氧化碳排放量同儲能容量成正比，“以熱定電”運行模式成反比；當(dāng)儲能容量大于1 500 kW時，“以熱定電”二氧化碳排放量不在變化，“以電定熱”則一直增加。

圖5 環(huán)境性指標(biāo)

圖6 能源性指標(biāo)

3.3 初始容量配置分析

選取儲能容量為1 000 kW，分析初始容量配置對CCHP系統(tǒng)優(yōu)化運行的影響。

3.3.1 能源性指標(biāo)

不同運行策略含混合儲能的CCHP系統(tǒng)年一次能源消耗系數(shù)如圖6所示，“以熱定電”運行模式優(yōu)于“以電定熱”；“以熱定電”運行模式下，當(dāng)初始容量取300 kW左右，一次能源消耗系數(shù)最低，“以電定熱”運行模式下系統(tǒng)一次能源消耗系數(shù)與初始容量成正比。

3.3.2 經(jīng)濟性指標(biāo)

不同運行策略含混合儲能的CCHP系統(tǒng)運行成本如圖7所示，“以電定熱”運行模式優(yōu)于“以熱定電”；“以熱定電”運行模式下初始容量取300 kW左右時，系統(tǒng)運行成本最低，“以電定熱”運行模式，系統(tǒng)運行成本與初始容量成正比。

圖7 經(jīng)濟性指標(biāo)

3.3.3 環(huán)境性指標(biāo)

不同運行策略含混合儲能的CCHP系統(tǒng)年二氧化碳排放量如圖8所示，“以熱定電”運行模式優(yōu)于“以電定熱”；初始容量取300 kW左右，系統(tǒng)“以熱定電”運行模式下二氧化碳排放量最低，“以電定熱”運行模式下同二氧化碳排放量與初始容量成正比。

圖8 環(huán)境性指標(biāo)

4 結(jié)論與展望

以含混合儲能的CCHP系統(tǒng)為研究對象，分析儲能容量配置對系統(tǒng)綜合效益及運行策略的影響，得出以下結(jié)論。

(1)儲能裝置雖可以減少系統(tǒng)運行成本，但由于其相對高額的投資成本和維護成本，“以電定熱”運行模式下并不能減少系統(tǒng)綜合成本，“以熱定電”運行模式下，當(dāng)儲能容量取1 000 kW左右時，系統(tǒng)綜合成本最優(yōu)。

(2)“以熱定電”運行模式下，儲能裝置可以有效減少系統(tǒng)一次能源消耗和二氧化碳排放，當(dāng)容量大于等于1 500 kW時最優(yōu)且不在變化。

(3)“以電定熱”運行模式下，系統(tǒng)能源性、經(jīng)濟性、環(huán)境性指標(biāo)與初始容量成正比，對比“以熱定電”運行模式，初始容量取300 kW左右時最優(yōu)。