考慮CCHP的工業(yè)大用戶綜合能源系統(tǒng)擴(kuò)展規(guī)劃

楊效婷，舒雋

(華北電力大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，北京市 102206)

0 引 言

工業(yè)大用戶的生產(chǎn)過程消耗大量能源[1-2]。除電能外，工業(yè)大用戶如鋼鐵廠、化工廠等還消耗大量冷、熱負(fù)荷，例如生產(chǎn)的熱加工、產(chǎn)品的冷卻以及車間溫度控制、用戶樓宇用能等。工業(yè)大用戶本身是一個(gè)綜合能源系統(tǒng)(integrated energy system，IES)，其中包含了多種能源的供給、轉(zhuǎn)換、存儲(chǔ)以及消耗環(huán)節(jié)。

天然氣冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)(combined cooling，heating and power，CCHP)一次能源利用率可以達(dá)到80%以上，是現(xiàn)今綜合能源系統(tǒng)中最具潛力的一種運(yùn)營模式[3]。文獻(xiàn)[4]建立并提出了含CCHP的混合發(fā)電系統(tǒng)的一般模型和優(yōu)化算法，可優(yōu)化系統(tǒng)的配置和運(yùn)行；文獻(xiàn)[5]基于改進(jìn)型Kriging模型，通過優(yōu)化計(jì)算得到IES的最佳容量配置和運(yùn)行策略；文獻(xiàn)[6]提出了一種以配電網(wǎng)公司年度成本最小化為目標(biāo)的IES規(guī)劃模型，將分布式風(fēng)電機(jī)組、光伏發(fā)電和CCHP視為環(huán)境友好型的規(guī)劃選項(xiàng)來應(yīng)對(duì)負(fù)荷增長；文獻(xiàn)[7-8]考慮風(fēng)、光、負(fù)荷等的隨機(jī)特性，建立了熱電聯(lián)供(combined heating and power，CHP)型微網(wǎng)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的隨機(jī)優(yōu)化模型，但是忽略了冷負(fù)荷。

目前針對(duì)工業(yè)大用戶的研究主要圍繞用電管理開展，用戶根據(jù)電價(jià)所進(jìn)行的負(fù)荷調(diào)度大多只考慮了電負(fù)荷[9-11]，而即使是傳統(tǒng)的工業(yè)生產(chǎn)，也有一定的冷熱需求不是用電產(chǎn)生，僅考慮電負(fù)荷不能完整地刻畫用戶的用能特性。此外，許多用戶都建設(shè)有裝機(jī)容量與自身負(fù)荷相當(dāng)?shù)淖詡潆姀S[12-13]，自發(fā)電調(diào)度賦予了工業(yè)用戶靈活響應(yīng)電價(jià)變化的能力，文獻(xiàn)[14]針對(duì)含CCHP系統(tǒng)的工業(yè)廠房，計(jì)及與電網(wǎng)交互以及負(fù)荷分配策略建立優(yōu)化調(diào)度模型；文獻(xiàn)[15]中工業(yè)用戶采取熱電聯(lián)產(chǎn)模式，對(duì)其生產(chǎn)負(fù)荷以及自發(fā)電調(diào)度進(jìn)行優(yōu)化，但沒有考慮冷負(fù)荷；文獻(xiàn)[16]針對(duì)含CHP系統(tǒng)的工業(yè)電力系統(tǒng)，基于能源交易策略建立短期優(yōu)化運(yùn)行模型，忽略了冷負(fù)荷的參與。以上研究均是短期優(yōu)化調(diào)度研究，而不是針對(duì)工業(yè)大用戶的長期規(guī)劃問題。綜上，目前還未見結(jié)合CCHP的工業(yè)大用戶綜合能源系統(tǒng)長期規(guī)劃的研究成果。

本文以工業(yè)大用戶綜合能源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，在已有供能設(shè)備的基礎(chǔ)上擴(kuò)建CCHP。目標(biāo)函數(shù)為工業(yè)大用戶綜合成本最小，考慮與售電公司的交互、生產(chǎn)任務(wù)的轉(zhuǎn)移、多能耦合與動(dòng)態(tài)平衡，建立工業(yè)大用戶綜合能源系統(tǒng)擴(kuò)展規(guī)劃模型，模型的創(chuàng)新點(diǎn)為：

1)工業(yè)大用戶優(yōu)化擴(kuò)建CCHP為自發(fā)電系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)能源梯級(jí)利用，優(yōu)化CCHP主要設(shè)備的容量。

2)考慮多能負(fù)荷與生產(chǎn)任務(wù)的耦合關(guān)系及動(dòng)態(tài)平衡，實(shí)現(xiàn)工業(yè)大用戶用能的精細(xì)化建模。

1 工業(yè)大用戶IES設(shè)備模型

本文中工業(yè)大用戶綜合能源系統(tǒng)如圖1所示。工業(yè)大用戶綜合能源系統(tǒng)中包含以下設(shè)備或機(jī)組：

1)已有的設(shè)備：燃料電池、電鍋爐、蓄電池、電制冷機(jī)。圖1中以無填充實(shí)線框表示。

2)擬擴(kuò)建的CCHP系統(tǒng)設(shè)備：燃?xì)廨啓C(jī)、燃?xì)忮仩t、余熱鍋爐、吸收式制冷機(jī)[17]。圖1中以無填充虛線框表示。

圖1 工業(yè)大用戶綜合能源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及能量流

雖然工業(yè)大用戶種類繁多，但其生產(chǎn)過程按照工序一般可以抽象為多個(gè)生產(chǎn)任務(wù)的有序執(zhí)行[18]，每個(gè)生產(chǎn)任務(wù)都可能需要耗費(fèi)多種能源。這些生產(chǎn)任務(wù)有些是可以轉(zhuǎn)移的，有些是固定的，其中，如果大工業(yè)用戶對(duì)可轉(zhuǎn)移的生產(chǎn)任務(wù)進(jìn)行精細(xì)化調(diào)整，將可以有效降低用能成本[18-19]。

1.1 CCHP設(shè)備模型

1)燃?xì)廨啓C(jī)與余熱鍋爐。燃?xì)廨啓C(jī)的輸出電功率和輸出煙氣余熱為[20]：

(1)

(2)

余熱鍋爐的輸入輸出關(guān)系為：

(3)

2)燃?xì)忮仩t。燃?xì)忮仩t以天然氣為一次能源，產(chǎn)生熱能。

(4)

3)吸收式制冷機(jī)。吸收式制冷機(jī)輸出功率為：

(5)

1.2 其他設(shè)備模型

1)燃料電池。燃料電池以天然氣為一次能源。

(6)

2)電鍋爐。電鍋爐的輸出功率為：

(7)

3)蓄電池。蓄電池的容量和充放電功率滿足如下關(guān)系：

(8)

4)電制冷機(jī)。電制冷機(jī)通過消耗電能產(chǎn)生冷負(fù)荷。

(9)

2 工業(yè)大用戶綜合能源系統(tǒng)擴(kuò)展規(guī)劃模型

2.1 目標(biāo)函數(shù)

(10)

1)與售電公司交互成本。

(11)

式(11)表明，大用戶可能需要向售電公司購電，也可能將剩余電量賣給售電公司來獲取收益。

3)生產(chǎn)任務(wù)轉(zhuǎn)移成本。

(12)

(13)

(14)

2.2 約束條件

(15)

(16)

(17)

4)功率交互約束。大用戶與售電公司的功率交互受制于聯(lián)絡(luò)線的電功率傳輸上限。

(18)

5)可控設(shè)備容量約束。本文可控設(shè)備包括電鍋爐、燃?xì)廨啓C(jī)、燃料電池、燃?xì)忮仩t、吸收式制冷機(jī)、電制冷機(jī)，其出力范圍可分別表示為：

(19)

(20)

(21)

(22)

(23)

(24)

6)CCHP容量選擇約束。各設(shè)備共有J種容量方案，只能優(yōu)化選擇其中一種或者不投建CCHP系統(tǒng)，約束條件為：

(25)

(26)

(27)

(28)

7)蓄電池約束。蓄電池須滿足容量限制約束、充放電限制約束。

(29)

(30)

(31)

En,T=En,0

(32)

(33)

(34)

(35)

(36)

(1)可轉(zhuǎn)移生產(chǎn)任務(wù)運(yùn)行狀態(tài)約束。

(37)

(38)

(2)可轉(zhuǎn)移生產(chǎn)任務(wù)啟動(dòng)時(shí)間范圍約束。可轉(zhuǎn)移生產(chǎn)任務(wù)m需要在給定時(shí)間范圍內(nèi)啟動(dòng)，即：

(39)

(3)可轉(zhuǎn)移生產(chǎn)任務(wù)時(shí)序約束。

①可轉(zhuǎn)移生產(chǎn)任務(wù)m2需要在可轉(zhuǎn)移生產(chǎn)任務(wù)m1啟動(dòng)之后啟動(dòng)，即：

(40)

②可轉(zhuǎn)移生產(chǎn)任務(wù)m2需在可轉(zhuǎn)移生產(chǎn)任務(wù)m1完成之后TDM個(gè)時(shí)段啟動(dòng)，即：

(41)

(42)

(4)可轉(zhuǎn)移生產(chǎn)任務(wù)同時(shí)啟動(dòng)約束?？赊D(zhuǎn)移生產(chǎn)任務(wù)m1與可轉(zhuǎn)移生產(chǎn)任務(wù)m2同時(shí)啟動(dòng)，即：

(43)

(5)可轉(zhuǎn)移生產(chǎn)任務(wù)同時(shí)運(yùn)行約束?？赊D(zhuǎn)移生產(chǎn)任務(wù)m1與可轉(zhuǎn)移生產(chǎn)任務(wù)m2同時(shí)運(yùn)行，即：

(44)

(6)可轉(zhuǎn)移生產(chǎn)任務(wù)互斥運(yùn)行約束?？赊D(zhuǎn)移生產(chǎn)任務(wù)m1與可轉(zhuǎn)移生產(chǎn)任務(wù)m2不能同時(shí)運(yùn)行，即：

(45)

3 算例分析

3.1 算例參數(shù)及設(shè)置

表1 CCHP設(shè)備出力限制及成本參數(shù)

本算例運(yùn)用GAMS平臺(tái)調(diào)用CPLEX求解器進(jìn)行求解。首先根據(jù)第2節(jié)模型求解基礎(chǔ)算例，對(duì)優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行分析討論。而后針對(duì)不同情況進(jìn)行算例的調(diào)整與對(duì)比分析，驗(yàn)證模型的有效性。

3.2 算例結(jié)果與分析

3.2.1基礎(chǔ)算例結(jié)果

結(jié)果顯示，用戶應(yīng)投建CCHP且燃?xì)廨啓C(jī)、燃?xì)忮仩t與吸收式制冷機(jī)應(yīng)分別選擇容量方案3、1、1，最終成本結(jié)果如表2所示。

表2 工業(yè)大用戶IES規(guī)劃結(jié)果以及成本數(shù)據(jù)

1)電冷熱功率平衡及自發(fā)電優(yōu)化結(jié)果。

用戶自發(fā)電成本占總成本的87%，由于篇幅有限，本文以夏季典型日為例給出結(jié)果并進(jìn)行分析。夏季典型日中用戶的電負(fù)荷以及各設(shè)備發(fā)電功率的優(yōu)化結(jié)果如圖2所示。

圖2 工業(yè)大用戶總電負(fù)荷以及各設(shè)備出力

從圖2中可以看出，用戶的電負(fù)荷以生產(chǎn)任務(wù)用電、電鍋爐用電以及電制冷機(jī)用電為主，大部分電負(fù)荷集中在分時(shí)電價(jià)谷時(shí)段。用戶幾乎只在谷時(shí)段向售電公司購電，平、峰時(shí)段出售自發(fā)電量，總交易電費(fèi)為負(fù)值，在時(shí)段1—6的購進(jìn)電量占總購進(jìn)電量的93%。

在平、峰時(shí)段，除少數(shù)時(shí)段受到熱負(fù)荷的約束，燃?xì)廨啓C(jī)幾乎全部時(shí)段滿發(fā)，除了提供用電需求外，剩余電量也出售給售電公司。燃料電池在谷時(shí)段和平時(shí)段幾乎都處于功率下限，而在峰時(shí)段基本全部滿發(fā)并出售給售電公司，這說明在峰時(shí)段售電公司的上網(wǎng)電價(jià)高于燃料電池的發(fā)電成本。

夏季典型日中用戶的冷功率平衡和熱功率平衡如圖3、圖4所示。

從圖3中可以看出，冷負(fù)荷主要來自于生產(chǎn)任務(wù)，且在谷時(shí)段幾乎全部由電制冷機(jī)來提供，平、峰時(shí)段則幾乎全部由吸收式制冷機(jī)來提供。圖4顯示，吸收式制冷機(jī)的用熱負(fù)荷與生產(chǎn)任務(wù)的用熱負(fù)荷占絕大部分熱負(fù)荷，且吸收式制冷機(jī)的用熱負(fù)荷集中在平、峰時(shí)段。同樣地，熱負(fù)荷在谷時(shí)段幾乎由電鍋爐來提供，而在平、峰時(shí)段幾乎全部由CCHP中的鍋爐提供。此外，電鍋爐與電制冷機(jī)在谷時(shí)段幾乎全部滿發(fā)，其他時(shí)段基本處于功率下限。

圖3 工業(yè)大用戶冷負(fù)荷及設(shè)備出力

圖4 工業(yè)大用戶熱負(fù)荷及設(shè)備出力

由以上結(jié)果可以看出，電價(jià)與CCHP出力成本的關(guān)系影響用戶的用電策略。當(dāng)購售電價(jià)均小于CCHP出力成本，用戶將盡可能向售電公司購電來滿足用電需求，也不會(huì)向售電公司出售自發(fā)電量；當(dāng)CCHP的出力成本大于售電價(jià)，但小于購電價(jià)時(shí)，用戶將優(yōu)先自發(fā)自用，盡可能不向售電公司購電，也不向售電公司出售電量；當(dāng)購售電價(jià)均大于CCHP出力成本，用戶則會(huì)盡量使設(shè)備滿發(fā)，滿足自身用電需求外，將剩余電量出售給售電公司，以達(dá)到利益最大化。

2)可轉(zhuǎn)移生產(chǎn)任務(wù)優(yōu)化結(jié)果。

生產(chǎn)任務(wù)轉(zhuǎn)移成本只占總成本的5.1%。仍以夏季典型日為例，圖5為優(yōu)化后各生產(chǎn)任務(wù)的運(yùn)行時(shí)段分布結(jié)果。

圖5 工業(yè)大用戶可轉(zhuǎn)移生產(chǎn)任務(wù)

有10個(gè)生產(chǎn)任務(wù)在時(shí)段1—6運(yùn)行，4個(gè)生產(chǎn)任務(wù)分布在時(shí)段21—24，為谷時(shí)段和少量平時(shí)段，其余則均勻分布在其他時(shí)段。谷時(shí)段電價(jià)低于CCHP的出力成本，因此生產(chǎn)任務(wù)盡可能在谷時(shí)段運(yùn)行。

3.2.2對(duì)比分析

1)算例1：不投建CCHP。

算例1和基礎(chǔ)算例的對(duì)比如表3所示，若不投建CCHP，工業(yè)大用戶總成本達(dá)到6 634萬元，比基礎(chǔ)算例多1 375萬元。這時(shí)除了燃料電池以外，用戶不再具有平、峰時(shí)段成本更為低廉的自發(fā)電設(shè)備，用戶其余用電全部向售電公司購買，與售電公司的交易成本達(dá)6 008萬元。盡管此時(shí)可以將生產(chǎn)任務(wù)用電安排在谷時(shí)段，但CCHP不僅能在其他時(shí)段出力且成本低于電價(jià)，更重要的是可以將剩余發(fā)電量出售，賺取更多利潤。

2)算例2：不優(yōu)化可轉(zhuǎn)移生產(chǎn)任務(wù)。

算例2和基礎(chǔ)算例的對(duì)比如表3所示，如果可轉(zhuǎn)移生產(chǎn)任務(wù)按原計(jì)劃開展，用戶總成本達(dá)到7 127 萬元，增加1 868萬元。這表明，生產(chǎn)任務(wù)無法轉(zhuǎn)移，將不能充分利用峰谷價(jià)差，這時(shí)用戶將選擇投建更大容量的CCHP，以充分利用CCHP在平、峰時(shí)段的成本優(yōu)勢(shì)，因此自發(fā)電成本大幅度增加，與售電公司交易成本也為正值，最終導(dǎo)致成本增加。

表3 各算例情況下的成本結(jié)果對(duì)比

4 結(jié) 論

1)優(yōu)化投建合理容量的CCHP，能夠增加大工業(yè)用戶用能的靈活性，降低大工業(yè)用戶的用能總成本。

2)谷時(shí)段購售電價(jià)小于CCHP出力成本，用戶盡可能在谷時(shí)段購電。平、峰時(shí)段CCHP的出力成本小于購售電價(jià)，用戶可通過CCHP在平、峰時(shí)段供能并向售電公司出售剩余電量。

3)將可轉(zhuǎn)移生產(chǎn)任務(wù)作為可調(diào)度負(fù)荷，能夠充分利用峰谷價(jià)差，實(shí)現(xiàn)冷、熱、電負(fù)荷在時(shí)間上的最優(yōu)分配，降低運(yùn)行成本。

附錄A

表A1 電價(jià)參數(shù)

表A2 工業(yè)大用戶設(shè)備參數(shù)

表A3 樓宇用能參數(shù)

表A4 可轉(zhuǎn)移生產(chǎn)任務(wù)參數(shù)