考慮燃?xì)鉄岜门渲门c運(yùn)行的區(qū)域綜合能源系統(tǒng)優(yōu)化研究

姜 濤，周慧娟，周煒然，許 真，張勁松

（1.國(guó)網(wǎng)重慶市電力公司市北供電分公司，重慶 401147；2.國(guó)網(wǎng)河南省電力公司營(yíng)銷服務(wù)中心，鄭州 450000；3.國(guó)網(wǎng)四川省電力公司蒼溪縣供電分公司，四川 廣元 628000）

0 引言

推進(jìn)能源產(chǎn)銷革命，建立清潔、高效的能源體系，是實(shí)現(xiàn)“碳達(dá)峰、碳中和”的重要手段。RIES（區(qū)域綜合能源系統(tǒng)）通過(guò)對(duì)電、氣、熱、冷等各類能量進(jìn)行協(xié)同調(diào)度，滿足區(qū)域內(nèi)用戶多元化用能需求的同時(shí)，提高了系統(tǒng)綜合能源利用效率、降低了污染排放［1-2］。隨著多種能源在時(shí)間尺度上相關(guān)性與互補(bǔ)性逐步加深，如何調(diào)度系統(tǒng)中各單元出力，實(shí)現(xiàn)各類源荷間有效匹配以提高RIES運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性已成為當(dāng)前國(guó)內(nèi)外研究熱點(diǎn)［3-4］。

利用能源耦合機(jī)制，通過(guò)能量間靈活轉(zhuǎn)換以促進(jìn)電、氣、熱、冷等多種能源優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，能夠有效提高RIES 能源利用效率與運(yùn)行效益。文獻(xiàn)［5］引入P2G（電轉(zhuǎn)氣）消納富余風(fēng)電，降低了用戶用氣成本。文獻(xiàn)［6］將P2G 細(xì)分為電轉(zhuǎn)氫與電轉(zhuǎn)氣，分別與氫燃料電池、微燃機(jī)相集成改善了系統(tǒng)運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性。文獻(xiàn)［7］利用基于有機(jī)朗肯循環(huán)的低溫余熱發(fā)電裝置對(duì)CHP（熱電聯(lián)產(chǎn)）機(jī)組進(jìn)行熱電解耦，提高了系統(tǒng)綜合效益。文獻(xiàn)［8］建立了含冰蓄冷裝置的冷熱電聯(lián)供微網(wǎng)優(yōu)化運(yùn)行模型，并對(duì)冰蓄冷最優(yōu)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行方式進(jìn)行了分析。文獻(xiàn)［9］研究了含生物質(zhì)能的全可再生能源系統(tǒng)，采用沼氣爐供熱削弱CHP機(jī)組熱電聯(lián)系，兼顧系統(tǒng)可再生能源消納水平與運(yùn)行效益。文獻(xiàn)［10］引入地源熱泵解耦CCHP（熱電冷聯(lián)產(chǎn)）能量耦合運(yùn)行約束，降低了用戶用能成本。由上述文獻(xiàn)可知，現(xiàn)有多能互補(bǔ)研究多從電-氣、電-熱/冷能源耦合角度展開(kāi)，通過(guò)多種能源子系統(tǒng)間互補(bǔ)協(xié)調(diào)，以改善不同能源在不同供需背景下的時(shí)空不平衡特性，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

GHP（燃?xì)鉄岜茫┦怯扇細(xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)和熱泵系統(tǒng)組成的新型冷熱空調(diào)系統(tǒng)，以燃?xì)鉃轵?qū)動(dòng)源帶動(dòng)熱泵工作可實(shí)現(xiàn)夏季制冷、冬季供暖，憑借能效高、低排放等優(yōu)點(diǎn)，在日本、韓國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家已得到了廣泛應(yīng)用［11］。在中國(guó)，GHP 技術(shù)已經(jīng)成熟并已商業(yè)化，但國(guó)內(nèi)起步較晚從而導(dǎo)致市場(chǎng)發(fā)展緩慢，現(xiàn)有研究也多集中于機(jī)組物理分析層面，而鮮有其參與的多能互補(bǔ)優(yōu)化調(diào)度研究。文獻(xiàn)［12］對(duì)含GHP 的綜合能源微網(wǎng)可靠性進(jìn)行評(píng)估。文獻(xiàn)［13］對(duì)快速求解含GHP 的電-氣綜合能源系統(tǒng)天然氣潮流方程進(jìn)行研究。

為此，本文在RIES 中引入GHP 進(jìn)行優(yōu)化調(diào)度，通過(guò)挖掘氣-熱/冷能源耦合轉(zhuǎn)換價(jià)值，以協(xié)調(diào)冷、熱、電源機(jī)組出力，促進(jìn)區(qū)域內(nèi)多能互補(bǔ)，改善系統(tǒng)運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性。同時(shí)，為了確定GHP最優(yōu)容量配置，建立基于GHP配置-運(yùn)行的RIES雙層優(yōu)化模型，上層以等值年總成本最小尋找其最優(yōu)配置容量，下層以系統(tǒng)運(yùn)行成本最低決策各類機(jī)組不同環(huán)境下調(diào)度出力，采用商業(yè)優(yōu)化軟件CPLEX進(jìn)行迭代求解。對(duì)不同場(chǎng)景調(diào)度結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析以驗(yàn)證本文調(diào)度模型的可行性與有效性。

1 含GHP的RIES多能互補(bǔ)調(diào)度架構(gòu)

本文研究的含GHP 多能互補(bǔ)RIES 結(jié)構(gòu)及各類能量流動(dòng)如圖1所示。其中，CCHP由燃?xì)廨啓C(jī)與煙氣余熱型溴冷機(jī)組成；電制冷機(jī)、燃?xì)忮仩t分別作為夏季、冬季調(diào)峰冷/熱源使用；GHP作為新型供能機(jī)組接入系統(tǒng)中進(jìn)行供熱/制冷；風(fēng)機(jī)、光伏為可再生能源發(fā)電系統(tǒng)，不計(jì)發(fā)電成本。

圖1 RIES架構(gòu)

1.1 考慮余熱利用的GHP供能模型

1.1.1 GHP工作原理及數(shù)學(xué)模型

GHP 分為室內(nèi)機(jī)與室外機(jī)兩部分，其工作原理如圖2所示。制冷模式下，燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)對(duì)制冷劑進(jìn)行壓縮，制冷劑在蒸發(fā)器中將冷量傳遞給水，冷卻水通過(guò)風(fēng)機(jī)盤管與室內(nèi)空氣換熱，實(shí)現(xiàn)機(jī)組制冷運(yùn)行；供熱模式下，通過(guò)四通換向閥改變制冷劑流向，此時(shí)制冷劑吸收室外熱量并在冷凝器中與水進(jìn)行熱量交互，通過(guò)風(fēng)機(jī)盤管完成制熱運(yùn)行。GHP供熱、制冷數(shù)學(xué)模型［14］為：

圖2 GHP工作原理

式中：ηghp，h和ηghp，c分別為燃?xì)鉄岜霉?、制冷能效系?shù)；ηge為燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)效率；Chp，h和Chp，c分別為熱泵系統(tǒng)制熱、制冷系數(shù)；Qghp，h（t）和Qghp，c（t）分別為t時(shí)段燃?xì)鉄岜弥茻?、制冷功率，折算至kW；Lghp（t）為t時(shí)段燃?xì)鉄岜锰烊粴庀牧?；Hgas為天然氣低熱值。

1.1.2 GHP余熱利用原理

GHP 中熱泵系統(tǒng)由燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)，發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)天然氣燃燒的熱量除卻一部分轉(zhuǎn)化為有功驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)工作外，其余60%～80%熱量均以余熱形式排出。其中，可利用余熱分為排煙余熱與缸套冷卻水余熱兩部分［15］。合理地對(duì)該部分余熱進(jìn)行回收，能夠提高燃?xì)赓Y源綜合利用效率。GHP發(fā)動(dòng)機(jī)中天然氣燃燒熱量流動(dòng)如圖3所示，熱量平衡方程可表示［16］為：

圖3 GHP天然氣燃燒熱量流動(dòng)

式中：Qgas（t）為t時(shí)段天然氣燃燒熱量；Qge（t）、Qfg（t）、Qcl（t）、Qs（t）分別為t時(shí)段燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)有效軸功、煙氣余熱、缸套冷卻水余熱和不可利用余熱；ηfg和ηcl分別為煙氣、冷卻水熱量占天然氣總?cè)紵裏崃康谋壤?/p>

根據(jù)GHP可利用余熱類型，本文采取配置煙氣熱水型溴化鋰機(jī)組+板式換熱器對(duì)其進(jìn)行回收，原理如圖4所示。

圖4 GHP余熱利用原理

夏季制冷時(shí)，煙氣及冷卻水余熱均進(jìn)入煙氣熱水型溴化鋰機(jī)組中驅(qū)動(dòng)機(jī)組制冷運(yùn)行，對(duì)外供冷；冬季制熱時(shí)，煙氣余熱進(jìn)入溴化鋰機(jī)組中制熱運(yùn)行，冷卻水余熱進(jìn)入板式換熱器中加熱供熱回水，對(duì)外供熱。GHP余熱供熱、制冷數(shù)學(xué)模型為：

式中：Qgwh，c（t）和Qgwh，h（t）分別為t時(shí)段燃?xì)鉄岜糜酂嶂评洹⒐峁β?；βs和βw分別為燃?xì)鉄岜脽煔庥酂峄厥招?、缸套冷卻水余熱回收效率；ηs，c和ηs，h分別為溴冷機(jī)煙氣余熱制冷、制熱系數(shù)；ηw，c和ηpe，h分別為溴冷機(jī)冷卻水余熱制冷系數(shù)、板式換熱器制熱系數(shù)。

1.2 基于能量樞紐的含GHP多能系統(tǒng)能量流模型

為了對(duì)多能互補(bǔ)能源系統(tǒng)內(nèi)部復(fù)雜的能量耦合關(guān)系進(jìn)行描述，采用EH（能量樞紐）以耦合矩陣形式對(duì)輸入能源與負(fù)荷需求進(jìn)行建模分析［17］。同時(shí)，由于風(fēng)機(jī)、光伏、電制冷機(jī)以及蓄電池作為內(nèi)部供能設(shè)備，并未直接參與輸入、輸出轉(zhuǎn)換，因此引入修正矩陣S對(duì)轉(zhuǎn)換方程進(jìn)行修正。修正后EH可表示為：

式中：P和L分別為能量樞紐輸入、輸出能源；C為能源輸入、輸出的具體轉(zhuǎn)換耦合矩陣。

本文中典型機(jī)組建模詳見(jiàn)文獻(xiàn)［3］，此處不做贅述。根據(jù)各類設(shè)備出力模型以及系統(tǒng)負(fù)荷需求關(guān)系，得到GHP優(yōu)化供能下系統(tǒng)冷、熱、電能量平衡表達(dá)式，表示為：

式中：Le、Lh、Lc分別為系統(tǒng)電、熱、冷負(fù)荷；PWT和PPV分別為風(fēng)電、光伏出力；PEX為聯(lián)絡(luò)線交互功率，正值表示系統(tǒng)向主網(wǎng)購(gòu)電，負(fù)值表示售電；PBS為蓄電池電功率，正值表示放電，負(fù)值為蓄電；QEC為電制冷機(jī)制冷功率；PGAS為系統(tǒng)消耗天然氣熱量，折算至kW；分別為燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電效率、煙氣產(chǎn)熱效率；ηrec為煙氣余熱型溴冷機(jī)煙氣余熱回收率；CAM，h和CAM，c分別為煙氣余熱型溴冷機(jī)制熱、制冷系數(shù)；ηEC和ηGB分別為電制冷機(jī)、燃?xì)忮仩t效率；λ、v、w分別為天然氣分配系數(shù)，且λ+v+w=1。

式（11）中能量平衡方程可整理為：

式（12）以耦合矩陣形式對(duì)RIES中能源輸入與輸出關(guān)系進(jìn)行了清晰描述。其中GHP作為新的可調(diào)度源參與優(yōu)化運(yùn)行后，能夠通過(guò)調(diào)節(jié)矩陣C中天然氣分配系數(shù)λ、v、w，以協(xié)調(diào)CCHP、電制冷機(jī)、燃?xì)忮仩t和GHP 調(diào)度出力，促進(jìn)區(qū)域內(nèi)電、氣、熱、冷能源優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)節(jié)能經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。優(yōu)化原理如下。

電、冷負(fù)荷趨勢(shì)存在一致性，電制冷機(jī)作為夏季調(diào)峰冷源，其使用增加了電價(jià)高峰系統(tǒng)對(duì)外購(gòu)電需求，加劇主網(wǎng)調(diào)峰壓力的同時(shí)也導(dǎo)致系統(tǒng)存在較高的購(gòu)電費(fèi)用；RIES孤島運(yùn)行模式下，由于聯(lián)絡(luò)線無(wú)法提供調(diào)峰電能，系統(tǒng)用能高峰供電、供冷可靠性均不能得到有效保障。GHP 作為燃?xì)庹{(diào)峰冷源，與電力能源具有互補(bǔ)特性，在提供相同制冷功率的同時(shí)能夠有效降低系統(tǒng)對(duì)外電力需求，減小系統(tǒng)購(gòu)電支出、提高系統(tǒng)供能可靠性。

電、熱用能趨勢(shì)相反，供熱模式下，燃?xì)忮仩t作為調(diào)峰熱源承擔(dān)夜間用熱高峰主要熱負(fù)荷，但其制熱效率偏低，在“煤改氣”加劇氣荒的背景下，如何實(shí)現(xiàn)燃?xì)赓Y源充分高效利用迫在眉睫。GHP 作為熱泵型燃?xì)鈾C(jī)組，通過(guò)吸收自然界中低品位熱能，轉(zhuǎn)化為高品位熱能供熱，制熱能效較燃?xì)忮仩t更高，其使用能夠減少系統(tǒng)供暖燃?xì)庀?，促進(jìn)燃?xì)赓Y源節(jié)能高效利用，同時(shí)，GHP 兼具夏季制冷功能，一機(jī)多用，較燃?xì)忮仩t更具優(yōu)勢(shì)。

對(duì)于GHP可利用余熱部分，冬、夏季節(jié)分別進(jìn)行回收供熱、制冷，從而實(shí)現(xiàn)了余熱資源充分利用，進(jìn)一步提高了燃?xì)赓Y源利用效率，降低了系統(tǒng)運(yùn)行燃?xì)庀摹?/p>

2 基于GHP配置-運(yùn)行的RIES雙層模型

為了確定GHP 的最優(yōu)容量配置，建立基于GHP配置-運(yùn)行的RIES規(guī)劃-調(diào)度雙層優(yōu)化模型。上層以最小化GHP綜合投資成本為目標(biāo)，決策其最優(yōu)容量配置；下層為日前經(jīng)濟(jì)調(diào)度問(wèn)題，以各典型日運(yùn)行成本最低為目標(biāo)，進(jìn)而求解系統(tǒng)年運(yùn)行成本。其中上層模型求解容量配置作為下層模型約束條件，下層模型將年運(yùn)行成本返回至上層模型，通過(guò)調(diào)度方案與容量規(guī)劃內(nèi)部多次迭代，尋找雙層模型最優(yōu)解。其原理如圖5所示。

圖5 GHP調(diào)度-規(guī)劃雙層模型

2.1 上層模型

上層模型為GHP 規(guī)劃層，目標(biāo)函數(shù)由GHP等值年投資成本CIN與下層模型傳遞至上層的RIES年運(yùn)行成本CRS兩部分構(gòu)成，表示為：

式中：L為燃?xì)鉄岜眉捌溆酂嵩O(shè)備種類；Ca、Ea、ra、γa分別為第a種設(shè)備單位容量投資成本、配置容量、貼現(xiàn)率和使用年限。

上層模型約束條件主要考慮GHP投資容量約束，表示為：

2.2 下層模型

將上層規(guī)劃的GHP容量作為下層模型約束條件，同時(shí)考慮能量平衡、聯(lián)絡(luò)線交互功率等其他約束，以系統(tǒng)年運(yùn)行成本最低為目標(biāo)，對(duì)各類機(jī)組進(jìn)行優(yōu)化調(diào)度。目標(biāo)函數(shù)表達(dá)式為：

式中：Df為供能季f的持續(xù)天數(shù)；CFC（t）、CEX（t）、CEN（t）、COM（t）分別為t時(shí)段系統(tǒng)燃料成本、電能交互成本、環(huán)境成本和機(jī)組運(yùn)維成本；CBS（t）為t時(shí)段蓄電池?fù)p耗成本；T為調(diào)度周期。

1）燃料成本

2）運(yùn)維成本

3）電能交互成本

式中：Pbuy（t）和Psell（t）分別為t時(shí)段系統(tǒng)購(gòu)電、售電功率；Dbuy（t）和Dsell（t）分別為t時(shí)段系統(tǒng)與主網(wǎng)間購(gòu)、售電電價(jià)。

4）環(huán)境成本

5）蓄電池?fù)p耗成本

式中：IBS，iv和EBS，life分別為蓄電池投資成本、其壽命周期內(nèi)所能處理總能量；αBS和EBS分別為蓄電池單位容量投資成本及其配置容量；η為蓄電池充放效率；N′為使用循環(huán)次數(shù)。

為保證RIES能夠安全可靠運(yùn)行，需要對(duì)系統(tǒng)能量平衡、機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)以及電、氣網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行約束：

1）系統(tǒng)各類能量平衡約束如式（11）所示。

2）可控機(jī)組運(yùn)行約束

3）聯(lián)絡(luò)線交互功率約束

4）蓄電池運(yùn)行約束

5）直流潮流約束

式中：Bij為節(jié)點(diǎn)i與節(jié)點(diǎn)j之間電納；θi（t）和θj（t）分別為t時(shí)段節(jié)點(diǎn)i、j電壓相角；為線路i、j間輸電功率上限。

6）天然氣網(wǎng)絡(luò)約束

2.3 含GHP 的RIES 能效利用及供能能力評(píng)估指標(biāo)

提高能源利用效率是建設(shè)綜合能源系統(tǒng)的初衷所在。對(duì)GHP 優(yōu)化供能下RIES 能源利用效率進(jìn)行計(jì)算以驗(yàn)證其節(jié)能有效性。能效利用指標(biāo)計(jì)算公式為：

式中：ηrs為RIES 能源利用效率；Le，al（t）為計(jì)及電制冷機(jī)、蓄電池作用下的t時(shí)段系統(tǒng)總用電負(fù)荷；ηp為發(fā)電廠平均供電效率；ηg為電網(wǎng)傳輸效率。

當(dāng)RIES因主網(wǎng)故障或電能質(zhì)量不佳切換至孤島模式運(yùn)行時(shí)，系統(tǒng)由可再生能源出力、燃?xì)鈾C(jī)組聯(lián)動(dòng)運(yùn)行以及儲(chǔ)能裝置響應(yīng)進(jìn)行協(xié)同供能。采用能源供應(yīng)不足率ηloes對(duì)GHP 協(xié)調(diào)下系統(tǒng)孤島供能能力進(jìn)行評(píng)估，表達(dá)式為：

式中：QAM，h（t）和QAM，c（t）分別為t時(shí)段CCHP系統(tǒng)中溴冷機(jī)制熱、制冷功率。

2.4 模型求解

本文建立的規(guī)劃-調(diào)度雙層模型中天然氣管道流量為非線性約束，參考文獻(xiàn)［6］進(jìn)行分段線性化處理。模型求解流程如圖6所示。其中，上層規(guī)劃層求解GHP 容量配置為L(zhǎng)P（線性規(guī)劃）模型，下層調(diào)度層求解RIES年運(yùn)行成本為MILP（混合整數(shù)線性規(guī)劃）模型，皆可使用CPLEX 進(jìn)行求解。本文在CPLEX12.6版本中進(jìn)行迭代求解。

圖6 模型求解流程

3 算例分析

3.1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

算例系統(tǒng)由IEEE 33 節(jié)點(diǎn)配電系統(tǒng)與11 節(jié)點(diǎn)低壓配氣系統(tǒng)［18］耦合而成，其結(jié)構(gòu)如圖7 所示。機(jī)組參數(shù)、電價(jià)信息、典型日風(fēng)、光、負(fù)荷預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)見(jiàn)表1、表2 和圖8，GHP 參數(shù)取自文獻(xiàn)［16，19］，見(jiàn)表3；污染排放數(shù)據(jù)見(jiàn)表4。供冷季、供熱季與過(guò)渡季持續(xù)時(shí)間分別為91 天、123 天、151天；Chp，h=4、Chp，c=5、ra=6%、γa=20、αBS=1 000 元/kWh、N′=1 600、ηp=0.35、ηg=0.9、DCH4=2.54 元/m3、Hgas=9.7 kWh/m3，調(diào)度周期T=24 h。

表3 GHP及余熱設(shè)備參數(shù)

表4 污染排放數(shù)據(jù)

圖7 RIES算例結(jié)構(gòu)

圖8 RIES典型日風(fēng)、光、負(fù)荷預(yù)測(cè)出力

表1 機(jī)組運(yùn)行參數(shù)

表2 區(qū)域綜合能源系統(tǒng)電價(jià)信息

為了驗(yàn)證GHP 對(duì)促進(jìn)系統(tǒng)多能互補(bǔ)的有效性，設(shè)置場(chǎng)景1 為RIES 原始運(yùn)行場(chǎng)景，場(chǎng)景2 為引入GHP后運(yùn)行場(chǎng)景。對(duì)各典型日兩種場(chǎng)景分別進(jìn)行仿真分析，以驗(yàn)證本文所提調(diào)度方法優(yōu)勢(shì)。

3.2 GHP容量配置結(jié)果

表5為GHP及其余熱回收設(shè)備容量規(guī)劃結(jié)果。由于GHP能效系數(shù)高于傳統(tǒng)供熱機(jī)組，并且單位供冷成本較電制冷更低，因此系統(tǒng)規(guī)劃較高容量的機(jī)組配置以替代燃?xì)忮仩t、電制冷機(jī)進(jìn)行供熱、供冷，減少系統(tǒng)運(yùn)行費(fèi)用。煙氣熱水型溴冷機(jī)、板式換熱器容量配置結(jié)果為回收GHP額定運(yùn)行時(shí)余熱產(chǎn)量對(duì)應(yīng)容量。

表5 GHP規(guī)劃結(jié)果

3.3 優(yōu)化調(diào)度分析

3.3.1 夏季優(yōu)化結(jié)果分析

1）夏季場(chǎng)景1調(diào)度結(jié)果

該場(chǎng)景調(diào)度結(jié)果如圖9所示。

圖9 夏季場(chǎng)景1調(diào)度結(jié)果

由供電平衡可知，風(fēng)電、光伏及CCHP 電功率除需滿足系統(tǒng)基本電負(fù)荷外，還需對(duì)電制冷機(jī)進(jìn)行供電以保障供冷平衡，從而限制了系統(tǒng)運(yùn)行靈活性與經(jīng)濟(jì)性。同時(shí)，電制冷機(jī)的使用增加了非谷時(shí)段系統(tǒng)用電需求。在13：00—22：00 電價(jià)較高時(shí)段，各發(fā)電機(jī)組及蓄電池電功率不能滿足等效用電負(fù)荷，供電缺額由RIES 向主網(wǎng)購(gòu)電補(bǔ)足，加劇主網(wǎng)調(diào)峰壓力的同時(shí)增加了系統(tǒng)購(gòu)電成本。

2）夏季場(chǎng)景2調(diào)度結(jié)果

夏季場(chǎng)景2調(diào)度結(jié)果如圖10所示。

圖10 夏季場(chǎng)景2調(diào)度結(jié)果

在01：00—07：00、24：00電價(jià)低谷時(shí)段，燃?xì)廨啓C(jī)單位發(fā)電成本高于系統(tǒng)購(gòu)電電價(jià)，電負(fù)荷優(yōu)先由風(fēng)電及購(gòu)電功率提供；GHP 單位制冷成本最低，優(yōu)先調(diào)用進(jìn)行供冷。

在08：00—23：00 電價(jià)較高時(shí)段，電網(wǎng)電價(jià)均高于燃?xì)廨啓C(jī)單位發(fā)電成本，此時(shí)燃?xì)廨啓C(jī)盡量滿發(fā)，以在電能富余時(shí)售電獲利，供電不足時(shí)減少系統(tǒng)外購(gòu)電能；冷負(fù)荷優(yōu)先由CCHP 供給，供冷缺額由GHP提供。

調(diào)度周期內(nèi)GHP進(jìn)行協(xié)調(diào)供冷有效降低了電制冷機(jī)出力，實(shí)現(xiàn)了氣-冷對(duì)電-冷能源供應(yīng)的有效替代，從而驗(yàn)證了天然氣與電力能源的互補(bǔ)特性。購(gòu)電功率在13：00—22：00 電價(jià)較高時(shí)段較原場(chǎng)景得到了有效減少，緩解主網(wǎng)調(diào)峰壓力的同時(shí)降低了系統(tǒng)購(gòu)電成本。此外，GHP 的使用有效釋放了電價(jià)平、峰時(shí)段售電空間，提高了系統(tǒng)售電收益。

3.3.2 冬季優(yōu)化結(jié)果分析

冬季典型日?qǐng)鼍? 調(diào)度結(jié)果見(jiàn)圖11。用熱高峰燃?xì)忮仩t滿發(fā)，供熱缺額由CCHP 供給，由于燃?xì)廨啓C(jī)此時(shí)段單位發(fā)電成本較電網(wǎng)電價(jià)偏高，從而導(dǎo)致系統(tǒng)運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性較差。

圖11 冬季場(chǎng)景1調(diào)度結(jié)果

圖12 為GHP 參與供熱后機(jī)組調(diào)度出力情況。系統(tǒng)熱負(fù)荷由CCHP、燃?xì)忮仩t、GHP 及其余熱制熱功率共同提供，電負(fù)荷由燃?xì)廨啓C(jī)、風(fēng)電、光伏、蓄電池及交互功率滿足。

圖12 冬季場(chǎng)景2調(diào)度結(jié)果

在01：00—07：00、24：00電價(jià)低谷時(shí)段，系統(tǒng)購(gòu)電電價(jià)低于燃?xì)廨啓C(jī)單位發(fā)電成本，電負(fù)荷由風(fēng)電與交互功率提供；GHP 單位制熱成本最低，優(yōu)先調(diào)用供熱。

在08：00—23：00電網(wǎng)電價(jià)較高時(shí)段，系統(tǒng)購(gòu)/售電電價(jià)均高于燃?xì)廨啓C(jī)單位發(fā)電成本，此時(shí)燃?xì)廨啓C(jī)盡量滿發(fā)以獲取經(jīng)濟(jì)效益，供電缺額由系統(tǒng)向主網(wǎng)購(gòu)電補(bǔ)足；熱負(fù)荷由CCHP 優(yōu)先供給，供熱缺額由GHP及其余熱制熱功率提供。

GHP 在該配置容量下，與其余熱回收設(shè)備協(xié)同供能有效降低了效率較低的燃?xì)忮仩t供熱出力，同時(shí)提高了燃?xì)廨啓C(jī)調(diào)節(jié)能力。電價(jià)低谷時(shí)段，系統(tǒng)根據(jù)電網(wǎng)電價(jià)引導(dǎo)，選擇向主網(wǎng)購(gòu)電與風(fēng)電協(xié)同供能，從而降低了燃?xì)廨啓C(jī)調(diào)度出力，提高了系統(tǒng)運(yùn)行靈活性與經(jīng)濟(jì)性。

過(guò)渡季系統(tǒng)調(diào)度結(jié)果如圖13、圖14所示。系統(tǒng)運(yùn)行工況與冬季類似，此處不再贅述。

圖13 過(guò)渡季場(chǎng)景1調(diào)度結(jié)果

圖14 過(guò)渡季場(chǎng)景2調(diào)度結(jié)果

3.4 成本分析

RIES 運(yùn)行成本如表6 所示。夏季典型日，GHP 燃?xì)庵评漭^電制冷成本更低，替代供冷有效擴(kuò)大了系統(tǒng)售電空間、減少了對(duì)外購(gòu)電需求，調(diào)度周期內(nèi)系統(tǒng)總成本降低了12.53%；過(guò)渡季與冬季典型日GHP憑借制熱能效優(yōu)勢(shì)，通過(guò)協(xié)調(diào)用熱高峰電、熱源機(jī)組出力，有效減少了燃?xì)鈾C(jī)組燃料消耗，調(diào)度周期內(nèi)系統(tǒng)總成本分別降低了7.72%和10.16%。

表6 系統(tǒng)運(yùn)行成本

通過(guò)計(jì)算，場(chǎng)景1系統(tǒng)年運(yùn)行成本為284.37萬(wàn)元，場(chǎng)景2 為255.42 萬(wàn)元，降幅為10.18%，進(jìn)一步考慮GHP等值年投資成本后，系統(tǒng)運(yùn)行成本降幅為7.36%，從而驗(yàn)證了GHP經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)。

3.5 節(jié)能率及能源供應(yīng)不足率分析

各場(chǎng)景RIES 指標(biāo)如表7 所示。夏季典型日GHP 參與供冷有效減少了系統(tǒng)對(duì)外購(gòu)電需求，避免了電能傳輸過(guò)程中能量損失，但系統(tǒng)內(nèi)燃?xì)鈾C(jī)組燃料消耗有所增加，因而調(diào)度周期內(nèi)系統(tǒng)能源利用效率增幅略小，為1.26%；冬季、過(guò)渡季典型日RIES 能源利用效率較原場(chǎng)景分別提高了3.94%和3.73%，其原因?yàn)镚HP 制熱能效高于CCHP 及燃?xì)忮仩t，供熱能耗更低，節(jié)能優(yōu)勢(shì)更為明顯。此外，由于溴冷機(jī)和GHP制冷系數(shù)均高于制熱系數(shù)，消耗同等燃料獲得的制冷量更多，因而夏季系統(tǒng)能源利用效率更高。

表7 系統(tǒng)節(jié)能率及能源供應(yīng)不足率指標(biāo)

RIES孤島運(yùn)行模式下，由于夏季電制冷的使用使系統(tǒng)電-冷能源耦合程度較高，用電高峰缺乏主網(wǎng)供電支撐，導(dǎo)致系統(tǒng)供電、供冷可靠性較差；而GHP通過(guò)燃?xì)膺M(jìn)行供冷調(diào)峰，實(shí)現(xiàn)了天然氣對(duì)電能有效替代，提升了系統(tǒng)自給供能能力，調(diào)度周期內(nèi)ηloes較原場(chǎng)景降低了3.62%。冬季系統(tǒng)熱負(fù)荷由燃?xì)鈾C(jī)組供熱滿足，因此孤島運(yùn)行模式對(duì)供熱環(huán)節(jié)并無(wú)影響，ηloes調(diào)度周期內(nèi)無(wú)變化。過(guò)渡季系統(tǒng)電、熱負(fù)荷需求較小，通過(guò)協(xié)調(diào)蓄電池與各發(fā)電機(jī)組調(diào)度出力，即可滿足系統(tǒng)自身負(fù)荷需求，因此該場(chǎng)景系統(tǒng)孤島供能能力最高。

3.6 天然氣價(jià)格敏感性及削峰填谷分析

由表6可知，燃?xì)鈾C(jī)組燃料費(fèi)用在系統(tǒng)運(yùn)行成本中占比較高，因而天然氣價(jià)格的波動(dòng)將會(huì)直接影響系統(tǒng)運(yùn)行成本。對(duì)天然氣價(jià)格在±15%區(qū)間內(nèi)波動(dòng)時(shí)系統(tǒng)各場(chǎng)景進(jìn)行仿真，其運(yùn)行費(fèi)用如圖15所示。

圖15 天然氣價(jià)格波動(dòng)對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行成本影響

與場(chǎng)景1 相比，在［-15%，15%］燃?xì)鈨r(jià)格波動(dòng)區(qū)間內(nèi)，場(chǎng)景2運(yùn)行成本均有所降低。其中在夏季典型日，節(jié)省成本與氣價(jià)波動(dòng)呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)，即與燃?xì)鈨r(jià)格上浮相比，節(jié)省成本在［-15，0］下調(diào)空間內(nèi)改善更為明顯；過(guò)渡季、冬季典型日，節(jié)省成本與氣價(jià)波動(dòng)呈現(xiàn)正相關(guān)，當(dāng)天然氣價(jià)格正向波動(dòng)越大，系統(tǒng)節(jié)省成本越多。受政策影響，夏季用氣低谷與冬季用氣高峰，天然氣價(jià)格會(huì)分別進(jìn)行下調(diào)與上浮以平衡燃?xì)馐褂昧浚鳪HP能夠有效跟隨季節(jié)性天然氣價(jià)格波動(dòng)，實(shí)現(xiàn)RIES經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，具有良好經(jīng)濟(jì)效益。

圖16 為夏、冬季典型日各場(chǎng)景RIES 燃?xì)庀牧?。分析可知，夏季GHP 單位制冷成本最低，參與供冷增加了天然氣使用量，調(diào)度周期內(nèi)系統(tǒng)燃?xì)庀妮^場(chǎng)景1 增加了12.54%；冬季典型日，由于GHP 制熱能效更高，通過(guò)協(xié)調(diào)用熱高峰電、熱機(jī)組出力，有效減少了燃?xì)鈾C(jī)組燃料消耗，調(diào)度周期內(nèi)系統(tǒng)燃?xì)庀牧枯^原場(chǎng)景減少了19.47%。鑒于我國(guó)目前存在的天然氣季節(jié)性需求不均問(wèn)題，在天然氣管網(wǎng)發(fā)達(dá)的能源系統(tǒng)中廣泛推廣應(yīng)用GHP，能夠在一定程度削減區(qū)域季節(jié)性用氣峰谷差，緩解冬夏用氣不平衡矛盾，促進(jìn)燃?xì)赓Y源充分均衡利用。

圖16 典型日系統(tǒng)燃?xì)庀牧?/p>

4 結(jié)論

為優(yōu)化RIES 運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性與靈活性，將GHP引入系統(tǒng)中進(jìn)行優(yōu)化調(diào)度，基于GHP 配置-運(yùn)行建立了RIES規(guī)劃-調(diào)度雙層模型。算例研究表明：

1）GHP 能夠協(xié)調(diào)系統(tǒng)冷、熱、電源出力，通過(guò)能量間優(yōu)化匹配與轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)節(jié)能經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，并提高了孤島模式下供能可靠性。

2）GHP 對(duì)天然氣價(jià)格波動(dòng)具有敏感性，能夠有效應(yīng)對(duì)季節(jié)性氣價(jià)波動(dòng)對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行成本影響，提高了RIES運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性。

3）GHP 的使用能夠優(yōu)化系統(tǒng)燃?xì)馐褂昧?，廣泛推廣有助于削減區(qū)域季節(jié)性用氣峰谷差，促進(jìn)燃?xì)赓Y源充分均衡利用。