含電/熱儲(chǔ)能清潔供暖系統(tǒng)容量配置與運(yùn)行分析

付曉敏

(中國大唐集團(tuán)科學(xué)技術(shù)研究總院有限公司西北電力試驗(yàn)研究院，陜西省 西安市 710000)

0 引言

能源是關(guān)系到國家安全與發(fā)展的重點(diǎn)領(lǐng)域，含碳能源的大量使用導(dǎo)致環(huán)境問題日益嚴(yán)重，發(fā)展低碳、零碳能源，提高能源使用效率，減少對(duì)環(huán)境的排放干擾已成為共識(shí)[1]。電供暖因其能源利用效率高、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、布置靈活受到廣泛關(guān)注[2-3]，常見的電轉(zhuǎn)熱設(shè)備主要有電鍋爐(高壓電極鍋爐、電磁式鍋爐、電阻式鍋爐)、熱泵、蓄熱式電鍋爐等，以電轉(zhuǎn)熱微系統(tǒng)為核心單元的綜合能源系統(tǒng)將電、熱有機(jī)融合，演化為適應(yīng)用能需求的分散式與區(qū)域集中式多能耦合系統(tǒng)[4-5]，在我國青海、西藏、新疆等風(fēng)、光資源豐富地區(qū)，已實(shí)現(xiàn)新能源電供暖的耦合示范。

熱電聯(lián)供(combined heating and power，CHP)與冷熱氣三聯(lián)供(combined cooling，heating and power，CCHP)具有運(yùn)行靈活、能源利用效率高的特點(diǎn)，在集中供暖中得到較廣泛應(yīng)用[6-8]，文獻(xiàn)[9-12]將熱、電、冷、氣單一或多種用能需求與新能源、儲(chǔ)能等相結(jié)合，基于多設(shè)備耦合特性對(duì)多能互補(bǔ)容量配置、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行策略以及對(duì)新能源的消納利用等開展研究，在多能流模型搭建與求解算法、負(fù)荷不確定性響應(yīng)以及系統(tǒng)時(shí)空協(xié)調(diào)運(yùn)行等方面取得豐富的成果。電供暖對(duì)園區(qū)、單體建筑等更為靈活與環(huán)保，以電鍋爐、熱泵等為核心，輔以電轉(zhuǎn)氣(power to gas，P2G)、新能源等，增加系統(tǒng)運(yùn)行的靈活性與經(jīng)濟(jì)性[13-15]。在“雙碳”目標(biāo)導(dǎo)向下，新能源的規(guī)模化并網(wǎng)對(duì)電網(wǎng)的穩(wěn)定性提出了更高的要求，綜合能源系統(tǒng)在新能源的利用與消納方面發(fā)揮著積極的作用，特別是儲(chǔ)能(冷、熱、電、氣等)的配置，對(duì)提高系統(tǒng)運(yùn)行靈活性與經(jīng)濟(jì)性、穩(wěn)定高比例新能源微網(wǎng)結(jié)構(gòu)起著關(guān)鍵作用[16-19]。

對(duì)綜合能源供暖的相關(guān)研究多集中在復(fù)雜多能流耦合模型搭建、容量配置求解算法、供能不確定分析等方面，對(duì)于供暖負(fù)荷多采用假定的方式，未結(jié)合建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行精細(xì)計(jì)算，復(fù)雜系統(tǒng)能量轉(zhuǎn)化與流動(dòng)缺乏更細(xì)致的調(diào)度策略支撐。本文基于前人研究成果，以供暖負(fù)荷建模仿真為切入，結(jié)合熱、電多介質(zhì)儲(chǔ)能對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行的有益補(bǔ)充，構(gòu)建包含光伏發(fā)電、電鍋爐、儲(chǔ)熱、電化學(xué)儲(chǔ)能的區(qū)域綜合能源系統(tǒng)容量配置模型，適應(yīng)多能耦合與供/需特點(diǎn)，精細(xì)制定適應(yīng)不同場(chǎng)景的并/離網(wǎng)運(yùn)行調(diào)度策略，以成本最小為目標(biāo)，求解各能流配置最優(yōu)容量，進(jìn)行各場(chǎng)景系統(tǒng)運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性分析。

1 光-儲(chǔ)-熱清潔供暖系統(tǒng)構(gòu)成

1.1 系統(tǒng)概述

光-儲(chǔ)-熱多能流區(qū)域綜合能源系統(tǒng)包括能量生產(chǎn)、存儲(chǔ)、轉(zhuǎn)化以及使用四部分，基于用戶側(cè)的小型供暖系統(tǒng)能量運(yùn)輸單元可進(jìn)行簡(jiǎn)化，本文所構(gòu)建清潔供暖系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1 所示，包括光伏發(fā)電、電鍋爐、蓄熱罐、電化學(xué)儲(chǔ)能、供熱用戶以及DC/DC、DC/AC、變壓器等輔助電氣設(shè)備，尤其適用于清潔供暖需求突出、光照資源豐富的青藏高原等區(qū)域，充分利用儲(chǔ)熱/電的靈活性配置，調(diào)節(jié)供熱需求與光伏出力的時(shí)空矛盾，促進(jìn)光伏發(fā)電的消納與提高系統(tǒng)運(yùn)行效率、降低運(yùn)行成本。

圖1 光-儲(chǔ)-熱多能流清潔供暖系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of photovoltaic-storage-heat multi-energy flow cleaning heating system

1.2 能量單元模型

1.2.1 光伏發(fā)電單元

光伏發(fā)電量取決于太陽輻照量、環(huán)境溫度以及光伏輸出特性等，計(jì)算公式為

式中:Ppv為光伏輸出功率;IT為光伏組件傾斜輻照強(qiáng)度，W/m2;Am為光伏組件的面積，m2;Nm為光伏組件數(shù)量;ηpv、ηpv.ef 為光伏系統(tǒng)效率與參考效率;ε為溫度修正系數(shù);Tpv、Tstc、Tamb、TNOCT、Tref分別為組件運(yùn)行溫度、標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件的溫度、環(huán)境溫度、額定運(yùn)行溫度、參考溫度，℃;Iref為參考輻照強(qiáng)度，W/m2;Pload為供熱負(fù)荷。

1.2.2 電化學(xué)儲(chǔ)能

儲(chǔ)能電池充電條件與充電狀態(tài)模型為

放電條件與放電狀態(tài)模型為

式中:Ppv(t)為t時(shí)刻光伏輸出功率;ηinv為逆變器轉(zhuǎn)換效率;PHT(t)為t時(shí)刻儲(chǔ)熱罐輸出功率;Pload(t)為t時(shí)刻供熱負(fù)荷;Cbat(t)為t時(shí)刻儲(chǔ)能的容量;δ為儲(chǔ)能自放電損耗;ηc、ηd、ηe分別為儲(chǔ)能的充、放電以及電鍋爐的電加熱效率;儲(chǔ)能容量在任何時(shí)刻需介于 [Cbat，min，Cbat，max]。

1.2.3 蓄熱罐

蓄熱罐儲(chǔ)熱條件與儲(chǔ)熱狀態(tài)模型為

式中:δTES為儲(chǔ)熱罐的自耗熱損失;ηc，HT為蓄熱罐的蓄熱效率。

此時(shí)，需判斷蓄熱罐的狀態(tài)是否滿足PHT(t)∈[PHT，min，PHT，max]，若PHT(t)＞PHT，max，則產(chǎn)生能源浪費(fèi)。

放熱條件與放熱狀態(tài)模型為

式中:ηd，HT為蓄熱罐的放熱效率，若PHT(t)＜PHT，min，則差額部分需由儲(chǔ)能電池進(jìn)行補(bǔ)充，狀態(tài)模型為

此時(shí)，需判斷Cbat(t)是否屬于[Cbat，min，Cbat，max]區(qū)間，若Cbat(t)＜Cbat，min，則缺口部分由公共電網(wǎng)進(jìn)行補(bǔ)充。

為簡(jiǎn)化流程，能量轉(zhuǎn)化過程中省略效率與自損耗，默認(rèn)儲(chǔ)能電池與蓄熱罐在該時(shí)刻滿足儲(chǔ)能下限值要求，系統(tǒng)能量調(diào)度策略如圖2所示。

圖2 光-儲(chǔ)-熱多能流清潔供暖能量調(diào)度策略Fig.2 Photovoltaic-storage-heat multi-energy flow clean heating energy scheduling strategy

2 系統(tǒng)規(guī)劃模型

2.1 目標(biāo)函數(shù)

以24 h為1個(gè)調(diào)度周期，采用全壽命周期平均成本作為容量配置模型的求解目標(biāo)函數(shù)，即

式中:Cic、Cre、Cmc分別為系統(tǒng)的初始投資、置換成本、運(yùn)維成本，其計(jì)算公式分別如下。

式中:Ck，ie為光伏、電化學(xué)儲(chǔ)能、蓄熱罐的初始投資;i為折現(xiàn)率;n為系統(tǒng)使用年限。

式中:m為需更換電芯數(shù)量;CBAT為單塊電芯成本。

式中:Ak分別為光伏、電化學(xué)儲(chǔ)能、蓄熱罐運(yùn)維成本系數(shù)。

2.2 約束條件

2.2.1 儲(chǔ)能電池

電化學(xué)儲(chǔ)能充放電容量需滿足

2.2.2 蓄熱罐

蓄熱罐蓄放熱容量需滿足

2.2.3 功率平衡

為保證系統(tǒng)正常運(yùn)轉(zhuǎn)，允許棄電與外購電，約束表示為

式中:Pd(t)、Pc(t)為t時(shí)刻儲(chǔ)能電池的充放電功率;Ploss(t)為t時(shí)刻外購電輸入功率;Pdump(t)為t時(shí)刻棄電功率。

2.2.4 負(fù)荷缺失與新能源損失

當(dāng)光-儲(chǔ)-熱系統(tǒng)為微網(wǎng)類型時(shí)，需滿足一定的可靠性，提出負(fù)荷缺失率Eshort與新能源損失率Eloss指標(biāo)，計(jì)算公式分別為

式中:Et為時(shí)刻t供熱負(fù)荷的缺口;Eload為累計(jì)供熱負(fù)荷值;E′t為時(shí)刻t棄電量;EPV為累計(jì)光伏發(fā)電量。

3 基于DeST 建筑仿真供熱負(fù)荷模擬

DeST(designer's simulation toolkit)是建筑環(huán)境及HVAC系統(tǒng)模擬的軟件平臺(tái)[20]，基于“分階段模擬”理念，模擬建筑結(jié)構(gòu)特性與被動(dòng)式熱擾(環(huán)境氣象參數(shù)、室內(nèi)熱擾)對(duì)基礎(chǔ)室溫的影響，連接建筑能耗與環(huán)境控制系統(tǒng)，通過空調(diào)系統(tǒng)搭建耦合基礎(chǔ)室溫與建筑冷熱負(fù)荷需求，進(jìn)行建筑環(huán)境控制系統(tǒng)模擬與評(píng)估。

在被動(dòng)式熱擾作用下的房間基礎(chǔ)溫度，體現(xiàn)了在氣象條件、圍護(hù)與非透明圍護(hù)結(jié)構(gòu)特性、人員與設(shè)備發(fā)熱量等已有建筑屬性下的固有熱特性[21]，當(dāng)基礎(chǔ)室溫在舒適區(qū)內(nèi)時(shí)，該房間不需要供熱或者制冷;當(dāng)基礎(chǔ)室溫超出舒適區(qū)范圍時(shí)，超出的部分即是需要通過供熱或制冷克服的溫差，由此可以根據(jù)基礎(chǔ)室溫全年的分布情況，結(jié)合房間的舒適區(qū)設(shè)定范圍，精確模擬計(jì)算房間冷/熱負(fù)荷?；跔顟B(tài)空間法[22]，考慮被動(dòng)式熱擾對(duì)基礎(chǔ)室溫的影響，計(jì)算公式為

式中:tk，base(τ)為房間k在τ時(shí)刻的基礎(chǔ)溫度;φij為采樣后各種擾量對(duì)房間溫度的影響系數(shù);n為各種熱擾的特征值的維數(shù);m為熱擾的個(gè)數(shù);λi為狀態(tài)空間法中各建筑物空間特征值向量;qj為房間k的熱擾，包括太陽輻射、相鄰房間、空調(diào)系統(tǒng)、照明、人員及設(shè)備等各種擾量。

τ時(shí)刻房間負(fù)荷計(jì)算公式為

式中:q(τ)為τ時(shí)刻提供的負(fù)荷;tk(τ)為τ時(shí)刻房間溫度，包含τ時(shí)刻空調(diào)與非空調(diào)熱擾以及歷史時(shí)刻空調(diào)熱擾對(duì)房間溫度的作用為τ時(shí)刻未投入空調(diào)熱擾時(shí)房間的溫度;Ψ為單位空調(diào)熱量對(duì)房間溫度的影響。

4 算例分析

算例用到的某縣政府辦公樓總建筑面積8 493 m2，高度11.5 m，建筑體形系數(shù)0.21，窗墻比分別為:東向0.02，西向0.02，南向0.26，北向0.28。為簡(jiǎn)化模型結(jié)構(gòu)，同類型房間進(jìn)行合并簡(jiǎn)化，模型搭建如圖3所示，建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)特性見表1。

圖3 基于DeST的某建筑模型搭建Fig.3 Construction of a building model based on DeST

表1 圍護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)T ab l e1Enclosure parameters

辦公樓供暖時(shí)段為10月初至次年4月底，每日19:00至次日06:00為值班運(yùn)行模式，室溫要求為5℃，其余時(shí)段維持在18～20℃，計(jì)算逐月建筑供熱負(fù)荷(見圖4)，統(tǒng)計(jì)日平均逐時(shí)最大供熱負(fù)荷(見圖5)。光伏發(fā)電單元采用固定式支架，離地高度1.5 m，計(jì)算得到25年50%保證率下供暖季日平均逐時(shí)出力值，見圖6。

圖4 辦公樓逐月供熱負(fù)荷Fig.4 Monthly heating load of office buildings

圖5 供暖季逐時(shí)最大供熱負(fù)荷Fig.5 Maximum heating load by moment in the heating season

圖6 保證率50%情形下供暖季光伏日平均逐時(shí)出力系數(shù)Fig.6 Daily average hourly output coefficient of photovoltaic in heating season in the case of 50%guarantee rate

模型構(gòu)建所需各單元參數(shù)設(shè)置見表2，依據(jù)設(shè)定運(yùn)行策略，以24 h為1個(gè)調(diào)度周期，分3個(gè)場(chǎng)景逐時(shí)刻進(jìn)行計(jì)算:(1)系統(tǒng)余電可上網(wǎng)、缺口電量由公網(wǎng)補(bǔ)充;(2)余電為棄電，缺口電量由公網(wǎng)補(bǔ)充;(3)滿足一定的新能源消納保證與電量損失限制，設(shè)置負(fù)荷缺電率Nshort=0.05，新能源損失率Nloss=0.5。

表2 各能量單元基礎(chǔ)參數(shù)設(shè)置Table 2 Basic parameter settings of each energy unit

采用基于改進(jìn)差分混合蛙跳算法進(jìn)行模型求解，依據(jù)混沌理論[23]生成初始個(gè)體，將改進(jìn)差分算法用于個(gè)體子種群尋優(yōu)迭代，提高算法的魯棒性與求解效率，避免陷入局部最優(yōu)[24]，具體算法參數(shù)設(shè)置為:個(gè)體總數(shù)為100個(gè)，10個(gè)子種群數(shù)量，子種群迭代20次，全局混合迭代尋優(yōu)100次，每個(gè)子種群10個(gè)青蛙個(gè)體，按照混沌理論在各變量設(shè)定范圍內(nèi)產(chǎn)生，各場(chǎng)景能量單元容量配置與成本計(jì)算結(jié)果如表3所示。

表3 各場(chǎng)景容量配置結(jié)果與成本收益計(jì)算Table 3 Capacity configuration results and cost-benefit calculation of each scenario

由表3可知，場(chǎng)景一中，存在配置電化學(xué)儲(chǔ)能與蓄熱罐產(chǎn)生的成本增加與增大光伏容量，提高售電收入的矛盾，僅配置光伏發(fā)電單元，且達(dá)到上限值，外購電成本與售電成本相抵增加734.4元的收益，系統(tǒng)運(yùn)行成本最低;場(chǎng)景二中因棄光電量未產(chǎn)生收益，計(jì)算結(jié)果表明采取了減少系統(tǒng)各單元配置容量，提高外購電的求解策略，光伏裝機(jī)容量較場(chǎng)景一減少78.7%，同時(shí)配置成本較便宜的蓄熱罐進(jìn)行熱能周轉(zhuǎn);場(chǎng)景三需滿足一定的新能源消納限制，使得光伏、電化學(xué)儲(chǔ)能的配置容量均不同程度提升，蓄熱罐容量因使用成本與效率轉(zhuǎn)化原因，容量配置較小，總成本較場(chǎng)景一、二大幅提升147.8%、111.9%，得益于儲(chǔ)能裝置的配置，新能源浪費(fèi)率由77%下降至50%，自給能力大幅提升。

不同場(chǎng)景下，依據(jù)所得配置結(jié)果進(jìn)行運(yùn)行調(diào)度分析，見圖7。

圖7 系統(tǒng)運(yùn)行調(diào)度過程Fig.7 System operation scheduling process

場(chǎng)景一中在07:00，供熱負(fù)荷為頂峰值，此時(shí)，光伏受太陽輻照影響基本無出力，缺口電量由公共電網(wǎng)補(bǔ)充，隨著光伏出力的逐漸增加以及供熱負(fù)荷的減少，產(chǎn)生一定量的棄電，在15:00達(dá)到峰值。

場(chǎng)景二中因余電上網(wǎng)獲利的限制，光伏容量較場(chǎng)景一減少78.7%，19:00—21:00時(shí)，因光伏仍有少量出力，多余電力轉(zhuǎn)化為熱能儲(chǔ)存在蓄熱罐中，增大了系統(tǒng)運(yùn)行調(diào)整的靈活性，因設(shè)定蓄熱罐初始熱能為額定的15%，為保證閉環(huán)計(jì)算，產(chǎn)生一定的棄能。

場(chǎng)景三中，受負(fù)荷缺失率與新能源損失率的限制，提高了系統(tǒng)運(yùn)行的成本，在07:00—12:00，電化學(xué)儲(chǔ)能彌補(bǔ)了供熱負(fù)荷的缺口，荷電狀態(tài)值逐漸下降至最低限制0.2，隨著下午供熱負(fù)荷的減少，剩余光伏出力均進(jìn)行儲(chǔ)存，在荷電狀態(tài)值滿足上限后，為保證調(diào)度閉環(huán)，產(chǎn)生一定的棄電。

5 結(jié)論

本文構(gòu)建了光-儲(chǔ)-熱清潔供暖系統(tǒng)，以電化學(xué)儲(chǔ)能、蓄熱罐為有效調(diào)節(jié)載體，基于DeST 進(jìn)行建筑供熱負(fù)荷精細(xì)模擬，運(yùn)用基于改進(jìn)差分混合蛙跳算法對(duì)系統(tǒng)在并/離網(wǎng)運(yùn)行策略下不同場(chǎng)景各能量單元容量配置進(jìn)行計(jì)算，受制于運(yùn)行策略設(shè)置與成本限定，場(chǎng)景一并網(wǎng)運(yùn)行策略下，僅配置光伏電站，運(yùn)行成本最低，場(chǎng)景二自由購電與余電棄用策略下，得到光伏與儲(chǔ)能配置的平衡點(diǎn)，即減少光伏配置，增加少量儲(chǔ)熱以減少供熱低谷與光伏高出力疊加時(shí)段的棄電，場(chǎng)景三在離網(wǎng)運(yùn)行與新能源消納限定條件下，電化學(xué)儲(chǔ)能的大規(guī)模配置提高了系統(tǒng)的自給能力，成本較場(chǎng)景一、二大幅提升147.8%、111.9%，新能源浪費(fèi)率由77%下降至50%。