計及碳排放成本的風光燃儲綜合能源系統(tǒng)規(guī)劃

韓 旭， 周峻毅， 李 奇， 吳 迪， 李 鵬， 韓中合

(華北電力大學 河北省低碳高效發(fā)電技術(shù)重點實驗室，河北保定 071003)

符號說明：

CASHP——電制冷機的制冷量，kW·h

Cload——用戶冷負荷，kW·h

ηCOP,ASHP——電制冷機的制冷效率

CIES——系統(tǒng)總成本，元

Cinv——投資成本，元

Cope——運行維護成本，元

Cng——全年消耗天然氣成本，元

Cgrid——全年購電成本，元

Ccet——碳稅成本，元

Cgrid,cde——市政購電產(chǎn)生的CO2排放量,g/(kW·h)

Cng,cde——燃燒天然氣產(chǎn)生的CO2排放量,g/(kW·h)

Cgrid,t——t時間段購電價格，元/(kW·h)

cgrid，cell——電網(wǎng)逐時購電價格，元/(kW·h)

Egrid,t——t時間段市政購電量，kW·h

Eeq,i,t——i型設(shè)備的出力，kW·h

EASHP——電制冷機消耗的電量，kW·h

Egrid——市政電網(wǎng)購電量，kW·h

EGT——燃氣輪機發(fā)電量，kW·h

Eload——用戶所需電負荷，kW·h

Enon——非可再生能源電力出力，kW·h

Egrid,sell,t——電網(wǎng)逐時售電價格，元/(kW·h)

EICE——燃氣輪機產(chǎn)電量，kW·h

EPS——蓄電池的額定容量，kW·h

EPV——光伏發(fā)電量，kW·h

Eserved——系統(tǒng)年總電力負荷，kW·h

EWT——風力發(fā)電機發(fā)電量，kW·h

F0——燃料曲線的截距系數(shù)，m3/(kW-1·h-1)

F1——燃料曲線的斜率

Ft——天然氣總耗能量，kW·h

FGT,t——燃氣輪機天然氣耗能，kW·h

FGB,t——燃氣鍋爐天然氣耗能，kW·h

FGB——補燃鍋爐的耗能，kW

GGT——燃氣輪機裝機容量，kW

GPS——儲電系統(tǒng)輸出功率，kW

GPV——光伏系統(tǒng)裝機容量，kW

GWT——風機系統(tǒng)裝機容量，kW

Geq,i——i型設(shè)備的額定容量，kW

I0——光伏板額定輻射強度，kW/m2

IT——實際太陽輻射強度，kW/m2

QLHV,ng——燃料的低位發(fā)熱量，MJ/kg

N——風機臺數(shù)

ni——i型設(shè)備的數(shù)量

fPV——光伏板降額系數(shù)

cng——每天消耗的天然氣成本，元/(kW·h)

Pin——蓄電池存入電能的功率，kW

PN——風電機組的額定功率，kW

PGT——燃氣輪機實際輸出功率，kW

Pout——蓄電池釋放電能的功率，kW

QEB——熱電聯(lián)產(chǎn)余熱，kW·h

Qload——用戶的熱負荷，kW·h

Qnon——非可再生能源輸出能量，kW·h

Qserved——年總熱負荷，kW·h

ESOC(t)——t時間段蓄電池電量，kW

ηGB——補燃鍋爐效率，%

Vin——風力發(fā)電機的切入風速，m/s

Vout——風力發(fā)電機的切出風速，m/s

Vrated——風力發(fā)電機額定風速，m/s

Vw,t——t時間段的風機運行風速，m/s

YGT——燃氣輪機額定發(fā)電功率，kW

YPV——光伏板額定輸出功率，kW

δe——蓄電池自身電能消耗率,%

ρng——天然氣的密度，kg/m3

ηcetr——碳稅價格，元/t

ηe——蓄電池的充放電效率，%

Δt——蓄電池工作時間，h

下標

i——不同設(shè)備類型

綜合能源系統(tǒng)(Intergrated Energy System, IES)能夠?qū)哂懈鳟愋再|(zhì)的能源進行高效地梯級利用，有利于節(jié)能減排和可再生能源的大幅度消納，因而被廣泛應用于工、商業(yè)園區(qū)[1]，其也是能源互聯(lián)網(wǎng)和泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的重要組成部分[2-3]。鑒于綜合能源系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)能源供應和碳中和，因此越來越受到國內(nèi)外學者的關(guān)注[4]。 在綜合能源系統(tǒng)設(shè)備建模方面，Zhang等[5]構(gòu)建了一種耦合了電、熱、氣和冷的具有多樣性負荷需求和源形式的園區(qū)級綜合能源系統(tǒng)，發(fā)現(xiàn)在綜合能源系統(tǒng)提高能效和降低運行成本方面，階梯級優(yōu)化方法具有顯著作用。金泰等[6]以系統(tǒng)經(jīng)濟性為優(yōu)化目標，結(jié)合混合整數(shù)非線性規(guī)劃方法針對綜合能源系統(tǒng)的容量配置問題構(gòu)建了一套系統(tǒng)容量配置的最佳方案，并提出了一種電轉(zhuǎn)氣設(shè)備在風-光-儲系統(tǒng)中的最佳工作模式。韋古強等[7]基于“以電定熱”和“以熱定電”2種運行模式，在冬季和夏季2種典型季節(jié)下對比研究了不同系統(tǒng)的優(yōu)劣。張大海等[8]綜合考慮儲電、儲熱、儲氣并引入光熱，構(gòu)建了一種電熱氣的綜合能源系統(tǒng)。在綜合能源系統(tǒng)政策研究及評價標準方面，文明等[9]將碳稅作為懲罰因子并引進綜合能源系統(tǒng)，從環(huán)境和經(jīng)濟的角度提出4種優(yōu)化方案，并進行了關(guān)于碳稅的敏感性分析。萬文軒等[10]梳理了碳交易市場的關(guān)鍵因素，并分析了其影響機理、交易機制和應用模式。李健等[11]基于包含能源稅收、碳稅和碳交易機制等6項政策動態(tài)，研究了不同政策工具的實施效果。顧文波等[12]針對大型公共機構(gòu)建筑多源聯(lián)供系統(tǒng)的優(yōu)化問題進行了建模，并進行了兼顧經(jīng)濟和環(huán)保的多目標優(yōu)化調(diào)度研究，基于滿意度指標提出多種優(yōu)化調(diào)度方案。在綜合能源系統(tǒng)算法優(yōu)化方面，陳曦等[13]以耦合天然氣庫的綜合能源系統(tǒng)為研究對象，利用布谷鳥搜索算法，以包含系統(tǒng)初始投資成本、系統(tǒng)運行成本和碳排放成本在內(nèi)的系統(tǒng)總成本為優(yōu)化目標對系統(tǒng)進行容量優(yōu)化。Wu等[14]以得到最小逐時運行成本為目標，基于窮舉搜索法的自適應策略提出了一種年均成本最低的綜合能源系統(tǒng)優(yōu)化方案，并確定了最佳設(shè)備容量和運行參數(shù)。

在以上研究的基礎(chǔ)上，筆者結(jié)合某辦公園區(qū)的負荷特性，通過建立5種綜合能源系統(tǒng)模型，以經(jīng)濟性和環(huán)境效益為優(yōu)化目標對綜合能源系統(tǒng)進行優(yōu)化，并進行了相應的敏感性分析。

1 綜合能源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖1為綜合能源系統(tǒng)的典型結(jié)構(gòu)，該系統(tǒng)包括市政電網(wǎng)、光伏板、風機、熱電聯(lián)產(chǎn)(CHP)系統(tǒng)、鋰電池、電制冷機和補燃鍋爐等。其中，用戶電負荷由光伏板、風機、燃氣輪機和儲能系統(tǒng)提供，不足的部分由市政電網(wǎng)購入滿足；用戶熱負荷由CHP系統(tǒng)產(chǎn)生的余熱和補燃鍋爐燃燒天然氣所釋放的熱量聯(lián)合提供；用戶冷負荷由電制冷機提供。

圖1 綜合能源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Integrated energy system structure diagram

2 系統(tǒng)數(shù)學模型

2.1 設(shè)備模型

太陽能光伏板的實際輸出功率PPV為：

(1)

不考慮風場時的滯效應和尾流效應，t時間段內(nèi)風機的輸出功率Pw,t為：

Pw,t=

(2)

充電和放電時蓄電池的電量ESOC(t)分別見式(3)和式(4)。

ESOC(t)=(1-δe)·ESOC(t-1)+PinΔtηe/EPS

(3)

ESOC(t)=(1-δe)·ESOC(t-1)-PoutΔtηe/EPS

(4)

燃氣輪機燃氣消耗速率FGT為：

FGT=F0YGT+F1PGT

(5)

燃氣輪機效率ηGT為：

(6)

補燃鍋爐產(chǎn)熱量QGB為：

QGB=FGBηGB

(7)

電制冷機的制冷量CASHP為：

CASHP=ηCOP,ASHP×EASHP

(8)

2.2 約束條件

約束條件為綜合能源系統(tǒng)與用戶之間的冷、熱、電的逐時平衡。電負荷約束為：

EPV+EWT+EPS+EICE+Egrid≥Eload+EASHP

(9)

補燃鍋爐產(chǎn)熱和CHP余熱應滿足用戶熱負荷需求，熱負荷約束為：

QEB+QGB≥Qload

(10)

冷負荷約束為：

CASHP≥Cload

(11)

2.3 評價方法

2.3.1 環(huán)境評估

CO2的排放主要來源于燃氣輪機、補燃鍋爐燃燒天然氣，通過CO2排放量的大小可以定量評價系統(tǒng)的環(huán)境效益?？稍偕茉蠢寐适侵缚稍偕茉窗l(fā)電利用量占整個系統(tǒng)發(fā)電量的比值?？稍偕茉蠢寐试礁?，說明系統(tǒng)利用環(huán)境資源能力越強，融合當?shù)丨h(huán)境的效果更好?？稍偕茉蠢寐蔲ren為：

(12)

2.3.2 經(jīng)濟性評估

燃料成本的影響因素為燃料消耗總量與單位燃料價格，燃料成本越低，系統(tǒng)經(jīng)濟性越好；綜合能源系統(tǒng)中的燃氣輪機熱電聯(lián)產(chǎn)、太陽能光伏板、風力機、蓄電池等投入運行后，每年會存在一定的運行和維護費用，運行成本用來描述該系統(tǒng)生命周期內(nèi)各組件的運行費用之和；設(shè)備投資成本包含燃氣輪機、太陽能光伏板、風力機、蓄電池等初始投資費用成本。

2.4 目標函數(shù)

目標函數(shù)為綜合能源系統(tǒng)的年總成本，包括年投資成本、年運行維護成本、年消耗天然氣成本、年購電成本和年碳稅成本。

CIES=Cinv+Cng+Cope+Cgrid+Ccet

(13)

(14)

(15)

(16)

Ft=FGT,t+FGB,t

(17)

(18)

(19)

2.5 模型求解算法

網(wǎng)格搜索算法通過遍歷搜索給指定空間的所有可行系統(tǒng)配置參數(shù)來優(yōu)化模型，并對比各目標值，從而尋找最優(yōu)的優(yōu)化變量組合。網(wǎng)格搜索算法相較于其他尋優(yōu)算法耗時長，但可避免常規(guī)算法可能出現(xiàn)的一些問題。此外，網(wǎng)格搜索算法不需要根據(jù)經(jīng)驗設(shè)置關(guān)鍵參數(shù)，操作簡單實用、魯棒性強。因此，筆者采用網(wǎng)格搜索算法對模型進行尋優(yōu)和求解。模型求解流程圖見圖2。

圖2 模型求解流程圖Fig.2 Flow chart of model solution

構(gòu)建包含風-光-燃-儲-網(wǎng)、光-燃-儲-網(wǎng)、風-燃-儲-網(wǎng)、風-光-儲-網(wǎng)、風-光-燃-網(wǎng)在內(nèi)的5種綜合能源系統(tǒng)，并設(shè)置系統(tǒng)輻射條件、風力條件、階梯電價、系統(tǒng)負荷和設(shè)備參數(shù)等初始條件?；谏鲜鰯?shù)學模型和約束條件等確定相應的系統(tǒng)供能約束，以經(jīng)濟性為目標并結(jié)合自然條件和社會條件2種邊界條件對上述5種綜合能源系統(tǒng)進行優(yōu)化，得到各系統(tǒng)元件的構(gòu)成參數(shù)和供能情況，根據(jù)優(yōu)先級確定當前環(huán)境下5種綜合能源系統(tǒng)模型對應的綜合效益最優(yōu)方案。自然條件分析主要研究系統(tǒng)在面對復雜可再生能源處理狀況時的系統(tǒng)表現(xiàn)情況。社會條件分析主要研究光伏價格和碳稅對系統(tǒng)性能的影響。最終得到受自然條件和社會條件波動影響的綜合能源系統(tǒng)的配置建議。

3 參數(shù)設(shè)置

補燃鍋爐的熱效率取80%，電制冷機的能效比取2.5，儲能系統(tǒng)效率取72%。設(shè)備投資及維護費用見表1[14]，市政電網(wǎng)分時電價和天然氣價格見表2。電網(wǎng)購電的碳排放量為960 g/(kW·h)。

表1 設(shè)備投資和維護費用Tab.1 Economic parameters of the equipment

表2 市政電網(wǎng)分時電價和天然氣價格Tab.2 Time-of-use electricity price and natural gas price of municipal power grid

以北京某辦公園區(qū)為研究對象，其負荷類型由冷、熱、電3種負荷組成，如圖3所示。其中，園區(qū)電負荷需求跨度最大且分布較為均勻，除部分夏季時間段略高外，其余月份相差不大，峰值約為2 150.2 kW，日間電負荷需求主要集中在9：00—20：00之間；園區(qū)冷負荷需求分布在3—10月，冷負荷峰值出現(xiàn)在7月和8月，約為10 985 kW；園區(qū)熱負荷需求分布在1—6月和8—12月，熱負荷峰值主要出現(xiàn)在1月，約為3 164.7 kW。圖4給出了自然資源的約束條件，該地區(qū)年平均太陽輻射強度為4.32 kW/m2，年平均風速為3.62 m/s。

圖3 用戶負荷的變化Fig.3 Variation of user load

(a) 輻射強度

(b) 環(huán)境溫度

(c) 風速

4 案例分析

4.1 系統(tǒng)構(gòu)成

針對該園區(qū)綜合能源系統(tǒng)的優(yōu)化規(guī)劃問題，建立了5種綜合能源系統(tǒng)模型，通過計算得到各系統(tǒng)設(shè)備參數(shù)和供能情況。系統(tǒng)設(shè)備參數(shù)見表3。

表3 系統(tǒng)設(shè)備裝機容量Tab.3 System equipment installed capacity

為研究碳排放因子對綜合能源系統(tǒng)的影響，對5種系統(tǒng)的各設(shè)備投資成本、可再生能源滲透率、年CO2排放量、系統(tǒng)運行維護成本和總?cè)剂舷某杀具M行分析，見圖5。對比不同系統(tǒng)的優(yōu)劣程度可以從系統(tǒng)投資成本、可再生能源滲透率和年CO2排放量3個角度考慮。從年CO2排放量角度來說，系統(tǒng)1<系統(tǒng)4<系統(tǒng)2<系統(tǒng)3<系統(tǒng)5，系統(tǒng)5的年CO2排放量最大，可達4 681 762 kg；系統(tǒng)3次之，且略高于系統(tǒng)2；系統(tǒng)1的年CO2排放量最小，約為系統(tǒng)4的97%。從系統(tǒng)投資成本角度來說，系統(tǒng)1<系統(tǒng)2<系統(tǒng)3<系統(tǒng)5<系統(tǒng)4，系統(tǒng)4的系統(tǒng)投資成本最高，系統(tǒng)1的系統(tǒng)投資成本約為系統(tǒng)4的81%，且系統(tǒng)1、系統(tǒng)2和系統(tǒng)3的系統(tǒng)投資成本相當，系統(tǒng)5略高于前三者。從可再生能源滲透率角度來說，系統(tǒng)4>系統(tǒng)1>系統(tǒng)2>系統(tǒng)3>系統(tǒng)5，系統(tǒng)4的可再生能源滲透率略高于其他系統(tǒng)。綜上所述，系統(tǒng)1為最優(yōu)系統(tǒng)，其年CO2排放量和全生命周期成本均最低；系統(tǒng)4消納可再生能源的能力最佳，可再生能源滲透率為69.93%，但總成本為系統(tǒng)1的159%。

圖5 不同系統(tǒng)的系統(tǒng)投資成本、可再生能源滲透率和年CO2排放量對比Fig.5 Total system cost, renewable energy penetration and carbon dioxide emissions of different systems

4.2 電、熱平衡

圖6為典型冬季日(即1月15日)系統(tǒng)的電、熱平衡圖。由于此時電負荷小且燃氣鍋爐運行經(jīng)濟性差，系統(tǒng)即使對CHP系統(tǒng)所產(chǎn)生的余熱需求很大，但考慮到經(jīng)濟效益，也未能引入大量的燃氣鍋爐出力。由圖6可知，通常燃氣輪機在電網(wǎng)電價為峰值和可再生能源短缺時出力。光伏在9：00—17：00期間持續(xù)出力，其發(fā)電量幾乎占到全天電負荷需求的55%；風機的主要出力時間為21：00—22：00和5：00—9：00，并與光伏發(fā)電相互補充，在此期間，用戶電負荷需求較少，風機發(fā)電量除滿足電負荷需求外，其余流向儲能系統(tǒng)中。電池在5：00—9：00期間工作，將可再生能源產(chǎn)生的多余電量儲存并在電網(wǎng)電價處于峰值時釋放電量。23：00—24：00和00：00—4：00時系統(tǒng)用電量少，且此時市政電網(wǎng)電價較低，僅需電網(wǎng)少量購電。其中，燃氣輪機主要為調(diào)峰設(shè)備在可再生能源出力短缺時18：00—21：00供能，其供能量大約占到總電負荷需求的29.5%，當負荷需求較大、電力成本提高、可再生能源設(shè)備出力無法滿足用電需求時，燃氣輪機起到了很好的調(diào)峰和緩沖作用。

(a) 電平衡

(b) 熱平衡

4.3 經(jīng)濟和環(huán)境的敏感性分析

圖7給出了平均風速和平均輻射強度變化對系統(tǒng)年CO2排放量和年運行維護成本的影響規(guī)律。如圖7(a)所示，平均風速和平均輻射強度越大，年CO2排放量越少，系統(tǒng)對化石能源依賴的程度越低。如圖7(b)所示，年運行維護成本隨平均輻射強度和平均風速的增加呈先增大后減小的趨勢。平均風速為2～3 m/s時，年CO2排放量隨風速的增加而增大。這是因為風機未達到最佳出力曲線。由于光伏發(fā)電量占到系統(tǒng)總發(fā)電量的55%，且光伏運行維護成本略高于風機，因此年運行維護成本受平均輻射強度的影響較大。

(a) 年CO2排放量

(b) 年運行維護成本

圖8為系統(tǒng)總成本、可再生能源滲透率和年CO2排放量隨碳稅價格的變化曲線。由圖8(a)可知，隨著碳稅價格的提高，系統(tǒng)總成本隨之提高。年CO2排放量隨著碳稅價格的提高而減小，隨光伏價格的下降而減小。當碳稅價格提高時，系統(tǒng)總成本和可再生能源滲透率均大幅增加。但同時系統(tǒng)逐漸減少了對燃氣輪機發(fā)電的依賴，具體表現(xiàn)為系統(tǒng)可再生能源滲透率逐漸增加，可再生能源電量盈余通過電池存儲后滿足電負荷需求。由圖8(a)中還可知，在碳稅價格超過1 000元/t之后，碳稅與系統(tǒng)總成本和可再生能源滲透率的相關(guān)性逐漸減小。在碳稅價格接近1 000元/t時，年CO2排放量降速達到峰值。由圖8(b)可知，光伏降價比例對系統(tǒng)總成本有所限制，可通過控制光伏降價比例來控制系統(tǒng)總成本。隨著光伏降價比例的不斷增加，系統(tǒng)的經(jīng)濟性和環(huán)境效益將逐漸提升。但當光伏降價比例達到40%后，其對年CO2排放量的限制作用不再突出。

(a) 碳稅價格

(b) 光伏價格

5 結(jié) 論

(1) 在5種系統(tǒng)中，系統(tǒng)1的年CO2排放量和總成本最低，在經(jīng)濟性和減排效率方面具有明顯的優(yōu)勢，為當前環(huán)境下的最優(yōu)系統(tǒng)。

(2) 燃氣輪機主要為調(diào)峰和可再生能源短缺時供能，占到總用電量的29.5%，當負荷需求較大、電力成本提高、可再生能源設(shè)備出力無法滿足用電需求時，燃氣輪機起到了很好的調(diào)峰和緩沖作用。儲電系統(tǒng)的釋能可在風機、光伏出力受自然因素限制和峰值電價的時間段發(fā)揮作用。

(3) 對綜合能源系統(tǒng)征收碳稅可減少系統(tǒng)年CO2排放量，同時會引起系統(tǒng)總成本和系統(tǒng)可再生能源滲透率增加。隨著光伏降價比例的增加，年CO2排放量減小，但當光伏降價比例達到40%后，其對年CO2排放量的限制作用不再突出。