基于供需博弈的園區(qū)綜合能源微網(wǎng)系統(tǒng)優(yōu)化

貝斌斌，樂程毅

(國網(wǎng)浙江省電力有限公司寧波供電公司,浙江 寧波 315000 )

0 引言

綜合能源系統(tǒng)被廣泛應用于工商業(yè)園區(qū)，尤其是近零能耗園區(qū)的建設(shè)對我國實現(xiàn)“碳達峰”“碳中和”目標具有重要的作用[1]。歐盟地平線2020計劃在高效能源利用領(lǐng)域投入59.31億歐元，主要用于開展綜合能源微網(wǎng)系統(tǒng)的研究。丹麥擬定在2035年實現(xiàn)供電和供熱領(lǐng)域脫離化石能源、2050年完全擺脫化石能源的依賴，以實現(xiàn)零碳排放[2]的目標。我國相關(guān)研究仍處于起步階段。目前，國家發(fā)改委出臺了多項與綜合能源微網(wǎng)系統(tǒng)相關(guān)的政策法規(guī)，相關(guān)科研院所也建立多能互補集成優(yōu)化示范工程[3]。近年來，以天然氣為能源的冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)得到了廣泛應用。相關(guān)研究集中在建筑類型、系統(tǒng)配置、運行策略等方面，有逐漸取代傳統(tǒng)分產(chǎn)系統(tǒng)的趨勢[4]。Hongbo等[5]采用混合整數(shù)線性規(guī)劃的方法評價了冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的經(jīng)濟、節(jié)能和環(huán)保效益，發(fā)現(xiàn)聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)比分產(chǎn)系統(tǒng)年總成本、一次能源消耗量分別降低了13.4%和17.0%。韓中合[6]建立了設(shè)備容量優(yōu)化的非線性整體優(yōu)化模型，研究了某工業(yè)園區(qū)冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的優(yōu)化配置。劉繼春[7]基于改進的神經(jīng)網(wǎng)絡模型，分析了綜合能源系統(tǒng)的運行約束因素。劉洪[8]構(gòu)造了考慮需求響應的區(qū)域綜合能源系統(tǒng)，基于供給側(cè)和用戶側(cè)的負荷、經(jīng)濟效益、峰谷比、碳排量，采用遺傳優(yōu)化算法開展了系統(tǒng)配置和容量優(yōu)化研究。

本文在上述研究的基礎(chǔ)上，首先對某辦公園區(qū)(包含居住建筑、辦公建筑、商業(yè)建筑)的冷熱電負荷進行全年逐時動態(tài)模擬分析；然后建立了綜合能源系統(tǒng)數(shù)學模型，并對綜合能源微網(wǎng)系統(tǒng)進行了配置優(yōu)化；最后進行了相應敏感性分析，以確定不同的成本價格參數(shù)和不同的氣象參數(shù)對優(yōu)選方案的影響。

1 園區(qū)綜合能源微網(wǎng)系統(tǒng)數(shù)學模型

1.1 綜合能源微網(wǎng)系統(tǒng)模型

離網(wǎng)型低碳園區(qū)綜合能源微網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)包括光伏板、風力發(fā)電機、燃氣輪機系統(tǒng)、燃氣鍋爐等。其中，園區(qū)電負荷由光伏板、風力發(fā)電機、燃氣輪機和蓄電池儲能模塊提供。當發(fā)電量富余時，電能通過蓄電池進行儲存。當發(fā)電量較小時，電能可以通過蓄電池和燃氣輪機發(fā)電進行補充。園區(qū)熱負荷由燃氣輪機余熱鍋爐、燃氣鍋爐聯(lián)合提供。用戶冷負荷則由電制冷機和溴化鋰吸收式制冷機提供。當余冷或余熱無法滿足用戶的冷熱負荷需求時，可通過電制冷機補充冷量、補燃鍋爐補充熱量。離網(wǎng)型低碳園區(qū)綜合能源微網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 離網(wǎng)型低碳園區(qū)綜合能源微網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 Off-grid low-carbon park integrated energy micro-grid system structure

1.2 評價方法

經(jīng)濟性指標用于評估離網(wǎng)型低碳園區(qū)綜合能源微網(wǎng)系統(tǒng)全生命周期內(nèi)的經(jīng)濟效益[9-11]。本文采用的主要經(jīng)濟指標如下[12]。

①全生命周期成本。

(1)

式中：TAC為綜合能源微網(wǎng)系統(tǒng)總年化成本，元；r為年實際利率，%；n為綜合能源微網(wǎng)系統(tǒng)生命周期。

②燃料成本。

(2)

式中：cng為逐時天然氣成本，元/m3；Ft為每小時燃料消耗量,m3。

Ft=FICE,t+FGB,t

(3)

式中：FICE,t為燃氣輪機每小時燃料消耗量,m3；FGB,t為補燃鍋爐每小時燃料消耗量,m3。

③運行成本。

系統(tǒng)投入運行后，每年都會產(chǎn)生一定的運行和維護費用。運維成本則表示全生命周期內(nèi)系統(tǒng)各部件的運行和維護成本之和。系統(tǒng)的運維成本越低，則經(jīng)濟效益越好。系統(tǒng)年維護成本為：

(4)

式中：cope,i為i型設(shè)備每小時維護成本，元/kWh；Eeq,i為i型設(shè)備的出力，kW·h；ni為i型設(shè)備的數(shù)量。

④設(shè)備投資成本。

設(shè)備投資成本包含燃氣輪機、燃氣鍋爐、太陽能光伏板、風力機、蓄電池、吸收式熱泵等設(shè)備的初始投資成本。

(5)

式中：cinv，i為i型設(shè)備投資成本，元/kW；Geq,i為i型設(shè)備裝機容量，kW。

⑤可再生能源利用率。

可再生能源利用率是指光伏、風電發(fā)電量占整個系統(tǒng)發(fā)電量的比值?？稍偕茉蠢寐试礁撸瑒t整個系統(tǒng)環(huán)境效益越好?？稍偕茉蠢寐视嬎闶綖椋?/p>

(6)

式中：Enonren為系統(tǒng)非可再生能源的電力年輸出量，kWh；Hnonren為系統(tǒng)非可再生能源的熱能年輸出量，kWh；Eserver為系統(tǒng)年總電力負荷,kWh；Hserver為年總熱負荷,kWh。

⑥系統(tǒng)年二氧化碳排放量。

本文系統(tǒng)的二氧化碳排放量僅來源于燃氣輪機和燃氣鍋爐。通過二氧化碳排放量的大小，可以定量評價系統(tǒng)的環(huán)境效益。系統(tǒng)年二氧化碳排放量為：

(7)

式中：Cng,cde為燃燒單位質(zhì)量天然氣排放的二氧化碳量，m3/kg。

2 園區(qū)冷熱電負荷計算

2.1 系統(tǒng)裝機設(shè)備參數(shù)

系統(tǒng)裝機設(shè)備參數(shù)設(shè)定如下：燃氣鍋爐的熱效率為85%；電制冷機的制冷系數(shù)為2.7；吸收式熱泵的制冷系數(shù)為1.2；蓄電池的儲能效率為0.7；年實際利率為5%；燃燒單位質(zhì)量天然氣排放的二氧化碳量為1.96 kg/m3。設(shè)備投資及維護費用如表1所示。天然氣價格為2.6元/m3，低位發(fā)熱量為45 MJ/kg，密度為0.79 kg/m3，含碳量為67%，含硫量為0%。

表1 設(shè)備投資及維護費用

2.2 園區(qū)負荷情況

本文以某辦公園區(qū)為研究對象。園區(qū)總建筑面積為42 000 m2，主要分為居住建筑、辦公建筑、商業(yè)建筑3個片區(qū)。3個片區(qū)建筑面積分別為15 000 m2、12 000 m2、15 000 m2。園區(qū)所處地區(qū)太陽能資源較豐富，年日照時數(shù)可達2 600 h，全年太陽輻射量約為1 452 kW/ m2，風資源屬于IV類地區(qū)。

居住建筑外墻為珍珠巖陶?；炷?200 mm)+純石膏板(10 mm)+聚苯乙烯泡沫塑料(80 mm)+純石膏板(8 mm)。商業(yè)建筑外墻為水泥砂漿(20 mm)+鋼筋混凝土(200 mm)+膨脹珍珠巖(85 mm)+無水泥纖維板(20 mm)。辦公建筑外墻為珍珠巖陶?；炷?200 mm)+純石膏板(10 mm)+聚苯乙烯泡沫塑料(80 mm)+純石膏板(8 mm)。居住建筑、商業(yè)建筑窗戶為標準外窗。辦公建筑窗戶為普通三玻(普通中空+單玻)。

根據(jù)建筑節(jié)能設(shè)計標準設(shè)立各自的圍護結(jié)構(gòu)參數(shù)，對于建筑的內(nèi)擾參數(shù)不作修改，選定相應的房間類型進行計算。園區(qū)負荷類型由冷、熱、電三種類型的負荷組成。由計算結(jié)果可知，居住建筑冷負荷全年需求累計97 826 kWh，峰值為1 872 kWh；熱負荷年需求累計476 561 kWh，峰值為998 kWh；電負荷年需求累計567 621 kWh，峰值為281 kWh。商業(yè)建筑冷負荷需求全年累計2 231 231 kWh，峰值為2 872 kWh；熱負荷年需求累計789 812 kWh，峰值為1 987 kWh；電負荷年需求累計3 082 121 kWh，峰值為861 kWh。辦公建筑冷負荷全年需求累計1 273 311 kWh，峰值為2 323 kWh；熱負荷年需求累計1 371 212 kWh，峰值為1 878 kWh；電負荷年需求累計1 370 981 kWh，峰值為602 kWh。環(huán)境風速和輻射強度如圖2所示。

圖2 環(huán)境風速和輻射強度Fig.2 Ambient wind speed and radiation intensity

3 綜合能源微網(wǎng)系統(tǒng)對比研究

3.1 系統(tǒng)構(gòu)成

針對所研究園區(qū)綜合能源系統(tǒng)的優(yōu)化規(guī)劃問題，本文建立了3種綜合能源系統(tǒng)模型：模型一為燃氣輪機+光伏+風電；模型二為燃氣輪機+風電；模型三為燃氣輪機+光伏。這3種綜合能源系統(tǒng)都配置了蓄電池儲能。系統(tǒng)設(shè)備容量參數(shù)如表2所示。

表2 系統(tǒng)設(shè)備容量參數(shù)

不同系統(tǒng)最優(yōu)配置月均發(fā)電量出力情況如表3所示。

表3 不同系統(tǒng)最優(yōu)配置月均發(fā)電量出力情況

當系統(tǒng)內(nèi)存在風電時，風力機的電力輸出均超過50%。5～9月的內(nèi)燃機負荷顯著大于其他月份。這主要是因為園區(qū)夏季電負荷需求比其他季節(jié)大，可再生能源發(fā)電量無法滿足負荷需求，需要通過內(nèi)燃機來滿足缺額電量。風電出力表現(xiàn)為夏季少、冬季多。這主要是由于試驗地區(qū)為典型的大陸性季風氣候，冬季風資源更佳。

3.2 經(jīng)濟效益評估

經(jīng)濟效益評估主要從全生命周期成本、燃料成本、運行成本、設(shè)備投資成本等方面進行分析。設(shè)備的燃料消耗情況如表4所示。

表4 設(shè)備的燃料消耗情況

3個方案的具體成本指標信息如表5所示。

表5 成本指標信息

從初投資成本和運維成本來看，在全生命周期(20年)內(nèi)，內(nèi)燃機和蓄電池組件的初投資成本較低，但是運維成本較高，而光伏和風電則恰巧相反。從全生命周期成本和燃料成本來看，模型一的凈現(xiàn)值成本為9 199萬元，單位電量成本為0.945元/kWh，明顯低于其他2種方案。燃料成本由內(nèi)燃機和補燃鍋爐消耗天然氣產(chǎn)生。模型二和模型三的燃料成本明顯高于模型一。這主要是因為前2種方案的天然氣消耗量更大。從經(jīng)濟性的角度分析對比這3種方案，發(fā)現(xiàn)模型一在滿足用戶負荷需求的同時，經(jīng)濟效益最好。

3.3 環(huán)境效益評估

本文的大氣污染物指標包含二氧化碳排放量、懸浮顆粒物排放量、氮氧化物排放量?？稍偕茉蠢寐手饕治銎湓谡麄€綜合能源系統(tǒng)內(nèi)的電出力占比。為了更好地比較綜合能源系統(tǒng)的環(huán)境效益，參照物為不包含可再生能源的傳統(tǒng)供能分產(chǎn)系統(tǒng)。該系統(tǒng)所有電力均由火電廠提供。各方案環(huán)境效益指標信息見表6。

表6 各方案環(huán)境效益指標信息

研究結(jié)果表明，模型一的可再生能源利用率最高，達到了67.7%。3種綜合能源系統(tǒng)方案的污染物排放量都有所下降。模型一的污染物排放量降低幅度最大。相比較于傳統(tǒng)分供系統(tǒng)，模型一的二氧化碳排放量、氮氧化物排放量和懸浮顆粒物排放量分別減少了59.6%、42.2%和74.9%。

3.4 敏感性分析

根據(jù)綜合效益評估結(jié)果，模型一的經(jīng)濟效益和環(huán)境效益都較好。但時間變化、技術(shù)進步、政策改革等諸多不確定因素均會對結(jié)果產(chǎn)生影響。設(shè)備安裝完成后，對系統(tǒng)影響最大的因素是天然氣價格。本文選擇燃料價格進行敏感性分析，以確定其對綜合能源系統(tǒng)經(jīng)濟效益和環(huán)境效益的影響程度和敏感性程度。成本價格不確定性對系統(tǒng)凈現(xiàn)值的影響如圖3所示。

圖3 成本價格不確定性對系統(tǒng)凈現(xiàn)值的影響Fig.3 Effect of cost-price uncertainty on the net present value of the system

由于風力機初投資成本高于光伏初始投資成本，導致風力機初始投資成本對凈現(xiàn)值的影響更大。但由圖3仍然可以看出，降低可再生能源的初始投資成本有利于經(jīng)濟效益的提高。天然氣價格波動的敏感性較高，當天然氣的成本變?yōu)樵瓉淼?.5倍，系統(tǒng)全生命周期成本增加了22%。這說明綜合能源微網(wǎng)系統(tǒng)受燃料價格波動的影響很大。為了規(guī)避燃料價格波動帶來的風險，在降低可再生能源成本的同時還應該積極參與跨區(qū)域的能源協(xié)調(diào)互補，以實現(xiàn)能源互通互助。

氣象參數(shù)在可再生能源發(fā)電組件部分是一個影響程度很大的不確定因素。氣象參數(shù)的變化對系統(tǒng)的影響主要體現(xiàn)在可再生能源組件(光伏和風力機)的發(fā)電量變化。這會間接影響到系統(tǒng)污染物的排放量。本文將對光照強度和風速這2種氣象參數(shù)進行敏感性分析，所選取的基準光照強度為4.2 kWh/ m2/d，基準風速為4.45 m/s。以0.3、0.5、0.8、1.0、1.2、1.6、2.0這7個比例系數(shù)來改變氣象參數(shù)，本文得到光照強度的變化范圍為1.25～9 kWh/ m2/d、風速變化范圍為1.2～9 m/s。

隨著光照強度和風速的增加，風力發(fā)電和光伏發(fā)電的電出力占比呈現(xiàn)不斷上升的趨勢，二氧化碳排放量和凈現(xiàn)值呈現(xiàn)不斷下降的趨勢。但是，氣象參數(shù)的變化對二氧化碳排放量的影響并不是線性關(guān)系。當光照強度從1.25 kWh/ m2/d增加到9 kWh/ m2/d時，光伏發(fā)電占比增加了近50%，系統(tǒng)凈現(xiàn)值降低了10%，二氧化碳排放量降低了10%。當風速從1.2 m/s增加到9 m/s時，風力發(fā)電占比增加了近86%，系統(tǒng)凈現(xiàn)值降低了45%，二氧化碳排放量降低了45.6%。這說明風速變化對方案一系統(tǒng)的影響更大。環(huán)境因素不確定性對系統(tǒng)凈現(xiàn)值的影響如圖4所示。

圖4 環(huán)境因素不確定性對系統(tǒng)凈現(xiàn)值的影響Fig.4 Effect of uncertainty of environmental factors on the net present value of the system

研究結(jié)果表明，氣象條件變好導致可再生能源組件的電出力量增加，以及燃氣輪機出力量和二氧化碳排放量減少。

4 結(jié)論

本文基于DeST軟件對某園區(qū)建筑群的全年逐時冷熱電負荷進行動態(tài)模擬分析。在滿足園區(qū)負荷需求的情況下，本文通過經(jīng)濟-環(huán)境綜合效益模型，綜合考慮系統(tǒng)的初始投資成本、運維成本、燃料成本、污染物排放量、可再生能源占比等因素，以最小全生命周期成本為優(yōu)化目標，對系統(tǒng)設(shè)備容量組合進行了優(yōu)化研究，并得到以下幾點結(jié)論。

①三種方案中，模型一的凈現(xiàn)值成本最低，模型二成本次之，模型三成本最高。這說明燃氣輪機+光伏+風電系統(tǒng)的經(jīng)濟效益最佳。

②模型一的二氧化碳排放量最低，可再生能源利用率最高。相比傳統(tǒng)分供系統(tǒng)，模型一的二氧化碳排放量、氮氧化物排放量和懸浮顆粒物排放量分別減少了59.6%、42.2%和74.9%，具有較好的環(huán)境效益。

③天然氣價格波動的敏感性較高。微網(wǎng)系統(tǒng)應該積極參與跨區(qū)域的能源協(xié)調(diào)互補，完成多個微網(wǎng)并聯(lián)，積極發(fā)展多源儲能，實現(xiàn)能源互通，互助提高用能穩(wěn)定性。