微网冷热电联供系统研究综述

覃 健， 魏 兵， 袁天昊

（华北电力大学，河北保定 071003）

0 引言

微网[1]是近年来一种新兴配电系统的概念，它由多种分布式电源、储能装置，能量转换装置，用户负荷和监控装置组成的，并配备保护装置的大型智能系统，其自身能够实现自我控制，保护和管理。微网的优势在于整合多种分布式电源，包括风力发电机（WT）、燃料电池（FC）、光伏电池（PV）和燃气轮机（MT）等于电网中，减少分布式能源对大电网的不利影响。针对燃气轮机中发电时产生大量余热的特点，可以对其余热进行回收利用，应用吸收式制冷剂进行制冷，实现冷热电三联供（Combined Cooling Heating and Power，CCHP）。搭建微网冷热电三联供系统，既能实现用户侧就近供能，减少远距离输电、供冷、供热的能量损耗。此外，微网技术还有效的解决了分布式能源上网难的问题，使得分布式电源发出的电量后可向公共电网出售，亦可储存到微网中，待需要时，再释放出给用户使用。微网能给冷热电联供系统的能量调度提供了一个更好的平台，系统能实现能源的循环、高效、“梯级利用”，降低污染物和温室气体的排放，在能源危机的今天，有着重要的意义。

1 国内外研究动态

微网概念近年来被提出，最早对它进行研究的国家是美国。微网主要研究的问题是如何满足多种电能质量、提高微电网供电可靠性、降低初投资成本和实现电网智能化等方面[2，3]。欧洲的也提出“Smart Power Network”的概念，即智能电网。并在微网仿真、孤岛和并网的运行控制、本地黑启动策略、接地和保护、电网的可靠性方面取得了一定的研究成果[4]。日本是一个能源稀缺的国家，所以政府非常重视节能技术的发展，它在微网研究领域中处于世界领先地位[5]，日本的微网对于储能和控制十分重视，通过建设灵活和智能能调度系统，在配电网中加入一些灵活交流输电系统装置，对配电网能源结构进行分配和优化，并满足用户的多种用电需求[5]。

在微网的多项技术内容之中，冷热电联供在微网中的应用具有十分突出的研究意义和广阔的应用前景。结合冷热电联供的微网技术，具有以下优势[6]：在微网系统中建设CCHP系统，有助于利用，储存，调度冷热电联供系统中电负荷；CCHP的一次能源消耗主要以清洁能源为主，能够有效地降低整个系统污染物的排放；CCHP的原动机机组能稳定地输出能源，弥补风电、太阳能等清洁能源的不稳定性；CCHP还可以提高电网供能的可靠性。CCHP的发展已经有将近30年的历史。随着供电、供热和制冷设备的单元技术和集成运行技术的不断进步，欧美、日本的CCHP已经在许多领域得到了推广。

微网冷热电联供系统目前在我国的研究尚在探索阶段。CCHP系统作为一个分布式供能系统，在微网下运行与传统的独立CCHP系统运行有什么不同，值得去分析和探讨。

2 微网下的冷热电联供系统

2.1 加入可再生的新能源

相比传统的冷热电三联供系统来说，微网冷热电三联供系统最新的特点就是和多种分布式新能源一起，共同发电。能源消耗种类多样化，符合了用户对电能质量多样化的要求。此外，系统较传统的“分供”，也提高了一次能源利用率，大大降低了年运行费用和CO2和有害气体的排放，具有良好的经济效益和社会效益。在分布式发电系统中，风能和太阳能由于消耗的是可再生，有害气体几乎为零排放的清洁能源，也是当今社会所大力倡导和提倡的。

当CCHP在微网下运行，不必为原动机产出过多电能而造成的能量损失所担忧。当原动机产出过多的电能，可以根据需要储存入储能单元，或者向公网销售，大大能量和经济损失。微网储能技术正在大力发展中[7]。储能单元主要是微网本身的一个保护装置：它给微网系统能量分配提供缓冲，减缓可再生能源波动性对电网产生的不利影响，提高电能质量[8]。配备有优良的储能装置的微网系统，一方面能将风能和太阳能的分布式电源并入智能微网，结合上各种储能系统[9]使用，能给电网当地用户提供用电负荷；其次还能增加系统“惯性”，继而提高电能质量。

2.2 运行策略上的不同

当CCHP系统与微网结合运行时，微燃机以外的分布式电源发出的电量可供当地的用户使用。我国北方冬季热负荷远高于电负荷，单纯的讨论热电比来决定“以电定热”还是“以热定电”的CCHP运行策略[10]已经无法满足系统高性能系统的需要，导致大部分时候的能源都是直接在燃气锅炉中消耗天然气，非但没有体现冷热电联供的优越性[11]，反而大大浪费了资源。

传统的冷热电联供系统的运行策略，主要有“以热定电”模式、“以电定热”模式、“能源综合利用率最优”和“经济效益最优模式”[1]，不结合具体情况，而只单一的使用某一种模式，容易带来配置设计不当、运行不经济等方面，能源浪费的问题。按传统运行策略来运行系统，是否还能达到更优化目的，是否还适用于新型的微网冷热电联供系统，值得去探讨。

当微燃机产生的电负荷大于当地的用电负荷时，多余出来的电量可以根据指定的运行策略，选择储存到储能装置中，或者向外网输送。目前国家正关于向大电网售电的可行性的探讨中，如果微网向公网的售电技术成熟，国家上网政策与技术规范的也制定出台后，从CCHP产生出的多电负荷也能向大电网出售，这就能避免在以热定电运行策略下生产出来的多余的电量不会浪费。

在“以电定热”运行策略下，如果CCHP系统里余热回收装置产生的热负荷不足满足用户的用热负荷，可以从微网中储能装置、分布式电源或公网中购电。在冷热负荷不足的情况下，可以用电制冷机或是通过补燃锅炉补燃来获取。具体的采取哪一种的供冷热策略，可以通过计算经济性和节能性等各项指标的综合评价最优的来选择。将CCHP系统并入微网，使CCHP的运行方式较传统的联供系统更为多样化，将CCHP系统在原有的基础上进一步优化，使得系统更经济，更环保。

2.3 传统CCHP系统的评价指标与优化方法

针对用户不用的冷热电负荷需求，为达到最优化的目的，选择最优的方案、容量配置和运行策略至关重要。目前冷热电联供系统常用的评价指标包括能效指标、经济指标和环境指标[12]。确立目标函数和变量，建立约束条件，选择一种综合评价方法。当前费用年值法来对联供系统与分供系统进行经济评价比较合适。在对多目标的函数进行优化分析时，由于各个优化变量之间通常会相互排斥，取舍起来往往有些难度。对于此类情况，可以引入权重因子，各者的权重则根据决策者的意愿来确定，也可以采用主观赋权法、客观赋权法和组合赋权法三类[12]。

吴利辉等[13]以年费用、一次能源消耗和二氧化碳排放要求的多目标函数，并利用权重系数将多目标转换为单目标优化模型。Jiang-Jiang Wang等[14]采用遗传算法，选定一次能源消耗节约率，年运行费用节约率，二氧化碳减排率三个为评价指标，对系统原动机容量和电制冷量与用户冷负荷的比值进行优化，并得出电价和天然气价格关系曲线，进行灵敏度分析。Kitagawa[15]以年运行费用为目标函数，采用粒子群算法（PSO）对燃气轮机冷热电联供系统的运行参数、策略进行了优化。王志伟[16]也是以年运行费用目标函数，对微燃机数量和容量进行的优化，并对各个冷热电联供和分供的方案优劣的进行了比较，得出最优运行策略；同时运用利用层次分析法和灰色关联法对多种形式的联供系统方案进行比较。

2.4 微网冷热电联供系统优化方法

对微网冷热电联供系统进行设计优化时，可将传统的优化方法引入，忽略大电网的影响，同时考虑上微网中新加入的分布式电源，如太阳能、风能等，以及储能系统。综合多种评价指标，例如能效指标、经济指标和环境指标进行新的评价。建立以年费用、火用经济分析、投资回收期，二氧化碳排放量等为目标函数，确定约束条件。考虑新能源对初投资，运行费用，以及购电，购气的费用的变化，以年费用的为目标函数的也产生变化。储能装置，燃料电池的，使得以二氧化碳减排量为目标函数的也相应产生变化。

设计系统配置方案。通过计算系统当地用户供冷、供热负荷，分析冷、热负荷的变化情况来确定系统配置，以获得最大经济效益、环境效益来设计运行策略，达到“削峰填谷”[17]的目的，在保证用户冷热负荷的前提下，利用微网的自身优势，再进行电能分配。

结合系统中的蓄能装置，对原有的运行策略进行重新优化。分布式电源，原动机多发部分的电能可以储存如蓄电装置中。多余的回收余热也可储存到蓄热装置中。带蓄能装置的系统，采用动态优化和二次优化法，对运行策略的进行优化[18，19]。

对含有小型热电联产的微网系统，建立各个分布式电源的数学模型，建立起以综合购电及售电，购气费用，环保费用，运行和维护费用的成本目标函数，对分布式电源的经济运行优化，得出夏，冬，过渡季节各个典型日的里，各时段的分布式电源发电策略，以及购、售电策略[20]。

3 结语

微网的出现能够更加合理以及有效地利用分布式发电，冷热电三联供系统也能实现能源的高效利用。CCHP系统以一个分布式功能系统并入微网，以微网为电能调度的平台，能在满足冷热负荷的前提下，更为有效的分配以及储存电能，实现能源利用率高效化。

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[1]任晶鼎.冷热电三联供（CCHP）系统运行分析与监控系统设计[D].天津：天津大学电气与自动化工程学院，2012.

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