计及等排性能系数的冷热电多联供环境经济调度

2013-10-24冉晓洪周任军李湘华

电力自动化设备 2013年9期

冉晓洪，周任军，李湘华，张斌

（1.长沙理工大学电气与信息工程学院 “可再生能源电力技术”湖南省重点实验室，湖南长沙 410114；2.湖南省电力公司，湖南长沙 410007）

0 引言

冷热电多联供 CCHP（Combined Cool，Heat and Power）实质是按照能量品位高低对能量实行对口梯级利用，其品位随着能量梯级利用而逐级下降［1］。文献［2-3］在热力学基本原理基础上，结合不同能量转换过程中能量梯级利用的本质特征，提出了能量梯级利用率的新准则。文献［4］提出了能量梯级利用率的评价准则，该准则从发电、制冷及供热等过程来权衡不同能量转换利用过程的本质差异，并利用实际热电联产系统对该准则进行了分析。为了减少能量梯级利用过程中低品位能量的浪费，文献［5］阐述了利用先进技术将低品位的热能转化为电能，从而充分利用低品位能量。目前能量品味相关的文献基本是从能量品味本身研究能量梯级利用以及节能优势，很少涉及克服能量品位研究能量等值转化关系。

为了克服能量品味给能量等值转化带来的困难，需从无能量品味的污染排放角度出发，研究能量转化随生产供能状态变化的转化关系。CCHP系统的污染排放在国内外有一定研究，文献［6］考虑到微网中热能供应的不确定性，优化模型仅考虑了环境保护效益，没有涉及热能供应。文献［7］提出了一种微电网热电联合调度的优化模型，该模型以系统总运行费用最小为目标函数，同时把微电网和大电网连接点处的功率波动引入目标函数，使得在系统总成本最小的同时减小风电出力波动性对电网的影响。文献［8］提出了一种以能耗与污染物排放最少为目标的发电侧节能减排新模式，通过可变成本排序和污染物排放量排序确定机组上网电量，以达到节能减排的目的。文献［9］从协调运行的角度讨论了互联区域的发电调度策略，将发电成本最小和污染气体排放最小同时作为目标函数，提出一种新的分区设置多目标权系数的方案。考虑大规模风电入网，构建含风电机组的电力系统环境经济调度静态随机优化模型，以尽可能实现系统总污染排放量最少化和运行成本最低化的综合优化目标［10］。以上文献基本是兼顾发电成本和环境效益成本最小的经济调度，对CCHP系统的环境经济调度也是仅将污染气体排放成本作为优化目标之一。

文献［11］已明确定义能量品位（单位能量所具有可用能的比例，即能量在某种状态下经过可逆过程变化到环境基态时火用的变化量与能量变化量的比值）与温度和压力有关，并可通过热电比反映系统的生产供能状态。因此，为了研究具有能量品味差异的CCHP系统在不同供能状态下的能量转化关系，以供热当量为基础，提出等排性能系数作为能量等值转化依据，并建立CCHP系统环境调度新模型，进一步研究等排性能系数对实时能耗成本以及调度的影响。由于将具有能量品味的热（冷）能与电能转化为无能量品味的污染排放，所以模型中没有涉及能量品味，虽然用户的多余电力利用储能装置存储，但模型暂时不计入储能成本。

1 热（冷）能与电能转化

1.1 转化关系

电能和热（冷）能属于二次能源，其传统转化关系是通过供热当量转化进行折算的，如图1所示。

图1 热（冷）电转化关系Fig.1 Conversion between heat/cool and power

自然界的能量不仅在数量上具有守恒性，而且在质量上具有品位性。这使得热（冷）能与电能在转化和传递过程中存在着品位的差异，使得它们之间的转化关系不能完全按照数量相等进行，即电能或者机械能可以全部转化为热（冷）能，但热（冷）能却只能部分转化为机械能或者电能，即能量转化不等价可逆。

为进一步揭示机组的能耗本质及计算的简便，准确量化热（冷）能与电能转化关系是相当必要的。随着国家政策对环保及能源利用率的重视，并且考虑到供热当量转化未能完全表达能量直接等价转化不可逆的缺陷，需要提出新方法描述热（冷）能与电能的等值转化关系。

1.2 转化关系分类

目前，二次能源折算成标准煤有当量值和等价值2种方法。其中当量值系数是固定不变的，但随着能源转化效率的提高，电力折算成标准煤的等价值系数却会逐渐下降。

2 等排性能系数

2.1 基本定义

等排性能系数是在传统供热当量转化基础上从污染排放角度着手，通过机组生产不同二次能源（电能和热（冷）能）产生相同污染排放消耗一次能源的多少，研究不同二次能源之间的转化关系。

若将冷热电多联供机组生产的电能和热（冷）能视为商品使用价值，由马克思主义的商品价值理论可知，等排性能系数就相当于交换价值，能量品位性的高低相当于价值的大小，如图2所示。

图2 等排性能系数概念类比Fig.2 Conceptual analogy of equal emission performance coefficient

2.2 与供热当量的关系

等排性能系数（等价值）与供热当量（当量值）从能量守恒角度是一致的，但从能量转化角度却有区别。因为热（冷）能是可部分转化能量，电能作为可全部转化能量，正是能量品位的高低给能量等值转化带来了困难。传统热（冷）能与电能的转化是通过供热当量实现，且在不同供能状态下供热当量系数是一常数，而等排性能系数是通过没有能量品位差异的污染排放实现，但是其能量的等值转化与生产供能状态（温度和压力等）有关，等排性能系数关系如图3所示。

图3 等排性能系数示意图Fig.3 Schematic diagram of equal emission performance coefficient

2.3 等排性能系数

由供热当量系数计算方法［12］可知，设第i个冷热电多联供机组的供电量为 Wn（kW·h），供热（冷）量为 Qh（MJ·h）时，产生的总污染排放量为 mi（g），而由供电和供热（冷）产生的污染物排放量分别为m′i（g）和 m″i（g），并满足 m′i+m″i=mi。

供电污染物的排放强度 ej，i（g/（kW·h））为：

供热（冷）污染物的排放强度 e′j，i（g/（MJ·h））为：

由式（1）有：

由式（2）有：

则等排性能系数λ为：

根据等排性能系数的模型，可得出等排性能系数与供热当量系数关系为：

其中，SEERC（kW·h）为供热（冷）Qh当量电量消耗。

3 计及等排性能系数环境经济调度

3.1 发电成本

电源包括仅发电、仅供热和冷热电多联供3种，其各自燃料成本不同，运行成本也有差异。

3.1.1 燃料成本

a.仅发电的燃料成本：

b.仅供热（冷）的燃料成本：

c.冷热电多联供的燃料成本：

则调度周期内所有机组的燃料成本模型为：

其中，Ci（Pi（t））为电功率为 Pi时第 i个仅发电燃料成本，Ck（Hk（t））为热（冷）功率达到 Hk时第 k 个仅发热（冷）的燃料成本，Cj（Pj（t），Hj（t））为电、热（冷）功率分别达到Pj、Hj时第j个冷热电多联供燃料成本，α、β、γ、δ、θ、ε 为燃料成本模型的系数，Np、Nc、Nh分别为仅发电、冷热电多联供和仅供热（冷）发电电源的数量，T为调度周期总时段数。

3.1.2 计及等排性能系数的管理运行成本

电厂除燃料成本外，还包括人员管理、机组启停等，可用功率运行成本［13］定量描述。

则计及等排性能系数的运行成本模型为：

其中，KOM为功率运行常数。

则冷热电多联供的发电成本模型为：

3.2 计及等排性能系数的环境成本

3.2.1 污染气体排放

可得仅发电的CO2排放模型为：

由等排性能系数可得冷热电多联供和仅供热（冷）的CO2排放F′CO2，i（Pt）和F″CO2，i（Pt）模型分别为：

污染排放包括 CO2、SO2和 NOx，其中 SO2和 NOx的排放模型与CO2相同，但其系数各异。

3.2.2 环境成本模型

环境成本主要包括消耗的环境资源和由于排放污染物所受到的罚款［14］。

其中，VCO2、VSO2、VNOx分别为 CO2、SO2和 NOx的环境价值价格和由于排污受到的罚款价格之和）［12］。模型前半部分表示仅发电和冷热电多联供机组供电部分的环境成本，后半部分表示仅供热（冷）和冷热电多联供机组供热（冷）的环境成本。

3.3 多目标优化模型

3.3.1 目标函数

其中，f1、f2分别为冷热电多联供系统的发电成本和环境成本。

3.3.2 约束条件

a.功率平衡约束：

b.出力约束：

c.气体排放约束：

d.机组爬坡约束：

其中，Pit与Pjt分别为第i台仅供电机组与第j台冷热电联供机组在t时刻的电功率输出；Hit与Hjt分别为第i台仅供热机组与第j台冷热电联供机组在t时刻的热能输出；PDt与HDt分别为t时刻系统对电能与热能的需求；与分别为冷热电联机组在供热为Hj时电功率的最小与最大值；与为冷热电联机组在供电为Pj时热能的最小与最大值；N为所有电源的个数；FCO2z、FNOxz和FSO2z为所有电源各种污染物的排放总量（t）；ξ1downi，t、ξ1upi，t分别为各台机组的爬坡速度的下限和上限约束，其他类似。

3.4 目标函数的模糊化处理

a.首先求解发电成本和环境成本目标函数值C01和C02以及各单目标优化时对应的其他目标函数值，发电成本最小时对应的环境成本为C′02，环境成本最小时对应的发电成本为C′01。

b.定义隶属函数，将各单目标函数模糊化。其中成本伸缩原则为：

其中，δ01、δ02分别为发电成本与环境成本的最大耗量节约。文中采用降半直线形作为2个目标函数的隶属函数［15-16］，如图 4 所示。

图4 优化目标对应的隶属度函数Fig.4 Membership function corresponding optimal objective

其中，C0i为以第i个目标函数最小时的目标函数值，C0i+δ0i为第i个目标函数值可接受的最大延伸区间，δ0i的选取应结合各专家对各单一目标的认识和倾向性。

c.采用最大隶属度原理将多目标问题转化为下述单目标非线性优化问题：

约束条件还包括式（18）—（21）。

d.求解步骤c构造的单目标优化模型，从而得到模型的最优解。

4 算例仿真及结果分析

4.1 算例及参数

采用某医院负荷进行分析，其中热负荷包括采暖负荷、热水负荷和制冷负荷，系统基本参数［12，17-18］中的污染气体排放系数见表 1，其中 ac，i、bc，i、cc，i，as，i、bs，i、cs，i，an，i、bn，i、cn，i分别为 CO2、SO2和 NOx的排放系数。

4.2 计算结果

等排性能系数与供热当量系数关系如图5所示，表2为多目标模糊优化与单目标优化结果，图6为多目标模糊优化成本变化，表3给出了等排性能系数的引入对成本造成的影响，表中“”表示升高了，“”表示下降了。

表1 污染气体排放参数Tab.1 Parameters of pollution emission

由表2可知，在满足所有约束条件下，与多目标模糊决策优化相比较，单纯以发电成本最小为目标时，环境成本有所增加，因为用户多余电力可利用储能装置存储。单纯以环境成本最小为目标时，发电成本也会减少，因为用户不足的电力可向主网购买。综上，与单目标优化比较可知，多目标模糊优化能达到更为综合满意的结果。

图5 等排性能系数与供热当量系数关系Fig.5 Relationship between equal emission performance coefficient and heating equivalent

表2 多目标模糊优化与单目标优化结果Tab.2 Results by multi-objective optimization and single-objective optimization

由图5可知，在不同供能状态下，供热当量性能系数为一常数。然而冷热电多联供系统提供的不同能量具有品位的差异，并与能量的生产供能的状态（温度和压力）有关，从而得到动态变化的等排性能系数。

图6 多目标模糊优化机组的成本曲线Fig.6 Cost curves of unit with multi-objective fuzzy optimization

表3 等排性能系数与供热当量系数成本的对比分析Tab.3 Comparison of cost between equal emission performance coefficient and heating equivalent coefficient

由表3可知，若以发电成本最小为目标，采用等排性能系数后发电成本和环境成本要比采用供热当量时小，因为等排性能系数不断变化，且大部分时段都要比供热当量性能系数要小。多目标模糊优化时，采用等排性能系数的总发电成本与采用供热当量的几乎相等，但总的环境成本却略偏高，因为在不同供电与供热（冷）状态下，系统提供不同能量时能耗不可能一样，而与系统此时的供能状态有关，所以等排性能系数能更详细反映各时刻发电成本和环境成本的变化。

在现代电力系统中，随着多种随机性因素对系统的影响，加之不同生产供能状态其能量之间的转化各异以及微网中设备启停的状态变化较快，故系统调度部门在前一天做好的24 h计划不完全精确。在此情况下，对系统备用容量以及机组调峰调频能力要求更高，故针对含有微电网的系统则需要增加小容量的储能蓄热装置，以提高系统的备用容量，填补由于调度计划不完全精确所产生的差额。