含储能的冷热电联供分布式综合能源微网优化运行

2021-02-23耿健杨冬梅高正平陈永华刘刚陈卉

电力工程技术 2021年1期

耿健，杨冬梅，高正平，陈永华，刘刚，陈卉

(1. 南瑞集团(国网电力科学研究院)有限公司，江苏南京 211106；2. 国电南瑞科技股份有限公司，江苏南京 211106；3. 国网江苏省电力有限公司经济技术研究院，江苏南京 210008)

0 引言

能源是推动社会发展和进步的重要动力之一[1]，随着能源消费总量的日益增长，环境问题日益严重，同时也带来能源紧缺和供需不平衡的问题[2]。如何以现阶段能源利用模式为基础提高能源综合利用效率，已成为能源领域当今研究的热点和难点之一[3]。为应对这一挑战，光伏、风力发电以及燃气轮机等分布式发电(distributed generation，DG)技术[4]兴起，这也是各国政府和学者应对能源与环境危机的主要举措之一。以燃气轮机发电机和吸收式制冷/热余热利用设备为代表的冷热电联供(combined cooling heating and power，CCHP)系统[5]、生物质能利用的热电联产系统(combined heat and power,CHP)，已较为成熟地应用于分布式综合能源微网(distributed integrated energy microgrid，DIEM)中。DIEM能够协同和优化电、热、冷、水、气等各种能源的分配、转化、传输、存储、使用等环节[6]，提高综合能源利用效率，改善异质能源的多能互补和梯级利用[7—8]。

现阶段，对DIEM的有关研究在概念定义、运行控制、经济性分析与可靠性评估等方面已取得一定成果。文献[9—12]针对典型DIEM，分别建立DIEM的经济性调度模型和基于储能的多目标协同优化运行模型；文献[13]从经济、可靠、能耗、环保4个方面的影响因素进行分析，建立DIEM的指标评价模型。然而，针对储能装置容量对含CCHP的DIEM的运行优化影响还有待进一步研究。文献[14]研究了储电/热/冷和混合储能在CCHP机组等设备多能互补协同运行情况下的经济性和可行性；文献[15]针对DIEM中电/热储能容量配置优化不足的现状，提出包含电/热储能系统额定容量和功率的配置方法；文献[16]通过电力市场价格指导DIEM储能设备的运行策略，以达到经济性最优的目的；文献[17]提出储电、储热相结合的复合储能技术，建立CCHP系统拓扑架构、系统模型、多目标函数及约束条件。以上研究虽然在储能对DIEM的运行优化上有所应用，但是缺少储能容量大小对其影响的分析。

文中以含CCHP的DIEM为研究对象，首先对DIEM多能耦合特点和储能设备充放能通用模型进行分析；接着建立CCHP系统的发电及余热利用模型；然后分别确立综合运行优化目标、电/冷/热和排烟余热平衡条件和设备运行上下限不等式约束；最后以某大学城场景为具体分析对象，配置不同储冷容量，验证储能容量配置对含CCHP的DIEM综合运行优化的影响。

1 DIEM特点及储能模型简介

1.1 DIEM特点

和传统的能源利用方式相比，多种能源形式强耦合是DIEM的显著特点。

DIEM一般由电/热/冷/气等多种不同能源种类构成，且异质能源系统之间耦合关系严重。图1为DIEM多能源系统耦合示意。可以看出，CCHP、燃料电池、气体压缩机、热泵、吸收式制冷机、电制冷机、电制氢、储冷/热/电等能源形式转化和存储设备，将电/热/冷/气各个能源系统高度关联耦合起来[18]。多种能源系统间建立模型表达形式不尽相同，性能特点差别大，采用的运行控制方法也不同。由于电/热/冷/气多种能源系统间的转化和利用，DIEM比传统能源系统结构、组成和关系更为复杂。由于组成主体众多，强耦合性在DIEM中体现更加明显。传统单一种类能源系统的建模、运行优化方法不能直接采用。因此，在DIEM运行优化方面，要加深储能容量对其影响的研究，使整个能源微网能效最高，并最大化就地消纳光伏、风电等绿色可再生能源。

图1 DIEM多能源系统耦合示意Fig.1 Schematic diagram of DIEM multi-energy system coupling

1.2 储能设备通用模型

储能设备连接到DIEM后，充能时，可认为是电/热/冷负荷；放能时，可认为是分布式电/热/冷源[19—20]。建立储能设备通用充放能模型，如下所示：

(1)

式中：Φin，Φout分别为储能设备充、放能时间集合；i为储能设备类型，1，2，3分别表示储电、热、冷设备；Est,i(t)，Est,i,0分别为储能设备t时段、初始时段储能量；Pst,i(t)为t时段储能设备充/放能功率；ηin,i为储能设备充能效率；ηout,i为储能设备放能效率；Δt为相邻时段的时间间隔。

2 CCHP系统模型

CCHP系统将天然气燃烧后产生的高品位热能转换成电能，同时将做过功的低品位热能用于供热、制冷、干燥或作为生活热水等用途，实现了能源的梯级利用，提高了综合利用效率。这种既产电又产热和制冷的先进能源利用方式，具有显著的经济与环境效益。根据余热回收方式不同，CCHP系统可分为蒸汽型与烟气型联产系统两大类。文中主要研究烟气型回收方式，主要由燃气轮机、余热吸收式制冷机、余热锅炉三部分组成。

2.1 燃气轮机模型

燃气轮机主要分为小型燃气轮机和微型燃气轮机。与传统发电设备相比，小型燃气轮机和微型燃气轮机具有使用寿命长、燃料多元化、运行可靠性高、污染物排放量少和机组控制灵活等优点，适用于中心城市和远郊农村。其发电效率和制热效率都与设备的部分负载率有关，下面给出燃气轮机的部分负载下的模型[21—22]。

(2)

式中：ηGT,E为燃气轮机发电效率；Plr为燃气轮机部分负荷率；ηGT,nomE为燃气轮机额定发电效率；燃气a，b，c，d为轮机发电效率系数，分别取0.826 4，-2.334，2.329，0.179 7。

HPR=ηGT,nomH/ηGT,E

(3)

式中：HPR为燃气轮机热电比；ηGT,nomH为燃气轮机额定制热效率。

Pex=PGTHPRηr

(4)

式中：ηr为联产系统余热回收效率；PGT为燃气轮机输出功率；Pex为燃气轮机回收的余热功率。

(5)

式中：FGT为燃气轮机天然气消耗量；HNG为天然气低位热值。

2.2 余热锅炉模型

余热锅炉是将排烟余热的热量转化为所需要的热能，模型表示如下：

Qe=Qhηheat

(6)

式中：Qe为余热锅炉输出的热量；Qh为输入余热锅炉的热量；ηheat为余热锅炉制热效率。

Pex_heat=α1ηheatPex

(7)

式中：α1为排烟进入余热锅炉的比例;Pex_heat为余热锅炉制热功率。

2.3 余热吸收式制冷机模型

在联供系统中，余热吸收式制冷机是不可或缺的，是提高能源综合利用效率的重要设备，也是改善系统运行的主要设备。余热吸收式制冷机组驱动能源为热能，工质为溴化锂或气水溶液，利用溶液吸收和蒸发制冷剂蒸气等特性，通过各种循环流程进行机组制冷循环。余热吸收式制冷机将输入的热量转为冷量输出，模型表示如下：

QAR=CACQAR,H

(8)

式中：QAR为余热吸收式制冷机输出的冷量；QAR,H为输入余热吸收式制冷机的热量；CAC为制冷转换性能系数。

Pex_cool=α2CACPex

(9)

式中：Pex_cool为余热吸收式制冷机制冷功率；α2为排烟进入余热吸收式制冷机的比例。

3 含CCHP和储能的优化运行模型

文中构建了考虑CCHP和储能设备的目标协调优化模型，其主要作用是实现DIEM综合目标最优。计及光伏、风力可再生能源主要采用蒙特卡洛(Monte Carlo)抽样方法来进行模拟，并服从贝塔(Beta)分布和威布尔(Weibull)分布[23]。此外，文中构建系统和大电网并网连接，当DIEM电力供应不足时，会向大电网购电。同时，对于天然气的处理，在此仅当作CCHP的燃料使用，不涉及天然气其他功用的负荷。

3.1 运行优化目标

DIEM在一个调度运行周期T内的综合运行优化目标Ftotal由运维总费用Ctotal和CO2总排放当量Ptotal两部分构成[24]。

Ftotal=ω1Ctotal+ω2Ptotal

(10)

ω1+ω2=1

(11)

式中：ω1，ω2分别为运维总费用、CO2总排放当量权重系数。

Ctotal主要由从大电网购买电量的电费、消耗天然气费、新增设备日平均购置费用和维护费用四部分构成，具体如下：

(12)

式中：pgrid(t)，pgas(t)分别为t时段电、气价；Ggrid(t)，Ggas(t)分别为t时段购电、气量；ppur，pmain分别为新增设备日平均购置费用和维护费用。

(13)

式中：pi,fixed为新增设备i的固定投资费用；Ci为新增设备i的容量；pi,unit为新增设备i的单位容量投资费用；Ni,des为新增设备i的设计使用年限。

(14)

式中：pi,m为新增设备i的单位容量日均维护费用。

Ptotal主要由DIEM消耗天然气、外购电力和可再生能源发电的CO2排放当量等几部分构成。

(15)

式中：cgrid，cgas分别为每消耗1 kW·h电网外购电力、1 m3天然气的CO2排放当量；cPV，cWT分别为光伏、风机每生产1 kW·h电力的CO2排放当量；GPV(t)，GWT(t)分别为t时段光伏、风机上网电量。

3.2 系统平衡条件约束

DIEM主要由电、热、冷3个能量平衡和烟气余热能量利用平衡条件约束组成，其系统组成如图2所示。

图2 DIEM系统组成结构Fig.2 Composition of DIEM system

(1) 电平衡条件约束。

PDG(t)+Pst,1(t)+Pgrid(t)=Pload(t)+PEE(t)

(16)

式中：PDG(t)为t时段所有分布式电源的出力功率；Pst,1(t)为t时段储电装置的出力功率，大于0表示储电装置放电，小于0表示储电装置充电；Pgrid(t)为t时段系统向大电网购电的功率；Pload(t)为t时段系统的电负荷需求；PEE(t)为电能转换装置耗电功率。

PDG(t)=PPV(t)+PWT(t)+PGE(t)

(17)

式中：PPV(t)，PWT(t)，PGE(t)分别为t时段光伏发电、风力发电和燃气轮机发电机组的发电功率。

PEE(t)=PEC(t)+PEH(t)

(18)

式中：PEC(t)，PEH(t)分别为t时段电制冷、热机耗电功率。

(2) 热平衡条件约束。

PEH,1(t)+Pst,2(t)+Pex_heat(t)=Pheat(t)

(19)

式中：PEH,1(t)为t时段电制热机输出制热功率；Pex_heat(t)为t时段余热锅炉制热功率；Pst,2(t)为t时段储热装置的出力功率，大于0表示储热装置放热，小于0表示储热装置充热；Pheat(t)为t时段系统的热负荷需求。

PEH,1(t)=αheatPEH(t)

(20)

式中：αheat为电制热机的制热系数。

(3) 冷平衡条件约束。

PEC,1(t)+Pst,3(t)+Pex_cool(t)=Pcool(t)

(21)

式中：PEC,1(t)为t时段电制冷机输出制冷功率；Pex_cool(t)为t时段余热吸收式制冷机制冷功率；Pst,3(t)为t时段储冷装置的出力功率，大于0表示储冷装置放冷，小于0表示储冷装置充冷；Pcool(t)为t时段系统的冷负荷需求。

PEC,1(t)=αcoolPEC(t)

(22)

式中：αcool为电制冷机的制冷系数。

(4) 储能设备充/放能平衡条件约束。在一个调度周期内T(通常为1 d)，若储能设备起始工作的时间为t0，则应有：

(23)

(5) 排烟平衡条件约束。

α1+α2+α3=1

(24)

式中：α3为排烟未被利用的比例。

3.3 设备运行条件约束

Pgrid,MIN≤Pgrid(t)≤Pgrid,MAX

(25)

式中：Pgrid,MIN，Pgrid,MAX分别为微网与大电网之间按照合同允许传输的最小和最大功率。

PGE,MIN≤PGE(t)≤PGE,MAX

(26)

式中：PGE,MIN，PGE,MAX分别为燃气轮机的最小、最大发电功率。

(27)

式中：Est,i,MIN，Est,i,MAX分别为储能设备充/放能时的最小、最大运行容量。Pst,i,MIN，Pst,i,MAX分别为储能设备充/放能时的最小、最大运行功率；Sst,i(t)为储能设备当前储能状态，即剩余储能量；Sst,i,MIN，Sst,i,MAX分别为储能设备充/放能时的最小、最大运行荷电状态(state of charge,SOC)。

(28)

式中：PEH,MIN，PEH,MAX分别为电制热机的最小、最大耗电功率。PEH,1,MIN，PEH,1,MAX分别为电制热机的最小、最大输出制热功率。

(29)

式中：PEC,MIN，PEC,MAX分别为电制冷机的最小、最大耗电功率；PEC,1,MIN，PEC,1,MAX分别为电制冷机的最小、最大输出制冷功率。

Pex_heat,MIN≤Pex_heat(t)≤Pex_heat,MAX

(30)

式中：Pex_heat,MIN，Pex_heat,MAX分别为余热锅炉的最小、最大制热功率。

Pex_cool,MIN≤Pex_cool(t)≤Pex_cool,MAX

(31)

式中：Pex_cool,MIN，Pex_cool,MAX分别为余热吸收式制冷机的最小、最大制冷功率。

3.4 求解方法

含CCHP和储能设备的DIEM运行优化求解问题，属于典型的多约束多变量的动态规划求解问题。文中采用商业化的Cplex软件进行问题求解，具有求解速度快、求解精度高等优点，已在部分多能系统优化调度软件开发中应用。

4 算例分析

4.1 基础数据

文中选取国内某大学城为研究对象[25]，主要的基本参数如表1所示。其中，余热吸收式制冷机和余热锅炉利用排烟的比例为4∶1，排烟全部来自燃气轮机；储冷设备漏能率为0.15%/h，最大充/放能功率均为0.3 MW，SOC运行区间为[5%, 95%]，初始SOC为50%。分时天然气价格取2.4元/m3，且低位热值为36 MJ/m3，分时电价如图3所示。文中仅进行一天24 h的典型日各个设备日前出力情况分析，并以1 h划分为调度子时段，夏季典型日冷热电负荷、可再生能源出力曲线分别如图4、图5所示，组成拓扑示意如图6所示。

表1 设备基本性能参数Table 1 Basic performance parameters of equipment

图3 主网购电分时电价曲线Fig.3 Time sharing price of main network power purchase

图4 典型调度日负荷情况曲线Fig.4 Typical daily dispatching load

图5 典型调度日可再生能源出力曲线Fig.5 Typical dispatch daily renewable energy output

图6 场景组成拓扑Fig.6 Topology of scene composition

4.2 案例分析

为验证多能耦合系统下储能容量大小对含CCHP的DIEM运行优化的影响，选取储冷设备容量为单一变化量进行比较。运维总费用、CO2总排放当量权重系数分别为30%和70%，每消耗1 kW·h电网外购电力、1 m3天然气的CO2排放当量分别为0.997 kg/(kW·h)和1.76 kg/m3，光伏、风机每生产1 kW·h电力的CO2排放当量分别为0.032 kg/(kW·h)和0.009 kg/(kW·h)[24]；储冷设备设计使用年限为10 a，其固定投资费用为239 700元，单位容量投资费用为945元/(kW·h)，单位容量日均维护费用0.25 元/(kW·h)。比较以下3种情景的优化结果。情景一：无储冷设备；情景二：配置储冷设备的容量为2 MW·h；情景三：配置储冷设备的容量为4 MW·h。各个设备的运行优化的出力结果如图7—图10所示。

图7 不同情景下发电设备出力情况Fig.7 Power generation output under different cases

图8 不同情景下制冷设备出力情况Fig.8 Refrigeration output under different cases

图9 不同情景下制热设备出力情况Fig.9 Heating equipment output under different cases

图10 不同情景下储能设备状态情况Fig.10 Status of energy storages under different cases

图7显示配置储冷设备容量越大，在01:00—03:00凌晨谷电时，从主网的购电量越多，燃气轮机出力也越小，并且在谷电价时，燃气轮机的出力普遍较低。图8显示在冷负荷需求较大时，12:00—16:00电制冷机的出力会随着储冷容量的增大而降低，从主网购得的峰电会减少。而在01:00—11:00，吸收式制冷机输出冷负荷较多，就能满足冷负荷需求，电制冷机不工作。图9显示电制热机在01:00—12:00都工作，用以补充CCHP机组在低功率下的产热。图10显示储冷设备普遍在03:00—07:00夜晚谷电时进行充能，在08:00—11:00冷负荷需求处于上升阶段，但是CCHP系统出力也处于上升阶段，储冷设备将未利用的冷能进行存储，并在12:00—16:00进行放能；虽然储冷设备容量越大，放的冷能更多，但是并未与容量大小成正比。

表2为不同情景下一个周期在综合考虑运维总成本和CO2排放当量时的综合运行优化目标情况。针对文中情景，配置储冷设备容量为0 MW·h,2 MW·h,4 MW·h的运维总成本分别为125 153.77元，123 185.12元，123 963.95元，CO2排放当量分别为210 370 kg，208 263 kg，208 198 kg。配置容量为2 MW·h的时候，虽然CO2排放当量比配置容量为4 MW·h时多一些，但是经济性和综合运行优化目标会更好，配置储冷设备优于未配置。储冷设备容量为2 MW·h时，运维总成本和综合运行优化目标最低，没有造成储冷设备容量过度配置，更好地实现了本场景兼顾经济性和碳排放运行优化的目的。