含风光储及热泵的CCHP系统配置优化研究

刘 权，徐在亮，宋鑫华，葛 艺，韩吉田

（1.山东大学 能源与动力工程学院，山东 济南 250061；2.靑岛市西海岸新区市政公用事业发展中心，山东 青岛 266400）

0 引言

燃气冷热电联供系统（Combined Cooling，Heating and Power，CCHP）基于能源的梯级利用原理，以天然气为燃料，带动燃气机组发电的同时利用余热回收装置进行余热回收为用户供冷供热，其综合能源利用率可达70%以上。与传统的分供系统（Separate Production，SP）相比，CCHP 系统具有能源综合利用效率高、环境友好、投资少及系统安全稳定性高等优点。作为一个典型的多能流多设备耦合的复杂供能系统，联供系统的系统配置与运行策略是影响其经济性和节能减排性能的重要因素。由于冷热电联供系统组合形式多样，配置复杂，参数与运行方式变化会引起系统性能的变化，给系统优化配置带来了较大难度。因此，研究CCHP 系统优化配置和运行优化策略对燃气冷热电联供系统的研发和工程应用具有非常重要的意义。

目前，国内外在系统优化配置及优化运行方面已进行了较系统的研究。魏征［1］提出了一种面向CCHP系统的光伏容量优化配置方法，应用改进小生境粒子群算法及模糊理想决策方法对方案进行了多目标优化研究，得到了CCHP 系统的最佳光伏容量配置。江卓翰［2］提出了一种计及风光储的CCHP 双层协同优化配置方法，可有效实现系统的协同优化。杨涛［3］建立了含蓄能装置的冷热电联供系统设备配置与运行策略协同优化的数学模型，研究结果表明，在分时电价体系下，CCHP系统中引入蓄能装置能够有效降低运行成本、减少CO2排放和提高系统运行的灵活性。葛艺［4］提出了一种具有储能的太阳能辅助天然气CCHP 系统，以年总成本（Annual Total Cost，ATC）为目标，建立了考虑设备部分负荷性能的混合整数非线性规划（Mixed Integer Nonlinear Programming，MINLP）模型，研究结果表明，引入储能装置的太阳能辅助天然气CCHP 系统具有良好的经济性。付文锋［5］设计了一种吸收式热泵辅助的太阳能-地热多联产系统，利用双热泵组合的运行调节方式，使系统在不同负荷时段可以灵活调节冷、热、电比例，具有良好的综合性能。黄景光［6］建立了包含风电、光伏、地源热泵和储能的CCHP 模型，构建了计及综合需求响应的CCHP 鲁棒优化调度模型，仿真结果表明，该系统具有良好的经济性与风电消纳率。杨志鹏［7］建立了包含风电、光伏、燃料电池、CCHP 系统、地源热泵及储能装置的微网运行优化模型，并采用混合整数线性规划（Mixed Integer Linear Programming，MILP）算法求解，通过与常规CCHP 系统比较表明，热泵和储能装置可增强系统的灵活调节能力，具有显著的经济效益。

上述研究表明，采用风光储的冷热电联供系统具有良好的节能减排性能和发展前景。但是已有研究主要考虑了储电，而未同时耦合热泵及蓄冷蓄热设备。另外，已有研究主要集中在某类设备的容量优化上，很少在某类设备中（如内燃机）考虑多种备选型号，并对不同型号的设备数量或容量进行配置优化以满足用户的不同负荷需求。

因此，建立一种耦合风光储及热泵的冷热电联供系统（Wind-Solar-Storage-and-Heat-Pump-CCHP，WSSH-CCHP），构建系统设备配置和运行策略协同优化的数学模型，在此基础上，采用考虑经济、环保及能耗性能的综合评价指标，结合具体案例，依据自建数据库设备信息，利用MILP 算法实现不同供能模式下系统设备数量、容量和运行策略的整体优化，并分析耦合风光储及热泵的冷热电联供系统关键因素对其性能的影响。

1 CCHP系统

如图1所示，本文建立的耦合风光储及热泵的冷热电联供系统主要包括光伏电池、风电机组、燃气内燃机、燃气锅炉、溴化锂吸收式制冷机组、电制冷机、地源热泵、电蓄冷空调、蓄热槽及蓄电池等设备。其工作原理为：光伏电池、风电机组与燃气内燃机为用户提供电负荷，该系统并网不上网，不足电量由电网补足。利用内燃机运行过程中产生的高温烟气驱动溴化锂机组为用户提供冷热负荷。当溴化锂机组的冷热负荷供应不足时，由热泵、电制冷机及燃气锅炉补足。储能设备在设备运行高峰时释能，设备运行低谷时储能，可减小联供系统负荷波动性，更好平衡冷热电负荷。

图1 计及风光储及热泵的CCHP系统结构

2 数学模型

CCHP 系统数学模型包括满足用能端逐时电热冷能源需求的负荷功率平衡模型和体现系统内各设备转换效率和能源消耗的性能约束模型。

2.1 功率平衡约束

2.1.1 电功率平衡

CCHP系统利用燃气内燃机、光伏、风电、蓄电池等发电单元满足用户的电力负荷需求及系统内各用电设备的需要，不满足时从电网购电。电功率平衡为

2.1.2 热功率平衡

燃气锅炉、吸收式制冷机、热泵及蓄热槽等制热单元为用户提供热负荷需求。热功率平衡为

2.1.3 冷功率平衡

电制冷机组、吸收式制冷机组、热泵及蓄冷空调等制冷单元满足用户冷负荷需求。冷平衡约束为

2.2 设备性能约束

2.2.1 光伏电池

光伏电池（Photovoltaic，PV）利用太阳辐射能产生电能，与CCHP 系统结合后可降低污染物排放和一次能源消耗，提升系统性能。光伏电池输出功率模型为［8］

式中：Npv是光伏板数量；ζpv是考虑阴影、线路损耗和积雪等影响的修正系数；Ppvr为光伏系统额定输出功率，kW；W和WS分别为光伏电池实际太阳辐照值和标准条件（太阳辐照1 000 W/m2，电池温度25℃）下的太阳辐照值，W/m2；T和TS分别为当地气温及标准条件下的温度，℃；αT是实际组件的功率温度系数，为无量纲量。

2.2.2 风电机组

风力发电机（Wind Turbine，WT）输出功率主要由空气密度、叶片半径、风速等因素决定，其输出功率模型为

式中：Pw为风电机组的输出功率，W；ρair为空气密度，kg/m3；R为风机叶片的半径，m；Vwind为风机叶尖风速，m/s；C（λp，β）为风能利用率，λ为叶尖速比，β为浆距角。

2.2.3 燃气内燃机

CCHP 系统可利用燃气内燃机（Gas Engine，GE）产生的高品位热能进行发电做功，同时将GE 发电过程中产生的热量及尾气排放中的热量供给余热机组进行回收利用，实现能量的高效阶梯利用。

燃气内燃机的数学模型为

式中：VGE为内燃机燃气耗量，kW；PGE为燃气内燃机发电功率，kW；ηGE为内燃机发电效率；QGE为排放余热量，kW；αGE为内燃机热电比，QGE，max为设备允许安装容量，kW。

2.2.4 吸收式制冷机

吸收式制冷机（Absorption Chiller，AC）利用燃气内燃机余热制冷制热，提升系统效率。

吸收式制冷机数学模型为

2.2.5 燃气锅炉

燃气锅炉（Gas Boiler，GB）的输出功率与自身的输出特性和负荷情况有关，其模型为

式中：VGB为燃气锅炉消耗天然气量，kW；ηGB是燃气锅炉的制热效率；QGB是供给用户的热量，kW；CGB是燃气锅炉允许安装容量，kW。

2.2.6 冷水机组

选用冷水机组（Electric Chiller，EC）作为系统的补冷设备，满足系统冷负荷需求。其数学模型为

式中：QEC是冷水机组制冷量，kW；EEC是冷水机组耗电量，kW；ηCOP为电制冷冷水机组性能系数；CEC是冷水机组允许安装容量，kW。

2.2.7 地源热泵

地源热泵（Ground Source Heat Pump，HP）是一种利用浅层地热资源实现供冷与供热的高效节能环保空调系统，与CCHP 系统结合可进一步提升系统经济性。地源热泵数学模型为

2.2.8 储能设备

CCHP系统供需不匹配会降低系统经济性，引入储能设备（Energy Storage，ES）可以有效协调冷、热、电负荷间的调度和转换，缓解供需不匹配问题。储能设备模型为

式中：Ed，t+1、Ed，t分别为第d天的t+1时刻与t时刻储能前后设备容量，kW；ε为储能设备损耗率；分别为设备充放能功率，kW；γin和γout分别为设备充放能效率。

储能设备需要运行在一定范围内，其充放能功率约束为

2.3 评价指标

分布式能源系统的评价准则主要考虑能效、经济及环保性能。选取分供系统作为对照系统，分供系统由电网供电，电制冷机供冷，燃气锅炉供热，根据实际情况结合上述三项指标提出综合评价指标对系统进行优化。

2.3.1 能效

燃气CCHP 系统具有良好的节能减排效益，系统一次能源消耗量（Primary Energy Consumption，PEC）更少。本文以联供系统相比分供系统的年一次能源节约率作为能效指标［9-10］，则：

2.3.2 经济性

投入成本是实际工程项目落地的关键因素。因此，本文选取年总成本节约率作为经济性指标，年总成本费用包括设备投资折合到每年的费用Ccap、土建安装费Ca、设备维护费用Com、燃料消耗费Cfuel和电网购电费Cgrid。CCHP系统年总成本节约率为

式中：CCCHP和Csp分别为联供系统和分供系统的年综合成本，元。

年综合成本为

式中：Ccap为系统的年设备投资费用，元；Com为系统年维护费用，元；Cfuel为系统年燃料费用，元；Cgrid为系统购电费用，元；Ca为系统土建费用，元。

系统各项费用为

2.3.3 环保性

CCHP 系统所排放的污染物主要有CO2、NOx及SO2。本文不考虑排放量小的SO2的影响，以CO2与NOx减排率作为环境性能评价指标，定义为：

式中：EGE为燃气内燃机年发电量，kWh；EAC为余热机组年制冷量和制热量，kWh；EGB为燃气锅炉年制热量，kWh。

2.4 目标函数

本文系统综合考虑能效、经济、环保三方面，使其综合收益最大化，建立综合评价性能指标Zmax，并以Zmax为本文优化目标函数。

式中：ωi（i=1，2，3，4）为各评价指标的权重，ω1+ω2+ω3+ω4=1，Zmax值越大，代表系统性能相比分供系统越好，考虑工程实际，设定本文评价指标的权重分布为ω1>ω2>ω3>ω4［12-14］。

3 案例分析

3.1 建筑动态负荷模拟与分析

以济南某规划总面积约130 000 m2的能源中心为例，该区域屋顶光伏可利用面积约14 000 m2，风电安装容量2 342 kW。通过建筑能耗模拟软件DeST 可以获得建筑的相关数据［15］。

根据本文所得到的建筑负荷信息，选取4 个典型日，其持续时长如表1所示。

表1 典型日持续时长 单位：天

不同时段的能源价格如表2所示。

表2 能源价格

图2—图4 分别表示典型日逐时冷热电负荷数据、该地区典型日太阳辐照量及风速信息。

图2 典型日逐时冷热电负荷曲线

图3 地区典型日太阳光辐照量

图4 区域典型日风速

表3—表4 为本文系统设备数据库中数量型设备的参数信息［16-17］，表5为可灵活配置的容量型设备参数［18］。

表3 燃气内燃机及燃气锅炉参数

表5 容量型设备部分参数

结合案例冷热电风光负荷数据及设备信息，本文建立如表6的3种方案，探究不同设备组合方式下的系统配置与运行效果。

表6 不同系统方案

3.2 设备选型优化结果

针对以上济南能源中心负荷参数，选择设备品牌，考虑能源价格，采用并网不上网的运行策略，以综合指标为优化目标，运用MILP 算法对三种能源系统进行优化求解，优化选型结果如表7—表9所示。

表7 SP系统优化选型结果

表8 CCHP系统优化选型结果

表9 WSSH-CCHP系统优化选型结果

分析上述优化选型结果可知，SP 系统冷负荷仅由冷水机组负责，所以其容量配置很高。WSSHCCHP 和CCHP 中燃气内燃机、溴化锂制冷机组等设备容量相差不大，由于电网购电综合指标较差，WSSH-CCHP 和CCHP 相比SP 都大幅减少了冷水机组容量，被溴化锂机组替代。WSSH-CCHP 相比CCHP 引入了风光设备，减小了内燃机、溴化锂机组的数量，WSSH-CCHP 系统与CCHP 系统都引入了储能设备，从配置容量可以看出耦合风光后的WSSHCCHP系统储能量远高于CCHP系统。

3.3 评价指标优化结果

以本文的综合性能指标Zmax为优化目标，得出各方案优化结果如表10所示。

表10 评价指标优化结果

不同能源系统折合每年各项费用如图5 所示。由图5 可见，WSSH-CCHP 相比CCHP 年总费用减少了319 万元，而CCHP 与WSSH-CCHP 虽年总费用相差不大，但后者污染物排放更少，PEC指标更低。此外由于WSSH-CCHP与CCHP主要依靠自身发电，设备费及维护费用远高于SP，但同时两者购电费用相比SP 少。CCHP 由于无风光供电，主要供能方式为燃气内燃机，故燃料费用相比其他方案较多。总体来说，从年总费用来看，CCHP系统年总费用最少，引入风光设备的WSSH-CCHP系统次之，SP系统年总费用最高。

图5 不同能源系统各项费用对比

相较于SP 系统，WSSH-CCHP 及CCHP 各项评价指标对比优化如图6 所示。由图可以看出WSSHCCHP 系统及CCHP 系统相比SP 系统各项指标均有很大提升。由于联供系统减少电网供电份额，从而减少电厂耗煤量，使得二氧化碳及氮氧化物排放量大幅下降，故SCDE及SNDE相比SP 系统均提升45%以上，而WSSH-CCHP 系统由于引入光伏风电等可再生能源为系统提供电能，进一步削减了天然气耗量，使得二氧化碳及氮氧化物排放极低，极大提升了系统的环保性。此外，两种联供系统由于高比例的采用可再生能源及转化效率极高的天然气，故其一次能源消耗量远少于SP 系统，PEC 节约率分别达49.3%及62.3%。WSSH-CCHP 及CCHP虽然购电费用很小，但是由于系统自身设备费及燃气费的上升，导致经济性提升较小，约11.1%和10.41%，且由于WSSH-CCHP系统引入成本较高的风电光伏，提高了系统运行成本，经济性相较CCHP 系统有所下降，但是环保指标提升较为明显。综合来说，从提升效率来看，环保指标提升最为显著，能耗指标次之，经济指标提升较小。

图6 不同供能方案指标提升对比

3.4 系统敏感性分析

以WSSH-CCHP 系统为研究对象，以综合性指标为目标函数，进一步研究能源价格参数变化对系统影响。设定气价格变化范围为-20%～20%，间隔10%，比较WSSH-CCHP 系统及SP 系统各指标变化，结果如图7 所示。由图7 可见，气价由-20%变化至20%的过程中，WSSH-CCHP 系统成本波动较SP 系统更大，联供系统主要动力源是天然气，而分供系统仅热负荷由燃气提供，故燃气价格波动对WSSHCCHP 系统影响更大。从综合指标来看，因为本文综合考虑经济、能耗及环境等因素，且综合指标中环境因子占比较大，故系统综合性能随气价上涨总体变化不大。随着气价的不断上涨，系统购气减少，不足的负荷需求由风光出力满足，故一次能源节约率、CO2及NOx减排率随之升高。同时由于风光出力的升高及燃料价格的上涨，WSSH-CCHP 系统的总成本升高，成本节约率下降。总之，随着气价的升高，系统能源节约率及环保指标越来越好，但成本升高，综合性能提升不明显。

图7 气价敏感性分析

设定电价变化范围为-30%～30%，间隔为15%，比较WSSH-CCHP 系统指标变化，结果如图8 所示。由图8 可以看出随着电价由70%变化到130%，系统综合指标提升，说明随着电价上涨系统收益升高，综合性能提升，而随着电价上涨，SP 系统投入成本升高，WSSH-CCHP 系统优势凸显，其总成本与同SP系统相比越来越低。而环保性能WSSH-CCHP 也远高于SP 分供系统。由图右侧各项性能指标也可看出，随着电价由70%变化到130%，WSSH-CCHP 系统各项指标均提升明显，可见随着电价上涨，WSSHCCHP系统综合收益越来越高。

图8 电价敏感性分析

4 结论

将风光储及热泵引入到冷热电联供系统中，提出了一种新型的冷热电联供系统（WSSH-CCHP），采用综合考虑经济、能源和环境的综合性能指标，结合算例，利用混合整数线性规划算法，以综合性能指标为优化目标进行了优化研究，得出了设备最优选型结果，并将WSSH-CCHP 系统与其他系统进行了比较，得到了如下结论：

1）提出的耦合风光储及热泵的CCHP 系统可减少电网购电，加入风光减少了内燃机出力，提升了系统环保性能，耦合储能及热泵设备进一步提高了系统调节的灵活性及移峰填谷能力，具有良好的运行特性。

2）加入风光设备可有效提升系统的环境友好性，且本文目标函数环境因子权重高，使得WSSHCCHP系统综合性能优于CCHP系统。

3）随着天然气价格的上涨，WSSH-CCHP 综合性能变化不大，而随着电价上涨其综合性能明显升高。