微網冷熱電聯供系統研究綜述

覃 健， 魏 兵， 袁天昊

（華北電力大學，河北保定 071003）

0 引言

微網[1]是近年來一種新興配電系統的概念，它由多種分布式電源、儲能裝置，能量轉換裝置，用戶負荷和監控裝置組成的，并配備保護裝置的大型智能系統，其自身能夠實現自我控制，保護和管理。微網的優勢在于整合多種分布式電源，包括風力發電機（WT）、燃料電池（FC）、光伏電池（PV）和燃氣輪機（MT）等于電網中，減少分布式能源對大電網的不利影響。針對燃氣輪機中發電時產生大量余熱的特點，可以對其余熱進行回收利用，應用吸收式制冷劑進行制冷，實現冷熱電三聯供（Combined Cooling Heating and Power，CCHP）。搭建微網冷熱電三聯供系統，既能實現用戶側就近供能，減少遠距離輸電、供冷、供熱的能量損耗。此外，微網技術還有效的解決了分布式能源上網難的問題，使得分布式電源發出的電量后可向公共電網出售，亦可儲存到微網中，待需要時，再釋放出給用戶使用。微網能給冷熱電聯供系統的能量調度提供了一個更好的平臺，系統能實現能源的循環、高效、“梯級利用”，降低污染物和溫室氣體的排放，在能源危機的今天，有著重要的意義。

1 國內外研究動態

微網概念近年來被提出，最早對它進行研究的國家是美國。微網主要研究的問題是如何滿足多種電能質量、提高微電網供電可靠性、降低初投資成本和實現電網智能化等方面[2，3]。歐洲的也提出“Smart Power Network”的概念，即智能電網。并在微網仿真、孤島和并網的運行控制、本地黑啟動策略、接地和保護、電網的可靠性方面取得了一定的研究成果[4]。日本是一個能源稀缺的國家，所以政府非常重視節能技術的發展，它在微網研究領域中處于世界領先地位[5]，日本的微網對于儲能和控制十分重視，通過建設靈活和智能能調度系統，在配電網中加入一些靈活交流輸電系統裝置，對配電網能源結構進行分配和優化，并滿足用戶的多種用電需求[5]。

在微網的多項技術內容之中，冷熱電聯供在微網中的應用具有十分突出的研究意義和廣闊的應用前景。結合冷熱電聯供的微網技術，具有以下優勢[6]：在微網系統中建設CCHP系統，有助于利用，儲存，調度冷熱電聯供系統中電負荷；CCHP的一次能源消耗主要以清潔能源為主，能夠有效地降低整個系統污染物的排放；CCHP的原動機機組能穩定地輸出能源，彌補風電、太陽能等清潔能源的不穩定性；CCHP還可以提高電網供能的可靠性。CCHP的發展已經有將近30年的歷史。隨著供電、供熱和制冷設備的單元技術和集成運行技術的不斷進步，歐美、日本的CCHP已經在許多領域得到了推廣。

微網冷熱電聯供系統目前在我國的研究尚在探索階段。CCHP系統作為一個分布式供能系統，在微網下運行與傳統的獨立CCHP系統運行有什么不同，值得去分析和探討。

2 微網下的冷熱電聯供系統

2.1 加入可再生的新能源

相比傳統的冷熱電三聯供系統來說，微網冷熱電三聯供系統最新的特點就是和多種分布式新能源一起，共同發電。能源消耗種類多樣化，符合了用戶對電能質量多樣化的要求。此外，系統較傳統的“分供”，也提高了一次能源利用率，大大降低了年運行費用和CO2和有害氣體的排放，具有良好的經濟效益和社會效益。在分布式發電系統中，風能和太陽能由于消耗的是可再生，有害氣體幾乎為零排放的清潔能源，也是當今社會所大力倡導和提倡的。

當CCHP在微網下運行，不必為原動機產出過多電能而造成的能量損失所擔憂。當原動機產出過多的電能，可以根據需要儲存入儲能單元，或者向公網銷售，大大能量和經濟損失。微網儲能技術正在大力發展中[7]。儲能單元主要是微網本身的一個保護裝置：它給微網系統能量分配提供緩沖，減緩可再生能源波動性對電網產生的不利影響，提高電能質量[8]。配備有優良的儲能裝置的微網系統，一方面能將風能和太陽能的分布式電源并入智能微網，結合上各種儲能系統[9]使用，能給電網當地用戶提供用電負荷；其次還能增加系統“慣性”，繼而提高電能質量。

2.2 運行策略上的不同

當CCHP系統與微網結合運行時，微燃機以外的分布式電源發出的電量可供當地的用戶使用。我國北方冬季熱負荷遠高于電負荷，單純的討論熱電比來決定“以電定熱”還是“以熱定電”的CCHP運行策略[10]已經無法滿足系統高性能系統的需要，導致大部分時候的能源都是直接在燃氣鍋爐中消耗天然氣，非但沒有體現冷熱電聯供的優越性[11]，反而大大浪費了資源。

傳統的冷熱電聯供系統的運行策略，主要有“以熱定電”模式、“以電定熱”模式、“能源綜合利用率最優”和“經濟效益最優模式”[1]，不結合具體情況，而只單一的使用某一種模式，容易帶來配置設計不當、運行不經濟等方面，能源浪費的問題。按傳統運行策略來運行系統，是否還能達到更優化目的，是否還適用于新型的微網冷熱電聯供系統，值得去探討。

當微燃機產生的電負荷大于當地的用電負荷時，多余出來的電量可以根據指定的運行策略，選擇儲存到儲能裝置中，或者向外網輸送。目前國家正關于向大電網售電的可行性的探討中，如果微網向公網的售電技術成熟，國家上網政策與技術規范的也制定出臺后，從CCHP產生出的多電負荷也能向大電網出售，這就能避免在以熱定電運行策略下生產出來的多余的電量不會浪費。

在“以電定熱”運行策略下，如果CCHP系統里余熱回收裝置產生的熱負荷不足滿足用戶的用熱負荷，可以從微網中儲能裝置、分布式電源或公網中購電。在冷熱負荷不足的情況下，可以用電制冷機或是通過補燃鍋爐補燃來獲取。具體的采取哪一種的供冷熱策略，可以通過計算經濟性和節能性等各項指標的綜合評價最優的來選擇。將CCHP系統并入微網，使CCHP的運行方式較傳統的聯供系統更為多樣化，將CCHP系統在原有的基礎上進一步優化，使得系統更經濟，更環保。

2.3 傳統CCHP系統的評價指標與優化方法

針對用戶不用的冷熱電負荷需求，為達到最優化的目的，選擇最優的方案、容量配置和運行策略至關重要。目前冷熱電聯供系統常用的評價指標包括能效指標、經濟指標和環境指標[12]。確立目標函數和變量，建立約束條件，選擇一種綜合評價方法。當前費用年值法來對聯供系統與分供系統進行經濟評價比較合適。在對多目標的函數進行優化分析時，由于各個優化變量之間通常會相互排斥，取舍起來往往有些難度。對于此類情況，可以引入權重因子，各者的權重則根據決策者的意愿來確定，也可以采用主觀賦權法、客觀賦權法和組合賦權法三類[12]。

吳利輝等[13]以年費用、一次能源消耗和二氧化碳排放要求的多目標函數，并利用權重系數將多目標轉換為單目標優化模型。Jiang-Jiang Wang等[14]采用遺傳算法，選定一次能源消耗節約率，年運行費用節約率，二氧化碳減排率三個為評價指標，對系統原動機容量和電制冷量與用戶冷負荷的比值進行優化，并得出電價和天然氣價格關系曲線，進行靈敏度分析。Kitagawa[15]以年運行費用為目標函數，采用粒子群算法（PSO）對燃氣輪機冷熱電聯供系統的運行參數、策略進行了優化。王志偉[16]也是以年運行費用目標函數，對微燃機數量和容量進行的優化，并對各個冷熱電聯供和分供的方案優劣的進行了比較，得出最優運行策略；同時運用利用層次分析法和灰色關聯法對多種形式的聯供系統方案進行比較。

2.4 微網冷熱電聯供系統優化方法

對微網冷熱電聯供系統進行設計優化時，可將傳統的優化方法引入，忽略大電網的影響，同時考慮上微網中新加入的分布式電源，如太陽能、風能等，以及儲能系統。綜合多種評價指標，例如能效指標、經濟指標和環境指標進行新的評價。建立以年費用、火用經濟分析、投資回收期，二氧化碳排放量等為目標函數，確定約束條件。考慮新能源對初投資，運行費用，以及購電，購氣的費用的變化，以年費用的為目標函數的也產生變化。儲能裝置，燃料電池的，使得以二氧化碳減排量為目標函數的也相應產生變化。

設計系統配置方案。通過計算系統當地用戶供冷、供熱負荷，分析冷、熱負荷的變化情況來確定系統配置，以獲得最大經濟效益、環境效益來設計運行策略，達到“削峰填谷”[17]的目的，在保證用戶冷熱負荷的前提下，利用微網的自身優勢，再進行電能分配。

結合系統中的蓄能裝置，對原有的運行策略進行重新優化。分布式電源，原動機多發部分的電能可以儲存如蓄電裝置中。多余的回收余熱也可儲存到蓄熱裝置中。帶蓄能裝置的系統，采用動態優化和二次優化法，對運行策略的進行優化[18，19]。

對含有小型熱電聯產的微網系統，建立各個分布式電源的數學模型，建立起以綜合購電及售電，購氣費用，環保費用，運行和維護費用的成本目標函數，對分布式電源的經濟運行優化，得出夏，冬，過渡季節各個典型日的里，各時段的分布式電源發電策略，以及購、售電策略[20]。

3 結語

微網的出現能夠更加合理以及有效地利用分布式發電，冷熱電三聯供系統也能實現能源的高效利用。CCHP系統以一個分布式功能系統并入微網，以微網為電能調度的平臺，能在滿足冷熱負荷的前提下，更為有效的分配以及儲存電能，實現能源利用率高效化。

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[1]任晶鼎.冷熱電三聯供（CCHP）系統運行分析與監控系統設計[D].天津：天津大學電氣與自動化工程學院，2012.

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