含光伏的冷熱電聯供微網系統優化調度方案

段紹輝，汪偉，劉中勝，劉瑋，楊毅，楊寧

（1.深圳供電局有限公司，深圳 518000；2.天津天大求實電力新技術股份有限公司，天津 300384）

含光伏的冷熱電聯供微網系統優化調度方案

段紹輝1，汪偉1，劉中勝2，劉瑋2，楊毅2，楊寧2

（1.深圳供電局有限公司，深圳 518000；2.天津天大求實電力新技術股份有限公司，天津 300384）

可實現能源梯級利用的冷熱電蓄能聯供系統具有效率高、經濟效益好、環境友好等優點，是能源利用的重要發展方向之一。文中分析了一種包含光伏發電的冷熱電蓄能聯供系統的優化調度方法，以系統的購電成本、燃料成本、分布式能源等年值成本及年運行維護成本作為優化調度目標，結合一天當中的分時電價，同時考慮了設備運行約束、冷熱電功率平衡約束等約束條件。采用線性整數規劃方法，以深圳某辦公大樓為背景進行聯供系統的優化調度。結果表明，加入光伏發電的冷熱電蓄能聯供微網系統能夠尋找到低成本、低碳排放的運行方案，在經濟調度、節能減排以及提高能源利用率等方面都具有重要意義。

冷熱電蓄能聯供系統；可再生能源；優化調度；平衡約束；經濟性；節能減排

隨著傳統煤炭、石油等一次能源的日益消耗，各種使用清潔或可再生能源的分布式發電供能技術在電力系統中將得到日益廣泛的應用[1]。微型冷熱電聯供系統CCHP（combined cooling heating and power）是一種建立在能源階梯利用的概念基礎上，將制冷、制熱及發電過程一體化的多聯供總能系統[2]，同時提供冷、熱、電三種能量。與傳統的供能系統相比，冷熱電聯產系統不僅回收了一部分利用過的能量，而且整個能量轉換過程無煙塵排放，對空氣環境的污染很小。

三聯供系統多使用天然氣作為驅動，然而雖然天然氣處于清潔能源的應用范疇，但畢竟是礦產資源，屬于不可再生能源的領域。而可再生能源具有隨機性和間歇性等特點，限制了它的發展空間。如果將冷熱電蓄能聯供系統與可再生能源相結合，以微網形式接入大電網，不僅具有傳統三聯供系統的優勢，而且比原系統更加節能。可以有效對內部負荷波動進行調節，減少電網高峰時段的用電負荷，緩解電力系統峰谷負荷之間日益增加的矛盾，解決了電力設備有效利用時間持續下降的問題，提高了我國用電安全性和電網穩定性，使發電效率和經濟效益均得到有力保障[3]。

深圳大部分地區屬于太陽能資源豐富地區。平原地區太陽輻射年總量為（4 759～5 116）MJ/m2，而深圳市風能的空間分布不均勻，除了一些海岸和山區風能相對豐富外，其他地區風能相對貧乏[4]。針對深圳市的環境條件，本文設計一種將光伏發電接入冷熱電蓄能聯供系統，從用戶側角度出發，提出了微網綜合成本及費用定量分析、評估方法，基于微網各方面的成本分析以最大化經濟效益建立系統的優化調度模型，結合混合整數線性規劃方法進行優化調度，結果表明含光伏發電的冷熱電蓄能聯供系統能夠在項目投資成本及節能減排方面都具有很大優勢，具有長遠而重大意義。

1 系統方案描述

傳統的三聯供系統一般由動力系統、發電機和余熱回收構成。對于一個由光伏發電系統、儲能系統構成，需要滿足用戶冷、熱、電負荷需求的復雜微網而言，其能量流動關系也比較復雜。調度方案和傳統的三聯供系統相比會有所差異。

設計該聯供系統，通過配電變壓器連接到電網，聯供系統內分布式電源由光伏PV（photovoltaic）、微型燃氣輪機MT（micro-turbines）構成，相應的配置有熱交換器HX（heat-exchanger）、吸收式制冷機AC（absorption chiller）、電儲能系統ES （battery energy storage system）、熱儲能系統TS （thermal rnergy storage system）和燃氣鍋爐GB （gas-fired boiler）組成。聯供系統內有冷負荷LC0（包含電制冷負荷LC及由吸收式制冷機制冷的冷負荷LCt）、熱負荷LT（包括供暖及熱水供應所需的熱負荷LT0及吸收式制冷機制冷所需吸收的熱功率QT，AC）、電負荷LE（包括重要純電負荷LEop、一般純電負荷LEot和電制冷負荷LC）。聯供系統中的微型燃氣輪機、熱交換器和吸收式制冷機構成了CCHP系統。針對上述含可再生能源的冷熱電聯供系統，其能量流動關系如圖1所示，為簡便模型，能量流動不考慮聯供系統的損耗。

圖1 含光伏發電的冷熱電蓄能聯供微網能量流動關系示意圖Fig.1The energy relationship diagram of CCHP with photovoltaic power generation

圖中，實線、虛線、虛點線和箭頭分別代表電負荷、熱負荷、冷負荷和能量流動方向；經過熱交換器回收的微燃機余熱、燃氣鍋爐及熱儲能系統輸出的熱功率QMTηHX、QGB及QTS0共同滿足聯供系統內所有熱功率LT及部分冷負荷LCt；聯供系統內光伏、微燃機和儲能系統的輸出功率為PPV、PMT和PES0，分布式電源優先供電負荷需求，多余的電功率從大電網購電Pgridt共同滿足電負荷的需求（包括電負荷功率LE、電制冷負荷LC及網絡損耗功率Ploss）。

2 系統成本分析

針對含可再生能源的冷熱電蓄能聯供微網系統，整個微網的費用構成如圖2所示。從用戶側角度考慮，將該系統的電源投資、運行、購電、供熱、環境治理等多項費用最小作為優化的目標函數，各項費用成本構成分析如下。

圖2 微網費用及收益Fig.2The cost and income of microgrid

（1）用戶購電費用

用戶購電費用構成同所在區域的電價機制密切相關，一般可歸納為基本容量、功率、電度（電量）這三大類費用：

式中，Cte、Cfc、Cdc、Cec分別為系統年總購電費用（考慮分時電價）、基本容量費用、功率費用和電度費用，單位均為萬元/a。

（2）分布式電源費用

分布式電源總費用可折算為等年值，包括初始投資等年值費用、年運行維護費用以及年發電所需燃料費用，可表示為[5-6]

式中：CDER為分布式電源總費用等年值（萬元/a）；CIGA、COMG、CFE分別代表分布式電源初始投資等年值費用、年運行維護費用以及年發電消耗燃料費用，單位均為萬元/a。

（3）供熱費用

微網實際運行時熱負荷所需功率可由燃氣熱電聯產CHP（combined heating and power）系統余熱、鍋爐或熱儲能提供。由于僅鍋爐供熱需要直接消耗燃料，供熱燃料費用即為鍋爐年燃料消耗費用，鍋爐年供熱燃料費用及年供熱點可表示為[7]

式中：CFT為鍋爐年供熱燃料費用（萬元/a）；cNG為燃料單位熱值價格（元/kWh）；Ea，GB代表燃氣鍋爐年供熱量（kWh/a）；HGB，h為鍋爐在第h時段輸出的熱功率（kW）；ηGB為鍋爐效率。

（4）環境費用

電網及不同形式分布式電源供能會產生CO2、SO2、NOx等溫室、有害氣體。根據不同供能形式的污染物排放系數及單位污染物排放的治理費用，可有環境治理費用[5]：

式中：CEPA為聯供系統年環境治理費用（萬元/a）；x代表污染物種類，如CO2、SO2、NOx等；βx為污染物x的單位治理費用（元/kg）；Vx為污染物x年排放量（kg/a）；αi，x、αGB，x、αgrid，x分別為分布式電源i、燃氣鍋爐和外部電網污染物x的排放系數；Ea，i、Ea，GB、Ea，grid分別代表分布式電源i年發電量、燃氣鍋爐年供熱量和聯供系統從電網的年等效購電量（大小等于微網每年從電網的購電量減去向電網的售電量）。

3 優化模型

3.1 優化目標

含可再生能源的冷電蓄能聯供微網系統，采用經濟最優的單目標對其實現優化調度，調度以微網系統的年購電成本、燃料成本、分布式能源費用等年值成本及年運行維護成本之和最低為優化目標，其中購電成本和燃料成本中還考慮了碳排放稅成本[5]。目標函數描述如下：

式中，CCTax為微網每年所需繳納的碳排放稅，其數學表達式如下[5]：

式中：cCTax代表單位CO2排放所需繳納稅費（元/ kg）；VCO2代表微網年CO2排放量（kg）；αi，CO2αGB，CO2αgrid，CO2分別為分布式電源i、燃氣鍋爐和外部電網碳排放系數（g/kWh）。

3.2 約束條件

①冷熱負荷平衡約束

電負荷平衡約束可描述為[5-6]：

冷負荷平衡約束可描述為[5-6]

式中：Lcooling為冷負荷需求；QMT表示微燃機產生的余熱量；Qboiler為補燃鍋爐所產生的熱量；COPabs表示吸收式制冷機的COP值；Pechiller表示電空調的COP值。

②電網運行約束

默認電網為容量無限大、可靠性為100%的理想元件。除可規定微網不能向電網倒送功率外[5]，節點電壓、線路傳輸功率上限等約束按慣例設置。

③分布式能源的運行約束

④電儲能約束

電儲能系統除能量的約束外，電儲能運行時實際充放電功率也有限制，同時，由于蓄電池內在特性的特殊性，蓄電池不能同時充放電。約束條件為

3.3 優化變量

本文以24 h內系統各設備和電網的出力為優化變量。從經濟性角度考慮，有光照強度的情況下光伏系統滿出力，即一天24 h內光伏系統的出力為max Ppv[1…24]。優化變量為

其中各變量的物理意義如表1所示。

表1 各設備在一天不同時段的出力Tab.1The devices output power at different times of the day

4 算例分析

本文以深圳某辦公大樓的數據為依據，采用混合整數線性規劃方法對優化模型進行仿真分析。本文設定數據采樣周期為1 h，采樣時間為1天。

以辦公大樓8月份典型日的負荷情況進行研究，其電、冷負荷的情況如圖3所示。

圖3 冷、電負荷情況Fig.3Cooling load and electric load

當地8月份典型日的太陽輻射強度如圖4所示。

深圳電網與微網聯絡線功率上限取1 000 kW。微網與主網之間能量交換原則：微網只能從主網購電，不考慮向主網售電，多余電量以棄能量形式消耗。水貝基地項目屬于商業大量用電，且變壓器容量在250 kWh以上，故采用深圳商業用電250 kWh以上的峰谷電價進行優化仿真測算。深圳市具體電價信息如表2所示。各設備的容量如表3所示。

表2 深圳地區分時電價Tab.2Time-of-use electricity price at Shenzhen

表3 各設備參數表Tab.3The parameters of equipments

考慮儲能充電情況及各設備的啟停等必須為整數，本文采用混合整數線性規劃方法。對含可再生能源的冷熱電蓄能聯供系統和不含可再生能源的冷熱電聯供系統進行經濟優化調度。

混合整數線性規劃算法分三個階段：第一階段是縮小變量的取值范圍；第二階段是去除冗余不等式和判斷是否有解；第三階段是確定一些變量的取值，減少約束變量的數目。結合優化模型及約束條件，對系統進行優化調度。

對比兩種情況下的成本費用、發電情況和二氧化排放量等，結果分析如表4所示。

表4 年等值費用優化結果對比Tab.4The optimization results of equivalent annual cost

從表4可以看出，含可再生能源的冷熱電蓄能聯供微網系統無論從總成本、年發電量上，還是二氧化碳的排放量上都占有很大優勢。數據展示充分說明將可再生能源加入到冷熱電蓄能聯供系統，不僅可以提高系統經濟性和整體效率，還能達到節能減排的目標。

本文采用混合整數線性規劃方法對含分布式能源的冷電蓄能聯供微網系統進行調度，這里以8月的典型日為例，各設備的優化調度結果如圖5～圖7所示（實線為耗能設備，面積為出力設備）。

圖5 電負荷優化調度結果Fig.5The optimization scheduling results of electric load

圖6 熱負荷優化調度結果Fig.6The optimization scheduling results of heat load

圖7 冷負荷優化調度結果Fig.7The optimization scheduling results of cooling load

典型日為滿足電負荷的需求，各設備的出力情況如表5所示。

表5 電負荷優化調度表Tab.5The optimal scheduling list of electric load （kW）

三聯供系統從7時—21時持續出力；光伏系統從早晨6時左右光伏開始出力，并持續到下午19時左右，出力較大的時間集中在上午10時至下午14時；儲能系統在上午9時放電功率為30.36 kW，中午12時放電功率為2.82 kW；光儲系統在7—8時、10—11時、13—14時、16—19時、21時都為充電狀態；制冷機從7—24時代替電空調制冷抵消電負荷；當各設備出力不能滿足電負荷需求，則從大電網購電。三聯供持續供熱，當不能滿足熱負荷需求時則采用補燃鍋爐供熱。

為滿足冷負荷的需求，典型日各設備的出力情況如表6所示。吸收式制冷機持續制冷，當吸收式制冷機不能完全滿足冷負荷需求時采用電制冷。

表6 冷負荷優化調度表Tab.6The optimal scheduling list of cooling load （kW）

5 結論

本文針對深圳市自然資源條件提出了一種含光伏發電的冷熱電蓄能聯供系統，并對該系統的各個成本進行分析。從系統的年購電成本、燃料成本、分布式能源費用等年值成本及年運行維護成本之和建立優化調度模型，以深圳某辦公大樓為研究對象，在不同的電價機制下，對加入光伏發電的冷熱電蓄能聯供微網系統進行優化調度。結果證明該系統能夠尋找到低成本、低碳排放的運行方案。

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Research on Optimal Scheduling of Combined Cooling Heating and Power with Photovoltaic Power Generation

DUAN Shao-hui1，WANG Wei1，LIU Zhong-sheng2，LIU Wei2，YANG Yi2，YANG Ning2
（1.Shenzhen Power Supply Bureau Co.，Ltd.，Shenzhen 518000，China；2.Tianjin Tianda Qiushi Electric Power High Technology Co.，Ltd.，Tianjin 300384，China）

Combined cooling heating and power（CCHP）has the advantages of high efficiency for energy cascade utilization，the better economic benefit，environment friendly.It is one of the important developments of energy utilization.This paper analyzes the optimization scheduling method of CCHP with photovoltaic power generation.The target function of the system includes the electricity purchasing cost，fuel cost，distributed energy cost，annual cost and maintenance cost.With the combination of time-of-use electricity price during the day，the constraints of equipment running，balance of cold，hot and electric power and so on are considered.By applying the mixed integer linear programming method，the optimal schedule is carried out based on an office building at Shenzhen.The results show that the system of CCHP with photovoltaic power generation can find the lowest cost and the operation plan of the lowest carbon emissions.It is important to the economic dispatching，energy conservation and emissions reduction and energy efficiency.

combined cooling heating and power（CCHP）；renewable energy；optimization scheduling；equilibrium constraints；economy；energy conservation and emission reduction

TM921.5

A

1003-8930（2013）04-0150-06

段紹輝（1961—），男，碩士，高級工程師，研究方向為智能電網新技術。Email：13502821051@139.com

2013-02-21；

2013-04-09

汪偉（1985—），男，碩士，工程師，研究方向為智能電網新技術。Email：romanstart@gmail.com

劉中勝（1977—），男，高級工程師，研究方向為新能源發電技術。Email：lzstdqs@163.com