含光伏蓄電池的冷熱電聯供系統運行模式評估

薛新白

(合肥工業大學電氣與自動化工程學院，安徽合肥230009)

含光伏蓄電池的冷熱電聯供系統運行模式評估

薛新白

(合肥工業大學電氣與自動化工程學院，安徽合肥230009)

冷熱電聯供(CCHP)系統以其高效、清潔的特點而受到廣泛的關注。將作為清潔能源和可再生資源的太陽能加入聯供系統，可以進一步緩解能源危機和環境污染問題。為了提高分布式電源并網的穩定性，設計了一種可以平滑輸出功率的光伏蓄電池系統，并將其與傳統的CCHP系統相結合構建了一個綜合型的聯供系統。在熱跟隨 (FTL)和電跟隨(FEL)兩種運行模式下，考慮電動汽車充電負荷的影響，評估環境成本和全壽命周期成本兩個指標。

光伏蓄電池系統;冷熱電聯供系統;熱跟隨;電跟隨;模式評估

近年來隨著國民經濟的高速發展，我國的能源需求也日益增加，相對于美國等發達國家而言，我國的能源利用率較低[1]，導致能源危機、環境污染等問題日益嚴重。在這樣的背景下，以清潔能源為燃料，能實現能量梯級利用的冷熱電聯供系統(Combined cooling heating and power system,CCHP)受到廣泛的關注[2-3]。太陽能是清潔能源和可再生資源，將太陽能加入聯供系統中，也可以在一定程度上緩解化石能源危機。電動汽車(Electric vehicles,EVs)因具有環保、節能、經濟的特點而受到了社會的廣泛關注[4-5]，在聯供系統中考慮電動汽車的充電負荷影響，具有合理性。

文獻 [6]設計了一只內燃機驅動和太陽能綜合利用的CCHP系統，基于全壽命周期法，對內燃機的容量和光伏系統的容量進行優化配置；文獻[7]設計了一種與小型生物質沼氣相結合的CCHP系統，同時考慮了能源、環境和經濟對系統進行多目標優化設計；文獻[8]將CCHP系統與儲能系統相結合，達到平抑內燃機輸出功率波動的效果。

本文設計了一種可以平滑太陽能輸出功率的光伏蓄電池系統，并將光伏蓄電池系統和天然氣驅動的傳統CCHP系統相結合，考慮電動汽車充電負荷的影響，設計了一個綜合型CCHP系統。在熱跟隨(Following the thermal load,FTL)和電跟隨(Following the electric load,FEL)兩種運行模式下，基于環境成本和全壽命周期成本(Life cycle cost,LCC)對已建立的系統進行運行模式評估。

1 光伏蓄電池系統

太陽能屬于不可控的分布式電源，其發電出力一直處于波動狀態，采用蓄電池平滑與太陽電池板出力，可以降低太陽能出力的隨機性，提供分布式電源并網的穩定性[9-10]。本文所研究的光伏蓄電池系統由太陽電池板利用光生伏特效應將光能轉換為電能并輸出，當太陽電池板的發電量大于電動汽車的充電負荷需求時，蓄電池進行充電，當發電量小于電動汽車的負荷需求時，蓄電池放電。

1.1 光伏系統的數學模型

太陽電池板的電功率表達式為：

式中：PPV(t)為太陽電池每小時發出的功率，kW；G(t)為每小時光照強度，kW；Pstc為太陽電池的額定輸出功率，kW；Gstc、Tstc分別為標準測試環境下的光照強度(取1 kW/m2)、太陽電池溫度(取 25℃)；k為溫度系數；T(t)為太陽電池表面溫度；Tair(t)為環境溫度；Vwind為風速。

1.2 蓄電池的數學模型

1.2.1 蓄電池的充放電功率模型

使用鉛酸蓄電池作為儲能介質，其剩余電量在充放電過程中的表達式為：

充電過程：

放電過程：

式中：Eba(t)為蓄電池在t時段結束后的剩余電量，kWh；σ為蓄電池的自放電率，%/h；Pba(t)為蓄電池在t時段的充放電功率，kW；ηc為蓄電池的充電效率；ηdisc為蓄電池的放電效率；Δt為每個時段的間隔，h。

1.2.2 蓄電池充放電功率約束

蓄電池t時刻的最大允許充放電功率由其自身的充放電特性和t時刻的剩余電量所決定，其表達式如下：充電過程：

式中：Pba_limit_c(t)、Pba_limit_dis(t)分別為蓄電池t時刻最大允許的充放電功率，kW；Pbamax_c、Pbamax_dis分別為蓄電池額定最大充放電功率，kW；Ebamax、Ebamin分別為蓄電池電量約束的上下限。

1.2.3 蓄電池的容量計算

蓄電池的容量計算如式(7)～(8)所示：

式中：Cba為蓄電池的安裝容量；emax為最大補償功率的絕對值；T為自給天數；VDC為直流母線標稱電壓；η1為逆變器效率；η2為電池充放電效率；S為放電深度；K為溫度修正系數；yk為每個時段太陽電池板的實際輸出功率；u為太陽電池板的期望輸出功率。

1.2.4 光伏蓄電池系統的輸出功率曲線

根據公式(3)～(10)得出光伏蓄電池系統的輸出功率曲線，選取一年一月份的某日24 h為例，做出功率曲線如圖1。

圖1中黑色實線是太陽電池板的輸出功率，紅色實線是光伏蓄電池系統的輸出功率，陰影部分是蓄電池的充放電功率。由圖1可知，通過蓄電池的充放電調節，可以達到光伏電池板功率的平滑輸出。

2 燃氣輪機

燃氣輪機作為整個CCHP系統中的主要動力設備，其成本占整個系統的40%左右，由于燃氣輪機輔機的成本隨著燃氣輪機規模的增大而明顯下降，所以燃氣輪機單位容量造價也隨其容量增加整體呈下降趨勢。

圖1 光伏蓄電池系統的輸出功率

燃氣輪機的制電效率和制熱效率與其負載率有關，圖2為不同負載率下的燃氣輪機制電效率和制熱效率的變化曲線。

圖2 燃氣輪機的制電和制熱效率

從圖2中可以看出，燃氣輪機的制電效率隨著負載率的增大而增加，而制熱效率隨著負載率的增大而減小。同時制電效率始終低于制熱效率。

3 系統的方案設計與分析

大型賓館全年有穩定的冷熱電負荷需求，故以其為對象設計含光伏蓄電池系統的CCHP系統。含光伏蓄電池系統的冷熱電聯供系統能量流圖如圖3所示。

圖3 冷熱電聯供系統的能量流圖

如圖3所示，本文研究的冷熱電聯供系統由光伏蓄電池系統、30臺電動汽車、微型燃氣輪機、燃氣鍋爐、余熱鍋爐、吸收式制冷機組成。電負荷Ee和電動汽車充電所需的電能EEV和由大電網Egrid、燃氣輪機提供的電能Epgu以及光伏蓄電池系統產生的電能EPV滿足；冷負荷Qc由吸收式制冷機提供的Qab滿足；熱負荷Qh由燃氣鍋爐提供的Qgs和余熱鍋爐提供的Qre滿足。

4 系統的運行模式分析

CCHP系統的性能很大程度上與運行模式有關，對于微型燃氣輪機而言，目前最常見的兩種運行模式為熱跟隨模式和電跟隨模式。本文也將基于這兩種模式對系統的效益進行比較和優化。

4.1 熱跟隨模式

熱跟隨模式即燃氣輪機的產能首先滿足熱負荷需求，此時冷負荷完全由吸收式制冷機供給。在此運行模式下，電動汽車充電負荷EEV疊加入電負荷Ee。燃氣輪機以天然氣作為燃料，將化學能轉化為熱能Qpgu，其產生的高溫煙氣所攜帶的能量被余熱鍋爐回收并輸出能量Qre，用于滿足熱負荷Qh和冷負荷Qc。燃氣輪機因此產生的電能Epgu，用于滿足所有電負荷(EEV+Ee)，不足部分先由光伏蓄電池系統產生的電能EPV補充，若EPV不能滿足，則由電網Egrid補充。

4.2 電跟隨模式

電跟隨模式即燃氣輪機的產能先滿足電負荷需求，此時系統不向大電網買電，所有負荷都由天然氣和太陽能供給。在此運行模式下，電動汽車充電負荷EEV疊加入電負荷Ee，同時燃氣輪機以天然氣作為燃料，光伏蓄電池系統產生的電能EPV和燃氣輪機產生電能Epgu，首先用于滿足所有電負荷EEV+Ee，燃氣輪機產生的高溫煙氣所攜帶的能量被余熱鍋爐回收(Qre)，用于滿足熱負荷Qh和吸收式制冷機制冷所需要的能量Qbch，不足部分由作為系統補給部分的燃氣鍋爐補燃提供(Qgs)。

5 計及全壽命周期的評價指標

CCHP作為一種復雜的能源系統，其評價標準多種多樣，但多數分析是基于減少成本、提高經濟性。在我國如今能源緊缺、霧霾嚴重的重要背景下，為了更科學地評價CCHP系統的社會效益和經濟效益，本文考慮了系統的環境成本和系統全壽命周期成本兩個評價指標。

5.1 環境成本費用

系統的環境成本CEN是將發電所產生的污染物用一定標準的經濟損失進行衡量，主要包含發電污染物造成的環境損失和向有關部門繳納的排污費。

式中：m為污染物類別；Vej為第j種污染物的環境價值；Vj為第j種污染物應承擔的罰款；Qj為第j種污染物的排放量。

5.2 全壽命周期成本

全壽命周期成本YCOST是指系統內的設備在其壽命周期內，為其投資安裝、能源消耗、環境污染、運行維護以及退役后回收的所有費用之和。本文中全壽命周期成本YCOST包含一次能源購買成本CCH、系統的環境成本CEN、運行維護成本COM和投資安裝成本CDC。

式中：Ce、Cf分別為電價和天然氣價格；Cc為二氧化碳排放稅；Comi為各個出力單元發出單位功率的運行維護系數；Pik為各出力單元各時段發出的功率。

6 算例分析

6.1 算例系統

本文選取某賓館作為研究對象，太陽電池板安裝在屋頂，太陽能光伏電池板安裝在屋頂，屋頂面積為300 m2。假設賓館每天有30臺電動汽車接入，單臺電池的容量為33.8 kWh，充電方式為無序充電。研究時間跨度為一年8 760個小時。假設每日電價不變，比較不同燃氣輪機容量下系統在熱跟隨和電跟隨兩個模式的環境和經濟效益。

由蒙特卡洛模擬法可以模擬出30臺電動汽車在無序充電的情況下，一年8 760個小時的負荷需求。選取一年一月份的某日24 h為例，做出負荷曲線如圖4。

圖4 電動汽車的充電負荷曲線

由圖4可以看出電動汽車的充電負荷在晚上18：00～22：00較大，符合一般私人電動汽車車主在工作結束后對電動汽車進行充電的規律。

6.2 光伏蓄電池系統的影響

選取燃氣輪機為150 kW時，針對是否含光伏蓄電池系統，分別求出電跟隨和熱跟隨兩種運行模式下的環境成本和全壽命周期成本，如圖5所示。

從圖5中可以看出，在兩種運行模式下，整個CCHP系統包含光伏蓄電池系統時其環境指標較優，不含光伏蓄電池系統時其全壽命周期成本較優。這是因為太陽能是完全的清潔能源，不會產生任何環境成本，所以更為環保，但是其較高的安裝成本和隨之而來的運行管理成本會使得全壽命周期成本增加，降低整個系統的經濟性。

圖5 環境成本和全壽命周期成本比較

6.3 環境指標比較

選擇環境成本作為評價指標，隨著燃氣輪機額定容量的增加，不同模式下環境成本變化如圖6所示。從圖6中可以看出：電跟隨模式下的環境成本遠遠小于熱跟隨模式下的環境成本。這是因為電跟隨模式中，冷、熱、電負荷全部由燃氣輪機及燃氣鍋爐提供，負荷需求全部由燃燒天然氣獲得，而天然氣是清潔能源，其污染物處理費用以及環境懲罰費用都大大低于電網燃煤所產生的費用。

圖6 環境指標

6.4 全壽命周期指標比較

選擇全壽命周期成本作為評價指標，隨著燃氣輪機額定容量的增加，不同模式下的全壽命周期成本變化曲線如圖7所示。從圖7中可以看出：隨著燃氣輪機容量的增加，兩種模式下的全壽命周期成本都在增加。這是因為燃氣輪機的設備投資成本占總成本的比重較大，雖然單位容量造價隨著額定容量的增加而減小，但是總成本依然是增加的；熱跟隨模式的全壽命周期成本在燃氣輪機容量較小時低于電跟隨模式，當燃氣輪機額定容量增加時，又超過了電跟隨模式。這是因為當負荷需求不變時，隨著燃氣輪機容量增加，負載率不斷減小，燃氣輪機的制熱效率減小，制電效率不斷增加，熱跟隨模式下所消耗的天然氣量增加，而電跟隨模式下消耗的天然氣量減小，所以最終導致熱跟隨模式下的成本遠大于電跟隨模式。

7 結語

本文建立了含光伏蓄電池系統和無序充電的電動汽車的冷熱電聯供系統，同時設定了熱跟隨和電跟隨兩種運行模式，基于環境成本和全壽命周期成本兩個指標對兩種運行模式進行評估。通過算例系統分析得出，光伏蓄電池系統較為環保，但是經濟性差。在電跟隨模式下的環境指標較優，隨著燃氣輪機額定容量的增加，熱跟隨模式下的全壽命周期成本逐漸優于電跟隨模式。

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Mode assessment of CCHP system with photovoltaic-battery system

XUE Xin-bai
(School of Electrical Engineering and Automation,Hefei University of Technology,Hefei Anhui 230009,China)

Combined cooling and heating system (CCHP) has attracted much attention with its efficient and clean features.To ease the energy crisis and environmental pollution problems,a clean and renewable resource solar is added to the cogeneration system.In order to improve the stability of distributed power grid,a photovoltaic-battery system was designed to smooth the output power.Combined the photovoltaic-battery system and traditional CCHP system,a comprehensive type of cogeneration system was built.Considering the impact of electric vehicle charging load,the environmental costs and life cycle costs were evaluated in following the electric load mode and following the thermal load mode.

photovoltaic-battery system;CCHP system;following electric load;following thermalload;mode assessment

TM 615

A

1002-087 X(2017)07-1035-04

2016-12-29

薛新白(1991—)，女，安徽省人，碩士生，主要研究方向為分布式電源的仿真建模與能量管理。