熱電聯(lián)產(chǎn)在混合儲能系統(tǒng)中的優(yōu)化配置

崔秀清　白楊

【摘 要】隨著經(jīng)濟的發(fā)展，能源需求量越來越大，如何高效地使用能源，降低能源成本成為亟待解決的問題。園區(qū)綜合能源系統(tǒng)可以將多種形式的能源進行耦合互補，有效的提高了能源利用效率。本文引入了熱電比可調(diào)的熱電聯(lián)產(chǎn)，計及園區(qū)綜合能源系統(tǒng)的經(jīng)濟性和可靠性并通過粒子群算法優(yōu)化得到了系統(tǒng)各組件的出力策略。研究結(jié)果顯示：通過分季節(jié)對熱電聯(lián)產(chǎn)的熱電比進行優(yōu)化，使系統(tǒng)的日均能源成本較優(yōu)化前降低了5.2%。

【關鍵詞】熱電聯(lián)產(chǎn)；混合能源存儲系統(tǒng)；粒子群算法

中圖分類號： F426.61 文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2018）31-0033-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.31.016

【Abstract】With the development of the economy， the demand for energy is increasing. How to use energy efficiently and reduce energy costs has become an urgent problem. The integrated energy system in the park can couple and complement various forms of energy and improve effectively energy utilization efficiency. In this paper， we introduce the CHP with adjustable thermoelectric ratio， and calculate the economy and reliability of the integrated energy system in the park. The results show that the daily energy cost of the system is reduced approximately 5.2 % by optimizing the thermoelectric ratio of CHP in different seasons.

【Key words】CHP； Hybrid energy storage systems； Particle swarm algorithm

0 引言

隨著全球經(jīng)濟的高速發(fā)展，能源的消耗量也變得越來越大，如何高效地利用各種能源，降低能源成本，成為世界關注的重要問題[1]。在用能側(cè)將冷熱電負荷結(jié)合起來，構(gòu)成園區(qū)綜合能源系統(tǒng)，成為提升能源轉(zhuǎn)換效率，降低能源成本的重要途徑[2]。在此背景下，研究園區(qū)綜合能源系統(tǒng)的規(guī)劃設計和運行優(yōu)化對于緩解能源緊張問題具有重要意義。

在園區(qū)綜合能源系統(tǒng)的研究中，熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)以高效率，低污染等優(yōu)點受到了廣泛關注。在文獻[3]中，解決了包含熱電聯(lián)產(chǎn)裝置中能源系統(tǒng)運行成本優(yōu)化問題。連續(xù)時間表示法被應用于文獻[4]對與熱電聯(lián)產(chǎn)裝置結(jié)合的蓄熱箱的容量進行配置。混合整數(shù)線性規(guī)劃模型用來確定熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的最優(yōu)運行方式[5]。在以上研究中，熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的熱電比均為定值，而實際上在不同季節(jié)用戶的能源需求形式會有很大區(qū)別。本文針對園區(qū)綜合能源系統(tǒng)，考慮了一年四季中不同的能源需求形式，通過引入熱電比可調(diào)的熱電聯(lián)產(chǎn)，提出了一種新的系統(tǒng)運行策略。

1 園區(qū)綜合能源系統(tǒng)能量樞紐模型建模

1.1 能量樞紐模型

能量樞紐模型通過增加能源的供給路徑提升能源系統(tǒng)的經(jīng)濟性、靈活性和安全性[6]。圖1展示了一種典型的能量樞紐模型。

1.2 各機組出力模型

如圖1所示，本文所改進的能量樞紐模型包括熱電聯(lián)產(chǎn)、燃氣鍋爐、儲熱水罐，本節(jié)將會依次介紹各組件的出力模型。

●熱電聯(lián)產(chǎn)出力模型

熱電聯(lián)產(chǎn)可以利用余熱鍋爐收集微燃機在發(fā)電過程中產(chǎn)生的熱能，以此提升綜合能源效率。早期的研究中由于熱電聯(lián)產(chǎn)所裝備的余熱鍋爐多為無補燃余熱鍋爐，其熱電比不可調(diào)影響了供能效率[7]。在本文中，為了匹配供、用能側(cè)的熱電比，配備了帶補燃余熱鍋爐的熱電聯(lián)產(chǎn)裝置來改變供能側(cè)的熱電比。

熱電聯(lián)產(chǎn)熱電機組實際輸出的熱功率與實際輸出電功率之比為熱電比（R熱電聯(lián)產(chǎn)），即

式中P熱電聯(lián)產(chǎn)h和P熱電聯(lián)產(chǎn)e分別為熱電聯(lián)產(chǎn)熱電機組的輸出熱功率和輸出電功率，P熱電聯(lián)產(chǎn)in為熱電聯(lián)產(chǎn)的輸入功率，η熱電聯(lián)產(chǎn)h和η熱電聯(lián)產(chǎn)e分別代表熱電聯(lián)產(chǎn)熱轉(zhuǎn)換效率和電轉(zhuǎn)換效率。

●燃氣鍋爐出力模型

為了降低能源成本并改善園區(qū)綜合能源系統(tǒng)的運行可靠性，本文將燃氣鍋爐作為輔助產(chǎn)熱設備添加至能量樞紐模型中，并令其協(xié)同熱電聯(lián)產(chǎn)工作，共同供應園區(qū)的熱負荷。燃氣鍋爐的輸出功率PGB可以表示為：

其中，PGBin為燃氣鍋爐的輸入功率。a1、a2和a3分別為排煙熱損失、化學不完全燃燒損失和散熱損失，在本文中分別設為：9.87、0.95和2.18。

●儲熱水罐系統(tǒng)出力模型

為了提高系統(tǒng)運行可靠性，儲能系統(tǒng)需要被安裝于能量樞紐模型中來平抑系統(tǒng)負荷。然而考慮安裝成本，本文以儲熱為主要儲能方式，通過電熱耦合實現(xiàn)大規(guī)模儲存系統(tǒng)過剩產(chǎn)能。儲熱水罐中所儲的熱能可由下式表示：

QWT（t）=（1-εWT）QWT（t-1）+QWTh（t）-QWTr（t）（4）

其中，εWT為儲熱水罐的自放熱率；QWT（t）為儲熱水罐t時刻的存儲熱量；QWTh（t）和QWTr（t）分別為儲熱水罐儲熱量和放熱量。

2 優(yōu)化運行策略

2.1 優(yōu)化目標

本文基于所提出的能量樞紐模型，考慮天然氣和柴油的購置成本，以系統(tǒng)日前24時段運行成本最優(yōu)為目標，構(gòu)建目標函數(shù)如下：