基于經濟性和環保性的區域綜合能源系統優化調度研究

李良余, 馬守達, 盛 晏

(1.安徽華電宿州發電有限公司, 安徽 宿州 234000; 2.上海電力學院, 上海 200093)

在能源危機和環境污染的雙重壓力下,區域綜合能源系統(Regional Integrated Energy System,RIES)得到了發展[1],集氣、電、冷、熱多種能源于一體,形成了復雜的能源結構。因此,發展RIES對于實現多能互補、提高能源利用率具有重要意義[2]。

目前國內外已有不少關于RIES能量優化調度方面的研究。文獻[3]引入能源集線器(Energy Hub,EH)描述了RIES中氣、電、冷、熱不同形式能源之間的關系,并采取分層優化的方法進行了優化求解;文獻[4]考慮了RIES中熱力管道傳輸延遲、熱損失動態特性以及用戶的供需柔性,建立了管道儲熱模型,提升了系統的靈活性;文獻[5]從提高經濟效益角度出發,在RIES中配置了冷、熱、電混合儲能并進行了雙層優化求解。

本文綜合考慮了RIES中氣、電、冷、熱資源,以經濟性和一定環保性為目標,建立了混合整數線性規劃模型,并通過算例分析驗證了所建模型的正確性和經濟性。

1 RIES設備建模

1.1 微型燃氣輪機

在RIES中,微型燃氣輪機(Micro Turbine,MT)通過燃燒天然氣生產電能和熱能,在聯供模式運行下MT的能源利用效率可達80%。它是實現冷熱電三聯供的核心設備。本文涉及的MT數學模型主要考慮功率輸出與消耗成本,其模型表達式為

(1)

式中:QMT(t),PMT(t)——MT在任意t時刻的產熱功率和產電功率,kW;

ηMT——MT發電效率,%;

k——MT散熱損失系數,取值為0.03;

Qwh(t),Qsh(t)——MT在任意t時刻的余熱產熱功率和排煙產熱功率,kW;

COP——MT的制熱系數,取值為1.2;

ηwh——MT的余熱回收率,%;

CMT(t)——任意t時刻時MT燃料消耗成本,元;

Ql(t)——任意t時刻時MT的負荷量,kW;

Δt——機組運行的一個采樣周期,h;

λ——燃料燃燒的效率值,%;

L——燃料燃燒的低熱值,如天然氣可取9.7 Wh/m3;

Cgas(t)——任意t時刻燃料價格,元/m3[6]。

1.2 太陽能發電設備

光伏發電技術在近10年來得到了快速發展。光伏發電系統具有清潔環保、太陽能資源充沛、開發便捷、建設周期短等優點。本模型采取簡易模型簡化計算,只考慮光照強度和溫度兩個主要因素的影響,模型表達式為

(2)

式中:P——光伏輸出功率,kW;

P0——理想狀態下光伏最大功率,kW;

G,G0——實際光照強度和標準光照強度,Lx[7];

k——實際溫度,℃;

T0——參考溫度,℃。

1.3 燃氣鍋爐

燃氣鍋爐通過燃燒天然氣獲取熱能,其熱能轉換效率可達90%,是一種運行穩定的清潔能源利用形式。在一定負荷條件下,可認定其輸入輸出是穩定的線性關系,模型表達式為

LGB(t)=ηGBλgasPGB(t)

(3)

式中:LGB(t)——任意t時刻燃氣鍋爐輸出的熱功率,kW;

ηGB——燃氣鍋爐的供熱效率,%;

λgas——燃氣鍋爐的轉換效率,%;

PGB(t)——任意t時刻燃氣的消耗速率,kW[8]。

1.4 熱 泵

熱泵可以將土壤、工業廢熱中的低品位熱輸送至高位熱源,是一種高效節能裝置。根據其制熱(冷)特性,模型表達式為

(4)

式中:QPH,QPC——熱泵系統的制熱量和制冷量,kWh;

EP——熱泵系統的耗電量,kWh;

COP,P——熱泵系統的性能系數。

1.5 吸收式制冷機組

吸收式制冷機組利用能源生產設備產生的余熱進行制冷,可以提高系統的整體能源利用率,是聯供系統的重要組成部分。模型表達式為

QBr,c=QBr,hCOP,Br

(5)

式中:QBr,c,QBr,h——吸收式制冷機組的制冷量和余熱吸收量,kWh;

COP,Br——吸收式制冷機組的制冷系數,取值為0.8[9]。

1.6 電制冷機組

電制冷機組以電制冷,一般作為聯供系統中的補冷裝置,通常在電價效益高時進行制冷作業。這樣不僅能提升能源的綜合利用效率,也能提升系統整體的經濟運行水平。其模型表達式為

Qec=EecCOP,ec

(6)

式中:Qec,Eec——電制冷機組的制冷量和耗電量,kWh;

COP,ec——電制冷機組的制冷系數[10]。

1.7 儲電裝置

儲電裝置不僅能緩解系統對供需瞬時平衡的要求,還能改善電能質量,維護系統平穩,實現削峰填谷。本文對其工作模式進行了研究,模型表達式為

(7)

(8)

式中:pc,t,pd,t——t時刻儲電裝置的充放電功率,kW;

ηc,ηd——儲電裝置的充放電效率;

Es(t)——t時刻的電量,kWh;

Es,in,Es,out——Δt時間內儲電裝置的存儲電量和釋放電量,kWh。

1.8 儲冷和儲熱裝置

在綜合能源系統中,儲冷和儲熱裝置可以對系統內產生的多余的冷量和熱量進行儲存。儲冷和儲熱是一種靈活的能量轉換方式,用于滿足區域內負荷種類的變化需求。本文對其工作模式進行了研究。由于儲冷與儲熱模式相似,所以可使用相同的模型,模型表達式為

(9)

式中:d——天,d=1,2,3,…,364;

h——小時,h=1,2,3,…,24;

Qsc——儲冷裝置/儲熱裝置當前存儲的冷量和熱量,kWh;

Qdh,sc,in,Qdh,sc,out——存儲和釋放的冷量和熱量,kWh;

ηsc——儲冷裝置和儲熱裝置的存儲效率;

Bsc,in,Bsc,out——儲冷裝置/儲熱裝置的儲放標志,取值0或1,0為關,1為開。

2 RIES優化調度模型

2.1 目標函數

本模型考慮在滿足系統內用戶需求的同時達到經濟性最優的目的,并且保證具有一定的環保性。目標函數構造如下。

(1) 系統日運行費用為

(10)

式中:CW——系統日能耗成本,元;

Qdh,gas——天然氣消耗量,kWh;

Cgas——天然氣價,元/kWh;

Edh,grid——綜合能源系統與大電網的交換電量,Edh,grid>0時表示從大電網購電,Edh,grid<0時表示向大電網賣電(此時產生的經濟效益可以抵消能耗成本),kWh;

Ce——大電網電價,元/kWh;

Edh,solar——光伏的發電量,kWh;

Csolar——光伏度電補貼,元/kWh[11-12]。

(2) 系統碳排放成本為

(11)

式中:Ca——系統日碳排放總量,g;

λgas——天然氣碳排放系數,g/kWh;

Mdh,coal——從電網購電折合的標煤消耗量;

λcoal——標煤碳排放系數,g/kWh。

系統碳排放及電網購電折合碳排放成本如表1所示[13]。

表1 碳排放成本

2.2 約束條件

基于上述系統中各設備模型的表達式,從能量平衡角度提出以下3種約束。

(1) 冷平衡約束。系統中的制冷裝置主要是吸收式制冷機組、電制冷機組、熱泵裝置和儲冷裝置。區域冷平衡約束可以表示為

QBr,c+Qec+Qpc+Qsc,out=Qc+Qsc,in

(12)

式中:Qsc,out——蓄冷裝置的放冷量,kWh;

Qc——區域冷負荷的需求量,kWh;

Qsc,in——蓄冷裝置的儲冷量,kWh[14]。

(2) 熱平衡約束。系統中的制熱裝置主要是微型燃氣輪機、燃氣鍋爐、熱泵以及儲熱裝置。區域熱平衡約束可以表示為

QMT+QGB+Qph+Qsh,out=Qh+Qsh,in

(13)

式中:QGB——燃氣鍋爐的制熱量,kWh;

Qsh,out,Qsh,in——蓄熱裝置的放熱量和儲熱量,kWh[15-16];

Qh——區域熱負荷的需求量,kWh。

(3) 電平衡約束。系統中的供電裝置主要是光伏、微型燃氣輪機、大電網電量交換以及儲電裝置,涉及到的耗電裝置是熱泵和電制冷機組。區域電平衡約束可以表示為

EMT+Esolar+Es,out+Egrid=

E+Ep+Eec+Es,in

(14)

式中:EMT——MT的發電量,kWh;

Esolar——光伏的發電量,kWh;

Egrid——從電網購得的電量,kWh;

E——區域電負荷的需求量,kWh;

Ep——熱泵機組的耗電量,kWh;

Eec——電制冷機組的耗電量,kWh。

2.3 求解方法

RIES的優化調度問題是一個混合整數線性規劃模型求解問題。采用優化模型求解的標準形式為

(15)

式(15)中,優化變量x包括各能源輸入量、各類設備的出力及電網購電量;等式約束表示系統功率平衡約束條件;不等式表示系統中各變量約束情況,包括設備容量約束、設備出力等約束條件。本文在GAMS(General Algebraic Modeling System)上采用混合整數線性規劃模型編寫相關優化程序進行求解[17-18]。

3 RIES優化調度算例分析

3.1 算例系統概況

以某RIES項目為例,系統由燃氣三聯供機組、電制冷機組、燃氣鍋爐、光伏以及相應儲能設備組成,各設備模型與上文描述一致。利用調度策略實現區域能量供需平衡,以達到系統優化的目標。

該系統以微型燃氣輪機為核心,在產電的同時,高溫煙氣進入熱交換裝置進行供熱,煙氣余熱進入吸收式制冷機進行供冷。此外,加裝的燃氣鍋爐和電制冷機組分別滿足用戶側的熱、冷高峰需求,并配套了地源熱泵機組在必要時進行補冷或補熱;基于項目所在地的光照資源,系統還加裝了光伏發電單元。系統結構如圖1所示。

圖1 RIES系統結構示意

該系統設備列表及設備具體參數如表2所示。

表2 供能設備參數

本文研究的RIES優化調度模型的調度周期為24 h,調度間隔為1 h。下面以夏季典型日優化結果為例進行分析。

系統中3種能量形式的儲能設備的具體參數如表3所示。分時電價及時段劃分如表4所示。天然氣價格為3.50元/kWh。

表3 儲能設備參數指標

表4 分時電價及時段劃分

3.2 優化結果分析

根據算例設定參數,按照電能優先運行、冷熱優先運行及實時互補運行策略進行調度結果求解,并對結果進行分析對比。

電能優先運行策略和冷熱優先運行策略的系統方案具體如下。

(1) 供電工況下,在電價谷時段,從電網購電最具有經濟效益。考慮廠區日負荷需求的穩定性,系統中MT一直處于運行狀態,但在谷時段,MT以滿足基本負荷需求的最低出力功率運行。考慮儲能裝置的使用壽命,此時并沒有選擇進行谷時段充電,否則會造成一定的成本對沖行為。在電價平時段,隨著廠區負荷需求的遞增,同時滿足冷熱負荷的需求變化,MT機組進入正常運行狀態,此時MT的發電效益與電網購電相當。此時光伏出力可以補充少部分的電力需求。考慮到峰時電價不進行購電,平時段燃氣輪機在個別時間間隔運行時產生的多余電量通過儲電裝置進行儲存,由此時儲存的電量對部分峰時段的負荷進行差額補充。電負荷電能優先調度結果如圖2所示。

圖2 電負荷電能優先調度結果

(2) 供熱工況下,夏季廠區的熱負荷主要來自生產的基本需求,負荷量偏低,負荷曲線走勢與電負荷差別不大。同樣在谷時段,微型燃氣輪機的運行狀態產熱功率不足以滿足熱負荷需求,此時開啟熱泵機組,利用低電價進行補充供熱,峰平時段由微型燃氣輪機正常運行產生的多余熱量進入蓄熱裝置,用以補充個別時段的差額。熱負荷冷熱優先調度結果如圖3所示。

圖3 熱負荷冷熱優先調度結果

(3) 供冷工況下,夏季廠區冷負荷需求整體較高,微型燃氣輪機配套的吸收式制冷機在各個時段運行時產生的制冷量都不能滿足需求,此時開啟電制冷機滿發供冷,便于及時滿足冷負荷。針對個別時段差額部分,同時開啟熱泵機組進行制冷,谷時段滿發供冷的多余冷量進入蓄冷裝置儲存,在電價峰平時段,電制冷機組非滿發運行狀態下,由蓄冷裝置進行差額補冷。冷負荷冷熱優先調度結果如圖4所示。

圖4 冷負荷冷熱優先調度結果

實時互補運行策略的系統方案具體如下。

結合分時電價和天然氣價,系統內設備全運行,按不同時段選擇性搭配開啟,以達到經濟性最優的目的。此時,供電工況中電負荷的大部分由電網購得,另一部分由光伏和微型燃氣輪機供應,在經濟性最大的情況下,微型燃氣輪機以低功率(約為65 kW)穩定運行。供冷工況下,考慮到夏季冷負荷需求較大,為最大效率優先滿足冷負荷,當日地源熱泵機組選擇全部供冷,不提供熱負荷,大部分冷負荷由微型燃氣輪機配套的吸收式制冷機對熱量進行利用制冷。因電價限制,電制冷機組和地源熱泵機組選擇性開啟補冷。供熱工況下,因為同時段系統內設備全運行供應3種負荷,微型燃氣輪機同時段產生的熱量不能滿足需求,此時開啟燃氣鍋爐作為主要熱力來源。3種蓄能裝置的自損耗系數及充放效率加入約束條件后,與前兩種調度策略的運行方式的區別在于啟停次數和充放容量大大減少。考慮24個小時段氣、電輸入成本的實時變化,在成本最優的前提下,優化調度后的結果如圖5、圖6、圖7所示。

圖5 電負荷實時互補調度結果

圖6 熱負荷實時互補調度結果

圖7 冷負荷實時互補調度結果

兩種調度策略成本對比如表5所示。

表5 調度策略成本對比 元

由表5可知,電能優先運行和冷熱優先運行兩種策略累加下的成本達到了56 738.45元,究其原因,是因為要滿足某一時段的一種負荷需求,策略決定當前出力最大的設備進行供應但忽視了成本約束,當滿足當前負荷需求后,再啟動另一種負荷需求下的機組設備,沒有根據實時電價進行策略同步更換;而實時互補運行策略是在一個調度周期的每個小時段內所有設備共同出力的情況下,對兩種能量優先策略進行實時更換,達到了成本最優,但因為結合實時電價而從電網大量購電的行為造成了環境成本高于前兩種能量優先運行策略。因此,總體來說,不同策略下系統設備整體出力均達到了完全消納,未出現能源廢棄或電網倒送,而且實時互補運行策略考慮了系統內每個設備的運行約束,達到了最佳的冷熱電優化調度。

4 結 語

本文以經濟性及一定環保性為目標,建立了RIES混合整數線性規劃模型,并以夏季典型日為例將電能優先運行策略、冷熱優先運行策略以及實時互補運行策略下的設備優化調度情況進行了對比。結果表明,基于供需互動的實時調度策略能夠充分利用能源網絡的耦合關系,有效提高能源響應效率及效果,且實時互補策略下的系統運行成本最低。