光伏和冷熱電聯(lián)供的綜合分布式能源系統(tǒng)規(guī)劃方法

李雁菲

（杭州市錢江新城建設(shè)管理委員會，浙江 杭州 310016）

0 引 言

隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展，能源問題成為了人類面臨的嚴峻挑戰(zhàn)。同時，溫室效應(yīng)、霧霾等環(huán)境問題突出，使得人們亟待選擇新的清潔能源。分布式能源成為解決能源短缺和環(huán)境污染問題的有效途徑[1,2]。結(jié)合光伏發(fā)電和冷熱電三聯(lián)供的綜合分布式能源系統(tǒng)，通過綜合分布式能源系統(tǒng)科學(xué)合理的容量配置以及優(yōu)化運行，取得最大的經(jīng)濟、節(jié)能、減排等綜合效益。

1 設(shè)備單元建模

1.1 光 伏

太陽能電池組件是光伏系統(tǒng)的基礎(chǔ)，其數(shù)學(xué)模型可表示為：

式中，Pph為太陽能電池組件輸出功率；Pst為標準條件下的太陽能電池組件輸出功率；I為光照強度；Ist為標準條件下的光照強度；T為光伏電池表面溫度；Tst為標準條件下的光照強度；k為電池板的溫度系數(shù)。

光伏發(fā)電總發(fā)電率為：

式中，PPV為光伏發(fā)電總輸出功率；I為光照強度；Sp為單個光伏電池板的面積；N為電池板總數(shù)量；ηPV為發(fā)電轉(zhuǎn)化效率系數(shù)；Ist為標準條件下的光照強度。

1.2 燃氣輪機

燃氣輪機是一種將天然氣燃燒產(chǎn)生的熱能轉(zhuǎn)變?yōu)閯幽艿膭恿ρb置[3]。其數(shù)學(xué)模型可描述為：

式中，PGT為燃氣輪機發(fā)電功率；QGT為燃氣輪機熱輸出功率；ηeGT為燃氣輪機的發(fā)電效率；ηhGT為燃氣輪機的發(fā)熱效率；Vg為天然氣消耗量；qg為天然氣熱值。

1.3 燃氣內(nèi)燃機

燃氣內(nèi)燃機也是一種將天然氣燃燒產(chǎn)生的熱能轉(zhuǎn)化為機械能的動力裝置，數(shù)學(xué)模型可描述為：

式中，PGE為燃氣內(nèi)燃機發(fā)電功率；QGE為燃氣內(nèi)燃機熱輸出功率；ηeGE為燃氣內(nèi)燃機的發(fā)電效率；ηhGT為燃氣內(nèi)燃機的發(fā)熱效率。

1.4 余熱鍋爐

余熱鍋爐是熱冷電三聯(lián)供系統(tǒng)的重要余熱利用裝置。燃氣輪機燃燒后釋放的高溫?zé)煔膺M入余熱鍋爐機組實現(xiàn)再次利用，提升能源利用的總效率，產(chǎn)生的蒸汽可以用于發(fā)電、供熱以及制冷等，數(shù)學(xué)模型可描述為：

式中，QGB為余熱鍋爐輸出熱功率；QGT為燃氣輪機熱輸出功率；ηGB為余熱鍋爐運行效率。

1.5 燃氣鍋爐

燃氣鍋爐的原理是天然氣進入鍋爐內(nèi)燃燒后產(chǎn)生熱能，數(shù)學(xué)模型可描述為：

式中，QCB為燃氣鍋爐輸出熱功率；ηCB為燃氣鍋爐運行效率。

1.6 溴化鋰機組

溴化鋰機組能夠充分利用煙氣中的余熱，提升聯(lián)供系統(tǒng)的綜合能源利用水平，實現(xiàn)節(jié)能環(huán)保效益，數(shù)學(xué)模型可描述為：

式中，QAC為溴化鋰機組輸出冷功率；QHAC為溴化鋰機組輸入熱功率；ηAC為溴化鋰機組制冷系數(shù)。

1.7 電制冷機

電制冷機通過壓縮機做功，將電能轉(zhuǎn)換為冷，數(shù)學(xué)模型可描述為：

式中，QEC為電制冷機輸出冷功率；PEC為電制冷機輸入電功率；ηEC為電制冷機制冷系數(shù)。

2 考慮光伏和冷熱電聯(lián)供的綜合分布式能源系統(tǒng)規(guī)劃方法

2.1 綜合分布式能源系統(tǒng)目標函數(shù)

綜合分布式能源系統(tǒng)容量優(yōu)化的指標主要包括經(jīng)濟性和節(jié)能性等[4]。

2.1.1 經(jīng)濟性目標

經(jīng)濟性是最重要的優(yōu)化目標，體現(xiàn)綜合能源系統(tǒng)的經(jīng)濟投資成本和收益的大小。通過經(jīng)濟性優(yōu)化使系統(tǒng)生命周期內(nèi)原始成本、運行成本、更換成本以及維護成本的總成本最小。常見的指標主要有初投資、運行費用、年平均成本、生命周期成本、能源標準化成本、凈現(xiàn)值、凈現(xiàn)成本、內(nèi)部收益率和投資回收期等。

經(jīng)濟性目標函數(shù)包含初始投資Cini與運行費用Cmo，表達式為：

式中，Cto為系統(tǒng)總費用；Cini為初始投資費用；Cmo為系統(tǒng)年運行費用；Cma為設(shè)備運行維護費用；CiniGT、CmaGT、PGT,ij分別為燃機輪機初始投資費用、單位運行維修費用、第j天第i時實際運行熱功率；CiniGE、CmaGE、PGE,ij分別為燃機內(nèi)燃機初始投資費用、單位運行維修費用、第j天第i時實際運行熱功率；CiniGB、CmaGB、QGB,ij分比為余熱鍋爐初始投資費用、單位運行維修費用、第j天第i時實際運行熱功率；CiniCB、CmaCB、QCB,ij分比為燃氣鍋爐初始投資費用、單位運行維修費用、第j天第i時實際運行熱功率；CiniAC、CmaAC、QAC,ij分比為溴化鋰機組初始投資費用、單位運行維修費用、第j天第i時實際運行冷功率；CiniEC、CmaEC、QEC,ij分比為電制冷機初始投資費用、單位運行維修費用、第j天第i時實際運行冷功率；CiniPV、CmaPV、PPV,ij分比為光伏初始投資費用、單位運行維修費用、第j天第i時實際運行熱功率；Cgas為天然氣燃料費用，Cel為由熱網(wǎng)購買熱量費用。

2.1.2 節(jié)能性目標

考慮將年能源消耗量作為節(jié)能的衡量指標，將一次能源轉(zhuǎn)換為標準煤耗量，計算公式為：

式中，λj為第j種能源的標準煤耗量轉(zhuǎn)換系數(shù)。

2.2 綜合分布式能源系統(tǒng)約束條件

電能平衡約束條件為綜合分布式能源系統(tǒng)的發(fā)電量和電網(wǎng)系統(tǒng)購買電量的總供給與用戶側(cè)電負荷需求和電制冷機電功率的總需求相平衡，對應(yīng)的公式為：

式中，PGT為燃氣輪機發(fā)電功率；PGE為燃氣內(nèi)燃機發(fā)電功率；PPV為光伏發(fā)電功率；Pel為電網(wǎng)系統(tǒng)購買電量；Pcus為用戶側(cè)電負荷需求；PEC為電制冷機輸入電功率。

熱能平衡約束條件為綜合分布式能源系統(tǒng)的熱負荷量和普通鍋爐的總供給與用戶側(cè)熱負荷需求相平衡，對應(yīng)的公式為：

式中，QGB為余熱鍋爐輸出熱功率；QCB為燃氣鍋爐輸出熱功率；Qcus為用戶側(cè)熱負荷需求。

冷負荷平衡約束條件為綜合分布式能源系統(tǒng)的冷負荷量和電制冷器的總供給與用戶側(cè)冷負荷需求相平衡，對應(yīng)的公式為：

式中，QAC為溴化鋰機組輸出冷功率；QEC為電制冷機輸出冷功率；Ccus為用戶側(cè)冷負荷需求。

此外，各設(shè)備運行約束條件為：

式中，PGTmin、PGTmax為燃氣輪機功率上下限；PGEmin、PGEmax為燃氣內(nèi)燃機功率上下限；QGBmin、QGBmax為余熱鍋爐功率上下限；QCBmin、QCBmax為燃氣鍋爐功率上下限；QACmin、QACmax為吸收式制冷機組功率上下限；QECmin、QECmax為電制冷機組功率上下限；PPVmin、PPVmax為光伏功率上下限；Pelmin、Pelmax為電網(wǎng)購買電量上下限。

2.3 綜合分布式能源系統(tǒng)規(guī)劃方法

2.3.1 常用算法

系統(tǒng)規(guī)劃常用的算法有粒子群優(yōu)化算法、蒙特卡洛隨機模擬以及模擬退火算法等。本文首先需設(shè)置冷熱負荷、各設(shè)備參數(shù)、天然氣價格、購熱價格等，其次采用蒙特卡洛隨機模擬分析參數(shù)的分布特性，產(chǎn)生各時刻冷熱負荷等，再次利用粒子群算法進行計算，通過系統(tǒng)不斷迭代，最后產(chǎn)生最優(yōu)解，重復(fù)以上步驟，輸出最優(yōu)配置[5]。

2.3.2 系統(tǒng)變量

綜合分布式能源系統(tǒng)大致包含發(fā)電設(shè)備、供熱設(shè)備、制冷設(shè)備、儲能設(shè)備以及調(diào)節(jié)裝置等。其中：發(fā)電設(shè)備是核心單元，使用最廣泛的發(fā)電裝置有光伏、燃氣輪機、內(nèi)燃機；供熱設(shè)備主要為燃氣鍋爐和余熱鍋爐；制冷設(shè)備常用的為電制冷機組和溴化鋰吸收式機組。

考慮綜合分布式能源系統(tǒng)所需設(shè)備，要確定系統(tǒng)所選各設(shè)備的類型、容量以及數(shù)量，將系統(tǒng)變量分為離散變量和連續(xù)變量，表示為：

式中，NGT、NGE、NGB為各設(shè)備數(shù)量；PGT、PGE、PGB為各設(shè)備額定容量。

2.3.3 模型線性化

模型中蓄電池存在非線性特征，主要是二進制變量和連續(xù)變量的乘積。由于以非線性模型代入運算，系統(tǒng)運行將需要很長的時間，相比于線性的求解難度也大，為此本文針對此進行線性化處理，線性化方程為：

式中：ymin和ymax分別為變量y的下限和上限。

2.3.4 模型求解步驟

模型求解的步驟：（1）設(shè)置系統(tǒng)冷熱電負荷參數(shù)和光伏的分布參數(shù)、投資參數(shù)、天然氣價格、電價、粒子群算法的參數(shù)等；（2）通過蒙特卡洛隨機模擬，生成系統(tǒng)冷熱電各負荷和光伏功率的數(shù)量；（3）采用粒子群算法，通過更新粒子的速度和位置，達到最大迭代次數(shù)，得出系統(tǒng)的最優(yōu)解；（4）重復(fù)以上步驟（2）和步驟（3），達到系統(tǒng)最大模擬次數(shù)；（5）輸出最優(yōu)配置結(jié)果，并進行分析。

3 案例分析

3.1 系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)與能源分布參數(shù)

本文以某園區(qū)作為仿真模型，主要涵蓋冷、熱和電3種負荷，供冷設(shè)備包括電制冷和吸收式制冷，供熱設(shè)備包括燃氣鍋爐和余熱鍋爐，供電設(shè)備包括光伏發(fā)電設(shè)備、內(nèi)燃機、燃氣輪機和大電網(wǎng)購電，外部能源主要為天然氣和光照。能量流動和設(shè)備的供給關(guān)系如圖1所示。

圖1 能量流動和設(shè)備的供給關(guān)系

3.2 日負荷曲線

根據(jù)冷熱電和光伏的數(shù)據(jù)通過蒙特卡洛隨機模擬，生成系統(tǒng)冷熱電各負荷和光伏的日負荷曲線，如圖2所示。圖2中光照僅能在06:00—18:00供能給光伏發(fā)電，并在12:00—13:00時左右達到頂峰。電力負荷也呈現(xiàn)明顯的峰谷特征，凌晨呈現(xiàn)低谷，在傍晚呈現(xiàn)峰值，相比電力負荷，熱負荷和冷負荷波動較為平緩。

圖2 典型能源日負荷曲線

3.3 設(shè)備參數(shù)及能價信息

系統(tǒng)中各設(shè)備的參數(shù)設(shè)置如表1所示。

表1 設(shè)備參數(shù)

電力分時電價信息如表2所示，天然氣價格為0.387元 /（kW·h）。

表2 分時電價

3.4 綜合能源系統(tǒng)規(guī)劃

通過運用優(yōu)化模型，算法收斂曲線如圖3所示，目標大約在9次以后變得比較平緩，50次時目標函數(shù)值的差值小于精度要求，規(guī)劃結(jié)果如表3所示。

表3 系統(tǒng)規(guī)劃結(jié)果

圖3 迭代收斂曲線

圖4、圖5和圖6分別為系統(tǒng)規(guī)劃中供用電、供用熱和供用冷的分析，圖中○代表供能，△代表用能。

圖4 各設(shè)備日供用電

圖5 各設(shè)備日供用熱

圖6 各設(shè)備日供用冷

圖4為供用電情況，共涉及6種設(shè)備，供電設(shè)備主要包含光伏發(fā)電、內(nèi)燃機、燃氣輪機以及大電網(wǎng)購電，用電設(shè)備包含電制冷和電負荷。凌晨和夜晚無光照時，內(nèi)燃機、燃氣輪機發(fā)電量和大電網(wǎng)購電量均較大，隨著光照強度不斷增強，光伏出力越大，其他3種電能來源則會減少出力，實現(xiàn)系統(tǒng)經(jīng)濟性最優(yōu)。由于燃氣輪機和內(nèi)燃機燃料為天然氣，其成本比電力要低，因此光伏功率增大時，優(yōu)先減少從電網(wǎng)獲取的電能。

圖5為各設(shè)備的供用熱情況。熱能由燃氣鍋爐和余熱鍋爐提供，以燃氣鍋爐供應(yīng)為主，余熱鍋爐起輔助作用。由于余熱鍋爐出力受限于燃氣輪機產(chǎn)生的余熱量，白天隨著光照強度的增加，光伏出力增加，燃氣輪機出力減少，因此余熱鍋爐出力也會相應(yīng)減少。

圖6為各設(shè)備的供用冷情況。冷能由電制冷和吸收式制冷提供，以電制冷為主，吸收式制冷作為補充。電價峰值時，為實現(xiàn)經(jīng)濟性最優(yōu)，電制冷出力減少，吸收式制冷出力增加。

4 結(jié) 論

本文對綜合分布式能源系統(tǒng)所需的各設(shè)備進行數(shù)學(xué)建模分析，包括對太陽能設(shè)備、發(fā)電設(shè)備、供能設(shè)備、制冷設(shè)備等的模型分析，建立綜合分布式能源系統(tǒng)的規(guī)劃模型。系統(tǒng)規(guī)劃的目標函數(shù)有經(jīng)濟性和節(jié)能性等方面，約束目標主要為系統(tǒng)的各能量平衡及設(shè)備自身約束，運用粒子群算法，實現(xiàn)綜合分布式能源系統(tǒng)的最優(yōu)規(guī)劃配置。通過案例驗證了規(guī)劃方法的可行性，并選取系統(tǒng)規(guī)劃的最優(yōu)配置。