冷热电三联供（CCHP）分布式能源系统建模综述

刘小军，李进，曲勇，陈建强

（1.华北电力大学控制与计算机工程学院，北京 102206；2.山东鲁能集团有限公司，济南 250001）

能源是人类生存的基本条件和社会发展的原动力，能源问题从来没有像当今这样受到世界各国的高度重视[1-3]。随着我国社会的不断发展，我国在能源建设方面取得了巨大的成就，长期困扰国民经济和社会发展的能源“瓶颈”有所缓解。国家发展改革委员会能源局日前的资料显示，中国能源消费总量已经位居世界第二位，约占世界能源消费总量的11%。但是由于我国人口众多，人均煤炭、石油、天然气资源储量仅仅相当于世界平均水平的60%、10%和5%。同时，我国在能源利用方面却存在着一个严重问题:能源资源短缺、浪费严重、能源效率低。每吨标准煤的产出效率仅仅相当于日本的10.3%，欧盟的16.8%，美国的28.6%，也低于巴西、印度等发展中国家的水平。近年，中国经济的增长速度令全球瞩目，尤其是跨入新世纪以来，中国的经济总量在全球地位越来越重要[4]。但随着经济建设的不断发展，能源需求将进一步增大，供需矛盾会更加突出，所以合理的开发利用能源、提高能源的利用效率、分析各种能源的经济效益和生态效益已成为普遍关注的问题[5-6]。

CCHP（Combined Cooling Heating and power）系统，也称作分布式能源系统或者能源岛。它是从热电联产CHP（combined heating and Power）系统发展而来的。这是一种建立在能量的梯级利用概念基础上，将制冷、供热（包括采暖和生活用热水）及发电过程一体化的多联产总能系统，目的在于综合能源供应方式、提高能源利用效率和能源供应的稳定和可靠性、减少碳化物及其他有害气体的排放。CCHP系统不仅提高了能源利用率，减少了污染排放，更被看作是对我国当前大机组、大电网的有益补充。CCHP系统可能在提高电力系统可靠性、优化能源结构、降低污染排放方面发挥重要的作用[7-8]。

1 CCHP系统的工作流程

CCHP系统有多种系统配置可以选择。对于低品位的能源，采用吸收式制冷机制冷利用。文献[1]涉及一种燃气轮机+余热直燃溴化锂制冷机组的三联供系统，该系统能够流程图如图1所示。

图1 燃气轮机+余热直燃溴化锂制冷机CCHP系统流程图Fig.1 The flow chart of the CCHP system of gas turbine+waste heat direct-fired lithium bromide chiller

在图1所示系统中，电负荷由燃气轮机发电机组和蒸汽联合循环发电机组提供。热负荷由汽轮机的排汽提供。而溴化锂机组利用燃气轮机排气中的能力提供冷负荷。该系统燃用天然气的冷热电三联产系统能实现能源的梯级利用,一次能源利用率可以达到75%～83%。

2 CCHP系统建模研究现状

CCHP冷热电联供系统的一个重要的研究方向是系统的建模,一个好的系统模型可以用来确定系统的可行性和分析预测系统的运行,以及用于系统的控制策略研究,并可以为系统的优化配置和优化运行提供指导。按照建立模型的目的和研究问题的层次的不同可以对CCHP系统建立不同的模型。

2.1 控制模型

对于CCHP系统可以采用机理法和辨识法建立面向过程的数学模型，通常的做法是按照系统的流程将CCHP系统分解为若干子系统，然后将每一个子系统或者一个设备作为对象建立较精确的模块模型,各模块之间通过质量及能量平衡方程联系起来。这类模型可以作为控制模型用于实现对系统的控制和自动化运行。

Rekha T.Jagaduri在文献[2]中对包括燃料电池的燃气轮机分布式发电系统的建模和控制进行了研究。该系统中燃料电池通过直流/交流逆变装置连接电力系统，燃料电池和燃气轮机都设置电压和频率控制回路。作者应用机理法对于系统中的燃料电池，燃气轮机及其发电系统分别建立了数学模型。为了提高系统的动态特性，引入了一种多变量补充模糊逻辑控制器，并对比分析分别在有无控制器两种情况下的动态特性。

2.2 系统运行模型

控制模型的特点是可以实现对于对象的较为精确的描述，为系统的控制提供依据。而三联供系统的特性是高度非线性化的，传统的热力学模型无法准确描述其运行特性。CCHP系统的优势在于冷、热、电三大系统的整合运行，相互利用。所以要发挥CCHP系统在经济性和可靠性方面的优势，就必须建立系统的运行模型。对于这一类模型，国内文献中常用的建模方法有人工神经网络法。

魏会东等在文献[3]中以人工神经网络为工具,建立了燃气发电机组和吸附式制冷机组成的微型冷热电联供系统的模型,对于模型的仿真结果进行了分析。通过对模型的分析和评价,发现人工神经网络模型能准确适应联供系统的高度非线性。仿真结果显示了模型与系统的实际运行规律较为符合,为以后指导系统的优化运行和控制的设计奠定了良好的基础。而胡忠文的文献[4]在利用人工神经网络分别对微燃机和烟气型溴化锂吸收式机组建立模型的基础上，再结合南京市某年全年工作时间环境温度变化条件在微燃机全工况下得到CCHP系统仿真结果，为以后优化运行打下基础。

Sergio Arosio在文献[5]中把CCHP系统中原动机和其他设备假定为通过性能参数辨识的“黑箱”的基础上建立模型，研究了小型三联产系统中变量对于性能的影响。通过参数化相关设备的特性，这样的模型可以对每一个参数对于整个系统的影响进行评价。这样的分析是在基于简单模型和全局模型2个层面上进行的。目的在于对于三联产行业中的厂家，设计者和用户进行有益的指导。

2.3 经济性评价模型

三联供系统首要的优势在于可以实现对能源的分级深度利用。冷热电联供系统不仅提高了低品位热能的利用率，更重要的是提高了能源综合利用率。联供系统通过不同循环的有机整合可以在满足用户需求的同时实现能源的综合梯级利用，使能源的利用率达到85%以上。而传统的发电厂能源有效利用率仅为30%～40%。因此，CCHP可以大大提高能源利用效率。但是对于一个具体的能源需求问题，需要对于三联供系统的经济性做出定量的评价。传统系统的经济性评价是基于单一能量品种的，而CCHP涉及到热、电、冷3种能量形式。这就需要建立基于全系统的CCHP系统综合经济性评价模型。

毕庆生在文献[6]中在“单耗分析”理论的基础上，针对具有多电源供电，多热（冷）源的供热（制冷）的天然气CCHP系统，建立了系统在热电运行方式和冷电运行方式下的不同环节的燃料附加单耗，燃料单耗及成本单耗的计算模型，并利用该模型对案例进行了计算和分析，指出了案例中各个环节（设备）存在的附加单耗过大的原因。为今后系统的各环节（设备）改造和运行优化提供了依据。

在实际运行中，CCHP系统的经济性除了受自身系统的影响之外，还在很大程度上由实际负荷的变化决定。在对CCHP系统与传统分供系统的经济性比较分析的前提是均可以不受限制地满足用户的能源需求。所以在对CCHP系统的经济性模型需要与建筑能耗模型相结合才能更加客观地反映系统的经济性。

朱文敏在文献[7]中利用建筑能耗分析软件EnegryPlus建立了CCHP系统的软件模型和建筑模型，并设定了系统的运行控制策略和建筑的能源需求情况。然后对联供系统进行设计日模拟，以分析该系统的单日运行情况，以及能否满足建筑的冷热电需求。在此基础上，再对系统进行上海气候条件下的全年运行的模拟，以考察系统在整个年度的运行情况，并获得系统主要运行参数的年度数据。通过对这些数据的分析，表明该联供系统比传统分供系统节能9%，年度净收益为1.2万元，比分供系统节省费用0.4万元，有着较好的节能性和经济效益。最后，通过EnegryPlus，对联供系统在其他五座代表城市的全年运行情况进行了模拟和分析。软件模拟的结果表明该联供系统不适合用于哈尔滨这类冬季有较大采暖需求的城市。在结合对当地能源价格因素的考虑后，本文认为该联供系统比较适合用于电价较高的商业建筑和非工业建筑，而不适合用于电价较低的民用建筑。

以上模型均是以能量的数量作为依据。对于CCHP系统的经济性评价模型除了要考虑能量的“量”之外还要考虑能量的“质”。CCHP系统在很大程度上利用了系统排放的低品位能源。所以，以系统能量中的有用能为计算依据，可以建立更加科学、客观的CCHP系统经济性评价模型。

2.4 CCHP系统优化模型

对系统的评价的可以指导运行，优化运行[16]。CCHP系统能够的优化模型是目前国内外文献热衷的热点问题。其中用到的方法有：数学规划法、矩阵建模法、计算机辅助法等。其中数学规划法是以实际运行需求为依据，设置经济性、环保性的目标函数和被优化参数，在一定的约束条件下建立系统的优化模型。

AndrewJ.Yosten在文献[8]中提出了基于数学程序的分布式发电建模方法，并用数学规划法对4类任务进行了优化。对于费用成本而言，分布式发电系统的优化控制可以通过降低从电网购电量，降低需求费用，降低从供热系统获取热负荷三方面来降低运行。相应地，一次能源消耗和污染排放也可以作为优化目标引进目标方程。P.J.Mago在文献[9]中提出了基于能源消耗、运行费用和环境影响三方面考虑的优化模型。该文献分别在以电定热和以热定电和复合运行3种运行模式下基于能源消耗、运行费用和环境影响3个方面对系统进行分析和优化。结果表明优化后的系统具有更好的性能。对于某城市的评价结果显示，优化后可以降低一次能源消耗和运行费用分别为7.5%和4.4%，对于以电定热运行的CCHP系统，优化后可以降低碳排放14.8%。

CCHP热电冷三联供系统为节能高效能量系统的发展提供了新的选择。由于三联供系统的复杂性，这就要求引进整体模型去处理分析系统相互关联的不同部分和不同类型的能量流问题。考虑到系统部分间的关系和外部的能量流网络，Gianfranco Chicco在文献[10]中提出了一种综合的输入输出矩阵方法来处理小规模三联产系统的建模问题。在定义了系统各部分的效率矩阵的基础上，建立了可以表示系统总效率矩阵模型。该模型简洁、清晰地反映出CCHP系统中4种能量形式的传递情况。其建模过程总结如下。

1）从输出开始，根据输入输出关联矩阵，找到从输出到输入的能量流通路。

图2 基于分配因子的系统能量流描述Fig.2 Description of the system energy flow based on distribution factors

2）根据能量流通路，将通路中的矩阵相乘，得到该通路的效率矩阵。

3）将各通路效率矩阵相加，得到总系统效率矩阵。

在建立矩阵模型后，利用Mathworks Matlab优化工具包。在给定的日负荷和电价的情况下，以总能源成本最低为目的进行优化计算。从而得出日最优能源成本和相应的能量流图3。这为运行优化提供了依据。需要指出的是，本文给定的电价是浮动电价，这是国外的能源政策。

图3 优化后的能量流图之一Fig.3 An energy flow chart after optimization

2.5 能源规划模型

针对相同的能源需求，CCHP系统可以有多种不同的方案选择。为了发挥CCHP系统的潜能，必须科学合理地对采用的设备类型和系统方案进行比较分析，从而选择最佳的设备和方案，更好地满足目标用户的能源需求。另外还需要对选定的系统根据能源需求的变化确定最佳的运行策略。这一类问题称为CCHP系统的能源规划问题，其定义为：基于有限的技术、资金和资源的情况下建设生态可持续的CCHP先进能量系统。

Hongbo Ren在文献[11]中基于这种能源规划的思想，提出了一种混合线性程序模型。该模型的应用范围为：①指导设备的系统的选择；②对于一个系统提供优化运行准则；③可以用来衡量CCHP技术的市场潜力。该模型以总费用最少为优化目标，在优化中考虑了系统的组成、运行优化、经济性分析、环境分析等问题，并且对于能源需求、电价、燃气价格、排放税均做了敏感性分析。这对系统的设计和运行均有重要的指导意义。HongboRen在文献[11]中将这一模型应用于某生态校园进行优化分析，通过仿真结果得出了以下结论:对于一个生态校园，当使用没有储能的余热回收系统时，CCHP系统的最佳配置为2 683 kW的CHP系统。这会带来总费用、CO2排放和一次能源消耗的降低值分别为13.4%、4.5%和17.0%。

3 结论与展望

我国CCHP技术的发展正面临巨大的机遇和挑战。CCHP分布式能源系统在国外已经是成熟的常规能量系统，但在国内尚处于起步发展阶段。CCHP系统的发展一方面受政策因素影响，另一方面也需要自身技术的成熟。而对于目前现有项目和行业经验都很有限的情况下，建立CCHP系统多层次的研究模型，对系统进行模拟、仿真、分析。这对于CCHP系统的控制、设计、评价、优化等方面都有着重要的意义。从本文的论述可以看出，对于CCHP系统的建模并不拘泥于传统的机理、辨识等建模方法。建模目的的多样性决定了建模方法和所建模型的多样性。针对CCHP系统自身的特点，科学的建模思想应该是根据实际研究问题的需要，提取系统主要特性，忽略次要因素，建立繁简适当、特色鲜明的系统模型。对于经济性评价模型，需要建立基于热力学第二定律的有用能评价模型。从本文中对模型的分析可以看出，对于CCHP系统，不仅要建立针对子系统或设备的精确数学模型，更需要建立基于全系统、甚至全项目的全局规划模型。

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