储能子系统对微型冷热电联供系统的影响

刘倩囡，付忠广，边技超



储能子系统对微型冷热电联供系统的影响

刘倩囡，付忠广，边技超

（华北电力大学能源动力与机械工程学院，北京 102206）

分布式冷热电联供系统作为传统分布式供能系统的延伸，在继承传统系统能量分级利用优点的同时，其供能效率和经济性都有很大的提升。为保证系统冷、热、电负荷按照既定的规律变化，维持能量的输出与负荷需求相匹配，确保较高的运行效率，创新地加入储能子系统。本文通过定性分析的方法，针对储能子系统在分布式冷热电联供系统中的作用展开讨论，结合微型冷热电联供系统的模拟结果，对储能子系统进行初步的设计和计算，证明储能子系统的加入对分布式冷热电联供系统的效率和稳定性均有提升。

冷热电联供；储能；蓄电池；数值计算

节能减排是关系到我国社会经济发展的长期瓶颈问题，是我国发展战略性新兴产业的重中之重。作为传统分布式供能系统的进一步提升，分布式冷热电联供系统能够对能源进行出色的阶梯综合利用，是集高能源综合利用率、低污染物排放量、布置灵活及运行安全等特点于一身的新兴技术[1]。我国目前的发展主要集中于上海、广州、北京等地区，各工业发达国家也都着力于在现有建筑中加入分布式冷热电联供系统。针对目前的分布式冷热电联供系统，虽在供能效率和经济性上都比传统分布式供能系统有了很大的提升，但是针对居民区、办公场所或一些商业场合来说，其冷、热、电负荷并非按照既定的规律变化。为了保证系统正常运行且不至造成无端的浪费，能量的输出与建筑物的负荷需求应保证一致[2]。

储能系统便能很好地解决这个问题。所谓储能，便是在系统需求低谷时储存能量，在系统需求高峰时将所储存的能量释放出来，可简称为“移峰填谷”。发达国家对于储能系统的应用早在第三次工业革命时便已经普及。国内储能系统起步较晚，多应用于大型风电、太阳能电站中，其主要功能包括削峰填谷、新能源接入、电能质量改善等，却鲜少涉及微型系统。因此，在微型冷热电联供系统中加入储能子系统，将发电技术、制冷制热技术以及储能技术通过系统集成在一起，构成完整的能量梯级利用系统，成为目前新兴的发展方向。

本文基于定性与定量分析相结合的思路，针对国家支撑项目“微型移动式燃气轮机冷热电联供技术及示范”中所设计的微型移动式冷热电联供系统，分析储能子系统的加入对该系统性能的影响，并对储能子系统进行初步的设计和讨论。

1 微型移动式冷热电联供系统

微型移动式冷热电联供系统如图1所示，其中，微型燃气轮机发电，空气膨胀制冷，并利用燃气轮机余热制热，构成能量的梯级利用。与一般的分布式冷热电联供系统不同，本系统并未采用余热制冷的方式。利用Aspen软件对系统热力进行分析模拟，COMPR模型模拟燃气轮机、压气机等部件，RGibbs模型模拟燃烧室反应器，结合Heater模型、Heatx模型、Mixer模型等其它模型，构成整个系统的系统图。系统流程涉及功流、热流以及物流。主要模拟参数见表1。

表1 冷热电联供系统部分重要参数设定

以上参数以哈尔滨夏天运行状态为例，取30 ℃作为平均温度；1.01 bar（1 bar=105 Pa）为大气压力；透平进气温度、压气机压比、燃烧效率为微燃机设计参数；剩余参数为系统运行初步设定值。

通过模拟，系统共发电34.8 kW，制热188.6 kW，制冷10 kW，达到了冷热电联供的目的。其中模拟所得压气机耗功为152.7 kW，以上参数将作为储能子系统的初级设计参数。

2 储能子系统

2.1 储能子系统的作用

微型燃气轮机虽具有低燃料消耗率、低噪音、低排放、可远程遥控和诊断等一系列先进技术特征，但由于其容量、技术等方面的限制，在保证用户端直接用电需求的同时，对电网负荷需求的变化不能进行较快速的响应，同时系统本身发电情况的不稳定也会对电网造成不小的冲击。此时加入储能子模块作为过渡的桥梁，保证两者快速响应。其作用主要包括以下3方面[3]：①增强系统的可靠性—作为过渡的桥梁，储能子系统协调发电与供电的需求，维持稳定的运行；②平抑功率波动，提高系统电压和频率质量；③控制系统的运行特性，使系统按照预先制定的规划进行发电，提高运行的可靠性和灵活性。

2.2 储能子系统的设计位置

如图2所示，在空冷变频发电机（电动机）处加入储能子系统模块，将储能子系统作为空冷变频发电机（电动机）与用户端之间的桥梁。其具有以下两个重要作用。①负责启动电机：为电机提供初始的电压和电流；②负责储存能量：电机启动后停止向电机供应电流，储存电机发出的电量，作为储备能源。

2.3 储能子系统的初步设计

根据储能子系统的位置及作用，设计如下的储能子系统以满足微型移动式冷热电联供系统的要求。图3所示为储能子系统详细的设计图[4]。

在启动初期，发射器④向蓄电池组①传递通电信号，使蓄电池组①通过交换器③将直流信号转换为交流信号，向电动机②提供初始的启动电流和启动电压，电动机②逐渐启动，通过同轴转动同时带动压气机进行启动，当压气机达到自持转速后燃气轮机点火启动，进入发电阶段。此时，发射器④停止向蓄电池组①传递通电信号，蓄电池组①停止向发电机②提供电流和电压，发电机②转变为电动机②进行发电，发出的电一部分供给用户，一部分通过交换器③充入蓄电池组①。比较器⑤将蓄电池组①的端压信号与标称电压进行对比，一旦端压信号超过标称电压，控制器⑥控制交换器③停止交直流的转换，停止向蓄电池组①中充电。微电网控制器⑦将蓄电池组①的电力和发电机②发出的电力融合，供给用户端⑧。

其中交换器③、比较器⑤和控制器⑥构成储能系统的保护系统，保障电池的安全，防止电池过充出现危险。发射器④主要向蓄电池组传递信号，在启动需要时使蓄电池组放电，等电机启动以后停止传递信号，断开该线路，并随时准备启动以防发电机电流过低造成停机。

2.4 储能子系统的相关计算

根据储能子系统的工作特性以及系统要求设计参数，对储能子系统蓄电池组的特性参数进行如下计算。

放电终止电压为蓄电池的最小电压要求，因此蓄电池的放电终止电压应比发电机的额定电压380 V略高，先设定380 V为蓄电池的放电终止电压。电池的最低放电电压不能低于标准电压的0.9倍。

铅酸蓄电池单体的电压为12 V，从电压范围383422 V可以得出，电池需要32～35块串联，即电压可从384 V、396 V、408 V以及420 V之中进行选择。

根据蓄电池的容量公式

式中，为所需蓄电池提供的最大功率，为蓄电池的放电电压，为放电的时间。

15 kW为电动机额定功率，由于电机的转矩=1.4～2.2T，T为额定转矩，电机启动过程中转速是从0逐渐变到额定转速的，如式(5)所示

由式(5)可知，取为最大额定转速时，有=1.4～2.2P，因此保守估计启动功率为额定功率的2.2倍。152.7 kW为Aspen模拟所得压气机耗功，在计算时先选用最大的功率进行计算；时间=1 min取自燃气轮机转速平稳时间。

对于蓄电池模块影响的主要参数有3个，蓄电池充电效率1取0.95、温度系数2取0.55，老化系数3取0.8。因此：

为了能够在为电动机提供初始电流的同时对用户端持续供电，蓄电池的容量需要额外的增加15%份额（15%取自于列车储能系统的要求参数，属高级参数要求），因此最终电池的容量如式(7)所示

由式(7)可知，需要的蓄电池组的最大容量取22.23 A·h。

考虑到蓄电池均有容量储备，且线路、启动电机等均会造成损耗，为使发动机可靠启动，容量的范围应满足式(8)[5]

综上所述，蓄电池组需要满足的参数是电压参数在384 V、396 V、408 V以及420 V之间进行选择，容量参数在19.74～22.23 A·h。

3 储能子系统对微型冷热电联供系统 的影响

3.1 效率提升

根据所得蓄电池组电压与容量参数，可以得出蓄电池组单位时间最低供电量为

分布式冷热电联供系统理论能源利用率如式(10)所示[6]

式中，1为系统单位时间内实际产生的电量，2与3分别为单位时间内的供冷量与供热量，gas为单位时间内消耗的天然气所对应的能量。

加入储能子系统后，系统维持稳定运行，其供冷量与供热量按照Aspen模拟理论值运行，但实际产生的电量中加入了储能子系统本身的电量，即1中加入储能子系统供电量。因此，加入储能系统后

由式(11)可知，加入储能子系统后，分布式冷热电联供系统能源利用率增大，对系统性能有所提升。

3.2 稳定性提升

随机性是分布式冷热电联供系统对用户端造成不利影响的本质原因。根据用户端一天需求电量绘制出微型移动式冷热电联供系统理论供电与实际供电对比图，如图4所示[7]。

系统理论供电曲线即代表用户端供电需求量。由于系统本身的波动，实际供电曲线出现高低不平的情况。为了使系统输出与用户端需求量相匹配，储能子系统的加入便起到极大的作用：在实际供电量大于所需电量时进行自身的充电，储存多余的电量；在实际供电量小于所需电量时放电，满足所需电量。

根据3.1节中关于储能子系统的计算，在系统中加入蓄电池组单位时间的最低供电功率为8.54 kW。在储能系统的作用下，微型移动式冷热电联供系统的理论供电与实际供电对比如图5所示。

对比可知，加入储能子系统后，其充放电过程对微型移动式冷热电联供系统的运行有极大的补偿作用，对系统的稳定性有极大地提升。

4 结 论

将储能子系统加入微型移动式冷热电联供系统中，不仅为电动机提供初始的电压和电流，保证系统的初始运行状态，而且起到控制系统的运行特性、增强系统的可靠性、平抑功率波动、提高系统电压和频率质量的作用，同时增大了系统能源利用率，提升系统运行的稳定性，更加符合分布式能源多级利用的核心宗旨。

[1] Han Jitian（韩吉田），Kang Xingna（康兴娜），Yu Zeting（于泽庭）. Development of distributed total energy systems for combined cooling，heating，and power generations (CCHP) [J].（山东电力技术），2008（6）：65-68.

[2] Kong Xiangqiang（孔祥强），Wang Ruzhu（王如竹），Li Ying（李瑛），. Optimal operation of a micro-combined cooling, heating and power system[J].（上海交通大学学报），2008（3）：365-369.

[3] Xue Jinhua（薛金花），Ye Jilei（叶季蕾），Yang Bo（杨波），Zhang Yu（张宇），Shi Shanshan（时珊珊）. Capacity optimization of energy storage in distributed generation and micro grid[J].（电源技术），2013，12：2258-2260， 2268.

[4] Yao Yong（姚勇），Zhu Guiping（朱桂萍），Liu Xiucheng（刘秀成）. Improvement of power quality of micro-grids by battery energy storage system[J].（电工技术学报），2012，27（1）：85-89.

[5] Guo Zhijun（郭智军）. Comprehensive analysis of the problems of starting motor, starting battery, starting wire and reasonable matching of generator[J].（科技与企业），2013（7）：349.

[6] Huang Delian（黄德炼）. Optimization model for a system for multi target distributed combined cooling heating and power[J].（华电技术），2014，36（2）：1-3，7.

[7] Tian Jun（田军），Zhu Yongqiang（朱永强），Chen Caihong（陈彩虹），. Application of energy storage technologies in distribution generation[J].（电气技术），2010（8）：28-32，42.

The effect of an energy storage unit on the performance micro CCHP systems

LIU Qiannan, FU Zhongguang, BIAN Jichao

(School of Energy Power and Mechanical Engineering, North China Electric Power University, Beijing 102206, China)

Distributed combined cooling heating and power (CCHP) systems can be regarded as an extension of traditional distributed energy supply system. A CCHP system not only inherits the advantages of the traditional system, but also bring other benefits such as overall energy efficiency and system economy. We consider the use of an energy storage unit in the CCHP system to ensure the system to maintain the energy output and the load demand match, on top of the ability of supplying cold, heat, and electricity load, while maintaining high efficiency. In this paper, the role of the energy storage unit in distributed CCHP systems are discussed and quantified using simulation tools. The results confirmed that the use of an energy storage unit helps enhance the system stability and efficiency.

combined cooling; energy storage; battery; numerical calculation

10.3969/j.issn.2095-4239.2015.06.010

TK 02

A

2095-4239（2015）06-622-05

2015-05-25；修改稿日期：2015-06-19。基金项目：国家科技支撑计划项目（2012BAA11B02）。第一作者：刘倩囡（1990—），女，硕士研究生，主要研究方向为分布式能源及储能系统，E-mail：lilylqn007@163.com；通讯联系人：付忠广，教授，研究方向为电站机组运行优化、复杂热力系统建模方法，E-mail：fzg@ncepu.edu.cn。