含光伏蓄电池的冷热电联供系统运行模式评估

薛新白

(合肥工业大学电气与自动化工程学院，安徽合肥230009)

含光伏蓄电池的冷热电联供系统运行模式评估

薛新白

(合肥工业大学电气与自动化工程学院，安徽合肥230009)

冷热电联供(CCHP)系统以其高效、清洁的特点而受到广泛的关注。将作为清洁能源和可再生资源的太阳能加入联供系统，可以进一步缓解能源危机和环境污染问题。为了提高分布式电源并网的稳定性，设计了一种可以平滑输出功率的光伏蓄电池系统，并将其与传统的CCHP系统相结合构建了一个综合型的联供系统。在热跟随 (FTL)和电跟随(FEL)两种运行模式下，考虑电动汽车充电负荷的影响，评估环境成本和全寿命周期成本两个指标。

光伏蓄电池系统;冷热电联供系统;热跟随;电跟随;模式评估

近年来随着国民经济的高速发展，我国的能源需求也日益增加，相对于美国等发达国家而言，我国的能源利用率较低[1]，导致能源危机、环境污染等问题日益严重。在这样的背景下，以清洁能源为燃料，能实现能量梯级利用的冷热电联供系统(Combined cooling heating and power system,CCHP)受到广泛的关注[2-3]。太阳能是清洁能源和可再生资源，将太阳能加入联供系统中，也可以在一定程度上缓解化石能源危机。电动汽车(Electric vehicles,EVs)因具有环保、节能、经济的特点而受到了社会的广泛关注[4-5]，在联供系统中考虑电动汽车的充电负荷影响，具有合理性。

文献 [6]设计了一只内燃机驱动和太阳能综合利用的CCHP系统，基于全寿命周期法，对内燃机的容量和光伏系统的容量进行优化配置；文献[7]设计了一种与小型生物质沼气相结合的CCHP系统，同时考虑了能源、环境和经济对系统进行多目标优化设计；文献[8]将CCHP系统与储能系统相结合，达到平抑内燃机输出功率波动的效果。

本文设计了一种可以平滑太阳能输出功率的光伏蓄电池系统，并将光伏蓄电池系统和天然气驱动的传统CCHP系统相结合，考虑电动汽车充电负荷的影响，设计了一个综合型CCHP系统。在热跟随(Following the thermal load,FTL)和电跟随(Following the electric load,FEL)两种运行模式下，基于环境成本和全寿命周期成本(Life cycle cost,LCC)对已建立的系统进行运行模式评估。

1 光伏蓄电池系统

太阳能属于不可控的分布式电源，其发电出力一直处于波动状态，采用蓄电池平滑与太阳电池板出力，可以降低太阳能出力的随机性，提供分布式电源并网的稳定性[9-10]。本文所研究的光伏蓄电池系统由太阳电池板利用光生伏特效应将光能转换为电能并输出，当太阳电池板的发电量大于电动汽车的充电负荷需求时，蓄电池进行充电，当发电量小于电动汽车的负荷需求时，蓄电池放电。

1.1 光伏系统的数学模型

太阳电池板的电功率表达式为：

式中：PPV(t)为太阳电池每小时发出的功率，kW；G(t)为每小时光照强度，kW；Pstc为太阳电池的额定输出功率，kW；Gstc、Tstc分别为标准测试环境下的光照强度(取1 kW/m2)、太阳电池温度(取 25℃)；k为温度系数；T(t)为太阳电池表面温度；Tair(t)为环境温度；Vwind为风速。

1.2 蓄电池的数学模型

1.2.1 蓄电池的充放电功率模型

使用铅酸蓄电池作为储能介质，其剩余电量在充放电过程中的表达式为：

充电过程：

放电过程：

式中：Eba(t)为蓄电池在t时段结束后的剩余电量，kWh；σ为蓄电池的自放电率，%/h；Pba(t)为蓄电池在t时段的充放电功率，kW；ηc为蓄电池的充电效率；ηdisc为蓄电池的放电效率；Δt为每个时段的间隔，h。

1.2.2 蓄电池充放电功率约束

蓄电池t时刻的最大允许充放电功率由其自身的充放电特性和t时刻的剩余电量所决定，其表达式如下：充电过程：

式中：Pba_limit_c(t)、Pba_limit_dis(t)分别为蓄电池t时刻最大允许的充放电功率，kW；Pbamax_c、Pbamax_dis分别为蓄电池额定最大充放电功率，kW；Ebamax、Ebamin分别为蓄电池电量约束的上下限。

1.2.3 蓄电池的容量计算

蓄电池的容量计算如式(7)～(8)所示：

式中：Cba为蓄电池的安装容量；emax为最大补偿功率的绝对值；T为自给天数；VDC为直流母线标称电压；η1为逆变器效率；η2为电池充放电效率；S为放电深度；K为温度修正系数；yk为每个时段太阳电池板的实际输出功率；u为太阳电池板的期望输出功率。

1.2.4 光伏蓄电池系统的输出功率曲线

根据公式(3)～(10)得出光伏蓄电池系统的输出功率曲线，选取一年一月份的某日24 h为例，做出功率曲线如图1。

图1中黑色实线是太阳电池板的输出功率，红色实线是光伏蓄电池系统的输出功率，阴影部分是蓄电池的充放电功率。由图1可知，通过蓄电池的充放电调节，可以达到光伏电池板功率的平滑输出。

2 燃气轮机

燃气轮机作为整个CCHP系统中的主要动力设备，其成本占整个系统的40%左右，由于燃气轮机辅机的成本随着燃气轮机规模的增大而明显下降，所以燃气轮机单位容量造价也随其容量增加整体呈下降趋势。

图1 光伏蓄电池系统的输出功率

燃气轮机的制电效率和制热效率与其负载率有关，图2为不同负载率下的燃气轮机制电效率和制热效率的变化曲线。

图2 燃气轮机的制电和制热效率

从图2中可以看出，燃气轮机的制电效率随着负载率的增大而增加，而制热效率随着负载率的增大而减小。同时制电效率始终低于制热效率。

3 系统的方案设计与分析

大型宾馆全年有稳定的冷热电负荷需求，故以其为对象设计含光伏蓄电池系统的CCHP系统。含光伏蓄电池系统的冷热电联供系统能量流图如图3所示。

图3 冷热电联供系统的能量流图

如图3所示，本文研究的冷热电联供系统由光伏蓄电池系统、30台电动汽车、微型燃气轮机、燃气锅炉、余热锅炉、吸收式制冷机组成。电负荷Ee和电动汽车充电所需的电能EEV和由大电网Egrid、燃气轮机提供的电能Epgu以及光伏蓄电池系统产生的电能EPV满足；冷负荷Qc由吸收式制冷机提供的Qab满足；热负荷Qh由燃气锅炉提供的Qgs和余热锅炉提供的Qre满足。

4 系统的运行模式分析

CCHP系统的性能很大程度上与运行模式有关，对于微型燃气轮机而言，目前最常见的两种运行模式为热跟随模式和电跟随模式。本文也将基于这两种模式对系统的效益进行比较和优化。

4.1 热跟随模式

热跟随模式即燃气轮机的产能首先满足热负荷需求，此时冷负荷完全由吸收式制冷机供给。在此运行模式下，电动汽车充电负荷EEV叠加入电负荷Ee。燃气轮机以天然气作为燃料，将化学能转化为热能Qpgu，其产生的高温烟气所携带的能量被余热锅炉回收并输出能量Qre，用于满足热负荷Qh和冷负荷Qc。燃气轮机因此产生的电能Epgu，用于满足所有电负荷(EEV+Ee)，不足部分先由光伏蓄电池系统产生的电能EPV补充，若EPV不能满足，则由电网Egrid补充。

4.2 电跟随模式

电跟随模式即燃气轮机的产能先满足电负荷需求，此时系统不向大电网买电，所有负荷都由天然气和太阳能供给。在此运行模式下，电动汽车充电负荷EEV叠加入电负荷Ee，同时燃气轮机以天然气作为燃料，光伏蓄电池系统产生的电能EPV和燃气轮机产生电能Epgu，首先用于满足所有电负荷EEV+Ee，燃气轮机产生的高温烟气所携带的能量被余热锅炉回收(Qre)，用于满足热负荷Qh和吸收式制冷机制冷所需要的能量Qbch，不足部分由作为系统补给部分的燃气锅炉补燃提供(Qgs)。

5 计及全寿命周期的评价指标

CCHP作为一种复杂的能源系统，其评价标准多种多样，但多数分析是基于减少成本、提高经济性。在我国如今能源紧缺、雾霾严重的重要背景下，为了更科学地评价CCHP系统的社会效益和经济效益，本文考虑了系统的环境成本和系统全寿命周期成本两个评价指标。

5.1 环境成本费用

系统的环境成本CEN是将发电所产生的污染物用一定标准的经济损失进行衡量，主要包含发电污染物造成的环境损失和向有关部门缴纳的排污费。

式中：m为污染物类别；Vej为第j种污染物的环境价值；Vj为第j种污染物应承担的罚款；Qj为第j种污染物的排放量。

5.2 全寿命周期成本

全寿命周期成本YCOST是指系统内的设备在其寿命周期内，为其投资安装、能源消耗、环境污染、运行维护以及退役后回收的所有费用之和。本文中全寿命周期成本YCOST包含一次能源购买成本CCH、系统的环境成本CEN、运行维护成本COM和投资安装成本CDC。

式中：Ce、Cf分别为电价和天然气价格；Cc为二氧化碳排放税；Comi为各个出力单元发出单位功率的运行维护系数；Pik为各出力单元各时段发出的功率。

6 算例分析

6.1 算例系统

本文选取某宾馆作为研究对象，太阳电池板安装在屋顶，太阳能光伏电池板安装在屋顶，屋顶面积为300 m2。假设宾馆每天有30台电动汽车接入，单台电池的容量为33.8 kWh，充电方式为无序充电。研究时间跨度为一年8 760个小时。假设每日电价不变，比较不同燃气轮机容量下系统在热跟随和电跟随两个模式的环境和经济效益。

由蒙特卡洛模拟法可以模拟出30台电动汽车在无序充电的情况下，一年8 760个小时的负荷需求。选取一年一月份的某日24 h为例，做出负荷曲线如图4。

图4 电动汽车的充电负荷曲线

由图4可以看出电动汽车的充电负荷在晚上18：00～22：00较大，符合一般私人电动汽车车主在工作结束后对电动汽车进行充电的规律。

6.2 光伏蓄电池系统的影响

选取燃气轮机为150 kW时，针对是否含光伏蓄电池系统，分别求出电跟随和热跟随两种运行模式下的环境成本和全寿命周期成本，如图5所示。

从图5中可以看出，在两种运行模式下，整个CCHP系统包含光伏蓄电池系统时其环境指标较优，不含光伏蓄电池系统时其全寿命周期成本较优。这是因为太阳能是完全的清洁能源，不会产生任何环境成本，所以更为环保，但是其较高的安装成本和随之而来的运行管理成本会使得全寿命周期成本增加，降低整个系统的经济性。

图5 环境成本和全寿命周期成本比较

6.3 环境指标比较

选择环境成本作为评价指标，随着燃气轮机额定容量的增加，不同模式下环境成本变化如图6所示。从图6中可以看出：电跟随模式下的环境成本远远小于热跟随模式下的环境成本。这是因为电跟随模式中，冷、热、电负荷全部由燃气轮机及燃气锅炉提供，负荷需求全部由燃烧天然气获得，而天然气是清洁能源，其污染物处理费用以及环境惩罚费用都大大低于电网燃煤所产生的费用。

图6 环境指标

6.4 全寿命周期指标比较

选择全寿命周期成本作为评价指标，随着燃气轮机额定容量的增加，不同模式下的全寿命周期成本变化曲线如图7所示。从图7中可以看出：随着燃气轮机容量的增加，两种模式下的全寿命周期成本都在增加。这是因为燃气轮机的设备投资成本占总成本的比重较大，虽然单位容量造价随着额定容量的增加而减小，但是总成本依然是增加的；热跟随模式的全寿命周期成本在燃气轮机容量较小时低于电跟随模式，当燃气轮机额定容量增加时，又超过了电跟随模式。这是因为当负荷需求不变时，随着燃气轮机容量增加，负载率不断减小，燃气轮机的制热效率减小，制电效率不断增加，热跟随模式下所消耗的天然气量增加，而电跟随模式下消耗的天然气量减小，所以最终导致热跟随模式下的成本远大于电跟随模式。

7 结语

本文建立了含光伏蓄电池系统和无序充电的电动汽车的冷热电联供系统，同时设定了热跟随和电跟随两种运行模式，基于环境成本和全寿命周期成本两个指标对两种运行模式进行评估。通过算例系统分析得出，光伏蓄电池系统较为环保，但是经济性差。在电跟随模式下的环境指标较优，随着燃气轮机额定容量的增加，热跟随模式下的全寿命周期成本逐渐优于电跟随模式。

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Mode assessment of CCHP system with photovoltaic-battery system

XUE Xin-bai
(School of Electrical Engineering and Automation,Hefei University of Technology,Hefei Anhui 230009,China)

Combined cooling and heating system (CCHP) has attracted much attention with its efficient and clean features.To ease the energy crisis and environmental pollution problems,a clean and renewable resource solar is added to the cogeneration system.In order to improve the stability of distributed power grid,a photovoltaic-battery system was designed to smooth the output power.Combined the photovoltaic-battery system and traditional CCHP system,a comprehensive type of cogeneration system was built.Considering the impact of electric vehicle charging load,the environmental costs and life cycle costs were evaluated in following the electric load mode and following the thermal load mode.

photovoltaic-battery system;CCHP system;following electric load;following thermalload;mode assessment

TM 615

A

1002-087 X(2017)07-1035-04

2016-12-29

薛新白(1991—)，女，安徽省人，硕士生，主要研究方向为分布式电源的仿真建模与能量管理。