热电联产在混合储能系统中的优化配置

崔秀清　白杨

【摘 要】随着经济的发展，能源需求量越来越大，如何高效地使用能源，降低能源成本成为亟待解决的问题。园区综合能源系统可以将多种形式的能源进行耦合互补，有效的提高了能源利用效率。本文引入了热电比可调的热电联产，计及园区综合能源系统的经济性和可靠性并通过粒子群算法优化得到了系统各组件的出力策略。研究结果显示：通过分季节对热电联产的热电比进行优化，使系统的日均能源成本较优化前降低了5.2%。

【关键词】热电联产；混合能源存储系统；粒子群算法

中图分类号： F426.61 文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2018）31-0033-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.31.016

【Abstract】With the development of the economy， the demand for energy is increasing. How to use energy efficiently and reduce energy costs has become an urgent problem. The integrated energy system in the park can couple and complement various forms of energy and improve effectively energy utilization efficiency. In this paper， we introduce the CHP with adjustable thermoelectric ratio， and calculate the economy and reliability of the integrated energy system in the park. The results show that the daily energy cost of the system is reduced approximately 5.2 % by optimizing the thermoelectric ratio of CHP in different seasons.

【Key words】CHP； Hybrid energy storage systems； Particle swarm algorithm

0 引言

随着全球经济的高速发展，能源的消耗量也变得越来越大，如何高效地利用各种能源，降低能源成本，成为世界关注的重要问题[1]。在用能侧将冷热电负荷结合起来，构成园区综合能源系统，成为提升能源转换效率，降低能源成本的重要途径[2]。在此背景下，研究园区综合能源系统的规划设计和运行优化对于缓解能源紧张问题具有重要意义。

在园区综合能源系统的研究中，热电联产系统以高效率，低污染等优点受到了广泛关注。在文献[3]中，解决了包含热电联产装置中能源系统运行成本优化问题。连续时间表示法被应用于文献[4]对与热电联产装置结合的蓄热箱的容量进行配置。混合整数线性规划模型用来确定热电联产系统的最优运行方式[5]。在以上研究中，热电联产系统的热电比均为定值，而实际上在不同季节用户的能源需求形式会有很大区别。本文针对园区综合能源系统，考虑了一年四季中不同的能源需求形式，通过引入热电比可调的热电联产，提出了一种新的系统运行策略。

1 园区综合能源系统能量枢纽模型建模

1.1 能量枢纽模型

能量枢纽模型通过增加能源的供给路径提升能源系统的经济性、灵活性和安全性[6]。图1展示了一种典型的能量枢纽模型。

1.2 各机组出力模型

如图1所示，本文所改进的能量枢纽模型包括热电联产、燃气锅炉、储热水罐，本节将会依次介绍各组件的出力模型。

●热电联产出力模型

热电联产可以利用余热锅炉收集微燃机在发电过程中产生的热能，以此提升综合能源效率。早期的研究中由于热电联产所装备的余热锅炉多为无补燃余热锅炉，其热电比不可调影响了供能效率[7]。在本文中，为了匹配供、用能侧的热电比，配备了带补燃余热锅炉的热电联产装置来改变供能侧的热电比。

热电联产热电机组实际输出的热功率与实际输出电功率之比为热电比（R热电联产），即

式中P热电联产h和P熱电联产e分别为热电联产热电机组的输出热功率和输出电功率，P热电联产in为热电联产的输入功率，η热电联产h和η热电联产e分别代表热电联产热转换效率和电转换效率。

●燃气锅炉出力模型

为了降低能源成本并改善园区综合能源系统的运行可靠性，本文将燃气锅炉作为辅助产热设备添加至能量枢纽模型中，并令其协同热电联产工作，共同供应园区的热负荷。燃气锅炉的输出功率PGB可以表示为：

其中，PGBin为燃气锅炉的输入功率。a1、a2和a3分别为排烟热损失、化学不完全燃烧损失和散热损失，在本文中分别设为：9.87、0.95和2.18。

●储热水罐系统出力模型

为了提高系统运行可靠性，储能系统需要被安装于能量枢纽模型中来平抑系统负荷。然而考虑安装成本，本文以储热为主要储能方式，通过电热耦合实现大规模储存系统过剩产能。储热水罐中所储的热能可由下式表示：

QWT（t）=（1-εWT）QWT（t-1）+QWTh（t）-QWTr（t）（4）

其中，εWT为储热水罐的自放热率；QWT（t）为储热水罐t时刻的存储热量；QWTh（t）和QWTr（t）分别为储热水罐储热量和放热量。

2 优化运行策略

2.1 优化目标

本文基于所提出的能量枢纽模型，考虑天然气和柴油的购置成本，以系统日前24时段运行成本最优为目标，构建目标函数如下：