多能互补综合能源系统运行优化研究

李 兵，牛洪海，陈 俊，耿 欣，娄清辉

(南京南瑞继保电气有限公司，江苏 南京 211102)

0 引言

传统的冷、热、电等能源系统隶属于不同部门进行管理与运行，无法发挥协同潜力，抑制了能源利用率的提高和可再生能源的消纳。具有多能协同特征的多能互补综合能源系统通过冷、热、电等多能流的综合规划、协调控制、智能调度与多元互动可显著提高能源供需协调能力，促进可再生能源消纳，是提高能源系统综合效率的重要抓手；对于建设清洁低碳、安全高效的现代能源体系具有重要的现实意义和深远的战略意义，目前这一技术成为研究的热点[1]。

多能互补系统组成形式多样，存在多种不同品质能源介质的生产与转换，单一的指标如发电煤耗、制冷性能系数等无法全面评价系统的性能，同时不同能源介质相互耦合，设备运行参数与系统运行方式的改变均会对系统能耗产生影响[2-5]。

目前国内外对多能互补综合能源系统的研究多集中于宏观层面，如系统规划、技术形态等；部分学者借鉴微电网的控制理论及大电网的调度理论，开展综合能源系统的优化运行研究，但通常只研究其中2种能量耦合并使用了一致的优化周期，优化方法和传统方法较为一致，多能流、多时间尺度的特性没有充分体现；同时，鲜见关于多能流实时协调控制及系统整体性能评价的研究。因此，本文针对不同类型的多能互补系统，建立相应的能耗评价准则，对系统运行能耗进行精确表征，进而实现系统设计与运行的优化。

1 以燃煤热电联产为基础的多能互补系统运行优化准则

1.1 系统能耗分析模型

(1)

式中：Copc为电制冷机组性能系数；Copa为吸收式机组性能系数；ηb为调峰锅炉效率，%；ηp为凝汽式机组的热效率，%；ηtg为热电联产机组的燃料利用系数，%。

如采用冷热电分供的形式，系统的热耗量为

(2)

多能互补系统与分供系统相比，热耗量的差值为

(3)

从式(3)可看出:在用户侧冷热电负荷不断增大时，多能互补系统产生的节能量逐渐减少；在多能互补系统调峰设备负荷为0时，系统节能潜力最大。进而可得到多能互补系统的临界节能条件如下：

(4)

1.2 系统节能评价条件

为研究方便，式(4)中Copc、Copa、ηb、ηp可取为常数，取值分别为5、1、0.8、0.4，得到不同运行条件下系统的节能约束条件，如图1所示。

图1 系统节能约束边界Fig.1 Boundary condition of energy saving

由于吸收式制冷机组利用汽轮机抽汽进行制冷后会影响机组的发电量，同时吸收式制冷机组的性能系数小于电制冷机组的性能系数，会对系统的节能效果产生影响;因此，当系统冷、热配比不合理时，会影响系统的整体能效[6-7]。由图1可看出，在相同的燃料利用系数下，随着吸收式制冷机组蒸汽份额的提高，系统节能区域变小，节能条件变得苛刻。

审计组长在完成审计项目过程中处于中心地位，发挥着主导作用，不仅要身体立行做好战斗员，还要运筹帷幄当好指挥员。为了保障审计项目顺利、高效和高质量地完成，要充分做好审前调查，精心编制审计方案，扎实做好现场查证，认真复核审计文书，技巧性地与被审计单位“见面”。只有全过程综合运用 ，才能得心应手地当好审计组长。

2 以天然气冷热电三联供为基础的多能互补系统运行优化准则

2.1 系统能耗分析模型

以天然气冷热电联三联供为基础的多能互补系统不像热电联产机组可通过汽轮机抽汽的调整实现冷热电负荷调整，其运行方式主要采取以热定电与以电定热2种类型。其中以热定电方式又称为热跟随模式，即在系统运行期间燃气轮机及配套余热锅炉优先满足系统热量需求，同时产生电能，如果该电能不能满足需求，则从电网购电；以电定热方式又称电跟随模式，其运行思想与以热定电方式相反，燃气轮机优先满足系统电负荷需求，当系统热负荷较大时，不足的热量由调峰锅炉燃烧天然气提供。针对该类型系统的优化主要对比以热定电与以电定热2种运行方式的差异[8-11]。

在以热定电运行方式下，当系统所需热量大于系统余热锅炉提供的蒸汽量时，需要启动调峰锅炉补充热量，系统天然气消耗量FS及外购电量Pbuy为

(5)

式中：ω为电制冷机组供冷份额；Fmax为燃气轮机最大工况下的天然气消耗量；ηGT为燃气轮机的发电效率;ηrec为余热锅炉的热效率。

当系统所需热量小于余热锅炉提供的蒸汽量时，无需启动燃气锅炉，系统的天然气消耗量及外购电量分别为

(6)

以电定热运行方式下，当系统所需电量大于三联供机组提供的最大电量时，需要从电网买电，系统的天然气消耗量及外购电量分别为

(7)

当系统所需电量小于三联供机组提供的电量时，系统消耗的天然气消耗量与外购电量分别为

(8)

2.2 系统运行优化准则

(9)

以电定热方式下系统的天然气消耗量及外购电量为

(10)

2种方式下系统的能耗量差值为

(11)

此时系统采用以热定电的运行方式优于以电定热的方式。

(12)

以电定热方式下系统的天然气消耗量及外购电量为

(13)

2种方式下系统的能耗差值为

(14)

一般情况下，由于(1-ηGT)ηrec-ηb<0，因此ΔE<0，此时采取以电定热的方式运行优于以热定电的方式。

通过上述分析可以得出以天然气冷热电三联供为基础的多能互补系统运行优化的基本准则：当系统等效热负荷(含冷、热)与电负荷比值小于燃气轮机输出烟气热量与发电功率的比值时，系统宜采用以热定电的方式运行；反之，应采用以电定热的方式运行。

3 多能互补综合能源系统协调控制模型

为实现多能互补综合能源系统运行的优化控制，本文根据综合能源系统多能流多时间尺度的特点，设计一种分层协调控制机制，实现冷热电多能流日前与实时2个时间尺度的协调调度与控制，消除能源需求不确定性和负荷预测误差给系统优化带来的不利影响，实现综合能源系统的经济运行。其系统架构如图2所示。

图2 多能互补系统协调控制系统架构Fig.2 Topology of multi-energy collaboration control system

该系统分为3层架构，其中上层为优化调度层，中间层为协调控制层，底层为实时控制层。优化调度层根据历史数据，以综合能源系统运行成本最小为优化目标，根据系统运行约束条件，结合预测的可再生能源发电功率、用户冷热电负荷需求进行优化调度，确定综合能源系统中冷热电计划指令；协调控制层根据优化调度层得到的冷热电计划指令，根据系统设备运行情况，得到综合能源系统中冷热电实时负荷指令[12-15]。

优化调度层的优化调度为日前调度，一般可取调度周期为15 min，1 d有96个调度周期，系统优化调度目标函数为

约束条件包括系统的供能、储能和辅助供能设备运行条件约束、负荷平衡约束等。根据未来24 h冷热电负荷预测结果，对上述模型进行求解，形成冷热电负荷优化调度计划。以夏季制冷负荷为例，优化结果如图3所示。

实际运行时，协调控制器根据超短期负荷预测结果，对优化调度层下发的计划指令进行滚动修正，形成实时负荷指令，进而实现综合能源的优化运行。

图3 制冷优化结果Fig.2 Optimization result of cooling system

4 结语

本文归纳了多能互补系统的主要组成形式，并分别建立了相应的系统能耗模型，其可精确表征多能互补综合能源系统的性能；在此基础上得到上述2类系统运行优化的一般性准则；并提出了一种分层分布式多能互补综合能源系统的协调控制架构及方法，可实现系统的经济运行。

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