含混合储能的冷热电联供系统运行策略及容量配置

崔树银, 常 啸, 陆 奕

(上海电力大学经济与管理学院，上海 200090)

随着社会经济的不断发展，能源开发与环境保护间的矛盾日益凸显，如何在环境友好的前提下提高能源使用率成为世界各国和相关组织关注的重点[1]。在此背景，习总书记提出能源革命发展理念，明确国家能源安全战略，积极推动能源生产和消费革命[2]。

能源行业是节能减排的主力军，发展分布式能源对于低碳经济的实现和人类的可持续发展都具有重要的意义[3-4]。目前，针对冷热电联供(combined cooling heating and power，CCHP)系统优化研究已取得了一定进展。文献[5-6]以CCHP系统综合效益最优为目标函数，探讨引入能源价格和不同负荷结构的影响；文献[7-8]通过分析含储能装置的CCHP系统，验证储能装置有效提高系统经济效益；文献[9-10]以CCHP系统运行成本最低为优化目标，考虑分布式发电的不确定性，分析系统储能容量最优配置及运行策略；文献[11]建立了全寿命周期的CCHP储能调度规划双层优化模型，讨论CCHP配置不同类型储能的经济性和可行性；文献[12]针对含储能的CCHP系统运行可靠性和经济性建立优化模型，通过蒙特卡罗模拟法验证算例得出最佳储能容量；文献[13]基于不同季节典型日光伏处理和负荷特性曲线，建立经济-环境效益最大化的区域综合能源系统容量配置优化模型；文献[14]提出一种基于频谱分析确定混合储能系统(hybrid energy storage system，HESS)容量配置的方法，并基于此确定储能最优运行策略。上述文献大多仅从经济性分析含储能的CCHP系统容量配置，而CCHP系统涉及冷、热、电三种能量形式间的耦合关系，仅从经济性角度不能客观准确评估储能容量配置对CCHP系统优化运行的影响。因此，从能源性、经济性、环境性三方面分析储能容量配置对CCHP系统运行策略和综合效益的影响。

1 系统结构与设备建模

冷热电联供系统作为分布式综合能源系统最直观的体现形式，其能源综合利用率可达到80%左右，采用科学合理的系统运行策略和设备配置对于推动能源结构转型、推进中国能源革命具有重要意义。所建含混合储能的CCHP系统结构如图1所示。

图1 CCHP系统结构及能量流动图

1.1 燃气轮机模型

燃气轮机(gas turbine，GT)。多以天然气为燃料，通过高品质的热能驱动燃气轮机发电。其数学模型为

ηgt=(aβ3+bβ2+cβ+d)/100

(1)

(2)

(3)

式中：ηgt为燃气轮机发电效率；ηl为热损失系数，取值0.06；Qgt(t)为燃气轮机单位时间可回收余热量；Pgt(t)为燃气轮机单位时间发电功率；Δt为时间间隔，为1 h；Vgt(t)为单位时间天然气消耗量；Lng为天然气热值，一般取9.7 kW·h/m3；β为机组负荷率；a、b、c、d为正常数，分别取值a=17.989、b=-27.081、c=33.157、d=8.935。

1.2 吸收式冷/热机组模型

吸收式冷/热机组是指通过余热锅炉(heat recovery boiler，HRB)和吸收式制冷机(absorption chiller，AC)回收利用低品质热能转换为可利用热能、冷能，其数学模型为

(4)

式(4)中：ηrec为烟气余热回收率，取ηrec=0.75；Pgt-he(t)和Pgt-co(t)为余热回收利用机组提供的制热量、制冷量；Phe和Pco为余热回收利用机组的制热、制冷系数，分别取值0.9和1.2。

1.3 混合储能装置模型

储能装置是CCHP系统重要补充部分，理论上只要储能装置容量足够大且响应速度足够快，就可以实现分布式能源系统内部能量平衡，保障系统稳定运行。考虑储能装置充放电损耗、储能功率约束、使用寿命、投资成本等因素[14]，采用由蓄电池组和超级电容器组成的混合储能装置，其数学模型为

(6)

式中：E(t)和E(t-1)分别为在t时段和t-1时段内的储能装置能量；δ为储能装置的自损率，取值0.04；Pes(t)为储能装置充放电功率，放电取正值，充电取负值；ηch和ηdis为储能装置充放电效率，取值0.9。

1.4 电制冷/热机组模型

电制冷/热机组是指通过空调或电暖器等设备将电能转换为冷能、热能，其数学模型为

Peh,out(t)=Peh,in(t)ηeh

(7)

Pec,out(t)=Pec,in(t)ηec

(8)

式中：Pec,out(t)和Peh,out(t)分别为电制冷/热装置的输出功率；Pec,in(t)和Peh,in(t)分别为电制冷/热装置的输入功率；ηec和ηeh分别为电制冷/热装置的能耗比，分别取2.7和3.3。

2 含混合储能的冷热电联供系统容量配置优化模型

2.1 目标函数

由于多目标函数权重系数的选取对优化结果影响较大，因此，从能源性、经济性、环境性三方面分析储能容量配置对CCHP系统运行策略和综合效益的影响。

2.1.1 能源性指标：系统一次能源消耗系数

(9)

式(9)中：λg为天然气的一次能源转换系数，取值为1.47；λe为电网购电的一次能源转换系数，取3.36；s为典型日类数；Ts为第s类典型日全年持续天数。

2.1.2 经济性指标：系统运行成本

f2(x)=Ce

(10)

Ce=Cpgt+Cpeg

(11)

(12)

(13)

式中：Ce为系统年运行成本；Cpgt为购买天然气燃料成本；Cpeg为电网购电成本，Cgt(t)为天然气价；Ceg(t)为电价。

2.1.3 环境性指标：系统二氧化碳排放量

(14)

式中：μg和μe为天然气和电网购电的二氧化碳排放系数，分别取μg=0.428 kg/(kW·h)、μe=0.928 kg/(kW·h)。

2.2 约束条件

2.2.1 设备运行约束

各设备应满足功率上下限要求：

Pimin≤Pi≤Pimax

(15)

式(15)中：Pi为第i个设备的运行功率；Pimax和Pimin分别为第i个设备额定功率上下限。

2.2.2 电功率平衡约束

Pgt(t)+Pes(t)+Pdisnet(t)=PLoad(t)+Pec,in(t)+

Peh,in(t)

(16)

式(16)中：Pdisnet(t)为系统购电功率；Pload(t)为系统电负荷需求功率。

2.2.3 热功率平衡约束

Pgt-he(t)+Peh,out(t)=Pheat(t)

(17)

式(17)中：Pheat(t)为系统热负荷需求功率。

2.2.4 冷功率平衡约束

Pgt-co(t)+Pec,out(t)=Pcold(t)

(18)

式(18)中：Pcold(t)为系统中冷负荷的需求功率。

2.2.5 储能装置容量约束

Pchmax≤Pes(t)≤Pdismax

(19)

0≤E(t)≤Emax

(20)

式中：Pes(t)为储能装置充、放电功率；Pchmax和Pdismax分别为储能装置最大充、放电功率；E(t)为储能装置实际容量；Emax为储能装置最大储能量。

由于CCHP型系统调度呈现周期性，因此，储能装置应在调度周期内初始和结束时刻保持一致[15]，即应满足：

E(1)=E(24)

(21)

2.3 优化求解

所建含混合储能的CCHP系统优化调度模型为混合整数非线性规划问题其一般形式如式(22)，故采用MATLAB调用Cplex求解器进行求解。

minf(x,y)

s.tg(x,y)=0

h(x,y)≥0

(22)

式(22)中：f(x,y)为目标函数；g(x,y)为等式约束；h(x,y)为不等式约束。

3 算例分析

3.1 算例概况

选取某办公楼为分析对象，主要设备参数见表1，根据该地负荷需求将一年划分为夏季(5—8月)、冬季(11—2月)和过渡季(3—4月、9—10月)，典型日的天数分别为122、121、122 d；典型日负荷曲线[7]如图2所示，单位时间间隔为1 h，调度周期为1 d。采用上海市分时电价，电价和天然气价格如表2所示，天然气价格折合单位热值为0.36元/(kW·h)。

表1 设备参数

表2 分时电价和天然气价

注：峰时即6:00—22:00；谷时即0：00—6:00、22:00—24：00。

3.2 混合储能容量配置分析

由于CCHP系统优化调度呈现周期性，因此在初始和结束时刻，储能容量应保持一致[15]。因此，在此选取初始容量为100 kW。

3.2.1 能源性指标

不同运行策略含混合储能的CCHP系统年一次能源消耗系数如图3所示，储能容量为0 kW时，“以热定电”运行模式优于“以电定热”；“以电定热”运行模式下，一次能源消耗系数同储能容量成正比，“以热定电”运行模式成反比；当储能容量大于等于1 500 kW时，“以热定电”运行模式下一次能源消耗系数不再变化，“以电定热”则一直增加。

图2 典型日负荷预测曲线

图3 能源性指标

3.2.2 经济性指标

不同运行策略含混合储能的CCHP系统年运行成本如图4所示，储能可有效减少系统运行成本且“以电定热”运行模式优于“以热定电”；储能容量取1 500 kW时，“以热定电”运行模式下，系统年运行成本不在变化，“以电定热”则一直减少。

图4 经济性指标

基于生命周期法由表1可得，单位容量的混合储能投资成本和维护成本为106元/年。考虑初期投资成本和维护成本的含储能CCHP系统综合成本如表3所示，“以热定电”运行模式下，储能容量取1 000 kW左右时，系统综合成本最低。

表3 综合成本

3.2.3 环境性指标

不同运行策略含混合储能的CCHP系统年二氧化碳排放量如图5所示，储能容量为0 kW时，“以热定电”运行模式优于“以电定热”；“以电定热”运行模式下，二氧化碳排放量同储能容量成正比，“以热定电”运行模式成反比；当储能容量大于1 500 kW时，“以热定电”二氧化碳排放量不在变化，“以电定热”则一直增加。

图5 环境性指标

图6 能源性指标

3.3 初始容量配置分析

选取储能容量为1 000 kW，分析初始容量配置对CCHP系统优化运行的影响。

3.3.1 能源性指标

不同运行策略含混合储能的CCHP系统年一次能源消耗系数如图6所示，“以热定电”运行模式优于“以电定热”；“以热定电”运行模式下，当初始容量取300 kW左右，一次能源消耗系数最低，“以电定热”运行模式下系统一次能源消耗系数与初始容量成正比。

3.3.2 经济性指标

不同运行策略含混合储能的CCHP系统运行成本如图7所示，“以电定热”运行模式优于“以热定电”；“以热定电”运行模式下初始容量取300 kW左右时，系统运行成本最低，“以电定热”运行模式，系统运行成本与初始容量成正比。

图7 经济性指标

3.3.3 环境性指标

不同运行策略含混合储能的CCHP系统年二氧化碳排放量如图8所示，“以热定电”运行模式优于“以电定热”；初始容量取300 kW左右，系统“以热定电”运行模式下二氧化碳排放量最低，“以电定热”运行模式下同二氧化碳排放量与初始容量成正比。

图8 环境性指标

4 结论与展望

以含混合储能的CCHP系统为研究对象，分析储能容量配置对系统综合效益及运行策略的影响，得出以下结论。

(1)储能装置虽可以减少系统运行成本，但由于其相对高额的投资成本和维护成本，“以电定热”运行模式下并不能减少系统综合成本，“以热定电”运行模式下，当储能容量取1 000 kW左右时，系统综合成本最优。

(2)“以热定电”运行模式下，储能装置可以有效减少系统一次能源消耗和二氧化碳排放，当容量大于等于1 500 kW时最优且不在变化。

(3)“以电定热”运行模式下，系统能源性、经济性、环境性指标与初始容量成正比，对比“以热定电”运行模式，初始容量取300 kW左右时最优。