计及需求响应的智慧能源系统设计研究

潘广旭，宫池玉，胡 军，林国华，金新凯

（1.国网山东省电力公司日照供电公司，山东 日照 276800；2.国网山东省电力公司五莲县供电公司，山东 日照 276800；3.日照市光明电力服务有限责任公司，山东 日照 276800）

0 引言

随着经济的高速发展，各个领域的能源需求都在增加，环境问题日益严重。在这种形势下，可再生能源冷热电联供系统因其节能、环保、高效的特点，可以同时满足电能、冷能和热能的需求，成为节能减排和提高能源利用率的有效途径之一。

传统能源系统的能源利用率低、用户能量品质需求与供应之间不匹配、不均衡问题显著，冷热电联供技术是解决该问题的重要途径。冷热电联供系统的优化设计一直是冷热电联供系统研究的热点问题。文献［1］设计了一种基于可再生能源和非可再生能源的冷热电联供（Combined Cooling，Heating and Power，CCHP）系统模型；文献［2］针对微型冷热电联供系统提出了一种两阶段优化设计方案；文献［3］利用经济学方法分析了双燃料冷热电联供系统的热力学性能和成本分配；文献［4］建立了生物质与地热能耦合的热电联供系统的分析和成本分析数学模型；文献［5］采用免疫粒子群算法自动对优化目标赋予权重并进行优化求解，实现多目标的协调优化；文献［6］采用遗传算法对系统的参数进行优化，提高了系统的能源节约率；文献［7］采用粒子群算法对含有太阳能的联供系统进行优化配置；文献［8］在系统经济性模型中考虑了碳交易问题，并运用布谷鸟搜索算法进行求解；文献［9］对比新能源驱动的CCHP与天然气驱动的CCHP 系统的性能，结果表明前者具有更好的运行性能。但是以上针对冷热电联供系统的运行模式，多采用单一的“以电定热”模式，导致过渡季能源的浪费；并且以上联供系统的评价指标主要集中在能源减排、二氧化碳减排和成本节约方面等，优化目标不够全面。

综合考虑用户行为规律，采用冬季、夏季“以电定热”，过渡季“以热定电”的运行模式，减少了过渡季能源的损耗；同时，在考虑热能利用的基础上，将效率提高率作为分析能量转换率指标，更全面分析了冷热电联供系统的性能。

1 问题描述

1.1 系统结构

冷热电联供系统的结构如图1 所示。该系统中，内燃机为主要的发电设备，太阳能光伏电池为辅助的发电设备为用户提供电能。内燃机的缸套水和烟气余热为用户提供所需的热能。燃烧天然气的锅炉和电网分别作为热能和电能的备用能源。电制冷机和吸收式制冷机联合为用户提供所需的冷量。

图1 RES-CCHP系统结构与能量流

传统的分供系统配置如图2 所示。该系统中，用户从电网获取所需电负荷，并从电制冷机中获取所需冷量，天然气锅炉作为热能的能量来源。

图2 分供系统结构与能量流

1.2 系统数学模型

内燃发电机组是冷热电联供系统的重要设备，只有对内燃发电机组进行全工况的分析，并建立合适的模型，才能掌握系统的实际运行特性［10］。主要考虑内燃机的整体发电效率和能量消耗，以小型内燃机组标准特性参数为依据建立内燃发电机组变工况特性的全工况建模［11］并得到其拟合曲线公式。

内燃机在不同负载率下的发电效率和热系数如式（1）所示。

式中：r(t)为t时刻的负载率；ηig为内燃机发电效率；fe(t)为t时刻烟气热系数；fj(t)为t时刻缸套水热系数。

要想研究系统的能量特性，就需要分析系统的能量流动关系［12］。内燃发电机的输出电功率和输入功率关系如式（2）所示。

式中：Eice(t)为t时刻内燃机输出电功率；Gice(t)为t时刻内燃机输入功率。

内燃发电机输出余热功率与输入功率关系如式（3）所示。

式中：Hre(t)为t时刻内燃机输出余热功率；ηjw为缸套水换热器效率；ηexh为烟气换热器效率。

忽略温度的影响，太阳能光伏电池输出功率和输入光照强度关系为

式中：Epv(t)为t时刻太阳能电池输出功率；Wsolar(t)为t时刻输入光照强度；ηpv为太阳能光伏电池转换效率；Npv为太阳能光伏电池数量；Spv为单个太阳能光伏电池占地面积。

溴化锂吸收式制冷机输出功率和输入热能关系如式（5）所示。

式中：Cac(t)为t时刻溴化锂吸收式制冷机输出冷量；Hac(t)为t时刻溴化锂吸收式制冷机输入热量；ηCOP，ac为溴化锂吸收式制冷机的制冷系数。

电制冷机的输出功率和输入电能关系为

式中：Cec(t)为t时刻电制冷机输出冷量；Eec(t)为t时刻电制冷机输入电量；ηCOP，ec为电制冷机的制冷系数。

燃气锅炉的输出功率和输入热功率关系为

式中：Hboil(t)为t时刻燃气锅炉输出热功率；Gboil(t)为t时刻天然气燃烧输入热功率；ηb为燃气锅炉的热效率。

2 RES-CCHP系统优化目标函数

在系统优化过程中，从经济性、节能性、减排性以及㶲效率等4 个方面，提出4 个不同的目标函数。所有目标函数的定义均以传统分供系统为对照，其中分供系统中包含锅炉、电制冷机和电网。为每一个目标函数赋予不同的权重，最后再将4 个目标函数优化的结果通过权重系数变换法整合在一起，即有：

式中：IAOC，year为联供系统运行成本年节约率；IPE，year为联供系统一次能源节约率；ICRE，year为联供系统二氧化碳减排率；INEX，year为联供系统㶲效率提高率；ω1，ω2，ω3，ω4为独立目标函数权重。权重系数代表着各目标在优化求解中所占的权重，各目标权重系数的取值对优化运行的结果有重要影响。RES-CCHP系统的环保、节能潜力更应该被关注，系统投资成本偏高等经济问题可通过产业规模化等市场手段解决，故将ω1和ω3设置为较低的0.2，将ω2和ω4设置为较高的0.3。

2.1 联供系统年运行成本节约率

第1个目标函数是年运行成本节约率，定义为：

式中：CCCHP，year为联供系统年运行成本；CSP，year为参考分供系统年运行成本；为联供系统的设备购买和运行维护成本；为联供系统电网交互成本；为联供系统天然气燃料成本；T为时间间隔，取1h；R为系统投资回报系数；为系统主要设备投资成本；σ为系统运行和维护费用系数；Pgb(t)为时刻t电费价格；(t)为时刻t系统向电网购电功率；Pgs(t)为时刻t售电价格；为时刻t系统向电网售电功率；μgas为天然气价格；为内燃机输入功率；（t）为t时刻的燃气锅炉输入功率；为分供系统的设备购买和运行维护成本；为分供系统主要设备投资成本；为分供系统电网交互成本；(t)为时刻t分供系统向电网购电功率；为分供系统天然气燃料成本；(t)为分供系统燃气锅炉输入功率。

2.2 联供系统一次能源节约率

第2 个目标函数用来评估冷热电联供系统相较于参照分供系统的能源消耗，如式（14）所示。

式中：FSP，year为参考分供系统年一次能源消耗量；FCCHP，year为联供系统年一次能源消耗量；为联供系统消耗的一次能源；为电网系统消耗的一次能源；v为标准煤折算系数，本文取8.13 kWh/kg［13］；ηtp为电厂的发电效率；ηgrid为电网传输效率；为分供系统锅炉的运行过程中要消耗的一次能源；为分供系统电网运行过程消耗的煤。

2.3 联供系统二氧化碳减排率

第3个目标函数是二氧化碳减排率，定义为：

式中：VSP，year为参照系统的二氧化碳排放量；VCCHP，year为冷热电联供系统二氧化碳排放量；μc为电网燃煤的二氧化碳排放系数；μn为天然气的二氧化碳排放系数。

2.4 联供系统㶲效率提高率

第4 个目标函数是联供系统㶲效率提高率的优化。该目标函数从热经济角度比较冷热电联供系统和参考系统，㶲效率提高率定义为：

联供系统的㶲流结构如图3所示。联供系统输入的㶲主要由天然气燃料、太阳能、电厂消耗的煤、锅炉内燃机燃烧所需的空气、制冷机制冷需要的水和燃气内燃机的缸套水的㶲组成；联供系统输出的㶲主要由建筑物电负荷、生活热水、冷水的㶲组成。分供系统的㶲流结构如图4所示。与联供系统相比，分供系统没有输入太阳能的㶲和燃气内燃机缸套水的㶲。

图3 冷热电联供系统的㶲流结构

图4 分供系统的㶲流结构

3 系统优化求解

在选择优化配置变量的过程中，应选择受其他设备影响较小的和相对独立的设备容量作为优化配置这部分的优化变量［14］。选取燃气内燃机容量Npgu，燃气内燃机最低负载率a，光伏电池组数量Npv和吸收式制冷机和燃气内燃机容量比s为优化变量。

3.1 系统参数配置

为充分发挥系统能效，联供系统主要的设备参数如表1所示［15］。

表1 系统主要设备参数

联供系统主要的经济参数如表2所示。

表2 系统主要经济参数

联供系统主要环境参数如表3所示。

表3 系统主要环境参数

系统在不同时段向电网售电价格和从电网购电价格如表4所示。

表4 系统售电及购电价格

通过分析典型场景下的用户用能行为，得到用户全年用能规律。经过用户用能分析后，调整的建筑物全年冷热电负荷数据如图5 所示。建筑物全年电负荷分布较为平均，冷热负荷分布具有明显的季节性。其中，冷负荷主要集中在夏季，热负荷主要集中在冬季。

图5 用能行为分析后建筑物全年负荷

3.2 遗传算法

优化配置采用遗传算法对该系统中的设备容量和关键参数进行优化。遗传算法已成为求解最优化问题的一种重要解决方法，是现代智能计算领域广泛采用的关键技术之一［16］。遗传算法的相关参数如表5所示。遗传算法流程如图6所示。

表5 遗传算法相关参数

图6 冷热电联供系统的遗传算法流程

表6给出了4个优化变量的取值范围。

表6 遗传算法优化变量

3.3 求解结果

联供系统的主要设备容量优化结果如表7所示。

表7 联供系统优化设备容量

将联供系统和分供系统进行对比，得到联供系统的各评价指标如表8所示。

表8 联供系统各评价指标 单位：%

从上述数据可以看出，优化设计后的冷热电联供系统的年一次能源节约率为19.5%，年二氧化碳减排率为42.1%，联供系统在环境、能源方面具有巨大优势。联供系统热力学指标为2.1%，相比于传统的分供系统也有提高，说明该系统在热能的利用方面具有优势。但由于联供系统结构复杂，且前期系统设备的购买费用较高，投资较大，因此经济性能欠佳。

3.4 仿真验证

为了进一步验证优化系统的可行性。图7 和图8 分别给出了冷热电联供系统以月为单位的全年供电和供热情况。建筑物自身电负荷和电制冷机输入电功率组成了电负荷需求；建筑物自身热负荷和吸收式制冷机输入热功率组成了热负荷需求。

图7 联供系统全年电负荷供求关系

由图7 可知，联供系统的电负荷供应量始终多于建筑物的电负荷需求量；由图8 可知，联供系统的热负荷供应量始终多于建筑物的热负荷需求量。因此，系统可以满足建筑物的冷、热、电负荷需求。

图8 联供系统全年热负荷供求关系

为了进一步分析联供系统各设备在不同时段的出力情况和联供系统与电网的电能交互情况，分别选取夏季、冬季和过渡季的典型日（工作日和非工作日）进行联供系统的负荷分析。

夏季系统工作在“以电定热”模式，图9—图12为夏季典型日联供系统负荷组成。

图9 夏季典型工作日联供系统电负荷组成

图10 夏季典型非工作日联供系统电负荷组成

图11 夏季典型工作日联供系统热负荷组成

图12 夏季典型非工作日联供系统热负荷组成

夜间电负荷需求较小且无太阳能，夜间负荷全部由电网供应。工作日白天电负荷需求较大，光伏输出的电能无法满足电负荷需求，内燃发电机启动为建筑物提供电能。

非工作日电负荷需求较低，光伏输出的电能足以供应白天建筑物所需电负荷，内燃发电机不启动，太阳能板产生的多余电能向电网售出。

工作日白天内燃机启动后产生的余热基本可以满足建筑的热负荷需求，系统多余的热能以废气的形式排出。夜间因内燃机不启动，补燃锅炉启动提供所需热负荷。

因电负荷较小内燃发电机不启动，由补燃锅炉提供全天热负荷。

冬季系统工作在“以电定热”模式，图13—图16为冬季典型日联供系统负荷组成。

图13 冬季典型工作日联供系统电负荷组成

图14 冬季典型非工作日联供系统电负荷组成

图15 冬季典型工作日联供系统热负荷组成

图16 冬季典型非工作日联供系统热负荷组成

夜间负荷全部由电网供应；冬季工作日白天电负荷需求较大，太阳能和内燃发电机共同为建筑物提供电能。然而冬季日照时间较短，白天太阳能输出功率较小，仅可为建筑物提供约8%的电能。

典型冬季非工作日联供系统电负荷组成情况与典型夏季非工作日联供系统电负荷组成类似。

典型冬季联供系统热负荷组成情况与典型夏季工作日联供系统热负荷组成类似。

过渡季系统工作在“以热定电”模式，图17—图20为过渡季典型日联供系统负荷组成。

图17 过渡季典型工作日联供系统电负荷组成

图18 过渡季典型非工作日联供系统电负荷组成

图19 过渡季典型工作日联供系统热负荷组成

图20 过渡季典型非工作日联供系统热负荷组成

夜间负荷组成与冬夏季无异；工作日白天电负荷需求较大，且远超于内燃发电机额定功率，较冬夏季，联供系统在过渡季典型工作日从电网购买的电量明显增大。

典型过渡季非工作日联供系统电负荷组成，其组成情况与冬夏季非工作日大致相同。

系统优先使用燃气内燃机余热通过换热器以生活用水等形式向建筑提供热能，不足的部分由燃气锅炉补足，多余的热量将以废气的形式排出。

典型过渡季非工作日联供系统热负荷组成，其组成情况与冬夏季基本相同。

4 结语

通过综合考虑用户行为规律，深度挖掘需求侧负荷的节能潜力，提出了一种结合天然气和太阳能的冷热电联供系统配置，通过与传统分供系统相比较，基于经济、环境、能源、热力学评价指标对该系统进行了优化设计。经验证，与分供系统相比，该系统的CO2排放和一次能源的消耗显著减少，系统㶲效率有所提高。根据联供系统仿真结果按月分析电热负荷供求关系，分析了冬夏和过渡季典型日电热负荷组成，验证该联供系统的可行性。本文的设计优化模型采用了“以电定热”的传统运行模式，运行经济性有待进一步提高，本研究将在下一步研究计划中，将系统设计与运行优化结合，提高系统经济性。