崔恒志，黃奇峰，楊世海，戰(zhàn)麗萍，周 贛

(1.江蘇省電力公司電力科學研究院，江蘇南京211103；2.東南大學 江蘇 南京210096)

冷熱電聯(lián)供型微電網(wǎng)是指可以同時供應電負荷、熱負荷、冷負荷的分布式能源利用形式，由于其具有能源利用效率高、能源利用形式多樣、能就地解決綜合能源需求等特點，可以很好地滿足綜合能源用戶的需求，其研究利用也越來越受到重視[1-3]。在經(jīng)歷了1973～1974年和1979～1980年2次能源危機后，熱電聯(lián)供開始受到西方國家的重視，美國和歐洲已有許多在運行的項目。日本從1981年開始支持天然氣冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)的發(fā)展，并制定了一系列的保護政策和法規(guī)。截止2003年，日本民用燃氣熱電（冷）項目總裝機容量達到1 429 kW，項目達到2 915個。中國自上世紀90年代初期也開始重視冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)，并開始了相關的探索和研究，上海浦東機場和天津西站也分別采用了冷熱電聯(lián)供型的供能形式[4-7]。然而，目前在運行或在建的冷熱電聯(lián)供項目往往由于設備配置比例不合理，使得設備利用率低，或無法達到原理上高達80%的能源利用效率。在聯(lián)供系統(tǒng)設計時，比較經(jīng)典的“以熱定電”或“以電定熱”原則并不能給出較優(yōu)的系統(tǒng)配置策略。已投入商業(yè)應用的設計軟件如DeST[1]和HOMER也只能簡單的依據(jù)峰值負荷信息和簡單的比例原則給出系統(tǒng)的設備配置方案和設計。

冷熱電聯(lián)供型微電網(wǎng)供能形式多樣，設備組合策略較多，如何提出一種通用性較強的聯(lián)供型微電網(wǎng)的優(yōu)化規(guī)劃方法很重要。文中分析了不同冷熱電聯(lián)供型微電網(wǎng)的特性，然后研究了聯(lián)供型微電網(wǎng)通用規(guī)劃模型，最后在CPLEX中編程實現(xiàn)該規(guī)劃模型并用算例進行驗證，結果顯示該規(guī)劃模型通用性較強，且規(guī)劃結果也較優(yōu)。

1 典型聯(lián)供型微電網(wǎng)

冷熱電聯(lián)供型微電網(wǎng)中原動機可采用（微型）燃氣輪機、內(nèi)燃機、燃料電池、斯特林發(fā)動機等，余熱吸收利用中可采用換熱器、余熱鍋爐、余熱吸收式制冷機等，在熱負荷或冷負荷較大時還可以采用加入燃氣鍋爐的形式加以補燃。另外還可以根據(jù)系統(tǒng)的儲能需求加入一定容量的蓄熱或蓄冷裝置。

由于燃料電池和斯特林發(fā)動機并沒有商業(yè)應用，下面介紹典型的聯(lián)供型微電網(wǎng)是只考慮原動機為微型燃氣輪機和內(nèi)燃機的情況。

類型一。以內(nèi)燃機或燃氣輪機為原動機，采用換熱器、余熱鍋爐進行余熱回收利用以供應熱負荷，冷負荷供應分產(chǎn)系統(tǒng)采用吸收式制冷機和電制冷機組，并網(wǎng)不上網(wǎng)，如圖1[1]所示。

類型二。與類型一的主要區(qū)別在于類型二聯(lián)供型微電網(wǎng)包含蓄能罐/箱，在夏季可以蓄冷，冬季可以蓄熱，如圖2[1]所示。

類型三。與類型一的差別在于，類型三聯(lián)供型微電網(wǎng)中的吸收式制冷設備可由燃氣鍋爐供熱或采用部分直燃式的制冷機組。

2 容量規(guī)劃優(yōu)化建模

在聯(lián)供型微電網(wǎng)的規(guī)劃定容中，需要確定各分產(chǎn)系統(tǒng)中主要設備的最佳容量及分產(chǎn)系統(tǒng)間的最佳設備組合。因而文中規(guī)劃模型的變量選定為T，B，A，E，S，分別為微型燃氣輪機/內(nèi)燃機、燃氣鍋爐、吸收式制冷機、電制冷機、蓄能罐的容量。由決策變量數(shù)組Z確定系統(tǒng)的組成，Z[i]的值可取0或1。

2.1 目標函數(shù)

電力規(guī)劃中，考慮資金的時間價值是進行方案比較的基礎。電力規(guī)劃模型的目標函數(shù)是與項目的經(jīng)濟評價準則相關聯(lián)的，常用的電力規(guī)劃目標函數(shù)有凈現(xiàn)值最大、內(nèi)部收益率大于基準收益率、總費用最小及年費用最小4種。然而由于項目未來收益的難預測性及規(guī)劃模型的計算復雜度較高，前兩種規(guī)劃模型的目標函數(shù)應用并不多[8]。微電網(wǎng)的規(guī)劃亦如此。

文中聯(lián)供型微電網(wǎng)規(guī)劃模型的目標函數(shù)選定為初期投資和年運行成本分別乘以權重系數(shù)后相加最小，記為式（1）。

2.2 約束條件

微電網(wǎng)內(nèi)負荷平衡約束，包括電負荷、熱負荷、冷負荷的平衡，方程為：

式中：ELi，HLi，CLi分別為逐時電負荷、熱負荷、冷負荷需求；Gi為微電網(wǎng)與電網(wǎng)的功率交換量。

安全約束包括系統(tǒng)中設備出力約束、設備運行爬坡和下坡約束、微電網(wǎng)聯(lián)絡線上潮流約束等。

式中：Lin，Lout分別為微電網(wǎng)與大電網(wǎng)聯(lián)絡線上吸收或輸出功率，對于并網(wǎng)不上網(wǎng)的微電網(wǎng)形式，Lout為0。

3 算例分析

算例取自文獻[1]，北京某新建四星級酒店，建筑面積為7.3萬m2，其中客房面積4.2萬m2，餐廳宴會面積1.5萬m2，車庫及其他等為1.6萬m2，其等效熱負荷-電負荷（Q-E）散點如圖3所示。

圖3 酒店負荷Q-E散點

在CPLEX環(huán)境下編程實現(xiàn)文中提出的規(guī)劃模型。規(guī)劃模型中的目標函數(shù)中初期投資和年運行成本的權重定為1:1。

分析該酒店的負荷數(shù)據(jù)及能源價格（見表1），并在此基礎上制定數(shù)據(jù)輸入文檔。該酒店的最大電負荷為2 000 kW，最大熱負荷為2 700 kW，最大生活熱水負荷為1 200 kW，最大冷負荷為4 900 kW。

在該微電網(wǎng)容量規(guī)劃模型中，燃氣輪機采用經(jīng)典變工況運行模型[9-11]。

式中：η*，W*和f*分別為燃氣輪機發(fā)電效率、輸出功率和消耗燃料與額定的比值，即標幺值。

聯(lián)供微電網(wǎng)系統(tǒng)中余熱利用供冷設備常用的為吸收式制冷機組。包括單效或雙效的溴化鋰吸收式制冷機組和氨水制冷機組等。其中溴化鋰制冷機組以水為制冷劑，溴化鋰容易為吸收劑，一般熱源（低壓蒸汽0.12 MPa以上或熱水75℃以上）均可滿足要求，且易于自動化實現(xiàn)，在負載率10%～100%范圍內(nèi)可以實現(xiàn)制冷量的自動、無級調(diào)節(jié)。氨水制冷機組以氨作為制冷劑，能夠制取0℃以下的低溫，變工況性能良好，在負載率30%～100%范圍內(nèi)調(diào)節(jié)時，裝置的經(jīng)濟性無明顯變化[2]。

系統(tǒng)中可采用蓄能罐蓄熱或蓄冷，比較常見的有自然分層水蓄能裝置，其冬天可蓄熱，夏天蓄冷，數(shù)學模型如下：

式中：R為蓄能罐中可用能量；ρ為水的密度；V蓄能罐中可用水的體積；Cp為水的比熱容；Δt為蓄能罐進出水溫差；ε蓄能罐的完善度；α蓄能罐容積的利用率。能源價格如表1[1]所示。

表1 能源價格

根據(jù)輸入的不同狀態(tài)變量數(shù)組Z得到優(yōu)化配置結果，結果如表2所示。其中，原動機模型選用的是微型燃氣輪機模型，額定發(fā)電效率0.3；吸收式制冷機組采用的是雙效溴化鋰吸收式制冷機組，COP=1.2；蓄能罐采用自然分層水蓄能罐，蓄熱密度31.78 kW·h/m3，蓄冷密度8.47 kW·h/m3。

表2 微燃機系統(tǒng)容量優(yōu)化配置結果

原動機選用的是內(nèi)燃機，其他設備模型同上。同樣根據(jù)輸入的不同狀態(tài)變量數(shù)組Z得到優(yōu)化配置結果，結果如下表3所示。

表3 內(nèi)燃機系統(tǒng)容量優(yōu)化配置結果

表2中，聯(lián)供型微電網(wǎng)系統(tǒng)以微型燃氣輪機為原動機，類型一系統(tǒng)的容量規(guī)劃結果采用通用型容量規(guī)劃算法比DeST軟件的規(guī)劃結果較優(yōu)，初期投資減少8.5%，投資回收期也降低10%。表3中，以內(nèi)燃機為原動機，容量規(guī)劃優(yōu)化結果也較優(yōu)。配備蓄能的類型二聯(lián)供系統(tǒng)的經(jīng)濟性遠遠優(yōu)于其他類型的聯(lián)供系統(tǒng)。

由以上幾個算例結果可知，采用文中提出的通用型規(guī)劃模型可對不同的系統(tǒng)進行容量配置的優(yōu)化，且優(yōu)化配置結果可有效地提高系統(tǒng)的經(jīng)濟性，降低運行成本。

4 結束語

在分析幾種典型的冷熱電聯(lián)供型微電網(wǎng)系統(tǒng)的基礎上提出了一種通用的容量配置優(yōu)化模型，并在CPLEX環(huán)境中進行建模，在描述規(guī)劃模型的同時，實現(xiàn)系統(tǒng)的優(yōu)化計算。通過對北京某酒店算例的計算分析，并與前人工作的對比，驗證了該模型的有效性和可靠性，研究表明該冷熱電聯(lián)供型微電網(wǎng)容量規(guī)劃優(yōu)化算法具有較好的通用性和可靠性。

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