劉方澤, 牟龍華, 張 濤, 朱 彤

(1. 同濟大學(xué)電子與信息工程學(xué)院, 上海市 201804; 2. 同濟大學(xué)機械與能源工程學(xué)院, 上海市 201804)

0 引言

隨著能源枯竭、環(huán)境污染和氣候變化等問題的日益突出,以清潔能源為主要一次能源的分布式能源網(wǎng)絡(luò)體系得到了越來越多的關(guān)注。2011年,美國學(xué)者杰里米·里夫金在《第三次工業(yè)革命》中首先提出了能源互聯(lián)網(wǎng)的愿景[1],中國發(fā)改委也提出了《關(guān)于推進“互聯(lián)網(wǎng)+”智慧能源發(fā)展的指導(dǎo)意見》,指出要加強多能協(xié)同綜合能源網(wǎng)絡(luò)建設(shè),電、氣、熱、冷等不同類型能源之間的耦合互動和綜合利用已成為研究熱點之一[2-4]。

以燃氣輪機為核心的冷熱電三聯(lián)供(combined cooling, heating and power,CCHP)系統(tǒng)集制冷、供熱和發(fā)電于一體,通過能源梯級利用大幅提高能源利用率,環(huán)境污染小,近年來得到了快速的發(fā)展,適合作為多能源耦合樞紐的基礎(chǔ),電、氣、冷、熱的互補融合也將“微電網(wǎng)”的概念推廣為“微能源網(wǎng)”[5-7]。文獻[8]建立了針對CCHP的多目標(biāo)模型,利用遺傳算法對系統(tǒng)設(shè)備容量和運行模式進行了優(yōu)化,并分析了能源價格與蓄能對系統(tǒng)綜合效益的影響。文獻[9]在分析了分布式CCHP系統(tǒng)的研究和發(fā)展面臨的新機遇的基礎(chǔ)上,提出了與電力系統(tǒng)協(xié)同的區(qū)域型CCHP系統(tǒng)的總體集成思路和技術(shù)集成方案,通過變結(jié)構(gòu)的集成方式來實現(xiàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能的協(xié)同優(yōu)化。文獻[10]基于能源集線器理論,構(gòu)建熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)模型,給出區(qū)域綜合能源系統(tǒng)的完全解耦、部分耦合以及完全耦合3種運行模式,并提出適用的混合潮流算法。文獻[11]結(jié)合CCHP系統(tǒng)能量平衡約束和熱網(wǎng)模型,建立了多區(qū)域CCHP系統(tǒng)容量協(xié)同優(yōu)化配置的混合整數(shù)線性規(guī)劃模型,并仿真證明了多區(qū)域協(xié)同規(guī)劃和運行能提高能源利用率,降低運行費用;文獻[12]針對能源樞紐中電能與天然氣的互聯(lián),提出了一種可靠性最優(yōu)的規(guī)劃模型,并通過數(shù)值模擬證明了其有效性,進而證明了冷、熱、電、氣綜合研究的必要性。但上述研究目標(biāo)都局限于CCHP系統(tǒng),沒有考慮其他能源的接入。

微能源網(wǎng)中的能量耦合樞紐在現(xiàn)有CCHP的基礎(chǔ)上還增加了太陽能、風(fēng)能和儲能等其他能源形式。文獻[13]討論了加入太陽能發(fā)電和太陽能集熱器后聯(lián)供系統(tǒng)的運行方式和評價指標(biāo)等,設(shè)計了相應(yīng)的控制策略和運行優(yōu)化方法,但是只考慮了太陽能一種清潔能源。文獻[14]建立了含光伏和蓄能的CCHP系統(tǒng)調(diào)峰調(diào)蓄優(yōu)化調(diào)度數(shù)學(xué)模型,以最小經(jīng)濟成本和電網(wǎng)供電方差為優(yōu)化目標(biāo)進行了算例分析;文獻[15]在現(xiàn)有能源樞紐的基礎(chǔ)上深度挖掘了太陽能和儲能運行方式對能源花費的影響,但是其目標(biāo)函數(shù)都沒有考慮能源和環(huán)境方面。文獻[16]以能源互聯(lián)網(wǎng)為背景,主要研究了多種能源在轉(zhuǎn)化利用過程中,不同“能質(zhì)”能量之間的等效轉(zhuǎn)化關(guān)系及其效益模型,考慮了能源利用率與成本等多種目標(biāo),并用粒子群算法進行了優(yōu)化,但沒有考慮熱、電的轉(zhuǎn)換。文獻[17]提出了一種考慮需求響應(yīng)的能源樞紐框架,實現(xiàn)調(diào)節(jié)電能和天然氣的供需狀態(tài),并驗證了樞紐對供需雙方都是有利的,但是文章的聚焦點在需求響應(yīng)方面。

隨著能源互聯(lián)網(wǎng)的提出,多能源互補已成為一個必然的發(fā)展趨勢,而分布式能源技術(shù)的進步也促進了微能源網(wǎng)的發(fā)展。本文在傳統(tǒng)CCHP的基礎(chǔ)上,增加了基于有機朗肯循環(huán)(organic Rankine cycle,ORC)的低溫余熱發(fā)電系統(tǒng)作為CCHP的重要補充,還考慮了以太陽能、風(fēng)能為代表的清潔能源和儲能單元,以上各部分共同構(gòu)成了能夠?qū)崿F(xiàn)能源傳輸、轉(zhuǎn)化、存儲的微能源網(wǎng)系統(tǒng)多能源耦合樞紐;通過建立各部分的數(shù)學(xué)模型,分析其控制策略和運行方式,綜合考慮經(jīng)濟成本、能源消耗和環(huán)境等指標(biāo)對系統(tǒng)進行求解,實現(xiàn)最優(yōu)綜合效益。

1 微能源網(wǎng)基本架構(gòu)

微能源網(wǎng)是集能源互聯(lián)、轉(zhuǎn)化、耦合、存儲等功能于一體的小型綜合能源供應(yīng)系統(tǒng),也是能源互聯(lián)網(wǎng)的基本單位和重要組成部分,它強調(diào)能源的梯級利用和多能源的耦合轉(zhuǎn)化,可以有效提高能源的利用率,降低用戶的用能成本,同時減少對環(huán)境的污染。本文給出一種微能源網(wǎng)的基本構(gòu)架如圖1所示,其一次能源以天然氣為核心,充分利用太陽能、風(fēng)能、生物質(zhì)能等可再生能源,從而減少煤、石油等傳統(tǒng)化石能源的使用比重,滿足節(jié)能減排的要求;多種類型的一次能源在能源樞紐內(nèi)耦合轉(zhuǎn)化后輸出,滿足用戶所需要的冷、熱、電、氣負荷,同時能源樞紐利用儲電和儲熱功能來提高供能的穩(wěn)定性。微能源網(wǎng)可以獨立運行,在不能滿足負荷需求或者能源產(chǎn)出有剩余時,還可以與能源網(wǎng)絡(luò)并網(wǎng)互聯(lián),完成能量的傳遞過程。

圖1 微能源網(wǎng)基本構(gòu)架Fig.1 Basic structure of micro-energy network

本文提出一種微能源網(wǎng)中的多能源耦合樞紐結(jié)構(gòu)如圖2所示。圖中對傳統(tǒng)CCHP進行了改進和升級,在熱能處理環(huán)節(jié)考慮了基于ORC的低溫余熱發(fā)電技術(shù),并加入了可再生清潔能源和儲能。

鑒于水能、地?zé)崮艿乳_發(fā)利用場合有一定限制,為便于敘述,圖2中選取風(fēng)能、生物質(zhì)能和太陽能等幾種典型的可再生能源作為代表,風(fēng)能可以通過風(fēng)力發(fā)電直接轉(zhuǎn)換成電能EW,生物質(zhì)能轉(zhuǎn)化為沼氣經(jīng)提純后注入氣網(wǎng),太陽能既可以用來發(fā)電也可以用來集熱,輸出形式分別為電EPV和熱QPV;天然氣作為微能源網(wǎng)中的核心一次能源,輸入微型燃氣輪機發(fā)出電能EMT,同時將燃氣輪機發(fā)電剩余的高溫?zé)煔馑鶖y帶的熱能Qre進行二次利用,部分熱能Qre1利用基于ORC的余熱發(fā)電單元輸出電能EORC,剩余熱能Qre2直接供給熱負荷QH;能量樞紐中來自微型燃氣輪機的熱能Qre2、太陽能集熱器的熱能QPV和余熱補燃鍋爐的熱能QGS除直接供給熱負荷QH外,還有部分熱能QAC通過吸收式制冷機滿足用戶的冷負荷,另外還與儲熱裝置互聯(lián),實現(xiàn)熱能的存儲與釋放;冷負荷除由吸收式制冷機提供外,還有電制冷機(其輸入電能為ECOOL)相互補充。

圖2 多能源耦合樞紐Fig.2 Multi-energy coupling hub

多能源耦合樞紐在現(xiàn)有能源樞紐以電能為主要目標(biāo)的基礎(chǔ)上,增加了包括熱能在內(nèi)的多種能源形式,尤其是增加了基于ORC的低溫余熱發(fā)電裝置,拓展了現(xiàn)有能源樞紐的內(nèi)涵。多能源耦合樞紐不僅僅是負責(zé)能源傳遞轉(zhuǎn)化的裝置,更是與控制調(diào)度中心一起組成了協(xié)調(diào)多能互補的控制核心,根據(jù)外界環(huán)境的變化,多能源耦合樞紐可以實時、動態(tài)地調(diào)節(jié)能源的流動方向,符合能源互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展趨勢。

2 微能源網(wǎng)數(shù)學(xué)模型

2.1 多能量耦合樞紐整體模型

多能源耦合樞紐的實質(zhì)是描述微能源網(wǎng)中多能源輸入和多能源輸出的函數(shù)關(guān)系,在不考慮能源轉(zhuǎn)化過程中暫態(tài)情況的前提下,可以利用耦合矩陣表示多能源耦合樞紐的理想穩(wěn)態(tài)模型:

(1)

可以簡記為:

L=CP

(2)

式中:Li(i=1,2,…,n)為多能源耦合樞紐的第i種能源形式的輸出;Pj(j=1,2,…,m)為多能源耦合樞紐的第j種能源形式的輸入;cij為耦合因子,一般由分配系數(shù)和效率因子兩部分組成,分配系數(shù)可以人為加以控制,但效率因子可能會存在非線性的因素[4]。當(dāng)出現(xiàn)非線性因素時,耦合因子cij不再是一個確定的常數(shù),而是一個關(guān)于輸入能源水平、運行時間、環(huán)境條件等因素的函數(shù),耦合矩陣也不是簡單的線性代數(shù)方程組,會隨著外界條件的改變而發(fā)生相應(yīng)的變化,但形式仍符合上式,且不會影響后續(xù)的優(yōu)化過程和求解方法。

上述多能源耦合樞紐模型僅體現(xiàn)了能源的傳輸和轉(zhuǎn)化過程,并沒有考慮儲能設(shè)備的影響。由圖2可知,本文涉及的儲能元件置于樞紐的出口端,故需要在輸出矩陣上加入一個儲能修正矩陣M,式(2)修正后變?yōu)?

L+M=CP

(3)

M為一列向量,具體表示如下:

(4)

式中:Ei(i=1,2,…,m)為第i種能源的存儲量;sij為儲能耦合因子,對應(yīng)的S為儲能耦合矩陣,其中考慮了充放電狀態(tài)變化和效率等因素[18],由此得到含儲能的多能源耦合樞紐整體模型修正式如式(5)所示。

(5)

2.2 微型燃氣輪機模型

微型燃氣輪機是能源耦合樞紐中實現(xiàn)能源轉(zhuǎn)換的最主要設(shè)備,也是微能源網(wǎng)中電能的主要來源,其效率受負荷、溫度及海拔等因素影響,其模型為:

(6)

式中:PE,GT為燃氣輪機發(fā)電功率;GMT為燃氣輪機消耗燃氣量;EMT和Qre分別為燃氣輪機發(fā)電量和回收余熱量;ηE,MT和ηQ,re分別為燃氣輪機的電轉(zhuǎn)化效率和熱回收效率。

2.3 基于ORC的低溫余熱發(fā)電模型

基于ORC的低溫余熱發(fā)電系統(tǒng)的主要部件包括高溫?zé)煔馀c工質(zhì)換熱的蒸發(fā)器、將熱能轉(zhuǎn)換為動能的膨脹機、用于冷卻工質(zhì)的冷凝器和將工質(zhì)送入蒸發(fā)器的加壓泵等?；贠RC的低溫余熱發(fā)電是燃氣輪機的重要補充,也是熱電轉(zhuǎn)換的重要途徑,對實現(xiàn)能源多級利用和能源轉(zhuǎn)化有關(guān)鍵的作用。其模型為:

(7)

式中:EORC為基于ORC的低溫發(fā)電輸出的電能;Qre1為輸入的熱能;ηQ,rel為熱電轉(zhuǎn)化效率,其值與煙氣溫度、工質(zhì)種類等相關(guān);vQ,re為分配因子,其值等于ORC輸入熱能與燃氣輪機余熱之比。

2.4 燃氣鍋爐模型

燃氣鍋爐產(chǎn)生的熱量和鍋爐的效率有關(guān):

QGS=GGSηQ,GS

(8)

式中:GGS為燃氣鍋爐消耗的燃氣量;QGS為燃氣鍋爐輸出熱量;ηQ,GS為燃氣鍋爐的熱效率。

2.5 光伏電池和集熱器模型

對光伏電池模型和太陽能集熱器模型進行簡化處理,假設(shè)兩者的出力只與光照強度和溫度有關(guān)：

(9)

式中:EPV和QPV分別為光伏發(fā)電量和太陽能集熱器收集的熱量;WPV和Wr分別為實際光照強度和參考光照強度;T和Tr分別為實際溫度和參考溫度;PE,PV和PQ,PV分別為在參考光強和參考溫度下的光伏發(fā)電功率和太陽能集熱器功率;kT1和kT2為功率溫度系數(shù)。

2.6 吸收式制冷機模型

系統(tǒng)的熱能一部分直接供給熱負荷,一部分供給吸收式制冷機轉(zhuǎn)化為冷能滿足用戶冷負荷,同時由儲熱裝置加以調(diào)節(jié)。吸收式制冷機的模型為:

(10)

式中:QHC為吸收式制冷機輸出冷量;QAC為吸收式制冷機的輸入熱能;ηQ,AC為熱冷轉(zhuǎn)化效率;Qre2為燃氣輪機余熱除去發(fā)電部分后的剩余熱量;vQ,AC為分配因子。

2.7 電制冷機模型

電制冷機提供的冷能主要取決于能效比,其模型為:

QEC=ECOOLηEC

(11)

式中:QEC為電制冷輸出;ECOOL為電制冷機的輸入電能;ηEC為電冷轉(zhuǎn)化效率。

2.8 儲能模型

因為分布式能源有間歇性和隨機性,而儲能可以起到平峰抑谷的作用,是微能源網(wǎng)平衡和調(diào)節(jié)能源的重要手段。本文中的儲能方式主要有儲電和儲熱兩種形式,儲能剩余容量[19]的表達式為:

(12)

式中:Estore(k)和Qstore(k)分別為k時刻的儲電和儲熱能量;μE,IN和μQ,IN分別為儲電自損失率和儲熱自損失率;EIN,EOUT,QIN,QOUT分別為充電、放電、蓄熱和釋熱能量;ηE,IN,ηE,OUT,ηQ,IN,ηQ,OUT為對應(yīng)的充放能效率。

3 多能源耦合樞紐的運行策略

在微能源網(wǎng)中,風(fēng)能、太陽能等屬于可再生能源,易受到天氣、溫度等自然環(huán)境的影響,輸出功率不易控制,通常的處理辦法是優(yōu)先使用可再生能源,并努力使其工作在最大功率輸出點。燃氣輪機、余熱鍋爐等使用的天然氣屬于清潔能源,污染較傳統(tǒng)化石能源小,環(huán)境效益好,受環(huán)境影響小,可以作為滿足負荷需求的主要調(diào)控。儲能單元的能量可以實現(xiàn)雙向流動,蓄能時看作負荷,釋放能量時又可以看作能量源。本文假定微能源網(wǎng)并網(wǎng)運行但優(yōu)先使用內(nèi)部能源,風(fēng)、光等可再生能源發(fā)電量以及負荷需求可以根據(jù)歷史數(shù)據(jù)做出預(yù)測,主要通過燃氣輪機調(diào)節(jié)各能源的轉(zhuǎn)化耦合,結(jié)合儲能情況滿足冷、熱、電、氣負荷的需求,實現(xiàn)最佳的能量調(diào)度。

在微能源網(wǎng)的運行控制過程中,太陽能有3種運行策略,分別是全部發(fā)電，全部產(chǎn)熱，以及部分產(chǎn)熱、部分發(fā)電,在一定條件下其最佳運行策略[13]為以熱定電運行方式下太陽能部分產(chǎn)熱、部分發(fā)電,后續(xù)運行策略默認其工作在最佳運行方式;風(fēng)能產(chǎn)生的電能直接用于供電;生物質(zhì)能提純后產(chǎn)生的沼氣作為氣體燃料直接注入氣網(wǎng)。系統(tǒng)增加了基于ORC的低溫余熱發(fā)電裝置后,燃氣輪機余熱分配包括余熱全部供給冷熱負荷，余熱部分供給冷熱負荷、部分發(fā)電，以及余熱全部用于發(fā)電3種情況,但鑒于余熱發(fā)電效率較低,因此當(dāng)有冷熱負荷需求時余熱優(yōu)先供給冷熱負荷,當(dāng)滿足冷熱負荷或者無冷熱負荷時,余熱用于發(fā)電;從整體角度,系統(tǒng)又有以熱定電和以電定熱兩種運行策略。因此,系統(tǒng)運行策略流程圖見圖3。

圖3 運行策略流程Fig.3 Flow chart of operation strategy

結(jié)合圖2進行分析:當(dāng)系統(tǒng)以電定熱運行時,燃氣輪機產(chǎn)出電能EMT滿足微能源網(wǎng)的電負荷EN,產(chǎn)生的余熱Qre優(yōu)先供給冷熱負荷;當(dāng)燃氣輪機余熱Qre滿足冷熱負荷且有盈余時盈余部分Qre1利用余熱發(fā)電技術(shù)發(fā)電EORC,當(dāng)燃氣輪機余熱不能滿足冷熱負荷時,燃氣鍋爐產(chǎn)熱QGS、電制冷機制冷QEC以及儲熱補足冷熱負荷差額。當(dāng)系統(tǒng)以熱定電運行時,燃氣輪機余熱Qre和燃氣鍋爐QGS滿足微能源網(wǎng)的冷熱負荷;此時燃氣輪機發(fā)電量EMT若不能滿足微能源網(wǎng)電負荷EN則從大電網(wǎng)處補足電負荷差額,若滿足微能源網(wǎng)電負荷且有盈余則儲能存儲或返給電網(wǎng)。

除以熱定電和以電定熱兩種常規(guī)運行策略外,圖3中還考慮了電熱動態(tài)調(diào)節(jié)的運行策略。微能源網(wǎng)可以根據(jù)光照、負荷等外在條件以及天然氣價格和電網(wǎng)電價的變化,實時調(diào)節(jié)控制微型燃氣輪機和儲能的運行方式,動態(tài)地處理電能和熱能轉(zhuǎn)化關(guān)系,再由燃氣鍋爐補足熱負荷缺額,電網(wǎng)補足電負荷差額,以期達到最優(yōu)的運行方式。

4 能源樞紐模型的優(yōu)化

在微能源網(wǎng)和多能源耦合樞紐模型的基礎(chǔ)上,針對固定配置的能源耦合樞紐的運行狀態(tài)進行多目標(biāo)優(yōu)化求解。多目標(biāo)優(yōu)化的數(shù)學(xué)形式為:

(13)

式中:y為目標(biāo)函數(shù);x為優(yōu)化變量;Ω為決策空間;fi為第i個優(yōu)化目標(biāo);G(x)和H(x)分別為等式和不等式約束。

結(jié)合多能源耦合樞紐,本文的優(yōu)化變量為微型燃氣輪機和儲能的運行狀態(tài),優(yōu)化目標(biāo)分別為經(jīng)濟指標(biāo)、能源指標(biāo)和環(huán)境指標(biāo)。

4.1 評價指標(biāo)函數(shù)

根據(jù)實際情況對系統(tǒng)模型建立評價指標(biāo)函數(shù),主要包括經(jīng)濟指標(biāo)、能耗指標(biāo)和環(huán)境指標(biāo)。

1)經(jīng)濟指標(biāo)

經(jīng)濟指標(biāo)[20]F1以年為單位,主要包含系統(tǒng)的安裝費用Cins、運行成本Cop和能源消耗成本Cenergy:

F1=Cins+Cop+Cenergy

(14)

其中,系統(tǒng)組件的安裝費用根據(jù)使用年限分攤成年費用,故系統(tǒng)的安裝費用Cins表示為:

(15)

式中:n為設(shè)備種類數(shù)；Ni為第i類設(shè)備的機組臺數(shù);Yi為單臺第i類設(shè)備的安裝費用;r為折現(xiàn)率,一般取0.1;mi為設(shè)備使用年限。

系統(tǒng)運行成本Cop為:

(16)

式中:OM，i為單臺第i類設(shè)備在單位負荷下運行的費用;Ei,h為第i類設(shè)備每小時負荷。

能源消耗成本Cenergy為:

(17)

式中:Vgas,h為設(shè)備的每小時的用氣量;Pgas為天然氣價格;Cele為從大電網(wǎng)購電費用。

2)能耗指標(biāo)

一次能源消耗量是指系統(tǒng)消耗天然氣量和購買電量所對應(yīng)的一次能源消耗的能量。一次能源利用率是指系統(tǒng)輸出能量的總和與一次能源消耗量總和的比值,一次能源利用率越高,系統(tǒng)節(jié)能效果越好。本文以一次能源消耗量F2作為能耗指標(biāo):

F2=Egridσe+GINσf

(18)

式中:Egrid為從大電網(wǎng)購得的電量;GIN為天然氣的輸入量;σe和σf分別為電網(wǎng)購電量和天然氣所對應(yīng)的一次能源的轉(zhuǎn)換系數(shù)。

3)環(huán)境指標(biāo)

微能源網(wǎng)系統(tǒng)的環(huán)境指標(biāo)主要包括碳排放量和氮排放量兩個部分,本文用碳排放量代表環(huán)境指標(biāo)F3，有

F3=Egridμe,C+GINμf,C

(19)

式中:μe,C和μf,C分別為電網(wǎng)電能和天然氣對應(yīng)的碳排放系數(shù)。

4.2 約束條件

系統(tǒng)除了需要滿足式(6)至式(12)的數(shù)學(xué)模型外,還需要考慮以下約束。

1)負荷平衡約束

(20)

(21)

式中:EDG,i為第i類分布式機組提供的電能;QL為冷熱負荷的總和;QDG,i為第i類分布式機組提供的冷熱能。

2)微源供能容量約束

Pi,min≤Pi≤Pi,max

(22)

式中:Pi,min和Pi,max分別為第i類分布式能源的最小和最大輸出功率;Pi為第i類分布式能源的實際輸出功率。

3)儲能設(shè)備約束

(23)

(24)

5 算例驗證

5.1 算例條件

選取深圳市某商場建筑作為微能源網(wǎng)的算例驗證點,設(shè)定商場建筑面積為5 000 m2,空調(diào)覆蓋面積4 423 m2,使用建筑能耗模擬軟件得到建筑全年的冷、熱、電負荷消耗數(shù)據(jù)。因為同一季節(jié)商場建筑的能耗信息相對變化不大,為了簡化計算,選取每個季度的典型日期的能耗信息作為本季度能耗信息的參考,如附錄A圖A1所示。圖中藍色、橙色、灰色曲線分別為電負荷、冷負荷、熱水負荷需求曲線,單位為kW,橫坐標(biāo)代表一天24 h。由該圖可以看出：建筑的電負荷需求的形狀和幅值基本保持不變;熱水負荷相比電負荷需求和冷負荷需求很小;冷負荷需求變化較大,同一天內(nèi)8～20 h有較大的冷負荷,其余時間段內(nèi)冷負荷需求量為零,相比冬、春兩季,夏、秋兩季冷負荷需求量明顯變大,甚至超過電負荷需求量。

為了方便驗證,突出基于ORC的低溫余熱發(fā)電技術(shù)的優(yōu)越性,本文在此做一些簡化。由于案例中熱負荷需求遠小于冷負荷和電負荷,因此在本案例中忽略儲熱環(huán)節(jié)和余熱鍋爐;由于算例所處地點風(fēng)力資源并不豐富,因此在本算例中沒有考慮風(fēng)電,但是在有風(fēng)力資源的情況下,風(fēng)電模型可以接入能源樞紐運行;光照情況由軟件模擬產(chǎn)生,作為外部參數(shù)輸入,在熱負荷較小的情況下太陽能全部用于發(fā)電。

能源成本主要是購電費用和天然氣成本。深圳市工商業(yè)電價如附錄B表B1所示。天然氣價格按3.5元/m3計算,天然氣低位熱值取36 MJ/m3。環(huán)境指標(biāo)關(guān)注碳的排放,電網(wǎng)(主要是煤電)的碳轉(zhuǎn)化系數(shù)取0.96 kg/(kW·h),天然氣的碳轉(zhuǎn)化系數(shù)取0.22 kg/(kW·h)。

綜合冷熱電負荷數(shù)據(jù),系統(tǒng)最大負荷功率為279 kW,故設(shè)置微能源網(wǎng)中微型燃氣輪機的最大發(fā)電功率為200 kW,光伏發(fā)電額定功率為100 kW,基于ORC的低溫余熱發(fā)電最大容量為35 kW,儲能容量為50 kW。系統(tǒng)其他設(shè)備參數(shù)[21]如附錄B表B2所示。

5.2 算例驗證結(jié)果

由于微能源網(wǎng)能源形式多樣,轉(zhuǎn)化過程復(fù)雜,因此選擇在MATLAB中利用粒子群優(yōu)化(particle swarm optimization,PSO)算法對能源樞紐模型的運行過程進行多目標(biāo)優(yōu)化求解。根據(jù)上述設(shè)備參數(shù)信息,設(shè)置種群粒子數(shù)目m為100,迭代次數(shù)為1 000次,根據(jù)目標(biāo)函數(shù),可以解得微型燃氣輪機和儲能的最優(yōu)運行策略。以年為時間單位,3個指標(biāo)函數(shù)的最優(yōu)值分別為:微能源網(wǎng)系統(tǒng)的最優(yōu)成本為129萬元;一次能源消耗量為1.658×106kW·h,能源利用率達到87.5%;碳排放量為1.09×105kg。

若該建筑由傳統(tǒng)電網(wǎng)滿足負荷,為方便比較,假設(shè)傳統(tǒng)電網(wǎng)有等同容量的光伏電池板等分布式設(shè)備。兩者的3個最優(yōu)指標(biāo)對比如圖4所示。由圖可知,基于多能耦合的微能源網(wǎng)經(jīng)濟成本與常規(guī)微電網(wǎng)基本持平,主要原因是微能源網(wǎng)中增加的ORC余熱發(fā)電設(shè)備等較為昂貴;但微能源網(wǎng)的能源消耗量更少,原料費用相應(yīng)減少,環(huán)境污染物排放量也更少。

多能耦合的微能源網(wǎng)系統(tǒng)中基于ORC的余熱發(fā)電裝置能夠充分利用微型燃氣輪機發(fā)電剩余的熱量,大幅提高系統(tǒng)的能源利用效率,同時減少污染物的排放,具體對比如表1所示。

圖4 指標(biāo)比較圖Fig.4 Comparison of indices

類型一次能源消耗量/(MW·h)能源利用率/%碳排放量/kg 傳統(tǒng)電網(wǎng)2 553.756.8168 500 無ORC的微能源網(wǎng)1 714.184.6113 100 本文的微能源網(wǎng)1 658.387.5109 200

由表1可知,多能耦合系統(tǒng)的一次能源消耗量與傳統(tǒng)電網(wǎng)相比下降了35.1%,能源利用率則提高了30.7%;同等條件下不帶ORC余熱發(fā)電技術(shù)的熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的能源利用率也比帶ORC余熱發(fā)電的多能源耦合系統(tǒng)低2.9%。說明多能耦合的微能源網(wǎng)系統(tǒng)在一次能源消耗量和能源利用率方面遠遠優(yōu)于傳統(tǒng)系統(tǒng)和現(xiàn)有的熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)。

碳排放量是評價環(huán)境友好程度的重要指標(biāo)之一,表1數(shù)據(jù)表明,多能互補系統(tǒng)的碳排放量要比傳統(tǒng)電網(wǎng)少35.2%,同時比不帶ORC余熱發(fā)電的微電網(wǎng)系統(tǒng)低3.5%。微能源網(wǎng)的多能耦合系統(tǒng)使用太陽能和天然氣為主要一次能源,降低了碳的排放總量,能較好地緩解目前的溫室效應(yīng)等環(huán)境問題,符合節(jié)能減排思想,體現(xiàn)出了新能源耦合系統(tǒng)的優(yōu)勢。

5.3 經(jīng)濟性分析

如圖4所示,為滿足算例中的負荷需求,傳統(tǒng)電網(wǎng)的運行總成本為128萬元,而微能源網(wǎng)的總成本為129萬元,即在經(jīng)濟性方面,微能源網(wǎng)與傳統(tǒng)電網(wǎng)的成本相近。在一次能源消耗量下降了35.1%、能源利用率提高了30.7%的情況下,兩者成本相仿的主要原因是現(xiàn)階段ORC余熱發(fā)電裝置安裝成本較高,拉高了整個系統(tǒng)的成本。但是經(jīng)濟指標(biāo)只包含了設(shè)備的安裝運維費用和能源消耗費用,并不包含微能源網(wǎng)所帶來的環(huán)境效益,根據(jù)文獻[22-23]對環(huán)境的經(jīng)濟效益參數(shù)取值和計算公式,取微能源網(wǎng)中天然氣的氮排放系數(shù)為0.02 kg/(kW·h),傳統(tǒng)電網(wǎng)的氮排放系數(shù)為0.03 kg/(kW·h),氮氧化合物的懲罰價格為6.6元/kg,二氧化碳的懲罰價格為0.07元/kg,計算可得微能源網(wǎng)帶來的環(huán)境效益約為5.4萬元,即考慮環(huán)境效益后,微能源網(wǎng)的總成本將明顯優(yōu)于傳統(tǒng)電網(wǎng)。

本文旨在建立微能源網(wǎng)中多能源互補的多目標(biāo)優(yōu)化運行模型,經(jīng)濟性并不是本文的主要研究目標(biāo),所采用的設(shè)備包含太陽能發(fā)電系統(tǒng)、儲能系統(tǒng)、ORC系統(tǒng)等,在市場經(jīng)濟環(huán)境下回報率都較低,一般都需要一定的政府補貼方能經(jīng)濟運行。雖然微能源網(wǎng)與傳統(tǒng)電網(wǎng)的安裝運維成本相近,但是微能源網(wǎng)能夠極大地提高能源利用效率,減少一次能源消耗,并且減少污染物的排放,大幅提高環(huán)境效益,具有較好的社會意義和經(jīng)濟價值。

6 結(jié)語

本文在微能源網(wǎng)基本構(gòu)架的基礎(chǔ)上提出了包含ORC低溫余熱發(fā)電裝置的多能源耦合樞紐系統(tǒng),并構(gòu)建了能夠體現(xiàn)系統(tǒng)經(jīng)濟、能耗和環(huán)境的3個指標(biāo)。根據(jù)四季典型日負荷需求,采用PSO算法對發(fā)電機和儲能運行策略進行求解,得到了系統(tǒng)的最優(yōu)指標(biāo),并與傳統(tǒng)電網(wǎng)做了對比。算例分析表明:以多能源耦合樞紐為核心的微能源網(wǎng)運營成本低于傳統(tǒng)電網(wǎng)，微能源網(wǎng)的能耗指標(biāo)和環(huán)境指標(biāo)都遠優(yōu)于傳統(tǒng)電網(wǎng),符合節(jié)能減排的思想，體現(xiàn)了多能源互補的優(yōu)越性,為能源互聯(lián)網(wǎng)的規(guī)劃建設(shè)奠定了基礎(chǔ)。

在微能源網(wǎng)多能源耦合轉(zhuǎn)化的過程中,電能和熱能的響應(yīng)速度差異較大,本文在電熱動態(tài)耦合轉(zhuǎn)化方面的考慮還有所欠缺,多時間尺度的動態(tài)耦合性能將是下一步的研究目標(biāo)。

附錄見本刊網(wǎng)絡(luò)版(http://www.aeps-info.com/aeps/ch/index.aspx)。