姜 河 周 航 解相朋楊東升趙 琰

(1.沈陽工程學(xué)院新能源學(xué)院,遼寧沈陽 110136;2.遼寧省區(qū)域多能源系統(tǒng)集成與控制重點實驗室,遼寧沈陽 110136;3.南京郵電大學(xué)先進(jìn)技術(shù)研究院,江蘇南京 210003;4.東北大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院,遼寧沈陽 110819)

1 引言

伴隨著可再生能源的高度滲透以及冷熱電氣的不斷耦合,綜合能源系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生,實現(xiàn)了多能耦合互補(bǔ)、能源梯級利用,為節(jié)能減排、能源高效利用提供了新思路.然而,綜合能源系統(tǒng)內(nèi)部的設(shè)備耦合也對新能源的有效消納以及各設(shè)備的最優(yōu)調(diào)控帶來了極大影響,導(dǎo)致棄風(fēng)棄光現(xiàn)象及設(shè)備運(yùn)行不合理等問題.針對此類問題,文獻(xiàn)[1]提出了一種在風(fēng)電場擴(kuò)建的同時引入電轉(zhuǎn)氣設(shè)備的綜合能源系統(tǒng)規(guī)劃方法,通過余電制氫來解決風(fēng)電不完全消納的問題.文獻(xiàn)[2]提出了一種含儲能裝置的園區(qū)綜合能源系統(tǒng)三級協(xié)同規(guī)劃設(shè)計方法,保證了系統(tǒng)內(nèi)各機(jī)組優(yōu)化配置,進(jìn)而提升了用戶的用能平衡能力.文獻(xiàn)[3]在考慮環(huán)境問題的基礎(chǔ)上,引入了儲熱裝置與碳交易市場的概念,構(gòu)建了包含新能源發(fā)電的熱電聯(lián)合調(diào)度模型,然而,其對于冷熱電氣耦合關(guān)系的描述仍較為模糊.

根據(jù)上述分析,本文構(gòu)建考慮冷熱舒適度需求響應(yīng)的溫差儲能模型,凸顯冷熱電氣耦合關(guān)系,優(yōu)化用能高峰時期的設(shè)備出力.溫差儲能模型通過谷時電能與新能源直連進(jìn)行儲能,依據(jù)用戶對溫度需求的不敏感性進(jìn)行供冷/熱功率調(diào)節(jié),緩解用能高峰時期的供能壓力.同時,考慮余熱鍋爐(waste heat boiler,WHB)、吸收式制冷機(jī)(absorption refrigerator,AR)等多類能量轉(zhuǎn)換設(shè)備,構(gòu)建綜合能源系統(tǒng)調(diào)控模型,滿足系統(tǒng)運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性與碳排放最低的調(diào)控目標(biāo),在供給側(cè)優(yōu)化設(shè)備出力的同時提高用戶響應(yīng)能力與系統(tǒng)多能源互補(bǔ)能力,減少源荷功率波動與棄風(fēng)棄光現(xiàn)象.

2 考慮冷熱舒適度的溫差儲能模型

2.1 冷熱感舒適度

正常人體不易察覺到外界環(huán)境在一定范圍內(nèi)的溫度變化,即使按溫度需求調(diào)整冷熱功率的供給,對人體冷熱舒適程度的影響也不明顯[4].根據(jù)表征人體熱反應(yīng)的評價指標(biāo)(predicted mean vote,PMV),可將人體對環(huán)境溫度的感知劃分為5個階段,二者關(guān)系如表1所示[5].

表1 PMV評價規(guī)則Table 1 PMV evaluation rules

在不同的環(huán)境溫度下,PMV會隨之變化,其函數(shù)關(guān)系式χPMV可以表示為

其中:T為室溫;T0為人體最適宜的環(huán)境溫度,相關(guān)研究表明,T0為26℃時人體舒適度最高[6].而根據(jù)規(guī)定,當(dāng)χPMV在?0.5至0.5區(qū)間內(nèi)舒適度最佳,因此,由上式可得T的取值范圍在24.7805至27.2821之間.

因為室內(nèi)溫度存在一定閾度,所以在T溫度內(nèi)可將冷熱負(fù)荷曲線劃分為多個冷熱負(fù)荷調(diào)整區(qū)間,使其轉(zhuǎn)化為一種柔性負(fù)荷,并在溫度閾度內(nèi),對冷熱能的供給進(jìn)行調(diào)節(jié).其中,室內(nèi)溫度、舒適度與功率供給的函數(shù)關(guān)系可表示為[7]

其中:Ca,Cb分別為空氣與建筑墻體比熱容;Ma,Mb分別為空氣與建筑墻體質(zhì)量;為建筑總體負(fù)荷;分別為t時段建筑內(nèi)部供給的冷、熱功率;為建筑總體負(fù)荷;分別為t時段建筑內(nèi)部的外界環(huán)境熱量傳遞、外界空氣熱量傳遞與內(nèi)部熱量交換.η為建筑墻體熱傳遞系數(shù);Sh為傳熱面積;ρa(bǔ)為建筑內(nèi)部空氣密度;Va為空氣交換總量;Tout為建筑物外環(huán)境溫度;S為建筑物總面積;Qe,QB分別為建筑內(nèi)部電供熱設(shè)備供給的熱能與人體提供的熱能.

由上述可知,通過環(huán)境溫度與人體舒適度對應(yīng)關(guān)系可得出某時段人體最舒適溫度區(qū)間,并可以計算得到需要向建筑內(nèi)部所供給冷熱功率的調(diào)整區(qū)間,從而得到符合人體舒適度的冷熱功率調(diào)度計劃.

2.2 考慮溫度舒適度需求響應(yīng)的溫差儲能模型

冷、熱能具有隨溫度變化的時滯性與系統(tǒng)慣性,因此,冷、熱能形式的負(fù)荷需求也可參與需求響應(yīng)進(jìn)行優(yōu)化調(diào)節(jié).同時,綜合能源系統(tǒng)內(nèi)部多能互補(bǔ)的特點使得冷熱電負(fù)荷不僅能以各自形式參與需求響應(yīng),還可以通過能量轉(zhuǎn)換設(shè)備實現(xiàn)冷熱電耦合替代.

2.2.1 冷/熱負(fù)荷需求響應(yīng)

溫度是冷熱負(fù)荷的主要調(diào)節(jié)尺度,用戶對其敏感度較低,在舒適區(qū)間內(nèi)改變溫度對用戶并無太大影響,故將冷、熱負(fù)荷作為柔性負(fù)荷參與冷熱需求響應(yīng),提升系統(tǒng)調(diào)度的靈活性.電負(fù)荷則以分時電價為激勵,對用戶進(jìn)行合理引導(dǎo)[8].整體需求響應(yīng)模型可表示為

其中:ηh/c/e為溫度舒適度與電價彈性矩陣;ηii為自彈性系數(shù);ηij為交叉彈性系數(shù);Li,?Li為i時段用戶的冷熱/電供給量及其變化量;cpi,?cpi和cpj,?cpj分別為i,j時段的冷熱/電需求量及其變化量.

與電負(fù)荷類似,冷/熱負(fù)荷也可作為一種柔性負(fù)荷進(jìn)行負(fù)荷轉(zhuǎn)移,因此,可將其劃分為固定與可轉(zhuǎn)移兩種冷/熱負(fù)荷:

由于冷熱負(fù)荷的可靠性要求較高,故本文根據(jù)舒適度對其可轉(zhuǎn)移負(fù)荷進(jìn)行劃分.而電負(fù)荷變化量較大,因此,本文將可轉(zhuǎn)移電負(fù)荷設(shè)置為總負(fù)荷的20%[9].

2.2.2 冷/熱能存儲策略

為了提高新能源的消納,增強(qiáng)系統(tǒng)內(nèi)部多能互補(bǔ)能力,本文以冷熱溫度舒適度為基礎(chǔ),構(gòu)建溫差儲能模型.模型的能量存儲策略為新能源發(fā)電向冷/熱能的存儲、需求響應(yīng)下大電網(wǎng)電能及天然氣的熱值向冷/熱能的存儲.該模型根據(jù)溫度閾度和冷/熱負(fù)荷需求響應(yīng)得到供冷/熱功率的調(diào)整區(qū)間,當(dāng)風(fēng)光發(fā)電直連供冷/熱機(jī)組所供給的功率大于冷/熱負(fù)荷的需求時,直連供冷/熱后,將剩余能量進(jìn)行存儲;當(dāng)風(fēng)光發(fā)電直連供冷/熱機(jī)組所供給的功率小于冷/熱負(fù)荷的需求時,則在滿足用戶舒適度的前提下將部分冷/熱負(fù)荷平移,進(jìn)而調(diào)整冷/熱功率的供給,并將剩余的風(fēng)光功率或計劃的冷/熱能供給進(jìn)行存儲,在用戶其他時段需求時進(jìn)行釋放.t時段存儲的能量St可以表示為

針對上述儲能策略,能量存儲的介質(zhì)可有多種選擇,如石蠟與無機(jī)水合鹽等相變材料、沸石與金屬氧化物等化學(xué)儲能材料,但均存在化學(xué)性質(zhì)不穩(wěn)定、易分解且只可儲熱等問題.因此,針對上述的儲能策略與冷熱溫度舒適度的需求,在實際工程中,通常以水作為供冷/熱系統(tǒng)能量循環(huán)的介質(zhì),以水箱作為溫差儲能的實體,依靠水的物理、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、比熱容系數(shù)大、價格低廉等特點滿足冷/熱負(fù)荷的需求.

3 基于溫度舒適度與碳交易的綜合能源系統(tǒng)模型

本文考慮基于溫度舒適度的溫差儲能與碳交易,研究包含冷熱電氣4種能源形式的綜合能源系統(tǒng),其結(jié)構(gòu)如圖1所示.碳交易機(jī)制以國家政策所分配的碳排放額度為最低標(biāo)準(zhǔn),實行獎勵減排用戶、懲罰過排用戶以及各用戶間碳排放配額自由交易等方案,通過排放額度內(nèi)的碳循環(huán)遞減進(jìn)而降低系統(tǒng)內(nèi)部的碳排放量.

圖1 綜合能源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Integrated energy system structure diagram

3.1 微型燃?xì)廨啓C(jī)與余熱鍋爐

在微型燃?xì)廨啓C(jī)(micro gas turbine,MT)和余熱鍋爐聯(lián)合系統(tǒng)中,MT發(fā)電的同時所產(chǎn)生的熱能通過WHB進(jìn)一步輸出,滿足熱功率的需求,其運(yùn)行模型表示為

3.2 燃?xì)忮仩t與電鍋爐

燃?xì)忮仩t(gas boiler,GB)通過消耗天然氣來彌補(bǔ)供熱不足時的熱供給,其運(yùn)行與約束模型為

電鍋爐(electric boiler,EB)也可在上述設(shè)備供熱量不足時進(jìn)行熱出力,其運(yùn)行與約束模型為[10]

3.3 電制冷機(jī)與吸收式制冷機(jī)

電制冷機(jī)(electrical refrigeration,ER)通過內(nèi)部電能向冷能的轉(zhuǎn)換來滿足用戶側(cè)的冷需求,輸入的電功率與輸出的制冷量之間的關(guān)系以及相應(yīng)的約束條件表示為[11]

其中:ηER為ER的制冷系數(shù);為ER的電功率上限.

吸收式制冷機(jī)通過液態(tài)制冷劑吸熱蒸發(fā)來滿足制冷需求,其運(yùn)行與約束模型表示為[12]

3.4 大電網(wǎng)的功率交互

為保障配電網(wǎng)的穩(wěn)定性,系統(tǒng)不能同時向電網(wǎng)購電和售電,故需要滿足以下約束條件:

4 綜合能源系統(tǒng)的綜合調(diào)控策略

4.1 第1調(diào)控目標(biāo)(經(jīng)濟(jì)效益最大化)

系統(tǒng)滿足冷熱電負(fù)荷需求的情況下,通過各類電源機(jī)組、儲能設(shè)備及能量轉(zhuǎn)換設(shè)備的能源互補(bǔ),制定滿足系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行與經(jīng)濟(jì)效益最大化的機(jī)組出力方案,其可以表示為

4.2 第2調(diào)控目標(biāo)(碳交易成本最小化)

4.2.1 綜合能源系統(tǒng)碳排放配額

本文規(guī)定初始無償碳排放配額對象包括常規(guī)機(jī)組、燃?xì)忮仩t、冷熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組(combined cooling heating and power,CCHP)3部分.其中,CCHP可同時提供電能、冷能與熱能,將其發(fā)電量折算成等效供冷/熱量,并與常規(guī)機(jī)組的發(fā)電量以及燃?xì)忮仩t的供熱量共同對碳排放配額進(jìn)行分配[13],具體如下式所示:

其中:Eq表示系統(tǒng)所分配的碳排放配額;δp,δh分別為單位電量和單位冷/熱量的碳排放配額系數(shù);QGB為GB 的供熱量;Pbuy為系統(tǒng)向大電網(wǎng)購買的電量;PMT,QWHB,QAR分別為CCHP的供電、供熱和供冷量;φ表示MT發(fā)電量等效成供冷/熱量的折算系數(shù).

4.2.2 碳交易成本模型

為了減小系統(tǒng)運(yùn)行對環(huán)境的影響,本文將碳排放配額進(jìn)行區(qū)間劃分,構(gòu)建獎懲階梯型碳交易成本計算模型.當(dāng)碳交易成本Fc<0,即碳排放量小于碳排放配額時,用戶可出售多余的碳排放配額并獲得獎勵補(bǔ)貼;反之,用戶需購買一定數(shù)量的碳排放配額以供正常生產(chǎn)[14],其具體表示為

其中:El為系統(tǒng)中用戶的碳排放總量;c為碳交易價格;λ為碳交易價格的增長幅度;h為碳排放區(qū)間長度.

4.3 約束條件

4.3.1 功率平衡約束

在滿足上述各設(shè)備運(yùn)行約束情況下,還需滿足功率平衡約束.其中,電功率平衡約束為

系統(tǒng)內(nèi)冷/熱功率平衡約束為

4.3.2 蓄電池充放電約束

蓄電池的頻繁充放電會縮短其使用壽命,造成極大的設(shè)備維修與更換成本,因此,其運(yùn)行需要滿足以下約束條件[15]:

5 實驗仿真

為驗證本文所提出的考慮舒適度的溫差儲能與階梯獎懲型碳交易機(jī)制的調(diào)控模型在多能互補(bǔ)與可再生能源消納方面的有效性,設(shè)置機(jī)組設(shè)備參數(shù)如表2.系統(tǒng)內(nèi)冷熱電負(fù)荷曲線如圖2所示,風(fēng)電出力(wind power,WT)與光伏(photovoltaic,PV)出力曲線如圖3所示,分時電價和分時氣價如圖4所示.

表2 模型參數(shù)Table 2 Model parameters

圖2 典型負(fù)荷曲線Fig.2 Typical load curves

圖3 風(fēng)光出力曲線Fig.3 Wind-solar output curves

圖4 分時電價和分時氣價Fig.4 Time-of-use electricity and gas prices

5.1 模型對比仿真分析

為驗證本文所提出的調(diào)控模型的優(yōu)勢,設(shè)置以下3種場景進(jìn)行仿真實驗:

場景1:考慮需求響應(yīng)的電、熱、冷多能互補(bǔ)優(yōu)化模型;

場景2:考慮常規(guī)碳交易機(jī)制和需求響應(yīng)的電、熱、冷多能互補(bǔ)優(yōu)化模型;

場景3:考慮溫度舒適度與碳交易的綜合能源系統(tǒng)調(diào)控模型.3種優(yōu)化模型的仿真結(jié)果如表3與表4所示.

相比于情景1,情景2考慮了傳統(tǒng)碳交易機(jī)制.由于MT和GB碳排放量較少,因此,可以獲得額外的碳交易收益,從而激勵設(shè)備機(jī)組出力增加,減少了向大電網(wǎng)的購電量,降低了大電網(wǎng)的碳排放量.由表3和表4可知,雖然情景2的設(shè)備運(yùn)行成本高于情景1,但由于獲得了碳交易收益,故總成本低于情景1.相比于情景1,情景2的碳排放量減少了6.1%,系統(tǒng)總成本降低了7.3%.

表3 運(yùn)行成本結(jié)果對比Table 3 Comparison of operating cost results

表4 碳交易結(jié)果對比Table 4 Comparison of carbon trade results

情景3采用了冷熱舒適度的需求響應(yīng)機(jī)制與階梯獎懲型碳交易機(jī)制,目的是進(jìn)一步控制系統(tǒng)的碳排放量,并滿足能源互補(bǔ)的目標(biāo).由表3和表4可知,相比于情景2,情景3中的系統(tǒng)運(yùn)行總成本和碳排放量分別減少了9.8%和1.4%.因此,本文所構(gòu)建的優(yōu)化調(diào)控模型既可以提高系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)效益,也可以提升環(huán)境效益.

5.2 供需平衡分析

接下來,以情景3的調(diào)控結(jié)果進(jìn)行具體供需平衡分析,優(yōu)化后的冷熱電調(diào)控結(jié)果如圖5–7所示.

圖5 電能供需平衡圖Fig.5 Power supply and demand balance diagram

首先,對于23:00～6:00時段,用戶電負(fù)荷需求較低,電負(fù)荷主要由MT和WT出力滿足,由于該時段MT供能壓力較小,但出力較多,所以將剩余的電能出售給外部電網(wǎng)獲取收益或進(jìn)行存儲.對于7:00～9:00和15:00～17:00時段,用戶電負(fù)荷處于平值期,此時電負(fù)荷主要由MT、PV和WT出力滿足,不足的部分由外部電網(wǎng)購買.而在10:00～14:00和18:00～22:00時段,用戶電負(fù)荷處于高峰期,此時用電量較大,用戶電負(fù)荷除了由MT、PV和WT出力滿足之外,還需要SB釋放存儲的電能,不足的部分由外部電網(wǎng)購買.用戶冷熱負(fù)荷與電負(fù)荷的供需平衡情況相似,熱負(fù)荷主要由WHB、GB和溫差儲能3種設(shè)備滿足,而用戶冷負(fù)荷主要由AR和ER滿足.

圖6 熱能供需平衡圖Fig.6 Heat energy supply and demand balance diagram

圖7 冷能供需平衡圖Fig.7 Cold energy supply and demand balance diagram

5.3 需求響應(yīng)前后用戶負(fù)荷平衡分析

考慮電價與溫度舒適度需求響應(yīng)前后的用戶電、熱、冷負(fù)荷曲線如圖8–10所示.需求響應(yīng)后用戶的冷、熱、電負(fù)荷峰谷差相對于需求響應(yīng)前分別下降了8.75%,1.56%和12.21%,能夠有效平滑用戶負(fù)荷曲線.

如圖8所示的電負(fù)荷曲線,在電價的激勵下,需求響應(yīng)后用戶電負(fù)荷曲線趨向平滑,達(dá)到了“削峰填谷”的目的,即用戶將電負(fù)荷由電價波峰時段平移到了電價低谷時段.如在10:00～14:00時段和17:00～22:00時段,此時電價較高,經(jīng)過調(diào)節(jié),電負(fù)荷轉(zhuǎn)移到了用電低谷的23:00～6:00時段,當(dāng)前時段用戶電負(fù)荷明顯下降.

圖8 優(yōu)化前后電負(fù)荷曲線Fig.8 Electric load curves before and after optimization

圖9 優(yōu)化前后熱負(fù)荷曲線Fig.9 Heat load curves before and after optimization

圖10 優(yōu)化前后冷負(fù)荷曲線Fig.10 Cold load curves before and after optimization

由圖9和10可知,由于用戶對冷、熱能供給的可靠性要求較高,因此,為了保證用戶的舒適度,采用舒適度需求響應(yīng)機(jī)制,經(jīng)過優(yōu)化之后,用戶的冷、熱負(fù)荷也分別出現(xiàn)了削峰填谷的趨勢.

6 結(jié)論

在綜合能源系統(tǒng)內(nèi)部冷熱電氣高度耦合的情況下,為了提升新能源消納、增強(qiáng)系統(tǒng)多能互補(bǔ)能力、平抑源荷波動,本文建立了考慮溫度舒適度與碳交易的優(yōu)化調(diào)控模型,并設(shè)置了3個場景進(jìn)行對比分析,得出以下結(jié)論:

1) 將部分冷、熱、電負(fù)荷作為柔性負(fù)荷共同參與需求響應(yīng),可以有效降低負(fù)荷峰谷差,減少設(shè)備供能壓力,優(yōu)化系統(tǒng)運(yùn)行,從而提高系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性.

2) 在電價激勵的需求響應(yīng)基礎(chǔ)上,以舒適度為冷熱需求響應(yīng)的激勵,促進(jìn)了用戶進(jìn)一步參與冷熱供能的調(diào)控策略,提升了系統(tǒng)內(nèi)冷熱電氣的多能互補(bǔ)能力.

3) 引入基于溫度舒適度冷/熱需求響應(yīng)的溫差儲能模型,增強(qiáng)了系統(tǒng)對新能源的消納能力、提升了谷電時段的用能比例,并減輕了用能高峰期供能設(shè)備的壓力,平滑了不同時刻下冷熱電負(fù)荷曲線,降低了系統(tǒng)運(yùn)行成本.

4) 引入階梯獎懲型碳交易機(jī)制,激勵了各方主動減排行為,有效減少了系統(tǒng)碳排放總量,從而實現(xiàn)了環(huán)保性與經(jīng)濟(jì)性的雙贏.