王英杰，陳 潔，楊 蒙

(新疆大學(xué)電氣工程學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830047)

1 引言

隨著我國(guó)能源格局的改變，能源利用率低、能源需求分散且多樣化等問(wèn)題日益突出，因此需要大力發(fā)展冷熱電聯(lián)供(Combined Cooling,Heating and Power,CCHP)微網(wǎng)技術(shù)[1-2]。CCHP微網(wǎng)是一種建立在能量梯級(jí)利用原理基礎(chǔ)上，將供冷、供熱及發(fā)電過(guò)程一體化的多聯(lián)產(chǎn)總能系統(tǒng)，不僅滿足了用戶(hù)側(cè)能源需求的多樣性，還能夠有效提高微網(wǎng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)、環(huán)境效益，在新興工業(yè)園區(qū)的能量供應(yīng)方面得到了廣泛應(yīng)用[3-4]。然而，CCHP微網(wǎng)系統(tǒng)正面臨多種能量流相互耦合和可再生能源高比例滲透的問(wèn)題，尤其是離網(wǎng)型CCHP微網(wǎng)缺乏電網(wǎng)支撐，亟需加入儲(chǔ)能及其優(yōu)化控制技術(shù)幫助調(diào)節(jié)[5]。

深冷液化空氣儲(chǔ)能(Liquid Air Energy Storage,LAES)是以壓縮空氣儲(chǔ)能為基礎(chǔ)，將壓縮空氣進(jìn)一步降溫、液化并存儲(chǔ)的技術(shù)，與傳統(tǒng)的壓縮空氣儲(chǔ)能相比大大減少了所需的能量存儲(chǔ)體積，且具有能量密度高、存儲(chǔ)容量大、不受地理?xiàng)l件約束、沒(méi)有環(huán)境危害等優(yōu)點(diǎn)[6-7]。文獻(xiàn)[8]利用壓縮空氣儲(chǔ)能的儲(chǔ)熱工質(zhì)對(duì)熱用戶(hù)供熱，并將透平出口空氣用于制冷，從而實(shí)現(xiàn)冷熱電三聯(lián)供，結(jié)果表明含壓縮空氣儲(chǔ)能的CCHP系統(tǒng)能夠有效提高供能效率、消納可再生能源。文獻(xiàn)[9]提出了一種耦合壓縮空氣儲(chǔ)能和風(fēng)力發(fā)電的分布式能源系統(tǒng)模型，通過(guò)改變壓縮機(jī)級(jí)數(shù)等參數(shù)分析系統(tǒng)供能特性。文獻(xiàn)[10]建立了孤島模式下風(fēng)-氫互補(bǔ)微電網(wǎng)模型，研究其系統(tǒng)特性，以總體經(jīng)濟(jì)成本最優(yōu)為目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行容量配置。文獻(xiàn)[11-12]針對(duì)由壓縮空氣儲(chǔ)能、燃?xì)獍l(fā)電機(jī)和吸收式制冷機(jī)組成的 CCHP微網(wǎng)，以效率與經(jīng)濟(jì)成本為目標(biāo)，優(yōu)化關(guān)鍵熱力學(xué)參數(shù)。文獻(xiàn)[13-14]建立了10MW級(jí)深冷液化空氣儲(chǔ)能的設(shè)計(jì)方案，從技術(shù)原理、運(yùn)行模式及熱力學(xué)分析等不同角度對(duì)LAES系統(tǒng)的工程化應(yīng)用提供研究思路。

現(xiàn)有對(duì)LAES系統(tǒng)研究主要集中于僅供電的系統(tǒng)，且多為系統(tǒng)設(shè)計(jì)和系統(tǒng)特性分析，對(duì)于冷熱電聯(lián)供的深冷液化空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)及其應(yīng)用研究較少。因此，本文提出一種含深冷液化空氣儲(chǔ)能的離網(wǎng)型CCHP微網(wǎng)系統(tǒng)，構(gòu)建各部分模型，以缺負(fù)荷率和經(jīng)濟(jì)成本為目標(biāo)函數(shù)，使用NSGA-Ⅱ算法進(jìn)行優(yōu)化容量配置，并結(jié)合實(shí)際負(fù)荷數(shù)據(jù)進(jìn)行仿真驗(yàn)證。

2 系統(tǒng)建模

2.1 系統(tǒng)描述

為防止多種能量流耦合帶來(lái)系統(tǒng)調(diào)控困難的問(wèn)題，本文構(gòu)建的離網(wǎng)型CCHP微網(wǎng)由風(fēng)力發(fā)電機(jī)、深冷液化空氣儲(chǔ)能、電鍋爐、電制冷機(jī)等設(shè)備構(gòu)成，其結(jié)構(gòu)能流圖如圖1所示。用戶(hù)負(fù)荷主要由深冷液化空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)來(lái)滿足，而在LAES系統(tǒng)供能不足時(shí)，電負(fù)荷由風(fēng)電機(jī)組滿足，冷負(fù)荷由電制冷機(jī)滿足，熱負(fù)荷由電鍋爐滿足，以提高系統(tǒng)的能量利用率。

圖1 離網(wǎng)型CCHP微網(wǎng)結(jié)構(gòu)能流圖

2.2 系統(tǒng)建模

2.2.1 風(fēng)力發(fā)電機(jī)模型

該CCHP微網(wǎng)的主要供電設(shè)備為風(fēng)力發(fā)電機(jī)，其輸出功率PWT與輪轂處風(fēng)速v的關(guān)系為

(1)

式中，vc、vp、vn分別為風(fēng)力發(fā)電機(jī)切入、切出、額定風(fēng)速；Pn為風(fēng)力發(fā)電機(jī)的額定功率。

2.2.2 深冷液化空氣儲(chǔ)能模型

深冷液化空氣儲(chǔ)能是將電能轉(zhuǎn)化為液態(tài)空氣的內(nèi)能并儲(chǔ)存的儲(chǔ)能方式，其流程如圖2所示。儲(chǔ)能階段，電能驅(qū)動(dòng)空氣壓縮機(jī)組將常溫常壓的環(huán)境空氣壓縮至高溫高壓狀態(tài)，通過(guò)換熱器將壓縮熱釋放到儲(chǔ)熱介質(zhì)中并吸收儲(chǔ)冷介質(zhì)的冷能后降溫，高壓低溫的壓縮空氣接著進(jìn)入節(jié)流閥，通過(guò)節(jié)流膨脹作用使空氣液化并儲(chǔ)存于液態(tài)空氣儲(chǔ)罐中。釋能階段，深冷泵將液態(tài)空氣從液空儲(chǔ)罐中加壓泵出，于蒸發(fā)器中吸收儲(chǔ)冷介質(zhì)的熱能氣化。最后，離開(kāi)蒸發(fā)器的高壓低溫空氣再吸收儲(chǔ)熱介質(zhì)的熱能并升高溫度，于空氣透平膨脹機(jī)中膨脹做功，驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。

圖2 深冷液化空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)流程圖

壓縮機(jī)組消耗的總功率為

(2)

液態(tài)空氣儲(chǔ)罐模型為

(3)

式中，VLA(t)為當(dāng)前時(shí)刻液態(tài)空氣儲(chǔ)罐中液態(tài)空氣體積；me為膨脹空氣的流量；ρLA為液態(tài)空氣的密度，取0.9kg/m3；tr為系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間。

深冷泵消耗的電功率表示為

(4)

膨脹機(jī)組的輸出的電功率為

(5)

式中，ηe，m為電動(dòng)機(jī)-膨脹機(jī)的轉(zhuǎn)換效率，取0.9；γ為膨脹機(jī)的膨脹比；ηe為膨脹機(jī)的等熵效率。

深冷液化空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)能夠回收各過(guò)程中產(chǎn)生的熱能和冷能來(lái)提高系統(tǒng)效率并實(shí)現(xiàn)冷熱電聯(lián)供。常溫水和常溫導(dǎo)熱油吸收空氣壓縮過(guò)程產(chǎn)生的熱能，不僅使壓縮機(jī)入口空氣溫度降低，減小其耗功，還能將熱能存儲(chǔ)利用于加熱膨脹階段的冷空氣，使空氣透平膨脹機(jī)入口空氣溫度升高，增加其輸出功，提高系統(tǒng)效率；同時(shí)產(chǎn)生的高溫水可以供給熱負(fù)荷，提高了能源利用率。使用丙烷和水作為儲(chǔ)冷介質(zhì)，將熱能和冷能循環(huán)運(yùn)用于空氣的液化和氣化過(guò)程，并將冷水供給冷負(fù)荷，末級(jí)透平膨脹機(jī)的低溫排氣也可供給冷負(fù)荷，實(shí)現(xiàn)了能量的綜合利用。

LAES系統(tǒng)的供熱量為高溫水輸出的熱量，系統(tǒng)的供冷量由冷水輸出的冷量與冷空氣輸出的冷量之和表示

(6)

QCS=QCW+QCA

(7)

(8)

(9)

深冷液化空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)的Matlab/Simulink仿真模型如圖3所示。

圖3 深冷液化空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)仿真模型

2.2.3 電制冷機(jī)模型

電制冷機(jī)作為冷負(fù)荷的補(bǔ)充設(shè)備，其制冷量為

(10)

式中，PER為電制冷機(jī)功率；COPer為電制冷機(jī)制冷系數(shù)。

2.2.4 電鍋爐模型

電鍋爐作為熱負(fù)荷的補(bǔ)充設(shè)備，其制熱量為

(11)

式中，PEB為電鍋爐功率；ηeb為電鍋爐熱效率。

3 系統(tǒng)容量配置

離網(wǎng)型CCHP微網(wǎng)優(yōu)化的容量配置旨在滿足本地負(fù)荷需求，同時(shí)減少能源浪費(fèi)、降低系統(tǒng)的成本。但是滿足負(fù)荷與低系統(tǒng)成本間存在矛盾，因此需要尋求二者之間的最優(yōu)解。

3.1 目標(biāo)函數(shù)

3.1.1 系統(tǒng)可靠性指標(biāo)

系統(tǒng)可靠性表征供能系統(tǒng)持續(xù)供能的能力，可用系統(tǒng)不能滿足負(fù)荷功率需求的概率—缺負(fù)荷率LPSP來(lái)衡量，本文以最低缺負(fù)荷率為優(yōu)化目標(biāo)之一，其目標(biāo)函數(shù)表示為

(12)

式中，N為系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間內(nèi)不能滿足負(fù)荷需求的采樣點(diǎn)數(shù)；T為系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間內(nèi)所有負(fù)荷采樣點(diǎn)數(shù)；Pi(t)為t時(shí)刻第i種負(fù)荷需求功率；Pj(t)為t時(shí)刻第j種供能設(shè)備的供能功率；k為系統(tǒng)供能設(shè)備類(lèi)型數(shù)目。

3.1.2 系統(tǒng)成本

系統(tǒng)成本主要為各的設(shè)備建設(shè)運(yùn)行成本，最小成本的目標(biāo)函數(shù)為

(13)

式中，Nj為同類(lèi)設(shè)備的個(gè)數(shù)；Pj為設(shè)備的額定功率；Cui，j為設(shè)備單位裝機(jī)容量成本；r為設(shè)備折舊率；n為設(shè)備使用年限。

3.2 約束條件

3.2.1 設(shè)備約束

各設(shè)備除了滿足數(shù)學(xué)模型的等式條件外，還應(yīng)滿足裝置數(shù)量、容量和功率的不等式約束，分別如式(14)-式(16)所示

0≤Nj≤Nj，max

(14)

Vj，min≤Vj(t)≤Vj，max

(15)

Pj，min≤Pj(t)≤Pj，max

(16)

式中，Nj，max為同類(lèi)設(shè)備單獨(dú)滿足負(fù)荷需要的數(shù)量；Vj，min和Vj，max分別為儲(chǔ)罐容量的上下限；Pj，min和Pj，max分別為設(shè)備運(yùn)行功率的上下限。

3.2.2 能量約束

系統(tǒng)的能量約束主要包括電能平衡、冷能平衡、熱能平衡約束，表達(dá)式為

PLAES(t)+PER(t)+PEB(t)+Pload(t)=PWT(t)

(17)

QCS(t)+QER(t)=QCold(t)

(18)

QHS(t)+QEB(t)=QHeat(t)

(19)

式中，Pload(t)為電負(fù)荷功率；Qcold(t)為冷負(fù)荷需求量；Qheat(t)為熱負(fù)荷需求量。

3.3 系統(tǒng)控制策略

因風(fēng)力發(fā)電機(jī)出力具有間歇性和隨機(jī)性的特點(diǎn)，負(fù)荷情況也是在不斷變化，故優(yōu)化的控制策略有利于提高系統(tǒng)的能量利用、減少成本。具體控制策略如下：

1)用電低谷期LAES系統(tǒng)充電，用電高峰期LAES系統(tǒng)放電。

2)負(fù)荷首先由LAES系統(tǒng)滿足，不能滿足負(fù)荷時(shí)由風(fēng)力發(fā)電機(jī)、電制冷機(jī)和電鍋爐共同滿足。

3.4 優(yōu)化求解

所建含深冷液化空氣儲(chǔ)能的離網(wǎng)型CCHP微網(wǎng)系統(tǒng)容量配置為實(shí)質(zhì)上是帶約束的復(fù)雜非線性多目標(biāo)優(yōu)化問(wèn)題，其一般形式為

min[f1(x)，f2(x)，…fn(x)]

(20)

(21)

式中，fn(x)為目標(biāo)函數(shù)；g(x，y)為等式約束；h(x，y)為不等式約束。

多目標(biāo)優(yōu)化問(wèn)題可通過(guò)多種智能算法實(shí)現(xiàn)，如遺傳算法、粒子群算法、蟻群算法等，其目的都為尋求多個(gè)目標(biāo)的最優(yōu)解，通過(guò)計(jì)算得出“非劣”P(pán)areto解集來(lái)表示其優(yōu)化結(jié)果。本文使用性能優(yōu)越的NSGA-Ⅱ多目標(biāo)遺傳算法對(duì)系統(tǒng)容量配置問(wèn)題進(jìn)行求解，其解集具有收斂性好和分布均勻等優(yōu)點(diǎn)，求解具體流程如圖4所示。

圖4 容量配置求解流程圖

4 算例分析

4.1 基礎(chǔ)參數(shù)

對(duì)于不同場(chǎng)景下的CCHP系統(tǒng)的容量配置結(jié)果也不同，以某工業(yè)園區(qū)為例，其典型日負(fù)荷如圖5所示。設(shè)定00：00-06：00和18：00-24：00為用電低谷期，LAES系統(tǒng)進(jìn)行儲(chǔ)能；在06：00-18：00為用電高峰期，LAES系統(tǒng)進(jìn)行釋能。

圖5 某工業(yè)園區(qū)典型日負(fù)荷

本文構(gòu)建的CCHP微網(wǎng)主要供能設(shè)備由風(fēng)力發(fā)電機(jī)、電制冷機(jī)、電鍋爐和深冷液化空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)構(gòu)成，設(shè)備的主要設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示。選取新疆某風(fēng)電廠單臺(tái)2.5MW風(fēng)力發(fā)電機(jī)作為研究對(duì)象，其某日出力情況如圖6所示。同時(shí)設(shè)置單臺(tái)電制冷機(jī)的額定容量為3000kW，單臺(tái)電鍋爐的額定容量為3000kW，深冷液化空氣儲(chǔ)能單級(jí)額定容量1770kW。

表1 設(shè)備主要設(shè)計(jì)參數(shù)

圖6 單臺(tái)風(fēng)力發(fā)電機(jī)出力

系統(tǒng)各設(shè)備的成本參數(shù)如表2所示

表2 設(shè)備成本參數(shù)

4.2 結(jié)果分析

根據(jù)目標(biāo)函數(shù)與約束條件，NSGA-Ⅱ多目標(biāo)遺傳優(yōu)化算法中選擇遺傳代數(shù)為 250，種群個(gè)數(shù)為 100，交叉概率為 0.8，變異概率為 0.15。優(yōu)化容量配置的Pareto解集如圖7所示。

圖7 優(yōu)化容量配置的Pareto解集

通過(guò)多目標(biāo)遺傳算法優(yōu)化后的含深冷液化空氣儲(chǔ)能的離網(wǎng)型CCHP微網(wǎng)系統(tǒng)容量配置一組最優(yōu)解如表3。

表3 容量配置結(jié)果

根據(jù)所得結(jié)果，選取一個(gè)最優(yōu)解：風(fēng)力發(fā)電機(jī)12臺(tái)、LAES系統(tǒng)4級(jí)、電制冷機(jī)5臺(tái)、電鍋爐2臺(tái)為該負(fù)荷情況下的最優(yōu)容量配置，在該配置下，CCHP系統(tǒng)的缺負(fù)荷率為4.17%，成本為3.50×107元。該結(jié)果體現(xiàn)了NSGA-Ⅱ算法解集“非劣”的特性，即為保證負(fù)荷的供能可靠性和系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性，需要允許一定的缺負(fù)荷率。

5 結(jié)論

本文提出一種由深冷液化空氣儲(chǔ)能主要供能，風(fēng)力發(fā)電機(jī)、電制冷機(jī)、電鍋爐補(bǔ)充供能的離網(wǎng)型CCHP系統(tǒng)。構(gòu)建了各設(shè)備的模型，以缺負(fù)荷率和系統(tǒng)成本為優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)，以系統(tǒng)中裝置的數(shù)量為決策變量，從各設(shè)備容量、功率和系統(tǒng)能量平衡方面進(jìn)行約束。結(jié)合實(shí)際負(fù)荷情況，通過(guò)NSGA-Ⅱ多目標(biāo)遺傳算法對(duì)離網(wǎng)型CCHP系統(tǒng)進(jìn)行容量配置，得出該負(fù)荷情況下的最優(yōu)設(shè)備數(shù)量。該系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了能量的綜合利用，供能設(shè)備的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，有效提高了系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性和供能可靠性，為深冷液化空氣儲(chǔ)能的應(yīng)用和CCHP微網(wǎng)的發(fā)展提供了理論參考。