韓 旭， 周峻毅， 李 奇， 吳 迪， 李 鵬， 韓中合

(華北電力大學(xué) 河北省低碳高效發(fā)電技術(shù)重點實驗室，河北保定 071003)

符號說明：

CASHP——電制冷機(jī)的制冷量，kW·h

Cload——用戶冷負(fù)荷，kW·h

ηCOP,ASHP——電制冷機(jī)的制冷效率

CIES——系統(tǒng)總成本，元

Cinv——投資成本，元

Cope——運行維護(hù)成本，元

Cng——全年消耗天然氣成本，元

Cgrid——全年購電成本，元

Ccet——碳稅成本，元

Cgrid,cde——市政購電產(chǎn)生的CO2排放量,g/(kW·h)

Cng,cde——燃燒天然氣產(chǎn)生的CO2排放量,g/(kW·h)

Cgrid,t——t時間段購電價格，元/(kW·h)

cgrid，cell——電網(wǎng)逐時購電價格，元/(kW·h)

Egrid,t——t時間段市政購電量，kW·h

Eeq,i,t——i型設(shè)備的出力，kW·h

EASHP——電制冷機(jī)消耗的電量，kW·h

Egrid——市政電網(wǎng)購電量，kW·h

EGT——燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電量，kW·h

Eload——用戶所需電負(fù)荷，kW·h

Enon——非可再生能源電力出力，kW·h

Egrid,sell,t——電網(wǎng)逐時售電價格，元/(kW·h)

EICE——燃?xì)廨啓C(jī)產(chǎn)電量，kW·h

EPS——蓄電池的額定容量，kW·h

EPV——光伏發(fā)電量，kW·h

Eserved——系統(tǒng)年總電力負(fù)荷，kW·h

EWT——風(fēng)力發(fā)電機(jī)發(fā)電量，kW·h

F0——燃料曲線的截距系數(shù)，m3/(kW-1·h-1)

F1——燃料曲線的斜率

Ft——天然氣總耗能量，kW·h

FGT,t——燃?xì)廨啓C(jī)天然氣耗能，kW·h

FGB,t——燃?xì)忮仩t天然氣耗能，kW·h

FGB——補(bǔ)燃鍋爐的耗能，kW

GGT——燃?xì)廨啓C(jī)裝機(jī)容量，kW

GPS——儲電系統(tǒng)輸出功率，kW

GPV——光伏系統(tǒng)裝機(jī)容量，kW

GWT——風(fēng)機(jī)系統(tǒng)裝機(jī)容量，kW

Geq,i——i型設(shè)備的額定容量，kW

I0——光伏板額定輻射強(qiáng)度，kW/m2

IT——實際太陽輻射強(qiáng)度，kW/m2

QLHV,ng——燃料的低位發(fā)熱量，MJ/kg

N——風(fēng)機(jī)臺數(shù)

ni——i型設(shè)備的數(shù)量

fPV——光伏板降額系數(shù)

cng——每天消耗的天然氣成本，元/(kW·h)

Pin——蓄電池存入電能的功率，kW

PN——風(fēng)電機(jī)組的額定功率，kW

PGT——燃?xì)廨啓C(jī)實際輸出功率，kW

Pout——蓄電池釋放電能的功率，kW

QEB——熱電聯(lián)產(chǎn)余熱，kW·h

Qload——用戶的熱負(fù)荷，kW·h

Qnon——非可再生能源輸出能量，kW·h

Qserved——年總熱負(fù)荷，kW·h

ESOC(t)——t時間段蓄電池電量，kW

ηGB——補(bǔ)燃鍋爐效率，%

Vin——風(fēng)力發(fā)電機(jī)的切入風(fēng)速，m/s

Vout——風(fēng)力發(fā)電機(jī)的切出風(fēng)速，m/s

Vrated——風(fēng)力發(fā)電機(jī)額定風(fēng)速，m/s

Vw,t——t時間段的風(fēng)機(jī)運行風(fēng)速，m/s

YGT——燃?xì)廨啓C(jī)額定發(fā)電功率，kW

YPV——光伏板額定輸出功率，kW

δe——蓄電池自身電能消耗率,%

ρng——天然氣的密度，kg/m3

ηcetr——碳稅價格，元/t

ηe——蓄電池的充放電效率，%

Δt——蓄電池工作時間，h

下標(biāo)

i——不同設(shè)備類型

綜合能源系統(tǒng)(Intergrated Energy System, IES)能夠?qū)哂懈鳟愋再|(zhì)的能源進(jìn)行高效地梯級利用，有利于節(jié)能減排和可再生能源的大幅度消納，因而被廣泛應(yīng)用于工、商業(yè)園區(qū)[1]，其也是能源互聯(lián)網(wǎng)和泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的重要組成部分[2-3]。鑒于綜合能源系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)能源供應(yīng)和碳中和，因此越來越受到國內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注[4]。 在綜合能源系統(tǒng)設(shè)備建模方面，Zhang等[5]構(gòu)建了一種耦合了電、熱、氣和冷的具有多樣性負(fù)荷需求和源形式的園區(qū)級綜合能源系統(tǒng)，發(fā)現(xiàn)在綜合能源系統(tǒng)提高能效和降低運行成本方面，階梯級優(yōu)化方法具有顯著作用。金泰等[6]以系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性為優(yōu)化目標(biāo)，結(jié)合混合整數(shù)非線性規(guī)劃方法針對綜合能源系統(tǒng)的容量配置問題構(gòu)建了一套系統(tǒng)容量配置的最佳方案，并提出了一種電轉(zhuǎn)氣設(shè)備在風(fēng)-光-儲系統(tǒng)中的最佳工作模式。韋古強(qiáng)等[7]基于“以電定熱”和“以熱定電”2種運行模式，在冬季和夏季2種典型季節(jié)下對比研究了不同系統(tǒng)的優(yōu)劣。張大海等[8]綜合考慮儲電、儲熱、儲氣并引入光熱，構(gòu)建了一種電熱氣的綜合能源系統(tǒng)。在綜合能源系統(tǒng)政策研究及評價標(biāo)準(zhǔn)方面，文明等[9]將碳稅作為懲罰因子并引進(jìn)綜合能源系統(tǒng)，從環(huán)境和經(jīng)濟(jì)的角度提出4種優(yōu)化方案，并進(jìn)行了關(guān)于碳稅的敏感性分析。萬文軒等[10]梳理了碳交易市場的關(guān)鍵因素，并分析了其影響機(jī)理、交易機(jī)制和應(yīng)用模式。李健等[11]基于包含能源稅收、碳稅和碳交易機(jī)制等6項政策動態(tài)，研究了不同政策工具的實施效果。顧文波等[12]針對大型公共機(jī)構(gòu)建筑多源聯(lián)供系統(tǒng)的優(yōu)化問題進(jìn)行了建模，并進(jìn)行了兼顧經(jīng)濟(jì)和環(huán)保的多目標(biāo)優(yōu)化調(diào)度研究，基于滿意度指標(biāo)提出多種優(yōu)化調(diào)度方案。在綜合能源系統(tǒng)算法優(yōu)化方面，陳曦等[13]以耦合天然氣庫的綜合能源系統(tǒng)為研究對象，利用布谷鳥搜索算法，以包含系統(tǒng)初始投資成本、系統(tǒng)運行成本和碳排放成本在內(nèi)的系統(tǒng)總成本為優(yōu)化目標(biāo)對系統(tǒng)進(jìn)行容量優(yōu)化。Wu等[14]以得到最小逐時運行成本為目標(biāo)，基于窮舉搜索法的自適應(yīng)策略提出了一種年均成本最低的綜合能源系統(tǒng)優(yōu)化方案，并確定了最佳設(shè)備容量和運行參數(shù)。

在以上研究的基礎(chǔ)上，筆者結(jié)合某辦公園區(qū)的負(fù)荷特性，通過建立5種綜合能源系統(tǒng)模型，以經(jīng)濟(jì)性和環(huán)境效益為優(yōu)化目標(biāo)對綜合能源系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，并進(jìn)行了相應(yīng)的敏感性分析。

1 綜合能源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖1為綜合能源系統(tǒng)的典型結(jié)構(gòu)，該系統(tǒng)包括市政電網(wǎng)、光伏板、風(fēng)機(jī)、熱電聯(lián)產(chǎn)(CHP)系統(tǒng)、鋰電池、電制冷機(jī)和補(bǔ)燃鍋爐等。其中，用戶電負(fù)荷由光伏板、風(fēng)機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)和儲能系統(tǒng)提供，不足的部分由市政電網(wǎng)購入滿足；用戶熱負(fù)荷由CHP系統(tǒng)產(chǎn)生的余熱和補(bǔ)燃鍋爐燃燒天然氣所釋放的熱量聯(lián)合提供；用戶冷負(fù)荷由電制冷機(jī)提供。

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

2 系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型

2.1 設(shè)備模型

太陽能光伏板的實際輸出功率PPV為：

(1)

不考慮風(fēng)場時的滯效應(yīng)和尾流效應(yīng)，t時間段內(nèi)風(fēng)機(jī)的輸出功率Pw,t為：

Pw,t=

(2)

充電和放電時蓄電池的電量ESOC(t)分別見式(3)和式(4)。

ESOC(t)=(1-δe)·ESOC(t-1)+PinΔtηe/EPS

(3)

ESOC(t)=(1-δe)·ESOC(t-1)-PoutΔtηe/EPS

(4)

燃?xì)廨啓C(jī)燃?xì)庀乃俾蔉GT為：

FGT=F0YGT+F1PGT

(5)

燃?xì)廨啓C(jī)效率ηGT為：

(6)

補(bǔ)燃鍋爐產(chǎn)熱量QGB為：

QGB=FGBηGB

(7)

電制冷機(jī)的制冷量CASHP為：

CASHP=ηCOP,ASHP×EASHP

(8)

2.2 約束條件

約束條件為綜合能源系統(tǒng)與用戶之間的冷、熱、電的逐時平衡。電負(fù)荷約束為：

EPV+EWT+EPS+EICE+Egrid≥Eload+EASHP

(9)

補(bǔ)燃鍋爐產(chǎn)熱和CHP余熱應(yīng)滿足用戶熱負(fù)荷需求，熱負(fù)荷約束為：

QEB+QGB≥Qload

(10)

冷負(fù)荷約束為：

CASHP≥Cload

(11)

2.3 評價方法

2.3.1 環(huán)境評估

CO2的排放主要來源于燃?xì)廨啓C(jī)、補(bǔ)燃鍋爐燃燒天然氣，通過CO2排放量的大小可以定量評價系統(tǒng)的環(huán)境效益?？稍偕茉蠢寐适侵缚稍偕茉窗l(fā)電利用量占整個系統(tǒng)發(fā)電量的比值?？稍偕茉蠢寐试礁?，說明系統(tǒng)利用環(huán)境資源能力越強(qiáng)，融合當(dāng)?shù)丨h(huán)境的效果更好?？稍偕茉蠢寐蔲ren為：

(12)

2.3.2 經(jīng)濟(jì)性評估

燃料成本的影響因素為燃料消耗總量與單位燃料價格，燃料成本越低，系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性越好；綜合能源系統(tǒng)中的燃?xì)廨啓C(jī)熱電聯(lián)產(chǎn)、太陽能光伏板、風(fēng)力機(jī)、蓄電池等投入運行后，每年會存在一定的運行和維護(hù)費用，運行成本用來描述該系統(tǒng)生命周期內(nèi)各組件的運行費用之和；設(shè)備投資成本包含燃?xì)廨啓C(jī)、太陽能光伏板、風(fēng)力機(jī)、蓄電池等初始投資費用成本。

2.4 目標(biāo)函數(shù)

目標(biāo)函數(shù)為綜合能源系統(tǒng)的年總成本，包括年投資成本、年運行維護(hù)成本、年消耗天然氣成本、年購電成本和年碳稅成本。

CIES=Cinv+Cng+Cope+Cgrid+Ccet

(13)

(14)

(15)

(16)

Ft=FGT,t+FGB,t

(17)

(18)

(19)

2.5 模型求解算法

網(wǎng)格搜索算法通過遍歷搜索給指定空間的所有可行系統(tǒng)配置參數(shù)來優(yōu)化模型，并對比各目標(biāo)值，從而尋找最優(yōu)的優(yōu)化變量組合。網(wǎng)格搜索算法相較于其他尋優(yōu)算法耗時長，但可避免常規(guī)算法可能出現(xiàn)的一些問題。此外，網(wǎng)格搜索算法不需要根據(jù)經(jīng)驗設(shè)置關(guān)鍵參數(shù)，操作簡單實用、魯棒性強(qiáng)。因此，筆者采用網(wǎng)格搜索算法對模型進(jìn)行尋優(yōu)和求解。模型求解流程圖見圖2。

圖2 模型求解流程圖Fig.2 Flow chart of model solution

構(gòu)建包含風(fēng)-光-燃-儲-網(wǎng)、光-燃-儲-網(wǎng)、風(fēng)-燃-儲-網(wǎng)、風(fēng)-光-儲-網(wǎng)、風(fēng)-光-燃-網(wǎng)在內(nèi)的5種綜合能源系統(tǒng)，并設(shè)置系統(tǒng)輻射條件、風(fēng)力條件、階梯電價、系統(tǒng)負(fù)荷和設(shè)備參數(shù)等初始條件?；谏鲜鰯?shù)學(xué)模型和約束條件等確定相應(yīng)的系統(tǒng)供能約束，以經(jīng)濟(jì)性為目標(biāo)并結(jié)合自然條件和社會條件2種邊界條件對上述5種綜合能源系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，得到各系統(tǒng)元件的構(gòu)成參數(shù)和供能情況，根據(jù)優(yōu)先級確定當(dāng)前環(huán)境下5種綜合能源系統(tǒng)模型對應(yīng)的綜合效益最優(yōu)方案。自然條件分析主要研究系統(tǒng)在面對復(fù)雜可再生能源處理狀況時的系統(tǒng)表現(xiàn)情況。社會條件分析主要研究光伏價格和碳稅對系統(tǒng)性能的影響。最終得到受自然條件和社會條件波動影響的綜合能源系統(tǒng)的配置建議。

3 參數(shù)設(shè)置

補(bǔ)燃鍋爐的熱效率取80%，電制冷機(jī)的能效比取2.5，儲能系統(tǒng)效率取72%。設(shè)備投資及維護(hù)費用見表1[14]，市政電網(wǎng)分時電價和天然氣價格見表2。電網(wǎng)購電的碳排放量為960 g/(kW·h)。

表1 設(shè)備投資和維護(hù)費用Tab.1 Economic parameters of the equipment

表2 市政電網(wǎng)分時電價和天然氣價格Tab.2 Time-of-use electricity price and natural gas price of municipal power grid

以北京某辦公園區(qū)為研究對象，其負(fù)荷類型由冷、熱、電3種負(fù)荷組成，如圖3所示。其中，園區(qū)電負(fù)荷需求跨度最大且分布較為均勻，除部分夏季時間段略高外，其余月份相差不大，峰值約為2 150.2 kW，日間電負(fù)荷需求主要集中在9：00—20：00之間；園區(qū)冷負(fù)荷需求分布在3—10月，冷負(fù)荷峰值出現(xiàn)在7月和8月，約為10 985 kW；園區(qū)熱負(fù)荷需求分布在1—6月和8—12月，熱負(fù)荷峰值主要出現(xiàn)在1月，約為3 164.7 kW。圖4給出了自然資源的約束條件，該地區(qū)年平均太陽輻射強(qiáng)度為4.32 kW/m2，年平均風(fēng)速為3.62 m/s。

圖3 用戶負(fù)荷的變化Fig.3 Variation of user load

(a) 輻射強(qiáng)度

(b) 環(huán)境溫度

(c) 風(fēng)速

4 案例分析

4.1 系統(tǒng)構(gòu)成

針對該園區(qū)綜合能源系統(tǒng)的優(yōu)化規(guī)劃問題，建立了5種綜合能源系統(tǒng)模型，通過計算得到各系統(tǒng)設(shè)備參數(shù)和供能情況。系統(tǒng)設(shè)備參數(shù)見表3。

表3 系統(tǒng)設(shè)備裝機(jī)容量Tab.3 System equipment installed capacity

為研究碳排放因子對綜合能源系統(tǒng)的影響，對5種系統(tǒng)的各設(shè)備投資成本、可再生能源滲透率、年CO2排放量、系統(tǒng)運行維護(hù)成本和總?cè)剂舷某杀具M(jìn)行分析，見圖5。對比不同系統(tǒng)的優(yōu)劣程度可以從系統(tǒng)投資成本、可再生能源滲透率和年CO2排放量3個角度考慮。從年CO2排放量角度來說，系統(tǒng)1<系統(tǒng)4<系統(tǒng)2<系統(tǒng)3<系統(tǒng)5，系統(tǒng)5的年CO2排放量最大，可達(dá)4 681 762 kg；系統(tǒng)3次之，且略高于系統(tǒng)2；系統(tǒng)1的年CO2排放量最小，約為系統(tǒng)4的97%。從系統(tǒng)投資成本角度來說，系統(tǒng)1<系統(tǒng)2<系統(tǒng)3<系統(tǒng)5<系統(tǒng)4，系統(tǒng)4的系統(tǒng)投資成本最高，系統(tǒng)1的系統(tǒng)投資成本約為系統(tǒng)4的81%，且系統(tǒng)1、系統(tǒng)2和系統(tǒng)3的系統(tǒng)投資成本相當(dāng)，系統(tǒng)5略高于前三者。從可再生能源滲透率角度來說，系統(tǒng)4>系統(tǒng)1>系統(tǒng)2>系統(tǒng)3>系統(tǒng)5，系統(tǒng)4的可再生能源滲透率略高于其他系統(tǒng)。綜上所述，系統(tǒng)1為最優(yōu)系統(tǒng)，其年CO2排放量和全生命周期成本均最低；系統(tǒng)4消納可再生能源的能力最佳，可再生能源滲透率為69.93%，但總成本為系統(tǒng)1的159%。

圖5 不同系統(tǒng)的系統(tǒng)投資成本、可再生能源滲透率和年CO2排放量對比Fig.5 Total system cost, renewable energy penetration and carbon dioxide emissions of different systems

4.2 電、熱平衡

圖6為典型冬季日(即1月15日)系統(tǒng)的電、熱平衡圖。由于此時電負(fù)荷小且燃?xì)忮仩t運行經(jīng)濟(jì)性差，系統(tǒng)即使對CHP系統(tǒng)所產(chǎn)生的余熱需求很大，但考慮到經(jīng)濟(jì)效益，也未能引入大量的燃?xì)忮仩t出力。由圖6可知，通常燃?xì)廨啓C(jī)在電網(wǎng)電價為峰值和可再生能源短缺時出力。光伏在9：00—17：00期間持續(xù)出力，其發(fā)電量幾乎占到全天電負(fù)荷需求的55%；風(fēng)機(jī)的主要出力時間為21：00—22：00和5：00—9：00，并與光伏發(fā)電相互補(bǔ)充，在此期間，用戶電負(fù)荷需求較少，風(fēng)機(jī)發(fā)電量除滿足電負(fù)荷需求外，其余流向儲能系統(tǒng)中。電池在5：00—9：00期間工作，將可再生能源產(chǎn)生的多余電量儲存并在電網(wǎng)電價處于峰值時釋放電量。23：00—24：00和00：00—4：00時系統(tǒng)用電量少，且此時市政電網(wǎng)電價較低，僅需電網(wǎng)少量購電。其中，燃?xì)廨啓C(jī)主要為調(diào)峰設(shè)備在可再生能源出力短缺時18：00—21：00供能，其供能量大約占到總電負(fù)荷需求的29.5%，當(dāng)負(fù)荷需求較大、電力成本提高、可再生能源設(shè)備出力無法滿足用電需求時，燃?xì)廨啓C(jī)起到了很好的調(diào)峰和緩沖作用。

(a) 電平衡

(b) 熱平衡

4.3 經(jīng)濟(jì)和環(huán)境的敏感性分析

圖7給出了平均風(fēng)速和平均輻射強(qiáng)度變化對系統(tǒng)年CO2排放量和年運行維護(hù)成本的影響規(guī)律。如圖7(a)所示，平均風(fēng)速和平均輻射強(qiáng)度越大，年CO2排放量越少，系統(tǒng)對化石能源依賴的程度越低。如圖7(b)所示，年運行維護(hù)成本隨平均輻射強(qiáng)度和平均風(fēng)速的增加呈先增大后減小的趨勢。平均風(fēng)速為2～3 m/s時，年CO2排放量隨風(fēng)速的增加而增大。這是因為風(fēng)機(jī)未達(dá)到最佳出力曲線。由于光伏發(fā)電量占到系統(tǒng)總發(fā)電量的55%，且光伏運行維護(hù)成本略高于風(fēng)機(jī)，因此年運行維護(hù)成本受平均輻射強(qiáng)度的影響較大。

(a) 年CO2排放量

(b) 年運行維護(hù)成本

圖8為系統(tǒng)總成本、可再生能源滲透率和年CO2排放量隨碳稅價格的變化曲線。由圖8(a)可知，隨著碳稅價格的提高，系統(tǒng)總成本隨之提高。年CO2排放量隨著碳稅價格的提高而減小，隨光伏價格的下降而減小。當(dāng)碳稅價格提高時，系統(tǒng)總成本和可再生能源滲透率均大幅增加。但同時系統(tǒng)逐漸減少了對燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電的依賴，具體表現(xiàn)為系統(tǒng)可再生能源滲透率逐漸增加，可再生能源電量盈余通過電池存儲后滿足電負(fù)荷需求。由圖8(a)中還可知，在碳稅價格超過1 000元/t之后，碳稅與系統(tǒng)總成本和可再生能源滲透率的相關(guān)性逐漸減小。在碳稅價格接近1 000元/t時，年CO2排放量降速達(dá)到峰值。由圖8(b)可知，光伏降價比例對系統(tǒng)總成本有所限制，可通過控制光伏降價比例來控制系統(tǒng)總成本。隨著光伏降價比例的不斷增加，系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性和環(huán)境效益將逐漸提升。但當(dāng)光伏降價比例達(dá)到40%后，其對年CO2排放量的限制作用不再突出。

(a) 碳稅價格

(b) 光伏價格

5 結(jié) 論

(1) 在5種系統(tǒng)中，系統(tǒng)1的年CO2排放量和總成本最低，在經(jīng)濟(jì)性和減排效率方面具有明顯的優(yōu)勢，為當(dāng)前環(huán)境下的最優(yōu)系統(tǒng)。

(2) 燃?xì)廨啓C(jī)主要為調(diào)峰和可再生能源短缺時供能，占到總用電量的29.5%，當(dāng)負(fù)荷需求較大、電力成本提高、可再生能源設(shè)備出力無法滿足用電需求時，燃?xì)廨啓C(jī)起到了很好的調(diào)峰和緩沖作用。儲電系統(tǒng)的釋能可在風(fēng)機(jī)、光伏出力受自然因素限制和峰值電價的時間段發(fā)揮作用。

(3) 對綜合能源系統(tǒng)征收碳稅可減少系統(tǒng)年CO2排放量，同時會引起系統(tǒng)總成本和系統(tǒng)可再生能源滲透率增加。隨著光伏降價比例的增加，年CO2排放量減小，但當(dāng)光伏降價比例達(dá)到40%后，其對年CO2排放量的限制作用不再突出。