冷熱電聯(lián)供系統多元儲能及孤島運行優(yōu)化調度方法

電力系統及發(fā)電設備安全控制和仿真國家重點(diǎn)實(shí)驗室(清華大學(xué))、山東大學(xué)控制工程與科學(xué)學(xué)院的研究人員陳柏翰、馮偉、孫凱、張承慧、孫波，在2019年第15期《電工技術(shù)學(xué)報》上撰文，建立以電能、風(fēng)能、太陽(yáng)能、天然氣和儲能為能量互補形式的冷熱電聯(lián)供系統。

針對并網(wǎng)運行時(shí)的營(yíng)運成本最小化問(wèn)題及孤島運行時(shí)能源利用率最大化問(wèn)題，提出多能互補系統綜合優(yōu)化調度策略。根據不同時(shí)間尺度的冷熱電聯(lián)供系統平衡方程相結合的方法提出多元儲能技術(shù)，更新原有的調度計劃，降低系統運行成本，同時(shí)通過(guò)計算負荷溫度變化率得出系統負荷中的冷熱慣性及冷熱電聯(lián)供系統自身能量?jì)?，與儲能設備共同實(shí)現負荷預測、風(fēng)光功率預測波動(dòng)抑制以及對階梯電價(jià)的適應，構成多元儲能系統。

提出適用于孤島運行時(shí)冷熱電聯(lián)供系統目標函數以及孤島運行時(shí)的優(yōu)化調度策略，實(shí)現孤島運行下能源利用率最大化。最后利用CPLEX數學(xué)規劃方法對所提控制策略進(jìn)行了仿真驗證。

隨著(zhù)能源危機和全球暖化問(wèn)題日益嚴峻，提高傳統能源和清潔能源利用效率的研究得到國內外學(xué)者們的廣泛關(guān)注。以風(fēng)能、太陽(yáng)能、地熱能為代表的可再生能源作為環(huán)境友好型能源，在電網(wǎng)中所占比例逐漸升高，其自身的隨機性和波動(dòng)性是制約其發(fā)展的主要因素。

燃氣機組(微型燃氣輪機、內燃機等)以消耗天然氣的方式生產(chǎn)電能，運行方式靈活，調峰填谷能力顯著(zhù)，成為備受關(guān)注的發(fā)電形式。為了進(jìn)一步提高燃氣機組的綜合能源利用，研究人員提出了就地消納燃氣機組余熱的發(fā)電形式，即熱電聯(lián)供(Combined Heat and Power,CHP)以及利用溴化鋰制冷機對系統余熱進(jìn)行轉換，供應本地冷負荷，如空調、冰庫等的冷熱電聯(lián)供系統(Combined Cooling,Heat and Power, CCHP)。

CCHP存在三個(gè)相互耦合的能源系統，供應本地冷熱負荷以及部分電負荷，其系統組成通常包括燃氣機組、燃氣鍋爐、熱能回收設備、制冷設備等。CCHP的能源利用率較高，成為消納風(fēng)能、太陽(yáng)能的有效方式之一。因此，可再生能源協(xié)同CCHP的多能互補運行方式成為研究熱點(diǎn)。

CCHP運行調度計劃的制定關(guān)系著(zhù)系統中風(fēng)、光、儲、冷、熱等能源形式的消納問(wèn)題。抑制預測誤差的能力是保證CCHP運行的重要指標之一，通常CCHP配有儲能設備，利用儲能設備對風(fēng)光功率和負荷的波動(dòng)進(jìn)行消納。與電能特點(diǎn)不同，冷能和熱能存在較大的慣性，此特性表明CCHP除自身配置的儲能設備以外，還可以利用其冷熱負荷中的慣性進(jìn)一步提高系統抑制波動(dòng)的能力。

近年來(lái)，結合風(fēng)/光/儲的CCHP優(yōu)化調度問(wèn)題得到較多關(guān)注。

有學(xué)者設計了結合CCHP的優(yōu)化調度方法，對CCHP運行成本做了詳細分類(lèi)，為辦公樓宇CCHP尋找到低成本、低碳排放的運行方案。

有學(xué)者提出了CCHP三級協(xié)同優(yōu)化方法，求解出最優(yōu)設備選型、最優(yōu)設備容量和最優(yōu)運行參數。

有學(xué)者構建了CCHP節能減排的懲罰函數，對比了CCHP和分供系統的投資成本。

有學(xué)者針對孤島運行方式下的CCHP提出分層實(shí)時(shí)協(xié)調優(yōu)化的調度方法，確定了園區聯(lián)供型CCHP的孤島運行調度方案。

有學(xué)者介紹了液化天然氣(Liquefied Natural Gas, LNG)冷能發(fā)電模塊和三聯(lián)供模塊的系統優(yōu)化設計方案，對該系統孤島運行進(jìn)行了測試。

上述關(guān)于CCHP優(yōu)化調度的研究主要集中在兩個(gè)方面：①基于系統費用的優(yōu)化方案與調度方案;②CCHP孤島運行的分層協(xié)調控制和案例測試。目前尚未考慮天然氣價(jià)格波動(dòng)，并跟隨階梯氣價(jià)進(jìn)行實(shí)時(shí)優(yōu)化調度的系統模型。同時(shí)在系統熱冷負荷的定量分析研究上也缺乏相關(guān)的文獻。CCHP的并網(wǎng)工況的優(yōu)化策略得到業(yè)內學(xué)者的廣泛關(guān)注，然而，孤島工況的優(yōu)化策略還有待進(jìn)一步研究。

總結前人研究的思路，歸納CCHP的主要研究熱點(diǎn)包括：

1)從可行性方面考慮，CCHP采用響應快速、能源效率高的燃氣機組，結合風(fēng)、光等波動(dòng)性較大的能源形式的可行性研究。

2)從經(jīng)濟性方面考慮，CCHP區別于大型能源網(wǎng)絡(luò )的經(jīng)濟收益性研究。

3)從技術(shù)性方面考慮，有效地利用燃氣機組的余熱，進(jìn)一步提高燃氣機組的綜合能源利用率的調度方法研究。

4)從建設性方面考慮，建設和配置CCHP中的設備，包括設備選型、拓撲結構設計等建設性研究。

本文著(zhù)重提高CCHP的綜合能源利用率問(wèn)題，對CCHP中的冷熱負荷的慣性進(jìn)行計算，提出了多元儲能技術(shù)，減小儲能蓄電池的使用，同時(shí)建立適合CCHP的優(yōu)化調度模型，設計能夠實(shí)時(shí)跟隨階梯氣價(jià)波動(dòng)的優(yōu)化調度算法，建立適合孤島運行目標函數，使其在全工況下的能源利用率進(jìn)一步提高。

圖1 冷熱電聯(lián)供系統

圖5 考慮預測波動(dòng)的運行模式

圖8 系統優(yōu)化調度算法實(shí)現流程

總結

本文主要完成成果包括：

1)構建并網(wǎng)運行模式下CCHP運行模式，并建立優(yōu)化調度模型。在此基礎上分析研究聯(lián)合冷熱負荷自身慣性的多元儲能系統，驗證其降低儲能蓄電池消耗的可行性，研究其對階梯氣價(jià)的適應能力，設計成本更優(yōu)的CCHP運行方案。理論研究表明，在系統冷熱負荷溫度差異允許范圍內，多元儲能技術(shù)能夠提供系統有效的功率儲備、增加系統抑制預測波動(dòng)的能力，并使CCHP具備應對階梯氣價(jià)的能力。

2)構建CCHP孤島運行能量損耗最小化模型。仿真研究證明，CCHP孤島運行下，能夠利用本地設備進(jìn)行能量轉換，降低能源消耗，在聯(lián)合儲能蓄電池的條件下，提高系統熱、冷、風(fēng)、光四種能源形式的總能源總利用率。