冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)多元儲能及孤島運(yùn)行優(yōu)化調(diào)度方法

電力系統(tǒng)及發(fā)電設(shè)備安全控制和仿真國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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、太陽能、天然氣和儲能為能量互補(bǔ)形式的冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)。

針對并網(wǎng)運(yùn)行時的營運(yùn)成本最小化問題及孤島運(yùn)行時能源利用率最大化問題，提出多能互補(bǔ)系統(tǒng)綜合優(yōu)化調(diào)度策略。根據(jù)不同時間尺度的冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)平衡方程相結(jié)合的方法提出多元儲能技術(shù)，更新原有的調(diào)度計(jì)劃，降低系統(tǒng)運(yùn)行成本，同時通過計(jì)算負(fù)荷溫度變化率得出系統(tǒng)負(fù)荷中的冷熱慣性及冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)自身能量儲備，與儲能設(shè)備共同實(shí)現(xiàn)負(fù)荷預(yù)測、風(fēng)光功率預(yù)測波動抑制以及對階梯電價的適應(yīng)，構(gòu)成多元儲能系統(tǒng)。

提出適用于孤島運(yùn)行時冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)目標(biāo)函數(shù)以及孤島運(yùn)行時的優(yōu)化調(diào)度策略，實(shí)現(xiàn)孤島運(yùn)行下能源利用率最大化。最后利用CPLEX數(shù)學(xué)規(guī)劃方法對所提控制策略進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。

隨著能源危機(jī)和全球暖化問題日益嚴(yán)峻，提高傳統(tǒng)能源和清潔能源利用效率的研究得到國內(nèi)外學(xué)者們的廣泛關(guān)注。以風(fēng)能、太陽能、地?zé)崮転榇淼目稍偕茉醋鳛榄h(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(jī)性和波動性是制約其發(fā)展的主要因素。

燃?xì)鈾C(jī)組(微型燃?xì)廨啓C(jī)、內(nèi)燃機(jī)等)以消耗天然氣的方式生產(chǎn)電能，運(yùn)行方式靈活，調(diào)峰填谷能力顯著，成為備受關(guān)注的發(fā)電形式。為了進(jìn)一步提高燃?xì)鈾C(jī)組的綜合能源利用，研究人員提出了就地消納燃?xì)鈾C(jī)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(jī)對系統(tǒng)余熱進(jìn)行轉(zhuǎn)換，供應(yīng)本地冷負(fù)荷，如空調(diào)、冰庫等的冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)(Combined Cooling,Heat and Power, CCHP)。

CCHP存在三個相互耦合的能源系統(tǒng)，供應(yīng)本地冷熱負(fù)荷以及部分電負(fù)荷，其系統(tǒng)組成通常包括燃?xì)鈾C(jī)組、燃?xì)忮仩t、熱能回收設(shè)備、制冷設(shè)備等。CCHP的能源利用率較高，成為消納風(fēng)能、太陽能的有效方式之一。因此，可再生能源協(xié)同CCHP的多能互補(bǔ)運(yùn)行方式成為研究熱點(diǎn)。

CCHP運(yùn)行調(diào)度計(jì)劃的制定關(guān)系著系統(tǒng)中風(fēng)、光、儲、冷、熱等能源形式的消納問題。抑制預(yù)測誤差的能力是保證CCHP運(yùn)行的重要指標(biāo)之一，通常CCHP配有儲能設(shè)備，利用儲能設(shè)備對風(fēng)光功率和負(fù)荷的波動進(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(shè)備以外，還可以利用其冷熱負(fù)荷中的慣性進(jìn)一步提高系統(tǒng)抑制波動的能力。

近年來，結(jié)合風(fēng)/光/儲的CCHP優(yōu)化調(diào)度問題得到較多關(guān)注。

有學(xué)者設(shè)計(jì)了結(jié)合CCHP的優(yōu)化調(diào)度方法，對CCHP運(yùn)行成本做了詳細(xì)分類，為辦公樓宇CCHP尋找到低成本、低碳排放的運(yùn)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(shè)備選型、最優(yōu)設(shè)備容量和最優(yōu)運(yùn)行參數(shù)。

有學(xué)者構(gòu)建了CCHP節(jié)能減排的懲罰函數(shù)，對比了CCHP和分供系統(tǒng)的投資成本。

有學(xué)者針對孤島運(yùn)行方式下的CCHP提出分層實(shí)時協(xié)調(diào)優(yōu)化的調(diào)度方法，確定了園區(qū)聯(lián)供型CCHP的孤島運(yùn)行調(diào)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(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，對該系統(tǒng)孤島運(yùn)行進(jìn)行了測試。

上述關(guān)于CCHP優(yōu)化調(diào)度的研究主要集中在兩個方面：①基于系統(tǒng)費(fèi)用的優(yōu)化方案與調(diào)度方案;②CCHP孤島運(yùn)行的分層協(xié)調(diào)控制和案例測試。目前尚未考慮天然氣價格波動，并跟隨階梯氣價進(jìn)行實(shí)時優(yōu)化調(diào)度的系統(tǒng)模型。同時在系統(tǒng)熱冷負(fù)荷的定量分析研究上也缺乏相關(guān)的文獻(xiàn)。CCHP的并網(wǎng)工況的優(yōu)化策略得到業(yè)內(nèi)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(jié)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(yīng)快速、能源效率高的燃?xì)鈾C(jī)組，結(jié)合風(fēng)、光等波動性較大的能源形式的可行性研究。

2)從經(jīng)濟(jì)性方面考慮，CCHP區(qū)別于大型能源網(wǎng)絡(luò)的經(jīng)濟(jì)收益性研究。

3)從技術(shù)性方面考慮，有效地利用燃?xì)鈾C(jī)組的余熱，進(jìn)一步提高燃?xì)鈾C(jī)組的綜合能源利用率的調(diào)度方法研究。

4)從建設(shè)性方面考慮，建設(shè)和配置CCHP中的設(shè)備，包括設(shè)備選型、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等建設(shè)性研究。

本文著重提高CCHP的綜合能源利用率問題，對CCHP中的冷熱負(fù)荷的慣性進(jìn)行計(jì)算，提出了多元儲能技術(shù)，減小儲能蓄電池的使用，同時建立適合CCHP的優(yōu)化調(diào)度模型，設(shè)計(jì)能夠?qū)崟r跟隨階梯氣價波動的優(yōu)化調(diào)度算法，建立適合孤島運(yùn)行目標(biāo)函數(shù)，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(tǒng)

圖5 考慮預(yù)測波動的運(yùn)行模式

圖8 系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度算法實(shí)現(xiàn)流程

總結(jié)

本文主要完成成果包括：

1)構(gòu)建并網(wǎng)運(yùn)行模式下CCHP運(yùn)行模式，并建立優(yōu)化調(diào)度模型。在此基礎(chǔ)上分析研究聯(lián)合冷熱負(fù)荷自身慣性的多元儲能系統(tǒng)，驗(yàn)證其降低儲能蓄電池消耗的可行性，研究其對階梯氣價的適應(yīng)能力，設(shè)計(jì)成本更優(yōu)的CCHP運(yùn)行方案。理論研究表明，在系統(tǒng)冷熱負(fù)荷溫度差異允許范圍內(nèi)，多元儲能技術(shù)能夠提供系統(tǒng)有效的功率儲備、增加系統(tǒng)抑制預(yù)測波動的能力，并使CCHP具備應(yīng)對階梯氣價的能力。

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