并網型能源微網的優化模型及應用

2017-10-19 17:22:16 北極星電力網　點擊量：評論 (0)

摘要：為科學規劃設計并網型能源微網的總體方案，掌控項目的全生命周期過程，提出了一種簡單實用的定性與定量相結合的綜合分析方法，構建了并網型能源微網的優化配置模型，建立了天然氣多聯供系統的優化數學模型

摘要：為科學規劃設計并網型能源微網的總體方案，掌控項目的全生命周期過程，提出了一種簡單實用的定性與定量相結合的綜合分析方法，構建了并網型能源微網的優化配置模型，建立了天然氣多聯供系統的優化數學模型，得到了燃氣發電機組的最佳匹配容量范圍，所有初始參數容易獲取，適用于各種負荷特征的并網能源微網，對項目規劃、建設與實施具有重要的指導意義。

并網型能源微網(grid-connected energy microgrid, GCMG)是能源互聯網的細胞，是終端一體化集成供能系統的核心，是現代能源系統的重要組成部分。它就近建設在用戶端的負荷中心，采用多能互補和分布式多聯供的方式，運用智能調控手段，通過微小的局域能源配網，將多種能源整體供給用戶，實現能源就地消納。它是由分布式能源、用能負荷、能源配網、智能調控平臺等組成的小型發配售用一體化供能系統，如圖1所示。

并網型能源微網具有量體裁衣的特點，每個項目都是獨一無二的，是根據具體用戶的需求和資源，提供整套的、定制的發配售用一體化綜合能源服務。常見的用戶端分布式能源包括天然氣分布式能源(natural gas distributed energy, NGDE)、光伏發電、環境源熱泵。光伏發電的容量依據用戶空閑屋頂面積和平抑白天高峰電負荷匹配。環境源熱泵根據用戶環境資源和基本冷熱負荷配置，消納一部分能源微網所發電力，對冷熱進行電能替代。對于具體的項目，光伏和熱泵的容量均可基本確定。NGDE不僅是主力能源，還是帶動可再生能源高比例發展的重要橋梁。常見的NGDE包括燃氣發電機組及其余熱利用系統(combined cooling, heating and power, CCHP)、調峰電制冷機、調峰燃氣鍋爐等，核心是確定燃氣發電機組容量且最大化利用余熱。

并網型能源微網經濟性的四大影響因素是燃氣價格、供能價格(冷熱電)、初投資、CCHP全年滿負荷運行時間。對于具體的項目，當地燃氣價格、供能價格是已知的，因此初投資和CCHP全年滿負荷運行時間就是核心的影響因素，兩者都與燃氣發電機組容量密切相關。可見，并網型能源微網規劃設計的首要核心是：確定燃氣發電機組容量且最大化利用余熱。當前國家及行業規范上規定：燃氣發電機組容量應按基本電及冷熱負荷配置。然而，許多項目難以合理預測負荷及確定基本負荷。已有報道中[1-5]，燃氣發電機組容量優化模型相當復雜，適用范圍較小，未能有效推廣。目前，我國多數項目的燃氣發電機組配置不合理，難以保證CCHP足夠的滿負荷高效運行時間，能源效率低，經濟效益差，直接導致了項目的失敗。鑒于此，本文提出了一種簡單通用的定性與定量相結合的綜合分析方法，構建燃氣發電機組容量優化數學模型，為并網型能源微網的規劃與實施提供參考。

1 系統簡介

根據用戶各種負荷的時空變化特征，因地制宜，天然氣、太陽能、環境熱能等多能互補，按照“科學用能、系統優化、溫度對口、梯級利用”的思想，高效集成、優化配置，能源就地平衡，遵循電能自發自用、余熱利用最大化的原則，以CCHP滿足較連續穩定的基本負荷，通過調峰設備滿足最大負荷需求，最大限度發揮CCHP滿負荷高效運行的經濟潛力，冷熱電全部在經濟合理的范圍內就地直供，全面優化一次能源轉換傳遞全過程，提高能源的梯級利用和轉換效率，有序構建綠色、低碳、安全、高效、經濟的并網型能源微網。

本文設計的并網型能源微網如圖2所示，主要包含燃氣內燃機及其余熱利用系統、燃氣鍋爐、電制冷機、光伏發電、熱泵、能源配網、智能調控平臺等單元。

圖1 并網型能源微網的基本組成

Fig. 1 The basic composition of grid-connected energy microgrid

圖2 并網型能源微網能量流程圖

Fig. 2 Energy flow t of grid-connected energy microgrid

2 運行模式

1)首先，光伏發電應適當消平白天的高峰用電負荷，就地全部消納。

2)其次，熱泵應優先利用光伏、燃氣發電機組所發電力，進行冷熱的電能替代，促進冷熱電平衡，增強系統靈活性，提高CCHP的滿負荷高效運行的經濟潛力。

3)當燃氣發電機組運行時，必須優先最大化利用余熱，余熱利用率應在80%以上。

4)在并網型能源微網里，當安全要求高且經濟合理時，宜設置儲能，且儲能占比不應超過小時負荷和日用能量的30%。本文重點是確定CCHP規模且使余熱全部實時利用，因此不考慮儲能。

5)最后，不足的冷熱負荷由燃氣鍋爐和電制冷機等調峰機組提供。

3 數學模型

3.1 目標函數

1、判別式Ⅰ

《燃氣冷熱電聯供工程技術規范》GB 51131-2016中規定：當采用并網不上網運行方式時，發電機組容量應根據基本電負荷和冷、熱負荷需求確定。除數據中心等全年全天24小時具有穩定冷(熱)電負荷的用戶外，根據經驗取設計負荷的30%作為基本負荷，且按冷、熱、電基本負荷的最小值配置發電機組容量，可得判別式Ⅰ。