基于改进型以热定电模式的CCHP系统最优运行方法研究.pdf
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1、研究与分析电器与能效管理技术(2 0 2 3No.6)基于改进型以热定电模式的CCHP系统最优运行方法研究殷光冶1,郭祯1.2(1.中国绿发投资集团,北京2.江苏广恒新能源有限公司,江苏南京2 10 0 0 8)摘要:冷热电联产(CCHP)系统是提高能源集约使用效率,深化能源体系转型,实现“双碳”目标的重要方式。搭建了含有微型燃气轮机、光伏发电单元、燃气锅炉和蓄电池组等在内的CCHP系统模型,基于常见的以热定电运行模式和以电定热运行模式提出了改进型以热定电运行模式。所提运行模式能有效提升系统运行的经济性和系统能源管理的有效性,实现更高的能源节约率。关键词:冷热电联产系统;改进型以热定电模式;光
2、伏电源;能源节约率中图分类号:TM732文献标志码:A文章编号:2 0 95-8 18 8(2 0 2 3)0 6-0 0 2 3-10D0I:10.16628/ki.2095-8188.2023.06.004Optimal Operation Method of CCHP System Based onImproved Following Thermal Load ModeYIN Guanghil,GUO Zhenl.2(1.China Green Development Group,Beijing 100020,China;2.Jiangsu Guangheng Renewable Ene
3、rgy Group,Nanjing 210008,China)Abstract:The combined cooling heating and power(CCHP)is an important way to improve the efficiency ofenergy intensive,deepen the transformation of energy system,and achieve the goal of“double carbongoal.ACCHP system model including micro gas turbines,photovoltaic power
4、 supply,gas boilers and battery is simulated.Based on the common following thermal load mode and following electric load mode,an improved following thermalload mode is proposed.The proposed operation mode can effectively improve the cost-effectiveness and energy-effectiveness of system,and achieve a
5、 higher energy saving rate.Key words:combined cooling heating and power(CCHP)system;improved following thermal loadmode;photovoltaic power supply;energy saving rate0引言2021年“碳达峰”“碳中和”的提出,为我国的产业结构布局和能源结构调整指明了方向 。冷热电联产(CCHP)技术是能量综合利用的一种重要方式已经成为实现“双碳”目标最重要的手段 2-3,将各种用户负荷、分布式电源和热、冷供应装置结合,有效满足用户的电、热、冷需求 4
6、。目前在大型酒店、医院和社区等场所已经得到了大量的应用 5。CCHP系统通过将不同种的能源郭祯(198 8 一),男,工程师,主要从事工程管理工作。100020;协同运行,耦合多重能流,最终得以有效实现系统稳定性、可靠性的提升,同时也取得较好的减排效果 6-8。以天然气为主要能量来源的早期CCHP系统相较于煤炭污染更小、灵活性更强 9。随着可再生能源的发展,以太阳能为代表的可再生能源电源被逐步整合到了CCHP系统当中,为中国能源结构绿色低碳转型提供了重要支撑 10 。国内外对CCHP系统的运行与调度已经积累了一系列研究。付中洲等【提出了一种新型的含储热的电一2 3一殷光治(19 9 4),男,
7、工程师,主要从事新能源、低碳城市相关投资与运营工作。电器与能效管理技术(2 0 2 3No.6)研究与分析热联合系统优化调度模型,并证明了该算法在低成本增加风电消纳量层面的有效性。文献 12 提出考虑了可再生能源预测偏差校正的调度策略,并验证了方法的有效性。文献 13 提出了一种多能协调互补优化的评估方法,能有效实现储能、能源和可靠性服务的协同优化。文献 14以能量梯级利用为基础理论,建立综合能源系统的能量流交互机制,提出了区域综合能源系统中能量流与信息流之间交互的方法。文献15 引入分时电价调节策略,以实现平抑CCHP系统峰谷功率差的作用。文献 16 提出了典型 CCHP系统母线结构,并基于
8、此建立了以经济调度为假设的日前调度模型。文献 17 在考虑天然气和电能不同费率结构及季节性差异的基础上,提出了一种满足风光气储互补CCHP系统优化调度方案,该方案能够平抑清洁能源的波动性并提高电能的消纳水平。文献 10 基于全生命周期分析设计了考虑太阳能的 CCHP系统,并对比了“以电定热”和“以热定电”两种策略下的运行结果。文献 18 将CCHP系统细分为电负荷、热负荷、冷负荷的不同类型,并以此对比了“以电定热”和“以热定电”策略下的运行结果。文献 19 提出考虑经济性和综合能效的CCHP系统双目标优化调度方法,冷热电三联供系统实行“以电定热”和“以热定电”的运行方式。文献 2 0 考虑了多
9、个CCHP系统的交互运行,并提出以此降低系统的总运行成本。需要指出的是,现有研究一部分基于传统的“以电定热”和“以热定电”运行策略展开研究,这会导致一定的能量浪费。另一部分从数学的角度提出新的运行方案,但却未必具有非常清晰的物理含义。为此本文提出改进型以热定电运行模式,以提高CCHP系统的总体运行效率,降低运行成本。1CCHP 系统模型构建1.1系统供能方式分析CCHP系统的结构图如图1 所示。相较于传统的供能系统,用户的每种负荷均由多种设备协同满足。在微型燃气轮机发电的过程中会产生温度较高的废气,将这些废气收集后通过吸附式制冷机和热交换机为用户提供冷能和热能。蓄电池组为储能装置,储存系统的余
10、电能,在电能不足一2 4一时令蓄电池组放电,蓄电池组的加入在一定程度上平抑了负荷的波动。如果微型燃气轮机不能满足用户对冷负荷和热负荷的需求,热能缺额将由燃气锅炉满足,电能缺额将由电网满足。来源P电网grid.in光伏能源FM微型燃MTPb,out气轮机池组H.H吸收式AR天然气AR制冷机FB燃气HB锅炉一天然气一电能冷能一热能图1CCHP系统的结构图1.2系统模型构建本文以图1的CCHP系统为建模对象。系统中,电力负荷主要由微型燃气轮机和光伏发电单元供应;冷负荷主要由电制冷机和吸附式制冷机组供应;热负荷主要由热交换机供应,且热交换机的热能来自于微型燃气轮机和燃气锅炉。(1)微型燃气轮机建模为P
11、MFMT=mMTHMT=FMTn.(1-Mr)式中:FMT、H M T微型燃气轮机的燃气消耗量和余热回收量;PM微型燃气轮机驱动发电机产生的电功率;nMTn.一微型燃气轮机的电能生产效率和余热回收效率。(2)光伏发电单元建模为G-1+k(T-Tsrc)式中:Ppv光伏发电单元的实际电能输出;Psrc标准试验条件下光伏发电单元的额定输出;k一光伏发电单元的温度系数;G、T 一工作点的辐照度和温度;GsTc、T s i c标准试验条件下的辐照度和温度。(3)燃气锅炉建模为系统PeidolP负荷P电负荷PERER电制冷机Pbin冷负荷蓄电HHE热交换机.“热负(1)(2)(3)研究与分析电器与能效管
12、理技术(2 0 2 3No.6)HcEFGB式中:Fc燃气锅炉的燃气消耗量;HcB燃气锅炉的制热功率;ncB燃气锅炉的热能生产效率。(4)电制冷机建模为QeR=MERTERPeR式中:QR电制冷机的制冷功率;ER电制冷机的运行状态,0 表示停机,1表示开机;mER电制冷机的冷能生产效率;PeR电制冷机消耗的电功率。(5)吸附式制冷机建模为QAR=MARARHAR式中:QAR吸附式制冷机的制冷功率;uAR吸附式制冷机的运行状态,0 表示停机,1表示开机;mAR吸附式制冷机的冷能生产效率;HAR吸附式制冷机制冷时消耗的热功率。(6)热交换机建模为H,=MHETHHME式中:HE热交换机的运行状态,
13、0 表示停机,1表示开机;HH热交换机的制热功率;mHE热交换机的工作效率;H热负荷。(7)蓄电池组建模为E,(t)=E,(t-1)(1-mb)+nb,nP)式中:E(t)、E(t-1)t 和t-1时刻的电量;自放电速率;nb,inb,out充电和放电效率;充电和放电功率。1.3目标函数与性能指标1.3.1目标函数的构建对CCHP系统进行优化时,优化变量为X=Npv,N,N,NeB,NeR,NAR,NHE,Ngia式中:Npv、NM T、N,(4)mcB(5)(6)(7)Pa.oulb,innb,out(8)(9)光伏发电单元、微型燃气轮机、蓄电池组的安装容量;NCBNERNARNHE燃气锅炉
14、、电制冷机、吸附式制冷机和热交换机的安装容量;Ngrid将含光伏能源的冷热电联产型的投资成本与运行成本考虑在内,目标函数表达式为(10)式中:CeconomyCgria Crel Com Cde一一系统购电成本、燃料成本、运行维护成本和折旧成本。其中,24gridCpurchase台24Csl(t)Psel(t)=124Cruel=Z CCo二t=1124nCde=8.760P(1+r,)4i-1式中:Pa(t)、Pa(t)时刻从微电网的购电量和售电量;Cpurchase(t)、Cs e l(t)t 时刻从微电网的购电价格和售电价格;n一设备种类数;Pc(t)t时刻燃气锅炉的输出功率;LHV.
15、ngmCBKomiP(t)一一第i个设备的运行维护系数和在t时刻的输出功率;一2 5一与电网之间电力交互的上限。日运行总成本;(t)Ppuchaset+(11)PMr(t)Pcr(t)1LHVng24Ccost,imMTK。om.,P;(t)7;(1+r,)4i天然气低热值;燃气锅炉的工作效率;mCB(12)(13)P,(t)(14)电器与能效管理技术(2 0 2 3No.6)研究与分析ADC,C.cost.L、Pt o i一第i个设备的折旧年限和额定功率。1.3.2系统性能指标的选取本研究采用年总成本节约率(ATCSR)、锅炉节能率(BESR)、电能购买节约率(EISR)和一次能源节约率(P
16、ESR)这4个性能指标来评判系统的性能优劣,表达式分别为CATSP-CATCHPRATCs=CATSPRBEsCRESP-CBECHPCBEsPEIsp-EicCHPReIsEisPPecep-PecHeRprsPecsep式中:1RATCsCATSP-CATCHIPRBEsCBESP、CBECCH PReIsEIsp/EICCHPRpesPECSPPECCCHP1.4优化问题的主要约束(1)爬坡约束的表达式为P,(t)-P,(t-1)Pu式中:Pup爬坡功率的上限。一2 6 一第i个设备的年均折旧成本;第i个设备的单位容量安装成本;式中:P(t)t时刻微电网和蓄电池组之间第i个设备的年的交互
17、功率,正数表示电池放折旧率,取值为电,负数表示电池充电;0.06;Peria(t)Pi(t)tt时刻的电力负荷;Per(t)tt时刻电制冷机的电力需求。(3)系统中的热功率平衡可表示为Hmr(t)+HcB(t)=HH(t)+HAr(t)lH(t)=nHHme(t)式中:H(t)、H c B(t)t 时刻微型燃气轮机产生的余热和燃气(15)锅炉产生的热能;HE(t)、H A r(t)t-t时刻热交换机和吸(16)附式制冷机消耗的热能;(17)Hi(t)、H H e(t)(18)(4)系统中的冷功率平衡可表示为CCHP系统与冷热电分供型QAr(t)+Qer(t)=QL(t)(SP)系统的年度总投资
18、成本式中:QAR(t)、Q e r(t)t 时刻吸附式制冷机节约比;和电冷水机组产生SP系统和CCHP系统的年总的冷能;成本;QL(t)t 时刻冷负荷。CCHP系统与 SP 系统的能源2CCHP系统运行模式改进消耗节约比;SP系统和CCHP系统中燃气锅炉的燃料消耗量;电能购买节约率;SP系统和CCHP系统从电网购买的电量;次能源节约率;-SP系统和CCHP系统的一次能源消耗量。(19)(2)系统中的电功率平衡可表示为Ppv(t)+Pmr(t)+Pgrid(t)+P(t)=PL(t)+Per(t)电网输出功率(正值)或系统向电网输出功率(负值);(21)t时刻热负荷和热交换机的热能需求。(22)
19、2.1模式分析含光伏能源的CCHP系统中各设备之间均有着一定的联系,合理安排这些设备供应和需求之间的关系是降低运行成本的关键。为了提高系统的灵活性,本研究将蓄电池组加入到CCHP系统并在以电定热模式和传统以热定电模式的基础上提出了改进型以热定电模式。以电定热、以热定电和改进型以热定电模式各状态下 CCHP系统内的能量状况分别如表1表3所示。以电定热模式和以热定电模式的流程分别如图2、图3所示。改进型以热定电模式的流程如图4所示。(20)研究与分析电器与能效管理技术(2 0 2 3No.6)表1以电定热模式各状态下CCHP系统内的能量状况状态状态1(P+PeR)(Ppv+PMr)(PL+PeR)
20、+Pb,in JPsnia=0,Ppb.n=Ppv+Pur-(P,+Per)状态2(PL+PER+Pb,in)0,Pb.in=0.4N,状态3(P,+PeR)(Ppv+Pb,out+PMr)Pgid=0,Pb,out=P,+PeR-(Ppv+PMr)(Ppv+Pbou+Prr)(P,+PeR)(Pgia+Ppv+Pb.ou+状态4PMT)Pb.out=0.4N,Pgrid=PL+PeR-(Ppv+Pmr+Pb,out)状态(HHE+HAR)HMT状态1HcB=0,HMr=HHE-HHRHMr(HHE+HAR)(HMr+HcB)状态2HMr=NMT,HcB=HHE+HuR-HMT(HMT+HcB
21、)(HHE+HAR)状态3HMT=NMT,HcB=NCB状态相关状态HMr=H r.aleHMT(HHE+HHR)(HMT+HcB)状态1HMr=HMT.rle,Hcg=Hue+HuR-HMr(HMT+HcB)(HHE+HHR)状态2HMr=HMT.rate,HcB=NcBHamng=Hue+HArR-(Hur+Hena)(HHE+HHR)HMT状态3HcB=0,Hwaste=Hr-(He+HHr)设备电能输出表2 以热定电模式各状态下CCHP系统内的能量状况设备热能输出(1)(Pr+Ppv)(PL+PeR)(PMr+Ppv+Pb,out)Pur=(1-mm).n,Pb,oul=PL+PeR-
22、(PMr+Ppv)(2)(Purm+Ppv+Pba)(Pl+PeR)(Pur+Ppv+Pb.al+Perd)Pgrid=PL+Per-(PMr+Ppv+Pp,.oul)Prat,out=0.4 bat(3)(P+PeER)(PMr+Ppv)(PL+PeR+Pb,n)Peria=0,Pb.n=Pur+Ppv-(P,+Per)(4)(PL+PeR+Pb,in)(PMr+Ppv)Perid=PMr+Ppv-(Pb.n+PL+Per)Pb.in=0.4N,PMT=NMT表3改进型以热定电模式各状态下CCHP系统内的能量状况设备热能输出Nkr.(1-mMr)n.mMT设备热能输出(1)HMT(HHE+H
23、AR)(HcB+HMT)HMT=Pmr.(1-nm):n.mMTHcB=HHe+HAR-HMT(2)HcB+HMrHME+HARHMm=Pm.(1-nr)n.mMTHcB=NcBHvacaney=Hue+HAR-(Hcp+Hur)(3)HHE+HARHMTHwaste=Hur-(Hue+HAr)设备电能输出HMT设备电能输出(1)(PMr+Ppv)(P,+PeR)(PMr+Ppv+Pb,out)Pgid=0,Pb,ou=P,+PeR-(PMr+Ppv)(2)(Pm+Ppv+Pb.out)(PL+PeR)(PMr+Ppv+Pr.ou+Pgria)Pb,ou=0.4 batPgid=PMr+Ppv
24、+Pb,out-(P,+PeR)Pb.n 0,PMr=PMT.nl=NMr(3)(PMr+Ppv)(P,+PeR+Pb,n)Pana=,Po.a=Paur+Ppv-(P,+Pur)(4)(P,+Per+P,.)(Par+Ppv)(P,+Per+Pb.n+PgiogridPand=Pur+Ppv-(Pb.na+P,+Per)Pb.in=0.4 N bat一.2 7 一电器与能效管理技术(2 0 2 3No.6)研究与分析以电定热模式光伏单元和微型燃气轮机出力是否满足电负荷需求和电制冷需求?YI蓄电池组充电,剩余电能出售电网状态1、状态2回收微型燃气轮机运行中产生的热能,为吸附式制冷机和热交换机设
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- 基于 改进型 热定电 模式 CCHP 系统 最优 运行 方法 研究
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