学术简报︱冷热电联供系统多元储能及孤岛运行优化调度方法

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摘要

电力系统及发电设备安全控制和仿真国家重点实验室（清华大学）、山东大学控制工程与科学学院的研究人员陈柏翰、冯伟、孙凯、张承慧、孙波，在2019年第15期《电工技术学报》上撰文，建立以电能、风能、太阳能、天然气和储能为能量互补形式的冷热电联供系统。

针对并网运行时的营运成本最小化问题及孤岛运行时能源利用率最大化问题，提出多能互补系统综合优化调度策略。根据不同时间尺度的冷热电联供系统平衡方程相结合的方法提出多元储能技术，更新原有的调度计划，降低系统运行成本，同时通过计算负荷温度变化率得出系统负荷中的冷热惯性及冷热电联供系统自身能量储备，与储能设备共同实现负荷预测、风光功率预测波动抑制以及对阶梯电价的适应，构成多元储能系统。

提出适用于孤岛运行时冷热电联供系统目标函数以及孤岛运行时的优化调度策略，实现孤岛运行下能源利用率最大化。最后利用CPLEX数学规划方法对所提控制策略进行了仿真验证。

随着能源危机和全球暖化问题日益严峻，提高传统能源和清洁能源利用效率的研究得到国内外学者们的广泛关注。以风能、太阳能、地热能为代表的可再生能源作为环境友好型能源，在电网中所占比例逐渐升高，其自身的随机性和波动性是制约其发展的主要因素。

燃气机组（微型燃气轮机、内燃机等）以消耗天然气的方式生产电能，运行方式灵活，调峰填谷能力显著，成为备受关注的发电形式。为了进一步提高燃气机组的综合能源利用，研究人员提出了就地消纳燃气机组余热的发电形式，即热电联供（Combined Heat and Power,CHP）以及利用溴化锂制冷机对系统余热进行转换，供应本地冷负荷，如空调、冰库等的冷热电联供系统（Combined Cooling,Heat and Power, CCHP）。

CCHP存在三个相互耦合的能源系统，供应本地冷热负荷以及部分电负荷，其系统组成通常包括燃气机组、燃气锅炉、热能回收设备、制冷设备等。CCHP的能源利用率较高，成为消纳风能、太阳能的有效方式之一。因此，可再生能源协同CCHP的多能互补运行方式成为研究热点。

CCHP运行调度计划的制定关系着系统中风、光、储、冷、热等能源形式的消纳问题。抑制预测误差的能力是保证CCHP运行的重要指标之一，通常CCHP配有储能设备，利用储能设备对风光功率和负荷的波动进行消纳。与电能特点不同，冷能和热能存在较大的惯性，此特性表明CCHP除自身配置的储能设备以外，还可以利用其冷热负荷中的惯性进一步提高系统抑制波动的能力。

近年来，结合风/光/储的CCHP优化调度问题得到较多关注。

  • 有学者设计了结合CCHP的优化调度方法，对CCHP运行成本做了详细分类，为办公楼宇CCHP寻找到低成本、低碳排放的运行方案。

  • 有学者提出了CCHP三级协同优化方法，求解出最优设备选型、最优设备容量和最优运行参数。

  • 有学者构建了CCHP节能减排的惩罚函数，对比了CCHP和分供系统的投资成本。

  • 有学者针对孤岛运行方式下的CCHP提出分层实时协调优化的调度方法，确定了园区联供型CCHP的孤岛运行调度方案。

  • 有学者介绍了液化天然气（Liquefied Natural Gas, LNG）冷能发电模块和三联供模块的系统优化设计方案，对该系统孤岛运行进行了测试。

上述关于CCHP优化调度的研究主要集中在两个方面：①基于系统费用的优化方案与调度方案；②CCHP孤岛运行的分层协调控制和案例测试。目前尚未考虑天然气价格波动，并跟随阶梯气价进行实时优化调度的系统模型。同时在系统热冷负荷的定量分析研究上也缺乏相关的文献。CCHP的并网工况的优化策略得到业内学者的广泛关注，然而，孤岛工况的优化策略还有待进一步研究。

总结前人研究的思路，归纳CCHP的主要研究热点包括：

  • 1）从可行性方面考虑，CCHP采用响应快速、能源效率高的燃气机组，结合风、光等波动性较大的能源形式的可行性研究。

  • 2）从经济性方面考虑，CCHP区别于大型能源网络的经济收益性研究。

  • 3）从技术性方面考虑，有效地利用燃气机组的余热，进一步提高燃气机组的综合能源利用率的调度方法研究。

  • 4）从建设性方面考虑，建设和配置CCHP中的设备，包括设备选型、拓扑结构设计等建设性研究。

本文着重提高CCHP的综合能源利用率问题，对CCHP中的冷热负荷的惯性进行计算，提出了多元储能技术，减小储能蓄电池的使用，同时建立适合CCHP的优化调度模型，设计能够实时跟随阶梯气价波动的优化调度算法，建立适合孤岛运行目标函数，使其在全工况下的能源利用率进一步提高。

图1  冷热电联供系统

图5  考虑预测波动的运行模式

图8  系统优化调度算法实现流程

总结

本文主要完成成果包括：

1）构建并网运行模式下CCHP运行模式，并建立优化调度模型。在此基础上分析研究联合冷热负荷自身惯性的多元储能系统，验证其降低储能蓄电池消耗的可行性，研究其对阶梯气价的适应能力，设计成本更优的CCHP运行方案。理论研究表明，在系统冷热负荷温度差异允许范围内，多元储能技术能够提供系统有效的功率储备、增加系统抑制预测波动的能力，并使CCHP具备应对阶梯气价的能力。

2）构建CCHP孤岛运行能量损耗最小化模型。仿真研究证明，CCHP孤岛运行下，能够利用本地设备进行能量转换，降低能源消耗，在联合储能蓄电池的条件下，提高系统热、冷、风、光四种能源形式的总能源总利用率。

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