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并网型能源微网的优化模型及应用
2017-10-19 10:28:20  作者:韦尚正等  来源:北极星电力网  
  •   为科学规划设计并网型能源微网的总体方案,掌控项目的全生命周期过程,提出了一种简单实用的定性与定量相结合的综合分析方法,构建了并网型能源微网的优化配置模型,建立了天然气多联供系统的优化数学模型,得到了燃气发电机组的最佳匹配容量范围,所有初始参数容易获取,适用于各种负荷特征的并网能源微网,对项目规划、建设与实施具有重要的指导意义。
    关键字: 能源微网 并网

  本文作者:韦尚正,张兵涛,庞冲,任静,臧允秀 (东旭蓝天新能源股份有限公司,北京)

  并网型能源微网(grid-connected energy microgrid, GCMG)是能源互联网的细胞,是终端一体化集成供能系统的核心,是现代能源系统的重要组成部分。它就近建设在用户端的负荷中心,采用多能互补和分布式多联供的方式,运用智能调控手段,通过微小的局域能源配网,将多种能源整体供给用户,实现能源就地消纳。它是由分布式能源、用能负荷、能源配网、智能调控平台等组成的小型发配售用一体化供能系统,如图1所示。

  并网型能源微网具有量体裁衣的特点,每个项目都是独一无二的,是根据具体用户的需求和资源,提供整套的、定制的发配售用一体化综合能源服务。常见的用户端分布式能源包括天然气分布式能源(natural gas distributed energy, NGDE)、光伏发电、环境源热泵。光伏发电的容量依据用户空闲屋顶面积和平抑白天高峰电负荷匹配。环境源热泵根据用户环境资源和基本冷热负荷配置,消纳一部分能源微网所发电力,对冷热进行电能替代。对于具体的项目,光伏和热泵的容量均可基本确定。NGDE不仅是主力能源,还是带动可再生能源高比例发展的重要桥梁。常见的NGDE包括燃气发电机组及其余热利用系统(combined cooling, heating and power, CCHP)、调峰电制冷机、调峰燃气锅炉等,核心是确定燃气发电机组容量且最大化利用余热。

  并网型能源微网经济性的四大影响因素是燃气价格、供能价格(冷热电)、初投资、CCHP全年满负荷运行时间。对于具体的项目,当地燃气价格、供能价格是已知的,因此初投资和CCHP全年满负荷运行时间就是核心的影响因素,两者都与燃气发电机组容量密切相关。可见,并网型能源微网规划设计的首要核心是:确定燃气发电机组容量且最大化利用余热。当前国家及行业规范上规定:燃气发电机组容量应按基本电及冷热负荷配置。然而,许多项目难以合理预测负荷及确定基本负荷。已有报道中[1-5],燃气发电机组容量优化模型相当复杂,适用范围较小,未能有效推广。目前,我国多数项目的燃气发电机组配置不合理,难以保证CCHP足够的满负荷高效运行时间,能源效率低,经济效益差,直接导致了项目的失败。鉴于此,本文提出了一种简单通用的定性与定量相结合的综合分析方法,构建燃气发电机组容量优化数学模型,为并网型能源微网的规划与实施提供参考。

  1 系统简介

  根据用户各种负荷的时空变化特征,因地制宜,天然气、太阳能、环境热能等多能互补,按照“科学用能、系统优化、温度对口、梯级利用”的思想,高效集成、优化配置,能源就地平衡,遵循电能自发自用、余热利用最大化的原则,以CCHP满足较连续稳定的基本负荷,通过调峰设备满足最大负荷需求,最大限度发挥CCHP满负荷高效运行的经济潜力,冷热电全部在经济合理的范围内就地直供,全面优化一次能源转换传递全过程,提高能源的梯级利用和转换效率,有序构建绿色、低碳、安全、高效、经济的并网型能源微网。

  本文设计的并网型能源微网如图2所示,主要包含燃气内燃机及其余热利用系统、燃气锅炉、电制冷机、光伏发电、热泵、能源配网、智能调控平台等单元。

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  图1 并网型能源微网的基本组成

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  图2 并网型能源微网能量流程图

  2 运行模式

  1)首先,光伏发电应适当消平白天的高峰用电负荷,就地全部消纳。

  2)其次,热泵应优先利用光伏、燃气发电机组所发电力,进行冷热的电能替代,促进冷热电平衡,增强系统灵活性,提高CCHP的满负荷高效运行的经济潜力。

  3)当燃气发电机组运行时,必须优先最大化利用余热,余热利用率应在80%以上。

  4)在并网型能源微网里,当安全要求高且经济合理时,宜设置储能,且储能占比不应超过小时负荷和日用能量的30%。本文重点是确定CCHP规模且使余热全部实时利用,因此不考虑储能。

  5)最后,不足的冷热负荷由燃气锅炉和电制冷机等调峰机组提供。

  3 数学模型

  3.1 目标函数

  1、判别式Ⅰ

  《燃气冷热电联供工程技术规范》GB 51131-2016中规定:当采用并网不上网运行方式时,发电机组容量应根据基本电负荷和冷、热负荷需求确定。除数据中心等全年全天24小时具有稳定冷(热)电负荷的用户外,根据经验取设计负荷的30%作为基本负荷,且按冷、热、电基本负荷的最小值配置发电机组容量,可得判别式Ⅰ。

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  (1)

  式中,Pe为燃气发电机组容量;p0、h0、q0分别为设计电、热、冷负荷。

  2、判别式Ⅱ

  并网型能源微网所发电量应不小于微网内部自用电量,可得:

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  (2)

  根据能量守恒可得:

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  (3)

  联立方程组化简,得Pe的判别式Ⅱ:

\

  (4)

  式中,he为燃气发电机组全年满负荷运行时间;P1为光伏年发电量;P2为燃气发电机组年发电量;P3为能源微网年自用电量;Q1为CCHP余热年供冷量;Q2为电制冷机年供冷量;H1为CCHP余热年供热量;H2为燃气锅炉年供冷量;其他符号意义见表1。

  3、判别式Ⅲ

  在满足用户全部冷热需求的条件下(不考虑电力需求时),并网型能源微网的年运营成本CGCMG不小于传统分供系统(separation production, SP)的年运营成本CSP1:

\

  (5)

  GCMG的年运营成本CGCMG计算公式为:

\

  (6)

  SP的年运营成本CSP1计算公式为:

\

  (7)

  联立方程组化简,得Pe的判别式Ⅲ:

\

  (8)

  式中,CIN为GCMG的年均初投资成本;CINSP为SP的年均初投资成本;COM为GCMG的年运行维护成本;COMSP为SP的年运行维护成本;B为GCMG的年用燃气总量;B1为CCHP年用燃气量;B2为燃气锅炉年用燃气量;BSP为SP的年用燃气总量;PSP为SP的年用电量;R为投资回收系数;其他符号意义见表1。

  4、判别式Ⅳ

  依据经验,除了系统内部自用电外,并网型能源微网的全年供电量不应大于用户全年用电量的70%,且不宜大于50%,即kp≤0.7(0.5):

\

  (9)

  联立方程组化简,得Pe的判别式Ⅳ:

\

  (10)

  5、判别式Ⅴ

  在满足用户全部冷热需求及部分电力需求的条件下,并网型能源微网的年运营成本CGCMG不超过传统分供系统(separation production, SP)的年运营成本CSP2:

\

  (11)

  联立方程组化简,得Pe的判别式Ⅴ:

\

  (12)

  其中

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  6、判别式Ⅵ-Ⅷ

  根据电价及用能负荷特点,取he0为燃气发电机组的全年运行时间,代入判别式Ⅱ和Ⅲ,求的Pe最小值,取最小值中的较大者得判别式Ⅳ:

\

  (13)

  依据判别式Ⅰ、Ⅳ和Ⅴ,求的Pe最大值,取最大值中的较小者得判别式Ⅶ:

\

  (14)

  由此可得Pe的取值范围为[Pemin,Pemax]。

  根据电能自发自用、余热利用最大化、冷热电平衡的原则,由判别式Ⅳ和Ⅶ求得中值Peavg,从而解得了燃气发电机组的最佳容量,即判别式Ⅷ为:

\

  (15)

  一般项目计算中ka、kq、kh、r、k、kOM、kH、ke、kQ、kp、ηb为定值(见表1),则常数a~f的简化公式为:

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  (16)

  3.2 约束条件

  1、燃气发电机组总容量一般小于基本电负荷,并大于一级电负荷(不可间断电负荷)。

  2、在具体项目分析时,热泵可与燃气锅炉、电制冷机作为调峰机组统一考虑。

  3、燃气内燃机理论总效率一般约为85%~90%,只有在实际有效利用率达到80%以上时,才能满足国家标准的相关要求:CCHP年平均能源综合利用率应大于70%,且年满负荷运行小时数不应小于3000小时。

  约束条件的表达式为:

\

  (17)

  3.3 计算方法

  本文采用EXCEL编程求解。由已知条件,得出a~f,根据电价及用能负荷特点,取he0为燃气发电机组的全年运行时间,代入数学模型,解得Pemax、Pemin、Peavg,将Peavg与原方案对比,相对误差不超过10%的视为合理,反之不合理。

  表1 优化模型的计算参数及结果

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  4 应用分析

  本文选取6个项目进行分析,计算参数和结果见表1,并与原方案进行对比。结果发现:1)判别式Ⅰ和Ⅷ均可用于校核CCHP的合理性,得到的Pe基本上都比原方案的小,说明原方案未能充分发挥CCHP满负荷高效运行的经济潜力,余热利用率较低。2)判别式Ⅰ是一个简单的经验公式,对不同负荷特征的项目无法区别判断,对一些民用建筑类项目估算过高,对热(冷)电比较大(约大于4)的项目不适用。3)Peavg与设计电负荷之比的平均值小于30%。4)判别式Ⅷ适用于不同负荷特征的项目,也适用于发电并网上网模式。5)联合判别式Ⅵ和Ⅶ可得Pe的取值范围,可用于机组选型。6)判别式Ⅵ得到Pe的最小值,可用于判断单台燃气发电机组容量的合理性。7)对于以热定电且并网上网的单个工业企业类项目,热电比大,且用电负荷小,远远无法消纳CCHP所发的电力,因此本文优化模型不适用。该类项目应尽量减少发电机组容量,或者就近发展电力直供。

  判别式Ⅰ适用于已知小时负荷而未知年用能量的情况。判别式Ⅷ适用于小时负荷和年用能量均已知的情况。当已知全年逐时负荷时,可得出基本负荷,燃气发电机组容量则按最小的基本冷、热或电负荷配置,使CCHP可以最长时间满负荷高效运行。依据判别式Ⅵ~Ⅷ,结合市场上成熟设备,可以对燃气发电机组的数量进行优化配置,且不宜超过4台,并根据负荷的增长情况分步建设。从而简单快速的实现了对并网型能源微网的优化配置,如图3所示。

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  图3 并网型能源微网的优化模型

  5 结论

  目前,我国不少项目的燃气发电机组配置不合理,难以保证CCHP足够的满负荷高效运行时间,能源效率低,经济效益差,直接导致了项目的失败。特别是在顶层设计阶段,当用户负荷难以准确预测、无法合理确定基本负荷时,再加上对能源微网量体裁衣特性以及CCHP的认知不足,没有正确遵循电能自发自用、余热利用最大化的原则,常常导致了规划方案不合理,建设规模过大,初投资过高,资源不匹配,供需发展不平衡,宝贵天然气得不到高效利用,最终造成了项目实施过程的复杂和困难,而已建成的项目则远远达不到预期的经济效益。

  本文总结分析了GCMG量体裁衣的基本特征,根据CCHP的电能自发自用、余热利用最大化的原则,结合多年实践经验,提出了一种简单有效的定性与定量相结合的综合分析方法,构建了GCMG的优化配置模型,建立了CCHP的优化数学模型,从而得出了燃气发电机组的最佳匹配容量范围,所有初始计算参数都相对容易获取,适用于各种负荷场景,对各类能源微网、天然气分布式能源项目均适用,可以合理确定GCMG的总体建设方案,从源头上掌控项目的全生命周期过程,能够最大限度地避免项目失败、提高灵活操作性、降低初投资、高效配置资源和增加经济效益,具有极强的通用性和实用性,对并网型能源微网、天然气多联供项目的规划与实施具有重要的参考价值。

  参考文献

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  作者:韦尚正,张兵涛,庞冲,任静,臧允秀(东旭蓝天新能源股份有限公司,北京 100036)

  韦尚正(1984-),男,壮族,广西贺州人,工程师,华北电力大学(北京)热能工程专业硕士研究生毕业,热能专业工程师,从事智慧能源工作。

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