微網(wǎng)冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)研究綜述

覃 健， 魏 兵， 袁天昊

（華北電力大學(xué)，河北保定 071003）

0 引言

微網(wǎng)[1]是近年來一種新興配電系統(tǒng)的概念，它由多種分布式電源、儲能裝置，能量轉(zhuǎn)換裝置，用戶負(fù)荷和監(jiān)控裝置組成的，并配備保護(hù)裝置的大型智能系統(tǒng)，其自身能夠?qū)崿F(xiàn)自我控制，保護(hù)和管理。微網(wǎng)的優(yōu)勢在于整合多種分布式電源，包括風(fēng)力發(fā)電機(jī)（WT）、燃料電池（FC）、光伏電池（PV）和燃?xì)廨啓C(jī)（MT）等于電網(wǎng)中，減少分布式能源對大電網(wǎng)的不利影響。針對燃?xì)廨啓C(jī)中發(fā)電時產(chǎn)生大量余熱的特點，可以對其余熱進(jìn)行回收利用，應(yīng)用吸收式制冷劑進(jìn)行制冷，實現(xiàn)冷熱電三聯(lián)供（Combined Cooling Heating and Power，CCHP）。搭建微網(wǎng)冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)，既能實現(xiàn)用戶側(cè)就近供能，減少遠(yuǎn)距離輸電、供冷、供熱的能量損耗。此外，微網(wǎng)技術(shù)還有效的解決了分布式能源上網(wǎng)難的問題，使得分布式電源發(fā)出的電量后可向公共電網(wǎng)出售，亦可儲存到微網(wǎng)中，待需要時，再釋放出給用戶使用。微網(wǎng)能給冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)的能量調(diào)度提供了一個更好的平臺，系統(tǒng)能實現(xiàn)能源的循環(huán)、高效、“梯級利用”，降低污染物和溫室氣體的排放，在能源危機(jī)的今天，有著重要的意義。

1 國內(nèi)外研究動態(tài)

微網(wǎng)概念近年來被提出，最早對它進(jìn)行研究的國家是美國。微網(wǎng)主要研究的問題是如何滿足多種電能質(zhì)量、提高微電網(wǎng)供電可靠性、降低初投資成本和實現(xiàn)電網(wǎng)智能化等方面[2，3]。歐洲的也提出“Smart Power Network”的概念，即智能電網(wǎng)。并在微網(wǎng)仿真、孤島和并網(wǎng)的運(yùn)行控制、本地黑啟動策略、接地和保護(hù)、電網(wǎng)的可靠性方面取得了一定的研究成果[4]。日本是一個能源稀缺的國家，所以政府非常重視節(jié)能技術(shù)的發(fā)展，它在微網(wǎng)研究領(lǐng)域中處于世界領(lǐng)先地位[5]，日本的微網(wǎng)對于儲能和控制十分重視，通過建設(shè)靈活和智能能調(diào)度系統(tǒng)，在配電網(wǎng)中加入一些靈活交流輸電系統(tǒng)裝置，對配電網(wǎng)能源結(jié)構(gòu)進(jìn)行分配和優(yōu)化，并滿足用戶的多種用電需求[5]。

在微網(wǎng)的多項技術(shù)內(nèi)容之中，冷熱電聯(lián)供在微網(wǎng)中的應(yīng)用具有十分突出的研究意義和廣闊的應(yīng)用前景。結(jié)合冷熱電聯(lián)供的微網(wǎng)技術(shù)，具有以下優(yōu)勢[6]：在微網(wǎng)系統(tǒng)中建設(shè)CCHP系統(tǒng)，有助于利用，儲存，調(diào)度冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)中電負(fù)荷；CCHP的一次能源消耗主要以清潔能源為主，能夠有效地降低整個系統(tǒng)污染物的排放；CCHP的原動機(jī)機(jī)組能穩(wěn)定地輸出能源，彌補(bǔ)風(fēng)電、太陽能等清潔能源的不穩(wěn)定性；CCHP還可以提高電網(wǎng)供能的可靠性。CCHP的發(fā)展已經(jīng)有將近30年的歷史。隨著供電、供熱和制冷設(shè)備的單元技術(shù)和集成運(yùn)行技術(shù)的不斷進(jìn)步，歐美、日本的CCHP已經(jīng)在許多領(lǐng)域得到了推廣。

微網(wǎng)冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)目前在我國的研究尚在探索階段。CCHP系統(tǒng)作為一個分布式供能系統(tǒng)，在微網(wǎng)下運(yùn)行與傳統(tǒng)的獨(dú)立CCHP系統(tǒng)運(yùn)行有什么不同，值得去分析和探討。

2 微網(wǎng)下的冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)

2.1 加入可再生的新能源

相比傳統(tǒng)的冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)來說，微網(wǎng)冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)最新的特點就是和多種分布式新能源一起，共同發(fā)電。能源消耗種類多樣化，符合了用戶對電能質(zhì)量多樣化的要求。此外，系統(tǒng)較傳統(tǒng)的“分供”，也提高了一次能源利用率，大大降低了年運(yùn)行費(fèi)用和CO2和有害氣體的排放，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。在分布式發(fā)電系統(tǒng)中，風(fēng)能和太陽能由于消耗的是可再生，有害氣體幾乎為零排放的清潔能源，也是當(dāng)今社會所大力倡導(dǎo)和提倡的。

當(dāng)CCHP在微網(wǎng)下運(yùn)行，不必為原動機(jī)產(chǎn)出過多電能而造成的能量損失所擔(dān)憂。當(dāng)原動機(jī)產(chǎn)出過多的電能，可以根據(jù)需要儲存入儲能單元，或者向公網(wǎng)銷售，大大能量和經(jīng)濟(jì)損失。微網(wǎng)儲能技術(shù)正在大力發(fā)展中[7]。儲能單元主要是微網(wǎng)本身的一個保護(hù)裝置：它給微網(wǎng)系統(tǒng)能量分配提供緩沖，減緩可再生能源波動性對電網(wǎng)產(chǎn)生的不利影響，提高電能質(zhì)量[8]。配備有優(yōu)良的儲能裝置的微網(wǎng)系統(tǒng)，一方面能將風(fēng)能和太陽能的分布式電源并入智能微網(wǎng)，結(jié)合上各種儲能系統(tǒng)[9]使用，能給電網(wǎng)當(dāng)?shù)赜脩籼峁┯秒娯?fù)荷；其次還能增加系統(tǒng)“慣性”，繼而提高電能質(zhì)量。

2.2 運(yùn)行策略上的不同

當(dāng)CCHP系統(tǒng)與微網(wǎng)結(jié)合運(yùn)行時，微燃機(jī)以外的分布式電源發(fā)出的電量可供當(dāng)?shù)氐挠脩羰褂?。我國北方冬季熱?fù)荷遠(yuǎn)高于電負(fù)荷，單純的討論熱電比來決定“以電定熱”還是“以熱定電”的CCHP運(yùn)行策略[10]已經(jīng)無法滿足系統(tǒng)高性能系統(tǒng)的需要，導(dǎo)致大部分時候的能源都是直接在燃?xì)忮仩t中消耗天然氣，非但沒有體現(xiàn)冷熱電聯(lián)供的優(yōu)越性[11]，反而大大浪費(fèi)了資源。

傳統(tǒng)的冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)的運(yùn)行策略，主要有“以熱定電”模式、“以電定熱”模式、“能源綜合利用率最優(yōu)”和“經(jīng)濟(jì)效益最優(yōu)模式”[1]，不結(jié)合具體情況，而只單一的使用某一種模式，容易帶來配置設(shè)計不當(dāng)、運(yùn)行不經(jīng)濟(jì)等方面，能源浪費(fèi)的問題。按傳統(tǒng)運(yùn)行策略來運(yùn)行系統(tǒng)，是否還能達(dá)到更優(yōu)化目的，是否還適用于新型的微網(wǎng)冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)，值得去探討。

當(dāng)微燃機(jī)產(chǎn)生的電負(fù)荷大于當(dāng)?shù)氐挠秒娯?fù)荷時，多余出來的電量可以根據(jù)指定的運(yùn)行策略，選擇儲存到儲能裝置中，或者向外網(wǎng)輸送。目前國家正關(guān)于向大電網(wǎng)售電的可行性的探討中，如果微網(wǎng)向公網(wǎng)的售電技術(shù)成熟，國家上網(wǎng)政策與技術(shù)規(guī)范的也制定出臺后，從CCHP產(chǎn)生出的多電負(fù)荷也能向大電網(wǎng)出售，這就能避免在以熱定電運(yùn)行策略下生產(chǎn)出來的多余的電量不會浪費(fèi)。

在“以電定熱”運(yùn)行策略下，如果CCHP系統(tǒng)里余熱回收裝置產(chǎn)生的熱負(fù)荷不足滿足用戶的用熱負(fù)荷，可以從微網(wǎng)中儲能裝置、分布式電源或公網(wǎng)中購電。在冷熱負(fù)荷不足的情況下，可以用電制冷機(jī)或是通過補(bǔ)燃鍋爐補(bǔ)燃來獲取。具體的采取哪一種的供冷熱策略，可以通過計算經(jīng)濟(jì)性和節(jié)能性等各項指標(biāo)的綜合評價最優(yōu)的來選擇。將CCHP系統(tǒng)并入微網(wǎng)，使CCHP的運(yùn)行方式較傳統(tǒng)的聯(lián)供系統(tǒng)更為多樣化，將CCHP系統(tǒng)在原有的基礎(chǔ)上進(jìn)一步優(yōu)化，使得系統(tǒng)更經(jīng)濟(jì)，更環(huán)保。

2.3 傳統(tǒng)CCHP系統(tǒng)的評價指標(biāo)與優(yōu)化方法

針對用戶不用的冷熱電負(fù)荷需求，為達(dá)到最優(yōu)化的目的，選擇最優(yōu)的方案、容量配置和運(yùn)行策略至關(guān)重要。目前冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)常用的評價指標(biāo)包括能效指標(biāo)、經(jīng)濟(jì)指標(biāo)和環(huán)境指標(biāo)[12]。確立目標(biāo)函數(shù)和變量，建立約束條件，選擇一種綜合評價方法。當(dāng)前費(fèi)用年值法來對聯(lián)供系統(tǒng)與分供系統(tǒng)進(jìn)行經(jīng)濟(jì)評價比較合適。在對多目標(biāo)的函數(shù)進(jìn)行優(yōu)化分析時，由于各個優(yōu)化變量之間通常會相互排斥，取舍起來往往有些難度。對于此類情況，可以引入權(quán)重因子，各者的權(quán)重則根據(jù)決策者的意愿來確定，也可以采用主觀賦權(quán)法、客觀賦權(quán)法和組合賦權(quán)法三類[12]。

吳利輝等[13]以年費(fèi)用、一次能源消耗和二氧化碳排放要求的多目標(biāo)函數(shù)，并利用權(quán)重系數(shù)將多目標(biāo)轉(zhuǎn)換為單目標(biāo)優(yōu)化模型。Jiang-Jiang Wang等[14]采用遺傳算法，選定一次能源消耗節(jié)約率，年運(yùn)行費(fèi)用節(jié)約率，二氧化碳減排率三個為評價指標(biāo)，對系統(tǒng)原動機(jī)容量和電制冷量與用戶冷負(fù)荷的比值進(jìn)行優(yōu)化，并得出電價和天然氣價格關(guān)系曲線，進(jìn)行靈敏度分析。Kitagawa[15]以年運(yùn)行費(fèi)用為目標(biāo)函數(shù)，采用粒子群算法（PSO）對燃?xì)廨啓C(jī)冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)、策略進(jìn)行了優(yōu)化。王志偉[16]也是以年運(yùn)行費(fèi)用目標(biāo)函數(shù)，對微燃機(jī)數(shù)量和容量進(jìn)行的優(yōu)化，并對各個冷熱電聯(lián)供和分供的方案優(yōu)劣的進(jìn)行了比較，得出最優(yōu)運(yùn)行策略；同時運(yùn)用利用層次分析法和灰色關(guān)聯(lián)法對多種形式的聯(lián)供系統(tǒng)方案進(jìn)行比較。

2.4 微網(wǎng)冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)優(yōu)化方法

對微網(wǎng)冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計優(yōu)化時，可將傳統(tǒng)的優(yōu)化方法引入，忽略大電網(wǎng)的影響，同時考慮上微網(wǎng)中新加入的分布式電源，如太陽能、風(fēng)能等，以及儲能系統(tǒng)。綜合多種評價指標(biāo)，例如能效指標(biāo)、經(jīng)濟(jì)指標(biāo)和環(huán)境指標(biāo)進(jìn)行新的評價。建立以年費(fèi)用、火用經(jīng)濟(jì)分析、投資回收期，二氧化碳排放量等為目標(biāo)函數(shù)，確定約束條件?？紤]新能源對初投資，運(yùn)行費(fèi)用，以及購電，購氣的費(fèi)用的變化，以年費(fèi)用的為目標(biāo)函數(shù)的也產(chǎn)生變化。儲能裝置，燃料電池的，使得以二氧化碳減排量為目標(biāo)函數(shù)的也相應(yīng)產(chǎn)生變化。

設(shè)計系統(tǒng)配置方案。通過計算系統(tǒng)當(dāng)?shù)赜脩艄├?、供熱?fù)荷，分析冷、熱負(fù)荷的變化情況來確定系統(tǒng)配置，以獲得最大經(jīng)濟(jì)效益、環(huán)境效益來設(shè)計運(yùn)行策略，達(dá)到“削峰填谷”[17]的目的，在保證用戶冷熱負(fù)荷的前提下，利用微網(wǎng)的自身優(yōu)勢，再進(jìn)行電能分配。

結(jié)合系統(tǒng)中的蓄能裝置，對原有的運(yùn)行策略進(jìn)行重新優(yōu)化。分布式電源，原動機(jī)多發(fā)部分的電能可以儲存如蓄電裝置中。多余的回收余熱也可儲存到蓄熱裝置中。帶蓄能裝置的系統(tǒng)，采用動態(tài)優(yōu)化和二次優(yōu)化法，對運(yùn)行策略的進(jìn)行優(yōu)化[18，19]。

對含有小型熱電聯(lián)產(chǎn)的微網(wǎng)系統(tǒng)，建立各個分布式電源的數(shù)學(xué)模型，建立起以綜合購電及售電，購氣費(fèi)用，環(huán)保費(fèi)用，運(yùn)行和維護(hù)費(fèi)用的成本目標(biāo)函數(shù)，對分布式電源的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行優(yōu)化，得出夏，冬，過渡季節(jié)各個典型日的里，各時段的分布式電源發(fā)電策略，以及購、售電策略[20]。

3 結(jié)語

微網(wǎng)的出現(xiàn)能夠更加合理以及有效地利用分布式發(fā)電，冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)也能實現(xiàn)能源的高效利用。CCHP系統(tǒng)以一個分布式功能系統(tǒng)并入微網(wǎng)，以微網(wǎng)為電能調(diào)度的平臺，能在滿足冷熱負(fù)荷的前提下，更為有效的分配以及儲存電能，實現(xiàn)能源利用率高效化。

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