考慮變工況特性的微能源系統(tǒng)優(yōu)化規(guī)劃(一)基本模型和分析

李建林, 田立亭,, 程 林, 郭劍波

(1. 中國電力科學研究院有限公司, 北京市 100192; 2. 電力系統(tǒng)及發(fā)電設備控制和仿真國家重點實驗室, 清華大學, 北京市 100084)

0 引言

實現(xiàn)多能源系統(tǒng)的集成與協(xié)同是解決可再生能源消納問題的有效途徑[1]。與單一能源系統(tǒng)相比,綜合能源系統(tǒng)中電能、熱能等能源以一定耦合形式形成互補關系,共同構成能源供應體系。從地理范疇看,綜合能源系統(tǒng)可涵蓋一座建筑、一個地區(qū)、一個城市乃至一定區(qū)域的能源供應和消費系統(tǒng)。文獻[2]將綜合能源系統(tǒng)劃分為三個層次:區(qū)域能源系統(tǒng)、能源配送系統(tǒng)和微能源系統(tǒng)。類似于微網(wǎng),微能源系統(tǒng)(或稱為多能源微網(wǎng))是基于分布式能源生產(chǎn)和供應的一種綜合能源系統(tǒng),也是綜合能源系統(tǒng)的基本單元,可看作大型綜合能源網(wǎng)絡的一個基本節(jié)點。實際上,微能源系統(tǒng)包含了多種能源生產(chǎn)、轉(zhuǎn)換和存儲設備,涉及各設備的優(yōu)化組合、配置和協(xié)調(diào)運行問題。

微能源系統(tǒng)針對用戶用能需求特點和本地資源條件,實現(xiàn)分布式能源生產(chǎn)的互補、能源梯級利用和高效運行。目前,關于微能源系統(tǒng)的研究和實踐已引起國內(nèi)外相關工作者的關注。文獻[3]從能源輸入、再生產(chǎn)和消費環(huán)節(jié)詳細分析了該類系統(tǒng)的能源產(chǎn)品和能源服務,以及各方利益訴求。文獻[4]針對園區(qū)級微能源系統(tǒng),建立含有可再生能源以及冷、熱、電多種能源形式的微能網(wǎng)優(yōu)化運行模型。文獻[5-6]提出微能源系統(tǒng)的控制架構層級,其中文獻[6]依據(jù)電、氣、熱能源控制的時間尺度,將底層控制層劃分為快、中、慢三個尺度,基于靜態(tài)系統(tǒng)調(diào)度指令進行滾動修正控制。文獻[7]建立了微能源系統(tǒng)中設備元件的狀態(tài)模型,并提出微能源系統(tǒng)可靠性的評價指標和評價方法。文獻[8]將其劃分為正常態(tài)、預防態(tài)和應急態(tài),考慮經(jīng)濟性目標建立了微能源系統(tǒng)優(yōu)化運行模型,并評估了微能源系統(tǒng)在響應能源價格信號、提高供能可靠性、提供系統(tǒng)備用服務的價值,指出各服務之間的潛在沖突和協(xié)同問題。

微能源系統(tǒng)中多輸入多輸出特性是其優(yōu)化規(guī)劃和運行的基礎,如在正常運行模式下,輸入能源的價格和能源輸入量是系統(tǒng)經(jīng)濟運行考慮的條件,在孤島運行模式下,則需要考慮輸入能源為零的約束,以及輸出能源是否滿足用能可靠性要求。反映微能源系統(tǒng)輸入/輸出關系的經(jīng)典模型為能源集線器(energy hub,EH)模型,由瑞士蘇黎世大學的學者提出[9-10]。文獻[11]在EH模型中擴展了儲能和需求響應模型。文獻[12-14]建立了基于EH模型的微能網(wǎng)和綜合能源系統(tǒng)的靜態(tài)分析方法和能量調(diào)度方法,文獻[15-16]建立了EH模型的協(xié)同控制方法。

在上述工作中,微能源系統(tǒng)的多輸入和多輸出關系被一般性地簡化為線性耦合關系。實際上,各類能源設備通常具有明顯的變工況特性,即設備在不同環(huán)境、負荷率下的輸出特性有明顯的差異[17]。線性EH模型對各設備變工況特性的忽略或簡化在一定程度上令系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)換/轉(zhuǎn)移關系發(fā)生偏移。

為了更準確地描述微能源系統(tǒng)的輸入/輸出關系,為微能源系統(tǒng)的優(yōu)化運行和規(guī)劃提供基礎。本文考慮微能源系統(tǒng)中各能源設備的變工況運行特性,對EH模型進行改進,并分別從輸入/輸出端口建立儲能的耦合模型,以適應不同儲能設備類型,建立含儲能的微能源系統(tǒng)變工況耦合關系通用模型。本文針對一個包含有光伏(PV)、天然氣熱電聯(lián)供(CHP)、熱泵(HP)、燃氣鍋爐(GB)、電池儲能(BES)、蓄熱式電鍋爐(EB)的微能源系統(tǒng)進行實例建模,利用所建立模型分析系統(tǒng)在不同運行點下的輸入能源消耗。

1 含儲能的微能源系統(tǒng)變工況耦合模型

經(jīng)典的EH模型定義了能源輸入端口i和輸出端口j功率的耦合關系為:

(1)

其中,上標a,b,c,…,w代表能源輸入形式,如風、太陽輻射、天然氣、電力等,屬于集合ζ;上標α,β,γ,…,ω代表能源輸出形式,如電力、熱水、冷水、蒸汽等,屬于集合ξ?？梢钥闯?EH模型是微能源系統(tǒng)能源輸入/輸出穩(wěn)態(tài)關系的一種簡化模型,其并不包含傳輸環(huán)節(jié)。

EH模型的數(shù)學表達形式,也稱為EH平衡方程，可以寫為:

Pj-CijPi=0

(2)

在經(jīng)典EH模型中,認為耦合矩陣中的效率為常數(shù),用于描述能源輸入/輸出之間的線性關系。而對于多數(shù)設備,其能源轉(zhuǎn)換效率隨輸出功率的變化而變化,通常體現(xiàn)為非線性特性。設系統(tǒng)包含n個能源轉(zhuǎn)換設備,為考慮設備在出力變化時的工作特性,引入各能源設備的輸出功率向量:Pjd=[pj1,pj2,…,pjn]T。其中,Pjd為系統(tǒng)的中間變量,為獲得系統(tǒng)輸入/輸出關系,需要分別建立Pjd與能源輸入、輸出向量的關聯(lián)矩陣。

對于輸入向量Pi,有

Pi=UidPjd

(3)

其中,Uid為各設備輸出功率與輸入能源的轉(zhuǎn)換矩陣,即

(4)

對于輸出向量Pj,有

Pj=BjdPjd

(5)

其中,Bjd為同質(zhì)能源輸出歸屬矩陣,表示各類型設備輸出能源與系統(tǒng)輸出能源的歸屬關系,當設備輸出能源與系統(tǒng)輸出能源類型、品質(zhì)相同時,對應元素為1,反之為0,Bjd可表示為:

(6)

對于儲能設備,由于其只用于系統(tǒng)能源生產(chǎn)、利用的平衡,不直接參與能源輸入/輸出,其能量接口位于EH模型的內(nèi)部。在已有工作中,儲能設備的儲能和釋能通常被建立為通過同一轉(zhuǎn)換裝置[11-12],實際上在微能源系統(tǒng)中儲能的儲能和釋能可能涉及不同能源類型以及能源的轉(zhuǎn)換[17-18],因此,本文將儲能裝置的儲能和釋能功率端口進行獨立建模,如圖1所示。

圖1 儲能設備儲能/釋能獨立模型Fig.1 Independent charging/discharging model of energy storage devices

儲能的轉(zhuǎn)換和存儲效率通常與儲能的能量狀態(tài)有關,此處建立離散的儲能階段能量狀態(tài)轉(zhuǎn)移方程為:

(7)

在獨立儲/釋能模型的基礎上,對式(3)和式(5)進行擴展,得到新的平衡方程為:

Pi=UidPjd+SiPs

(8)

Pj=BjdPjd+SjPs

(9)

Si和Sj分別為儲能設備與系統(tǒng)輸入/輸出端口的歸屬矩陣,即

(10)

(11)

顯然,對于儲能和釋能通過同一端口的儲能設備,不能同時進行儲能和釋能,約束為:

(12)

(13)

由式(6)至式(13)得到了含儲能微能源系統(tǒng)的變工況輸入/輸出通用耦合模型,其中式(8)、式(9)為改進EH模型的平衡方程;式(7)、式(12)、式(13)為儲能引入的約束條件,其中式(12)、式(13)為非凸約束。

2 系統(tǒng)等效綜合能源消耗及微增率

微能源系統(tǒng)的輸入包含多種能源形式,為了對各種輸入進行統(tǒng)一衡量,本文定義系統(tǒng)的等效綜合能源消耗(EMEC)為:

(14)

式中:μa可為輸入能源a對應的價格、系數(shù)[19]等,其將各輸入能源形式折算到可以統(tǒng)一衡量的形式。

將式(8)代入式(14)可得到某個時段下系統(tǒng)總EMEC:

EEMEC=μT(Uid,tPjd,t+SiPs,t)Δt

(15)

式中:μ=[μa,μb,…,μw]T,為輸入能源折算系數(shù)向量;下標t表示t時段對應的變量。

定義設備的等效綜合能源變化率(以下簡稱為微增率)為:

(16)

(17)

式中:pjk,t和pjk′,t為t時段系統(tǒng)的中間變量元素。

類似電力系統(tǒng)機組負荷分配問題,也可以按照等微增率準則對設備輸出功率進行分配。為使系統(tǒng)盡量減少EMEC,可按照如下原則進行各設備出力的調(diào)整。

1)當系統(tǒng)某類品質(zhì)能源輸出功率增加時,應盡量讓微增率小的設備帶滿負荷。

2)當系統(tǒng)某類品質(zhì)能源負荷降低時,應讓微增率大的設備減少負荷。

在上述原則中,認為Pjd中各元素是獨立的。實際上,存在多能源耦合輸出設備,如CHP機組,該類設備引入多種輸出功率之間的耦合約束關系,使得微增率原則不再適用。此時,需要以式(15)為目標函數(shù),按照各能源轉(zhuǎn)換設備進行優(yōu)化經(jīng)濟調(diào)度。

直觀上,儲/釋能過程中的損耗增加了系統(tǒng)的能源消耗,但儲能的存在使系統(tǒng)的能源需求得到轉(zhuǎn)移,若通過儲能的儲/釋能改變系統(tǒng)中其他設備的工作點,使其他設備高效率工作,則可從整體上降低系統(tǒng)的能源消耗。在考慮儲能時,需要在儲能容量約束下,采取一定的儲/釋能策略,對系統(tǒng)內(nèi)各設備的出力進行協(xié)同管理。由于儲能引入了式(12)、式(13)的非凸約束,使得系統(tǒng)優(yōu)化經(jīng)濟調(diào)度問題變得難以求解?？梢钥闯?式(12)、式(13)僅在儲/釋能為同一端口時才存在,此時,在以式(15)為目標函數(shù),以式(9)為約束時,利用KKT(Karush-Kuhn-Tucker)條件可以證明,該非凸約束可以被松弛[20]。

3 含儲能微能源系統(tǒng)變工況特性建模

本文考慮一個含有PV發(fā)電、配電變壓器(TR)、CHP、HP、電化學儲能(BES)、GB、EB的微能源系統(tǒng)如圖2所示。分別用pv,tr,chp,hp,bes,gb,eb作下標表示上述設備對應的量。該系統(tǒng)為本地用戶提供電、熱能源服務,系統(tǒng)的輸入能源包括太陽輻射、電網(wǎng)供電和天然氣輸入,輸出為熱和電力;分別用sr,el,gas,h,e作為上標表示上述輸入/輸出對應的量。

圖2 微能源系統(tǒng)案例組成結(jié)構Fig.2 Configuration of studied micro-energy system

根據(jù)式(8)、式(9)建立該系統(tǒng)的平衡方程,依據(jù)系統(tǒng)結(jié)構,方程中的輸入、輸出向量、能源轉(zhuǎn)換設備功率輸出向量、儲能的儲/釋能功率向量定義為:

(18)

式中:Pi中元素分別為PV系統(tǒng)的太陽輻照功率、從電網(wǎng)購得的電功率、輸入天然氣的折合功率;Pj中元素分別為系統(tǒng)的輸出電功率和熱功率;PjD中元素分別為PV發(fā)電功率、TR輸出功率、CHP輸出電功率、CHP輸出熱功率、HP輸出熱功率、GB輸出熱功率;Ps元素分別為BES的充電功率、BES的放電功率、EB的耗電(儲熱)功率、EB的釋熱功率。對應的歸屬矩陣Bjd,Si,Sj此處不贅述。為獲得Uid及儲能的狀態(tài)轉(zhuǎn)移方程,本文將對各類設備的變工況特性建模。

3.1 PV變工況特性模型

PV發(fā)電的輸入能源為日照輻射,具有不確定性,PV逆變器通常采用最大功率點追蹤(MPPT)進行PV組件側(cè)的直流電壓控制[21]。

本文用五次多項式進行擬合PV逆變器在不同直流側(cè)功率下的效率,建立逆變器效率的經(jīng)驗模型[19],可表達為:

(19)

由PV組件的簡化U-I特性[22]可得到在任意輻照強度和溫度下的最大功率點為:

(20)

(21)

在微能源系統(tǒng)中,重點關注可再生能源發(fā)電的利用情況,因此本文將PV逆變器的出力與直流側(cè)的最大功率之比定義為PV發(fā)電的利用效率(須注意此處并非光電轉(zhuǎn)換效率),即

(22)

將直流側(cè)的最大功率VdmIdm視為系統(tǒng)輸入能源,可得到PV發(fā)電的變工況能源轉(zhuǎn)換系數(shù)為:

(23)

其約束為:

(24)

3.2 CHP變工況特性模型

本文研究的CHP系統(tǒng)由燃氣內(nèi)燃機和煙氣吸收型溴化鋰冷熱水機組組成。CHP系統(tǒng)的發(fā)電功率和供熱功率存在關聯(lián)關系,溴化鋰機組吸收內(nèi)燃機產(chǎn)生煙氣的余熱,為用戶提供熱(冷)量。天然氣內(nèi)燃機的發(fā)電效率與發(fā)電功率呈非線性關系,可用多項式擬合燃氣內(nèi)燃機發(fā)電效率[23],即

(25)

溴化鋰機組效率取決于天然氣內(nèi)燃機的排煙溫度和煙氣流量。煙氣溫度、流量為熱電聯(lián)供系統(tǒng)的中間產(chǎn)物,不出現(xiàn)在EH模型中,由發(fā)電功率與排煙溫度、流量的關系可以獲得聯(lián)供系統(tǒng)的制熱功率,可表達為[24]:

(26)

排煙溫度與發(fā)電電功率的關系可用三次多項式擬合為:

(27)

煙氣流量可用二次多項式擬合為:

(28)

由于CHP系統(tǒng)的熱功率為發(fā)電附加產(chǎn)物,本文考慮CHP系統(tǒng)的變工況能源轉(zhuǎn)換系數(shù)為輸出電功率的函數(shù),即

(29)

3.3 HP變工況特性模型

HP的制熱效率通常用性能系數(shù)(COP)描述,負載率、冷熱源側(cè)的溫度均是影響HP的COP的主要因素,同樣以經(jīng)驗模型建立HP的變工況特性模型,即

(30)

HP的變工況能源轉(zhuǎn)換系數(shù)為:

(31)

本文考慮HP機型為地源HP[25],地源HP的Tev和Tcd受到季節(jié)氣候、環(huán)境溫度的影響,簡便起見,本文不對溫度變化進行建模,設定為已知量。

3.4 GB變工況特性模型

GB的熱損失包括燃料排煙熱損失、不完全燃燒熱損失、散熱損失等,在低負荷運行下,GB的效率降低。GB在部分負荷下的效率可以用文獻[26]提出的模型,利用二次多項式進行擬合，即

(32)

GB的變工況能源轉(zhuǎn)換系數(shù)為:

(33)

3.5 BES變工況運行特性

BES裝置包括變流器和電池組,須分別考慮二者的變工況特性。

電池組在充電、放電過程中的效率可以分別表達為:

(34)

(35)

式中:VOC為電池組的總開路電壓;R0為電池組的總內(nèi)阻;Ich為充電電流;Idisch為放電電流。

一般情況下,VOC為可表達為電池組荷電狀態(tài)(SOC)的函數(shù),本文用三次多項式擬合VOC-SSOC變化關系[27]為:

(36)

實際上,根據(jù)電化學反應機理,電池的內(nèi)阻并非常數(shù),電池內(nèi)阻與充放電電流、電池SOC、溫度均有復雜關聯(lián),由于電池內(nèi)阻變化范圍較小,上述效率模型忽略了內(nèi)阻的變化。

變流器的損耗來源于開關器件、隔離變壓器、濾波電感、電容等部件的損耗。本文將變流器效率建立為直流側(cè)功率函數(shù),用五次多項式進行擬合,在充放電狀態(tài)下可分別表達為:

(37)

(38)

可得,BES系統(tǒng)的充放電效率分別為:

ηbes,ch=ηbat,cηpcs,c

(39)

ηbes,disch=ηbat,dηpcs,d

(40)

進而得到BES系統(tǒng)的充放電功率為:

(41)

(42)

將式(39)至式(41)代入式(7)可獲得BES的狀態(tài)轉(zhuǎn)移方程。

通常情況下,為保障電池的使用壽命,BES狀態(tài)有一定范圍約束。另外,BES的自損耗較低,如鋰離子電池的月自放電率通常在10%以內(nèi),本文研究時間尺度下可忽略電池自放電的影響。

3.6 EB變工況蓄熱特性

此處考慮EB以熱水為蓄熱介質(zhì),EB的釋熱功率可表述為[28]:

(43)

式中:meb為輸出熱水流量;Cp為水的比熱容;Tin和Tout分別為進水溫度和出水溫度。

蓄熱水罐向周邊環(huán)境散熱,其損耗可描述為:

(44)

蓄熱水溫度隨儲熱和釋熱功率的變化滿足:

(45)

式中:C為熱儲量;ηeb為電鍋爐的制熱效率。

此處采用二次多項式進行擬合為:

(46)

按照第2節(jié)的定義,EB的儲熱狀態(tài)可表示為:

(47)

將式(43)和式(47)代入式(45),并離散化,可得EB的狀態(tài)轉(zhuǎn)移方程,此處不贅述。

4 算例分析

考慮上述微能源系統(tǒng)的組成,根據(jù)上節(jié)中各設備的工作特性模型,可得到各設備在變化負載率下的轉(zhuǎn)換效率曲線,如圖3所示,其中HP的工作效率是在額定冷熱源側(cè)溫度下給出的?？梢?低于額定出力時,CHP,HP,GB設備的實際效率明顯低于額定效率,使得系統(tǒng)輸入/輸出轉(zhuǎn)換關系呈現(xiàn)非線性特征。

圖3 各能源轉(zhuǎn)換設備變工況工作效率Fig.3 Efficiency of multiple energy conversion devices under off-design operation points

此處,以折合一次能源熱值對系統(tǒng)的等效綜合能源消耗進行評估。對于輸入光輻照,折算系數(shù)μsr取為0,輸入電力折算系數(shù)μel取為1/0.35[29],忽略天然氣傳輸損耗,將輸入天然氣折算系數(shù)μgas取為1。為對比各能源設備的EMEC,假設各設備額定功率均為1.0(標幺值),計算系統(tǒng)中各設備在不同負載率下的EMEC,如圖4所示?？芍?圖4中各曲線切線的斜率即各設備在相應工作點下的微增率。

圖4 各能源轉(zhuǎn)換設備EMEC曲線Fig.4 EMEC curve of multiple energy conversion devices

可以看出,對于系統(tǒng)熱輸出,HP的EMEC低于GB和CHP,在高負載率下,GB低于CHP;對于系統(tǒng)電輸出,在高負載率下,CHP的EMEC低于變壓器配電。

微能源系統(tǒng)將作為一個整體進行能量管理,本文將針對系統(tǒng)的靜態(tài)優(yōu)化調(diào)度問題,對所建立模型進行驗證。算例中各設備的裝機容量見附錄A表A1。實際中,各設備的組合配置受到能源轉(zhuǎn)換效率的影響,更與設備的安裝條件、成本、能源價格等密切相關,關于系統(tǒng)的優(yōu)化配置將在后續(xù)工作中給出。需要指出,為了對系統(tǒng)進行統(tǒng)一評估,本文以系統(tǒng)最大電力負荷功率為參考值,各設備裝機容量、輸出功率均以此為基準進行標幺化處理。下述計算如無說明,均為標幺值。

微能源系統(tǒng)的靜態(tài)優(yōu)化調(diào)度是根據(jù)某一時段的多能源負荷需求和可再生能源預測出力,計算各單元的最優(yōu)出力值。考慮系統(tǒng)電、熱負荷和可再生能源的變化,給定系統(tǒng)的幾個變工況運行點以利用所建立模型觀察系統(tǒng)的綜合能源消耗變化。以式(15)為優(yōu)化目標,對各設備出力進行優(yōu)化決策,本文采用內(nèi)點法對非線性優(yōu)化問題進行求解,在各運行點下,設備的出力和微增率以及系統(tǒng)的邊際輸入能源消耗見表1。其中,λe為系統(tǒng)輸出電能的邊際能源消耗,λh為系統(tǒng)輸出熱能的邊際能源消耗。首先不考慮儲能的作用。

A點:該運行點下,系統(tǒng)的電負荷為0.88,熱負荷為0.66;PV最大輸出功率為0.12;此時,TR負載率為21.7%,輸出功率為0.26;CHP的負載率為100%,輸出電功率為0.50,熱功率為0.398;HP負載率為100%,輸出功率為0.20;GB負載率為31%,輸出功率為0.062。

B點:系統(tǒng)電負荷降低為0.54,熱負荷增加為0.78;此時太陽輻照功率升高,PV最大輸出功率為0.15;此時,為滿足熱負荷需求,CHP輸出電功率0.467,輸出熱功率0.380,HP和GB均滿負荷運行;TR輸出功率降為0;PV實際輸出功率為0.073,此時,系統(tǒng)沒有完全消納PV發(fā)電量,系統(tǒng)輸出電能的邊際能源消耗為0,由于接近系統(tǒng)供熱能力上限,輸出熱能邊際能源消耗達3.85。

表1 不同運行點下各能源轉(zhuǎn)換設備的出力和微增率Table 1 Power output and incremental rate of energy conversion devices under different operation points

C點:系統(tǒng)電負荷升高至0.64,熱負荷降低為0.52;太陽輻照度增加,PV最大功率為0.18;TR功率為0,CHP電功率為0.46,相應CHP熱功率為0.376,HP功率降至0.093,GB按最低運行功率出力。

D點:系統(tǒng)的電負荷降低為0.54,熱負荷升高為0.58,輻照度保持,PV最大出力為0.16;繼續(xù)降低CHP輸出功率至0.308,熱功率降低至0.341;提升HP出力至0.189。

E點:系統(tǒng)的電負荷升高為0.77,熱負荷升高至0.65;太陽輻照度降低,PV最大出力為0.06; CHP電功至滿功率0.5,熱功率至0.398;HP滿負荷運行;GB輸出功率提升至0.052。

可以看出,在A點和E點,系統(tǒng)供電邊際能源消耗均等于TR的微增率,同時,由于CHP供電的微增率低于TR,系統(tǒng)在TR有輸出功率時,CHP總是滿負荷運行。而在C點和D點時,由于系統(tǒng)電負荷較低,PV出力較大,TR無輸出,系統(tǒng)輸出電能和熱能的邊際能源消耗均有明顯的下降。雖然按照微增率的定義CHP制熱微增率較大,實際上大多數(shù)情況下為CHP發(fā)電的附加產(chǎn)物,不引起系統(tǒng)輸入能源消耗,CHP將按照其運行點對應的最大能力提供熱能。

表2 考慮儲能時的系統(tǒng)運行點Table 2 System operation points considering energy storage devices

由于B點下系統(tǒng)輸出電能邊際能源消耗為0,令BES和EB儲能,由于此時系統(tǒng)輸出熱能邊際能源消耗較大,令EB同時釋能;由于在C點和D點時,系統(tǒng)邊際能源消耗較低,令BES和EB在這兩個運行點儲能,令其在邊際能源消耗較高的E點釋能,同時使BES和EB在E點末期回復初始狀態(tài)。

B′點:BES以0.050的功率充電,EB以0.024的電功率儲熱,同時以0.020的熱功率釋熱,此時PV按照最大功率輸出,CHP電功率由0.467降低至0.464。

C′點:BES以0.04的功率充電;EB以0.02的電功率蓄熱,CHP滿功率輸出。

D′點:BES以0.03的功率充電;EB以0.02的電功率蓄熱;為滿足BES及EB的用電功率,CHP電功率升高至0.43;HP輸出功率較D點降低至0.168;

E′點:BES以0.10的功率放電;EB以0.02的熱功率釋熱;HP輸出功率較E點降低至0.182。

按照式(15)計算系統(tǒng)在各運行點下的EMEC和儲能的狀態(tài)變化,如圖5所示。

圖5 各運行點下系統(tǒng)EMEC及儲能狀態(tài)Fig.5 System EMEC and stored energy status under different operation points

系統(tǒng)在A,B,C,D,E運行點下總的EMEC為7.54,在A,B′,C′,D′,E′運行點下總的EMEC為7.43,降低了1.45%?？梢钥闯?儲能利用了系統(tǒng)中冗余的可再生能源發(fā)電,同時改變了各設備的工作點,引起系統(tǒng)邊際能源消耗的變化,最終降低了系統(tǒng)的EMEC。

5 結(jié)語

本文建立了反映綜合能源系統(tǒng)變工況運行特性的改進EH通用模型,引入各能源轉(zhuǎn)換設備效率矩陣和輸出歸屬矩陣,使模型可反映各設備的變工況特性,同時在系統(tǒng)輸入/輸出端口建立了儲能設備的儲/釋能模型,儲能的變工況特性通過儲能的狀態(tài)轉(zhuǎn)移方程體現(xiàn)。本文以一個包含PV,TR,CHP,HP,BES,EB的系統(tǒng)為例,以最小化系統(tǒng)EMEC為目標,針對系統(tǒng)的靜態(tài)優(yōu)化調(diào)度問題對所建立模型進行了驗證。

結(jié)果表明,由于各設備的變工況能源消耗特性,微能源系統(tǒng)中可再生能源發(fā)電、電/熱負荷的變化均對系統(tǒng)邊際能源消耗造成顯著的影響。同時,利用儲能可改變系統(tǒng)中各設備的工作點,同時提高可再生能源的利用能力,降低系統(tǒng)綜合能源消耗。通過本文所建立通用模型可更準確地反映系統(tǒng)輸入能源與輸出能源的供需關系。對于系統(tǒng)的設備組成和容量配置問題,需要在本文所建立模型的基礎上,進一步開展研究。

附錄見本刊網(wǎng)絡版(http://www.aeps-info.com/aeps/ch/index.aspx)。