考虑可再生能源消纳的建筑综合能源系统日前经济调度模型_任炬光.pdf
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1、新型电力系统DOI:10.15961/j.jsuese.202200925考虑可再生能源消纳的建筑综合能源系统日前经济调度模型任炬光1,2,张力1,2*,金立1,唐杨1,唐侨1,2,刘小兵1(1.西华大学 流体及动力机械教育部重点实验室,四川 成都 610039;2.西华大学 电气与电子信息学院,四川 成都 610039)摘要:“双碳”战略目标下,随着以新能源为主体的新型电力系统与分布式智能电网建设的不断推进,具有随机性特点的可再生能源发电大规模并网消纳问题日益凸显。本文面向建筑综合能源系统提出一种日前经济调度模型,旨在利用其多元化负荷需求与灵活性调节的特点,在满足用能需求与电网交互的基础上最
2、大程度实现可再生能源的就地消纳。首先,根据建筑能耗特性,通过配置地源热泵等具有高能效比的电制热设备来解耦热电联产“以热定电”的运行模式、并引入含有蓄电池和储热罐的混合储能装置来进一步增强系统调节能力。然后,考虑供需平衡、设备出力、储能运行、联络线交换功率等约束条件,以含有机组启停、弃风弃光损失等费用在内的总运行成本最小为目标函数,建立日前经济调度模型,并调用CPLEX求解该混合整数线性规划问题。最后,根据设置的不同场景,以系统运行成本、能源利用率和可再生能源消纳能力为评价指标进行算例仿真。仿真结果表明:相较于传统的热电分供模式,设置地源热泵和混合储能系统的综合能源系统可以降低约50%的运行成本
3、,能够提高近50%的能源利用率,且可以完全消纳可再生能源,并随着能量转换装置能效比的提升能够进一步的降低运行成本,具有较好的可操作性与社会经济效益。关键词:建筑综合能源系统;可再生能源消纳;地源热泵;混合储能中图分类号:TM721文献标志码:A文章编号:2096-3246(2023)02-0160-11Day-ahead Economic Dispatch Model of Building Integrated Energy SystemsConsidering the Renewable Energy ConsumptionREN Juguang1,2,ZHANG Li1,2*,JIN L
4、i1,TANG Yang1,TANG Qiao1,2,LIU Xiaobing1(1.Key Lab.of Fluid and Power Machinery,Ministry of Education,Xihua Univ.,Chengdu 610039,China;2.School of Electrical and Electronic Info.,Xihua Univ.,Chengdu 610039,China)Abstract:With the continuous advancement of the construction of the power system with re
5、newable energy as the main body and the distributedsmart grid,the problem of the large-scale integration and consumption of renewable energy generations with random characteristics has becomeincreasingly prominent under the strategic goals of“double carbon”.A day-ahead economic dispatch model for th
6、e building integrated energy sys-tem(BIES)was proposed in this paper.With its characteristics of multiple load requirements and flexible regulation,this model aimed to maxim-ize the local consumption of the renewable energy on the basis of meeting the energy demand and grid interaction.First of all,
7、according to thecharacteristics of the building energy consumption,the“determining power generation by heat”operation mode of the combined heat and power(CHP)system was decoupled by configuring the ground source heat pump and other electrical heating equipment with high energy efficiency ra-tio.The
8、hybrid energy storage system with battery and heat storage tank was also introduced to further enhance the system adjustment ability.Then,considering the constraints such as the supply and demand balance,the equipment output,the energy storage operation,and the tie-linepower exchange,the minimum tot
9、al operating cost was taken as the objective function including the unit start-up,the unit shutdown,the loss of收稿日期:2022 08 31基金项目:国家重点研发计划项目(2018YFB0905200);四川省教育厅自然科学重点项目(11ZA280)作者简介:任炬光(1997),男,硕士生.研究方向:综合能源系统运行优化.E-mail:*通信作者:张力,副教授,E-mail:网络出版时间:2023 02 26 19:42:43 网络出版地址:https:/ http:/http:/
10、第 55 卷 第 2 期工 程 科 学 与 技 术Vol.55 No.22023 年 3 月ADVANCED ENGINEERING SCIENCESMar.2023wind and photovoltaic power generations.The day-ahead economic dispatch optimization model of the system was further established,andCPLEX was used to solve this mixed integer linear programming problem.Finally,the sys
11、tem operation cost,the energy utilization rate and therenewable energy consumption capacity were taken as the evaluation indicators for simulations under different scenarios.The simulation resultsshow that,compared with the traditional“heat and power distribution”mode,the BIES with the ground source
12、 heat pump and the hybrid energystorage system can reduce the operation cost by about 50%,and improve the energy utilization rate by about 50%.It can also completely con-sume the renewable energy generations.With the increase of the energy efficiency ratio of the energy conversion equipment,its oper
13、ation cost canbe further reduced,which has good operability and socio-economic benefits.Key words:building integrated energy systems(BIES);renewable energy consumption;ground source heat pump;hybrid energy storage 随着可再生能源装机容量的不断升高,风电、光伏大规模并网消纳成为了制约新型电力系统快速发展的主要问题13。同时,建筑能耗约占能源总消耗量的40%,碳排放总量约占全国能源碳排放
14、总量的50%,并且随着建筑总量的增加,该比例还将不断增高45。现有建筑普遍存在用能成本高、能源利用率低的问题。随着能源低碳化转型的提出和可再生能源的普及,光伏发电、风力发电、热电联产系统(com-bined heating and power,CHP)等技术应用于各类建筑,可以有效提高能源的利用效率,实现建筑物的节能减排,降低用能成本67。但由于电、热负荷之间的供需矛盾,CHP设备“以热定电”的运行模式易导致弃风弃光频发,造成可再生能源的严重浪费。因此,考虑基于建筑自身的能耗特性来构建综合能源系统将有助于促进光伏、风力发电和热电联产等分布式清洁能源联合供能,并且有利于促进光伏和风力发电等可再生
15、能源的就地消纳89。针对建筑的多元化用能需求,现有研究广泛采用CHP设备提高能源利用率,实现建筑物的节能增效10。卞一帆等11提出一种将蓄热式电锅炉和冷热电三联产相结合的“电气互补冷热联供”弃风消纳模式,在消纳弃风的同时减少碳排放。金国锋等12基于NSGA算法,构建了考虑蓄热式电锅炉和CHP设备的多目标调度优化模型。Jiang等13研究了综合能源系统的供能灵活性,为系统保障能源供应质量、提高运行灵活性提供了重要依据。Chen等14提出来一种光伏燃气一体化综合能源系统,并利用帕累托方法选择节能、环保和经济性3个目标进行多目标优化。以上研究主要通过构建含CHP设备的综合能源系统节能降耗。但热负荷较
16、大的时候,CHP设备会进入“以热定电”的运行模式,产生大量的弃风弃光。现有部分研究尝试采用蓄热电锅炉来解决该问题,但蓄热电锅炉的运行成本较高、经济性较差。在新型电力系统中,由于可再生能源发电的随机性和波动性,为进一步增加系统的调控灵活性,通常会配置储电设备来改善电能质量和维护系统稳定运行15。Wang等16针对可再生能源的间歇性和随机性导致的弃风弃光问题,分析了不同储电设备的技术经济特征。曹建伟等17通过构建冰蓄冷空调集群参与微网经济调度模型,分析并验证了冰蓄冷空调消纳可再生能源的调控优势。Wu18等提出了一种基于模糊多准则决策技术的两阶段规划模型,从发电、输电和用电等方面选择最具发展潜力的可
17、再生能源与储能组合,最大化利用可再生能源。姜海洋等19从多能源形式、长时间尺度与跨空间范围这3个层面分析了季节性储能可以实现长时间尺度以及跨空间范围的大规模能量转移,是消纳高比例可再生能源的重要技术。上述研究多利用单一储电模式来消纳可再生能源,没有充分的利用综合能源系统异质能源间的耦合特性,且现有的电储能设备投资成本较高,经济性相对较差。综上所述,首先,通过配置能源转换效率高的地源热泵来优化系统的供能结构,提高能源的利用效率,并实现CHP设备的热电解耦。然后,引入含有蓄电池和储热罐的综合储能系统,充分利用异质能源间的耦合特性,实现不同能源间的优势互补,提高储能设备调控能力,进一步促进可再生能源
18、消纳,降低用能成本。因此,本文提出一种考虑可再生能源消纳的建筑综合能源系统(building integrated energy system,BIES)日前经济调度模型。以调度周期内综合能源系统运行成本、设备启停成本、环境成本以及弃风弃光惩罚成本最小为目标建立经济调度模型,求解系统各时段机组出力,并计算各评价指标,然后通过对不同场景下优化结果进行对比分析,进一步论证本文所提调度方法的优势。1 建筑综合能源系统建模 1.1 建筑能耗特性分析以办公建筑为例,其用能需求主要包含采暖、空调、照明、办公、动力、综合服务等负荷20。因此,在供暖季典型日中,办公建筑通常只含有电负荷和热负荷,且供热负荷远大
19、于用电负荷,热水负荷可忽略。建筑能耗具有明显的时间特性,典型办公建筑能耗特性曲线如图1所示20。第 2 期任炬光,等:考虑可再生能源消纳的建筑综合能源系统日前经济调度模型161 1.2 BIES系统描述本文以某办公建筑为研究对象构建建筑综合能源系统,其中,能量生产单元有光伏发电、风力发电和CHP设备(燃气轮机、余热锅炉),能量转换单元有地源热泵,能量存储单元有蓄电池和储热罐,用能单元即用户的用能需求有电负荷和热负荷其系统结构如图2所示。系统中CHP机组是集发电、供热为一体的供能系统,主要包括燃气轮机和余热锅炉两部分。燃气轮机通过燃烧天然气带动叶轮旋转发电,并且将燃烧排出的高温余热经余热锅炉回收
20、进行二次利用,实现能量的梯级利用,有利于提高能源的利用效率21。但由于CHP输出的电功率和热功率之间存在耦合关系,CHP是根据供热负荷的大小来确定发电量,即“以热定电”运行模式,如在提高供热量的同时将提高供电量,进一步导致系统中电能过剩。即使是相较于背压式具有更高灵活性的抽凝式CHP机组,也是在热负荷水平较低时通过减少供热,将多余的供热蒸汽用来发电,对可再生能源消纳并没有明显的提升作用。进一步挤占了可再生能源出力的消纳空间。针对CHP设备“以热定电”所导致的弃风弃光问题,地源热泵可以从两个方面提升可再生能源的消纳空间。首先,地源热泵作为一个用电设备来消纳可再生能源发电。其次,地源热泵可以供应大
21、量的热能,以减少CHP设备供热量,进一步减少燃气轮机的发电功率。同时,相较于电锅炉、空调等传统的电制热设备,地源热泵的能效比(coefficient of performance,COP)更高,供热效率更高22。因此,为进一步促进可再生能源消纳,引入具有高能效比的地源热泵,可以优化系统供能结构,实现对CHP设备的热电解耦。同时,由于混合储能装置具有能量转移能力,如:蓄电池可以在电负荷低谷但风电高发的夜间时段储电并用于供电高峰期,储热罐可以在热需求高峰期供热,减少CHP设备供热量,进一步减少其发电功率,以消纳可再生能源。因此,为了促进时段性的可再生能源消纳,引入储能设备提高系统的运行灵活性,实现
22、能量在时间上的转移23。1.3 基本设备模型1)光伏机组光伏机组出力与光照强度、环境温度等多个因素相关,为了便于计算,采用简化的光伏阵列模型:PnomPV(t)=L(t)MPVPV(1)PnomPV(t)L(t)MPVPV式中,为t时刻光伏机组的发电功率,为t时刻光照强度,为光伏机组接受光照的面积,为光电效率。2)风电机组风电机组可以将风能转换为电能,且风机的出力与实时风速有关,其出力表达式可以表示为:PnomWT(t)=|0,v(t)vout;PWTv(t)vinvnomvin,vin v(t)vnom;PWT,vnom v(t)vout(2)PnomWT(t)PWTvoutv(t)vinv
23、nom式中,为风电机组t时刻的发电功率,为额定电功率,为切出风速,为风速,为切入风速,为额定风速。3)CHP设备CHP设备电功率和余热锅炉回收的热功率可表示为:PCHP(t)=FCHP(t)eGCHP(t)Hgas(3)HCHP(t)=FCHP(t)GTEBGCHP(t)Hgas(4)FCHP(t)PCHP(t)GCHP(t)eGTEBHCHP(t)Hgas式中:为t时刻消耗的天然气量;为t时刻输出的电功率;为t时刻消耗的天然气;为电效率;为的热效率;为余热锅炉的热回收效率;为t时刻输出的热功率;为天然气热值,取值为9.73 kWh/m3。4)燃气锅炉模型燃气锅炉是通过燃烧天然气对外供能的设备
24、。其出力表达式为:02:0004:0006:0008:0010:0012:0014:0016:0018:0020:0022:0024:00热负荷电负荷功率/kW时刻1 5001 2009006003000图 1办公建筑能耗特性20Fig.1Energy consumption characteristic of office build-ing20 电网天然气网天然气流风电光伏蓄电池燃气轮机余热回收地源热泵储热罐电负荷热负荷电能流热能流图 2办公建筑综合能源系统结构Fig.2Integrated energy system structure of office build-ing 162工程
25、科学与技术第 55 卷QGB(t)=FGB(t)GBHGB(5)QGB(t)FGB(t)GB式中,为t时刻燃气锅炉供热量,为t时刻燃气锅炉消耗的天然气量,为燃气锅炉的热效率。1.4 能量转换及存储设备模型1)地源热泵地源热泵是一种利用地下浅层地热资源消耗少量的电能实现低品位热能向高品位热能转移进行供热的设备。地源热泵的出力可以表示为:HHP(t)=PHP(t)HP(6)HHP(t)PHP(t)HP式中,为t时刻输出的热功率,为t时刻消耗的电功率,为制热COP。2)空调空调供热是通过消耗电能来启动压缩机,利用汽化的吸热和液化的放热来供热。其数学模型可表示为:QAC(t)=PAC(t)AC(7)Q
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