计及环境成本的含储能冷热电联供系统多目标优化和运行策略研究.pdf
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1、冷热电联供(c o m b i n e d c o o l i n g,h e a t i n g a n d p o w e r,C CH P)系统能够同时满足用户冷热电负荷需求,实现热量梯级利用和能量高效供给。但C CH P系统内部能量耦合程度高,各种能量间相互影响,为C CH P系统的容量配置和能量高效供给带来挑战。为此,建立了含储能和可再生能源的C CHP系统,提出2种余热优先利用运行策略,采用多目标遗传算法对系统设备容量进行优化确定,并对各类运行指标进行分析。结果表明:运行策略二(回收余热优先供热)的“3 E”综合指标为0.3 4 4高于运行策略一(回收余热优先制冷);运行策略二的年
2、值节约率为4.5%经济性优于运行策略一;运行策略二的各类污染物减排率均高于运行策略一,表现出良好的环境效益。关键词:冷热电联供(C CHP)系统;储能技术;多目标优化;遗传算法;运行策略;可再生能源中图分类号:T K 0 1 文献标志码:AR e s e a r c h o n M u l t i-O b j e c t i v e O p t i m i z a t i o n a n d O p e r a t i o n S t r a t e g y o f C o m b i n e d C o l d,H e a t a n d P o w e r S y s t e m W i
3、t h E n e r g y S t o r a g e C o n s i d e r i n g E n v i r o n m e n t a l C o s tT AO H o n g j u n,Z HOU Z h i g u i,X I E J i n g y i,WANG Y i q i n,YANG J i n g r u(C h i n a N a t i o n a l N u c l e a r P o w e r G u o d i a n Z h a n g z h o u E n e r g y C o.,L t d.,Z h a n g z h o u 3 6
4、3 3 0 0,F u j i a n P r o v i n c e,C h i n a)A B S T R A C T:C o m b i n e d c o o l i n g,h e a t i n g a n d p o w e r(C CHP)s y s t e m c a n m e e t t h e u s e r s d e m a n d f o r c o l d a n d h o t p o w e r l o a d a t t h e s a m e t i m e,a n d c a n r e a l i z e h e a t c a s c a d e
5、u t i l i z a t i o n a n d e f f i c i e n t e n e r g y s u p p l y.H o w e v e r,t h e i n t e r n a l e n e r g y c o u p l i n g d e g r e e o f C CH P s y s t e m i s h i g h,a n d v a r i o u s e n e r g i e s a f f e c t e a c h o t h e r,w h i c h b r i n g s c h a l l e n g e s t o t h e c
6、 a p a c i t y c o n f i g u r a t i o n a n d e f f i c i e n t e n e r g y s u p p l y o f C CH P s y s t e m.T h e r e f o r e,a C CH P s y s t e m w i t h e n e r g y s t o r a g e a n d r e n e w a b l e e n e r g y t e c h n o l o g y i s e s t a b l i s h e d,t w o o p e r a t i o n s t r a t
7、 e g i e s f o r p r e f e r e n t i a l u t i l i z a t i o n o f w a s t e h e a t a r e p r o p o s e d,a n d t h e m u l t i-o b j e c t i v e g e n e t i c a l g o r i t h m i s u s e d t o o p t i m i z e a n d d e t e r m i n e t h e c a p a c i t y o f t h e s y s t e m e q u i p m e n t,a n
8、 d v a r i o u s o p e r a t i n g i n d i c a t o r s a r e a n a l y z e d.T h e r e s u l t s s h o w t h a t t h e“3 E”c o m p r e h e n s i v e i n d e x o f o p e r a t i o n s t r a t e g y 2(r e c o v e r y o f w a s t e h e a t p r i o r i t y h e a t s u p p l y)i s 0.3 4 4,w h i c h i s h
9、 i g h e r t h a n t h a t o f o p e r a t i o n s t r a t e g y 1(r e c o v e r y o f w a s t e h e a t p r i o r i t y c o o l i n g),a n d t h e a n n u a l v a l u e s a v i n g r a t e o f o p e r a t i o n s t r a t e g y 2 i s 4.5%,w h i c h i s b e t t e r t h a n t h a t o f o p e r a t i o
10、 n s t r a t e g y 1.T h e e m i s s i o n r e d u c t i o n r a t e o f v a r i o u s p o l l u t a n t s i n o p e r a t i o n s t r a t e g y 2 i s h i g h e r t h a n t h a t o f o p e r a t i o n s t r a t e g y 1,s h o w i n g g o o d e n v i r o n m e n t a l b e n e f i t s.K E Y WO R D S:c
11、o m b i n e d c o o l i n g,h e a t i n g a n d p o w e r(C CH P)s y s t e m;e n e r g y s t o r a g e t e c h n o l o g y;m u l t i-o b j e c t i v e o p t i m i z a t i o n;g e n e t i c a l g o r i t h m;o p e r a t i o n s t r a t e g y;r e n e w a b l e e n e r g y u t i l i z a t i o n0 引言 随着全
12、球性气候变暖和大气污染等问题日益严重,加强节能减排、环境保护已成为越来越多人的共识,发展高效、节能、环保的供能方式已成为一种趋势。冷热电三联供(c o m b i n e d c o o l i n g,h e a t i n g a n d p o w e r,C CH P)系统是目前能源系统发展的一个重要方向,C CH P系统在满足用户冷、热、电负荷的同时,能够实现热量梯级利用和提高系统综合能效。C CH P系统是以原动机为核心,并包含产热、制冷、储能和可再生能源利用等设备,在产生电能的同时能够满足用户多种能源需求的供能系统。由于C CH P系统具有能源利用率高、供能稳定性V o l.8
13、N o.3陶鸿俊,等:计及环境成本的含储能冷热电联供系统多目标优化和运行策略研究3 1 高、环境污染小、调度灵活等优势,已成为分布式能源系统的一个重要形式1。因此,深入研究其在提升系统能效、减少污染气体排放和降低系统投运成本等方面的综合潜力,对我国能源高效可持续利用、建设低碳环保经济社会、实现“碳中和”有着重要的意义。目前,在对C C H P系统的优化研究中,许多文献以智能算法为工具,以经济、节能、环保等效益为目标对系统进行优化设计,提升综合性能。文献2 研究了C CH P系统的系统配置,以系统运行成本最小为目标,建立其经济运行优化模型,并分析电价、燃料价格、联网方式和热电比等因素对该系统经济
14、性的影响。文献3-4 采用基于W a s s e r s t e i n概率距离指标的改进多状态方法对风电、光伏出力和冷热电负荷不确定性进行建模。在以经济和环保为目标的基础上以自平衡能力为目标,建立配置优化模型,并采用遗传算法求解。文献5 考虑可再生能源和电热负荷的随机性,基于机会约束理论建立C CH P系统优化模型,并采用基于随机模拟的粒子群算法求解。文献6 提出一种基于频谱分析确定C CH P系统容量配置的方法,并确定储能的运行策略。文献7 考虑C CH P系统运行时产生的环境成本,建立包含环境成本和储能设备的C CH P系统优化模型。文献8 为提升C CH P系统储能资源的合理配置,基于
15、虚拟储能和电力弹簧概念,提出计及主配储能协同的C CH P系统风光储容量的双层配置方法,利用改进的粒子群算法对风光储容量进行求解。文献9 分别以年成本节约率、年减排率和年一次能源节约率为目标进行C CH P系统容量优化求解。文献1 0 针对含跨季节储热的综合能源系统的集成进行研究,采用粒子群算法优化确定了系统全年运行情况下的设备最优容量。文献1 1-1 3针对光 气互补冷热电联供系统,从能源、经济和环境方面建立了综合指标,并采用遗传算法对系统内驱动设备的容量配置进行优化确定。文献1 4 针对接入光伏的C CH P系统容量配置进行研究,为C C H P系统的规划提供了一定的理论支持。文献1 5针
16、对C CH P系统能量系统容量与实际负荷不匹配问题,以系统的一次能源节约率和年总成本节约率最大为目标,采用带压缩因子的粒子群优化算法和遍历算法对系统容量进行优化确定。文献1 6 为降低系统容量配置模型的计算量,提出一种基于时序聚类的综合能源系统容量优化配置方法。文献1 7-1 9 以经济成本最小为目标对综合能源系统进行配置优化,确定了各设备的最佳容量。文献2 0 为提高多区域综合能源系统的能源利用率和合理配置储能系统容量,建立了一种共享储能系统容量优化配置模型。文献2 1 构建了以天然气储气库为中心的C CH P系统,并建立天然气综合能源系统容量优化配置模型。上述文献对C CH P系统的系统配
17、置及运行策略进行研究时,较少考虑系统运行时的产生的环境费用,且以考虑C O2气体的排放为主。为此,本文建立了 结 合 储 热、储 电 和 太 阳 能 光 伏 等 设 备 的C CH P系统的配置优化模型,并考虑C O2、S O2和NOx等污染物的排放成本。采用多目标遗传算法为工具,以全年系统污染物减排率、一次能源利用率、年值节约率最大为目标,对C CH P系统的系统配置进行优化。基于全年逐时负荷数据,计算总的初始投资、运维费用、购能成本以及污染物排放惩罚和处理费用。最后,对不同类型的储能设备、计及环境成本和不同策略的运行结果进行分析。1 CCHP 微网系统结构和模型C CH P系统作为分布式能
18、源系统最具有代表性的系统,其综合能源利用率可达7 0%9 0%。因此合理配置C CH P系统,并采用合理运行策略对促进能源高效、清洁利用和构建绿色和谐社会具有重要意义。C CH P系统的结构如图1所示,系统向其用户供应冷热电负荷。图1 C C H P系统结构F i g.1 C C H P s y s t e m s t r u c t u r e d i a g r a m 1.1 模型建立利用太阳能光伏、微型燃气轮机、蓄电池和市政电网满足用户电负荷需求。利用燃气锅炉、回收余热和蓄热罐满足用户热负荷。用户冷负荷则由电制冷机和吸收式制冷机联合提供。微型燃气轮机排出废热经换热器回收后,为用户进行供
19、热或供给吸收式制冷机来满足用户冷需求。3 2 分布式能源第8卷 第3期1.1.1 微型燃气轮机微型燃气轮机是一种小功率的燃气轮机,一般可以利用天然气、沼气、柴油、汽油及烷烃类气体等燃料,具有污染物排放小、低噪音、运行成本低和寿命长等优点2 2,被广泛应用于分布式能源系统中。微型燃气轮机的发电效率采用三次拟合函数,即MT(t)=0.1 7 98 9PMT(t)PMT,m a x 3-0.2 7 0 8 1PMT(t)PMT,m a x 2+0.3 3 1 5 7PMT(t)PMT,m a x +0.0 8 93 5(1)式中:PMT(t)为t时段微型燃气 轮机发电 功率,kW;PMT,m a x
20、为微型燃气轮机额定功率,kW。FMT(t)=PMT(t)MT(t)(2)式中:FMT(t)为t时段微型燃气轮机的燃料消耗量,kW;MT(t)为t时段微型燃气轮机发电效率。1.1.2 余热回收器余热回收器通过回收微型燃气轮机所产生的废热,对微型燃气轮机的废热进行回收利用,减少热量的浪费,提高系统能源利用率。QR E(t)=PMT(t)1-MT(t)-l o s s MT(t)h r(3)式中:QR E(t)为t时段微型燃气轮机的排气回收余热,kW;l o s s为散热损失系数,取0.2;h r为烟气热回收效率,取0.8。1.1.3 光伏发电系统太阳辐射强度和环境温度等对光伏系统输出功率有着重要影
21、响。本模型忽略风速对光伏发电的影响,一般情况下,光伏输出功率可在标准测试条件(s t a n d a r d t e s t c o n d i t i o n,S T C)最大输出功率的范围内进行调节,模型为PP V(t)=fP VPS T CG(t)GS T C1+k Tc e l l(t)-TS T C (4)式中:PP V(t)为光伏系统输出功率,kW;PS T C为光伏电池在标准测试条件下的最大输出功率,kW;fP V为光伏发电系统功率降额因数,取0.9;G(t)为实际太阳辐射强度,W/m2;GS T C为标准测试下太阳辐射强度,1 0 0 0W/m2;TS T C为标准测试条件下的
22、环境温度,2 5;k为光伏功率温度系数,-0.4 7%/;Tc e l l(t)为光伏电池表面温度,其计算公式2 3-2 5为Tc e l l(t)=Ta m b(t)+(TN-2 0)G(t)8 0 0 (5)式中:Ta m b(t)为实际环境温度,;TN=4 7。1.1.4 电制冷机和吸收式制冷机电制冷机利用电能通过压缩机制冷,其输出冷功率CE C(t)与输入电功率PE C(t)的关系为CE C(t)=PE C(t)DE C(6)式中DE C为电制冷系数,取4.0。吸收式制冷机利用低品位热能转化为冷能,为用户供冷。其输出冷功率CA C(t)与输入的热功率HA C(t)的关系为CA C(t)
23、=HA C(t)DA C(7)式中DA C为吸收式制冷系数,0.7。1.1.5 燃气锅炉燃气锅炉可以将天然气转化为热能,在供热不足时作为补充满足热负荷需求,其输出热功率HB(t)与消耗天然气功率FB(t)的关系为HB(t)=bFB(t)(8)式中b为燃气锅炉之热效率,取0.8 5。1.1.6 蓄电池蓄电池荷电状态为S OC(t)=WB T(t)WB T,m a x(9)式中S O C(t)为荷电状态,表示在某一时刻蓄电池剩余容量WB T(t)与其额定容量WB T,m a x之比,文中设定为0.2,1。则蓄电池储能状态方程为WB T(t+1)=WB T(t)(1-B T)+B T,cPB T,c
24、(t)-PB T,d i s c(t)B T,d i s c t(1 0)式中:PB T,c(t)为电池充电功率,kW;PB T,d i s(t)为电池放电功率,k W;t为时段长度,h;WB T(t)为蓄电池存储的电能,k Wh;B T为电池自放电率,取0.0 0 1;B T,c、B T,d i s c电池充、放电效率,取0.9 5。1.1.7 蓄热罐蓄热罐储能状态方程为WT S T(t+1)=WT S T(t)(1-T S T)+T S T,cPT S T,c(t)-PT S T,d i s c(t)T S T,d i s c t(1 1)式中:PT S T,c(t)为蓄热罐储热功率,PT
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- 关 键 词:
- 环境 成本 含储能 冷热 电联供 系统 多目标 优化 运行 策略 研究
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