PDF《考虑电能交互的冷热电多微网系统日前优化经济调度》

考虑电能交互的冷热电多微网系统日前优化经济调度 徐青山1 ,李淋1 ,蔡霁霖1 ,栾开宁2 ,杨斌2 ( 1.

东南大学电气工程学院,江苏省南京市

2 1

0 0

9 6;

2. 国网江苏省电力有限公司,江苏省南京市

2 1

0 0

2 4 ) 摘要:多个冷热电联供型微网接入同一区域配电网, 形成以配电网为核心的冷热电联供型多微网 系统.当冷热电联供型多微网间通过联络线进行电能交互时, 给传统的多微网系统优化调度问题 带来了挑战.在分析典型冷热电联供型微网供能结构的基础上, 研究供用储设备间的冷热电能流 动关系和设备的数学模型, 建立考虑微网间电能交互的冷热电联供型多微网系统优化经济调度模 型.通过天津中新生态城算例, 分析各个冷热电联供型微网中设备出力和冷热电负荷平衡情况, 与 多微网间不存在电能交互时的优化调度进行经济成本、 C O

2 排放量和各微网与电网交易电功率值 的比较, 与传统冷热电联供系统 以热定电 和 以电定热 运行方式下多微网系统的总运行成本进 行对比, 验证所提模型的经济性、 环保性和有效性, 并对微网间交易电价的制定做进一步研究. 关键词:冷热电联供;

多微网系统;

电能交互;

优化调度;

C O

2 排放量;

交易电价 收稿日期:

2 0

1 8 -

0 4 -

1 7;

修回日期:

2 0

1 8 -

0 5 -

3 1. 上网日期:

2 0

1 8 -

0 8 -

2 8. 国家电网公司总部科技项目( S G J S J X

0 0 Y J J S

1 8

0 0

7 2 1) ;

国家 重点研发计划资助项目(

2 0

1 7 Y F A

0 7

0 0

3 0

0 ) .

0 引言 冷热电联供(combinedc o o l i n g , h e a t i n ga n d p o w e r , C CH P) 系统能够同时对外供应冷能、 热能和 电能, 通过能量的高效梯级利用, 一次能源利用率可 以达到8 0%以上, 并减少对环境的污染[

1 - 2] .随着 传统煤炭、 石油等化石能源的逐渐枯竭, 可再生能源 如风能、 太阳能、 地热能等受到越来越多的重视[ 3] . 微网作为一种包含可再生能源的分布式电源综合集 成技术, 是分布式发电的有效管理单元和重要组织 形式[ 4] , 对于推进电力系统的环保性和经济性具有 重要的意义[

5 - 6] .C CH P技术与微网技术的结合, 将CCH P系统与微网中各种用户负荷、 供用储设备及 分布式电源等结合在一起, 满足用户冷、 热、 电负荷 供需平衡, 提高整个微网系统的稳定性与可靠性[

7 - 9] .C CH P型微网以高效的能源利用率、 灵活的 调度方式、 较小的环境污染等优点, 成为国内能源可 持续利用、 发展低碳绿色经济的重要手段[

1 0] . 目前国内外对 C CH P 型微网优化调度模型和 控制 方法均有一定的研究. 文献[11] 提出典型CCH P系统母线式结构, 设计了优化调度模型构架, 并建立了C CH P型微网日前动态经济调度的0 - 1混 合线性规划模型.文献[

1 2 ] 设计了一种集成太阳能 和联供系统的太阳能冷热电三联供系统, 基于生命 周期分析法建立了多目标优化模型, 并对电跟随和 热跟随两种运行策略下三联供系统的综合性能优化 过程进行了对比分析.文献[

1 3 ] 在考虑电能和天然 气的不同费率结构及季节性差异的基础上, 建立了 风光气储互补发电的 C CH P优化协调模型, 以实际 算例验证所提方法能够平抑清洁能源的波动性, 并 实现多种电能的消纳.文献[

1 4 ] 将微网供能架构内 冷热电负荷细分为纯电负荷、 热水负荷、 空间热负 荷、 冷冻负荷和空间冷负荷, 建立 C CH P 型能源网 经济优化调度模型, 采用基于 H e s s i a n矩阵迭代的 内点法对模型求解, 并将优化结果与传统的 以热定 电 和 以电定热 调度策略运行结果进行对比分析. 文献[

1 5 ] 提出基于模型预测控制的 C CH P 型微网 动态优化调度策略, 并实时反馈校正冷热电负荷和 可再生能源出力预测偏差, 实际算例验证了所提模 型能够有效应对系统不确定性对经济调度的影响. 上述文献主要集中在单个 C CH P 型微网的经 济优化调度问题.随着微网技术的发展, 多个微网 连接在同一个局部配电网区域内, 研究局部配电网 中多个 C CH P型微网的经济优化问题具有实际意 义, 然而涉及含 C CH P的区域多微网系统优化经济 调度的研究还比较少.文献[

1 6] 将CCH P 型多微 网和主动配电网作为两个不同的利益主体, 采用分 布式建模方法, 以及天津中新生态城的算例验证了 提出的优化调度模型可以实现两个利益主体的经济 最优, 但没有考虑 C CH P型多微网间存在电能交互

6 3 第4 2卷第2 1期2018年1 1月1 0日Vol.42N o .

2 1N o v .

1 0,

2 0

1 8 D O I :

1 0.

7 5

0 0 / A E P S

2 0

1 8

0 4

1 7

0 0

6 h t t p : / / ww w. a e p s - i n f o . c o m 情况对经济调度的影响.文献[

1 7 ] 提出考虑经济性 和综合能效的含 C CH P 系统的区域多微网双目标 优化调度方法, 冷热电三联供系统实行以冷/热定电 的运行模式, 通过算例验证所提方法在保证综合能 效的基础上能够进一步提高 C CH P 型多微网系统 的经济性.文献[

1 8 ] 提出了考虑微网间功率交互和 微网出力协调的区域多微网优化经济调度模型, 多 微网协调运行方式下 C CH P 型多微网系统总运行 成本最小.但文献[

1 7 -

1 8] 中CCH P 型多微网均采 用传统的 以冷/热定电 的运行策略, 由文献[

1 4 ] 可知, 该文献提出的调度方法比传统的 以热定电 和 以电定热 调度策略经济性好.同时上述文献对具 体的 C CH P型多微网间交易电价的制定和多微网 内冷热电负荷平衡状况没有做进一步的研究. 针对以上问题, 本文建立考虑微网间电能交互 的CCH P型多微网系统优化经济调度模型, 采用以 预测冷热电负荷平衡和总体经济成本最优来确定设 备出力的运行策略.基于天津中新生态城的实际算 例, 通过分析各 C CH P 型微网内各设备出力、 冷热 电负荷平衡情况、 经济运行成本和 C O

2 排放量等来 验证所提出模型的有效性、 经济性与环保性, 同时对 多微网系统总运行成本与微网间交易电价的关系进 行了深入研究.

1 C C H P型微网结构及设备模型 C CH P型微网中包含冷、 热、 电、 气4种形式的 能源, 其结构示意图如图1所示.由图中可以看出, 典型 C CH P型微网中主要设备有: 燃气轮机、 余热 锅炉、 燃气锅炉、 蒸汽热水换热装置、 吸收式制冷机、 电制冷机、 蓄电池、 风机和光伏电池.燃气轮机通过 燃烧燃气产生电能, 同时产生废热由余热锅炉收集 起来, 一部分通过换热装置供给热负荷, 另一部分通 过吸收式制冷机进行制冷供给冷负荷.不足的热负 荷需求由燃气锅炉供给, 不足的冷负荷需求由电制 冷机供给, 蓄电池用来存储电能.C CH P型微网中 分布式可再生电源为风力发电和光伏发电, 并按照 最大预 测功率满电.电网、 相邻微网和蓄电池与CCH P型微网间电能的交互是双向的, 其他设备间 的能量交互都是单向的. 典型的 C CH P 型微网中有冷负荷、 热负荷、 电 负荷3种类型负荷, 同时配备相应负荷的供用储设 备.当图1所示微网中只有冷、 电负荷和相应负荷 的供用储设备时, 该微网为冷电联供(combinedcoolinga n dp o w e r , C C P) 型微网.同理, 当只有热、 电负荷和相应设备时,该微网为热电联供(combinedh e a t i n ga n dp o w e r , CH P) 型微网. 图1 C C H P型微网供能结构示意图 F i g .

1 S c h e m a t i cd i a g r a mo f e n e r g ys u p p l y s t r u c t u r e o faC C H Pm i c r o g r i d 1.

1 燃气轮机 燃气轮机作为 C CH P系统中的核心设备, 在燃 烧燃气产生电能的同时, 热能作为副产品供给整个 系统的冷负荷和热负荷.当不考虑外界环境变化 时, 燃气轮机发电效率可以描述成关于机组电负荷 率β 的三次拟合多项式[

1 9] . ηG T= a β

3 - b β

2 + c β+d (

1 ) 式中: ηG T 为t时段内燃气轮机的发电效率;

a, b, c, d 为正常数. 燃气轮机燃气消耗量和排出烟气中的余热量的 数学模型如下[

1 6,

1 8 ] : VG T = ∑ NT t=1 PG T( t) Δ t ηG T LN G (

2 ) QG T( t) =PG T( t) 1- ηG T- ηG T, l ηG T (

3 ) 式中: VG T为燃气轮机消耗的燃气量;

PG T ( t) 为t 时 段内燃气轮机的发电功率;

Δ t 为时间间隔;

NT 为 调度 时间段;

LN G 为燃气热值, 本文取燃气低热值9. 7( kW・h ) / m3 ;

QG T ( t) 为燃气轮机排出烟气中的余热量;

ηG T, l 为燃气轮机的热损失系数. 燃气轮机的输出电功率满足运行约束条件: Pm i n G T ≤PG T( t) ≤Pm a x G T (

4 ) 式中: Pm i n G T 和Pm a x G T 分别为燃气轮机的最小和最大发 电功率. 1.

2 余热锅炉 燃气轮机排出烟气余热通过余热锅炉收集起 来, 供给 C CH P系统的冷、 热负荷需求, 余热锅炉的 输出热量与输入热量及余热锅炉效率有关[

1 4 ] : QWH ( t) =QWH, i n( t) ηWH Qm i n WH ≤QWH ( t) ≤Qm a x WH { (

5 ) 式中: QWH ( t) 为余热锅炉在t 时段内的输出热量;

QWH, i n( t) 为输入热量;

ηWH 为余热锅炉的效率;

Qm i n WH 和Qm a x WH 分别为余热锅炉的最小和最大输出热量.

7 3 徐青山, 等 考虑电能交互的冷热电多微网系统日前优化经济调度 1.

3 燃气锅炉 当余热锅炉中输出热量不足以供给联供系统热 负荷需求时, 燃气锅炉通过燃烧燃气对系统进行补 热.数学模型如下[

1 6] : QG B( t) =FG B( t) LN G ηG B Qm i n G B ≤QG B( t) ≤Qm a x G B { (

6 ) 式中: QG B ( t) 为燃气锅炉在t 时段的输出热量;

FG B( t) 为燃气锅炉的消耗燃气量;

ηG B 为燃气锅炉的 效率;

Qm i n G B 和Qm a x G B 分别为燃气锅炉的最小和最大输 出热量. 1.

4 蒸汽热水换热装置 换热装置将余热锅炉的蒸汽热量进行转换, 供 给系统热负荷需求.数学模型如下: QHX( t) =QWH, h e a t( t) ηHX 0≤QWH, h e a t( t) ≤QWH ( t) Qm i n HX ≤QHX( t) ≤Qm a x HX ì ? í ? ? ? ? (

7 ) 式中: QHX( t) 为换热装置在t 时段内的输出热量;

ηHX 为换热装置的效率;

QWH, h e a t( t) 为余热锅炉输出 热量中用于供给系统热负荷的热量;

Qm i n HX 和Qm a x HX 分 别为蒸汽热水换热装置的最小和最大输出热量. 1.

5 吸收式制冷机 吸收式制冷机将余热锅炉中的热量进行制冷供 给系统冷负荷需求.数学模型描述如下[

1 4] : QA C( t) =QWH, c o o l( t) ηA C 0≤QWH, c o o l( t) ≤QWH ( t) Qm i n A C ≤QA C( t) ≤Qm a x A C ì ? í ? ? ? ? (

8 ) 式中: QA C( t) 为吸收式制冷机在t 时段内的输出制 冷量;

ηA C 为吸收式制冷机的效率;

QWH, c o o l( t) 为余热 锅炉输出热量中用于供给系统冷负荷的热量;

Qm i n A C 和Qm a x A C 分别为吸收式制冷机的最小和最大制冷量. 1.

6 电制冷机 在吸收式制冷机的输出制冷量不足以供给系统 的冷负荷时, 电制冷机通过消耗电能制冷对系统进 行补冷.数学模型如下[

1 3 ] : QE C( t) =PE C( t) λE C Pm i n E C ≤PE C( t) ≤Pm a x E C { (

9 ) 式中: QE C( t) 为电制冷机在t时段内的输出制冷量;

PE C ( t) 为电制冷机的输入电功率;

λ........