终端型多能互补系统的最优配置与性能分析

doi:10.12096/j.2096-4528.pgt.21129

摘要/Abstract

摘要：

为建立典型终端型多能互补系统模型，了解不同优化目标下系统最优配置的特点和性能影响因素，提出一种集成太阳能、风能、天然气的终端型多能互补系统，并基于母线式结构对系统能流特性进行分析，建立系统设计运行一体化优化模型。研究了优化目标和能源价格对系统最优配置和性能的影响，阐明了微燃机、内燃机、吸收式制冷机等典型设备的适用场景，以及灵活性电源、储能装置对风光消纳的促进作用，验证了系统环保与化石燃料节约水平的一致性，以及当前考虑的技术经济水平下经济性与环保水平的反向关系。结果发现，存在最适宜的天然气价格确保下调压力适当，并明确了电价峰谷差大小对系统性能的影响，研究结果可为系统集成优化设计和能源价格政策制定提供参考。

关键词: 多能互补, 母线式结构, 最优配置, 性能分析, 能源价格分析

Abstract:

In order to establish a typical terminal multi-energy complementary system and know the characteristics of different optimal configurations and influence factors of its performance under different optimization objectives, this paper proposed a terminal multi-energy complementary system that integrates solar energy, wind energy and natural gas. The energy flow characteristics were analyzed based on the bus-bar structure, and an integrated optimization model for the design and operation of the system was established accordingly. Furthermore, the effects of optimization objectives and energy prices on the optimal configuration and performance of the system were studied, and the applicable scenarios of typical equipment such as micro-gas turbine, internal combustion engine and absorption chiller were illustrated, as well as the promoting effects of flexible power supply and energy storage device on the consumption of photovoltaic and wind power. The relationship between annual CO₂ emission reduction ratio and fossil fuel saving ratio of the system is consistent, and that between annual cost saving ratio and CO₂ emission reduction ratio is contrary under current technical and economic conditions. The most suitable natural gas price to ensure the applicable downward pressure exists and the effect of peak-valley difference of electricity price on system performance is clarified. The results can provide reference for system integration optimization design and energy price policy formulation.

Key words: multi-energy complementary, bus-bar structure, optimal configuration, performance analysis, energy price analysis

中图分类号:

TK 01

陈宜, 徐英新, 徐东杰, 高翔. 终端型多能互补系统的最优配置与性能分析[J]. 发电技术, 2022, 43(6): 823-833.

Yi CHEN, Yingxin XU, Dongjie XU, Xiang GAO. Optimal Configuration and Performance Analysis of Terminal Multi-energy Complementary System[J]. Power Generation Technology, 2022, 43(6): 823-833.

图/表 14

图 1 终端型多能互补系统结构图

Fig. 1 Structure diagram of terminal multi-energy complementary system

图2 终端型多能互补系统母线式能量流动图

Fig. 2 Bus-bar energy flow diagram of terminal multi-energy complementary system

图 3 夏季冷热电负荷

Fig. 3 Cooling, heating and electrical load curves in summer

图 4 冬季冷热电负荷

Fig. 4 Cooling, heating and electrical load curves in winter

图 5 过渡季冷热电负荷

Fig. 5 Cooling, heating and electrical load curves in transition seation

图 6 各月典型日光照水平

Fig. 6 Solar radiation level of a typical day in each month

表 1 可选设备的技术参数

Tab. 1 Technical parameters of optional equipments

设备类型	技术参数	数值	设备类型	技术参数	数值
内燃机	额定功率容量 $P g e n, r$ /kW	200	风机	切入风速 $v i n$ /(m/s)	3
	发电效率 $η g e n$	0.37	风机	切出风速 $v o u t$ /(m/s)	25
	热电比 $α g e n$	1.3	蓄电池	自放电率 $σ e s$	0.001
	最低负载率 $χ m i n$	0.3		最大充电率 $χ e s, c h$ /h^-1	0.2
微燃机	额定功率容量 $P g e n, r$ /kW	200		最大放电率 $χ e s, d i s c h$ /h^-1	0.4
	发电效率 $η g e n$	0.3		充电效率 $η e s, c h$	0.95
	热电比 $α g e n$	1.9		放电效率 $η e s, d i s c h$	0.95
	最低负载率 $χ m i n$	0.3		SOC上限 $S e s m a x$	0.9
光伏	降额因数 $f p v$	0.9		SOC下限 $S e s m i n$	0.2
光伏	功率温度系数 $α P$ /(%/℃)	-0.5	燃气锅炉	制热效率 $η g b$	0.92
风机	额定功率容量 $P r$ /kW	10	电制冷机	能效比 $C O P e c$	4
风机	额定风速 $v r$ /(m/s)	10	吸收式制冷机	能效比 $C O P a c$	1.2

表 1 可选设备的技术参数

Tab. 1 Technical parameters of optional equipments

设备类型	技术参数	数值	设备类型	技术参数	数值
内燃机	额定功率容量 $P g e n, r$ /kW	200	风机	切入风速 $v i n$ /(m/s)	3
	发电效率 $η g e n$	0.37	风机	切出风速 $v o u t$ /(m/s)	25
	热电比 $α g e n$	1.3	蓄电池	自放电率 $σ e s$	0.001
	最低负载率 $χ m i n$	0.3		最大充电率 $χ e s, c h$ /h^-1	0.2
微燃机	额定功率容量 $P g e n, r$ /kW	200		最大放电率 $χ e s, d i s c h$ /h^-1	0.4
	发电效率 $η g e n$	0.3		充电效率 $η e s, c h$	0.95
	热电比 $α g e n$	1.9		放电效率 $η e s, d i s c h$	0.95
	最低负载率 $χ m i n$	0.3		SOC上限 $S e s m a x$	0.9
光伏	降额因数 $f p v$	0.9		SOC下限 $S e s m i n$	0.2
光伏	功率温度系数 $α P$ /(%/℃)	-0.5	燃气锅炉	制热效率 $η g b$	0.92
风机	额定功率容量 $P r$ /kW	10	电制冷机	能效比 $C O P e c$	4
风机	额定风速 $v r$ /(m/s)	10	吸收式制冷机	能效比 $C O P a c$	1.2

表 2 可选设备的经济参数

Tab. 2 Economic parameters of optional equipments

设备类型	固定初始投资/元	可变初始投资/(元/kW)	固定运行维护/(元/kW)	可变运行维护/[元/(kW∙h)]
内燃机	0	9 300	0.0	0.050
微燃机	0	13 660	0.0	0.102
光伏	0	5 190	2.0	0
风机	0	5 380	1.4	0
蓄电池	0	940	0.0	0
燃气锅炉	0	270	2.1	0
电制冷机	0	3 130	1.3	0
吸收式制冷机	131 530	4 650	12.8	0

表 3 优化目标中评价指标权重

Tab. 3 Weight coefficient of evaluation index in optimization target

情形	指标权重
情形	β₁	β₂	β₃
1	1	0	0
2	0.8	0.1	0.1
3	0.1	0.8	0.1
4	0.1	0.1	0.8

表 4 不同情形下的系统配置

Tab. 4 System configuration in different situations

设备	情形1	情形2	情形3	情形4	参比系统
燃气发电机类型	内燃机	内燃机	内燃机	内燃机	—
燃气发电机台数	6	6	7	7	0
风机台数	10	10	10	10	0
光伏容量/kW	1 000	1 000	1 000	1 000	0
电制冷机容量/kW	628	601	529	521	703
吸收式制冷机容量/kW	250	339	579	605	0
燃气锅炉容量/kW	1 934	1 286	1 138	1 183	2 422
蓄电池容量/(kW⋅h)	74	231	789	618	0
购电峰值功率/kW	1 304	480	34	9	1 964

表 5 不同情形下的系统性能

Tab. 5 System performance in different situations

目标函数	情形1	情形2	情形3	情形4
C_SR/%	19.61	19.21	17.53	17.60
C_ERR/%	44.41	58.59	60.80	60.79
F_FSR/%	28.21	36.17	37.10	37.10

图 7 天然气价格对系统配置的影响

Fig. 7 Impact of natural gas price on system configuration

图 8 天然气价格对系统性能的影响

Fig. 8 Impact of natural gas price on system performance

表 6 系统优化配置方案对比分析

Tab. 6 Comparison of system optimization configuration schemes

项目	固定电价	当前电价	峰谷差增大40%
燃气发电机类型	内燃机	内燃机	内燃机
燃气发电机数量/台	6	6	6
风机数量/台	10	10	10
光伏额定容量/kW	1 000	1 000	1 000
电制冷机额定容量/kW	703	628	622
吸收式制冷机容量/kW	0	250	269
燃气锅炉额定容量/kW	1 347	1 934	1 974
蓄电池额定储能量/(kW⋅h)	0	74	567
电网购电峰值功率/kW	785	1 304	1 404
年总费用/万元	1 281.02	1 279.54	1 239.05
年CO₂排放量/t	5 921 256	7 556 452	7 579 245
年电网购电量/(kW⋅h)	1 075 638	3 271 605	3 293 772
年化石燃料消耗量/(kW⋅h)	29 237 158	32 455 435	32 525 800
年费用节省/%	19.51	19.61	22.15
年CO₂减排率/%	56.44	44.41	44.24
年化石燃料节约率/%	35.33	28.21	28.05

参考文献 19

1	REN F K， WEI Z Q， ZHAI X Q ．Multi-objective optimization and evaluation of hybrid CCHP systems for different building types[J]．Energy，2021，215：119096．
2	张伟波，谢玉荣，杨帆，等．多能互补分布式综合供能系统及典型开发方案研究[J]．发电技术，2020，41(3)：245-251． doi:10.12096/j.2096-4528.pgt.19025
	ZHANG W B， XIE Y R， YANG F，et al ．Research on multi-energy complementary distributed integrated energy supply system and typical development scheme[J]．Power Generation Technology，2020，41(3)：245-251． doi:10.12096/j.2096-4528.pgt.19025
3	任福康，陈宜，王江江．耦合太阳能和地热能的冷热电联供系统优化[J]．工程热物理学报，2021，42(1)：16-24．
	REN F K， CHEN Y， WANG J J ．Optimization of combined cooling， heating， and power system coupled with solar and geothermal energies[J]．Journal of Engineering Thermophysics，2021，42(1)：16-24．
4	陈志昊，刘培，李政，等．新区综合能源系统多目标最优化设计[J]．工程热物理学报，2021，42(1)：33-39．
	CHEN Z H， LIU P， LI Z，et al ．Multi-objective optimal design for the integrated energy system of a new urban area[J]．Journal of Engineering Thermophysics，，2021，42(1)：33-39．
5	华丽云，孙坚栋，王振，等．基于多能互补的综合能源控制系统研究及应用[J]．浙江电力，2020，39(7)：108-114． doi:10.19585/j.zjdl.202007018
	HUA L Y， SUN J D， WANG Z，et al ．Research and application of an integrated energy control system based on multi-energy complement[J]．Zhejiang Electric Power，2020，39(7)：108-114． doi:10.19585/j.zjdl.202007018
6	高建伟，梁鹏程，高芳杰，等．基于多方势博弈的综合能源系统运行优化[J]．电力建设，2021，42(9)：32-40． doi:10.12204/j.issn.1000-7229.2021.09.004
	GAO J W， LIANG P C， GAO F J，et al. Operation optimization of integrated energy system considering multi-potential game[J]．Electric Power Construction，2021，42(9)：32-40． doi:10.12204/j.issn.1000-7229.2021.09.004
7	程杉，魏昭彬，黄天力，等．基于多能互补的热电联供型微网优化运行[J]．电力系统保护与控制，2020，48(11)：160-168． doi:10.19783/j.cnki.pspc.190932
	CHENG S， WEI Z B， HUANG T L，et al ．Multi-energy complementation based optimal operation of a microgrid with combined heat and power[J]．Power System Protection and Control，2020，48(11)：160-168． doi:10.19783/j.cnki.pspc.190932
8	刘秀如．多能互补集成优化系统分析与展望[J]．节能，2018，37(9)：28-33．
	LIU X R ．Analysis and prospect of multi-energy complementary system[J]．Energy Conservation，2018，37(9)：28-33．
9	李高潮，卢怀宇，孙启德，等．基于可再生能源的冷热电联供系统集成配置与运行优化研究进展[J]．电网与清洁能源，2021，37(3)：106-119． doi:10.3969/j.issn.1674-3814.2021.03.015
	LI G C， LU H Y， SUN Q D，et al ．Research progress in configuration and operation optimization of combined cooling，heating and power (CCHP) systems based on renewable energy[J]．Power System and Clean Energy，2021，37(3)：106-119． doi:10.3969/j.issn.1674-3814.2021.03.015
10	王成山，洪博文，郭力，等．冷热电联供微网优化调度通用建模方法[J]．中国电机工程学报，2013，33(31)：26-33．
	WANG C S， HONG B W， GUO L，et al ．A General modeling method for optimal dispatch of combined cooling， heating and power microgrid[J]．Proceedings of the CSEE，2013，33(31)：26-33．
11	石方迪，罗凤章，徐建锋，等．基于规划运行多场景一体化建模的多区域综合能源配电系统设备优化配置方法研究[J]．电力系统及其自动化学报，2020，32(10)：125-131．
	SHI F D， LUO F Z， XU J F，et al ．Research on optimal equipment configuration method for multi-area integrated energy distribution system based on multi-scenario integration modelling of planning and operation[J]．Proceedings of the CSU-EPSA，2020，32(10)：125-131．
12	顾海飞，喻洁，李扬，等．环境约束下含多能园区的新型城镇双层组合优化经济调度[J]．中国电机工程学报，2020，40(8)：2441-2453．
	GU F H， YU J， LI Y，et al ．Bi-level joint optimization economic dispatch of new-type town with multi-energy parks under environmental constraints[J]．Proceedings of the CSEE，2020，40(8)：2441-2453．
13	廖宗毅，万文略，陈曦．考虑价格引导机制的园区综合能源系统日前优化调度方法[J]．南方电网技术，2021，15(9)：53-60． doi:10.13648/j.cnki.issn1674-0629.2021.09.007
	LIAO Z Y， WANG W L， CHEN X ．Day-ahead optimal scheduling method of park integrated energy system considering price guidance mechanism[J]．Southern Power System Technology，2021，15(9)：53-60． doi:10.13648/j.cnki.issn1674-0629.2021.09.007
14	欧阳斌，袁志昌，陆超，等．考虑源-荷-储多能互补的冷-热-电综合能源系统优化运行研究[J]．发电技术，2020，41(1)：19-29． doi:10.12096/j.2096-4528.pgt.19100
	OUYANG B， YUAN Z C， LU C，et al ．Research on optimal operation of cold-thermal-electric integrated energy system considering source-load-storage multi-energy complementarity[J]．Power Generation Technology，2020，41(1)：19-29． doi:10.12096/j.2096-4528.pgt.19100
15	孟金英，李惟毅，任慧琴，等．微燃机冷热电三联供系统运行策略优化分析[J]．化工进展，2015，34(3)：638-646．
	MENG J Y， LI W Y， REN H Q，et al ．Operation strategy optimization analysis of CCHP system based on micro gas turbine[J]．Chemical Industry and Engineering Progress，2015，34(3)：638-646．
16	REN F K， WANG J J， ZHU ST，et al ．Multi-objective optimization of combined cooling， heating and power system integrated with solar and geothermal energies[J]．Energy Conversion and Management，2019，197：111866．
17	ZHANG G Q， WANG J J， REN F K，et al ．Collaborative optimization for multiple energy stations in distributed energy network based on electricity and heat interchanges[J]．Energy，2021，222：119987．
18	吴雄，王秀丽，王建学，别朝红．微网经济调度问题的混合整数规划方法[J]．中国电机工程学报，2013，33(28)：1-9．
	WU X， WANG X L， WANG J X，et al ．Economic generation scheduling of a microgrid using mixed integer programming[J]．Proceedings of the CSEE，2013，33(28)：1-9．
19	杨允，刘鹏坤，向艳蕾. 有蓄能的多能互补耦合系统优化配置研究[J]．热能动力工程，2021，36(1)：108-116． doi:10.16146/j.cnki.rndlgc.2021.01.016
	YANG Y， LIU P K， XIANG Y L ．Optimal configuration of multi-energy complementary systems with storage[J]．Journal of Engineering for Thermal Energy and Power，2021，36(1)：108-116． doi:10.16146/j.cnki.rndlgc.2021.01.016

[1]	康俊杰, 赵春阳, 周国鹏, 赵良. 风光水火储多能互补示范项目发展现状及实施路径研究[J]. 发电技术, 2023, 44(3): 407-416.
[2]	周保中, 刘敦楠, 张继广, 李忆, 徐尔丰, 毕圣. “风光火一体化”多能互补项目优化配置研究[J]. 发电技术, 2022, 43(1): 10-18.
[3]	刘兰华, 王瑞林, 洪慧. 塔式太阳能辅助燃气蒸汽联合循环钙基碳捕集系统设计[J]. 发电技术, 2021, 42(4): 517-524.
[4]	张伟波,谢玉荣,杨帆,周宇昊,王世朋. 多能互补分布式综合供能系统及典型开发方案研究[J]. 发电技术, 2020, 41(3): 245-251.
[5]	欧阳斌,袁志昌,陆超,屈鲁,李东东. 考虑源-荷-储多能互补的冷-热-电综合能源系统优化运行研究[J]. 发电技术, 2020, 41(1): 19-29.
[6]	刘志超,王洪彬,沙浩,杨金澍,曹生现. 我国风电利用技术现状及其前景分析[J]. 发电技术, 2019, 40(4): 389-395.
[7]	周宇昊, 张海珍, 宋胜男. 多能互补分布式能源实验平台系统关键技术研究[J]. 发电技术, 2017, 38(6): 5-9,37.
[8]	俞启云, 邹晓辉. 凝汽器仿生双连树型管束优化布置在电厂中的应用[J]. 发电技术, 2017, 38(4): 33-35.