閆順林, 劉小旺, 賈朝陽

(華北電力大學(xué) 能源動力與機械工程學(xué)院，河北保定071003)

帶溫度修正的小型分布式能源優(yōu)化研究

閆順林, 劉小旺, 賈朝陽

(華北電力大學(xué) 能源動力與機械工程學(xué)院，河北保定071003)

冷熱電聯(lián)供(CCHP)通過對能源的梯級利用，提高了一次能源的利用效率?？紤]到環(huán)境溫度的變化，對系統(tǒng)內(nèi)微型燃氣輪機的效率和功率曲線進行了溫度修正，并且建立了含燃料成本、環(huán)境成本和維護成本的多目標(biāo)調(diào)度模型。針對具體的算例，使用Matlab優(yōu)化工具箱中的fmincon函數(shù)對上述模型進行尋優(yōu)計算。最后的優(yōu)化結(jié)果證明了該系統(tǒng)的經(jīng)濟性。

冷熱電聯(lián)供；微型燃氣輪機；溫度修正；經(jīng)濟性

0 引言

近年來分布式能源(Distributed Generation,簡稱DG)得到了快速發(fā)展[1,2]。一般來講，分布式能源系統(tǒng)采用以燃氣輪機為核心電源供電，最后排出的煙氣通過余熱鍋爐或溴化鋰制冷機繼續(xù)向用戶提供熱(冷)或生活熱水。這種供能結(jié)構(gòu)可以使能源的綜合利用效率達到80%。

許多的文獻討論和研究了分布式供能系統(tǒng)的運行優(yōu)化[3～6]。文獻[4]研究了以低碳排放為目標(biāo)的優(yōu)化調(diào)度問題。文獻[5]研究了包含風(fēng)、光電以及微燃機等多種發(fā)電單元的調(diào)度問題。文獻[6]基于網(wǎng)格自適應(yīng)直接搜索，(簡稱MADS)來優(yōu)化微電網(wǎng)系統(tǒng)內(nèi)各發(fā)電單元的出力。然而涉及到現(xiàn)場環(huán)境因素對微網(wǎng)內(nèi)微電源(主要指燃氣輪機)的功率—效率影響的研究比較少。本文模型充分考慮到現(xiàn)場環(huán)境溫度變化對微燃機(簡稱MT)運行產(chǎn)生的影響[7]。引入關(guān)于溫度的修正系數(shù)。最后選取夏季某月份的冷、電負荷數(shù)據(jù)為目標(biāo)算例進行優(yōu)化計算和分析。

1 分布式冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)建模

根據(jù)負荷種類和大小的不同，聯(lián)供系統(tǒng)的配置方式也不同。對于本文模型，選取MT和溴化鋰制冷機一帶一的配套運行模式，如圖1所示。

圖1 MT+溴冷機配套模式

1.1 燃料成本模型

(1)微燃機的發(fā)電成本建模

燃料的成本與燃料單價和機組發(fā)電效率有關(guān)。本文選用的微燃機型號為C65。該微燃機以天然氣為燃料，根據(jù)廠家在STC標(biāo)準(zhǔn)測試環(huán)境(一個標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，空氣溫度15℃和空氣相對濕度60%)提供曲線的數(shù)據(jù)，根據(jù)1stOpt軟件進行擬合。最終擬合精度為99%。其發(fā)電效率與輸出功率的關(guān)系可以用公式表示為：

(1)

式中：η為微燃機發(fā)電效率；Pe為微燃機發(fā)電功率。

上述函數(shù)表達的是微燃機在STC下的效率隨輸出功率變化。但是，在實際工作中，其工作環(huán)境(尤其是環(huán)境溫度)的變化幅度相當(dāng)大，文獻[8]的研究表明，微燃機的發(fā)電效率隨溫度的升高而下降，該趨勢可以用一次函數(shù)近似描述。為此引入發(fā)電效率關(guān)于溫度的修正系數(shù)。

η=ηSTC[1+τGT(t-t0)]

(2)

式中：ηSTC為STC工況下微燃機的發(fā)電效率；t0為STC工況溫度，這里取為15℃；τGT為發(fā)電效率對溫度的修正系數(shù)。數(shù)值上等于一次函數(shù)的斜率。

文獻[8]的研究表明，當(dāng)實際的環(huán)境溫度高于設(shè)計工況下的環(huán)境溫度時，燃氣輪機發(fā)電機輸出功率近似呈線性下降。實際環(huán)境溫度小于設(shè)計工況下的環(huán)境溫度時，其輸出功率基本保持額定不變。據(jù)此，通過對設(shè)計工況下輸出功率PSTC的修正，可以得到非設(shè)計工況(即一般工況)下的輸出功率。本文提出的修正后的計算公式為：

P=PSTC[1+CT((t-t0)+|t-t0|)/2]

(3)

式中：PSTC為設(shè)計工況溫度下微燃機輸出功率；CT為功率對溫度的修正系數(shù)。

微型燃氣輪機排熱利用的數(shù)學(xué)模型為：

(4)

QCOOL=QMT×COP

(5)

式中：QMT為微燃機排煙余熱；ηl為散熱損失系數(shù)，一般取5%。QCOOL為溴化鋰制冷機的制冷量。COP溴化鋰制冷機的制冷系數(shù)。

綜上可以得到，燃料的費用函數(shù)為：

(6)

式中：CMTi是第i時段消耗燃料費用，PMTi是天然氣單價，LHV是天然氣的熱值，PMTi是i時段內(nèi)的發(fā)電功率，ηMTi是PFCi時段內(nèi)的MT的發(fā)電效率。

(2)燃料電池(簡稱FC)的燃料成本建模

本模型中采用質(zhì)子膜燃料電池，燃料氫由天然氣轉(zhuǎn)化而來。燃料加工轉(zhuǎn)換裝置的LHV能量效率取0.75[9]。參考微型燃氣輪機燃料成本模型，建立FC的燃料成本模型為：

(7)

式中：PFCi為i時段內(nèi)FC發(fā)電輸出功率；ηFCi為i時段內(nèi)FC的發(fā)電效率。

1.2 運行維護成本模型

機組運行過程中，除了消耗燃料外，還需要設(shè)備的定期保養(yǎng)維護。對于上述綜合維護成本的考慮，根據(jù)機組運行的經(jīng)驗數(shù)據(jù)，可以用功率運行維護成本來統(tǒng)一定量描述。

(8)

式中：KOMi為不同發(fā)電單元的綜合維護成本系數(shù)。

1.3 環(huán)境懲罰成本模型

機組工作時，燃燒產(chǎn)生的廢氣是CO2、SO2和NOx。根據(jù)電力行業(yè)污染氣體排放標(biāo)準(zhǔn)確定環(huán)境懲罰函數(shù)的成本模型。微燃機針對上述三種氣體的排放如表1所示[10]。

表1 排污參數(shù)表

根據(jù)表1的數(shù)據(jù)，建立微燃機的環(huán)境懲罰函數(shù)模型為：

(9)

綜上可知，總的費用函數(shù)為[10,11]：

C=K1CMT+K2CFC+K3C3+K4C4

(10)

式中：K1、K2、K3分別為對于發(fā)電燃料消耗成本函數(shù)、機組運行維護成本函數(shù)、排污懲罰函數(shù)的存在系數(shù)；Ki取值為1或0。

1.4 約束條件

功率平衡約束：

(11)

機組出力上下限約束：

Pi,min≤Pi≤Pi,max

(12)

2 優(yōu)化函數(shù)的選取

Matlab是一款工程應(yīng)用和科學(xué)仿真優(yōu)化都非常強大的計算軟件。Matlab內(nèi)嵌的優(yōu)化工具箱提供了多種源代碼，可移植性強。針對本文所建立的數(shù)學(xué)模型的特點，選取工具箱中的fmincon函數(shù)進行優(yōu)化計算。

適用于fmincon函數(shù)的數(shù)學(xué)模型為：

minf(x)

c(x)≤0

ceq(x)=0

lb≤x≤ub

(13)

該函數(shù)的調(diào)用格式為：

[x,fval]=fmincon(fun,x0,[],[],[],[],lb,ub,nonlcon)

x和fval各自返回最終的優(yōu)化變量值和目標(biāo)函數(shù)值，fun是模型中的目標(biāo)函數(shù)f(x)，線性和非線性同樣適用。x0是初始化變量，lb和ub分別是變量上、下限。[]代替本模型不需要添加的參數(shù)。nonlcon參數(shù)包含模型中的非線性不等式約束c(x)≤0和非線性等式約束ceq(x)=0。對于本模型，x為四維變量。

3 實例計算與分析

3.1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)分析

本文的模型和調(diào)度策略，以保定地區(qū)某小型辦公樓的冷電負荷為算例進行計算分析[13]，根據(jù)該寫字樓的用電規(guī)律，對夏季典型日的冷電負荷進行預(yù)測。典型日的逐時負荷與溫度分布如圖2，3。

圖2 典型日用戶冷電負荷

圖3 典型日溫度分布

在本文算例中我們引入分時階梯電價政策，具體安排如表2所示。

表2 階梯電價表

3.2 優(yōu)化結(jié)果與分析

根據(jù)建立的優(yōu)化模型和計算需要的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，通過Matlab的優(yōu)化函數(shù)，分別得到了24個時段內(nèi)各發(fā)電單元的優(yōu)化出力和購售電情況，如圖4所示。

圖4 各發(fā)電單元優(yōu)化出力

圖5 購售電情況

從上面的優(yōu)化結(jié)果可以看出，在23～06(次)時段內(nèi)，由于此時網(wǎng)購電價較低，微燃機在滿足熱負荷基礎(chǔ)上不多發(fā)電，燃料電池亦不發(fā)電，所缺電負荷由網(wǎng)購電提供。11～14和20～22時，此時網(wǎng)購電價和網(wǎng)售電價都較高，微燃機和燃料電池滿負荷運行，多余電量向電網(wǎng)出售獲利，各時段的購售電情況如圖5所示。

為了更直觀的顯示優(yōu)化結(jié)果的經(jīng)濟性，下面給出了典型日內(nèi)購發(fā)電成本的逐時分布和全天的總費用對比情況如圖6與表3所示。

圖6 典型日逐時成本分布

分類分布式供電有溫度項修正無溫度項修正全部網(wǎng)購電費用/元210219993412

從成本的逐時分布圖上可以看出，影響成本的走向主要因素是用戶負荷，但從考慮溫度影響與不考慮溫度兩條曲線可以看出，在溫度較高的夏季，由于微燃機效率的降低，導(dǎo)致成本有明顯的升高趨勢；從總費用對比上也可以看出，有溫度修正比無溫度修正的全天總費用要高，但都低于全部網(wǎng)購的費用。

4 結(jié)論

(1)建立了以MT為核心的分布式冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)模型，模型中主要包括兩臺MT(65 kW)和一臺FC(40 kW)。

(2)對于夏季供冷典型日，考慮到微燃機的工作環(huán)境溫度顯著偏離其標(biāo)準(zhǔn)工況穩(wěn)定，在上述微燃機模型的基礎(chǔ)上引入了功率和效率的溫度修正系數(shù)。使得優(yōu)化結(jié)果更具有現(xiàn)實參考意義。

(3)針對某寫字樓的電冷負荷進行具體的算例計算與分析，得到了考慮溫度影響的各發(fā)電單元優(yōu)化出力結(jié)果和購售電情況。

(4)計算和比較了分布式能源系統(tǒng)與全部購電情況下全日總費用，證明了該系統(tǒng)的經(jīng)濟性。

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Study on Small Distributed Energy Optimization with Temperature Correction

Yan Shunlin，Liu Xiaowang，Jia Zhaoyang

(School of Energy Power and Mechanical Engineering，North China Electric Power University，Baoding 071003，China)

CCHP system, based on energy cascade, was used to improve energy-saving efficiency. Taking into account ambient temperature, the efficiency and power curve of micro-turbine were amended in the system and a multi-objected scheduling model with fuel cost, environmental cost and maintenance cost was established. In addition, this study used the fmincon function of MATLAB optimization toolbox to calculate according to the specific examples. The final optimization results verify the economy of the system.

CCHP; micro-turbine; temperature correction; economy

2015-07-07。

閆順林(1959-)，男，教授，從事電站鍋爐安全經(jīng)濟運行與節(jié)能方面的研究。通信作者：劉小旺，E-mail:13780529015@163.com。

TK01+9

A

10.3969/j.issn.1672-0792.2015.09.002