王瑞琪，王鶴鳴，孫?波

新能源冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法研究

王瑞琪1, 2，王鶴鳴3，孫?波4

(1. 國(guó)網(wǎng)山東綜合能源服務(wù)有限公司，濟(jì)南 250021；2. 國(guó)網(wǎng)山東省電力公司，濟(jì)南 250001；3. 山東大學(xué)商學(xué)院，威海 264209；4. 山東大學(xué)控制科學(xué)與工程學(xué)院，濟(jì)南 250061)

本文以“內(nèi)燃發(fā)電機(jī)組-吸收式制冷機(jī)”和“內(nèi)燃發(fā)電機(jī)組-直燃機(jī)”兩種新能源冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)為研究對(duì)象，分析了系統(tǒng)能流特性，建立了兩種系統(tǒng)的全工況模型，提出了經(jīng)濟(jì)、能源、環(huán)境3個(gè)方面的系統(tǒng)性能評(píng)價(jià)指標(biāo)，并采用判斷矩陣法確定各個(gè)指標(biāo)的權(quán)重；在此基礎(chǔ)上，建立了針對(duì)核心設(shè)備容量的多目標(biāo)優(yōu)化模型，并采用遺傳算法求解，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)容量的優(yōu)化配置．以濟(jì)南市某養(yǎng)殖場(chǎng)年模擬負(fù)荷作為算例，驗(yàn)證了優(yōu)化配置方法的可行性，并且分為夏季工況和冬季工況，詳細(xì)分析了兩種系統(tǒng)的工作模式和異同點(diǎn)，綜合一次能源年節(jié)約率、運(yùn)行費(fèi)用年節(jié)約率和二氧化碳排放年減少率等指標(biāo)對(duì)比了兩種系統(tǒng)的運(yùn)行特性，相比較于分供系統(tǒng)，基于內(nèi)燃發(fā)電機(jī)組與吸收式制冷機(jī)的系統(tǒng)評(píng)價(jià)指標(biāo)分別提升了13.69%、18.73%、43.93%，基于內(nèi)燃發(fā)電機(jī)組與直燃機(jī)的系統(tǒng)則分別提升了10.28%、22.68%、47.59%，對(duì)新能源冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了可借鑒的思路和方法．

冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)；優(yōu)化設(shè)計(jì)；內(nèi)燃發(fā)電機(jī)組；直燃機(jī)

能源危機(jī)與環(huán)境污染已成為制約社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要因素，提高能源利用率、大力發(fā)展清潔能源已上升為各國(guó)的能源發(fā)展戰(zhàn)略[1]．分布式新能源冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)(combined cooling，heating，and power system，CCHP)集發(fā)電、供熱、制冷于一體，通過余熱回收和異質(zhì)能量流相互轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)了能量的梯級(jí)利用與可再生能源的就地消納，大幅提升了能源的利用效率，被認(rèn)為是未來科學(xué)用能的最佳方式與能源互聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)過程中的重要課題[2-3]．

我國(guó)在新能源CCHP系統(tǒng)方面的研究相對(duì)較晚，雖已初具規(guī)模，但與世界先進(jìn)水平相比仍有較大差距，尤其是“建多用少”現(xiàn)象極為突出．究其原因，新能源CCHP系統(tǒng)能量轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)多、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，且多種異質(zhì)能流與不同品位的同質(zhì)能流相互耦合，現(xiàn)有工程中的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與容量配置方法多以負(fù)荷特性為依據(jù)，未能充分考慮多能流關(guān)聯(lián)以及設(shè)備結(jié)構(gòu)特性，極易造成能量流不匹配，致使系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)難以發(fā)揮，甚至無法滿足節(jié)能減排需求[4]．

對(duì)此，國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者針對(duì)CCHP系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特性開展了研究[5-7]，并采用智能算法優(yōu)化系統(tǒng)主要設(shè)備容量[8-10]．其中文獻(xiàn)[5]針對(duì)CCHP系統(tǒng)，從能量角度分析了吸收式制冷機(jī)對(duì)余熱的利用；文獻(xiàn)[6]研究了CCHP系統(tǒng)與光伏發(fā)電、太陽(yáng)能集熱混合系統(tǒng)的能量流特性，并采用粒子群優(yōu)化算法設(shè)計(jì)了其中的關(guān)鍵部件；文獻(xiàn)[7]提出了混沌多目標(biāo)遺傳算法，對(duì)包含風(fēng)力發(fā)電、光伏發(fā)電、微燃?xì)廨啓C(jī)、儲(chǔ)能裝置的獨(dú)立運(yùn)行微網(wǎng)容量進(jìn)行優(yōu)化配置；文獻(xiàn)[8]用改進(jìn)的細(xì)菌覓食優(yōu)化算法對(duì)光風(fēng)儲(chǔ)類的微電網(wǎng)進(jìn)行優(yōu)化研究；文獻(xiàn)[9]提出一種基于冷熱電聯(lián)供的多能耦合系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法．現(xiàn)有研究主要針對(duì)基于燃?xì)廨啓C(jī)與吸收式制冷機(jī)的冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)[10]，鮮有對(duì)不同組合結(jié)構(gòu)的綜合評(píng)價(jià)比較，且缺乏對(duì)異質(zhì)能流耦合特性的分析，難以在實(shí)際新能源CCHP系統(tǒng)設(shè)計(jì)中應(yīng)用．

針對(duì)以上分析，本文首先針對(duì)“內(nèi)燃發(fā)電機(jī)組-吸收式制冷”和“內(nèi)燃發(fā)電機(jī)組-直燃機(jī)”兩種典型新能源CCHP系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，分析能量流特性以及性能指標(biāo)；進(jìn)而建立系統(tǒng)優(yōu)化配置模型，并采用多目標(biāo)遺傳算法優(yōu)化系統(tǒng)的容量；最后，以濟(jì)南市某養(yǎng)殖場(chǎng)為例，驗(yàn)證所提優(yōu)化配置方法的合理性，并綜合對(duì)比不同系統(tǒng)的性能差異，從而為不同資源稟賦下的CCHP系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供重要參考．

1?系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與能量流分析

1.1?兩種系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本文研究的兩種新能源CCHP系統(tǒng)均以生物質(zhì)和光伏發(fā)電作為清潔能源，并以內(nèi)燃發(fā)電機(jī)組作為動(dòng)力子系統(tǒng)．制熱制冷子系統(tǒng)均回收了動(dòng)力子系統(tǒng)的余熱加以利用，體現(xiàn)了能源梯級(jí)利用的思想．不同之處在于，“內(nèi)燃發(fā)電機(jī)組-吸收式制冷機(jī)”系統(tǒng)通過電制冷機(jī)，吸收式制冷機(jī)和燃?xì)忮仩t3種設(shè)備完成冷、熱能源的供給以及能量的轉(zhuǎn)換，“內(nèi)燃發(fā)電機(jī)組-直燃機(jī)”系統(tǒng)以煙氣熱水直燃機(jī)替代了這3種設(shè)備，同樣可以滿足用戶冷熱負(fù)荷．兩種系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1和圖2所示．

其中，基于內(nèi)燃發(fā)電機(jī)組與吸收式制冷機(jī)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，但靈活性較高，且鍋爐作為制熱子系統(tǒng)的重要成分，其供熱能力強(qiáng)且便于調(diào)節(jié)、成本低廉．基于內(nèi)燃發(fā)電機(jī)組與直燃機(jī)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)捷，建設(shè)和施工方便，且直燃機(jī)效率較高，與新能源結(jié)合，該系統(tǒng)可以發(fā)揮出更高的性能．

圖1?基于內(nèi)燃發(fā)電機(jī)組和吸收式制冷機(jī)的CCHP系統(tǒng)

圖2?基于內(nèi)燃發(fā)電機(jī)組和直燃機(jī)的CCHP系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.2?能量流分析

新能源CCHP系統(tǒng)包含大量的能量生產(chǎn)和轉(zhuǎn)換設(shè)備，導(dǎo)致異質(zhì)能量流存在耦合關(guān)系．尤其是核心動(dòng)力設(shè)備內(nèi)燃發(fā)電機(jī)組，通過燃燒生物質(zhì)氣產(chǎn)生電能，同時(shí)產(chǎn)生大量余熱，通過能量轉(zhuǎn)化設(shè)備，可滿足用戶的電、冷、熱需求．因此，梳理系統(tǒng)能量流耦合特性和平衡關(guān)系，是研究系統(tǒng)優(yōu)化配置的基礎(chǔ)．

時(shí)刻系統(tǒng)冷熱電功率平衡方程為

內(nèi)燃發(fā)電機(jī)組時(shí)刻輸入功率[11-12]為

式中ig()為時(shí)刻內(nèi)燃發(fā)電機(jī)組的發(fā)電效率．

時(shí)刻從內(nèi)燃發(fā)電機(jī)組回收的余熱功率為

對(duì)于系統(tǒng)回收的余熱無法供給用戶的熱負(fù)荷需求時(shí)，開啟燃?xì)忮仩t進(jìn)行補(bǔ)充供熱．其時(shí)刻的燃?xì)忮仩t輸入功率為

系統(tǒng)中有兩種制冷設(shè)備：電制冷機(jī)和溴化鋰吸收式制冷機(jī)．其中，溴化鋰吸收式制冷機(jī)的輸出功率為

當(dāng)吸收的余熱不足以滿足用戶用冷需求時(shí)，電制冷機(jī)和吸收式制冷機(jī)同時(shí)運(yùn)行，電制冷機(jī)的耗電功?率為

對(duì)基于內(nèi)燃發(fā)電機(jī)組和直燃機(jī)的CCHP系統(tǒng)進(jìn)行能量流分析如下．

此系統(tǒng)與基于內(nèi)燃發(fā)電機(jī)組和吸收式制冷機(jī)的CCHP系統(tǒng)動(dòng)力子系統(tǒng)能量流是基本一致的，因?yàn)閯?dòng)力子系統(tǒng)部分均是由內(nèi)燃發(fā)電機(jī)組組成的．主要區(qū)別在于此系統(tǒng)的制冷和制熱子系統(tǒng)以直燃機(jī)取代了電制冷機(jī)、吸收式制冷機(jī)、燃?xì)忮仩t設(shè)備．其中，直燃機(jī)的制熱部分方程與燃?xì)忮仩t相似，區(qū)別僅在于制熱?系數(shù)．

系統(tǒng)中僅存在一種制冷設(shè)備即煙氣熱水直燃機(jī)，直燃機(jī)一般包括高溫發(fā)生器、低溫發(fā)生器、高溫交換器、低溫交換器、蒸發(fā)器、冷凝器等部件．直燃機(jī)滿足系統(tǒng)的冷負(fù)荷需求，時(shí)刻的制冷輸出為

2?優(yōu)化配置

2.1?約束條件

在系統(tǒng)的優(yōu)化求解過程里，系統(tǒng)不僅需要滿足熱平衡、冷平衡和電平衡方程，還需要滿足不等式關(guān)系

2.2?評(píng)價(jià)指標(biāo)

合理的性能評(píng)價(jià)指標(biāo)能夠輔助維持系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性和高效性．在實(shí)際的應(yīng)用中，經(jīng)濟(jì)性、節(jié)能性和環(huán)保性也是CCHP系統(tǒng)最為關(guān)鍵的3項(xiàng)指標(biāo)．本文選取分供系統(tǒng)作為對(duì)照系統(tǒng)，分供系統(tǒng)由電網(wǎng)供電，電制冷機(jī)供冷，燃?xì)忮仩t供熱．

2.2.1?經(jīng)濟(jì)指標(biāo)

年綜合成本包括了系統(tǒng)運(yùn)行消耗的燃料成本、系統(tǒng)設(shè)備的投資年化成本和電網(wǎng)電能交互成本．CCHP系統(tǒng)年綜合成本節(jié)約率為

聯(lián)供系統(tǒng)和分供系統(tǒng)的年綜合成本分別為

式(13)中的投資回收系數(shù)可表達(dá)為

式中：為設(shè)備壽命，本文中為15年；為基準(zhǔn)折現(xiàn)率，本文中為8%．

2.2.2?能源指標(biāo)

聯(lián)供系統(tǒng)和分供系統(tǒng)的工作過程中，一次能源的消耗包括生物質(zhì)氣、煤炭、天然氣等多種形式．本文將消耗一次能源所產(chǎn)生的熱量折算為標(biāo)準(zhǔn)煤的消?耗量．

CCHP系統(tǒng)中的一次能源年節(jié)約率為

2.2.3?環(huán)境指標(biāo)

二氧化碳作為主要的溫室氣體，對(duì)自然環(huán)境的污染巨大．本文選取二氧化碳年減排率作為CCHP系統(tǒng)的環(huán)境指標(biāo)．

系統(tǒng)的二氧化碳年減排率為

2.3?目標(biāo)函數(shù)

本文選取經(jīng)濟(jì)性、環(huán)保性和節(jié)能性綜合最優(yōu)為目標(biāo)優(yōu)化配置CCHP系統(tǒng)．但在該優(yōu)化問題中，有多個(gè)優(yōu)化目標(biāo)，各目標(biāo)之間存在矛盾關(guān)系．本文利用線性加權(quán)的方法，將聯(lián)供系統(tǒng)多目標(biāo)優(yōu)化問題變?yōu)閱文繕?biāo)優(yōu)化問題．

以上述的聯(lián)供系統(tǒng)綜合評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ)，構(gòu)建優(yōu)化配置的目標(biāo)函數(shù)為

權(quán)重系數(shù)是指各目標(biāo)在優(yōu)化求解的過程里所占的比例，滿足

各目標(biāo)權(quán)重系數(shù)的取值不同，對(duì)應(yīng)的優(yōu)化運(yùn)行的結(jié)果也就有著巨大的差異．本文通過判斷矩陣法，對(duì)3個(gè)子目標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化運(yùn)行過程中的重要性分級(jí)．為了充分發(fā)揮CCHP系統(tǒng)在環(huán)保方面的優(yōu)勢(shì)，本研究選取環(huán)境指標(biāo)作為1級(jí)指標(biāo)，重要性參數(shù)設(shè)為5．能源指標(biāo)作為2級(jí)指標(biāo)，重要性參數(shù)設(shè)為3．經(jīng)濟(jì)指標(biāo)作為優(yōu)化調(diào)度的第3級(jí)指標(biāo)，重要性參數(shù)設(shè)為1．由此可構(gòu)建判斷矩陣[13]為

3?求解算法

本文采用遺傳算法求解兩個(gè)CCHP系統(tǒng)配置結(jié)果．根據(jù)該優(yōu)化問題的實(shí)際情況，確定了如圖3所示的優(yōu)化求解流程．

對(duì)于基于內(nèi)燃發(fā)電機(jī)組和吸收式制冷機(jī)的CCHP系統(tǒng)，首先輸入CCHP系統(tǒng)的特征參數(shù)(如內(nèi)燃發(fā)電機(jī)組發(fā)電效率、電制冷機(jī)COP、吸收式制冷機(jī)COP等)、建筑負(fù)荷、全年光伏電池組出力和遺傳算法的參數(shù)(種群數(shù)、交叉率、變異率、遺傳代數(shù)等)．本文采用以電定熱的運(yùn)行模式，優(yōu)化變量為內(nèi)燃發(fā)電機(jī)組容量和最低負(fù)載率，其他設(shè)備容量通過能量平衡關(guān)系計(jì)算可得．將優(yōu)化變量初始化并編碼，然后計(jì)算目標(biāo)函數(shù)的適應(yīng)度．檢查計(jì)算結(jié)果是否滿足優(yōu)化條件，若滿足則進(jìn)行解碼得到優(yōu)化結(jié)果，否則原始種群通過復(fù)制、交叉、變異后組建新的種群，并且重新計(jì)算適應(yīng)度，直到滿足優(yōu)化條件．

而對(duì)于基于內(nèi)燃發(fā)電機(jī)組和直燃機(jī)的CCHP系統(tǒng)，由于制冷制熱設(shè)備不同，其能量平衡方程稍有不同，但優(yōu)化變量同樣是內(nèi)燃發(fā)電機(jī)組容量和最低負(fù)載率，后續(xù)計(jì)算過程與基于內(nèi)燃發(fā)電機(jī)組和吸收式制冷機(jī)的CCHP系統(tǒng)計(jì)算過程類似．

優(yōu)化求解均在Matlab軟件中實(shí)現(xiàn)．遺傳算法求解流程如圖3所示．

圖3?遺傳算法流程

4?仿真驗(yàn)證

4.1?算例介紹

本文以濟(jì)南市某養(yǎng)殖場(chǎng)為例，收集其建筑情況，利用其全年逐時(shí)冷、熱、電負(fù)荷數(shù)據(jù)驗(yàn)證方法的可行性．該養(yǎng)殖場(chǎng)的建筑物信息如表1所示．建筑物的全年電、熱、冷負(fù)荷曲線如圖4所示．

表1?建筑物信息

Tab.1?Building information

圖4?建筑物全年電、熱、冷負(fù)荷曲線

4.2?參數(shù)設(shè)置

本文以上述建筑的冷、熱、電負(fù)荷數(shù)據(jù)為例，在Matlab軟件平臺(tái)優(yōu)化求解了聯(lián)供系統(tǒng)中各設(shè)備的容量和系統(tǒng)評(píng)價(jià)指標(biāo)．電網(wǎng)效率、直燃機(jī)制冷COP等聯(lián)供系統(tǒng)的相關(guān)參數(shù)如表2所示．聯(lián)供系統(tǒng)中各設(shè)備購(gòu)置單價(jià)如表3所示．采用分時(shí)電價(jià)制計(jì)算，具體如表4所示．遺傳算法的求解參數(shù)如表5所示．

表2?聯(lián)供系統(tǒng)的相關(guān)參數(shù)

Tab.2?Parameters of the CCHP system

表3?設(shè)備購(gòu)置單價(jià)

Tab.3?Equipment purchase price 元/kW

表4?濟(jì)南市各時(shí)段電價(jià)

Tab.4?Price of electricity in different periods in Jinan

表5?遺傳算法的求解參數(shù)

Tab.5?Solving parameters of genetic algorithm

4.3?結(jié)果分析

4.3.1?配置結(jié)果

根據(jù)上述求解算法，在Matlab軟件中計(jì)算得到的基于內(nèi)燃發(fā)電機(jī)組和吸收式制冷機(jī)的CCHP系統(tǒng)配置結(jié)果如表6所示．

基于內(nèi)燃發(fā)電機(jī)組和直燃機(jī)的CCHP系統(tǒng)配置結(jié)果如表7所示．

表6 基于內(nèi)燃發(fā)電機(jī)組和吸收式制冷機(jī)的CCHP系統(tǒng)配置結(jié)果

Tab.6 CCHP system configuration results based on the internal combustion engine and absorption chiller

表7 基于內(nèi)燃發(fā)電機(jī)組和直燃機(jī)的CCHP系統(tǒng)配置?結(jié)果

Tab.7 CCHP system configuration results based on the internal combustion engine and direct-fired absorption chiller

4.3.2?指標(biāo)分析

在Matlab軟件中，計(jì)算得到了兩個(gè)系統(tǒng)的性能指標(biāo)如表8和表9所示．

結(jié)合表8和表9分析兩個(gè)系統(tǒng)的各項(xiàng)性能指標(biāo)．相對(duì)于分供系統(tǒng)，本文提出的兩種CCHP系統(tǒng)結(jié)構(gòu)均能大幅節(jié)約成本和節(jié)能減排，尤其是二氧化碳減排率均達(dá)到了40%以上，這是在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中加入了新能源(光伏和生物質(zhì)氣)的結(jié)果．對(duì)于同一個(gè)建筑的負(fù)荷和相同的綜合性優(yōu)化目標(biāo)下，設(shè)計(jì)一個(gè)基于內(nèi)燃發(fā)電機(jī)組和吸收式制冷機(jī)的CCHP系統(tǒng)在降低成本上較設(shè)計(jì)一個(gè)基于內(nèi)燃發(fā)電機(jī)組和直燃機(jī)的CCHP系統(tǒng)更具優(yōu)勢(shì)．當(dāng)出于經(jīng)濟(jì)性考慮時(shí)，建議選擇基于內(nèi)燃發(fā)電機(jī)組和吸收式制冷機(jī)的CCHP系統(tǒng)．但是基于內(nèi)燃發(fā)電機(jī)組和直燃機(jī)的CCHP系統(tǒng)在節(jié)能和環(huán)保上，易達(dá)到更好的效果，故可用于更加追求節(jié)能環(huán)保的情況．

表8 基于內(nèi)燃發(fā)電機(jī)組和吸收式制冷機(jī)的CCHP系統(tǒng)各評(píng)價(jià)指標(biāo)

Tab.8 Evaluation indexes of CCHP system based on the internal combustion engine and absorption chiller %

表9 基于內(nèi)燃發(fā)電機(jī)組和直燃機(jī)的CCHP系統(tǒng)各評(píng)價(jià)指標(biāo)

Tab.9 Evaluation indexes of CCHP system based on the internal combustion engine and direct-fired absorption chiller %

4.3.3?運(yùn)行結(jié)果分析

根據(jù)兩個(gè)系統(tǒng)的配置結(jié)果，得到了兩個(gè)系統(tǒng)全年的設(shè)備出力計(jì)劃，如圖5～圖7所示．由全年出力結(jié)果分析可知，在白天，特別是在夏季陽(yáng)光特別強(qiáng)烈的時(shí)候，光伏能夠滿足大部分的電力負(fù)荷．同時(shí)，發(fā)電機(jī)組的輸出也相對(duì)較少．在夜晚，或者光線很弱的時(shí)候，由發(fā)電機(jī)組補(bǔ)充供電；而當(dāng)電力需求與發(fā)電機(jī)組額定容量之比小于最低負(fù)載率時(shí)，將在電網(wǎng)購(gòu)電滿足電力需求．當(dāng)電負(fù)荷大于發(fā)電機(jī)組的額定功率時(shí)，不足的電力將來自電網(wǎng)；相反，多余的電量出售給電網(wǎng)．由圖5冷能分布可以看出，基于內(nèi)燃發(fā)電機(jī)組和吸收式制冷機(jī)的CCHP系統(tǒng)主要由吸收式制冷機(jī)滿足冷負(fù)荷，這是由于發(fā)電機(jī)組提供大量余熱用于制冷，不足部分再由電制冷機(jī)補(bǔ)充．由圖6可以看出，熱負(fù)荷主要由發(fā)電機(jī)組余熱供給，不足部分由鍋爐或者直燃機(jī)補(bǔ)充．

圖5?CCHP系統(tǒng)中制冷設(shè)備出力計(jì)劃

圖6?CCHP系統(tǒng)中制熱設(shè)備出力計(jì)劃

本文選取其中冬季和夏季兩個(gè)典型的冷、熱、電日負(fù)荷數(shù)據(jù)為計(jì)算樣本，如圖8所示，對(duì)系統(tǒng)的運(yùn)行情況進(jìn)行詳細(xì)比較和分析．

兩個(gè)系統(tǒng)的冬季工況設(shè)備日逐時(shí)出力曲線如圖9和圖10所示．

由圖9可知，在冬季工況中，基于內(nèi)燃發(fā)電機(jī)組和吸收式制冷機(jī)的CCHP系統(tǒng)的內(nèi)燃發(fā)電機(jī)組是全天每時(shí)刻都有出力的，而基于內(nèi)燃發(fā)電機(jī)組和直燃機(jī)的CCHP系統(tǒng)中，在夜間的23：00到次日06：00，即夜間的23：00—次日06：00，內(nèi)燃發(fā)電機(jī)組無需出力，此時(shí)段的電需求較低，由電網(wǎng)購(gòu)電來滿足．

（a）基于內(nèi)燃發(fā)電機(jī)組和吸收式制冷機(jī)的CCHP系統(tǒng)供電設(shè)備日逐?? 時(shí)出力（b）基于內(nèi)燃發(fā)電機(jī)組和直燃機(jī)的CCHP系統(tǒng)供電設(shè)備日逐時(shí)出力

（a）基于內(nèi)燃發(fā)電機(jī)組和吸收式制冷機(jī)的CCHP系統(tǒng)供熱設(shè)備日逐?? 時(shí)出力（b）基于內(nèi)燃發(fā)電機(jī)組和直燃機(jī)的CCHP系統(tǒng)供熱設(shè)備日逐時(shí)出力

內(nèi)燃發(fā)電機(jī)組是一種發(fā)電效率受負(fù)載率影響的設(shè)備，其在較低負(fù)載率情況下運(yùn)行效率較低．雖然本文優(yōu)化計(jì)算中設(shè)定了內(nèi)燃發(fā)電機(jī)組的最低負(fù)載率不低于0.2，但是無疑直燃機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的運(yùn)行模式更有利于發(fā)揮內(nèi)燃發(fā)電機(jī)組的性能；且其夜間停機(jī)模式有利于內(nèi)燃發(fā)電機(jī)組的維護(hù)和保養(yǎng)．

由于基于內(nèi)燃發(fā)電機(jī)組和直燃機(jī)的CCHP系統(tǒng)內(nèi)燃發(fā)電機(jī)組夜間出力較少，這也導(dǎo)致該結(jié)構(gòu)下需要向電網(wǎng)購(gòu)買更多的電能．

由圖9和圖10可知，在冬季工況中，由于基于內(nèi)燃發(fā)電機(jī)組和直燃機(jī)的CCHP系統(tǒng)中的內(nèi)燃發(fā)電機(jī)組在夜間停機(jī)，導(dǎo)致其沒有足夠的余熱用于供暖，迫使直燃機(jī)組輸出更多的熱以滿足熱負(fù)荷．兩個(gè)結(jié)構(gòu)在白天的熱出力是基本一致的，其中基于內(nèi)燃發(fā)電機(jī)組和吸收式制冷機(jī)的CCHP系統(tǒng)的鍋爐相當(dāng)于基于內(nèi)燃發(fā)電機(jī)組和直燃機(jī)的CCHP系統(tǒng)中直燃機(jī)制暖部分．

兩個(gè)系統(tǒng)的夏季工況設(shè)備日逐時(shí)出力曲線如圖11和圖12所示．

對(duì)比圖9、圖11可知，夏季工況光伏出力時(shí)長(zhǎng)大于冬季工況光伏出力時(shí)長(zhǎng)，這是由于夏季光照時(shí)間較長(zhǎng)，故而光伏電池組可以在夏季生產(chǎn)出更多電力提供給用戶．但是可以觀察到夏季光伏的峰值出力低于冬季光伏的峰值出力，這是由于光伏電池的出力受到溫度影響較大，光伏發(fā)電效率與溫度呈負(fù)相關(guān)．由于夏季光伏板的溫度過高，導(dǎo)致了夏季工況中光伏出力峰值較低的現(xiàn)象．

圖11?夏季工況各系統(tǒng)供電設(shè)備的日逐時(shí)出力

圖12?夏季工況各系統(tǒng)供冷設(shè)備的日逐時(shí)出力

由圖12可知，由于負(fù)荷是一致的，基于內(nèi)燃發(fā)電機(jī)組和吸收式制冷機(jī)的CCHP系統(tǒng)中電制冷機(jī)和吸收式制冷機(jī)的出力總和等于基于內(nèi)燃發(fā)電機(jī)組和直燃機(jī)的CCHP系統(tǒng)中直燃機(jī)制冷部分出力．但是前者的制冷出力由兩部分組成，由于存在電制冷部分，更加靈活可控；而后者的制冷出力全部由直燃機(jī)組成，減少了電力的消耗，更加環(huán)保．

5?結(jié)?論

(1) 經(jīng)過本文提出的優(yōu)化配置方法，新能源CCHP系統(tǒng)在經(jīng)濟(jì)性、節(jié)能性和環(huán)保性等方面相比傳統(tǒng)分供系統(tǒng)有了明顯提升，驗(yàn)證了所提優(yōu)化方法和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的優(yōu)越性．

(2) 對(duì)比顯示基于內(nèi)燃發(fā)電機(jī)組和吸收式制冷機(jī)的CCHP系統(tǒng)在經(jīng)濟(jì)性、靈活性、可控性上更具優(yōu)勢(shì)，而基于內(nèi)燃發(fā)電機(jī)組和直燃機(jī)的CCHP系統(tǒng)在節(jié)能性、環(huán)保性上更具優(yōu)勢(shì)，且其日常維護(hù)和保養(yǎng)更加方便．

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System Optimization Design of Combined Cooling，Heating，and Power System Integrated with Renewable Energies

Wang Ruiqi1, 2，Wang Heming3，Sun Bo4

(1. State Grid Shandong Integrated Energy Services Co.，Ltd.，Jinan 250021，China；2. State Grid Shandong Electric Power Company，Jinan 250001，China；3. School of Business，Shandong University，Weihai 264209，China；4. School of Control Science and Engineering，Shandong University，Jinan 250061，China)

In this paper，RES-CCHP based on internal combustion generating set and absorption chiller and RES-CCHP based on internal combustion generating set and direct combustion engine are considered as research objects. First，the energy flow characteristics of the systems are analyzed. The all-working condition models of the two systems are established，and the performance evaluation indexes of economy，energy，and environment are put forward. The weight of each index is determined by the judgment matrix method. On this basis，a multiobjective optimization model for the core equipment capacity is established，and the genetic algorithm is used to solve the model. Finally，taking the annual simulated load of a farm in Jinan as an example，the feasibility of the optimal allocation method is verified.According to the working conditions in summer and winter，the working modes，similarities，and differences of the two systems are analyzed in detail. Considering the annual saving rates of primary energy and operation cost and annual reduction rate of carbon dioxide emission，the operation characteristics of the two systems are simultaneously compared. Compared with the separate supply system，the evaluation indexes of the internal combustion generating set and absorption chiller-based system are increased by%，18.73%，and 43.93%， respectively，while those of the internal combustion generating set and direct gas turbine-based system are increased by 10.28%，22.68%，and 47.59%，respectively. These results can provide reference ideas and methods for the optimal design of the CCHP system with renewable energy.

combined cooling，heating，and power system(CCHP)；optimal design；internal combustion generating set；direct-fired absorption chiller

the Major Science and Technology Innovation Program of Shandong Province，China(No. 2019JZZY010903)，the Major Fundamental Research Program of the Natural Science Foundation of Shandong Province，China(No. ZR2019ZD09)，the Science and Technology Program of State Grid Corporation of China(No. 1400-202016386A-0-0-00)，the Joint Funds of the National Natural Science Foundation of China(No. U2006222).

10.11784/tdxbz202012016

TM715

A

0493-2137(2021)12-1317-10

2020-12-14；

2021-04-02.

王瑞琪（1986—??），男，博士，高級(jí)工程師，13698622826@163.com．Email：m_bigm@tju.edu.cn

孫?波，sunbo@sdu.edu.cn.

山東省重大科技創(chuàng)新工程資助項(xiàng)目(2019JZZY010903)；山東省自然科學(xué)基金重大基礎(chǔ)研究資助項(xiàng)目(ZR2019ZD09)；國(guó)家電網(wǎng)公司總部科技資助項(xiàng)目(1400-202016386A-0-0-00)；國(guó)家自然科學(xué)基金聯(lián)合資助項(xiàng)目(U2006222).

(責(zé)任編輯：孫立華)