不同运行策略下的分布式系统多目标分析

来源:用户上传      作者:王子驰 雷炳银 康利改 张靖 贾娜 孙炜哲

　　摘要：为寻求能源供给系统在经济一安全一环保一节能的协调，依托“互联网+”思维，构建了一套分布式冷电联供系统，主要包括动力子系统、地源热泵子系统、蓄能子系统。建立了在偏离设计工况时不同设备的性能模型，在此基础上，以运行费用、CO2排放和一次能源消耗为目标函数，分析了电负荷跟踪运行策略、热负荷跟踪运行策略、混合跟踪运行策略和动力设备（PGU）最大效率跟踪运行策略下系统中各设备的运行时间、运行状态及系统总性能的变化。结果表明，与传统电网购电的分供系统相比，分布式系统的经济性、环境性较好，一次能源消耗较低。热负荷跟踪策略的经济性和环境友好性最优，运行费用和CO2排放分别降低了32.7%和45.3%;最大效率跟踪策略经济性最差，但由于PGU机组连续运行，其一次能源消耗降低最多，为86.7%。不同运行策略结果可为分布式系统的运行提供一定的理论参考。
　　关键词：石油、天然气能;CCHP;地源热泵;运行策略;系统性能
　　中图分类号：TK01+8文献标识码：A doi：10.7535/hbkd.2020yxo2009
　　传统分供系统所依赖的化石燃料燃烧引起的环境问题日益严重。在《联合国气候变化框架公约》第21次缔约方大会上，中国计划到2030年，温室气体排放单位国内生产总值减少到2005年温室气体排放单位国内生产总值的35%～40%，2030年左右CO2排放达峰并争取提前达峰，一次能源消费比重中非化石能源达到20%左右。依托“互联网+”思维，能源互联网不断寻求系统在经济一安全一环保一节能的协调，分布式冷热电联供系统（CCHP系统）在其智能生态调控与综合优化方面的优势受到了广泛关注。
　　目前，CCHP系统在不同功能类型建筑中，如住宅，包括商场、宾馆和医院等在内的商建和办公建筑，得到了广泛应用。实际运行中，受气象条件及室内热扰的影响，建筑的冷热电负荷需求不断发生变化，导致系统运行时偏离设计工况。因此，进行系统规划设计及调控时，需要在多个影响因素如系统配置、设备容量优化、预测技术以及运行策略等之间进行权衡。
　　运行策略对系统的经济、能耗和环境等性能的影响至关重要。电负荷跟踪（FEL）和热负荷跟踪（FTL）运行策略是最常用的两种运行策略。FEL运行策略指任一时刻，PGU机组运行负荷根据建筑电负荷确定。FTL运行策略指PGU运行状态按满足建筑热负荷需求确定。MAGO等、WANG等基于两种常规运行策略，考虑不同气候特点和建筑类型分析了系统经济、节能和环保性能及综合性能。在此基础上，MAGO等、SMITH等提出了一种新的运行策略——混合跟踪策略（FHL），以不产生多余的回收热或多余的电为目标，根据系统热电比和建筑负荷热电比，系统运行策略在FEL和FTL之间切换。ZHENG等在系统供能热电比曲线上获取距离热电需求点最近的状态点，发现此策略运行的灵活性和适用性优于FEL，FTL和FHL运行策略。WANG等在FEL基础上提出了一种改进的运行策略，在此策略下，依据日均电力需求确定PGU的输出。除针对运行策略研究以外，政策激励一直是分布式系统的研究热点，直接影响能源系统的运行与设计。相关激励政策目前主要有分时电价和碳排放交易等。
　　紧扣“互联网+智慧能源”发展形势，本文在典型的分布式系统中，使用地源热泵系统作为辅助装置，综合考虑峰平谷电价、反向卖电和碳税惩罚，以天津市某生态城办公建筑分布式系统为研究对象，将运行费用节约率、CO2减排率和一次能源消耗节约率三者综合为目标函数，分析了夏季某典型日工况下系统供冷、供电结果及性能的变化。
　　1系统设计
　　1.1模型构建
　　构建的分布式供能系统如图1所示。除PGU机组、热回收装置、溴化锂制冷机组、蓄能水箱外，加入地源热泵机组辅助，为末端用户提供冷、热、电负荷。其基本原理为天然气驱动PGU机组发电，同时，烟气余热被热回收装置回收用于驱动溴化锂制冷机组制冷。当建筑所需电负荷小于PGU机组发电量时，多余的发电量反向卖给电网;反之，电网补充不足的电负荷。当回收的热量大于溴化锂制冷机组所需热量时，若此时蓄能水箱未蓄满，则蓄能直至蓄满;反之，蓄能水箱补充部分热量驱动溴化锂制冷机组。当溴化锂制冷机组供冷量小于用户冷负荷时，不足冷量由地源热泵机组辅助提供。
　　1.2运行策略
　　1.2.1电负荷跟踪（FEL）运行策略
　　以电负荷为横坐标、热负荷为纵坐标，图2给出了FEL运行策略下的3种情景。图2中，黑色粗曲线表示系统在供能时的热电比匹配曲线，Emin，Emax，Qmin和Qmax分别表示系统在最低运行负荷率下的发电量、额定发电量、最低负荷率对应的热回收量、额定热回收量。
　　2案例分析
　　选取天津某生态城办公建筑为研究对象，采用清华大学研制的能耗计算软件DesT进行负荷模拟，模拟获得的建筑冷负荷和电负荷如图5所示。图6给出了天津市当前的阶梯电价。表1给出了所选设备额定参数及其他模拟所用参数。图7a）给出了所选PGu机组的电效率和热效率，图7b）给出了地源热泵和溴化锂制冷机组的COP。
　　3结果和讨论
　　3.1不同运行策略下的供电结果
　　图8给出了不同运行策略下的供电结果。从图8中可以看出，23：00-7：00间的夜间时段，建筑用户电负荷很低且小于PGU机组的额定发电量的25%，冷负荷为零。因此，除PGU最大效率运行策略（Max-eft）外，其他运行策略下PGU机组均不工作，建筑电负荷全部由电网满足;Max-eff策略下PGU机组连续运行，且运行负荷远大于建筑用户所需负荷，此时，多余电量反向卖给电网。
　　7：00-23：00间的白天时段，FEL运行策略下，建筑用户电负荷处于PGU机组最低运行功率与额定负荷之间，所需电负荷全部由PGU机组发电量提供，若溴化锂制冷机组制冷量不满足要求而启动地源热泵时，地源热泵用电全部由电网满足，从电网买电量共计13506kW·h，占系统总用电量（包括建筑用户所需电负荷和地源热泵机组等设备用电）的50.1%。若以FTL运行策略运行时，在热电比较大的白天，冷负荷较大，驱动溴化锂制冷机组所需热量较多，PGU机组满负荷运行。此时由于12：00和18：00-20：00时間段建筑电负荷较小，发电量大于建筑所需电量，多余电量反向卖给电网，电网回购电量共计1130.26kW·h，约占PGU机组总发电量的6%;电负荷、冷负荷其他时间均较高，发电量不能满足要求，由电网补充不足电量。此策略下，从电网买电共计8998kW·h，占总用电量的33.7%。 　　若分布式供能系统采用FHL策略运行，当末端负荷的电热比较小时，如白天12：00和17：00，为避免产生多余电量，系统以FEL策略运行。反之，以FTL运行策略运行。18：00-7：00，电负荷低于PGU机组最小运行负荷率对应的发电量，PGU机组不运行。FHL策略下，系统买电量共计14229kW·h，占系统总用电量的52.9%，PGU机组运行时间共计10h。若采用Max-eff运行策略，PGU机组不间断运行。此策略下，发电量共计21442kW·h，从电网买电共计13782kW·h，占系统总用电量的53.8%;反向賣电量共计9593.4kW·h。若考虑用反向卖给电网的电量抵消从电网买入的电量，买电量将减少至4188.6kW·h。4种运行策略下发电量、用电量及发电占比如表2所示。
　　3.2不同策略运行下的供冷结果
　　不同策略下溴化锂制冷机组供冷量、地源热泵机组供冷量如图9所示。从图9可以看出，与供电结果类似，若PGU机组运行，建筑用户所需冷负荷优先由溴化锂制冷机组满足，若溴化锂制冷机组制冷量不能满足要求，地源热泵开启以提供剩余部分冷量。以FEL策略运行时，溴化锂制冷机组运行了10h，提供的冷量共计20634kW，占建筑用户所需冷负荷的49.6%。以FTL策略运行时，由于PGU机组按满足溴化锂制冷所需驱动热量调节，溴化锂制冷机组较FEL策略多运行3h，供冷量比FEL策略多7966kW，提高了19.2%。以FHL策略运行时，溴化锂制冷机组工作时间与FEL相同，供冷量较FEL策略稍有降低，为20461kW。以Max-eff策略运行时，PGU机组不间断运行，因此，只要建筑用户所需冷负荷不为零，溴化锂制冷机组均工作，供冷量共计29164kW，占建筑冷负荷的70.1%。除溴化锂制冷机组供冷外，若冷负荷仍不能满足要求，开启地源热泵机组辅助供能。
　　3.3不同运行策略的性能分析
　　图10a）-c）分别给出了不同运行策略运行时分供系统和分布式供能系统的逐时运行费用、逐时CO2排放和逐时一次能源消耗，图10d）给出了不同运行策略运行时，与分供系统相比运行费用、CO2排放和一次能源消耗降低的比例。从图10可以看出，无论采用哪种策略，分布式供能系统的运行费用、CO2排放和一次能源消耗较分供系统均有不同程度的降低，可见采用分布式供能系统后，系统更加经济、节能和环保。
　　同时，从图10-a）
　　c）可以看出，FHL和FEL策略的运行费用、CO2排放和一次能源消耗大致相同。23：00-7：00间的夜间时段，与其他3种策略相比，Max-eft运行策略经济性较差，但由于设置了反向卖电，CO2排放较低，一次能源消耗较小，甚至为负值。中午12：00及晚上17：00-20：00，建筑所需电负荷少、冷负荷较高时，FTL运行策略经济性较好、CO2排放量和一次能源消耗最少。其余时间段内，在FEL，FTL和FHL运行策略下，PGU机组运行负荷率相差很小，运行费用基本相同，分供系统运行费用最高，Max-eft策略在运行费用次之;CO2排放和一次能源消耗变化与运行费用变化趋势基本相同。另外，还可以发现，FTL和Max-eft策略在部分时间段内CO2排放和一次能源消耗值小于零，主要是因为反向卖给电网的电和从电网买的电来源不同，度电排放的CO2和一次能源消耗不同，反向卖给电网的电排放的CO2和一次能源消耗均小于从电网买的电排放的COz和一次能源消耗，致使当反向卖电量较大时，可抵消一部分CO2排放与一次能源消耗，因此，其值可能为负值。
　　从图10d）可以看出，FTL策略的日均运行费用节约率、CO2减排率最优，与分供系统相比，其运行费用和CO2排放分别降低了32.7%和和45.25%;Max-eft策略由于PGU机组连续运行，即使运行反向卖电，其经济性虽然最差，但仍低于分供系统。对一次能源的消耗，Max-eft策略最低，较分供系统降低了86.7%，其次为FTL策略，为74.4%。不同运行策略下日均统计结果见表3。
　　4结论
　　本文构建了一套耦合地源热泵机组的分布式供能系统，对比给出了4种运行策略下各设备的供电、供冷结果及系统运行费用、CO2排放量和一次能源消耗的变化。结果表明，PGU机组运行时间除Max-eft策略不间断运行外，FTL策略下PGU机组运行13h，FEL和FHL策略下PGU机组运行10h。FTL运行策略下PGU机组发电量共计18812.5kW·h，溴化锂制冷机组供冷量共计28600kW，发电占总用电量的70%，溴化锂制冷占建筑所需冷负荷的68.8%，与FEL策略相比制冷量提高了19.2%。与分供系统相比，FTL策略有很好的经济性和环境友好性;Max-eft经济性最差，但一次能耗降低最多。
　　本文是在负荷特性和设备特性已知的前提下，对分布式冷热电联供系统进行的运行策略对比分析研究，实际运行中，由于天气等室外气象条件或人员在室率等室内热扰的变化、冷负荷的形成在不同传输环节下具有一定的滞后性，有可能导致系统运行决策失误。因此，有必要针对建筑负荷特性及随动规律，建立精准的预测模型，开展不同设备组合形式下的动态优化，进而实现系统的实时优化匹配。
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