馬添水， 高巖

(北京建筑大學(xué)環(huán)境與能源工程學(xué)院， 北京 100037)

經(jīng)濟(jì)社會的發(fā)展伴隨著能源消耗的增加，傳統(tǒng)化石能源產(chǎn)生的環(huán)境污染和能源短缺問題日益凸顯，因此開發(fā)新能源、提高可再生能源的利用效率和其消耗占比，已經(jīng)成為重中之重[1]。為了解決中國當(dāng)前經(jīng)濟(jì)與環(huán)境、能源的需求與短缺之間的矛盾，必須要通過綜合協(xié)調(diào)多種能源系統(tǒng)的利用，并提高其綜合利用效率[2]。近年來，隨著分布式發(fā)電技術(shù)的發(fā)展、新型能源交易模式的試點(diǎn)應(yīng)用，綜合能源系統(tǒng)得到了廣泛的應(yīng)用和發(fā)展。園區(qū)型綜合能源系統(tǒng)因其應(yīng)用較廣、體驗(yàn)直觀，是綜合能源系統(tǒng)中最具代表性的，園區(qū)除了要給用戶提供基本電力供應(yīng)和生活生產(chǎn)耗能，為園區(qū)提供供熱、供冷所需還需大量能耗。因此，提升綜合能源系統(tǒng)的運(yùn)行優(yōu)化效益，其關(guān)鍵在于，保證園區(qū)內(nèi)用戶的供電、建筑的供熱、供冷等需求后，研究系統(tǒng)內(nèi)多能源的耦合互補(bǔ)和梯級利用、供儲能設(shè)備的運(yùn)行優(yōu)化調(diào)度，來提升園區(qū)供能的可靠性和可持續(xù)性，同時(shí)園區(qū)用能提升經(jīng)濟(jì)性[3]。

現(xiàn)有研究多根據(jù)“典型日”分析綜合能源系統(tǒng)的日前優(yōu)化模型[4]，魏文靜[2]基于典型日的負(fù)荷需求曲線和光伏出力曲線，給出了園區(qū)綜合能源系統(tǒng)的運(yùn)行優(yōu)化模型，并修正模型為混合整數(shù)線性模型；于波等[5]考慮可再生能源技術(shù)、節(jié)能技術(shù)和能源替代技術(shù)建立園區(qū)綜合能源系統(tǒng)的運(yùn)行優(yōu)化模型；Xu等[6]建立了動(dòng)態(tài)的天然氣-電力混合系統(tǒng)模型；Awad等[7]建立了一種可依據(jù)可再生能源出力的波動(dòng)，協(xié)調(diào)優(yōu)化熱電聯(lián)供微電網(wǎng)的運(yùn)行優(yōu)化策略；臧寶志等[8]對多能源耦合的綜合能源系統(tǒng)建立了以經(jīng)濟(jì)性為目標(biāo)的優(yōu)化模型，主要考慮了綜合能源系統(tǒng)運(yùn)行的環(huán)保性和可靠性。已有研究成果對園區(qū)的建筑冷熱負(fù)荷需求考慮單一，僅考慮典型日的優(yōu)化方案，沒有考慮到建筑冷負(fù)荷變化對綜合能源系統(tǒng)運(yùn)行優(yōu)化結(jié)果的影響。在空調(diào)期內(nèi)選取太陽能輻射條件近似，但是最大逐時(shí)負(fù)荷不同的一組算例日，分析綜合能源系統(tǒng)受建筑冷負(fù)荷變化，如何影響其運(yùn)行優(yōu)化方案。

首先，應(yīng)用EnergyPlus能耗模擬軟件，對園區(qū)的建筑冷負(fù)荷進(jìn)行分析?？紤]空調(diào)期電負(fù)荷、冷負(fù)荷的需求特性和典型設(shè)備的模型，以經(jīng)濟(jì)性為目標(biāo)，建立電能、天然氣、光能多能源耦合的綜合能源系統(tǒng)的運(yùn)行優(yōu)化模型，對求解問題調(diào)用Cplex求解器進(jìn)行求解。最后依據(jù)仿真結(jié)果，分析相同條件下園區(qū)綜合能源系統(tǒng)運(yùn)行優(yōu)化受建筑冷負(fù)荷的影響。

1 園區(qū)建筑能耗模擬及負(fù)荷分析

1.1 園區(qū)建筑能耗模擬

園區(qū)內(nèi)主要建筑為商業(yè)A、商業(yè)B、辦公C三座大樓，應(yīng)用EnergyPlus模擬軟件，進(jìn)行負(fù)荷模擬計(jì)算并分析其數(shù)值模擬結(jié)果[9]。

該園區(qū)建筑基本參數(shù)如表1所示。通過 Sketch UP 軟件對園區(qū)內(nèi)建筑建立幾何模型，以商業(yè)A建筑為例，該建筑的幾何模型如圖1所示。

表1 園區(qū)建筑基本參數(shù)Table 1 Basic building parameters of the park

圖1 商業(yè)建筑A幾何模型Fig.1 Geometric model of commercial building A

1.2 園區(qū)冷負(fù)荷分析

使用EnergyPlus負(fù)荷模擬軟件[10]對園區(qū)全年的冷熱負(fù)荷進(jìn)行模擬，空調(diào)期最大逐時(shí)負(fù)荷的結(jié)果見表2。依據(jù)日最大逐時(shí)負(fù)荷對空調(diào)期(5月15日—9月14日)進(jìn)行分組頻數(shù)統(tǒng)計(jì)，結(jié)果見圖2?？照{(diào)期逐時(shí)冷負(fù)荷見圖3。

表2 園區(qū)建筑最大逐時(shí)負(fù)荷Table 2 Maximum hourly load of buildings in the park

圖2 空調(diào)期日最大逐時(shí)負(fù)荷頻數(shù)分布Fig.2 Frequency distribution of daily maximum hourly load in air conditioning period

圖3 空調(diào)期逐時(shí)冷負(fù)荷Fig.3 Hourly cooling load in air conditioning period

由圖2、圖3可知，日逐時(shí)負(fù)荷分布范圍較廣且具有較大波動(dòng)，園區(qū)日最大逐時(shí)負(fù)荷主要分布在園區(qū)最大負(fù)荷的75%～25%。因此，只考慮典型日的能耗進(jìn)行綜合能源系統(tǒng)運(yùn)行優(yōu)化方案是不全面的，應(yīng)思考建筑冷負(fù)荷對園區(qū)綜合能源系統(tǒng)運(yùn)行優(yōu)化的影響。

2 綜合能源系統(tǒng)運(yùn)行優(yōu)化模型

所選取北京某園區(qū)的綜合能源系統(tǒng)主要包括光伏發(fā)電系統(tǒng)、冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)(combined cooling heating and power，CCHP)、雙工況主機(jī)制冷機(jī)組、蓄冰系統(tǒng)等設(shè)備，系統(tǒng)能量流如圖4所示。工作原理：冷負(fù)荷需求由蓄冰系統(tǒng)放冷、聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)利用發(fā)電余熱通過吸收式制冷機(jī)組供冷、雙工況主機(jī)供冷聯(lián)合提供；電負(fù)荷需求由光伏發(fā)電、聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)發(fā)電聯(lián)合提供，若無法滿足用戶電力需求，則由城市電網(wǎng)補(bǔ)充。運(yùn)行策略為以熱定電，在滿足園區(qū)建筑冷負(fù)荷的前提下，優(yōu)先使用光伏發(fā)電量，同時(shí)使用聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)發(fā)電量，不足電量由電網(wǎng)補(bǔ)充。應(yīng)用優(yōu)化算法，得到運(yùn)行期間經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)的各類能源供給和儲存設(shè)備24點(diǎn)調(diào)度計(jì)劃方案[9]。

圖4 綜合能源系統(tǒng)能量流圖Fig.4 Energy flow diagram of integrated energy system

2.1 運(yùn)行優(yōu)化的目標(biāo)函數(shù)

以運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)建立綜合能源系統(tǒng)的運(yùn)行優(yōu)化模型，運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)即為系統(tǒng)運(yùn)行期間的運(yùn)行成本最小。主要運(yùn)行成本包括：購入的電費(fèi)和天然氣費(fèi)，還需計(jì)及通過政策補(bǔ)貼可再生能源發(fā)電的收益。

空調(diào)季以經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)準(zhǔn)則為目標(biāo)函數(shù)，即

(1)

2.2 運(yùn)行模式約束

綜合能源系統(tǒng)在空調(diào)期，需要在滿足園區(qū)內(nèi)電負(fù)荷和冷負(fù)荷需求的條件下，對系統(tǒng)的運(yùn)行方案進(jìn)行優(yōu)化。本文系統(tǒng)中供儲能設(shè)備主要包括: CCHP、雙工況主機(jī)制冷系統(tǒng)、冰蓄冷系統(tǒng)。

(1)電負(fù)荷平衡約束。

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

(2)冷負(fù)荷平衡約束。

(7)

(3)供冷水泵流量約束。

(8)

式(8)中：FLBR-W為聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)冷凍水泵額定流量；FICE-S為蓄冷系統(tǒng)冷凍水泵額定流量；FICE為主機(jī)制冷冷凍水泵額定流量。

(4)溴化鋰機(jī)組承擔(dān)制冷負(fù)荷分配約束。

(9)

(5)溴化鋰機(jī)組最小、最大運(yùn)行容量約束。

(10)

(6)雙工況主機(jī)承擔(dān)制冷負(fù)荷分配約束。

(11)

(7)雙工況主機(jī)承擔(dān)制冰任務(wù)分配約束。

(12)

(8)雙工況主機(jī)最小、最大運(yùn)行容量約束。

(13)

(14)

(9)雙工況主機(jī)運(yùn)行模式約束。

(15)

(10)蓄冰槽最大融冰功率約束。

(16)

(17)

(18)

式中：εC-S為蓄冰槽自放冷功率；H為蓄冰槽t時(shí)刻蓄冰總?cè)萘俊?/p>

空調(diào)期優(yōu)化變量為

(19)

3 綜合能源系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度算法

針對本文建立的多能源耦合綜合能源系統(tǒng)的優(yōu)化模型，在MATLAB軟件中利用Yalmip工具箱建模和編程[10]。利用Yalmip能夠求解很多的優(yōu)化模型, 例如正項(xiàng)幾何規(guī)劃、混合整數(shù)規(guī)劃、雙線性矩陣不等式、二階錐規(guī)劃以及多參數(shù)的線性規(guī)劃和二次規(guī)劃等。Yalmip可以使用MATLAB的計(jì)算能力,也可以調(diào)用MATLAB軟件自帶或者其他同語言編寫的工具箱, 而且還能結(jié)合應(yīng)用多個(gè)求解器 (比如Cplex)。無論采用的是否使用MATLAB程序語言編寫，Yalmip都能集成[11]。本文調(diào)用Cplex求解器對問題進(jìn)行求解。

4 算例仿真分析

4.1 算例仿真條件

研究對象為北京市某園區(qū)，其中空調(diào)期的能源需求包括供冷、供電，綜合能源系統(tǒng)的電源包括市電、CCPH發(fā)電和光伏發(fā)電，系統(tǒng)中各供儲能設(shè)備的基本參數(shù)如表3所示。

表3 供儲能設(shè)備基本參數(shù)Table 3 Basic parameters of energy supply and storage equipment

在負(fù)荷分布頻數(shù)的主要區(qū)間中選取日逐時(shí)最大負(fù)荷分別為70%、50%、30%的3組日期，每組分別選取光伏出力近似且為工作日的1 d，共選擇3個(gè)日期作為算例，分析不同負(fù)荷條件下對綜合能源系統(tǒng)運(yùn)行優(yōu)化影響。算例日的光伏出力和逐時(shí)負(fù)荷曲線如圖5所示。

圖5 算例日期的光伏出力和逐時(shí)負(fù)荷曲線Fig.5 Photovoltaic output and hourly cooling load curve on the calculation examples

4.2 算例仿真結(jié)果

以經(jīng)濟(jì)性為目標(biāo)函數(shù)，計(jì)算算例日負(fù)荷條件下，綜合能源系統(tǒng)的運(yùn)行優(yōu)化方案，結(jié)果如圖6所示。

圖6 算例日1～3綜合能源系統(tǒng)運(yùn)行方案Fig.6 Calculation examples 1～3 operation schemes of integrated energy system

對以上算例的優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，優(yōu)化結(jié)果符合運(yùn)行模式約束。優(yōu)化后的綜合能源系統(tǒng)運(yùn)行方案，在電價(jià)峰段不用電網(wǎng)供電，提高了運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性。

4.3 結(jié)果分析

對不同負(fù)荷條件下綜合能源系統(tǒng)的運(yùn)行優(yōu)化方案具有一定的統(tǒng)一性：①滿足綜合能源系統(tǒng)需提供的冷負(fù)荷，總供冷量和該時(shí)刻園區(qū)建筑冷負(fù)荷相等。②符合經(jīng)濟(jì)性效益，綜合能源系統(tǒng)在電價(jià)高峰段和負(fù)荷需求量較大的時(shí)段使用率較高。③冰蓄冷系統(tǒng)進(jìn)行蓄冷模式運(yùn)行，應(yīng)當(dāng)兼顧太陽能和聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的發(fā)電余量，以及峰谷電價(jià)差帶來的經(jīng)濟(jì)性效益；保持制冷機(jī)組在滿負(fù)荷工作狀態(tài)運(yùn)行，以及制冷機(jī)組連續(xù)性工作，避免制冷機(jī)組發(fā)生頻繁的啟停情況。④冰蓄冷系統(tǒng)在放冷期間，應(yīng)避免過早耗盡冷量，導(dǎo)致在冷負(fù)荷高峰期間供冷不足；應(yīng)避免供冷時(shí)間結(jié)束后，冰槽內(nèi)仍有余冰，降低冰蓄冷系統(tǒng)的使用效果。

不同負(fù)荷條件下的綜合能源系統(tǒng)運(yùn)行優(yōu)化方案具有差異性，主要表現(xiàn)在系統(tǒng)受冷負(fù)荷需求不同的影響，各供儲能設(shè)備運(yùn)行模式(負(fù)荷率)不同，綜合能源系統(tǒng)儲能和聯(lián)產(chǎn)設(shè)備的出力情況如圖7所示。根據(jù)圖7可知，建筑冷負(fù)荷對綜合能源系統(tǒng)運(yùn)行優(yōu)化方案的影響如下。

圖7 綜合能源系統(tǒng)儲能和聯(lián)產(chǎn)設(shè)備的出力情況Fig.7 Output of energy storage equipment and CCHP of integrated energy system

(1)冰蓄冷系統(tǒng)蓄冷運(yùn)行方案受日負(fù)荷總量影響，在日負(fù)荷較大的情況下冰蓄冷系統(tǒng)蓄冷量大，在谷電價(jià)時(shí)間段(23:00—7：00)夜間蓄滿冷量，白天在光伏發(fā)電充裕且電價(jià)平段(16:00—18:00)可能進(jìn)行日間蓄冷來滿足晚間峰電價(jià)(18:00—21:00)的部分供冷負(fù)荷需求；在日負(fù)荷較小的情況下冰蓄冷系統(tǒng)蓄冷量小，夜間蓄冷不需要蓄滿冷量且不需要日間蓄冷。

(2)冰蓄冷系統(tǒng)放冷運(yùn)行方案受不同建筑冷負(fù)荷的影響，在冷負(fù)荷較大的情況下，放冷在冰槽有剩余冷量的情況下持續(xù)運(yùn)行，且放冷運(yùn)行負(fù)荷率較大(如日期1大部分時(shí)刻，放冷運(yùn)行負(fù)荷率50%以上)；在冷負(fù)荷較小的情況下，放冷在多個(gè)時(shí)間段為綜合能源系統(tǒng)提供了大部分的供冷量(如日期3大部分時(shí)刻，放冷量占總冷量80%以上)，放冷運(yùn)行時(shí)其他供能設(shè)備負(fù)荷率?。煌瑫r(shí)放冷模式運(yùn)行方案受日負(fù)荷總量的影響，在日負(fù)荷較大的情況下冰槽剩余冷量不足，放冷模式在晚間峰電價(jià)(18:00—21:00)不能持續(xù)運(yùn)行(如日期1)，在日負(fù)荷較小的情況下可以持續(xù)運(yùn)行(如日期2、日期3)。

(3)聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)運(yùn)行方案受不同建筑冷負(fù)荷的影響較小，聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)供冷量占總冷量比重的變化趨勢在不同負(fù)荷條件下有相似性。其差異在于，聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)供冷比重在冷負(fù)荷較小的情況下更高，聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)其他供能設(shè)備運(yùn)行負(fù)荷率較小；在冷負(fù)荷較大的情況下，其他供能設(shè)備運(yùn)行負(fù)荷率較大。

在日最大逐時(shí)負(fù)荷頻數(shù)分布的主要區(qū)間內(nèi)，選取了3個(gè)算例日研究建筑冷負(fù)荷對綜合能源系統(tǒng)運(yùn)行優(yōu)化的影響，仿真結(jié)果表明不同冷負(fù)荷條件下的運(yùn)行優(yōu)化方案有較大差異性，通過對仿真結(jié)果的分析得到了冷負(fù)荷對運(yùn)行優(yōu)化影響的規(guī)律。

5 結(jié)論

建筑冷負(fù)荷是影響園區(qū)綜合能源系統(tǒng)運(yùn)行的重要因素，首先對園區(qū)進(jìn)行建筑能耗模擬并分析其冷負(fù)荷需求特性，再構(gòu)建經(jīng)濟(jì)性為目標(biāo)的綜合能源系統(tǒng)運(yùn)行優(yōu)化模型。通過不同負(fù)荷條件算例的仿真分析，可以獲得以下結(jié)論。

(1)綜合能源系統(tǒng)以經(jīng)濟(jì)性為目標(biāo)的運(yùn)行優(yōu)化方案受建筑冷負(fù)荷影響較大，不同負(fù)荷條件下的運(yùn)行優(yōu)化方案有差異。

(2)綜合能源系統(tǒng)運(yùn)行優(yōu)化方案的統(tǒng)一性主要體現(xiàn)在為滿足負(fù)荷需求和供儲能設(shè)備基本運(yùn)行策略；差異性主要體現(xiàn)在受不同冷負(fù)荷需求影響，各供儲能設(shè)備的運(yùn)行方案有差異。

(3)提出了不同負(fù)荷條件下綜合能源系統(tǒng)運(yùn)行方案的規(guī)律性結(jié)論，可以為部分控制策略單一的綜合能源系統(tǒng)提升其運(yùn)行經(jīng)濟(jì)系提供參考。