基于微型燃气轮机的冷热电联供系统优化运行
【摘 要】
如今，由于小规模的微电网技术和监管的革新，以冷热电联合为基础的分布式
能源系统已可以实现与传统的集中式发电站竞争。此外，由于分布式系统有利于终
端用户的供电质量和高可靠性（PQR）的优势，它将成为许多工厂，公用设施，商
业建筑，和许多其他地方的有吸引力的备用能源。以微型燃气轮机为基础的分布式
系统变得越来越重要，它不仅可以供电，而且也可以用来制冷、供热，这种分布式
系统被称为冷热电联供系统或者三联供系统。为了提高冷热电三联供系统（CCHP）
运行的经济性、更好的节约能源、减少污染物排放量，建立了含运行成本和燃料费
用的目标函数。并且考虑了各个设备的运行约束。通过优化和仿真得到最优的出力
计划。仿真结果表明：基于微型燃气轮机的三联供系统按优化结果进行能量调度可
以使运行成本最低。
关键词：分布式系统；冷热电三联供系统；微型燃气轮机；优化运行
基于微型燃气轮机的冷热电联供系统优化运行
I
【abstract】
Today, micro-grid, due to its major technological and regulatory innovation of its
small-scale, on-site CHP-based DERs, has become enabling to compete with traditional
centralized electricity plant. Again, as beneficial for power quality and reliability (PQR)
of supply to end-users, DER is going to become an attractive alternate source of power to
industry, many utilities, commercial buildings, and many other places. Therefore,
microturbine (MT) generation systems are becoming important in DGs, not only as
distributed generation (DG) for supplying electricity, but also for providing cooling and
heating functions, which is known as combined cooling, heat and power (CCHP) or
tri-generation. To improve economic benefits and develop energy-saving and
emission-reducing in operation of the combined cold heat and power (CCHP) system, an
economic objective function has been built from operating costs and fuel prices . Also ,
constrains are constructed from operation conditions of each component . As a result,
optimizing and simulating obtain the optimal design scheme. The simulation results show
that CCHP and MT is able to cooperate under the proposed optimal operation to obtain
the minimum operating cost.
Key Words: Distributed energy resources (DER); Combined cold heat and power
(CCHP); Microturbine (MT) ; optimal operation
基于微型燃气轮机的冷热电联供系统优化运行
II
目录
１ 引言 ..............................................................1
1.1 选题背景 ......................................................1
1.2 冷热电三联产系统介绍 ..........................................1
1.3 冷热电三联产系统的研究现状和发展 ..............................2
1.3.1 国内外发展现状 ...........................................2
1.3.2 国内外研究现状 ...........................................4
1.4 本论文的选题意义及主要研究内容 ................................5
1.4.1 选题意义 .................................................5
1.4.1 主要研究内容 .............................................7
2 含微型燃气轮机的冷热电三联供系统 ...................................9
2.1 分布式发电系统 ................................................9
2.1.1 微型燃气轮机 .............................................9
2.1.2 燃料电池 ................................................11
2.1.3 风力发电机 ..............................................11
2.1.4 太阳能光伏电池 ..........................................12
2.1.5 蓄电池储能装置 ..........................................13
2.2 冷热电三联产系统组成部分 .....................................14
2.2.1 动力、发电部分 ..........................................14
2.2.2 制冷/制热部分 ...........................................15
2.3 冷热电三联供系统运行方式 .....................................17
3 粒子群（PSO）算法 .................................................19
3.1 粒子群（PSO）算法的数学描述 ..................................19
3.2 标准粒子群（PSO）算法流程 ....................................21
3.3 改进粒子群（PSO）算法 ........................................22
4 基于微型燃气轮机的冷热电联供系统经济优化运行 ......................24
4.1 基于微型燃气轮机的冷热电联供系统经济优化运行的数学模型 .......24
4.1.1 目标函数 ................................................25
4.1.2 约束条件 ................................................26
4.2 算例仿真 .....................................................28
4.2.1 算例资料 ................................................28
4.2.2 PSO 算法编程过程 ........................................30
4.2.3 仿真结果 ................................................31
5 结论与展望 ........................................................36
5.1 结论 .........................................................36
5.2 总结展望 .....................................................36
致谢 .................................................................38
参考文献 .............................................................39
附录 .................................................................41
附录 1：初始化程序 .................................................41
附录 2：求适应度程序 ...............................................42
附录 3：PSO 主程序 .................................................42
基于微型燃气轮机的冷热电联供系统优化运行
0
１ 引言
1.1 选题背景
能源是如今生活不可缺少的一部分，它是人类生存、科学研究的基础。21 世纪
以来，工业化让人们的物质和精神生活都得到了极大的提升，可是环境代价也随之
凸显：能源枯竭、环境恶劣。中国的能源仍以化石燃料为主，而以煤炭为主的化石
燃料是氮、碳氧化物气体排放的主要根源。“十一五”规划以来，我国能源建设倡导
低碳环保与分布式能源，实施可持续发展战略，宗旨是节约化石燃料，利用新能源，
开发新能源，提高能源利用率，提高化石燃料排放物处理技术，调整我国能源结构
[1]
。
电能是国民的经济命脉，目前，我国的电力系统仍是以大规模发电、高压集中
送电、配电为主，电力部门把资金集中在火电、核电及水电等大型集中的发电厂及
高压送配电网络的建设中。在配电网中，商业用户和城市居民、半城镇区域和农村
的负荷具有随机的波动性。空调启停随气温的变化而无规律，降雨降雪和大风的发
生，以及其他未知因素引起的负荷变化给配电网的设计、规划和运行带来了巨大的
困难。集中发电、远距离送电的传统电力系统本来也存在着不少弊端。近年来，电
力负荷不断增长，夏季用电高峰时整个电网处于紧绷状态，任何一个环节出现问题
都可能导致大规模停电。靠改造或革新配电网来解决这些问题，在技术、经济和效
益层面上来看都是不可取的。因此，国外的电力专家提出了分布式发电与大电网联
合运行的方式，不仅提高了电网运行的可靠性，还增加了安全性和灵活性
[2]
。
因为分布式发电有可靠性高和环境污染小等优点，所以分布式发电是目前供电
技术的发展趋势。近年来，不少专家学者致力于研究集结了许多优点的分布式发电
系统，并且取得了一些成就。太阳能、风能、潮汐能等可再生能源相对传统化石能
源来说具有地区分散和能量随机变化等特点，无法实现集中供能，所以采用分布式
发电形式来实现能源的利用
[4]
。
跟传统大型发电方式不同，分布式发电有低环境污染、容易安装和高效率等优
点。分布式发电机组的容量一般在 5KW 到 100MW 之间，它常常安装在接近负荷的
地方，而且分布式发电可以保证高效率和低污染。因为没有旋转设备，分布式系统
的维修费用相对较低
[3]
。因为分布式电源靠近系统负荷侧，所以与远距离高压输电
相比，分布式发电可减少电能输送的功率损失。分布式发电，特别是以可再生能源
为一次能源的发电技术越来越受电力行业关注，越来越多的专家学者研究分布式发
电技术。
1.2 冷热电三联产系统介绍
当前研究的以新能源为主的分布式系统具有几个主要特征，一燃料的多元化;二
基于微型燃气轮机的冷热电联供系统优化运行
1
设备的小型、微型化;三冷热与电联产化;四网络化；五智能化控制和信息化管理;六
高标准的环保水平。其中燃料的多元化，设备的小型、微型化，冷热电联产化和高
环保要求开辟了能源技术发展的新方向：分布式发电技术、新能源开发、冷热电三
联供系统研究。冷热电三联产（又叫分布式能源系统）是一种建立在能源梯级利用
基础上，将制冷、采暖、供热及发电一体化的能源系统
[5]
。
冷热电联供的目的在于提高燃料的利用率，减少废气的排放。与集中式发电——
远程送电比较，CCHP 可以大大提高能源利用效率:大型发电厂的发电效率一般为
35%-55%，扣除厂用电和线损率，终端的利用效率只能达到 30%-47%。而 CCHP 的
能源利用率可达到 90%，没有输电损耗；另外，CCHP 在降低碳和污染空气的排放
物方而具有很大的潜力。据有关专家估算，如果从 2000 年起每年有 4%的现有建筑
的供电、供暖和供冷采用 CCHP，从 2005 年起 25%的新建建筑及从 2010 年起 50%
的新建建筑均采用 CCHP 的话，到 2020 年的二氧化碳的排放量将减少 19%。如果将
现有建筑实施 CCHP 的比例从 4%提高到 8%，到 2020 年二氧化碳的排放量将减少
30%
[6]
。
1.3 冷热电三联产系统的研究现状和发展
1.3.1 国内外发展现状
1、国外发展现状
欧洲各国热电联产发展是相对较早、较为发达的，欧盟各国热电联产发展情况
不大一样，如图 1-1 所示是 2000 年欧盟 15 个国家热电联产在电力市场中所占有的
百分比
[7]
, 他们的百分比平均值是 10.1% ,目前有些欧洲国家像芬兰、丹麦、荷兰等，
他们的热电联产百分比已超过 30%。
图 1—1 2000 年欧盟各个国家热电联产发电量占总发电量的百分比
