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在当前能源互联网迅速发展及电热联系日渐紧密的环境下,提出基于电热联合调度的区域并网型微电网运行优化模型。综合网内储能特性、分时电价、电热负荷与分布式电源的时序特征,以包含风机、光伏电池、热电联产系统、电锅炉、燃料电池和储能系统的并网型微电网为例,采用Cplex优化软件求得调度周期内各微电源最佳出力及总运行成本,并与两种常见电热调度方式进行比较。仿真算例表明: 联合调度模型能实现电热统一协调调度并降低微电网运行成本。该模型可为电热之间能源互联及规划运营提供参考。
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含电热联合系统的微电网运行优化
Optimization on Microgrid With Combined Heat and Power System
ABSTRACT: Along with the rapid development of energy internet
and
the
closer
relationship
between
power and heat, this paper proposed the combined heat and power dispatch model for regional
grid-connected
microgrid. Taking
into consideration energy storage, time-of-use (TOU) electricity price and
timing
sequence
characteristics of different
types
of load and distributed generators, a microgrid consisting of a wind turbine, a
photovoltaic,
a combined heat and power system, an electric boiler, a fuel cell and an energy storage
system
was
selected.
The optimization method based on the Cplex software was employed to obtain the optimal costs and
operation modes of the microsources in the scheduling period, and then compared the model with two traditional
methods
of
scheduling. The simulation
results indicat
that the
proposed
model could balance
the
power and heat
output
and decrease
the operation
costs.
This
model
can serve
as
references
for
the development of energy
internet
and power and heat scheduling.
KEY
WORDS: energy internet; combined heat and power; microgrid; economic dispatch
;
energy
storage system
摘要:在当前能源互联网迅速发展及电热联系日渐紧密的环境下,提出基于电热联合调度
的区域并网型微电网运行优化模型。综合网内储能特性、分时电价、电热负荷与分布式电源的
时序特征,以包含风机、光伏电池、热电联产系统、电锅炉、燃料电池和储能系统的并网型微
电网为例,采用 Cplex 优化软件求得调度周期内各微电源最佳出力及总运行成本,并与两种常
见电热调度方式进行比较。仿真算例表明: 联合调度模型能实现电热统一协调调度并降低微电
网运行成本。该模型可为电热之间能源互联及规划运营提供参考。
关键词:能源互联网;电热联合;微电网;经济调度;储能 系统
0 引言
随着社会能源结构的调整、电力系统的发展及储能技术的日益成熟,蓄电池及超级电容等
电储能设备被大量应用到电力系统中以提高新能源渗透率并实现对电能的削峰填谷
[1]
。
本质上,一切能量(如电能、热能和机械能等)的存储均可被称为储能,但目前储能在电力
系统中的应用实际上仅限于电能的存储,即电能转换为其他形式的能量并在需要时转换为
电能回馈到电力系统中去。因此,电力系统中的储能应用大大局限了储能技术的使用范畴。而
包括电力系统、热力系统和燃气系统等在内的供能系统,目前均为各自规划、单独设计、独立运
行,出现问题时也都在各系统内单独解决,系统间缺乏协调,不利于从全社会总能源供应
的层面实现清洁、高效、可靠的目标
[2]
。
2013 年 8 月,国家电网积极倡导“以电代煤、以电代油、电从远方来”的能源消费新模式,同
时,随着能源互联网发展及电气化水平的提高,电能转化为热能消耗的比例将越来越大
[2-3]
,
电、热系统的联系也将日渐紧密。综合考虑电能“易传输、难存储”而热能“易存储、难传输”的
互补性特征,在区域型微电网的电、热力系统间加入储能及电热转换单元从而对电热联合调
度,可更好地匹配可再生能源出力及电热负荷的峰谷特性,从而总体提高能
源系统可控性
[4]
。
针对微电网电热调度的研究,多以优化微电网经济运行、提高一次能源利用率为主。文
献
[5-7]
均以一个包含可再生能源、电储能、热电联产系统等的微电网为研究对象,分析了计及
网内折旧、维护和热电联产燃料成本等总成运行本下各单元的最佳出力。文献
[8]
在典型冷
热电联供系统基础上,提出了微电网母线式结构并设计了调度的模型构架。在该构架中,对
由电气、热水、空气与微电源及电 热负荷联接形成的微电网中各设备进行建模并求 解
其最佳运行方式。文献
[9]
对包含热电联产系统的微电网从气–电–热层面上建模,并以微电网运
行成本及一次能源利用率为指标单独研究了各单元的 最佳机组组合及出力。文献
[10]
在
分时电价以及微电网并网运行下,建立了包含光伏、风电和热电联供系统等单元的微电网优
化模型,并分析了热电联供系统较分产系统的经济节能作用。文献
[11]
在当前电力市场下建立
了电热调度模型,以减少微电网总运行成本及联络线功率波动为目标,优化了各单元出力,
并采用多场景生成技术进行统一比较。以上文献在微电网运行及电热调度方面取得了一
定进展,但通过阅读并比较此类文献,发现在电热调度过程中,有 2个问题相对突出:
1)传统电热分产系统电热之间完全独立,不利于实现电热负荷的统一协调调度。
2)热电联产系统运行方式较为局限。传统热电联产均工作在“以热定电”的模式,微燃
机等微电源出力完全跟踪热负荷,无法自主地参与到电能调度中去,因而极大地限制了其应
用。随着日益增加的电热峰谷差,该方式已不能很好的满足电热调度的要求
[5,7-8,10]
。
针对上述问题,本文综合考虑分布式发电机组的出力特性、启停及爬坡等运行约束及电
热储能的充放电特性,建立一个包含风机、光伏电池、热电联产系统、电锅炉、燃料电池和储
能(电储能和热储能)系统的微电网电热联合调度模型,采用 Cplex 优化软件求得了网内各单元
最佳出力及总运行成本,并与传统的分产和联产优化模型进行了电热调度的对比分析。结
果表明:联合调度模型能够实现电热统一调度并降低微电网的运行成本。
1 微电网内常见单元的数学模型
1.1
典型微电网结构
本文 电热联合调度型微电网的结构 配置及能量流向如图 1 所示。 国内主要包 含
风 机 (wind turbine,WT)、光伏(photovoltaic cell,PV)、微燃机 (micro turbine ,MT)、电锅炉
(electric boiler,EB)、燃料电池(fuel cell ,FC)、电储能(electrical energy storage ,EES)和热
储能(heat storage ,HS )等单元。中压配电网电压为 10 kV,微电网电压为 0.38 kV ,微电网与配
电网由联络线进行电能交互,且网内各单 元 均 由 微 电 网 中 央 控 制 器 ( microgrid
central
controller,MGCC)进行统一控制和信息传达。
图 1 典型微电网结构图
Fig.
1 Schematic diagram of a typical microgrid
1.2 热电联产系统
热电联产(combined
heating and power,CHP) 系统的核心装置为微型燃气轮机和溴冷
机。天然气燃烧时的高品位热能做功驱动微燃机发电,所排出 的高温余热烟气经溴冷机后
用于取暖及供应生活热水。选取 Capstone 公司的 C65 型微燃机,则忽略 外界环境变化对发
电、燃料燃烧效率的影响,其热电关系数学模型为
)(
))(1)((
)(
t
ttP
tQ
MT
LMTMT
MT
�
��
��
�
PhhMThMT
CtQtQ
o
)()(
�
�
�
式中:Q
MT
(t)、P
MT
(t)和 η
MT
(t)为时段 t 微燃机的排气余热量、电功率和发电效率;η
L
为散
热损失率;QMT-h(t)为时段 t 溴冷机制热量;C
OPh
和 η
h
分别为溴 冷机的制热系数和烟气回收率
。
时段 t 微燃机燃料成本
[12]
为
HVNGMT
MT
CHMT
Lt
ttP
CtC
�
�
�
)(
)(
)(
4
�
式中:Δt 为单位调度时间;C
MT
(t)为时段 t 微燃机的燃料成本;C
CH4
为天然气单价,取2.5 元/m
3
;L
HVNG
为天然气低热值,取 9.7 kW·h/m
3
。
1.3 电锅炉
电锅炉安装简单、控制灵活且维修更换方便,因而其被广泛应用于微电网中。电锅炉可在
电价引 导下配合热电联产系统满足热负荷需求并增加谷时段用电量,因此引入电锅炉可
实现电热转换并对 电热负荷进行峰谷协调。其出力模型
[4]
为
ahEBEB
(t)ηP=(t)Q
式中:P
EB
(t)和 Q
EB
(t)分别为时段 t 电锅炉用电和制 热功率;η
ah
为电锅炉电热转换效率
。电锅炉所耗 电能作为微电网用电负荷统一调度。
1.4 储能系统
储能(energy storage ,ES)系统能够时间上解耦 能量的生产与消耗
[13]
,从而实现能量跨时
段转移并 协调网内“源–荷”间的不均衡。电热联合调度模 型中储能主要包括电储能和热储
能。
微电网经济调度中电储能可实现电负荷削峰 填谷并减少运行成本,其主要包括能量
型(如蓄电池) 及功率型(如超级电容)两类。若调度间隔较长,宜 采用能量型并使用平均输出
功率表征其输出特性;
若间隔较短,则应使用可短时充放电的功率型电储 能
[14]
。电储能模型较为常见,其储能
容量和充放电 功率应满足下列关系:
t
tP
tPtEtE
sdis
disEES
schchEESEESEES
������ ]
)(
)([)1()1()(
_
_
�
��
式中:E
EES
(t)为时段 t
电储能容量;τ 为电储能自放电率;E
EES
_
ch
(t) 、E
EES
_
dis
(t)和 ηsch、
ηsdis
分别为时段 t 充放电功率及效率。
由于热电负荷大小及峰谷时段的不匹配,当热能需求较低而电能需求较高时,部分联产机
组将受热能限制而不能充分投入运行;反之热能需求较高而电能需求较低时,多余电力将无
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