中國儲能網(wǎng)訊：
摘 要 冷熱電聯(lián)供(combined cooling heating and power, CCHP)系統(tǒng)是工業(yè)產(chǎn)業(yè)園區(qū)、建筑用戶能源利用過程實現(xiàn)雙碳目標的重要舉措。針對CCHP系統(tǒng)產(chǎn)用能不平衡、設備耦合相關、并網(wǎng)且上網(wǎng)模式等影響，本文構建了含電池儲能系統(tǒng)和水箱蓄熱系統(tǒng)的CCHP系統(tǒng)，并以運行成本和燃料消耗量為目標，建立CCHP系統(tǒng)能量管理策略的多目標優(yōu)化函數(shù)；在此基礎上，重點考慮約束條件和擁擠度算子對非支配排序遺傳算法(non-dominated sorting genetic algorithm-II, NSGA-II)搜索性能的影響，并利用改進型NSGA-II算法實現(xiàn)CCHP系統(tǒng)能量管理策略的優(yōu)化求解。結果表明：在并網(wǎng)且上網(wǎng)模式下，含復合儲能CCHP系統(tǒng)相比無儲能CCHP系統(tǒng)，夏季典型日的日運行成本和燃料消耗分別可節(jié)約0.89%和2.11%，冬季典型日可分別節(jié)約27.70%和7.30%，年運行成本和年總能量消耗則分別可減少11.11%和6.06%，可知基于改進型NSGA-II算法所獲得的含復合儲能CCHP系統(tǒng)能量管理策略具有較好的能量調(diào)控性能。
關鍵詞 冷熱電聯(lián)供；并網(wǎng)且上網(wǎng)；復合儲能；改進型NSGA-II算法
以燃氣機組和可再生能源發(fā)電系統(tǒng)為供能主體的冷熱電聯(lián)供(combined cooling heating and power, CCHP)系統(tǒng)通過多能互補、梯次利用，可以有效實現(xiàn)能源利用的低碳化和高效化，在雙碳目標的推動下，近年來在工業(yè)園區(qū)、產(chǎn)業(yè)園區(qū)、大型建筑群等場景得到了越來越多的應用。在理想情況下，CCHP系統(tǒng)的一次能源利用效率能夠達到80%左右；但實際過程中由于產(chǎn)用能以及設備之間的耦合影響，多數(shù)CCHP系統(tǒng)的能源利用率仍然不高，用能成本也未見明顯下降。因此，如何實現(xiàn)CCHP系統(tǒng)高效、經(jīng)濟運行是該領域亟待解決的重要問題。
CCHP系統(tǒng)優(yōu)化運行的關鍵在于采用合適的能量管理策略實現(xiàn)設備產(chǎn)能、能量傳輸、用戶耗能的協(xié)調(diào)控制。目前多數(shù)CCHP系統(tǒng)控制策略主要采用“以電定熱”和“以熱定電”為代表的規(guī)則控制策略，廖柏睿等對比了“以電定熱”和“以熱定電”兩種運行方式，得出在日運行費用最小的目標下，“以電定熱”策略的用能成本相比“以熱定電”策略可降低10%。Feng等評估了兩種運行模式下用戶負荷對CCHP系統(tǒng)能效的影響，得出當建筑物的冷熱負荷總和與電負荷之比遠大于CCHP系統(tǒng)原動機的熱電比時，“以電定熱”運行方式控制效果更好。陳彪等搭建了含太陽能的CCHP系統(tǒng)，并采用“以熱定電”實現(xiàn)系統(tǒng)運行控制，相比不利用太陽能的方式，系統(tǒng)一次能源利用率和CO2減排率可分別提升14.2%和3.76%。
上述基于規(guī)則的能量管理策略在一定程度上提高了CCHP系統(tǒng)的能源利用效率，但難以解決CCHP系統(tǒng)“供能-用能”時空分布不均衡狀態(tài)下的能量協(xié)調(diào)控制問題；考慮到儲能系統(tǒng)具有能量調(diào)節(jié)的作用，可在原有CCHP系統(tǒng)基礎上加入儲能裝置，使系統(tǒng)能量管理更加靈活高效。Ouyang等在CCHP系統(tǒng)中加入了儲熱系統(tǒng)，結果表明該系統(tǒng)在熱效率上提高了12.88%，年CO2減排量提高了25.84%。Mo等同樣在CCHP系統(tǒng)中加入儲熱裝置，并提出改進的主動熱能存儲設計，平均節(jié)能率相比傳統(tǒng)CCHP系統(tǒng)提高了14.63%。Du等通過在CCHP系統(tǒng)中加入壓縮空氣儲能裝置，在最低負荷運行時，能源效率可達75.99%，?效率為45.89%，極大提升了系統(tǒng)熱力性能。周文操等建立了含電池儲能的CCHP系統(tǒng)，并研究了基于改進型粒子群算法的能量管理策略，使得系統(tǒng)具有更好的經(jīng)濟和環(huán)境效益。鑒于單一儲能系統(tǒng)無法匹配CCHP系統(tǒng)多種能源形式，相關研究提出了結合多種儲能方式的復合儲能調(diào)控方法。熊文等以經(jīng)濟調(diào)度為指標，研究了含蓄冷、儲熱、儲電三種儲能系統(tǒng)的CCHP系統(tǒng)能量管理策略，指出配置蓄冷和儲熱在多能互補協(xié)同運行系統(tǒng)中有較大的盈利空間。Dai等構建了含蓄冷、儲熱、儲電的CCHP系統(tǒng)，并采用粒子群算法和遺傳算法相結合的雙層優(yōu)化算法進行不同運行模式的控制策略尋優(yōu)，結果表明混合儲能CCHP系統(tǒng)的一次能源利用率最高可達80%。
綜上所述，CCHP系統(tǒng)中增加復合儲能系統(tǒng)可以有效實現(xiàn)能量的解耦控制和優(yōu)化調(diào)配，從而提高系統(tǒng)的一次能源利用率，并解決因負荷動態(tài)變化導致的產(chǎn)能設備無法連續(xù)運行等問題。從趨勢上看，CCHP系統(tǒng)采用“并網(wǎng)不上網(wǎng)”模式將是主流發(fā)展方向，CCHP系統(tǒng)能量管理策略需要充分考慮復合儲能調(diào)節(jié)與上網(wǎng)售電之間的關系，但針對該類場景的研究仍然較少。因此，本文構建了含電熱復合儲能的CCHP系統(tǒng)拓撲架構，在此基礎上結合“并網(wǎng)且上網(wǎng)”運行模式，研究基于改進型非支配排序遺傳算法(non-dominated sorting genetic algorithm-II, NSGA-II)的最優(yōu)能量管理策略求解方法，并通過對比傳統(tǒng)無儲能CCHP系統(tǒng)，從而驗證本文所提出方法的節(jié)能性和經(jīng)濟性。
1 含復合儲能CCHP系統(tǒng)
1.1 拓撲架構
儲能系統(tǒng)根據(jù)其存儲形式可分為儲冷、儲熱、儲電、儲氫等多種類型，各種儲能類型又包含多種不同的儲能介質。其中，電化學儲能是新型儲能技術最重要的組成部分，而鋰離子電池尤甚，累計裝機比例約占新型儲能系統(tǒng)裝機容量的95%，是應用最為廣泛的儲電形式；此外，蓄熱水箱易于安裝、控制簡便，與實際生活場景契合度較高，在運行空間不受限制的情況下是一種較好的蓄熱裝置。因此，本文將基于鋰離子電池的儲電系統(tǒng)和基于蓄熱水箱的儲熱系統(tǒng)組成復合儲能系統(tǒng)，分別用于實現(xiàn)CCHP系統(tǒng)中電能和熱能的調(diào)節(jié)。整體系統(tǒng)拓撲架構如圖1所示。
圖1 含復合儲能CCHP系統(tǒng)拓撲架構
圖1所示CCHP系統(tǒng)拓撲架構中，燃氣機組、光伏發(fā)電系統(tǒng)、電網(wǎng)、電池儲能系統(tǒng)共同提供用戶電能需求，電池儲能系統(tǒng)可以通過充放電控制實現(xiàn)多余電能的存儲和再利用；燃氣機組在發(fā)電的同時會產(chǎn)生熱能，利用余熱回收系統(tǒng)將該部分熱能進行梯次利用，并與燃氣鍋爐、水箱蓄熱系統(tǒng)共同提供用戶熱能需求，水箱蓄熱系統(tǒng)同樣可以通過蓄熱和釋熱控制實現(xiàn)多余熱能的存儲再利用。其中，電能需求來自用戶電負荷和部分冷負荷，該部分冷負荷可由電制冷機將電能轉化為冷能進行提供；熱能需求則來自用戶熱負荷和另一部分冷負荷，該部分冷負荷可由吸收式制冷機將高品位熱能轉化為冷能進行提供。此外，在該拓撲架構下，CCHP系統(tǒng)將采用“并網(wǎng)且上網(wǎng)”運行模式，在系統(tǒng)產(chǎn)生多余電量時可以反向將電能送至電網(wǎng)并獲得售電盈利。
1.2 能量轉換關系
在運行過程的任意時刻，CCHP系統(tǒng)均需滿足式(3)所示的電能平衡條件。因此，可通過獲取當前時刻用戶的總電負荷，將其與系統(tǒng)設備發(fā)電量進行比較，并利用電池儲能系統(tǒng)實現(xiàn)電能平衡控制。由此可以得到任一時刻CCHP系統(tǒng)針對電能平衡的具體控制流程，如圖2所示，也即：①若光伏發(fā)電量大于用戶總電負荷，保持燃氣機組運行于最低負載率工況，系統(tǒng)產(chǎn)生的多余電能將存入電池儲能系統(tǒng)或售電至電網(wǎng)；②若用戶總電負荷處于光伏發(fā)電量和燃氣機組額定功率總和之間，則電能需求由燃氣機組和光伏發(fā)電系統(tǒng)共同提供，若有多余電能則存入電池儲能系統(tǒng)或售電至電網(wǎng)；③若用戶總電負荷大于光伏發(fā)電量和燃氣機組額定功率總和，則電能不足部分由電池儲能系統(tǒng)進行提供；④當其功率或者剩余容量仍不足以提供剩余部分，則使用電網(wǎng)進行電能補充。
圖2 CCHP系統(tǒng)電能平衡控制流程
燃氣機組發(fā)電過程伴隨著大量余熱的產(chǎn)生，通過余熱回收系統(tǒng)對這部分余熱進行回收后，優(yōu)先將這部分熱能用于滿足用戶熱能需求。由于該CCHP拓撲架構包含燃氣鍋爐的后備支撐以及水箱蓄熱系統(tǒng)的能量調(diào)節(jié)，因此用戶總熱負荷可進一步由式(4)表示：
同樣，為滿足式(4)所示熱能平衡條件，可通過獲取當前時刻用戶的總熱負荷，將其與系統(tǒng)產(chǎn)生熱量進行比較，并利用水箱蓄熱系統(tǒng)實現(xiàn)熱能平衡控制。由此可以得到任一時刻CCHP系統(tǒng)針對熱能平衡的具體控制流程，如圖3所示，也即①若回收熱量大于用戶總熱負荷，則在滿足用戶熱需求的前提下將剩余熱量存入水箱蓄熱系統(tǒng)，若仍有剩余則排放至大氣環(huán)境中；②當回收熱量不能滿足用戶熱需求時，則加入蓄熱水箱共同提供；③若仍無法滿足熱需求，則開啟燃氣鍋爐補充不足的熱能。
圖3 CCHP系統(tǒng)熱能平衡控制流程
2 基于改進型NSGA-II的能量管理策略
在滿足用戶冷熱電負荷需求的情況下，CCHP系統(tǒng)能量管理策略需要解決系統(tǒng)中多設備之間的產(chǎn)能耦合問題，在加入復合儲能系統(tǒng)并采用“并網(wǎng)且上網(wǎng)”的運行模式下，還需進一步考慮剩余能量的流向和功率分配，以此提高系統(tǒng)能源利用效率并降低用能成本。能量管理策略的尋優(yōu)過程涉及運行成本、燃料消耗等多個因素，屬于多目標優(yōu)化問題，而智能算法是解決該類問題的有效方法。
2.1 目標函數(shù)
CCHP系統(tǒng)運行過程存在成本、能效、環(huán)境等多個優(yōu)化目標，各個目標可通過量化指標進行表征，如上述目標可分別用運行成本、一次能源利用率、污染物排放量進行衡量。本文含復合儲能CCHP系統(tǒng)能量管理策略以運行成本和燃料消耗量為雙重目標進行優(yōu)化，建立目標函數(shù)是智能算法尋優(yōu)求解的基礎。
2.2 約束條件
CCHP系統(tǒng)能量管理策略涉及多設備的多個狀態(tài)參量，具體參數(shù)受運行邊界、相互關系等因素限制，因此需要建立約束條件，從而使得算法搜索過程可以快速排除不符合實際情況的結果。其中，能量供需平衡是保證CCHP系統(tǒng)正常運行的首要約束條件，因此能量管理策略需要遵循電能平衡和熱能平衡的約束條件。電能平衡條件滿足式(3)所示等式方程；而對于熱能平衡而言，若某個時刻存在多余熱能且無法回收，則需要將該部分熱能耗散至環(huán)境中，其被視為浪費能量，且需以此對式(4)所示熱能平衡方程進行修正。由此可知，熱能平衡條件應滿足式(11)所示等式：
2.3 改進型NSGA-II算法
智能算法包括遺傳算法、粒子群算法、深度學習等，各種類型算法都具有其特定優(yōu)勢，并在相關領域得到一定應用?？紤]到系統(tǒng)復雜性、算法實時性和收斂性，以及硬件成本等因素，本文采用NSGA-II算法實現(xiàn)CCHP系統(tǒng)能量管理策略的尋優(yōu)求解，同時，在利用非支配排序提高遺傳算法性能的基礎上，進一步通過約束條件和擁擠度算子，對NSGA-II算法進行改進。
首先，在NSGA-II算法初始化過程中，考慮到各搜索因子所對應的設備功率所處區(qū)間差異較大，且功率變化范圍也存在數(shù)量級上的差別，因此，增加了代入約束條件進行判斷的環(huán)節(jié)，并利用歸一化方式實現(xiàn)初始化種群的生成。歸一化公式如式(18)所示。根據(jù)歸一化公式，可將所有搜索因子映射為歸一化后的數(shù)值，該數(shù)值將處于[0,1]區(qū)間內(nèi)；繼而以其作為隨機結果得到初始生成數(shù)，再由歸一化函數(shù)的反變換將隨機生成數(shù)轉換為真實值。這一方面有利于減少算法在無效個體上消耗的時間，另一方面也可以提高初始種群分布的隨機性。
圖4 改進型NSGA-II算法流程
3 算例分析
3.1 基礎數(shù)據(jù)
本算例以廣東省某賓館作為研究對象，針對該賓館構建了含復合儲能CCHP系統(tǒng)，并采用“并網(wǎng)且上網(wǎng)”運行模式。以圖片作為單位時間、24 h作為調(diào)度周期，可以得到用戶夏季典型日、冬季典型日的電冷熱負荷和光伏發(fā)電量如圖5所示。
圖5 用戶負荷及光伏發(fā)電量
該CCHP系統(tǒng)所在地區(qū)實行峰、平、谷三段式電價政策，且購電電價段和售電電價段一致。其中，0：00—6：00以及23：00為谷段，7：00—9：00、12：00—13：00、17：00—18：00、21：00—22：00為平段，10：00—11：00、14：00—16：00、19：00—20：00為峰段。購電與售電價格如表1所示。
表1 各時段購售電價格
此外，根據(jù)該賓館冷熱電負荷情況以及實際運行場景，可以對其CCHP系統(tǒng)中的燃氣機組、燃氣鍋爐、光伏發(fā)電系統(tǒng)、電池儲能系統(tǒng)以及水箱蓄熱系統(tǒng)等多個設備進行配置，其功率上限如表2所示；同時，表2也給出了各設備的運行維護費用和天然氣價格。對于儲能系統(tǒng)容量而言，綜合考慮各時段產(chǎn)用能差異、投資成本、場地空間等多個因素的耦合影響，最終配置電池儲能系統(tǒng)容量為400 kWh、水箱蓄熱系統(tǒng)容量為400 kWh。
表2 各設備運行參數(shù)
3.2 仿真結果及分析
利用MATLAB軟件開發(fā)基于改進型NSGA-II算法的CCHP系統(tǒng)能量管理策略，通過導入該CCHP系統(tǒng)以及算法的基礎數(shù)據(jù)，可以求解得到系統(tǒng)的能量管理策略，并計算得到運行成本和燃料消耗量等數(shù)據(jù)。同時，為驗證本文所提出復合儲能系統(tǒng)及算法的有效性，將無儲能CCHP系統(tǒng)作為對比對象進行分析。
3.2.1 夏季典型日工況
圖6所示為夏季典型日無儲能CCHP系統(tǒng)和含復合儲能CCHP系統(tǒng)的能量管理策略，包括燃氣機組、燃氣鍋爐、電網(wǎng)的24小時逐時功率。從圖6(a)可以看出：對于無儲能CCHP系統(tǒng)，在夜間電能需求較低的時段，由于購電價格較低，此時燃氣機組基本采用30%的最低負載率運行，不足部分由電網(wǎng)提供；而在白天電能需求較高的時段，燃氣機組滿負荷，且峰段時間里電網(wǎng)仍需提供較多電能，這導致燃氣機組全天的負載率波動較大，同時運行成本較高。
圖6 夏季典型日各CCHP系統(tǒng)能量管理策略
對于含復合儲能CCHP系統(tǒng)，復合儲能系統(tǒng)的能量調(diào)度情況及剩余存儲能量如圖7所示。由圖6(b)及圖7可知：在夜間電價谷段前期，燃氣機組以最高功率運行，所產(chǎn)生的多余電能和熱能優(yōu)先由電池儲能系統(tǒng)和水箱蓄熱系統(tǒng)進行存儲；當電池充滿時，再將余下電能出售給電網(wǎng)，而水箱熱能蓄滿后，則多余熱能將排放至環(huán)境中。當用戶電負荷達到最高且為電價峰值時段，如14：00、15：00，此時燃氣機組與電池儲能系統(tǒng)共同提供用戶所需電能，無需從電網(wǎng)購電，從而避免電費成本的大幅激增。在17：00后，電池剩余電量為0，此時電網(wǎng)與燃氣機組共同提供電能需求。在一天的運轉工作下，燃氣機組所產(chǎn)生的余熱，以及存入儲熱水箱中的余熱，基本滿足用戶的熱需求，僅在21：00，需要燃氣鍋爐補充28 kWh熱能。
圖7 夏季典型日復合儲能系統(tǒng)調(diào)度情況
無儲能CCHP系統(tǒng)與含復合儲能CCHP系統(tǒng)的逐時成本、逐時能耗分別如圖8所示。可以看出：對于含復合儲能CCHP系統(tǒng)，由于夜間時段耗氣量相對較大，因此成本和消耗量有所增加；而在白天階段，電池儲能系統(tǒng)與水箱蓄熱系統(tǒng)提供了用戶側部分電能與熱能，使得復合儲能系統(tǒng)能夠處于一個較低的負載率運行區(qū)間，同時無需使用電網(wǎng)和燃氣鍋爐進行額外的能量補充，運行成本與燃料消耗顯著下降。
圖8 夏季典型日運行成本與燃料消耗對比
根據(jù)圖8所示計算結果，在夏季典型日運行工況下，無儲能CCHP系統(tǒng)的日運行成本約為3267元，燃料消耗約為900 m3；含復合儲能CCHP系統(tǒng)的日運行成本約為3238元，燃料消耗約為881 m3?？芍瑥秃蟽δ蹸CHP系統(tǒng)的日運行成本節(jié)約了0.89%，燃料消耗節(jié)省了2.11%。
3.2.2 冬季典型日工況
圖9所示為冬季典型日無儲能CCHP系統(tǒng)和含復合儲能CCHP系統(tǒng)的能量管理策略，同樣包括燃氣機組、燃氣鍋爐、電網(wǎng)的24小時逐時功率。從圖9(a)可以看出：對于無儲能CCHP系統(tǒng)，為滿足用戶側供暖需求，在夜間時段燃氣機組的負載率仍然較高，可達到50%左右；在此情況下，燃氣機組可滿足用戶熱能需求，發(fā)出多余電能則售至電網(wǎng)以獲取收益。在白天階段，則需要通過燃氣鍋爐補充部分熱能，才可滿足用戶側熱能需求。在冬季典型日工況下，為盡可能提供用戶熱負荷，無儲能CCHP系統(tǒng)大部分時段均產(chǎn)生多余電能并向電網(wǎng)售電，收益較多但同時燃料成本也大幅增加。
圖9 冬季典型日各CCHP系統(tǒng)能量管理策略
對于含復合儲能CCHP系統(tǒng)，冬季工況下復合儲能系統(tǒng)的能量調(diào)度情況及剩余存儲能量如圖10所示。由圖9(b)及圖10可知：燃氣機組大部分時段負載率均達到100%，發(fā)電效率較高；由于存在復合儲能系統(tǒng)，產(chǎn)生的多余電能和熱能可在夜間階段進行存儲，并在燃氣機組供能不足時段釋放。因此，該CCHP系統(tǒng)基本無需從電網(wǎng)購電和采用燃氣鍋爐進行熱能補充，在一定程度上可以實現(xiàn)獨立運行，從而減少投資成本和運行費用。電池儲能系統(tǒng)無法回收的電能，同樣將向電網(wǎng)售電，但相比無儲能CCHP系統(tǒng)，售電時段主要為電價高峰時段或平峰時段，售電收益顯著增加。
圖10 冬季典型日復合儲能系統(tǒng)調(diào)度情況
冬季典型日工況下，無儲能CCHP系統(tǒng)與復合儲能CCHP系統(tǒng)的逐時成本、逐時能耗分別如圖11所示。根據(jù)圖11所示計算結果，在冬季典型日運行工況下，無儲能CCHP系統(tǒng)的日運行成本約為2166元，燃料消耗約為891 m3；含復合儲能CCHP系統(tǒng)的日運行成本約為1566元，燃料消耗約為826 m3?？芍瑥秃蟽δ蹸CHP系統(tǒng)的日運行成本節(jié)約了27.70%，燃料消耗節(jié)省了7.30%。
圖11 冬季典型日運行成本與燃料消耗對比
3.2.3 全年工況
若按照全年包含183天夏季典型日和182天冬季典型日計，則可以根據(jù)夏季典型日和冬季典型日的運行成本和燃料消耗，計算得到無儲能CCHP系統(tǒng)與含復合儲能CCHP系統(tǒng)的年運行成本與年總能耗，如表3所示?？梢钥闯觯汉瑥秃蟽δ蹸CHP系統(tǒng)的年運行成本相比無儲能CCHP系統(tǒng)減少了11.11%；而在年燃料消耗方面，含復合儲能CCHP系統(tǒng)下降了6.06%。上述結果表明：基于改進型NSGA-II算法，含復合儲能CCHP系統(tǒng)相比無儲能CCHP系統(tǒng)，在運行成本和燃料消耗量兩個指標上均得到了大幅下降，所得到的能量管理策略具有更優(yōu)的性能。
表3 年度成本與能耗對比
4 結論
利用儲能技術可以實現(xiàn)CCHP系統(tǒng)能量的優(yōu)化調(diào)節(jié)，而基于改進型NSGA-II算法的CCHP系統(tǒng)能量管理策略更易于得到多個目標的最優(yōu)尋解。本文針對“并網(wǎng)且上網(wǎng)”模式，采用電池儲能系統(tǒng)和水箱蓄熱系統(tǒng)組成復合儲能系統(tǒng)，將其應用至CCHP系統(tǒng)中參與能量調(diào)度，通過改進型NSGA-II算法對本文所構建的CCHP系統(tǒng)進行能量管理策略的尋優(yōu)。在夏、冬兩季的典型日中，電池儲能系統(tǒng)、水箱蓄熱系統(tǒng)充分參與了復合儲能CCHP系統(tǒng)的能量調(diào)度，緩解了高峰時段的能源供給壓力。最終得出結論：含復合儲能CCHP系統(tǒng)的能量管理策略具備更好的能量調(diào)節(jié)性能，經(jīng)濟性和節(jié)能性大幅提升，對CCHP系統(tǒng)的推廣具有重要的作用。
