崔恒志，黄奇峰，杨世海，战丽萍，周 赣

(1.江苏省电力公司电力科学研究院，江苏南京211103；2.东南大学 江苏 南京210096)

冷热电联供型微电网是指可以同时供应电负荷、热负荷、冷负荷的分布式能源利用形式，由于其具有能源利用效率高、能源利用形式多样、能就地解决综合能源需求等特点，可以很好地满足综合能源用户的需求，其研究利用也越来越受到重视[1-3]。在经历了1973～1974年和1979～1980年2次能源危机后，热电联供开始受到西方国家的重视，美国和欧洲已有许多在运行的项目。日本从1981年开始支持天然气冷热电联供系统的发展，并制定了一系列的保护政策和法规。截止2003年，日本民用燃气热电（冷）项目总装机容量达到1 429 kW，项目达到2 915个。中国自上世纪90年代初期也开始重视冷热电联供系统，并开始了相关的探索和研究，上海浦东机场和天津西站也分别采用了冷热电联供型的供能形式[4-7]。然而，目前在运行或在建的冷热电联供项目往往由于设备配置比例不合理，使得设备利用率低，或无法达到原理上高达80%的能源利用效率。在联供系统设计时，比较经典的“以热定电”或“以电定热”原则并不能给出较优的系统配置策略。已投入商业应用的设计软件如DeST[1]和HOMER也只能简单的依据峰值负荷信息和简单的比例原则给出系统的设备配置方案和设计。

冷热电联供型微电网供能形式多样，设备组合策略较多，如何提出一种通用性较强的联供型微电网的优化规划方法很重要。文中分析了不同冷热电联供型微电网的特性，然后研究了联供型微电网通用规划模型，最后在CPLEX中编程实现该规划模型并用算例进行验证，结果显示该规划模型通用性较强，且规划结果也较优。

1 典型联供型微电网

冷热电联供型微电网中原动机可采用（微型）燃气轮机、内燃机、燃料电池、斯特林发动机等，余热吸收利用中可采用换热器、余热锅炉、余热吸收式制冷机等，在热负荷或冷负荷较大时还可以采用加入燃气锅炉的形式加以补燃。另外还可以根据系统的储能需求加入一定容量的蓄热或蓄冷装置。

由于燃料电池和斯特林发动机并没有商业应用，下面介绍典型的联供型微电网是只考虑原动机为微型燃气轮机和内燃机的情况。

类型一。以内燃机或燃气轮机为原动机，采用换热器、余热锅炉进行余热回收利用以供应热负荷，冷负荷供应分产系统采用吸收式制冷机和电制冷机组，并网不上网，如图1[1]所示。

类型二。与类型一的主要区别在于类型二联供型微电网包含蓄能罐/箱，在夏季可以蓄冷，冬季可以蓄热，如图2[1]所示。

类型三。与类型一的差别在于，类型三联供型微电网中的吸收式制冷设备可由燃气锅炉供热或采用部分直燃式的制冷机组。

2 容量规划优化建模

在联供型微电网的规划定容中，需要确定各分产系统中主要设备的最佳容量及分产系统间的最佳设备组合。因而文中规划模型的变量选定为T，B，A，E，S，分别为微型燃气轮机/内燃机、燃气锅炉、吸收式制冷机、电制冷机、蓄能罐的容量。由决策变量数组Z确定系统的组成，Z[i]的值可取0或1。

2.1 目标函数

电力规划中，考虑资金的时间价值是进行方案比较的基础。电力规划模型的目标函数是与项目的经济评价准则相关联的，常用的电力规划目标函数有净现值最大、内部收益率大于基准收益率、总费用最小及年费用最小4种。然而由于项目未来收益的难预测性及规划模型的计算复杂度较高，前两种规划模型的目标函数应用并不多[8]。微电网的规划亦如此。

文中联供型微电网规划模型的目标函数选定为初期投资和年运行成本分别乘以权重系数后相加最小，记为式（1）。

2.2 约束条件

微电网内负荷平衡约束，包括电负荷、热负荷、冷负荷的平衡，方程为：

式中：ELi，HLi，CLi分别为逐时电负荷、热负荷、冷负荷需求；Gi为微电网与电网的功率交换量。

安全约束包括系统中设备出力约束、设备运行爬坡和下坡约束、微电网联络线上潮流约束等。

式中：Lin，Lout分别为微电网与大电网联络线上吸收或输出功率，对于并网不上网的微电网形式，Lout为0。

3 算例分析

算例取自文献[1]，北京某新建四星级酒店，建筑面积为7.3万m2，其中客房面积4.2万m2，餐厅宴会面积1.5万m2，车库及其他等为1.6万m2，其等效热负荷-电负荷（Q-E）散点如图3所示。

图3 酒店负荷Q-E散点

在CPLEX环境下编程实现文中提出的规划模型。规划模型中的目标函数中初期投资和年运行成本的权重定为1:1。

分析该酒店的负荷数据及能源价格（见表1），并在此基础上制定数据输入文档。该酒店的最大电负荷为2 000 kW，最大热负荷为2 700 kW，最大生活热水负荷为1 200 kW，最大冷负荷为4 900 kW。

在该微电网容量规划模型中，燃气轮机采用经典变工况运行模型[9-11]。

式中：η*，W*和f*分别为燃气轮机发电效率、输出功率和消耗燃料与额定的比值，即标幺值。

联供微电网系统中余热利用供冷设备常用的为吸收式制冷机组。包括单效或双效的溴化锂吸收式制冷机组和氨水制冷机组等。其中溴化锂制冷机组以水为制冷剂，溴化锂容易为吸收剂，一般热源（低压蒸汽0.12 MPa以上或热水75℃以上）均可满足要求，且易于自动化实现，在负载率10%～100%范围内可以实现制冷量的自动、无级调节。氨水制冷机组以氨作为制冷剂，能够制取0℃以下的低温，变工况性能良好，在负载率30%～100%范围内调节时，装置的经济性无明显变化[2]。

系统中可采用蓄能罐蓄热或蓄冷，比较常见的有自然分层水蓄能装置，其冬天可蓄热，夏天蓄冷，数学模型如下：

式中：R为蓄能罐中可用能量；ρ为水的密度；V蓄能罐中可用水的体积；Cp为水的比热容；Δt为蓄能罐进出水温差；ε蓄能罐的完善度；α蓄能罐容积的利用率。能源价格如表1[1]所示。

表1 能源价格

根据输入的不同状态变量数组Z得到优化配置结果，结果如表2所示。其中，原动机模型选用的是微型燃气轮机模型，额定发电效率0.3；吸收式制冷机组采用的是双效溴化锂吸收式制冷机组，COP=1.2；蓄能罐采用自然分层水蓄能罐，蓄热密度31.78 kW·h/m3，蓄冷密度8.47 kW·h/m3。

表2 微燃机系统容量优化配置结果

原动机选用的是内燃机，其他设备模型同上。同样根据输入的不同状态变量数组Z得到优化配置结果，结果如下表3所示。

表3 内燃机系统容量优化配置结果

表2中，联供型微电网系统以微型燃气轮机为原动机，类型一系统的容量规划结果采用通用型容量规划算法比DeST软件的规划结果较优，初期投资减少8.5%，投资回收期也降低10%。表3中，以内燃机为原动机，容量规划优化结果也较优。配备蓄能的类型二联供系统的经济性远远优于其他类型的联供系统。

由以上几个算例结果可知，采用文中提出的通用型规划模型可对不同的系统进行容量配置的优化，且优化配置结果可有效地提高系统的经济性，降低运行成本。

4 结束语

在分析几种典型的冷热电联供型微电网系统的基础上提出了一种通用的容量配置优化模型，并在CPLEX环境中进行建模，在描述规划模型的同时，实现系统的优化计算。通过对北京某酒店算例的计算分析，并与前人工作的对比，验证了该模型的有效性和可靠性，研究表明该冷热电联供型微电网容量规划优化算法具有较好的通用性和可靠性。

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