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北京科技大学潘崇超、王一帆等:基于㶲分析的多能互补能源系统模型优化及调度策略研究

基于㶲分析的多能互补能源系统模型优化及调度策略研究

王一帆1,李娜2,潘崇超1,3*,李悦1,秦建华1,李天奇1,金泰1


1.北京科技大学能源与环境工程学院;2.国网综合能源服务集团有限公司;3.北京鼎鑫钢联科技协同创新研究院


本文发表在《全球能源互联网》2021年第3期“能源互联网促进实现‘双碳’目标”专题上,欢迎点击品读。本文受国家电网公司科技项目(52789919000F)资助。

文章导读

多能互补作为能源消费、能源供给、能源技术和能源体制革命中的关键点,是进一步提升可再生能源消纳和能效的重要途径。本文在目前系统能量流建模的基础上,建立系统水的物质平衡,同时构建系统㶲分析的黑箱模型,从而将㶲分析的评价指标作为系统运行的目标函数之一,并通过案例计算,验证了本文模型的可行性,分析系统分别以运行成本最低、㶲效率最大为目标函数时的调度策略,为多能互补能源系统项目提供参考。

重点内容

1

系统水平衡模型

根据系统内水流经的设备以及不同类型负荷特性下水的流向,绘制多能互补能源系统在供暖期和供冷期的水平衡示意图,考虑到高层建筑的供水需求,本文假设用户的供水为二次供水,需要水泵供给,同时将水泵的电耗作为水系统的功耗。

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⬆ 图1 多能互补能源系统供暖期的水平衡示意图

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⬆ 图2 多能互补能源系统供冷期的水平衡示意图

2

系统㶲分析的黑箱模型

基于㶲分析的黑箱模型,将系统内部看成一个不透明的黑箱,只可从外界看到系统的输入㶲和输出㶲。图3为多能互补能源系统的㶲分析黑箱模型。可以看出,系统的输入㶲有电网的电量、天然气网供气的化学㶲、太阳能热水器的热量㶲以及供热(冷)回水的热(冷)量㶲,系统的输出㶲有用户的电负荷、供暖和生活热水的热量㶲、供冷的冷量㶲以及向用户提供的天然气燃料的化学㶲。针对不同类型的㶲分别进行计算,可得系统的输出㶲和输入㶲值的大小,从而计算㶲效率。

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⬆ 图3 多能互补能源系统的㶲分析黑箱模型

3

案例计算

本文以某园区内一商业类型建筑为研究对象,选取调度时刻总数为24 h,单位调度时间为1 h。优化目标则分别为运行成本最低和㶲效率最大。

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⬆ 图4 运行成本最低的供暖期电负荷调度运行结果

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⬆ 图5 运行成本最低的供暖期热负荷调度运行结果

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⬆ 图6 运行成本最低的供暖期气负荷调度运行结果

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⬆ 图7 㶲效率最大的供暖期电负荷调度运行结果

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⬆ 图8 㶲效率最大的供暖期热负荷调度运行结果

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⬆ 图9 㶲效率最大的供暖期气负荷调度运行结果

4

调度策略研究

以电负荷调度策略为例,将两种调度方案的电网逐时出力、微燃机逐时出力以及蓄电池的容量变化曲线绘制在同一张图分析,从而得出设备出力的负荷率、曲线的平稳度以及调度策略的差异点。(方案1为运行成本最小的调度方案,方案2为㶲效率最大的调度方案)

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⬆ 图10 供暖期2种调度方案的电网逐时出力

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⬆ 图11 供暖期2种调度方案的微燃机逐时出力

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⬆ 图12 供暖期2种调度方案的蓄电设备逐时容量

5

评价指标对比

系统充分利用能源生产、转化、存储设备之间的相互配合,从而保持运行成本最低。当系统追求热力学完善度最高时,运行策略更加简单和清晰,其㶲效率相较提升了17.8个百分点,付出的代价则是运行成本增加了30.5%。

表1 供暖期2种调度方案的各项评价指标

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结论与展望

㶲分析揭示和挖掘了系统内储能设备的优化空间,系统㶲效率的提升关键在于余能的利用和转化,表现为采用尽量少的能源转化环节和效率尽量高的设备,同时也导致了运行成本的增加。

在实际的工程方案的决策中,有些方案虽然在热力学角度上是最完善的,但是在经济性方面却不一定是最佳的,二者往往不具有一致性。在未来的研究中,将结合工程经济学和热力学的㶲经济学应用到多能互补等复杂能源系统中,可为工程决策提供更加全面的指导和依据。

本文引文信息

王一帆,李娜,潘崇超,李悦,秦建华,李天奇,金泰. 基于㶲分析的多能互补能源系统模型优化及调度策略研究[J]. 全球能源互联网,2021,4(3):249-263.


WANG Yifan, LI Na, PAN Chongchao, LI Yue, QIN Jianhua, LI Tianqi, JIN Tai. Research on model optimization and dispatching strategy of multi-energy complementary energy system based on exergy analysis[J]. Journal of Global Energy Interconnection, 2021, 4(3): 249-263(in Chinese).

研究团队

北京科技大学-国网综合能源服务集团智慧能源联合研究中心成立于2020年11月,研究中心吸纳校内外能源、节能、新能源和信息化等相关领域的优势科研力量,大力推动学科交叉融合,立足钢铁、有色和冶金等重点能耗领域,主要开展综合能源服务相关政策及标准化研究、多能互补系统建模及优化、工业系统能源管理及优化、规模化储能及热管理、能源物联网和碳达峰碳中和路径等方面的技术研究,以及高端人才培养和国际交流合作。

作者简介

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王一帆


硕士研究生


研究方向为多能互补能源系统与综合能源系统。


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李娜


研究员


研究方向为综合能源建模及标准化。


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潘崇超


副教授


研究方向为智慧能源系统建模及标准化。通信作者

E-mail:

panchch@ustb.edu.cn


编辑:李锡

审核:周舟

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