并网型能源微网的优化模型及应用

摘要：为科学规划设计并网型能源微网的总体方案，掌控项目的全生命周期过程，提出了一种简单实用的定性与定量相结合的综合分析方法，构建了并网型能源微网的优化配置模型，建立了天然气多联供系统的优化数学模型，得到了燃气发电机组的最佳匹配容量范围，所有初始参数容易获取，适用于各种负荷特征的并网能源微网，对项目规划、建设与实施具有重要的指导意义。

本文作者：韦尚正，张兵涛，庞冲，任静，臧允秀 (东旭蓝天新能源股份有限公司，北京 100036)

并网型能源微网(grid-connected energy microgrid, GCMG)是能源互联网的细胞，是终端一体化集成供能系统的核心，是现代能源系统的重要组成部分。它就近建设在用户端的负荷中心，采用多能互补和分布式多联供的方式，运用智能调控手段，通过微小的局域能源配网，将多种能源整体供给用户，实现能源就地消纳。它是由分布式能源、用能负荷、能源配网、智能调控平台等组成的小型发配售用一体化供能系统，如图1所示。

并网型能源微网具有量体裁衣的特点，每个项目都是独一无二的，是根据具体用户的需求和资源，提供整套的、定制的发配售用一体化综合能源服务。常见的用户端分布式能源包括天然气分布式能源(natural gas distributed energy, NGDE)、光伏发电、环境源热泵。光伏发电的容量依据用户空闲屋顶面积和平抑白天高峰电负荷匹配。环境源热泵根据用户环境资源和基本冷热负荷配置，消纳一部分能源微网所发电力，对冷热进行电能替代。对于具体的项目，光伏和热泵的容量均可基本确定。NGDE不仅是主力能源，还是带动可再生能源高比例发展的重要桥梁。常见的NGDE包括燃气发电机组及其余热利用系统(combined cooling, heating and power, CCHP)、调峰电制冷机、调峰燃气锅炉等，核心是确定燃气发电机组容量且最大化利用余热。

并网型能源微网经济性的四大影响因素是燃气价格、供能价格(冷热电)、初投资、CCHP全年满负荷运行时间。对于具体的项目，当地燃气价格、供能价格是已知的，因此初投资和CCHP全年满负荷运行时间就是核心的影响因素，两者都与燃气发电机组容量密切相关。可见，并网型能源微网规划设计的首要核心是：确定燃气发电机组容量且最大化利用余热。当前国家及行业规范上规定：燃气发电机组容量应按基本电及冷热负荷配置。然而，许多项目难以合理预测负荷及确定基本负荷。已有报道中[1-5]，燃气发电机组容量优化模型相当复杂，适用范围较小，未能有效推广。目前，我国多数项目的燃气发电机组配置不合理，难以保证CCHP足够的满负荷高效运行时间，能源效率低，经济效益差，直接导致了项目的失败。鉴于此，本文提出了一种简单通用的定性与定量相结合的综合分析方法，构建燃气发电机组容量优化数学模型，为并网型能源微网的规划与实施提供参考。

1 系统简介

根据用户各种负荷的时空变化特征，因地制宜，天然气、太阳能、环境热能等多能互补，按照“科学用能、系统优化、温度对口、梯级利用”的思想，高效集成、优化配置，能源就地平衡，遵循电能自发自用、余热利用最大化的原则，以CCHP满足较连续稳定的基本负荷，通过调峰设备满足最大负荷需求，最大限度发挥CCHP满负荷高效运行的经济潜力，冷热电全部在经济合理的范围内就地直供，全面优化一次能源转换传递全过程，提高能源的梯级利用和转换效率，有序构建绿色、低碳、安全、高效、经济的并网型能源微网。

本文设计的并网型能源微网如图2所示，主要包含燃气内燃机及其余热利用系统、燃气锅炉、电制冷机、光伏发电、热泵、能源配网、智能调控平台等单元。

图1 并网型能源微网的基本组成

Fig. 1 The basic composition of grid-connected energy microgrid

图2 并网型能源微网能量流程图

Fig. 2 Energy flow t of grid-connected energy microgrid

2 运行模式

1)首先，光伏发电应适当消平白天的高峰用电负荷，就地全部消纳。

2)其次，热泵应优先利用光伏、燃气发电机组所发电力，进行冷热的电能替代，促进冷热电平衡，增强系统灵活性，提高CCHP的满负荷高效运行的经济潜力。

3)当燃气发电机组运行时，必须优先最大化利用余热，余热利用率应在80%以上。

4)在并网型能源微网里，当安全要求高且经济合理时，宜设置储能，且储能占比不应超过小时负荷和日用能量的30%。本文重点是确定CCHP规模且使余热全部实时利用，因此不考虑储能。

5)最后，不足的冷热负荷由燃气锅炉和电制冷机等调峰机组提供。

3 数学模型

3.1 目标函数

1、判别式Ⅰ

《燃气冷热电联供工程技术规范》GB 51131-2016中规定：当采用并网不上网运行方式时，发电机组容量应根据基本电负荷和冷、热负荷需求确定。除数据中心等全年全天24小时具有稳定冷(热)电负荷的用户外，根据经验取设计负荷的30%作为基本负荷，且按冷、热、电基本负荷的最小值配置发电机组容量，可得判别式Ⅰ。

(1)

式中，P_e为燃气发电机组容量;p₀、h₀、q₀分别为设计电、热、冷负荷。

2、判别式Ⅱ

并网型能源微网所发电量应不小于微网内部自用电量，可得：

(2)

根据能量守恒可得：

(3)