一种燃气内燃机冷热电三联供系统优化运行方法

摘要

本发明公开了一种燃气内燃机冷热电三联供系统优化运行方法，它包括下述步骤：根据冷热电三联供系统负荷预测确定系统总的电、冷热负荷需求；基于运行成本，以冷热电三联供系统运行费用最低建立优化运行目标；分析冷热电三联供系统及相关电空调的运行特性，以供电量、供冷量和热量平衡作为等式约束，以内燃机出力上下限、设备制冷和热量上下限、联络线功率交换限值作为不等式约束，从而构成冷热电三联供系统经济运行优化模型；采用路径跟踪内点法求解该优化模型，得到冷热电三联供系统优化运行方案；解决了目前CCHP系统优化运行方法没有考虑联供系统与电空调之间的配合问题，二者之间的相互影响对系统运行造成影响等问题；解决了现有技术CCHP系统优化仅仅简单的以电定热、以电定冷、以热定电或以冷定电模式存在的各种缺陷等问题。

说明书

技术领域

本发明属于电力系统分布式发电系统经济运行领域，尤其涉及一种燃气内燃机冷热电三联供系统优化运行方法。 

背景技术

冷热电三联供（Combined Cooling Heating and Power，CCHP），是指以天然气为主要燃料带动燃气轮机、微燃机或内燃机发电机等燃气发电设备运行，产生的电力供应用户的电力需求，系统发电后排出的余热通过余热回收利用设备(余热锅炉或者余热直燃机等)向用户供热、供冷。CCHP 的发展已经有30多年的历史。随着供电、供热和制冷设备的单元技术和集成运行技术的不断进步，CCHP已经在许多领域得到了推广。 

CCHP系统的燃气动力发电设备种类很多，包括传统的小型燃气轮机、燃气内燃机、微型燃气轮机、斯特林发动机(即外燃机)以及燃料电池等，目前应用最为广泛的是燃气轮机与燃气内燃机两大类主机。关于燃气轮机CCHP系统的优化运行已有较多的研究，而燃气内燃机热电输出特性受负荷率、环境温度影响的方式，以及其余热回收利用方式，都与燃气轮机有所不同，因此造成二者构成的CCHP系统的优化运行模型有所不同。 

CCHP系统通常有上网发电和并网不上网两种运行模式。上网发电模式是指CCHP多发出的电能可以反送给电网，相当于向电网售电，而并网不上网运行模式是指CCHP系统发电功率永远小于或等于用电负荷，CCHP系统不向电网反送电。考虑到目前很多CCHP系统都只能运行在并网不上网的模式，因此本发明针对的是并网不上网的燃气内燃机CCHP系统。 

同时，目前已有的很多关于CCHP的系统优化运行方法都没有考虑联供系统与电空调之间的配合问题，而将电空调与联供系统配合使用，可以有效提高能源利用效率，获得较大的经济收益。但是二者之间的相互影响会对系统运行方案造成影响。如果仅考虑联供系统，则在并网不上网的情况下，由于多余电力不能上网，因此往往采用以电定热（冷）运行模式，即根据电负荷确定内燃机出力，如果联供系统制冷/热量不足则由天然气直燃补足，如果冷/热量多余，则直接排放到外部环境。而当同时考虑联供系统与电空调时，系统优化运行模式不再是简单的以电定热或以电定冷或者以热定电或以冷定电模式。由于联供系统与电空调共同承担系统的电、冷、热负荷，所以冷/热负荷一定时，联供系统的制冷/热量制约着电空调的制冷/热量，同时，联供系统的冷/热量由内燃机的可利用余热来产生，控制内燃机的出力可间接控制可利用余热量，但是在并网不上网的情况下，由于多余电量不能上网，因此内燃机的出力还受到系统电负荷的限制，从而限制联供系统的制冷/热量，进而影响电空调的制冷/热量，而电空调制冷/热量的不同又会造成系统总的电负荷变化，从而影响着内燃机的出力及外购电量的变化。 

发明内容

本发明要解决的技术问题： 提供一种燃气内燃机冷热电三联供系统优化运行方法，以解决现有CCHP的系统优化运行方法没有考虑联供系统与电空调之间的配合问题，而将电空调与联供系统配合使用存在的二者之间的相互影响会系统运行方案造成影响等问题；以解决现有技术CCHP系统优化仅仅简单的以电定热、以电定冷、以热定电或以冷定电模式存在的各种缺陷。 

本发明技术方案： 

一种燃气内燃机冷热电三联供系统优化运行方法，它包括下述步骤：

步骤1、根据冷热电三联供系统负荷预测确定系统总的电、冷热负荷需求；

步骤2、基于运行成本，以冷热电三联供系统运行费用最低建立优化运行目标；

步骤3、分析冷热电三联供系统及相关电空调的运行特性，以供电量、供冷量和热量平衡作为等式约束，以内燃机出力上下限、设备制冷和热量上下限、联络线功率交换限值作为不等式约束，从而构成冷热电三联供系统经济运行优化模型；

步骤4、采用路径跟踪内点法求解该优化模型，得到冷热电三联供系统优化运行方案。

步骤2所述的优化运行目标，其目标函数为：   ，式中Pgrid为冷热电三联供系统CCHP并网联络线的交换功率，单位为kW，Pgrid>0表示CCHP系统从大电网购电，Pgrid<0表示CCHP系统向大电网反送电；cg为电价，单位为元/kWh，在Pgrid>0时为购电价格，在Pgrid<0时为上网电价；Vfue1为单位时间内的燃气耗气量，单位为m3/h，Vfuel=3.6×Qfuel/LHV，其中Qfuel为燃气热能，单位为kW，LHV为低位燃料热值，单位为MJ/ Nm3；cf为燃气价格，单位为元/Nm3；t单位为小时。 

步骤3中所述的供电量等式约束为：  ， 

式中Pload为不包含电空调负荷的系统电负荷，单位为kW；PGE为燃气内燃机的有功功率，单位为kW；Pair为电空调的耗电功率，单位为kW；其他为系数常数。

步骤3中所述的供冷量平衡等式约束为：

式中Q为系统冷负荷功率需求，单位为kW；Qair为电空调的制冷功率，单位为kW；COPair为电空调的制冷系数，假定所有电空调具有相同的COP；Qc表示冷温水机组实际产生的制冷量，单位为kW；COPc为冷温水机组实际制冷系数；Qrc为用于制冷的可回收余热，单位为kW。Qgas为燃气内燃机排出烟气的可利用热值，单位为kW，考虑到冷温水机组不一定完全利用内燃机排除的烟气，因此有Qrc≤Qgas；COPrc为冷温水机组额定制冷系数；β为冷温水机组的负荷率；QcN表示冷温水机组额定制冷量，单位为kW；其他为系数常数。

步骤3中所述的不等式约束为： 

  

式中Q_{air_min}，Q_{air_max}分别为电空调制冷量的上下限，单位为kW；Q_{fuel_min}，Q_{fuel_max}分别为输入内燃机的燃料热能的上下限，单位为kW；Q_{c_min}，Q_{c_max}分别为吸收式冷温水机组制冷量的上下限，单位为kW；P_{GE_max}为内燃机最大发电出力，单位为kW。

本发明有益效果： 

针对并网不上网的燃气内燃机CCHP系统，在分析相关设备的热电特性并得到相应的特性函数的基础上建立各项约束条件，通过供电量以及供冷/热量两个平衡约束条件来反应CCHP系统与原系统中电空调之间相互影响的关系，以运行费用最小为优化目标，提出了一种考虑CCHP系统与电空调之间配合问题时的系统经济运行优化模型。采用路径跟踪内点法该求解优化模型，最终得到系统的优化运行方案，包括燃气内燃机的发电计划以及电空调的运行计划。采用踪路径内点法进行求解，使计算过程大为简化，具有收敛迅速，鲁棒性强，对初值选择不敏感等优点；解决了现有CCHP的系统优化运行方法没有考虑联供系统与电空调之间的配合问题，而直接将电空调与联供系统配合使用存在的二者之间的相互影响对CCHP系统运行方案造成影响等问题，解决了如果仅考虑联供系统，则在并网不上网的情况下，由于多余电力不能上网，因此往往采用以电定热（冷）运行模式，即根据电负荷确定内燃机出力，如果联供系统制冷/热量不足则由天然气直燃补足，如果冷/热量多余，则直接排放到外部环境。而当同时考虑联供系统与电空调时，系统优化运行模式不再是简单的以电定热或以电定冷或者以热定电或以冷定电模式。由于联供系统与电空调共同承担系统的电、冷、热负荷，所以冷/热负荷一定时，联供系统的制冷/热量制约着电空调的制冷/热量，同时，联供系统的冷/热量由内燃机的可利用余热来产生，控制内燃机的出力可间接控制可利用余热量，但是在并网不上网的情况下，由于多余电量不能上网，因此内燃机的出力还受到系统电负荷的限制，从而限制联供系统的制冷/热量，进而影响电空调的制冷/热量，而电空调制冷/热量的不同又会造成系统总的电负荷变化，从而影响着内燃机的出力及外购电量的变化等问题；解决了现有技术CCHP系统优化仅仅简单的以电定热、以电定冷、以热定电或以冷定电模式存在的各种缺陷等问题。 

附图说明：

图1 为路径跟踪内点法计算流程图。

具体实施方式：

分布式冷热电联供系统的主要技术设备一般包括主机(即燃气发电动力装置)，余热利用装置(如烟气型或热水型吸收式冷温水机组、余热锅炉等)和其他辅助制冷、制热设备等。

燃气内燃机 

燃气内燃机在联供系统中的主要性能参数有发电出力、相应的燃料量以及可回收热量。燃气内燃机的输出特性受环境温度、海拔高度的影响并不明显。目前先进的稀薄燃烧发动机在环境温度到40℃前，或者海拔1500m以下可以没有功率下降。因此不计温度与海拔高度的影响。燃气内燃机模型的特性函数为：

                           （1）

式中，PGE为燃气内燃机发电出力，单位为kW；Qfuel为输入燃气内燃机的燃料热能，单位为kW；Qgas为燃气内燃机排出烟气的可利用热值，单位为kW；Qwater为缸套冷却水的可利用热值，单位为kW；PGE_min、PGE_max分别为内燃机的最小、最大发电出力，单位为kW。其他为系数常数，不同型号及不同装机容量的内燃机，各个系数有所差异，下表1中给出了某典型燃气内燃机在不同装机容量下的系数参数。

表1 典型燃气内燃机的性能参数 

余热吸收式冷温水机组、锅炉

余热吸收式冷温水机组回收废热量和制热、制冷量的关系可用制冷、制热性能系数COP来表示：

                      （2）

式中，Q_c/h为制冷/热量，单位为kW；Q_{c_min}、Q_{c_max}分别为最小、最大制冷量，单位为kW；Q_{h_min}、Q_{h_max}分别为最小、最大制热量，单位为kW；COP_c/h为制冷/制热性能系数；Q_rc、Q_rh为用于制冷/制热的可回收余热，单位为kW。

表2中给出了国内某溴化锂吸收式制冷机额定负荷下的COP值: 

表2 溴化锂收式冷温水机组的额定负荷性能系数

随着负荷偏离额定制冷/热量，余热吸收式冷温水机组的制冷/热性能系数也会有所偏离额定系数。若以负荷率β来表示实际制冷(制热)量与额定制冷(制热)量的比值，则实际运行时的性能系数COP与负荷率的关系可表示为:

           （3）

其中COP_rc、COP_rh分别为额定制冷、制热系数；COP_c、COP_h分别为实际运行时的制冷、制热系数。

锅炉的运行效率也与负荷率有关，其最佳效率区大约在额定负荷的85%～100%范围内。低于80%的负荷下运行或短时超出100%负荷运行，效率将急剧下降。部分负荷下的热效率与部分负荷率β_b的关系为： 

                     （4）

其中η_b为锅炉的实际运行效率；η_br为锅炉的额定热效率。

首先对冷热电三联供系统进行如下的假设：①忽略系统供电线路及变压器损耗；②假定燃机运行在标准工况下，忽略环境温度、燃气压力损失、背压等对内燃机和吸收式冷温水机组运行特性的影响；③不考虑热水负荷，即若系统输出的可用热量(冷量)高于建筑热(冷)负荷，多余热量直接通过废热排放换热器排至外部环境。下面以CCHP系统制冷期优化运行为例，结合上述各个设备的热电特性，建立系统优化运行的模型。供暖期的优化模型与制冷期相比，目标函数相同，考虑的约束条件有电量、供热量平衡的等式约束以及内燃机出力上下限、设备制热量上下限、联络线功率交换限值的不等式约束，优化算法同样是采取路径跟踪内点法。 

一种燃气内燃机冷热电三联供系统优化运行方法，它包括下述步骤： 

步骤1、根据冷热电三联供系统负荷预测确定系统总的电、冷热负荷需求；

步骤2、基于运行成本，以冷热电三联供系统运行费用最低建立优化运行目标；

目标函数函数的确定：

以系统运行费用最小为目标函数：

                      （5）

式中P_grid为CCHP并网联络线的交换功率，单位为kW，P_grid>0表示CCHP系统从大电网购电，P_grid<0表示CCHP系统向大电网反送电；c_g为电价，单位为元/kWh，在P_grid>0时为购电价格，在P_grid<0时为上网电价；V_fue1为单位时间内的燃气耗气量，单位为m³/h，V_fuel=3.6×Q_fuel/LHV，其中Q_fuel为燃气热能，单位为kW，LHV为低位燃料热值，单位为MJ/ Nm³；c_f为燃气价格，单位为元/Nm³；t单位为小时。

步骤3、分析冷热电三联供系统及相关电空调的运行特性，以供电量、供冷量和热量平衡作为等式约束，以内燃机出力上下限、设备制冷和热量上下限、联络线功率交换限值作为不等式约束，从而构成冷热电三联供系统经济运行优化模型； 

约束条件：

供电量平衡约束

                            （6）

式中P_load为不包含电空调负荷的系统电负荷，单位为kW；P_GE为燃气内燃机的有功功率，单位为kW；P_air为电空调的耗电功率，单位为kW；其他为系数常数。

供冷量平衡约束 

               （7）

式中Q为系统冷负荷功率需求，单位为kW；Q_air为电空调的制冷功率，单位为kW；COP_air为电空调的制冷系数，假定所有电空调具有相同的COP；Q_c表示冷温水机组实际产生的制冷量，单位为kW；COP_c为冷温水机组实际制冷系数；Q_rc为用于制冷的可回收余热，单位为kW。Q_gas为燃气内燃机排出烟气的可利用热值，单位为kW，考虑到冷温水机组不一定完全利用内燃机排除的烟气，因此有Q_rc≤Q_gas；COP_rc为冷温水机组额定制冷系数；β为冷温水机组的负荷率；Q_cN表示冷温水机组额定制冷量，单位为kW；其他为系数常数。

不等式约束有： 

                        （8）

式中Q_{air_min}，Q_{air_max}分别为分别为电空调制冷量的上下限，单位为kW；Q_{fuel_min}，Q_{fuel_max}分别为输入内燃机的燃料热能的上下限，单位为kW；Q_{c_min}，Q_{c_max}分别为分别为吸收式冷温水机组制冷量的上下限，单位为kW；P_{GE_max}为内燃机最大发电出力，单位为kW。由于在低于50%负荷率下，内燃机热效率下降明显，因此内燃机的最小出力取为满负荷功率的50%。由于该CCHP系统采取并网不上网运行模式，因此要求联络线功率只能由大电网流向CCHP系统。

从优化模型中可以看出，冷温水机组的制冷量制约着电空调的制冷量，而冷温水机组的制冷量由内燃机的可利用烟气余热来产生，控制内燃机的出力即可间接控制废烟的余热。内燃机出力大小的改变和电空调制冷量的改变又影响了外购天然气量和电量的大小。 

该优化模型中，将P_grid，P_air，P_GE，Q_c，V_fuel作为决策变量，通过燃气耗气量V_fuel与燃气热能Q_fuel之间的关系式，将约束条件中对Q_fuel的约束转换为对V_fuel的约束，通过P_air与Q_air之间的关系式，将约束条件中对Q_air的约束转换为对P_air的约束，从而该优化模型中共有3个线性等式约束，1个非线性不等式约束，5个线性不等式约束。该优化模型为非线性规划问题，采用路径跟踪内点法进行求解。 

步骤4、采用路径跟踪内点法求解该优化模型，得到冷热电三联供系统优化运行方案。 

优化算法——路径跟踪内点法 

内点法最初的基本思路是希望寻优迭代过程始终在可行域内进行，因此，初始点应取在可行域内，并在可行域边界设置障碍使迭代点接近边界时其目标函数数值迅速增大，从而保证迭代点均为可行域的内点。而对于大规模实际问题而言，寻找可行初始点往往十分困难。而跟踪路径内点法只要求在寻优过程中松弛变量及拉格朗日乘子满足简单的大于零或小于零的条件，即可代替原来必须在可行域内求解的要求，使计算过程大为简化，具有收敛迅速，鲁棒性强，对初值选择不敏感等优点，因此采用跟踪路径内点法来进行上述优化问题的求解。

利用路径跟踪内点法计算CCHP系统优化运行模型基本原理如下： 

（1）将CCHP系统优化运行问题转化为一般非线性优化模型A：

                                （9）

其中，f(x)为目标函数，x为决策变量，x=[P_grid，P_air，P_GE，Q_c，V_fuel]，h(x)=[h₁(x),…,h_m(x)]^T为等式约束，g(x)=[g₁(x),…,g_r(x)]^T为不等式约束，该优化问题中m=3，r=6。

（2）引入松弛变量l=[l₁,…l_r]^T, u=[u₁,…u_r]^T，满足u>0，l>0，将不等式约束转化为等式约束，同时把目标函数改造为障碍函数，得到优化问题B： 

              （10）

其中扰动因子（障碍常数）μ>0。当l_i或u_i（i=1,…,r）靠近边界时，以上函数趋于无穷大。因此满足以上障碍目标函数的极小值不可能在边界上找到，只能在满足u>0，l>0时才可能得到最优解。优化问题B可以直接通过拉格朗日乘子法求解。

（3）优化问题B的拉格朗日函数为： 

   （11）

其中y=[y₁,…y_m]^T，z=[z₁,…z_r]^T，w=[w₁,…w_r]^T均为拉格朗日乘子。该问题极小值存在的必要条件是拉格朗日函数对所有变量及乘子的偏导数为0：

                   (12)

式中L=diag(l₁,…l_r)，U=diag(u₁,…u_r)，Z=diag(z₁,…z_r)，W=diag(w₁,…w_r)。由式（12）中后两式，可以解得：

                         （13）

定义对偶间隙Gap为：

                              （14）

则

                               （15）

为了能够取得较好的收敛效果，扰动因子往往采用：

                        （16）

其中，σ∈（0，1）称为中心参数，一般取0.1。

（4）采用牛顿拉夫逊法求解式（12）方程组，将其线性化，并进行简单的变换，得到修正方程组： 

        （17）

式中：

  （18）

（5）求解式（17）即可得到第k次迭代的修正量。最优解的一个新的近似为：

                   （19）

式中，α_p，α_d为步长：

         （20）

采用路径跟踪内点法进行CCHP系统优化运行问题求解时，计算流程图如图1所示：

其中，初始化包括：

（1）设置松弛变量l、u，保证[l，u]^T>0；

（2）设置拉格朗日乘子z、w、y，满足[z>0,w<0,y≠0]；

（3）设置优化问题各变量的初值；

（4）取中心参数σ∈（0,1），给定计算精度ε=10^-6，迭代次数初值k=0，最大迭代次数K_max=50。

通过计算，最终得出冷热电三联供系统最优运行方法。