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，Pe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)
联立方程组化简，得Pe的判别式Ⅱ：
(4)
式中，he为燃气发电机组全年满负荷运行时间;P1为光伏年发电量;P2为燃气发电机组年发电量;P3为能源微网年自用电量;Q1为CCHP余热年供冷量;Q2为电制冷机年供冷量;H1为CCHP余热年供热量;H2为燃气锅炉年供冷量;其他符号意义见表1。
3、判别式Ⅲ
在满足用户全部冷热需求的条件下(不考虑电力需求时)，并网型能源微网的年运营成本CGCMG不小于传统分供系统(separation production, SP)的年运营成本CSP1：
(5)
GCMG的年运营成本CGCMG计算公式为：
(6)
SP的年运营成本CSP1计算公式为：
(7)
联立方程组化简，得Pe的判别式Ⅲ：
(8)
式中，CIN为GCMG的年均初投资成本;CINSP为SP的年均初投资成本;COM为GCMG的年运行维护成本;COMSP为SP的年运行维护成本;B为GCMG的年用燃气总量;B1为CCHP年用燃气量;B2为燃气锅炉年用燃气量;BSP为SP的年用燃气总量;PSP为SP的年用电量;R为投资回收系数;其他符号意义见表1。
4、判别式Ⅳ
依据经验，除了系统内部自用电外，并网型能源微网的全年供电量不应大于用户全年用电量的70%，且不宜大于50%，即kp≤0.7(0.5)：
(9)
联立方程组化简，得Pe的判别式Ⅳ：
(10)
5、判别式Ⅴ
在满足用户全部冷热需求及部分电力需求的条件下，并网型能源微网的年运营成本CGCMG不超过传统分供系统(separation production, SP)的年运营成本CSP2：
(11)
联立方程组化简，得Pe的判别式Ⅴ：
(12)
其中，
。
6、判别式Ⅵ-Ⅷ
根据电价及用能负荷特点，取he0为燃气发电机组的全年运行时间，代入判别式Ⅱ和Ⅲ，求的Pe最小值，取最小值中的较大者得判别式Ⅳ：
(13)
依据判别式Ⅰ、Ⅳ和Ⅴ，求的Pe最大值，取最大值中的较小者得判别式Ⅶ：
(14)
由此可得Pe的取值范围为[Pemin，Pemax]。
根据电能自发自用、余热利用最大化、冷热电平衡的原则，由判别式Ⅳ和Ⅶ求得中值Peavg，从而解得了燃气发电机组的最佳容量，即判别式Ⅷ为：
(15)
一般项目计算中ka、kq、kh、r、k、kOM、kH、ke、kQ、kp、ηb为定值(见表1)，则常数a~f的简化公式为：
(16)
3.2 约束条件
1、燃气发电机组总容量一般小于基本电负荷，并大于一级电负荷(不可间断电负荷)。
2、在具体项目分析时，热泵可与燃气锅炉、电制冷机作为调峰机组统一考虑。
3、燃气内燃机理论总效率一般约为85%~90%，只有在实际有效利用率达到80%以上时，才能满足国家标准的相关要求：CCHP年平均能源综合利用率应大于70%，且年满负荷运行小时数不应小于3000小时。
约束条件的表达式为：
(17)
3.3 计算方法
本文采用EXCEL编程求解。由已知条件，得出a~f，根据电价及用能负荷特点，取he0为燃气发电机组的全年运行时间，代入数学模型，解得Pemax、Pemin、Peavg，将Peavg与原方案对比，相对误差不超过10%的视为合理，反之不合理。
表1 优化模型的计算参数及结果
Table1 The calculation parameters and results of optimization model
4 应用分析
本文选取6个项目进行分析，计算参数和结果见表1，并与原方案进行对比。结果发现：1)判别式Ⅰ和Ⅷ均可用于校核CCHP的合理性，得到的Pe基本上都比原方案的小，说明原方案未能充分发挥CCHP满负荷高效运行的经济潜力，余热利用率较低。2)判别式Ⅰ是一个简单的经验公式，对不同负荷特征的项目无法区别判断，对一些民用建筑类项目估算过高，对热(冷)电比较大(约大于4)的项目不适用。3)Peavg与设计电负荷之比的平均值小于30%。4)判别式Ⅷ适用于不同负荷特征的项目，也适用于发电并网上网模式。5)联合判别式Ⅵ和Ⅶ可得Pe的取值范围，可用于机组选型。6)判别式Ⅵ得到Pe的最小值，可用于判断单台燃气发电机组容量的合理性。7)对于以热定电且并网上网的单个工业企业类项目，热电比大，且用电负荷小，远远无法消纳CCHP所发的电力，因此本文优化模型不适用。该类项目应尽量减少发电机组容量，或者就近发展电力直供。
判别式Ⅰ适用于已知小时负荷而未知年用能量的情况。判别式Ⅷ适用于小时负荷和年用能量均已知的情况。当已知全年逐时负荷时，可得出基本负荷，燃气发电机组容量则按最小的基本冷、热或电负荷配置，使CCHP可以最长时间满负荷高效运行。依据判别式Ⅵ~Ⅷ，结合市场上成熟设备，可以对燃气发电机组的数量进行优化配置，且不宜超过4台，并根据负荷的增长情况分步建设。从而简单快速的实现了对并网型能源微网的优化配置，如图3所示。
图3 并网型能源微网的优化模型
Fig. 3 Optimization model of grid-connected energy microgrid
5 结论
目前，我国不少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。特别是在顶层设计阶段，当用户负荷难以准确预测、无法合理确定基本负荷时，再加上对能源微网量体裁衣特性以及CCHP的认知不足，没有正确遵循电能自发自用、余热利用最大化的原则，常常导致了规划方案不合理，建设规模过大，初投资过高，资源不匹配，供需发展不平衡，宝贵天然气得不到高效利用，最终造成了项目实施过程的复杂和困难，而已建成的项目则远远达不到预期的经济效益。
本文总结分析了GCMG量体裁衣的基本特征，根据CCHP的电能自发自用、余热利用最大化的原则，结合多年实践经验，提出了一种简单有效的定性与定量相结合的综合分析方法，构建了GCMG的优化配置模型，建立了CCHP的优化数学模型，从而得出了燃气发电机组的最佳匹配容量范围，所有初始计算参数都相对容易获取，适用于各种负荷场景，对各类能源微网、天然气分布式能源项目均适用，可以合理确定GCMG的总体建设方案，从源头上掌控项目的全生命周期过程，能够最大限度地避免项目失败、提高灵活操作性、降低初投资、高效配置资源和增加经济效益，具有极强的通用性和实用性，对并网型能源微网、天然气多联供项目的规划与实施具有重要的参考价值。
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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)
韦尚正（1984-），男，壮族，广西贺州人，工程师，华北电力大学（北京）热能工程专业硕士研究生毕业，热能专业工程师，从事智慧能源工作。
