含电热联合系统的微电网运行优化_李正茂
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第 35 卷 第 14 期 2015 年 7 月 20 日
中国电机工程学报 Proceedings of the CSEE
Vol.35 No.14 Jul. 20, 2015 ©2015 Chin.Soc.for Elec.Eng. 3569
DOI：10.13334/j.0258-8013.pcsee.2015.14.011 文章编号：0258-8013 (2015) 14-3569-08 中图分类号：TM 73
基金项目：国家自然科学基金项目(51307101，51177091)；山东省 优秀中青年科学家科研奖励基金(BS2013NJ011)。
Project Supported by National Natural Science Foundation of China (51307101, 51177091); Science and Technology Foundation for Middle-aged and Young Scientist of Shandong Province (BS2013NJ011).
针对上述问题，本文综合考虑分布式发电机组 的出力特性、启停及爬坡等运行约束及电热储能的 充放电特性，建立一个包含风机、光伏电池、热电 联产系统、电锅炉、燃料电池和储能(电储能和热储 能)系统的微电网电热联合调度模型，采用 Cplex 优 化软件求得了网内各单元最佳出力及总运行成本， 并与传统的分产和联产优化模型进行了电热调度 的对比分析。结果表明：联合调度模型能够实现电 热统一调度并降低微电网的运行成本。
1.4 储能系统
储能(energy storage，ES)系统能够时间上解耦
能量的生产与消耗[13]，从而实现能量跨时段转移并
协调网内“源–荷”间的不均衡。电热联合调度模
型中储能主要包括电储能和热储能。
微电网经济调度中电储能可实现电负荷削峰
填谷并减少运行成本，其主要包括能量型(如蓄电池)
ABSTRACT: Along with the rapid development of energy internet and the closer relationship between power and heat, this paper proposed the combined heat and power dispatch model for regional grid-connected microgrid. Taking into consideration energy storage, time-of-use (TOU) electricity price and timing sequence characteristics of different types of load and distributed generators, a microgrid consisting of a wind turbine, a photovoltaic, a combined heat and power system, an electric boiler, a fuel cell and an energy storage system was selected. The optimization method based on the Cplex software was employed to obtain the optimal costs and operation modes of the microsources in the scheduling period, and then compared the model with two traditional methods of scheduling. The simulation results indicat that the proposed model could balance the power and heat output and decrease the operation costs. This model can serve as references for the development of energy internet and power and heat scheduling.
1 微电网内常见单元的数学模型
1.1 典型微电网结构 本文电热联合调度型微电网的结构配置及能
量流向如图 1 所示。网内主要包含风机(wind turbine，WT)、光伏(photovoltaic cell，PV)、微燃机 (micro turbine，MT)、电锅炉(electric boiler，EB)、 燃料电池(fuel cell，FC)、电储能(electrical energy
针对微电网电热调度的研究，多以优化微电网 经济运行、提高一次能源利用率为主。文献[5-7]均 以一个包含可再生能源、电储能、热电联产系统等
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中国电机工程学报
第 35 卷
的微电网为研究对象，分析了计及网内折旧、维护 和热电联产燃料成本等总成运行本下各单元的最 佳出力。文献[8]在典型冷热电联供系统基础上，提 出了微电网母线式结构并设计了调度的模型构架。 在该构架中，对由电气、热水、空气与微电源及电 热负荷联接形成的微电网中各设备进行建模并求 解其最佳运行方式。文献[9]对包含热电联产系统的 微电网从气–电–热层面上建模，并以微电网运行成 本及一次能源利用率为指标单独研究了各单元的 最佳机组组合及出力。文献[10]在分时电价以及微 电网并网运行下，建立了包含光伏、风电和热电联 供系统等单元的微电网优化模型，并分析了热电联 供系统较分产系统的经济节能作用。文献[11]在当 前电力市场下建立了电热调度模型，以减少微电网 总运行成本及联络线功率波动为目标，优化了各单 元出力，并采用多场景生成技术进行统一比较。以 上文献在微电网运行及电热调度方面取得了一定 进展，但通过阅读并比较此类文献，发现在电热调 度过程中，有 2 个问题相对突出：
第 14 期
李正茂等：含电热联合系统的微电网运行优化
3571
因而其被广泛应用于微电网中。电锅炉可在电价引 导下配合热电联产系统满足热负荷需求并增加谷 时段用电量，因此引入电锅炉可实现电热转换并对 电热负荷进行峰谷协调。其出力模型[4]为
QEB (t) = PEB (t)ηah
(4)
式中：PEB(t)和 QEB(t)分别为时段 t 电锅炉用电和制 热功率；ηah 为电锅炉电热转换效率。电锅炉所耗 电能作为微电网用电负荷统一调度。
中压配电网
光伏电池
PCC
热
燃料电池
电
联
产
系 统
溴冷机 微燃机
微电网中央 控制器
电锅炉 电储能
电负荷 热负荷 热储能
风机
电力传输线
热力传输线
通信与控制网络线
图 1 典型微电网结构图
Fig. 1 Schematic diagram of a typical microgrid
storage，EES)和热储能(heat storage，HS )等单元。 中压配电网电压为 10 kV，微电网电压为 0.38 kV， 微电网与配电网由联络线进行电能交互，且网内各 单 元 均 由 微 电 网 中 央 控 制 器 (microgrid central controller，MGCC)进行统一控制和信息传达。 1.2 热电联产系统
含电热联合系统的微电网运行优化
李正茂，张峰，梁军，贠 志皓，张俊
(电网智能化调度与控制教育部重点实验室(山东大学)，山东省 济南市 250061)
Optimization on Microgrid With Combined Heat and Power System
LI Zhengmao, ZHANG Feng, LIANG Jun, YUN Zhihao, ZHANG Jun
QMT (t)
=
PMT (t)(1 −ηMT (t) ηMT (t)
−ηL )
(1)
QMT−h (t) = QMT (t)ηhCOPh
(2)
式中：QMT(t)、PMT(t)和ηMT(t)为时段 t 微燃机的排 气余热量、电功率和发电效率；ηL 为散热损失率； QMT-h(t)为时段 t 溴冷机制热量；COPh 和ηh 分别为溴 冷机的制热系数和烟气回收率。
关键词：能源互联网；电热联合；微电网；经济调度；储能 系统
0 引言
随着社会能源结构的调整、电力系统的发展及 储能技术的日益成熟，蓄电池及超级电容等电储能 设备被大量应用到电力系统中以提高新能源渗透 率并实现对电能的削峰填谷[1]。本质上，一切能量 (如电能、热能和机械能等)的存储均可被称为储能， 但目前储能在电力系统中的应用实际上仅限于电 能的存储，即电能转换为其他形式的能量并在需要 时转换为电能回馈到电力系统中去。因此，电力系 统中的储能应用大大局限了储能技术的使用范畴。 而包括电力系统、热力系统和燃气系统等在内的供 能系统，目前均为各自规划、单独设计、独立运行， 出现问题时也都在各系统内单独解决，系统间缺乏 协调，不利于从全社会总能源供应的层面实现清 洁、高效、可靠的目标[2]。
(Key Laboratory of Power System Intelligent Dispatch and Control (Shandong University), Ministry of Education, Jinan 250061, Shandong Province, China)
KEY WORDS: energy internet; combined heat and power; microgrid; economic dispatch ; energy storage system
摘要：在当前能源互联网迅速发展及电热联系日渐紧密的环 境下，提出基于电热联合调度的区域并网型微电网运行优化 模型。综合网内储能特性、分时电价、电热负荷与分布式电 源的时序特征，以包含风机、光伏电池、热电联产系统、电 锅炉、燃料电池和储能系统的并网型微电网为例，采用 Cplex 优化软件求得调度周期内各微电源最佳出力及总运行成本， 并与两种常见电热调度方式进行比较。仿真算例表明：联合 调度模型能实现电热统一协调调度并降低微电网运行成本。 该模型可为电热之间能源互联及规划运营提供参考。
时段 t 微燃机燃料成本[12]为
CMT
(t
)
=
CCH 4
PMT ηMT (t)
(t ×
)Δt LHVΒιβλιοθήκη Baidu
NG
(3)
式中：Δt 为单位调度时间；CMT(t)为时段 t 微燃机 的燃料成本；CCH4为天然气单价，取 2.5 元/m3；LHVNG 为天然气低热值，取 9.7 kW·h/m3。
1.3 电锅炉
电锅炉安装简单、控制灵活且维修更换方便，
2013 年 8 月，国家电网积极倡导“以电代煤、 以电代油、电从远方来”的能源消费新模式，同时， 随着能源互联网发展及电气化水平的提高，电能转 化为热能消耗的比例将越来越大[2-3]，电、热系统的 联系也将日渐紧密。综合考虑电能“易传输、难存 储”而热能“易存储、难传输”的互补性特征，在 区域型微电网的电、热力系统间加入储能及电热转 换单元从而对电热联合调度，可更好地匹配可再生 能源出力及电热负荷的峰谷特性，从而总体提高能 源系统可控性[4]。
热电联产(combined heating and power，CHP) 系统的核心装置为微型燃气轮机和溴冷机。天然气 燃烧时的高品位热能做功驱动微燃机发电，所排出 的高温余热烟气经溴冷机后用于取暖及供应生活 热水。选取 Capstone 公司的 C65 型微燃机，则忽略 外界环境变化对发电、燃料燃烧效率的影响，其热 电关系数学模型为
1）传统电热分产系统电热之间完全独立，不 利于实现电热负荷的统一协调调度。
2）热电联产系统运行方式较为局限。传统热 电联产均工作在“以热定电”的模式，微燃机等微 电源出力完全跟踪热负荷，无法自主地参与到电能 调度中去，因而极大地限制了其应用。随着日益增 加的电热峰谷差，该方式已不能很好的满足电热调 度的要求[5,7-8,10]。
中国电机工程学报 Proceedings of the CSEE
Vol.35 No.14 Jul. 20, 2015 ©2015 Chin.Soc.for Elec.Eng. 3569
DOI：10.13334/j.0258-8013.pcsee.2015.14.011 文章编号：0258-8013 (2015) 14-3569-08 中图分类号：TM 73
基金项目：国家自然科学基金项目(51307101，51177091)；山东省 优秀中青年科学家科研奖励基金(BS2013NJ011)。
Project Supported by National Natural Science Foundation of China (51307101, 51177091); Science and Technology Foundation for Middle-aged and Young Scientist of Shandong Province (BS2013NJ011).
针对上述问题，本文综合考虑分布式发电机组 的出力特性、启停及爬坡等运行约束及电热储能的 充放电特性，建立一个包含风机、光伏电池、热电 联产系统、电锅炉、燃料电池和储能(电储能和热储 能)系统的微电网电热联合调度模型，采用 Cplex 优 化软件求得了网内各单元最佳出力及总运行成本， 并与传统的分产和联产优化模型进行了电热调度 的对比分析。结果表明：联合调度模型能够实现电 热统一调度并降低微电网的运行成本。
1.4 储能系统
储能(energy storage，ES)系统能够时间上解耦
能量的生产与消耗[13]，从而实现能量跨时段转移并
协调网内“源–荷”间的不均衡。电热联合调度模
型中储能主要包括电储能和热储能。
微电网经济调度中电储能可实现电负荷削峰
填谷并减少运行成本，其主要包括能量型(如蓄电池)
ABSTRACT: Along with the rapid development of energy internet and the closer relationship between power and heat, this paper proposed the combined heat and power dispatch model for regional grid-connected microgrid. Taking into consideration energy storage, time-of-use (TOU) electricity price and timing sequence characteristics of different types of load and distributed generators, a microgrid consisting of a wind turbine, a photovoltaic, a combined heat and power system, an electric boiler, a fuel cell and an energy storage system was selected. The optimization method based on the Cplex software was employed to obtain the optimal costs and operation modes of the microsources in the scheduling period, and then compared the model with two traditional methods of scheduling. The simulation results indicat that the proposed model could balance the power and heat output and decrease the operation costs. This model can serve as references for the development of energy internet and power and heat scheduling.
1 微电网内常见单元的数学模型
1.1 典型微电网结构 本文电热联合调度型微电网的结构配置及能
量流向如图 1 所示。网内主要包含风机(wind turbine，WT)、光伏(photovoltaic cell，PV)、微燃机 (micro turbine，MT)、电锅炉(electric boiler，EB)、 燃料电池(fuel cell，FC)、电储能(electrical energy
针对微电网电热调度的研究，多以优化微电网 经济运行、提高一次能源利用率为主。文献[5-7]均 以一个包含可再生能源、电储能、热电联产系统等
3570
中国电机工程学报
第 35 卷
的微电网为研究对象，分析了计及网内折旧、维护 和热电联产燃料成本等总成运行本下各单元的最 佳出力。文献[8]在典型冷热电联供系统基础上，提 出了微电网母线式结构并设计了调度的模型构架。 在该构架中，对由电气、热水、空气与微电源及电 热负荷联接形成的微电网中各设备进行建模并求 解其最佳运行方式。文献[9]对包含热电联产系统的 微电网从气–电–热层面上建模，并以微电网运行成 本及一次能源利用率为指标单独研究了各单元的 最佳机组组合及出力。文献[10]在分时电价以及微 电网并网运行下，建立了包含光伏、风电和热电联 供系统等单元的微电网优化模型，并分析了热电联 供系统较分产系统的经济节能作用。文献[11]在当 前电力市场下建立了电热调度模型，以减少微电网 总运行成本及联络线功率波动为目标，优化了各单 元出力，并采用多场景生成技术进行统一比较。以 上文献在微电网运行及电热调度方面取得了一定 进展，但通过阅读并比较此类文献，发现在电热调 度过程中，有 2 个问题相对突出：
第 14 期
李正茂等：含电热联合系统的微电网运行优化
3571
因而其被广泛应用于微电网中。电锅炉可在电价引 导下配合热电联产系统满足热负荷需求并增加谷 时段用电量，因此引入电锅炉可实现电热转换并对 电热负荷进行峰谷协调。其出力模型[4]为
QEB (t) = PEB (t)ηah
(4)
式中：PEB(t)和 QEB(t)分别为时段 t 电锅炉用电和制 热功率；ηah 为电锅炉电热转换效率。电锅炉所耗 电能作为微电网用电负荷统一调度。
中压配电网
光伏电池
PCC
热
燃料电池
电
联
产
系 统
溴冷机 微燃机
微电网中央 控制器
电锅炉 电储能
电负荷 热负荷 热储能
风机
电力传输线
热力传输线
通信与控制网络线
图 1 典型微电网结构图
Fig. 1 Schematic diagram of a typical microgrid
storage，EES)和热储能(heat storage，HS )等单元。 中压配电网电压为 10 kV，微电网电压为 0.38 kV， 微电网与配电网由联络线进行电能交互，且网内各 单 元 均 由 微 电 网 中 央 控 制 器 (microgrid central controller，MGCC)进行统一控制和信息传达。 1.2 热电联产系统
含电热联合系统的微电网运行优化
李正茂，张峰，梁军，贠 志皓，张俊
(电网智能化调度与控制教育部重点实验室(山东大学)，山东省 济南市 250061)
Optimization on Microgrid With Combined Heat and Power System
LI Zhengmao, ZHANG Feng, LIANG Jun, YUN Zhihao, ZHANG Jun
QMT (t)
=
PMT (t)(1 −ηMT (t) ηMT (t)
−ηL )
(1)
QMT−h (t) = QMT (t)ηhCOPh
(2)
式中：QMT(t)、PMT(t)和ηMT(t)为时段 t 微燃机的排 气余热量、电功率和发电效率；ηL 为散热损失率； QMT-h(t)为时段 t 溴冷机制热量；COPh 和ηh 分别为溴 冷机的制热系数和烟气回收率。
关键词：能源互联网；电热联合；微电网；经济调度；储能 系统
0 引言
随着社会能源结构的调整、电力系统的发展及 储能技术的日益成熟，蓄电池及超级电容等电储能 设备被大量应用到电力系统中以提高新能源渗透 率并实现对电能的削峰填谷[1]。本质上，一切能量 (如电能、热能和机械能等)的存储均可被称为储能， 但目前储能在电力系统中的应用实际上仅限于电 能的存储，即电能转换为其他形式的能量并在需要 时转换为电能回馈到电力系统中去。因此，电力系 统中的储能应用大大局限了储能技术的使用范畴。 而包括电力系统、热力系统和燃气系统等在内的供 能系统，目前均为各自规划、单独设计、独立运行， 出现问题时也都在各系统内单独解决，系统间缺乏 协调，不利于从全社会总能源供应的层面实现清 洁、高效、可靠的目标[2]。
(Key Laboratory of Power System Intelligent Dispatch and Control (Shandong University), Ministry of Education, Jinan 250061, Shandong Province, China)
KEY WORDS: energy internet; combined heat and power; microgrid; economic dispatch ; energy storage system
摘要：在当前能源互联网迅速发展及电热联系日渐紧密的环 境下，提出基于电热联合调度的区域并网型微电网运行优化 模型。综合网内储能特性、分时电价、电热负荷与分布式电 源的时序特征，以包含风机、光伏电池、热电联产系统、电 锅炉、燃料电池和储能系统的并网型微电网为例，采用 Cplex 优化软件求得调度周期内各微电源最佳出力及总运行成本， 并与两种常见电热调度方式进行比较。仿真算例表明：联合 调度模型能实现电热统一协调调度并降低微电网运行成本。 该模型可为电热之间能源互联及规划运营提供参考。
时段 t 微燃机燃料成本[12]为
CMT
(t
)
=
CCH 4
PMT ηMT (t)
(t ×
)Δt LHVΒιβλιοθήκη Baidu
NG
(3)
式中：Δt 为单位调度时间；CMT(t)为时段 t 微燃机 的燃料成本；CCH4为天然气单价，取 2.5 元/m3；LHVNG 为天然气低热值，取 9.7 kW·h/m3。
1.3 电锅炉
电锅炉安装简单、控制灵活且维修更换方便，
2013 年 8 月，国家电网积极倡导“以电代煤、 以电代油、电从远方来”的能源消费新模式，同时， 随着能源互联网发展及电气化水平的提高，电能转 化为热能消耗的比例将越来越大[2-3]，电、热系统的 联系也将日渐紧密。综合考虑电能“易传输、难存 储”而热能“易存储、难传输”的互补性特征，在 区域型微电网的电、热力系统间加入储能及电热转 换单元从而对电热联合调度，可更好地匹配可再生 能源出力及电热负荷的峰谷特性，从而总体提高能 源系统可控性[4]。
热电联产(combined heating and power，CHP) 系统的核心装置为微型燃气轮机和溴冷机。天然气 燃烧时的高品位热能做功驱动微燃机发电，所排出 的高温余热烟气经溴冷机后用于取暖及供应生活 热水。选取 Capstone 公司的 C65 型微燃机，则忽略 外界环境变化对发电、燃料燃烧效率的影响，其热 电关系数学模型为
1）传统电热分产系统电热之间完全独立，不 利于实现电热负荷的统一协调调度。
2）热电联产系统运行方式较为局限。传统热 电联产均工作在“以热定电”的模式，微燃机等微 电源出力完全跟踪热负荷，无法自主地参与到电能 调度中去，因而极大地限制了其应用。随着日益增 加的电热峰谷差，该方式已不能很好的满足电热调 度的要求[5,7-8,10]。