含压缩空气储能的冷热电联供微网优化设计与运行控制研究

发布时间：2020-06-15 13:38

【摘要】：在能源危机与环境问题的双重压力下,改革传统供能系统,建立高效、环保的新型供能方式已上升为各国的能源发展战略。基于能量梯级利用原理的冷热电联供微网以节能减排为目标,且有助于实现分布式可再生能源的高效利用,是综合能源系统的核心组成部分,极具发展前景。然而,高比例可再生能源渗透、多种能量流相互耦合,使其优化设计与高效运行控制面临极大的挑战。压缩空气储能作为集冷、热、电多维能量接口的新型混合储能系统与冷热电联供微网结合,二者优势互补、相得益彰。以压缩空气储能作为“桥梁”和“纽带”将间歇性可再生能源以多能耦合的形式接入冷热电联供微网,既可以平抑风、光资源的间歇性、随机性、波动性,又增强了微网中热电系统之间的关联,有利于实现内部能源的梯级利用,提高冷热电联供微网多能量联合调度的灵活性以及系统运行的经济性、清洁性和可靠性。但是,压缩空气储能具有多能流耦合、结构机理复杂、多种规律并存等特点,其接入冷热电联供微网,使新系统在结构、能流以及模态等方面发生了深刻而复杂的变化,存在大量亟需解决的科学问题与技术难题。为此,本文从系统科学视角研究冷热电功多能耦合系统的设计、能量品位关联及优化控制规律,提出含压缩空气储能的冷热电联供微网优化设计与运行控制策略,实现系统能量流合理匹配与梯级利用,以期为推动储能、分布式可再生能源和冷热电联供微网的发展提供理论支撑。首先,阐述了压缩空气储能的基本结构、运行方式以及冷热电多能流统一评价方法,剖析了效率与能量利用率随结构参数与过程参数的变化规律;进而,研究了含压缩空气储能的冷热电联供微网基本耦合方式、微网内部可控制设备运行特性以及系统能量流变化规律,分析了含压缩空气储能的冷热电联供微网运行评价指标,从而为系统的设计和运行提供基础。其次,针对含压缩空气储能的冷热电联供微网这一多能耦合系统,揭示其能量品位关联和协同转换规律;考虑其多种能量流与多品位热源并存的特点,以实现能量梯级利用和提高能源利用率为目标,从流程设计的角度优化了含压缩空气储能的冷热电联供微网的结构和工作模式,并分析了不同工作模式下的系统运行性能。基此,提出一种综合考虑系统经济性、环保性与供能可靠性的多目标优化运行策略,在不同工况下求解压缩空气储能的最优工作模式与离网型冷热电联供微网可控设备逐时调度计划。结合典型冷热电负荷及可再生能源数据,研究了耦合方式与工作模式随系统运行工况的变化规律。算例结果显示,通过对工作模式与设备调度计划的优化,系统经济效益与环保效益有明显的改善,而模式的细化和品位的合理匹配则有效增强了系统能量的梯级利用。再次,综合考虑压缩空气储能多维能量接口和储能容量大的特点,结合电力市场政策与并网冷热电联供微网新特点,提出主动储能运行策略,通过对压缩空气储能冷、热、电逐时输出(入)能量的优化,主动调节系统热电比以及与电网交互能量,实现冷热电联供微网由传统单一用户侧向分布式电源的转变,从而发挥综合能源系统核心单元的作用。进而,提出压缩空气储能-动力发电机组联合优化运行策略,进一步提升系统运行经济性、节能性和环保性。通过仿真算例,全面分析了系统在主动储能策略以及联合优化运行策略下的运行性能,对比了不同运行方式的差异,验证了所提方法的有效性;同时,考虑联合运行优化模型多目标并存、分层迭代的特点,进一步探索了目标权重系数对可控设备协同运行的影响规律。然后,针对间歇性可再生能源固有的随机性和波动性问题,提出基于运行调度、滚动优化和实时控制的多时间尺度分层运行控制方式,在平抑风、光波动,提升冷热电联供微网可再生能源消纳能力的同时,有效解决了系统异质能量流时间尺度差异问题。在运行调度层采用压缩空气储能-动力发电机组联合优化运行策略,保证系统运行的经济性、节能性与环保性。同时,在滚动优化层提出包含压缩空气储能、电池和超级电容的复合储能系统结构;针对这一新型复合储能组合形式,从瞬时频率分析的角度,设计了能量分配策略,在有效抑制可再生能源随机、波动的同时,保障了调度层优化结果的可实现性。通过仿真算例进一步研究了可再生能源波动规律,并全面分析了系统在分层运行控制策略下的性能,验证了所提运行策略有效性与可行性。最后,深入剖析了系统设计与运行之间的密切联系;摒弃传统将设计与运行分而治之的思路,提出集“设备参数-系统容量-运行策略/运行参数”三级于一体的综合设计方法,以期解决由可再生能源、多维储能接入所引发的冷热电联供微网运行模态随机多变以及由系统设计与运行不匹配所导致的效率低下等问题。结合典型负荷数据,分析了不同参数、容量下的系统运行性能,进而验证了本文所提方法的有效性和一体化设计的必要性。同时,以一体化设计方法为指导思想,设计含压缩空气储能的多能互补CCHP微网试验系统,并优化其中关键参数。总而言之,本文研究成果对压缩空气储能及其接入CCHP微网的系统设计与运行控制提出了行之有效的手段和方法,对推动储能及分布式能源的发展具有重要的理论价值。
【学位授予单位】：山东大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TM732;TU83
【图文】：

山东大学博士学位论文逡逑决方案［３７］。含压缩空气储能的ＣＣＨＰ微网结构示意如图１－１所示：逡逑．邋■￣｜｜－逦逡逑电动ｉ逦发电机Ｌ邋：电；垂４邋１￥！机［逡逑＇．？ｎａ逦！逦Ｉ蓄电池风电邋４ａ？ｒ彟．：峰逡逑冷热电负荷逡逑－」透平；冷能接口！逦－：．著Ａ逦ｊｆＭ逡逑｜逦悐＂命逡逑图１－１含压缩空气储能的ＣＣＨＰ微网示意图逡逑充分利用压缩空气储能集冷、热、电多能接口优势，以其作为“桥梁”和“纽逡逑带”，将可再生能源以多能互补的形式接入ＣＣＨＰ微网，既能够有效平抑风、光资逡逑源的间歇性、随机性与波动性，又能够增强ＣＣＨＰ微网中异质能流之间的关联，逡逑有利于改善热力系统设备工况、加强系统能量梯级利用，从而提高系统热电调节的逡逑灵活性以及运行的经济性、清洁性和可靠性。然而，压缩空气储能作为多能流并存逡逑的总能系统，结构与运行机理复杂，多种规律并存且相互作用，具有参（变）量繁逡逑多、非线性、强耦合、不确定、多层次等特点，其接入ＣＣＨＰ微网，使新系统在结逡逑构、能量流以及运行模态等方面发生了深刻复杂的变化

国外应用较为成功的冷热电联供系统包括建于日本仙台的分布式供能逡逑系统、德国科隆机场的联供系统、美国加州大学圣迭戈分校的联供系统、英国曼彻逡逑斯特机场冷热电联供系统以及意大利都灵冷热电联供系统，如图１－２所示：逡逑■邋４灥y�逡逑（ａ）日本仙台逦（ｂ）德国波恩机场逦（ｃ）意大利都灵逡逑图１－２国外典型分布式供能系统逡逑（２）国内冷热电联供技术应用现状逡逑我国在冷热电联供及分布式发电技术方面的研究起步较晚，从２０世纪９０年逡逑代起有了一定的发展，但规模距离发达国家仍有较大的差距［４６４７］。近年来，为满足逡逑能源转型的需求，国家推出一系列政策以激励分布式ＣＣＨＰ微网的发展。《可再生逡逑６逡�

本文编号：2714493