基于源—荷—储协同的多能互补综合能源系统配置及调度策略研究

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由二氧化碳排放引起的全球气候变化对人类生产生活的影响日趋严重。可再生能源作为实现净零排放能源转型目标的支柱,代替传统化石能源已经成为必然趋势。综合能源系统具有多能互补、高效集成、灵活稳定以及低碳环保等优势,在满足用能侧多种能源需求的同时合理调度供能侧资源,有效消纳可再生能源,形成源-荷-储动态平衡的现代能源系统。多能互补的综合能源系统包含多种设备装置,具有较高的结构复杂度。这些设备相互依赖并共同作用,如果配置不当,容易引发系统效率降低、能源与负载失衡以及能源损耗等问题。本文以兰州市典型建筑为研究对象,通过建立基于源-荷-储协同的多能互补综合能源系统数学模型,结合“双碳”目标以及分时电价政策,对系统运行策略、容量配置、全年运行性能进行分析研究,采用多属性评价指标对典型气候区的四座城市进行系统地域性分析。本文主要研究工作如下:(1)选取兰州新区某商住一体典型建筑为研究对象,依据建筑围护结构参数以及环境气候特征,用负荷计算软件De ST模拟该建筑全年逐时冷、热、电负荷,在考虑自来水温度、用户生活热水用量及使用习惯等因素的前提下,计算了全年逐时的生活热水负荷。(2)依据兰州商住一体典型建筑的负荷特性,充分考虑地区气候环境、用户用能特点及当地可再生能源情况等,以满足用户冷、热、电多层次用能需求为前提,结合太阳能光伏发电、空气源热泵、地源热泵、储能等技术装备,通过供需侧及设备运行等约束,在Visual Studio C++软件中构建基于源-荷-储协同的多能互补综合能源系统仿真模型;根据电网峰谷平电价结合太阳能光伏发电特性,确定分时电价政策下系统分阶段运行策略。(3)结合综合能源系统全工况数学模型,各子设备能量运行特性以及用户用能习惯,确定系统主要设备的容量配置,详细分析综合能源系统全年及典型日的运行特性。结果表明,选用4800块峰值功率415W光伏板、458块3Ah储能电池、13.6k W的喷气增焓式空气源热泵8台,2台额定功率为8.5k W的地源热泵机组、50m~3的蓄热器以及5台额定热输出166k W燃气锅炉可较好的满足兰州典型建筑负荷。以传统电网供电、热电联产集中供暖的分供系统作为参照,分析了综合能源系统在兰州地区的热力、环境及经济性能表现。结果表明,综合能源系统全年一次能源利用率年平均值相较于分供系统提高了29.04%,可减排CO2量1905.19t,CO2减排率为41.62%。全年及典型日热力、环境效益全面优于分供系统,由于储能电池的加入,典型日平谷电价时段的一次能源节约率及CO2减排率较小。综合能源系统全年净收益为41.59万元,静态投资回收期为12.09年。(4)选取兰州、呼和浩特、广州和南京四座典型城市进行系统地域性分析,得出以下结论:不同容量配置和分时电价政策下的基于源-荷-储协同的多能互补综合能源系统在满足用户各种能源需求的同时,对用户负荷进行削峰填谷,具有良好经济效益的同时缓解电网峰值供电压力。综合能源系统在呼和浩特的环境、经济性能最优,在广东具有最高的一次能源节约率。合理配置光伏板以及热泵数量可对系统热力及环境效益有较大提升;在可接受的初投资范围内,提高储能电池容量可有效提高系统经济性能。
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