综合能源系统动态冷热电成本研究

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传统能源供应系统能效较低、碳排放较大,而分布式冷热电联供综合能源系统(integrated energy system,IES)以其多能互补,高效用能的特性而备受关注。IES系统研究的关键问题之一就是多能流耦合引起的成本分摊问题。成本分摊研究通常采用热量法或实际焓降法,这类分摊方法仅重视“量”上的影响,忽略了能量品位(“质”)差异对产品成本的影响。热经济学分析方法能同时考虑能量的“质”与“量”对产品成本的影响,统一量化不同能量的品质差异。现有热经济学成本分摊研究主要集中在工业领域的多联产系统产品的静态成本研究,其系统设备大多处于稳态运行工况。然而,对于建筑领域的综合能源系统,用户侧冷热电负荷需求的动态变化导致设备可能处于部分负荷工况运行,从而引起产品成本的动态变化。此外,在光伏发电技术和储能技术在综合能源系统大力应用的背景下,由于光伏发电的随机性以及储能装置调度的周期性,不仅增加了综合能源系统能流耦合数,而且使系统调度周期内各个时段的冷热电成本互相影响和制约,这极大地增加了系统产品成本分摊的复杂性。目前鲜有研究分析含光伏和储能的综合能源系统在变负荷工况下的动态成本分摊,为此,本文建立了含光伏和储能的综合能源系统动态热经济学模型,实现了动态负荷下光伏系统及储能装置对综合能源系统冷热电成本分摊影响的分析。利用新提出的模型与方法进行案例研究,主要研究内容及结果如下:首先,引入了热经济学理论,详细介绍了热经济学研究的基本思路和热经济学成本相关概念,对比了现有热经济学分析方法总结出各方法之间的优劣及适用性。以简单朗肯循环为例,采用矩阵热经济学分析法作为产品静态成本计算方法,揭示了矩阵模式热经济学分析方法的核心。其次,以浙江省某综合能源系统作为项目背景进行冷热电静态成本分析,通过矩阵模式热经济学成本分摊模型计算了综合能源系统冷热电产品静态成本,其单位冷热电成本分别为0.33、0.29、0.69(元/k W.h)。通过改变燃气价格和设备折旧年限进行产品成本的敏感性分析,结果表明:电成本和热成本对燃气价格的波动较为敏感,冷成本则对折旧年限变化较为敏感,当折旧年限由10年变化为20年时,溴化锂机组制冷单位成本下降幅度最大,下降值为14%,主要原因是组成电热产品的能量成本占比较高,而组成冷产品的非能量成本占主导地位。最后,建立了综合能源系统动态热经济学成本分摊模型,以绍兴市某酒店综合能源系统为项目背景,将系统分为不含光伏及储能,含光伏不含储能以及含有光伏和储能三种工况。通过系统储冷装置冷量分布图及充放能冷成本关联图揭示了储能装置调度周期内各时刻冷热电成本的联系,利用所提模型计算了动态负荷下综合能源系统不同工况的冷热电成本。结果表明:在夏季典型日,相较于工况1和工况2,工况3的单位冷热成本及单位平均成本均有所下降,其中,单位平均成本分别降低了15.3%和6.7%,这是由于光伏组件通过充分利用可再生能源而极大地降低了单位电成本,此外,储冷装置有利于燃气内燃机余热的消纳,从而降低了系统的单位冷热成本。多能流耦合的综合能源系统产品成本分摊是综合能源服务的关键技术问题,合理的产品成本分摊不仅关乎能源运营商的切身利益,也与用户的用能行为密切相关。本研究可为综合能源系统产品的实时定价及系统优化设计与运行提供理论基础。
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