引言冷热电联供(CCHP)系统的能源利用率高、供给模式较为灵活，目前已成为提升解决能源利用率，解决环境污染与碳排放，提高经济社会效益的重要手段[1-2]。CCHP系统是典型的多级物质流、能量流和信息流统一的复杂能源系统，联供系统功能设备配置的合理性以及运行策略的合理性对整个系统的经济和社会效益具有直接影响。文献[3]-文献[5]分析不同方法对联供系统的设备配置优化，发现运行策略的侧重点各有不同。文献[6]对含有多种电源的微电网系统，提出考虑不同优先等级的发电运行控制技术。文献[7]在对微燃机、吸收式溴化锂制冷机等能源设备进行非线性建模的基础上，建立CCHP优化调度问题，采用基于Hessian矩阵迭代的内点法对非线性模型优化求解。文献[8]回顾国内外CCHP系统建模研究现状，通过建模目的、建模层次和建模方法的分析，重点讨论基于CCHP系统的整体运行模型，对典型设备建模方法加以阐述。文献[9]提出一种新分层调度算法，将计划层和实时层实施双层协调优化调度，以解决微电网并网实时能量优化调度的问题。文献[10]-文献[11]计及风光出力和受控负荷的不确定性，提出考虑受控负荷响应功率不确定性的直接负荷控制模型，并进行线性模型的优化求解。上述文献主要区别集中在系统建模方法、负荷预测的不确定性处理、优化目标设置、优化求解方法等方面，系统结构以三联供为主，未包括冰蓄冷在内的冷群系统优化。文献[12]以淮安某办公建筑冰蓄冷空调系统作为研究对象，基于实测数据和设备样本，建立各冷源设备的数学模型，对冰蓄冷空调及冷群系统进行优化调度求解。文献[13]-文献[15]提出含冰蓄冷空调的多时间尺度优化调度模型，研究冰蓄冷对CCHP系统优化调度的影响，涉及三联供与冰蓄冷冷群系统的联合优化。冷群设备组成较为单一，系统优化过程处理为混合线性整数规划问题。考虑三联供燃气轮机、锅炉、制冷机组及热泵的运行复杂性和重要性能参数的变化特性，线性模型不足以精确描述设备的实际运行过程，最终建模精度会影响最终的优化运行策略。以计及冰蓄冷的CCHP能源系统为例，建立CCHP能源系统非线性优化调度模型，输入微型能源网的冷热电预测负荷、能源市场价格以及设备类型与容量，通过非线性优化问题求解器实现CCHP微型能源网的经济优化运行。1冷热电联供能源系统冷热电联供能源网供能结果如图1所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.05.014.F001图1冷热电联供微型能源网供能结构由图1可知，该能源系统主要包括燃气轮机、蓄电池、余热锅炉、蓄热装置、吸收式溴化锂制冷机、基载制冷机组、双工况制冷主机、燃气锅炉、冰蓄冷装置等。系统采取“并网不上网”，即在系统电能供给不足时向电网购电。联供系统的燃气轮机通过天然气进行发电，其部分余热可进入余热锅炉产生高温蒸汽后可通过换热直接供热，或进入吸收式溴化锂制冷机组，产生5 ℃冷冻水进行供冷。供热设备主要包括地源热泵、余热锅炉以及燃气锅炉，中深层地热高温部分经过板式换热器后直接供热，经过板式换热器后低温部分可经过地源热泵提高品质继续供热，燃气锅炉提供供热季的热尖峰负荷，蓄热装置可以储存燃气锅炉或余热锅炉产生的高温热水，待系统热能不足时释放供热。冷群系统中，基载制冷机组与吸收式溴化锂制冷机组的制冷负荷提供基础冷负荷，双工况制冷主机为制冷负荷的调峰设备，可在制冷与制冰两种工况间进行切换。白天制冷不足时进行制冷以提供冷冻水，或在夜间切换为制冰工况，通过冰蓄冷进行蓄冰，待需要时释放冷量。围绕冷热电联供微型能源网供能结构，建立CCHP能源系统非线性经化调度模型并进行求解。联供系统优化运行中所求的优化变量为各个时刻、各供能设备的启停情况、设备出力以及蓄能设备的运行模式。2系统建模2.1供热系统燃气轮机输出电功率的同时，产生的高温蒸汽经余热锅炉输出热功率，其出力表达公式为：HtCCHP=PtCCHPηGTh(1-ηGTe)/ηGTe-HtLBR (1)HtGB=VtGBηGBQgas/Δt (2)式中：PtCCHP、HtCCHP、HtGB——t时刻燃气轮机的电功率、余热锅炉的热功率、燃气锅炉的热功率，MW；VtGB——进入燃气锅炉的燃气量，m3；HtLBR——t时刻进入吸收式溴化锂制冷机的蒸汽热量，MW；Qgas——天然气低热值，取0.009 97 MWh/m3；Δt——时间粒度，取1 h；ηGTe、ηGTh、ηGB——燃气轮机的发电效率、余热锅炉的效率、燃气锅炉的效率，%。燃气轮机发电效率ηGTe与出力PtCCHP曲线如图2所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.05.014.F002图2燃气轮机发电效率与出力曲线通过多项式拟合，得到效率与出力函数：ηGTe=-0.025 0×(PtCCHP)2+0.143 0PtCCHP+0.086 0 (3)燃气轮机发电过程产生的高温废烟通过余热锅炉加以利用，发现余热锅炉效率通常变化不大，可视作常数，转化成蒸汽以供吸收式制冷机组制冷或直接供热。中深层地热能的出水水温约75 ℃，高于生活热水所需温度，故其利用分为两个部分，总的地热能为HtGeo，地热高温部分经过板换换热可直接提供热能HtBh，换热后的剩余热量（HtGeo-HtBh），再经热泵提升品质后供热，热泵能效比与输入电量分别为PtHp、COPHp，则热泵提供的热量为：HtHp=PtHpCOPHp (4)式中：HtHp——热泵产热量，MW；COPHp——热泵性能系数。蓄热装置对热负荷进行削峰填谷，用以缓解冷热电负荷比与微型燃气轮机联供系统热电比不匹配的问题。蓄热装置储存热量与储放热功率之间的关系为：StHS=St-1HS+(HtcηcH-Htd/ηdH)Δt (5)式中：StHS、St-1HS——t时刻与t-1时刻蓄热装置储存的热量，MWh；Htc、Htd——t时段蓄能功率与放能功率，MW；ηcH、ηdH——t时段蓄热效率与放热效率，%。2.2供冷系统冷负荷主要由溴化锂吸收式制冷机、基载制冷机组、双工况制冷主机以及蓄冰槽融冰共同提供。优化调度系统需要控制双工况制冷主机空调／制冰工况的转换、蓄冰槽蓄冰和融冰状态切换以及供冷出力分配。常见的控制策略包括融冰优先、主机优先等。吸收式溴化锂制冷机吸收部分余热锅炉产生的蒸汽以热制冷，满足部分冷负荷需求，冷负荷出力CtLBR表达式为：CtLBR=HtLBRCOPLBR (6)式中：COPLBR——溴化锂制冷机的性能系数，其变化范围较小，取为常数。剩余冷负荷由双工况制冷主机、电制冷机及冰蓄冷融冰提供，5种运行工况：即蓄冰模式、融冰单独供冷模式、主机单独供冷模式、联合供冷模式、主机供冷同时蓄冰模式。双工况制冷主机可以在制冷与制冰两种工况间切换，制冷机组制冷/制冰量根据负载大小调整，其出力表达式为：CtCool=∑j=1NrPtj,CoolCOPj,Cool (7)ItIce=∑j=1NrPtj,IceCOPIce (8)式中：Nr——制冷机组数量；CtCool、ItIce——t时刻双工况主机的制冷量、制冰量，MW；Ptj,Cool、Ptj,Ice——t时刻第j双工况制冷主机的制冷耗电量、制冰耗电量，MW；COPj,Cool、COPIce——第j制冷机组的制冷性能系数、制冰性能系数，其中视为常数。COPj,Cool与制冷负载率rj(Ptj,Cool/PmaxCool)关系为：COPj,Cool=-5.963 7rj3+5.798 0rj2+3.196 9rj+2.233 3 (9)基载制冷机组仅有制冷工况，其制冷能效系数值相对较高。同双工况制冷相同，制冷机组制冷工况COP与负载率曲线如图3所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.05.014.F003图3制冷机组制冷工况COP与负载率曲线由图3可知，双工况制冷性能系数最高值出现在部分负荷处。若Nj为制冷机组数量，其出力大小与制冰性能系数计算式为：CtJz=∑j=1NjPtj,JzCOPj,Jz (10)COPj,Jz=-5.94rj3+5.842rj2+3.153 5rj+2.524 6 (11)蓄冰槽可在蓄冰和融冰两种状态间切换，蓄冰槽蓄冰量与融蓄冰速率之间的关系为：StIce=St-1Ice+(ItREF-CtIce)Δt (12)式中：StIce、St-1Ice——t时刻与t-1时刻蓄冰槽装置储存的冷量；CtIce——t时段融冰速率。2.3供电系统CCHP能源系统的供电来源主要为电网购电、燃气轮机发电及储能电池放电。燃气轮机输出电功率为：PtCCHP=VtCCHPηGTeQgas/Δt (13)式中：VtCCHP——进入燃气轮机的燃气量，m3。电量不足部分由电网购电PtPG补充。此外储能电池储存电量与储放电功率之间的关系为：StBS=St-1BS+(PtcηcP-Ptd/ηdP)Δt (14)式中：StBS、St-1BS——t时刻与t-1时刻储能电池储存的电量，MWh；Ptc、Ptd——储能电池t时段蓄能功率与放能功率，MW；ηcP、ηdP——t时段充电效率、放电效率。3优化调度方法3.1目标函数以1 h为时间粒度，建立CCHP能源系统的优化调度模型。输入微型能源网的冷热电负荷预测曲线、能源市场价格及设备类型/容量，通过优化求解可获得CCHP能源系统运行计划。为得到相对最为合理的运行策略，除了考虑能源价格成本外，还需要考虑尽量平滑主要的设备出力，避免主要设备（考虑燃气轮机、燃气锅炉、双工况制冷主机、基载制冷主机）频繁启停或出力频繁波动。因此选取目标函数为：Ctgas=λgas(VtCCHP+VtGB) (15)Ctpower=λtpowerPtPG (16)minJ=∑t=124(Ctgas+Ctpower)+ω(∑t=224PtCCHP-Pt-1CCHP+∑t=224HtGB-Ht-1GB+∑t=224∑j=1NrPtj,Cool-Ptj,Cool+∑t=224∑j=1NjPtj,Jz-Ptj,Jz) (17)式中：Cgas、Cpower——t时段的购气成本与购电成本，元；λgas——天然气价格，元/m3；λtpower——t时段的分时电价，元；ω——出力波动惩罚系数，取ω=500。目标函数在出力平滑条件下，每天总一次能源购入成本Ctotal最小。3.2约束条件CCHP能源系统需要保证电、热、冷功率平衡约束：PtCCHP+PtPG=Ptload+∑j=1Nr(Ptj,Ice+Ptj,Cool)PtHp+                             ∑j=1NjPtj,Jz+PtcηcP-Ptd/ηdP (18)HtCCHP+HtGB+HtBh+HtHp=Htload+HtcηcH-Htd/ηdH (19)CtLBR+CtCool+CtJz+CtIce=Ctload (20)除功率平衡约束，考虑到设备的实际运行情况限制，还应包括设备的运行条件约束。对于CCHP三联供，其运行约束包括燃气轮机发电容量约束、发电爬坡速率约束、余热锅炉热容量约束、燃气锅炉热容量约束、溴化锂制冷机容量约束：0≤PtCCHP≤PmaxCCHP0≤PtCCHP-Pt-1CCHP≤ΔPmaxCCHP0≤HtCCHP≤HmaxCCHP0≤HtGB≤HmaxGB0≤HtLBR≤HmaxLBR (21)对于储能电池，其运行条件约束包括：0≤Ptc≤Pmaxc0≤Ptd≤PmaxdPtc×Ptd=0SminBS≤StBS≤SmaxBS (22)上述3种约束分别为电池充电速率约束、放电速率约束、状态运行约束（充电/放电只能运行其一）、储能电池容量约束。对于储热装置，其运行约束为：0≤Htc≤Hmaxc0≤Htd≤HmaxdHtc×Htd=0SminHS≤StHS≤SmaxHS (23)对于热泵，经过板换获得的换热可由供热温度确定上限，设备运行遵从能量守恒，其运行约束为：0≤HtBh≤HmaxBhHtHp-PtHp≤HtGeo-HtBh (24)对于双工况制冷主机及冰蓄冷装置，其约束条件包括：0≤Ptj,Cool,Ptj,Ice≥PmaxPtj,Ice×Ptj,Cool=00≤CtIce≤CmaxIceSminIce≤StIce≤SmaxIceCtIce•∑j=1NrPtj,Ice=0 (25)前两个约束表示制冷/制冰的功率约束。系统存在基载电制冷主机在夜间供冷，故第二个约束表示不允许双工况制冷机在供冷同时制冰，第三个约束表示融冰速率约束，第四个约束表示蓄冰槽容量约束，最后一个约束为运行状态约束，表示不允许双工况制冷机处于制冰状态时蓄冰槽融冰。融冰速率上限值CmaxIce通过下式计算：CmaxIce=13.105×StIceSmaxIce (26)3.3模型求解CCHP能源系统优化调度模型的决策变量集合为各个能源设备的出力：{PtCCHP, PtPG, HtGB, HtLBR, Ptc, Ptd, Htc, Htd, Ptj,Cool, Ptj,Ice, CtIce}模型为连续型变量非线性规划问题，调用非线性优化问题商业求解器IPOPT进行求解。4实例分析以北方某地区复合办公园区为例，用地面积为72 460 m2，总建筑面积为17 343 m2。包括储热的燃气轮机三联供系统、1台地源热泵、1台燃气锅炉、储能电池、4台双工况螺杆式主机、4台离心式基载制冷主机。采用装配式冰盘管蓄冰槽，潜热有效的蓄冰量41 472 kWh。天然气价格2.83 元/m3，电价为一般商业用电的分时电价，峰时段(10：00~15：00、18：00~21：00)为1.378 2 元/kWh，谷时段(0：00~7：00、23：00)为0.365 8 元/kWh，平时段（其余时段）为0.859 5 元/kWh。冷热电联供微型能源网基本参数如表1所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.05.014.T001表1冷热电联供微型能源网基本参数基本参数取值基本参数取值PmaxCCHP/MW3.0SminHS/MWh0.50HmaxCCHP/MW6.0SmaxHS/MWh5.00HmaxGB/MW5.0PmaxIce/MW0.55△PmaxCCHP/MWh1.0SminIce/MWh4.00HmaxLBR/MW5.0SmaxIce/MWh41.50Pmaxc/MW0.5ηGB/%90.00Pmaxd/MW0.5ηGTh/%80.00SminBS/MWh0.5ηcP/ηdP/%95.00SmaxBS/MWh5.0ηcH/ηdH/%90.00Hmaxc/MW0.5COPLBR1.10Hmaxd/MW0.5COPIce4.50HmaxBh/MW1.0COPHp5.00结合图1和表1可知，根据该系统的冷热电负荷需求，将该园区分为采暖季（1月~3月和11月~12月，共5个月）、制冷季（6月~8月，共3个月）和过渡季（4月~5月和9月~10月，共4个月），分别进行分析。制冷季包括冷负荷、电负荷及基础热负荷，其负荷及供能情况如图4所示。由图4(a)可知，供冷季只存在基础热负荷，由地源热泵以及储热装置两者协同作用，即可满足热负荷需求。图4供冷季负荷曲线及供能10.3969/j.issn.1004-7948.2022.05.014.F4a1（a）热能图10.3969/j.issn.1004-7948.2022.05.014.F4a2（b）冷能图10.3969/j.issn.1004-7948.2022.05.014.F4a3（c）电能图由图4(b)可知，供冷季冷负荷需求较大，在夜间电价谷阶段，基载制冷主机提供基本冷负荷，双工况主机处于蓄冰模式，蓄冰槽蓄冷量上升，白天电价相对较高，由制冷效率较高的基载制冷机以及吸收式溴化锂制冷机提供基础冷负荷，在电价峰段由蓄冰槽融冰提供调峰冷负荷，蓄冰槽蓄冷量递减，部分时刻（主要为电价平段）由1~2台双工况电制冷进行冷负荷调峰，且白天电制冷阶段多数时刻并不存在从电网购电。由图4(c)可知，大部分电网购电处于夜间段，白日购电量相对较少，且主要电量供给以三联供发电为主，储能电池具有削峰填谷的作用，夜间处于充电状态，在电价峰时段处于放电状态。供冷季储能容量变化如图5所示。由图5可知，储能装置夜间为储存能量、白天为释放能量，符合电价峰谷平段分配以及冷热电负荷白天高、夜晚低的特点。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.05.014.F005图5供冷季储能装置容量变化供暖季包括电负荷及热负荷，极少冷负荷采用直接冷媒闭式蒸发冷却的免费供冷模式，不再考虑。供暖季负荷及供能曲线如图6所示。由图6(a)可知，夜间热负荷主要由地源热泵提供，储热装置处于蓄热模式，白天热负荷需求较高，仅依靠地热及三联供余热锅炉无法满足，燃气锅炉起到调峰作用，与储热装置释放热量共同满足热负荷的峰值需求。由图6(b)可知，大部分电网购电处于夜间段，白天主要为燃气轮机发电。供暖季储能装置容量变化如图7所示。由图7可知，储热装置表现明显的调峰特性，储能电池以吸收燃气轮机多发电量的作用为主，因此随电价的波动不明显。图6供暖季负荷曲线及供能10.3969/j.issn.1004-7948.2022.05.014.F6a1（a）热能图10.3969/j.issn.1004-7948.2022.05.014.F6a2（b）电能图10.3969/j.issn.1004-7948.2022.05.014.F007图7供暖季储能装置容量变化过渡季包括冷负荷、电负荷及热负荷，其负荷及供能曲线如图8所示。图8过渡季负荷曲线及供能10.3969/j.issn.1004-7948.2022.05.014.F8a1（a）热能图10.3969/j.issn.1004-7948.2022.05.014.F8a2（b）冷能图10.3969/j.issn.1004-7948.2022.05.014.F8a3（c）电能图过渡季夜间只存在基础热负荷，主要由地源热泵提供，储热装置蓄热，白天热负荷需求主要由地热板式换热器换热及余热锅炉满足，不足部分则由储热装置释放热量补充；夜间冷负荷需求较低，少数几台基载制冷机组即可满足，双工况机组则处于制冰状态，白天冷负荷依靠冰蓄冷释冷与吸收式溴化锂制冷机共同满足，冷量不足部分由基载电制冷提供，有利于实现燃气轮机余热利用。由于过渡季冷热负荷需求不高，基载制冷机组等耗电量相对较少，电负荷主要由燃气轮机以及蓄电池满足，过渡季储能装置容量变化如图9所示。由图9可知，储能电池夜间处于充电状态，吸收谷电价的电能，白天基本处于放电，电能总量随电价波动明显。对比供冷季、供暖季、过渡季不同季节的储能装置容量变化，优化后的供能方案可以满足不同工况下CCHP能源系统的能源需求。以供冷季负荷需求为例，计算系统的日运行费用，如表2所示。由表2可知，优化后的系统采用文章所提的调度策略，日运行费用为69 776 元。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.05.014.F009图9过渡季储能装置容量变化10.3969/j.issn.1004-7948.2022.05.014.T002表2不同运行方式下的系统日运行费用运行方式运行费用未优化（采用基载+调峰）80 165以热定电+融冰优先74 451以热定电+主机优先75 145优化调度69 776元优化调度算法，相对于以热定电等运行方式能够更好发挥三联供优势；冰蓄冷的调度与优化，相对于融冰优先或主机优先模式更能够发挥冰蓄冷优势。因此，通过提出的调度方法，计算各供能设备的运行方式和出力，可以显著降低系统的日运行费用，实现冷热电联供微型能源网的经济优化运行。5结语针对冷热电联供能源系统的经济优化调度问题，对冷热电联供能源系统内多种供能及蓄能设备进行建模。基于集中互连的能源交换网络，搭建冷热电联供能源网络架构，建立冷热电联供能源系统非线性经化调度模型。算例表明，通过调度冷热电能各供能设备的运行方式和出力，可以显著降低系统的日运行费用，实现冷热电联供能源系统的经济优化运行，得出合理调度计划与方案。