风-光-天然气互补分布式能源系统性能分析

刘 辉,张 磊,张俊杰,王顺森,谢永慧

(1.神华国华(北京)电力研究院有限公司，北京 100025； 2.西安交通大学 能源与动力工程学院，陕西 西安 710049)

天然气分布式能源系统具有一次能源利用率高、环境效益显著等优点，近年来在国内得到了大规模的发展，大量能源站被建造并投入使用[1-5]。

但是，我国然气轮机技术起步较晚，与国际先进水平存在一定差距，这导致天然气分布式能源系统中的然气轮机等关键设备需要进口，进而使得前期投资成本和后期运维费用较高，最终导致天然气分布式能源站整体盈利水平不高，甚至亏损[6-7]。同时，我国一些已建成的能源站，由于缺少然气，导致利用效率不高，甚至无法运行。

随着风电、光伏等可再生能源装机容量的逐年增长，可再生能源的波动性、反调峰性等给其自身并网输送带来了困难，导致其并网消纳越来越困难。现有研究表明，在电力系统内多种类型电源之间互补运行，可以更好地满足电力负荷需求，提高可再生能源利用率[8]。

目前对多能互补能源系统的研究主要集中在系统的经济调度、系统规划、系统总体设计、经济与环境效益、综合能源管理等方面[8-11]。

为了降低传统分布式能源系统的投资和运维成本，提高风电、光伏等可再生资源利用率，本文提出了一种基于然气锅炉的新型多能互补分布式系统，并对该系统进行性能分析。

1 新型分布式能源系统简介

本文提出的新型多能互补分布式能源系统由然气锅炉、背压机、风力发电设备、光伏发电设备、储能设备构成，如图1所示。然气锅炉、背压机组成然气锅炉-背压机子系统，主要承担系统内的热负荷和部分电负荷；多台风力发电设备组成风力发电子系统；光伏发电设备组成光伏发电子系统；储能设备组成储能子系统。系统内各个子系统之间独立运行，同时又通过电力传输分别与储能子系统相连。储能子系统主要用来平衡系统和用户之间电能负荷的作用，其在系统内电能多余时进行储能，缺少电能时进行释能。

图1 新型分布式能源系统组成结构示意图

基于然气锅炉的新型风-光-天然气互补分布式能源系统中含有四种能量输出源，其中电能输出源三种、热能输出源一种。不同能量输出源设备的运行工况以及用户负荷的匹配程度共同决定了系统的运行方式[12]。

(1)热跟随(Following the Thermal Loads,FTL)

分布式能源系统根据用户热负荷需求运行，热用户的负荷需求决定了然气锅炉-背压机子系统的运行方式和运行工况，风资源和光资源决定了风力发电和光伏发电子系统运行工况，当分布式能源系统发电量高于或低于用户电负荷需求时，储能设备投入运行，平衡系统内的电能需求。

(2)电跟随(Following the Electrical Loads,FEL)

分布式能源系统根据用户电负荷需求运行，锅炉-背压机组子系统发电量由系统内可再生能源发电量和电能需求量共同确定，当然气锅炉-背压机子系统的产热量高于用户需求时，多余部分热量直接排放，如果不足，通过尖峰然气锅炉补燃解决。

2 系统建模与分析

2.1 系统建模

2.1.1 风力发电机模型

风力发电设备从风中吸收的能量为[13-14]

(1)

式中λ=φr/v——尖速比；

φ——风轮转动角速度；

v——风速/m·s-1；

ρ——空气密度/kg·m-3；

r——风轮半径/m；

κ——桨距角/°；

Cp(λ,κ)——风能利用系数。

实际输出功率P(v)的计算式为[13-14]

(2)

式中Pr——在额定风速下风力发电机功率/kW；

vi、vr和ve——启动风速、额定风速和停机风速/m·s-1；

η(v)——非额定风速下风力发电机的效率。

η(v)计算式为

(3)

2.1.2 光伏电池模型

根据参考文献[15-16]，可采用下列公式描述光伏电池功率对外输出特性，

(4)

修正后短路电流：

(5)

修正后开路电压：

Vop=Voc(1-cΔT)ln(1+bΔS)

(6)

修正参数：

(7)

(8)

工作温度：

Tw=Tenv-0.03S

(9)

变化量：

(10)

式中V——PV输出电压；

I——PV输出电流；

Sref和Tref——参考光照强度和参考电池温度；

Voc——开路电压；

Idl——短路电流；

S——实际光照强度；

Tw——实际电池温度；

a、b、c——系数，a=0.002 5/℃，b=0.5，c=0.002 88/℃。

2.1.3 储能电池模型

目前除抽水蓄能外，电化学储能与其他储能方式相比在使用寿命、存储容量、电能品质、安全性、技术成熟度等方面都具有显著优势，是目前在多能互补领域使用相对较广泛的技术。表1从容量、功率、成本、寿命周期等角度对不同电化学储能技术进行了比较。

风-光-天然气互补分布式能源系统中要依靠储能电池的充放电来平衡分布式能源系统发电量与用户电负荷之间的关系。因此，需要容量大、循环次数高的储能电池。通过由表1的比较可知，全钒液流电池在存储性能和成本方面具有一定的优势，因此本文提出的基于然气锅炉的新型风-光-天然气互补分布式能源系统选用全钒液流电池作为储能设备。

储能系统模型为：

(11)

式中pst,cha——储能系统释放的电能/kW；

pst,dis——储能系统存储的电能/kW。

表1 不同储能技术参数比较[17-18]

储能技术容量/MW·h功率/MW效率/[%]寿命周期储能成本/$·kW-1铅酸电池3.2～481～1275～904 5002 000～4 600钠硫电池7.21754 5003 200～4 000全钒液流电池4～401～1065～70>10 000750～830锌镍电池5～501～1060～65>10 0001 670～2 015锂离子电池4～241～1090～944 5001 800～4 100

2.1.4 然气锅炉-背压机子系统

由然气锅炉和背压机组成的然气锅炉-背压机子系统是本文提出的新型风-光-天然气互补分布式能源系统的关键组成部分，该部分负责提供全部热能，以及部分电能。为了精确模拟该子系统的性能，对该子系统进行建模仿真分析，仿真模型如图2所示。

图2 基于TPIS的系统仿真模型

2.2 系统评价指标

一次能源效率和污染物排放量是评价分布式能源系统进行热力性能和环境效益的主要指标[19-20]。因此，本文采用上述指标对系统进行性能分析。

在系统中风电和光电的能量来自于可再生能源，因此在一次能源效率计算中只考虑输入系统的天然气热值：

(12)

式中wT,i——对外输出的电能/kW；

qh——系统对外输出的热能/kW；

Fb——输入然气锅炉的能量/kW；

τT——系统的等效利用小时数/h。

(13)

式中ηex——效率；

Einput——输入系统的量/kW；

Eout,q——系统对外输出的热量/kW；

Eout,w——系统对外输出功/kW。

3 实例分析

3.1 案例概况

某工业园区内电负荷为工业生产用电：50 MW；热负荷为工业生产用汽：420 t/h、4.0 MPa、 360 ℃。根据工业园区内电、热负荷需求情况，本文提出的新型风-光-天然气互补分布式能源系统的设计装机容量分别为：43 MW然气锅炉-背压机组、5 MW风电、5 MW光伏、10 MW储能。

在工业园区内，电负荷可以通过电网获得，热负荷受传输距离限制，必须就近生产，因此用户生产热负荷为本分布式能源项目的主要负荷需求。因此系统的运行方式为“以热定电”。然气锅炉-背压机子系统向用户提供热负荷，电负荷由然气锅炉-背压机、风力发电、光伏发电、储能子系统共同满足。

具体运行方式为：用户热负荷决定然气锅炉-背压机子系统的运行工况，同时向园区内提供部分电能，剩余电能需求由风力发电、光伏发电共同满足。储能子系统负责平衡电能输出与电能需求之间的关系。当系统内产生的电能多余工业园区内电能需求时，多余电能存入储能系统，当系统发电能力不足时储能系统释放电能，进而起到平衡电能供需关系的作用，减少对电网的冲击。

3.2 系统热力性能分析

基于然气锅炉的新型风-光-天然气互补分布式能源系统的设计参数如表2所示，由于工业园区内长年有热负荷需求，因此然气锅炉-背压机子系统的年等效利用小时数为7 000小时。系统的仿真分析结果如表3所示。由表3可知，在设计工况下，本文提出的新型分布式能源系统的一次能源效率为80.48%，由此可以看出该系统具有较好的热力学性能。系统的效率为47.20%，与一次能源效率相比较低，这说明系统内较大一部分能量是对低品位热能进行的利用，即为用户提供热负荷。

表2 系统设计参数[18]

项目数值当地大气温度/K298.15当地大气压力/kPa1.01×102光伏电池标准光照强度/kW·m-21风机额定风速/m·s-112然气锅炉效率/%91燃料低位发热量/kJ·m-334 928背压机效率/%83背压机排汽压力/kPa4.0×103液流电池效率/%67.5然气锅炉-背压机运行时间/h·a-17 000风电运行小时数/h·a-11 924光伏运行小时数/h·a-11 355

为了更好的分析本文提出的新型系统性能的优劣，以传统非多能互补系统为基准进行比较分析。通过比较分析结果可知：在相同用户负荷条件下，非天然气多能互补能源系统的一次能源效率为70.35%、效率为41.63%，与本文提出的系统相比分别低10.13%和5.57%。由此可知，在相同用户负荷条件下，采用本文提出的系统不仅可以提高系统的能源利用率，还可以减少天然气消耗量。

表3 系统仿真结果

序号参数名风-光-天然气互补分布式系统燃气锅炉-背压机分布式系统数值数值1背压机组做功/MW43502背压机组供汽量/t·h-14204203风电场功率/MW504光伏电站功率/MW505燃气消耗量/万m3·a-133 585.5838 982.956一次能源效率/[%]80.4870.357效率/[%]47.2041.63

为了对系统的环境效益进行分析，本文根据《第一次全国污染源普查工业污染源产排污系数手册》中的相关要求和规定来计算分布式系统的环境效益。

表4为污染物排放计算结果。由表4可知，在相同用户负荷需求条件下，本文提出的基于然气锅炉的新型风-光-天然气互补分布式能源系统具有较好的环境效益，其烟尘、SO2、NOx、CO2等污染物年排放水平均小于传统非多能互补系统，具有较好的环境效益。

表4 污染物排放结果[18,21]

项目污染物排放浓度/mg·Nm-3排放量/t/a风-光-天然气互补分布式系统燃气锅炉-背压机分布式系统烟尘216.4919.14SO2324.7428.71NOx49.28406.33471.63CO22.09×1061.72×1072.00×107

3.3 参数敏感性分析

图3为储能效率对基于然气锅炉的新型分布式系统性能的影响。由图3可知，储能系统效率增加35%时，一次能源效率和效率仅增加了0.05%，即储能系统效率对该系统性能影响较小。因此，在风-光-天然气互补分布式能源系统中储能系统的选择应主要以成本和循环充放电次数为主要选择依据。

图3 储能系统效率对基于然气锅炉的新型分布式能源系统效率影响

为了消除系统在实际运行中风电和光伏利用小时数不同对系统性能的影响，本文采用风电、光伏年实际等效利用小时数与年等效利用小时数的比值，即相对利用小时数来分析风电、光伏年利用小时数对系统性能的影响。

由图4和5可知，风、光利用小时数的增加会使系统的一次能源效率和效率增大，而天然气利用小时数的增加会使系统的热力性能降低。其原因为，在一次能源效率和效率的计算中，投入系统的燃料为天然气，风力发电和光伏发电的资源来自于可再生能源，其不算入系统的投入燃料，因此，风、光利用小时数的增加会引起一次能源效率和效率的增加，天然气利用小时数的增加会导致系统性能的降低。

图4 风、光相对利用小时数对基于然气锅炉的新型分布式能源系统效率影响

图6为用户热负荷对基于然气锅炉的新型分布式系统效率影响示意图。由图6可知，用户热负荷需求量的变化对系统性能有着较大的影响，当用户蒸汽量每增加1 t/h，系统的一次能源效率和效率分别增加0.17%和0.53%。

图5 天然气利用小时数对基于然气锅炉的新型分布式系统效率影响

图6 热负荷对基于天然气锅炉的新型分布式系统效率影响

4 结论

本文提出了一种基于然气锅炉的新型风-光-天然气互补分布式能源系统，并与传统非互补分布式能源系统进行了性能比较。结论如下：

(1)通过热力性能指标分析可知：在相同用户负荷和设备等效利用时间条件下，本文提出的基于然气锅炉的新型风-光-天然气互补分布式能源系统在额定工况下一次能源效率和效率可以达到80.86%和47.31%，与非互补分布式能源系统相比具有较好的热力学性能，并且投资成本相对较低；

(2)通过环境指标分析可知：在相同用户负荷和相同设备等效利用时间条件下，本文提出的能源系统与非互补能源系统相比污染物排放水平相对较低，具有较好的环境效益；

(3)通过参数敏感性分析可知：风电、光伏年等效利用小时数，储能系统效率等参数对系统的性能有一定影响，但是影响最大的因素为用户热负荷，用户蒸汽量每增加1 t/h，系统的一次能源效率和效率分别增加0.17%和0.53%。