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基于TRNSYS的分布式能源系统的运行仿真与优化
摘要
在此研究中，通过使用TRNSYS软件，在考虑热量追踪运行模式和电力追踪运行模式这两种运行形式下，开发了分布式能源系统的仿真框架。根据仿真结果，与传统的集中式能源系统相比，无论是采用热追踪还是电追踪模型，分布式能源系统的经济，节能和环保性能都更好。而且，热追踪模式下的系统比电追踪模式下的系统具有更好的性能。此外，分布式能源系统的能源效率与热功率比成正比。
关键词： 分布式能源 仿真模拟 优化 TRNSYS
1 介绍
分布式能源系统（DER）作为在经济性和环保性方面最令人满意的新式能源供应选择，有望在中国广泛传播。作为DER系统渗透的主要问题之一，合理的运行仿真至关重要。许多研究都集中在对DER系统的运行优化上[1-4]，而大多数研究都是使用数学程序设计的，因此回避了对DER系统内部机制的深入讨论。
本研究利用TRNSYS仿真平台，同时建立了基于热追踪模式和电追踪模式的DER系统运行仿真模型。为了分析模型的可行性，选择了一家位于中国上海的酒店来进行模拟。此外，与常规能源系统相比，可以从经济，节能以及环境等方面推导出DER系统的优势。
2方法
2.1能源系统介绍
在本研究中，以常规能源系统为基础，来推论出所提出的DER系统的优势，如图1所示。可以发现，在常规能源系统中，电力和制冷需求（通过压缩冷却器）可以通过公用电网来满足。同时，通过使用燃气锅炉可以满足热量需求。
另一方面，图2显示了DER系统的示意图。现场产生的电能优先转移以满足电力需求。原动机产生的多余电力可以出售给电网，而不足的电力可以从电力公司购买。同时，利用回收的热量来满足制冷（通过吸收式制冷机）和供热的需求，备用锅炉可以弥补这一不足。
2.2 TRNSYS 模型
通过使用TRNSYS平台，可以分别建立分布式能源系统的两种典型运行模式：热追踪模式和电追踪模式。然后，可以推算出满足能源需求（电力，供热和制冷）的分布式能源系统的年能耗。图3分别示出了在热追踪模式和电追踪模式下的DER系统的仿真图。在考虑热量追踪模式时，必须优先确定由热电联产（CHP）系统满足的总热量需求。它具体由两部分组成：用于吸收式制冷机的热能以满足冷却需求，以及用于热交换器的热能以满足热量需求。然后，还可以通过控制模块的向后迭代来计算从CHP系统产生的电。如果现场生产的电力不能满足全部需求，则可以通过从外部公用电网购买电力来满足不足的部分。反之亦然，多余的部分可以出售给公用电网以赚取外部利息。另一方面，在考虑电跟踪模式时。CHP单元的容量必须确定为优先满足全部电力需求。同时，剩余的热能被回收作为吸收式制冷机和热交换器的热源，分别满足制冷和制热需求。备用锅炉将满足热量需求的不足部分，而且锅炉的燃油量也可以通过控制模块的向后迭代来计算。在此模式下，总能耗为CHP装置和备用锅炉所用燃料的总和。
3 数值研究
3.1研究对象和负荷评估
在此研究中，假设酒店的总建筑面积为29816平方米。图4显示了分别在夏季，冬季和中期的三个典型日中，酒店每小时的能源需求。
根据该图，可以识别以下功能：（1）所有季节的电力曲线都显示出类似的趋势，所有高峰需求都等于497 kW。电力需求在晚上11:00 到凌晨4:00 之间稳定地变化，但是由于登记人数的增加，从下午5:00 到晚上8:00呈逐渐上升的趋势。（2）关于制冷负荷，夏季最高，其次是中期，冬季由于寒冷的天气没有制冷需求。夏季，制冷需求高峰出现在中午12:00 到下午10:00之间，这受酒店入住率和相对较高的室外温度的影响。在这段时间内，下午6:00的最大制冷需求为1414 kW。（3）酒店全年都需要供热，而且受室外温度的影响，冬季的热负荷最高，其次是中期和夏季。在冬季的典型一天中，热量需求在上午9:00达到峰值，有1057 kW。
3.2。其他技术投入
在常规能源系统中，压缩式制冷机和燃气锅炉的容量可以分别由峰值制冷负荷和热负荷确定。但是，对于DER系统，热追踪模式和电追踪模式的情况不同。具体来看，关于热跟踪模式，吸收式制冷机和热交换器的容量优选的由制冷和热负荷的峰值确定，然后，可以通过计算出的总热量需求来推导燃气轮机的容量。另一方面，在电力跟踪模式下，可以首先基于峰值电力需求来推导燃气轮机的容量。然后，吸收式制冷机和热交换器的容量由最大的制冷和热负荷确定。最后，备用锅炉的容量可以通过峰值供热量减去燃气轮机可以回收的最大热能来计算。值得注意的是，在这项研究中，考虑到设备的部分负载率，峰值负载降低了80％。
表1列出了常规能源系统和DER系统的每种设备的推导出的容量安排。
表2列出了其他重要的技术参数，例如发电效率，CO2排放强度等。
4结果和讨论
4.1。基于TRNSYS的运行仿真
通过使用TRNSYS软件确定了必要的输入（如运行模式选择，设备容量和燃料价格）后，就可以得出年度总能耗，每小时发电量以及相应的控制策略。图5和图6分别显示了酒店的DER能量在热追踪模式和电追踪模式下的仿真结果。需要指出的是，气体和空气的质量流率是指传递给燃气轮机的能量。同时，后燃燃料质量流量是指需要输送到备用锅炉的气体。
如图5所示，可以发现，在热追踪模式下，燃气轮机的输出能量可以通过气体和空气的流量来控制。此外，通过将实际的电力需求与现场产生的电力进行比较，可以轻松得出与外部公用电网的每小时电力交易。另一方面，在电力跟踪模式下（参见图6），现场电力输出等于电力需求，而与公用电网没有任何转换。值得注意的是，为了满足总的热需求，除了流向燃气轮机的气体和空气之外，还必须同时控制转移到备用气体的后燃气体的流量。
4.2。电力平衡
例如，图7分别显示了常规系统和DER系统的中期供电策略。如上所述，所有电力需求都由会议系统中的公用电网满足。但是，就DER能源而言，情况相对复杂。可以发现，除了凌晨 0:00到晚上 10:00之间的这段时间，现场会产生多余的电能，这些电能可以输送到公用电网。这是因为，操作策略高度依赖于热功率比。因此，当热功率比相对较低时（凌晨 0:00到晚上 10:00），则没有剩余电量。
4.3。经济绩效分析
表4列出了两种操作模式下常规系统和DER系统的年成本。可以得出结论，在这两种模式下，DER系统通常都比常规系统具有更好的经济性。热量追踪模式和电追踪模式的年度总成本降低率分别为7.93％和4.95％。这是因为尽管常规能源系统的年投资成本相对较低，但是由于对外部电网的高度依赖性，运行成本很高。另一方面，当比较DER系统的两种操作模式时，可以发现热追踪模式比另一种具有更好的经济性。这是因为，尽管由于燃气轮机的容量较大，热追踪模式的年投资成本相对较高（参见表1），但另一方面，由于燃气购买成本较低，运行成本较低。出售给电网的剩余电力为客户赢得了额外收益。
5结论
在这项研究中，通过使用TRNSYS软件，在考虑热追踪模式和电追踪模式这两种运行模式的同时，开发了DER系统的仿真框架。将建立的仿真模型应用于位于中国上海的假定酒店。根据仿真结果，可以得出以下结论：
（1）与传统的集中式能源系统相比，无论热追踪模式还是电追踪模式，DER系统的经济，能源和环保性都更好。
（2）热追踪模式下的系统在两个方面都比电追踪模式下的系统具有更好的性能。
参考文献
- Soares J., Silva M., Sousa T., Vale Z., Morais H.: Distributed energy resource short-term scheduling using Signaled Particle Swarm Optimization. Energy, 42(1), 466--476 (2012)
- Wakui T., Yokoyama R., Shimizu K.: Suitable operational strategy for power interchange operation using multiple residential SOFC (solid oxide fuel cell) cogeneration systems. Energy, 35(2), 740--750 (2010)
- Bischi A., Taccari L., Martelli E., Amaldi E., Manzolini G., Silva P., Campanari S., Macchi E.: A detailed MILP optimization model for combined cooling, heat and power system operation planning. Energy, 74, 12--26 (2014)
- Facci A.L., Andreassi L., Ubertini S.: Optimization of CHCP (combined heat power and cooling) systems operation strategy using dynamic programming. Energy, 66, 387--400 (2014)
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