电力系统保护与控制 第 50 卷 第 4 期 2022 年 2 月 16 日 Power System Protection and Control Vol.50 No.4 Feb. 16, 2022 DOI: 10.19783/j.cnki.pspc.210634 光伏建筑一体化社区热电联供调度策略 潘帅琪 1，魏繁荣 2，林湘宁 2，李正天 2，随 权 2，徐海波 3 (1.三峡大学电气与新能源学院，湖北 宜昌 443002；2.强电磁工程与新技术国家重点实验室(华中科技大学)， 湖北 武汉 430074；3.易事特集团股份有限公司，广东 东莞 523808) 摘要：针对冬季寒冷条件下光伏建筑一体化社区(Building Integrated Photovoltaic, BIPV)的电辅热装置性能系数 (Coefficient of Performance, COP)大幅下降的问题，提出一种新型光伏建筑一体化社区热电联供调度策略。首先， 提出一种含可翻转热电联供模式(Reversible Solar Thermal Electricity Cogeneration Mode, RSTECM)和相变储能系 统的新型热电联供系统，量化分析了热泵性能系数和光伏出力随环境条件的变化情况。然后，引入一种含等效热 参数(Equivalent Thermal Parameters, ETP)的建筑热力网络，由此建立一种含热力系统和电力系统的社区微网模型， 并以社区运行成本最小化为优化目标。最后，引入差分化处理和热力侧-电力侧问题交互迭代的算法，实现优化模 型的高效求解。算例仿真验证了所提能源供给模式及协调调度策略的可行性和优越性。 关键词：光伏建筑一体化社区；热电联供；相变储能系统；差分化；交互迭代 Dispatch strategy of heat and power cogeneration in building integrated photovoltaic PAN Shuaiqi1, WEI Fanrong2, LIN Xiangning2, LI Zhengtian2, SUI Quan2, XU Haibo3 (1. College of Electrical Engineering and New Energy, China Three Gorges University, Yichang 443002, China; 2. State Key Laboratory of Advanced Electromagnetic Engineering and Technology, Huazhong University of Science and Technology, Wuhan 430074, China; 3. East Group Co., Ltd., Dongguan 523808, China) Abstract: Given the problem that the coefficient of performance of electric auxiliary heating devices in building integrated photovoltaic decreases significantly under cold winter conditions, a novel combined heat and power supply scheduling strategy for building integrated photovoltaic is proposed. First, a new combined heat and power system with a reversible solar thermal electricity cogeneration mode and a phase change energy storage system is established. The variation of coefficient of performance of the heat pump and photovoltaic output with environmental conditions is quantified and analyzed. Secondly, a building thermal network with equivalent thermal parameters is introduced to establish a community micro-grid model with heat and power systems, and the optimization objective is to minimize the community operation cost. Finally, an algorithm of differential processing and interactive iteration of the thermodynamic-electrical side problem is introduced to achieve an efficient solution of the optimization model. The simulation verifies the feasibility and superiority of the proposed energy supply mode and coordinated scheduling strategy. This work is supported by the National Natural Science Foundation of China (No. 52107095). Key words: building integrated photovoltaic; heat and power cogeneration; phase change material energy storage system; difference method; interactive iteration 0 引言 近年来，随着可再生能源[1-3]的不断发展，集成 分布式光伏[4-5]等能量单元的光伏建筑一体化社区饱 基金项目：国家自然科学基金项目资助(52107095)；东莞市 引进创新科研团队计划资助(201536000200036) 受关注，为推动“双碳”目标下建设新型电力系统 提供方向，建筑在能源网中由被动消耗者朝向主动 生产者的角色过渡。然而，由于新能源[6-7]出力的间 歇性和波动性 [8-9]，发电侧出力与用户侧负荷不匹 配 [10-11]，富余能源消纳矛盾逐渐凸显。从电网侧角 度，新能源馈电可能给大电网动态平衡和安全稳定 运行造成风险，并且带来调峰压力；从社区业主角 潘帅琪，等 光伏建筑一体化社区热电联供调度策略 度，当光伏大发时，社区业主未必处于用能高峰期， 用户侧将面临大量弃光或以低价余量上网等经济损 失。在社区微电网内增设储能设备解决社区微网富 余能源消纳问题是一个可行思路。然而，传统储能 设备存在较高的充放电能量和寿命损耗，在并网型 微网中作为消纳方式尚不具备较好的经济性。 考虑到社区建筑本身作为热能利用的终端，制 热负荷[12-15]占社区建筑能耗约为 60%，如使用储热 装置替代储电装置满足用户侧热能需求，不失为一 种更加适配现代建筑特点， 且经济可行的优选方案。 实际 上，具备 长时间尺度 储能能力 的相变材 料 (Phase Change Material, PCM)作为一种新型储热介 质，在实际中已有相关应用。文献[16]开展了一项 关于含相变材料的太阳能蒸馏器实验研究，文献[17] 采用相变材料降低数据中心冷却成本，文献[18]提 出一种利用相变材料潜热提高功率半导体暂态热容 的集成方案。PCM 具有价格低廉、状态稳定、储能 容量大等优势，集成于社区建筑内部的复合 PCM 可以在相变过程中释放或吸收热量，在实现室内控 温、余热储存、富余能源消纳等功能的同时，大幅 降低对高成本储能系统的需求。 在储热过程中，社区微网大量应用诸如热泵或 空调等具有较高能效比的供暖设备来实现电热转换 并开展能量调度工作。目前已有不少学者对该领域 进行探究，并取得了丰硕的研究成果[19-23]。文献[19] 构建智能楼宇的空调系统优化调控模型，通过在温 度舒适度范围内对楼宇室温进行优化调节；文献[20] 提出一种聚合大规模空调负荷实现虚拟调峰的 3 层 控制系统结构；文献[21]为实现大规模空调负荷参 与需求响应，提出一种基于主从一致性的多智能体 分散式协同控制策略；文献[22]根据空调热负荷模 型建立轮空策略下空调削负荷能力的概率模型；文 献[23]提出一种考虑储能系统和空调负荷的主动配 电网多目标调度优化方法。上述文献均研究了传统 电辅热设备向建筑的供暖行为。 然而，受严寒地区气候条件等因素制约，在冬 季时，热泵的电辅热设备性能系数会大幅下降[24-26]， 以上问题在我国高纬度地区尤为突出。利用分布式 电源尤其是光伏配合热泵转化为热能存储的传统方 式，其效率难言最优，不利于实现社区微网长期可 持续发展。加之传统热电联供型微网[27-28]存在热电 比固定，调节能力较弱等不足，难以适配社区用户 强耦合的电热用能需求。如若在用户侧引入可翻转 热电联供模式，在制热和产电之间灵活切换，在完 全适配能源网电−热负荷需求的前提下，将能够优 化综合能源系统的总体效率，充分发挥太阳能光伏 - 25 - 光热系统的内在优势。 针对以上问题， 本文首先提出一种基于 RSTECM 的新型热电联供系统， 并考虑社区建筑的蓄热特性， 建立一个精细的含热力系统和电力系统的社区微网 模型。然后，设计一种新型热电联供调度策略，并 针对复杂的热电联合模型，采用一种差分化和交互 迭代的算法框架。最后，仿真验证所提调度策略的 可行性和优越性。 1 新型热电联供系统 1.1 灵活翻转型热电联供模式 针对居住建筑供暖时间长、热负荷高等特点， 本文提出一种灵活翻转型热电联供模式(Reversible Solar Thermal Electricity Cogeneration Mode, RSTECM)，如图 1 所示。由图可知，系统由光伏组 件、聚光集热器和支架组成，能够参照实时光照强 度及环境温度，通过自动控制系统在光伏和集热两 种模式下切换运行，提高系统对太阳能的利用率并 满足用户电、热两种用能需求。当其处于集热模式 时，采用聚光反射