《Energy Conversion and Management-X》：Techno-economic and uncertainty-aware optimization of hybrid renewable systems with small-scale prime movers for commercial buildings
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摘要
可再生能源份额的不断增加迫使燃烧驱动的发电机组以高适应性运行。小型热电联产单元，如微燃机（mGT），由于其运行和燃料灵活性，在混合可再生能源系统（HRES）中显示出潜力。然而，其在多变能源环境中的经济可行性仍不确定。为了支持决策，应在不确定性下计算包含热
摘要
可再生能源份额的不断增加迫使燃烧驱动的发电机组以高适应性运行。小型热电联产单元，如微燃机（mGT），由于其运行和燃料灵活性，在混合可再生能源系统（HRES）中显示出潜力。然而，其在多变能源环境中的经济可行性仍不确定。为了支持决策，应在不确定性下计算包含热电联产（CHP）单元的HRES的平准化?成本（LCOX）。本文对包含两种原动机的光伏/电池/热泵系统进行设计优化，以研究小型CHP单元在HRES中所需的经济相关性。所考虑的原动机是内燃机（ICE）和微燃机（mGT），包括先进的微燃机构型，如湿化循环（mGT-wet， mHAT）。测试案例包括位于布鲁塞尔的医院、办公室和酒店，它们具有不同的需求曲线。使用多项式混沌展开（PCE）对优化后的系统容量进行不确定性量化，确保了计算效率。医院案例表明，添加微燃机可改善LCOX（227欧元/兆瓦时，对比非原动机HRES的244欧元/兆瓦时），而在酒店案例中，由于电力需求较低，非原动机系统更具成本效益。干式微燃机和内燃机在合适的应用中增强了HRES的灵活性，但其经济可行性在很大程度上取决于能源价格和需求。湿化微燃机提高了自给自足能力，但燃料成本更高，如果多余电力不出售给电网，其成本效益则存疑。
**论文解读：商业建筑混合可再生能源系统中小型原动机的技术经济与不确定性优化研究**
**一、 研究背景、问题与意义**
全球能源格局正朝着分散化方向转型，对可再生能源的依赖日益加深。国际能源署（IEA）预测，到2029年，光伏（PV）将成为最大的可再生电力来源。然而，可再生能源（尤其是光伏）的间歇性和波动性对电网稳定性和能源系统可靠性构成了挑战。在此背景下，混合可再生能源系统（HRES）——整合多种可再生能源（如光伏）、储能（如电池）和传统或灵活发电单元——成为提高能源自给率、保障供电可靠性的重要解决方案。小型热电联产（CHP）单元，如微燃机（mGT）和内燃机（ICE），因其运行灵活、燃料适应性强（可兼容氢气、生物气等未来燃料）以及可同时提供热能和电能，被视为增强HRES灵活性和可靠性的潜在关键组件。
尽管前景广阔，但将小型CHP单元（尤其是mGT）整合到商业建筑的HRES中，仍面临一系列亟待解决的科学与技术经济问题。首先，在高度可变且不确定的能源环境（如波动的电价、气价、太阳能辐照度）中，这些单元的经济可行性尚不明确。其次，不同商业建筑（如医院、办公楼、酒店）的能源需求特征（电热比例、负荷曲线）差异显著，这会影响CHP单元在HRES中的最优配置和性能表现。再者，现有研究多采用确定性参数进行技术经济评估，忽略了市场条件、气候条件和负荷变化等不确定性因素，可能导致设计方案在实际运行中性能不佳。此外，对于mGT的不同技术构型（如干式循环、注水湿化循环（mGT-wet）、饱和器湿化循环（mHAT））在HRES中的对比经济评估也较为缺乏。
因此，本研究旨在填补上述研究空白。研究人员通过构建一个统一的多目标优化与不确定性量化分析框架，系统评估了在商业建筑HRES中集成不同小型原动机（ICE、干式mGT、mGT-wet、mHAT）的技术经济性能。研究聚焦于回答以下核心问题：在考虑不确定性的情况下，集成小型CHP单元是否能降低HRES的总体能源成本？不同原动机技术（尤其是mGT及其先进构型）在不同商业建筑需求场景下的经济表现如何？影响其成本效益的关键驱动因素是什么？该研究对于指导商业建筑能源系统的低碳化、经济化设计与投资决策具有重要的理论和实践意义。相关成果发表在《Energy Conversion and Management-X》期刊上。
**二、 主要技术方法概述**
为开展研究，研究人员构建了一个集成光伏、电池、热泵和可选原动机的HRES模型，并应用了一套综合的技术经济分析与优化方法。主要关键技术方法包括：
1. **系统建模与能源管理策略（EMS）**：建立了包含光伏阵列（采用单二极管模型）、铅酸电池组（考虑荷电状态和循环寿命）、空气源热泵（性能系数随温差变化）以及四种原动机（ICE、干式mGT、mGT-wet、mHAT）的详细动态模型。针对医院案例，额外考虑了电蒸汽发生器和热回收蒸汽发生器（HRSG）。设计了一套确定性的优先级EMS：优先使用光伏发电满足电需求，多余电力先驱动热泵满足热需求，再为电池充电；电需求不足时，先使用电池，再考虑原动机（若配置），电网电力作为最后手段。热需求优先由热泵满足，不足时由原动机的废热和/或驱动热泵的电力补充。
2. **多目标优化设计**：以最小化平准化?成本（LCOX）和最大化自给率（SSR）为目标，采用非支配排序遗传算法II（NSGA-II）对系统设计变量（光伏容量、电池容量、热泵容量、原动机台数）进行优化。优化考虑了不同建筑（医院、办公室、酒店）的特定负荷曲线和光伏安装面积限制。
3. **不确定性量化与敏感性分析**：采用多项式混沌展开（PCE）方法，对优化后的系统设计方案进行后验不确定性传播分析。考虑了气候（太阳辐照度、环境温度）、经济（投资成本、运营成本、电价、气价）和技术参数的不确定性。通过计算Sobol’指数，识别了影响LCOX变异性的关键不确定性来源。
4. **案例研究与数据**：研究选取比利时布鲁塞尔的三类典型商业建筑（医院、办公楼、酒店）作为案例，其小时级电、热需求曲线通过美国波特兰的公开数据结合比利时平均能耗水平进行缩放和定制得到，以反映不同的需求特征。
**三、 研究结果分析**
研究人员对医院、办公室和酒店三种案例进行了详细的优化与不确定性分析，得出以下主要结果：
**3.1 医院案例结果**
医院具有高且稳定的电、热需求，其中热需求包含大量蒸汽（用于消毒、洗衣等）。
* **优化设计与经济性**：集成原动机的HRES其LCOX低于不集成原动机的系统。在最优设计点（最低LCOX处），干式mGT系统LCOX最低（226.9 �/MWh），SSR为28.3%；不集成原动机的系统LCOX为244 �/MWh。ICE系统表现接近mGT。mGT的经济优势源于其能通过HRSG产生蒸汽，并能利用自身发电驱动热泵和电蒸汽发生器，从而减少对高价电网电力的依赖。
* **湿化循环表现**：mHAT系统由于医院热需求很少低于其高效运行阈值（225 kW
th），湿化模式年运行时间仅占0.1%，因此表现与干式mGT无异，但投资成本更高。mGT-wet系统因无法通过HRSG产蒸汽，导致蒸汽供应更依赖电网，LCOX最高。
* **敏感性分析**：不集成原动机的系统LCOX主要受电价影响；而mGT系统LCOX主要受气价影响。分析表明，即使气价上涨33%，mGT系统仍比不集成原动机的系统更具成本效益。
* **原动机数量影响**：使用2台mGT可进一步降低LCOX并大幅提升SSR至47.6%。但使用3台时，由于更多时间运行在部分负荷，HRSG产蒸汽减少，SSR反而下降，表明需要更复杂的EMS策略。
**3.2 办公室案例结果**
办公室具有较高的电需求和间歇性的、相对较低的热需求。
* **优化设计与经济性**：所有系统在SSR上都有较宽范围。在最低LCOX设计点，ICE系统成本最低（154.9 �/MWh），干式mGT次之（156.6 �/MWh），不集成原动机系统为156.9 �/MWh。ICE的低投资成本是其优势所在。
* **湿化循环表现**：mHAT系统在最低成本点LCOX较高（170.5 �/MWh），但SSR也最高。其湿化模式年运行时间占40.6%，通过以额定电功率运行提高了自给率，但也增加了燃气消耗和成本。mGT-wet系统成本也较高。
* **技术对比**：分析指出，mGT的投资成本需降低24%才能达到与ICE同等的LCOX水平。
**3.3 酒店案例结果**
酒店的电、热需求均显著低于医院和办公室，且平均电需求低于原动机的额定功率。
* **优化设计与经济性**：不集成原动机的HRES具有最低的LCOX（198.4 �/MWh）和最低的SSR（40.4%）。集成任何原动机都会导致LCOX升高，但同时能将SSR提升至接近100%。这表明对于低能耗建筑，添加原动机虽能大幅提升能源独立性，但经济性不佳。
* **湿化循环表现**：在既定EMS逻辑下，mHAT的湿化模式从未被激活，因此其表现类似于但差于干式mGT。若修改EMS逻辑强制其运行，SSR可升至97.5%，但LCOX将大幅增加至310.2 �/MWh。
**四、 讨论与结论总结**
**讨论部分**指出，本研究所采用的确定性、基于规则的EMS策略直接影响了优化结果和帕累托前沿的形状。该策略优先满足热需求，限制了电池充电和自给率的提升空间。此外，光伏容量受屋顶面积限制、多余电力上网价值设为零等假设，也影响了结果的普遍性。尽管如此，计算得到的LCOX值与文献中报道的HRES成本水平具有可比性。研究强调了系统设计对EMS逻辑和约束条件的敏感性。
**研究结论**翻译如下：
1. **医院案例结论**：在医院案例中，集成原动机提高了HRES的成本效益，mGT配置显示出最低的LCOX（226.9 �/MWh）和最高的SSR（28.3%）。mGT能够产生蒸汽并利用其发电来运行热泵和蒸汽发生器，从而降低对电网的依赖。mHAT配置由于高热需求特征（需求热很少低于225 kW
th）年使用率仅0.1%，因此对该案例不合理。mGT-wet由于无法用HRSG产蒸汽，LCOX最高。ICE配置成本接近mGT，但对热的电网需求略高。因此，对于蒸汽需求高的医院应用，mGT系统是最有效和最具成本效益的解决方案。敏感性分析表明，无原动机系统的LCOX主要受电价驱动，而mGT系统主要受气价驱动。即使在高气价下，带热泵的原动机仍具成本效益。引入第二台原动机可降低LCOX并提高SSR。增加第三台会降低SSR，因为其更多时间运行在部分负荷，这表明需要不同的EMS策略。
2. **办公室案例结论**：对于办公室案例，ICE提供最低成本，mGT紧随其后。两者表现良好是因为热需求有限且电力占主导，因此电力生产是主要驱动因素。mHAT提高了SSR，但由于其以额定工况运行湿化模式且多余电力不上网，燃气使用量增加，成本变得更高。类似地，mGT-wet也提高了成本，但SSR增加很小。
3. **酒店案例结论**：对于酒店，不集成原动机的布局导致最低的LCOX，添加原动机会增加成本且收益有限，因为平均电力需求低于原动机的额定电功率。
4. **原动机在HRES中的作用**：结果表明，在能源需求高的建筑中应用CHP单元具有潜力，前提是电、气价格组合允许此类配置。HRSG的应用是医院案例中原动机系统成本效益的关键参数。在办公室案例中，原动机系统在处理间歇性高热需求方面也显示出卓越的成本效益。在所有三个案例中，注水配置的LCOX均高于干式mGT。然而，如果用户目标是减少对电价的依赖并将其转向气价，则可以应用mHAT系统。
5. **未来展望**：未来的工作将把当前框架扩展到稳健设计公式，在不确定性下直接优化系统规模决策。这种方法将能够识别在广泛的经济、气候和技术条件下保持稳健的设计。此外，整合更广泛的社会经济指标可以进一步增强系统性能的评估。最后，可以在未来框架扩展中探索弱电网系统中负荷调度的整合。
