一种热电联产系统中的电热解耦系统及其控制方法与流程

本发明属于热电联产热电解耦调控技术领域，主要涉及一种热电联产系统中的电热解耦系统及其控制方法。

背景技术：

我国北方地区发电单元结构较为单一，以火电机组为主，其中热电机组占有相当大的比例，也是作为主要的供热热源。东北地区老旧热电机组因调峰能力不足等原因面临着改造，热电机组自身“以热定电”的运行方式因优先考虑热负荷的需求，从而使得对电负荷需求提供的电能会过少或过多，热电耦合关系严重制约了热电机组的调峰能力，造成电网波动。

传统的热电机组可分为背压式机组和凝汽式机组，背压式机组将汽轮机的所有乏汽送入供热蒸汽管网进行供热，没有冷源损失，效率较髙，在优先满足一定供热功率的条件下发电功率固定无法调节，严格按“以热定电”方式运行。凝汽式机组的热功率和发电功率没有严格的制约关系,在某一确定的热功率下,发电功率可以在一定的范围内进行调整,即便如此，可调范围并不能有效提高热电机组调峰能力，其运行方式也属于“以热定电”。当前现状还不能完全对热电机组进行有效改进，不能解耦“以热定电”的运行方式。虽然针对热电机组调峰能力优化控制的方法，已做出了不少可行性研究，并在一定程度上也取得了一些进展及成果，但是这些研究并没有从根本上解耦热电机组“以热定电”的运行方式，只是在一定的可调范围内进行调峰，不能灵活可靠地提高机组调峰能力，供热功率和发电功率仍存在一种耦合关系，当超出可调范围后，热电机组仍然不能很好地应对。

传统热电机组的热电耦合运行方式主要是从优先满足热负荷需求作为出发点，热电机组在产生一定量的热能的同时也会产生相应量的电能。对于热电机组产生的电能，电网都将无条件地接纳，这使得电能供需可能发生不平衡。尤其是在冬季夜间，电负荷需求少，热负荷需求多，电网接纳过多的电能会对电网产生波动，影响电网稳定性，同时导致电能无法充分利用，造成能源浪费以及热电厂的不经济运行。

同时，我国风电产业有相当一部分都集中在北方地区，每年风电并网量也逐年增加，但是风电的大规模发展随之带来的消纳问题也越来越严重，若能充分利用弃风所浪费的能源，将会对未来能源格局变化带来很大影响。

技术实现要素：

为实现热电解耦运行及达到最优运行状态这一目标，本发明提出了一种热电联产系统中的电热解耦系统及其控制方法。

本发明的技术方案如下：

一种热电联产系统中的电热解耦系统，包括燃气发电机、热电机组、风力发电装置、储热装置、电热转换装置、电负荷和热负荷；电负荷，包括照明设施、家用电器及工业用电设备；热负荷，包括工业用热设备和民用取暖设备；燃气发电机，经供电网络与电负荷直接相连接；风力发电装置，通过电热转换装置经热管与储热装置相连接；热电机组，经供电网络连接至电负荷，经热网连接至热负荷，经热管连接至储热装置；热电机组，经供电网络与电热转换装置相连接，电热转换装置经热管与储热装置相连接；储热装置，经热网与热负荷直接相连接。

一种热电联产系统中的电热解耦系统的控制方法，包括以下步骤：

步骤1：确定热负荷的需求量、电负荷的需求量、购入的风电单价、热电机组的燃料单价和燃气发电机的燃料单价、售热价和售电价；

步骤2：确定热电机组单位燃料产生的电量和热量、燃气发电机单位燃气产生的电量及单位电量通过电热转换产生的热量；

步骤3：依据热负荷的需求量和电负荷的需求量，通过粒子群算法求解出热电机组的发电功率和供热功率，储热装置的供热功率，燃气发电机的发电功率，以及风力发电装置与储热装置的交互功率和热电机组与储热装置的交互功率，使热电联产系统在满足供需平衡的同时，实现了热电解耦；

步骤4：经步骤3后热电联产系统达到平衡，若热负荷和电负荷出现波动，由储热装置和燃气发电机做调节，调节成本不超过热电厂设定的范围。

步骤4.1：调节成本未超过设定范围时，分别判断热负荷需求和电负荷需求的变化趋势；

若电负荷需求增加，则提高燃气发电机的发电功率；

若电负荷需求减少，则判断是否有燃气发电机运行；若有燃气发电机运行的情况下，降低燃气发电机的发电功率；若没有燃气发电机运行的情况下，将热电机组产生的多余电能经电热装换装置转换成热能存储至储热装置；

若热负荷需求增加，则提高储热装置的供热功率；

若热负荷需求减少，则判断是否有储热装置运行；若有储热装置运行的情况下，降低储热装置的供热功率；若没有储热装置运行的情况下，将热电机组产生的多余热能直接存储至储热装置中；

步骤4.2：若调节成本超过设定范围时，则返回步骤3。

粒子群算法中的粒子，包括风力发电装置经电热转换装置提供的供热功率、燃气发电机的发电功率、储热装置的供热功率、热电机组向电负荷提供的电功率、热电机组向热负荷提供的热功率、热电机组向储热装置进行电蓄热的电功率和热电机组直接向储热装置蓄热的热功率。

粒子群算法中的适应度值，是指以热电联产系统运行成本为目标函数的函数值。

本发明的有益效果如下：

在热电厂中一般都会配备燃气发电机来改善热电机组的调峰能力，但是不能从根本上解决调峰能力不足的问题。针对上述问题，本发明通过在热电厂中配置储热装置以及燃气发电机来改善热电机组的调峰能力，不仅可以解耦“以热定电”运行方式，还可通过电蓄热来消纳风电，增加风电上网空间，提高风能利用率。这一方法能有效解决当前北方地区热电厂因调峰能力不足而面临改造的问题，而且在一定程度上可以有效解决风电消纳的问题。

附图说明

图1是本发明具体实施方式中的热电联产系统中的电热解耦系统的能量传输示意图；

图2是本发明具体实施方式中的热电联产系统中的电热解耦系统的控制方法的基本流程图；

图3是本发明具体实施方式中的求解最优粒子位置的流程图。

具体实施方式

本发明提出了一种热电联产系统中的电热解耦系统及其控制方法，热电解耦运行方式，就是热能和电能的产生不随热用户和电用户需求的改变而相互制约，通过利用储热装置和燃气发电机来达到在热负荷与电负荷需求分布不均匀的情况下，仍能满足不同热用户和电用户需求的要求，且不影响电网稳定性，维持供需平衡关系。这种运行方式虽然没有从热电机组本身来解耦热电关系，但是从热电联产系统的角度来解耦热电关系，灵活可靠地提高热电联产系统调峰能力，有效的解决了当前热电厂调峰能力不足的问题。

一种热电联产系统中的电热解耦系统，包括燃气发电机、热电机组、风力发电装置、储热装置、电热转换装置、电负荷和热负荷；电负荷，包括照明设施、家用电器及工业用电设备；热负荷，包括工业用热设备和民用取暖设备；燃气发电机，经供电网络与电负荷直接相连接；风力发电装置，通过电热转换装置经热管与储热装置相连接；热电机组，经供电网络连接至电负荷，经热网连接至热负荷，经热管连接至储热装置；热电机组，经供电网络与电热转换装置相连接，电热转换装置经热管与储热装置相连接；储热装置，经热网与热负荷直接相连接。热电联产系统中的电热解耦系统的能量传输示意图如图1所示。

一种热电联产系统中的电热解耦系统的控制方法，包括以下步骤：

步骤1：确定热负荷的需求量、电负荷的需求量、购入的风电单价、热电机组的燃料单价和燃气发电机的燃料单价、售热价和售电价；

步骤2：确定热电机组单位燃料产生的电量和热量、燃气发电机单位燃气产生的电量及单位电量通过电热转换产生的热量；

步骤3：依据热负荷的需求量和电负荷的需求量，通过粒子群算法求解出热电机组的发电功率和供热功率，储热装置的供热功率，燃气发电机的发电功率，以及风力发电装置与储热装置的交互功率和热电机组与储热装置的交互功率，使热电联产系统在满足供需平衡的同时，实现了热电解耦；

步骤4：经步骤3后热电联产系统达到平衡，若热负荷和电负荷出现波动，由储热装置和燃气发电机做调节，调节成本不超过热电厂设定的范围。

步骤4.1：调节成本未超过设定范围时，分别判断热负荷需求和电负荷需求的变化趋势；

若电负荷需求增加，则提高燃气发电机的发电功率；

若电负荷需求减少，则判断是否有燃气发电机运行；若有燃气发电机运行的情况下，降低燃气发电机的发电功率；若没有燃气发电机运行的情况下，将热电机组产生的多余电能经电热装换装置转换成热能存储至储热装置；

若热负荷需求增加，则提高储热装置的供热功率；

若热负荷需求减少，则判断是否有储热装置运行；若有储热装置运行的情况下，降低储热装置的供热功率；若没有储热装置运行的情况下，将热电机组产生的多余热能直接存储至储热装置中；

步骤4.2：若调节成本超过设定范围时，则返回步骤3。

热电联产系统中的热电解耦系统的控制方法的基本流程图如图2所示。

粒子群算法中的粒子，包括风力发电装置经电热转换装置提供的供热功率、燃气发电机的发电功率、储热装置的供热功率、热电机组向电负荷提供的电功率、热电机组向热负荷提供的热功率、热电机组向储热装置进行电蓄热的电功率和热电机组直接向储热装置蓄热的热功率。

粒子群算法中的适应度值，是指以热电联产系统运行成本为目标函数的函数值。

针对当前大容量储热技术的发展现状来看，大容量相变储热装置无疑是热电联产系统的最优选择，相对于其他储热方式而言，大容量相变储热装置储能密度较高，在释放热能和储存热能时温度近似恒定，可以用很小的体积来存储相对较多的热能。在本发明中，针对热电厂改造的问题，可以选择使用利用相变材料进行储热的大容量相变储热装置。

虽然储热装置能够解耦热电耦合的运行方式，但是如何分配燃气发电机、热电机组和储热装置的出力大小也是尤为重要的，合理的调控燃气发电机、热电机组和储热装置的出力大小，使热电联产系统处于成本最低的运行状态，这样不仅解耦了“以热定电”的运行方式，还会使热电厂的效益达到最大化。

燃气发电机、热电机组和储热装置的出力大小，要依据地区的日热电负荷需求曲线图来做调控，从而确定燃气发电机的出力大小、热电机组的出力大小和储热装置的出力大小，以及储热装置通过电热装换装置获取的风力发电装置发出的电能的多少，储热装置获取的热电机组发出的电能的多少，和储热装置直接获取热电机组发出的热能的多少。热负荷高峰期时，热电机组热出力增大，由于机组自身热电耦合关系，电功率也会增大，超过电负荷所需求功率，多余的电功率通过电热转换装置输送至储热装置中，不足的热功率则由储热装置来补充。整个调控的过程需要根据电价和热价以及燃气发电机、热电机组和储热装置的运行成本来做调整，有可能燃气发电机组会出一部分电功率，也有可能储热装置获取风电蓄热的电功率更多一些，这就需要建立以热电联产系统运行成本为目标函数，通过粒子群算法得出风力发电装置经电热转换装置提供的供热功率的最优解、燃气发电机的发电功率的最优解、储热装置的供热功率的最优解、热电机组向电负荷提供的电功率的最优解、热电机组向热负荷提供的热功率的最优解、热电机组向储热装置进行电蓄热的电功率的最优解和热电机组直接向储热装置蓄热的热功率的最优解来优化控制方法，从而使得热电联产系统中的电热解耦系统达到最优运行状态，并使热电厂效益最大化。

针对热电联产系统“电热解耦”的运行方式，以热电联产系统解耦运行成本为目标函数，在满足约束条件的前提下，利用粒子群算法求解最优解。本发明以粒子群算法作为求解工具。以热电联产系统运行成本最小化寻优，在求解成本最小化时，通过计算周围粒子位置确定最优粒子位置，从而得到最优解，求解流程步骤如下所示：

第一步：根据目标函数中的成本，即热电机组在单位时间t内的运行成本、燃气发电机在单位时间t内发出电功率的成本、单位时间t内储热装置向热负荷供热的供热成本，来设置群体中粒子维数群体中的粒子，包括风力发电装置经电热转换装置提供的供热功率ηcPf、燃气发电机的发电功率Pr、储热装置的供热功率HP、热电机组向电负荷提供的电功率Pbq、热电机组向热负荷提供的热功率hbq、热电机组向储热装置进行电蓄热的电功率Pr.d和热电机组直接向储热装置蓄热的热功率hr.d，并限定计算精度εpso和最大迭代次数Kmax。

在建立目标函数时，由于本发明旨在说明热电解耦的控制方法，故不考虑设备初期投资成本、设备维护和管理成本以及其他人工成本等成本，热电联产系统运行成本CS在单位时间t内所用成本表达式如下式所示：

CS＝ΣCb+ΣCq+Cr+Cc.r-Csell.d-Csell.h

其中，Cb为单台背压式机组在单位时间t内的运行成本，Cq为单台凝汽式机组在单位时间t内的运行成本，Cr为燃气发电机在单位时间t内发出电功率的成本，Cc.r为单位时间t内储热装置向热负荷供热的供热成本，单位时间t内储热装置向热负荷供热的供热成本，主要是指储热装置获取风力发电装置发出电能并经过电热转换装置来蓄热的成本，而热电机组进行电热转换后进行储热的成本和热电机组直接进行储热的成本已在热电机组成本中考虑进去，此处不再考虑，Csell.d、Csell.h分别为单位时间t内出售电能和热能的收益。目标函数并未考虑储热装置损失热能的成本，损失热能的成本来源较为复杂，可能是购入风力发电装置发出电能并经过电热转换装置来蓄热的成本，也可能是热电机组向储热装置经过电热转换装置来蓄热或直接蓄热的成本，需要根据实际情况而定，故本发明未考虑此部分的成本问题。

单台背压式机组在单位时间t内的运行成本Cb可由燃料成本Cfuel.b和单台背压式机组启停成本Cqt.b构成，其表达式为：

Cb＝Cfuel.b+Cqt.b

单位时间t内燃料成本可以表示为热电机组的发出功率的二次形式，其表达式为：

Cfuel.b＝[am(Pb)²+bmPb+cm]Cfuel.d

上式中，am、bm、cm为背压式机组m的燃煤系数，Pb为背压式机组在单位时间t内的发电功率，Cfuel.d为单位燃煤量的成本，单台背压式机组启停成本Cqt.b可视为固定值。

背压式机组的发电功率与供热功率呈现线性耦合关系，其表达式为：

hb＝k1Pb+k2

上式中，k1、k2为耦合系数，hb为单位时间t内背压式机组的供热功率，Pb为背压式机组在单位时间t内的发电功率。

背压式机组利用汽轮机排出的乏汽作为热源进行供热，以单凝汽式机组为例的凝汽式机组的汽轮机气缸上装有抽气口，可以从中抽出一定压力下的热蒸汽，则凝汽式机组运行成本表达式为：

Cq＝Cfuel.q+Cqt.q

式中，Cfuel.q为单凝汽式机组的燃料成本，Cqt.q为单凝汽式机组启停成本。

单凝汽式机组的新汽量D可由单凝汽式机组的发电功率Pq和单凝汽式机组的抽汽量D1表示为：

D＝d1D1+d2Pq

式中，d1、d2为拟合系数。

Cfuel.q＝[q1D²+q2PD+q3P²+q4D+q5P+q6]Cfuel.d

式中，q1、q2、q3、q4、q5、q6为燃煤系数。

虽然凝汽式机组可在一定范围内调节电功率，在一定程度上，热电耦合关系仍然存在，电功率与热功率关系较为复杂，本发明将凝汽式机组热电关系和背压式机组的热电关系视为相同，其表达式为：

hq＝k1Pq+k2

式中，hq为单位时间t内凝汽式机组的发热功率，k1、k2为耦合系数，Pq为凝汽式机组的发电功率。

在对目标函数求解时，将不在考虑机组类型的不同而导致供热功率和发电功率关系的不同。

燃气发电机在单位时间t内发出电功率的成本：

Cr＝Cfuel.r+Cqt.r

上式中，Cfuel.r为单位时间t内燃气发电机的燃料成本；Cqt.r为燃气发电机启停成本；Cng为天然气的单位价格；Vr为单位时间t内燃气发电机消耗的天然气量；Pr为单位时间t内燃气发电机输出的电功率；ηr为燃气发电机的发电效率；L为天然气低位热值。

单位时间t内储热装置向热负荷供热的供热成本：

Cc.r＝ηcPfCf.d

上式中，ηc为储热装置的热电转换的效率；Pf为单位时间t内储热装置从风力发电装置获取的电功率；Cf.d为风电并网后从电网获取风电的单价成本。

从整体系统来看，在实际计算中，可将单台背压式机组在单位时间t内的运行成本Cb和单台凝汽式机组在单位时间t的运行成本Cq视为相同的，即Cb＝Cq，而在本实施例中，以单台背压式机组在单位时间t内的运行成本Cb为例，并且令Cb＝C，其中C为热电机组在单位时间t内的运行成本，则目标函数可改写为：

Cs＝ΣC+Cr+Cc.r-Csell.d-Csell.h

第二步：根据单位时间t内每个周期的热负荷需求量和电负荷需求量以及电价和热价来初始化各粒子的位置，设定各粒子的移动速度v和位置x的范围。

第三步：计算所求时间段内热电联产系统运行成本的粒子初始适应度值，同时记录该时间段内每个周期的各个粒子个体极值和种群极值。

第四步：将每个粒子适应度值与其个体极值进行比较，如较优，则更新当前的个体极值Cbest.i，同时将每个粒子适应度值与种群最优值进行比较，如较优，则更新种群最优值Cbest。

第五步：根据粒子的位置和速度公式，对粒子进行更新。更新后若粒子所在位置相应的参数不满足热电联产系统供电平衡约束、供热平衡约束、热电机组出力约束、储热约束和储热装置约束等约束条件，则重新生成粒子，直到满足约束条件。若更新次数超过设定的次数，则以原可行粒子代替。速度与位置更新公式如下：

式中，d＝1,2,3,4；ω为惯性权重；c1，c2为学习因子；r1，r2为(0,1)内均匀分布随机数；vi，xi为第i个粒子的速度和位置，上标k+1表示第i个粒子的速度和位置的第k次更新。

供电平衡约束是指热电机组发出的电功率与燃气发电机发出的电功率之和等于电负荷所需的电功率，即

ΣPbq+Pr＝PQ

式中，Pbq、Pr、PQ分别为单位时间t内单台热电机组向电负荷提供的电功率、燃气发电机组发出的电功率和电负荷所需的电功率。

供热平衡约束是指热电机组的供热功率与储热装置的供热功率之和等于热负荷所需的热功率，即

Σhbq+HP＝HQ

式中，hbq、HP和HQ分别表示单位时间t内单台热电机组的供热功率、储热装置供热功率和热负荷所需的热功率。

热电机组出力约束，包括热电机组电功率出力约束、热电机组热功率出力约束和燃气发电机发出的电功率出力约束。

因背压式机组和凝汽式机组可用同一种形式的不等式进行功率约束，则热电机组电功率出力约束，即：

Pmin.l≤Pl≤Pmax.l

Pl＝Pbq+Pr.d

式中，Pmax.l和Pmin.l是热电机组发出的电功率的上下限约束，Pbq为热电机组向电负荷提供的电功率，Pr.d为热电机组向储热装置提供的电功率，Pl为热电机组发出的电功率。

热电机组热功率出力约束为：

0≤h≤hmax

h＝hbq+hr.d

式中，hmax表示热电机组热功率出力最大值，hbq为热电机组向热负荷提供的热功率，hr.d为热电机组直接向储热装置提供的热功率，h为热电机组热功率出力。

燃气发电机发出的电功率出力约束为：

Pmin.r≤Pr≤Pmax.r

式中，Pmin.r、Pmax.r为燃气发电机发出的电功率的上下限约束，Pr为燃气发电机发出的电功率。

储热约束，包括储热装置与风力发电装置交互电功率约束、储热装置从热电机组获取电能进行电热转换后提供给储热装置的电功率约束和储热装置直接获取热电机组热功率约束。

储热装置与风力发电装置交互电功率约束，即：

式中，为储热装置与风力发电装置交互电功率的上下限，Pf为储热装置与风力发电装置交互电功率。

储热装置从热电机组获取电能进行电热转换后提供给储热装置电功率约束，即：

式中，为储热装置从热电机组获取电能进行电热转换后提供给储热装置的电功率上下限，Pr.d为储热装置从热电机组获取电能进行电热转换后提供给储热装置电功率。

储热装置直接获取热电机组热功率约束，即：

式中，为储热装置获取热电机组的热功率上下限，hr.d为储热装置直接获取热电机组热功率。

储热装置约束，即：

Hmin.P≤HP≤Hmax.P

Hmin.r≤Hr≤Hmax.r

式中，Hmax.P、Hmin.P为储热装置向热负荷供热的热功率上下限，HP为储热装置向热负荷供热的热功率，Hmax.r、Hmin.r为储热装置储热容量的上下限，Hr为储热装置的储热容量。

第六步：为寻得各个粒子的最优值，即风力发电装置经电热转换装置提供的供热功率ηcPf的最优值、燃气发电机的发电功率Pr的最优值、储热装置的供热功率HP的最优值、热电机组向电负荷提供的电功率Pbq的最优值、热电机组向热负荷提供的热功率hbq的最优值、热电机组向储热装置进行电蓄热的电功率Pr.d的最优值和热电机组直接向储热装置蓄热的热功率hr.d的最优值，通过多次循环第三步至第五步来更新粒子位置和速度，获得粒子的最优解，即风力发电装置经电热转换装置提供的供热功率ηcPf的最优解、燃气发电机的发电功率Pr的最优解、储热装置的供热功率HP的最优解、热电机组向电负荷提供的电功率Pbq的最优解、热电机组向热负荷提供的热功率hbq的最优解、热电机组向储热装置进行电蓄热的电功率Pr.d的最优解和热电机组直接向储热装置蓄热的热功率hr.d的最优解。

第七步：判断算法是否结束：若当前迭代次数等于设定最大迭代次数Kmax或误差精度小于等于εpso，则迭代终止，并输出计算结果，即风力发电装置经电热转换装置提供的供热功率ηcPf、燃气发电机的发电功率Pr、储热装置的供热功率HP、热电机组向电负荷提供的电功率Pbq、热电机组向热负荷提供的热功率hbq、热电机组向储热装置进行电蓄热的电功率Pr.d和热电机组直接向储热装置蓄热的热功率hr.d，并限定计算精度εpso和最大迭代次数Kmax。若迭代次数达到最大且误差精度不满足要求，则返回第二步重新开始。

求解最优粒子位置的流程图如图3所示。