一种光伏冷热电联产系统建模方法与流程

本发明涉及一种光伏冷热电联产系统建模方法，属于电联产仿真技术领域。

背景技术：

随着对新能源的不断探索，太阳能利用技术近年来发展非常迅速。但是，要实现对太阳能的利用更高效合理，任然需要对太阳能转换技术进行更深入的研究。一般太阳能光伏电池的发电效率在15％左右，剩余80％以上的太阳辐射则被电池板吸收转换成热能，这些热能一方面通过对流方式散失到大气空间中，一方面无法完全散失的热能会导致太阳能电池的温度升高，发电效率降低。除此之外，太阳能电池长期工作在高温条件下，电池组件的寿命也会大幅度缩短。客观来看，单纯的使用太阳能进行发电，对于太阳能的利用率并不高，采用实际的装置进行供电网络模型和供热模型仿真，仿真成本高，仿真易发生事故，安全性差。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是：提供一种光伏冷热电联产系统建模方法，利用该方法能够建立供电网络模型和供热网络模型进行实时仿真，实时观测光照强度发生扰动时太阳能光电效率以及光热效率，仿真成本低，仿真安全性大大提高，以解决上述现有技术中存在的问题。

本发明采取的技术方案为：一种光伏冷热电联产系统建模方法，包括上位机和通用实时仿真平台，通用实时仿真平台包括用于仿真供电网络模型的1#目标机和用于仿真供热网络模型的2#目标机，上位机通过交换机分别连接到1#目标机和2#目标机，该方法步骤如下：

1)确定供热户数、每户的热负荷、小区采取集中联供的方式为各用户供能，以供热需求为首要目标，充分满足用户的供热需求的前提下，将系统转化的电能并网使用，综合光照强度、环境温度、热量损失变化因素，在保留裕量的条件下，计算集热面积；

2)建立光伏发电系统模型、供热系统模型以及供冷系统模型，并在上位机中搭建matlab/simulink搭建光伏发电simulink仿真模型和冷热联供系统仿真模型，1#目标机运行供电网络模型，2#目标机运行供热网络模型，1#目标机将光伏组件输出的工质输出热量通过以太网实时传输给2#目标机进行热网模型的实时仿真；

优选的，上述供电网络模型的运行过程为：光伏组件通过温度控制，处于设定的工作温度，输出直流电，经过最大功率跟踪输出最大功率的直流电，通过逆变器得到符合质量标准的交流电并入电网，供热网络模型的运行过程为：来自于1#目标机的将光伏组件输出的工质输出热量被储热水箱存储起来，通过温度控制对换热器输出一个恒定的温度，换热器二次侧就可以形成一个供热环网，实现对用户的供热。

优选的，上述步骤2)中光伏发电系统模型建立如下：

根据光伏电池实际等效电路和pn结特性方程建立输出电流的数学模型如下：

式中，

i0—反向饱和电流；

iph—光生电流；

q—电子电荷(1.6×10^-19c)；

n—常数因子(取值1～5)；

k—玻尔兹曼常数，1.38×10^-23j/k；

对上式进行简化，做以下两点近似处理，建立工程数学模型；

(5)开路情况下，i＝0、v＝voc；

(6)在最大功率点，i＝im、v＝vm；

(7)与光生电流相比很小，可以忽略不计；

(8)由于rs＜＜rsh，所以我们可以认为iph＝isc，isc为短路电流；

式2-1可简化为：

其中，

根据上式数学模型，并采用最大功率跟踪(mppt)控制，建立simulink的光伏电池仿真模型。

优选的，上述步骤2)中供热系统模型建立包括cpc型pv/t集热器建模、电储热水箱建模、供热管网建模、低温辐射散热式地热盘管建模和热用户建模，cpc型pv/t集热器建模如下：

针对cpc型pv/t集热器仅建立光照强度与瞬时效率的数学模型，建立的数学模型如下：

ηgre＝η0gre-ul×(ti-tamd)(5)

qu＝gre×η×ap(6)

式中，

η—太阳能集热器效率；

η0—集热器瞬时效率截距，取0.8；

ul—热损系数，取1w/(m²·℃)；

gre—太阳能辐射量，取1000w/m²；

qu—太阳能集热器的输出功率；

ap—太阳能集热器面积，m²；

ti—太阳能集热器输出热水温度，℃；

tamd—环境温度，℃；

电储热水箱建模如下：

电储热水箱分为两个部分，一部分是电加热模块，另一部分是寻常储热模块，电加热模块的功率的计算公式为：

qh＝pe×ηe(7)

式中，

qh—电加热模块的供热功率，kw；

pe—电加热模块的电功率，kw；

ηe—电热转化效率，取95％；

水箱在储热的同时也在对用户供暖，其数学模型为：

式中，

m—水箱中水的质量，300kg；

ts—水箱内水的温度，k；

as—水箱表面积，m²；

ta—水的常温，k；

us—水箱与空气之间的传热系数，取6.5w/(m²·k)；

tg1—流进水箱的温度，k；

t3—流出水箱的温度，取304.15k；

th2—回水管网的回水温度；k；

mc—进口热介质流量；取121kg/s；

ms—热水流出流量，取121kg/s；

供热管网建模如下：

供热管道在将热水输送至用户侧的时候，由于管道内外的温度差异，会造成一定的热量损失，对于管网的建模分供水管道和回水管道两个部分，建立简化的数学模型如式(9)、(10)所示：

式中，

cs—管网中热水的热容量，取16400000j/k；

tg—出水管网的出口温度，k；

kgw—管网传热系数，取11.63w/(m²·k)；

lgw—管网长度，取80m；

tsoil—土壤温度，取267.41k；

th—回水管网的入口温度；k；

低温辐射散热式地热盘管建模如下：

辐射供暖按其散热设备表面的温度分为低温辐射，中温辐射，高温辐射三种。本文采取的式低温辐射式的地热盘管。地热盘管敷设于室内底板下层，室内空气通过与地热盘管中热水进行热对流的方式获取热能，从而提升室内的温度。建立的数学模型如式所示：

tpj＝tn+9.82×(qs/1000)^0.969(12)

qs＝((tg+th)/2-tpj)/rd(13)

cdr—地热盘管的的热容量，取6.565*10^8j/k；

qs—地面的散热量,w/m²；

tpj—地表平均温度，k；

tn-室内温度，k；

rd—地板导热热阻，取0.218m²·k/w；

a—采暖面积，取10000m²(假设每户采暖100m²)；

热用户建模

建立的数学模型如式(14)、(15)所示：

qd＝ur(tn-tw)+kl(ts-tsoil)(15)

式中；

cn—室内空气的热容量，j/k；

tw—室外温度，k；

ur—室内外的传热系数，w/k；

优选的，上述步骤2)中供冷系统模型，供冷系统模型中供冷系统由溴化锂吸收式制冷机制冷，溴化锂吸收式制冷机可以利用电储热水箱所输入的热能驱动，溴化锂吸收式制冷机的制冷性能系数(cop)受诸多因素影响，取额定工况值0.7，那么输入热功率与制冷功率的数学模型可建立为：

qc＝qh×cop(16)

式中,

qc—溴化锂吸收式制冷机的制冷功率，kw；

qh—输入制冷机的热功率，kw；

cop—溴化锂吸收式制冷机的制冷性能系数，取0.7。

本发明的有益效果：与现有技术相比，本发明通过建立电联产系统模型，并对模型进行数字仿真，仿真过程中考虑到在发电过程中带来的光伏组件的温升问题，仿真中对太阳能电池进行冷却建模，对太阳能电池板的热量进行搜集利用，实现能源利用率的仿真，使得仿真具有高可靠性，能够实现有效降低了光伏组件的温度，控制在适合工作的温度范围，有效利用了光伏组件废热，实现了能源的回收，减少能源浪费，仿真效果好，仿真成本低，实时观测光照强度发生扰动时太阳能光电效率以及光热效率，仿真安全性大大提高。

附图说明

图1是本发明的cpc型pv/t单元结构示意图；

图2是本发明的冷热电三联供方案；

图3是本发明的光伏冷热电三联产系统结构图；

图4是光伏电池实际等效电路；

图5是光伏发电simulink仿真模型；

图6是冷热联供系统仿真模型；

图7是太阳能电池板的设定温度变化；

图8是最大功率跟踪(mppt)仿真结果；

图9是设定室外温度变化曲线；

图10是供暖系统仿真结果；

图11是供热负荷仿真结果；

图12是供冷功率仿真结果；

图13是本发明的结构示意图；

图14是本发明的通用实时仿真平台安装结构示意图；

图15是隔板安装处结构示意图；

图16是一种光伏冷热电联产系统供电子系统结构示意图；

图17是一种光伏冷热电联产系统供热、供冷子系统结构示意图；

图18是一种光伏冷热电联产系统示意图。

具体实施方式

下面结合附图及具体的实施例对本发明进行进一步介绍。

实施例1：冷热电三联供系统分析

1.1聚光型pv/t太阳能综合利用系统

基于复合抛物面聚光器(cpc)型太阳能综合利用系统，cpc型太阳能综合利用系统通过聚光器将太阳光聚焦在太阳能电池板上，提高了太阳能电池板单位面积的光照强度，而又不会对电池板产生过多的热量，提高了光伏发电的效率。而另一方面，cpc型太阳能综合利用系统的冷却工质也会将多余的热量带走，用作它径，对于太阳能的光和热的利用都起到了积极作用。

cpc型太阳能综合利用的系统由cpc聚光器，光电系统，换热系统与其他辅助设备组成的。该系统的一个单元pv/t聚光集热器结构如图1所示。

冷热电三联供系统方案：本系统基于如图2所示方案，引入蓄电池组以及出热水箱作为储能环节。由于本文的研究是基于太阳能的综合利用，方案仅以太阳能为例。为了给予用户更稳定可靠的供暖性能和功能性冷，引入电锅炉，对于储热水箱的输出温度进行保证。

图3为光伏冷热电三联产系统结构图。供电系统侧含逆变装置和储能装置。光伏电池板发出的电能可以并入主电网或者是组网运行，直接对用户供电；供热系统侧含热交换器，温度传感器，可加热储热水箱，供热管网等；溴化锂吸收式制冷机通过输入储热水箱释放的热量实现制冷。

光伏冷热电三联产系统，cpc型pv/t系统的太阳能电池板在在发电的同时作为供热系统的热源对换热的工质不断地进行加热，一方面是电池板得到合理的温降，是电池板工作在稳定的，适宜的温度范围内；另一方面，也为供热系统提供了稳定的热源。在不同的地方或者是不同的季节，用户对于冷、热、电的需求各不相同；就季节来说，一般情况下，夏季阳光充足，而对于供暖的需求较供冷需求更少，冬季阳光相对减弱，对于电能的供应和供暖远大于供冷，通过调节三个子系统的输入比例，可以使系统得到最合理的利用。光伏冷热电三联产系统系统建模

以某小区(100户)为实例，通常情况下每户的热负荷为4kw，小区采取集中联供的方式为各用户供能。由于光伏发电的不稳定性，本方案以供热需求为首要目标，充分满足用户的供热需求的前提下，将系统转化的电能并网使用。综合光照强度，环境温度，热量损失等变化因素，在留有一定裕量的条件下，计算集热面积大约是900m²，在此面积上建立光伏冷热电联产系统。以此为背景，对光伏冷热电联产系统进行建模与仿真。

光伏发电系统建模：光伏电池在实际工作情况下的等效电路如图4所示，图4中i表示光伏电池的输出电流，v表示光伏电池的输出电压。

由图4以及pn结特性方程可建立输出电流的数学模型如下：

式中，

i0—反向饱和电流；

iph—光生电流；

q—电子电荷(1.6×10^-19c)；

n—常数因子(取值1～5)；

k—玻尔兹曼常数，1.38×10^-23j/k；

对上式进行简化，做以下两点近似处理，建立工程数学模型；

(9)开路情况下，i＝0、v＝voc；

(10)在最大功率点，i＝im、v＝vm；

(11)与光生电流相比很小，可以忽略不计；

(12)由于rs＜＜rsh，所以我们可以认为iph＝isc，isc为短路电流；

式2-1可简化为：

其中，

根据上式数学模型，并采用最大功率跟踪(mppt)控制，建立simulink的光伏电池仿真模型。

供热系统模型建立包括cpc型pv/t集热器建模、电储热水箱建模、供热管网建模、低温辐射散热式地热盘管建模和热用户建模，cpc型pv/t集热器建模如下：

针对cpc型pv/t集热器仅建立光照强度与瞬时效率的数学模型，建立的数学模型如下：

ηgre＝η0gre-ul×(ti-tamd)(5)

qu＝gre×η×ap(6)

式中，

η—太阳能集热器效率；

η0—集热器瞬时效率截距，取0.8；

ul—热损系数，取1w/(m²·℃)；

gre—太阳能辐射量，取1000w/m²；

qu—太阳能集热器的输出功率；

ap—太阳能集热器面积，m²；

ti—太阳能集热器输出热水温度，℃；

tamd—环境温度，℃；

电储热水箱建模如下：

电储热水箱分为两个部分，一部分是电加热模块，另一部分是寻常储热模块，电加热模块的功率的计算公式为：

qh＝pe×ηe(7)

式中，

qh—电加热模块的供热功率，kw；

pe—电加热模块的电功率，kw；

ηe—电热转化效率，取95％；

水箱在储热的同时也在对用户供暖，其数学模型为：

式中，

m—水箱中水的质量，300kg；

ts—水箱内水的温度，k；

as—水箱表面积，m²；

ta—水的常温，k；

us—水箱与空气之间的传热系数，取6.5w/(m²·k)；

tg1—流进水箱的温度，k；

t3—流出水箱的温度，取304.15k；

th2—回水管网的回水温度；k；

mc—进口热介质流量；取121kg/s；

ms—热水流出流量，取121kg/s；

供热管网建模如下：

供热管道在将热水输送至用户侧的时候，由于管道内外的温度差异，会造成一定的热量损失，对于管网的建模分供水管道和回水管道两个部分，建立简化的数学模型如式(9)、(10)所示：

式中，

cs—管网中热水的热容量，取16400000j/k；

tg—出水管网的出口温度，k；

kgw—管网传热系数，取11.63w/(m²·k)；

lgw—管网长度，取80m；

tsoil—土壤温度，取267.41k；

th—回水管网的入口温度；k；

低温辐射散热式地热盘管建模如下：

辐射供暖按其散热设备表面的温度分为低温辐射，中温辐射，高温辐射三种，本申请是低温辐射式的地热盘管。地热盘管敷设于室内底板下层，室内空气通过与地热盘管中热水进行热对流的方式获取热能，从而提升室内的温度，建立的数学模型如式所示：

tpj＝tn+9.82×(qs/1000)^0.969(12)

qs＝((tg+th)/2-tpj)/rd(13)

cdr—地热盘管的的热容量，取6.565*10^8j/k；

qs—地面的散热量,w/m²；

tpj—地表平均温度，k；

tn-室内温度，k；

rd—地板导热热阻，取0.218m²·k/w；

a—采暖面积，取10000m²(假设每户采暖100m²)；

热用户建模

建立的数学模型如式(14)、(15)所示：

qd＝ur(tn-tw)+kl(ts-tsoil)(15)

式中；

cn—室内空气的热容量，j/k；

tw—室外温度，k；

ur—室内外的传热系数，w/k；

供冷系统模型，供冷系统模型中供冷系统由溴化锂吸收式制冷机制冷，溴化锂吸收式制冷机可以利用电储热水箱所输入的热能驱动，溴化锂吸收式制冷机的制冷性能系数(cop)受诸多因素影响，取额定工况值0.7，那么输入热功率与制冷功率的数学模型可建立为：

qc＝qh×cop(16)

式中,

qc—溴化锂吸收式制冷机的制冷功率，kw；

qh—输入制冷机的热功率，kw；

cop—溴化锂吸收式制冷机的制冷性能系数，取0.7。

仿真结果分析：

通过试验仿真，mppt仿真结果如下：

为讨论太阳能电池板的发电功率，如图7所示，为设定的太阳能电池板温度变化曲线，通过仿真验证太阳能电池板的发电功率随电池板温度的升高而降低；

本申请实施例中选取典型的apm72m180w光伏阵列进行仿真，电池各参数非常易于查询，依据900m²的集热面积，可建设25×25的光伏阵列，如图8所示为光伏电池的输出功率。

从图8中可以看出，在最大功率跟踪控制下，系统能够快速准确的找到最大功率点，从而提高光伏发电系统的发电效率。在光照充分，环境温度适宜的理想条件下，光伏发电系统的功率可以达到40kw；通常情况下，普通家庭每日用电量大约为3kwh～5kwh；因此，该光伏发电系统的发电量基本可以使该小区住户在电能上的供需平衡；在冬季，光伏发电条件有所欠缺的情况下，主要由大电网进行补给。

供暖系统仿真结果如下：

对于供暖系统主要针对冬季对供暖需求量比较大的地区，冬季室外温度较低，通常能达到-30℃左右，本文分别设置室外温度为-20℃和-10℃的环境下，供暖系统对于用户的供暖情况，图9为设定的冬季市委温度变化曲线。

如图10所示为根据室外温度变化，供暖系统对用户供暖的仿真结果，图中分别显示的是电热水箱的供水温度、回水管网的回水温度、经供暖调控之后的室内温度。

从图中结果来看，室内温度调控在20℃～30℃之间，非常适宜居民生活。图11为供热负荷的仿真图，从图11中可以看出对用户的供暖功率略高于热负荷，基本满足用户的供暖需求。当室外温度发生跃变时，较长的时间之后系统才会达到稳定状态，这也说明了供暖系统是一个大滞后系统，因此在将整个光伏冷热电联产系统进行仿真的时候，在供暖部分和供冷部分都需要一个较大的仿真步长。

供冷系统仿真结果如下：

一般情况下，系统供冷针对夏季气温较高的地区，供冷系统主要采用的是溴化锂吸收式制冷机，以高温热水为驱动制冷。如图12所示为室外温度40℃时，系统的供冷功率仿真效果图，由图得知，在供冷初始阶段，室内温度尚高，对于供冷需求量大，当室内温度逐渐趋于稳定的，供冷功率亦趋于平稳。

本发明中提供了一种光伏冷热电三联产的系统，并对整套系统采用matlab/simulink进行了建模。在发电系统中采用了最大功率跟踪(mppt)控制，让发电系统可以快速、准确的跟踪到最大功率点，大大提高了发电系统的发电效率；采用cpc型聚光集热器，充分收集利用了太阳能余热；冷热联供系统引入电储热水箱，对用户进行更稳定的供暖和供冷。本发明旨在于在上位机中搭建完整的simulink模型，采用两个不同步长的目标机对其进行实时仿真，得到稳定的、可用的冷热电联产；实现太阳能高效率的综合利用，达到节约清洁能源的目的。

实施例2：如图1-图18所示，一种光伏冷热电联产系统建模仿真装置，包括上位机和通用实时仿真平台，通用实时仿真平台包括用于仿真供电网络模型的1#目标机和用于仿真供热网络模型的2#目标机，上位机通过交换机分别连接到1#目标机和2#目标机。

优选的，上述通用实时仿真平台安装在机箱1中，机箱1中设置有多层可拆卸的隔板2，隔板2两端凸台限位到机箱1两内壁设置的对称限位槽中，并采用限位卡子3固定，隔板2上设置有安装目标机的安装t形孔4。

优选的，一种供电网络模型中光伏冷热电联产系统的电池组件包括cpc聚光元件和集热装置，集热装置内工质为水。

优选的，在供热网络模型中供热子系统中，建筑供暖采用的是地热盘管的换热模型。

优选的，在供电网络模型中供电子系统中加入最大功率控制，以达到最大的电输出功率。

所述的光伏组件的输入量为光照强度和环境温度，输出量为电功率和集热装置内工质的输出温度，分别作为与供电子系统和供热子系统的输入量。

一种光伏冷热电联产系统仿真方法，在上位机中搭建matlab/simulink热网模型和电网模型，上位机通过以太网与通用实时仿真平台连接，通用实时仿真平台中两台目标机，1#目标机运行供电网络模型，2#目标机运行供热网络模型，1#目标机将光伏组件输出的工质输出热量通过以太网实时传输给2#目标机进行热网模型的实时仿真，供电网络模型的运行过程为：光伏组件通过温度控制，处于设定的工作温度，输出直流电，经过最大功率跟踪输出最大功率的直流电，通过逆变器得到符合质量标准的交流电并入电网，供热网络模型的运行过程为：来自于1#目标机的将光伏组件输出的工质输出热量被储热水箱存储起来，通过温度控制对换热器输出一个恒定的温度，换热器二次侧就可以形成一个供热环网，实现对用户的供热。

工作过程为：根据一种光伏冷热电联产系统供电子系统结构示意图和供热子系统结构示意图在上位机中搭建matlab/simulink热网模型和电网模型，上位机通过以太网与通用实时仿真平台连接，通用实时仿真平台中两台目标机，1#目标机运行供电网络模型，2#目标机运行供热网络模型，1#目标机将光伏组件输出的工质输出热量(仿真变量)通过以太网实时传输给2#目标机进行热网模型的实时仿真，供电网络模型的运行过程为:光伏组件通过温度控制，处于适合的工作温度，输出直流电，经过最大功率跟踪输出最大功率的直流电，通过逆变器得到符合质量标准的交流电并入电网，供热网络模型的运行过程为：来自于1#目标机的将光伏组件输出的工质输出热量被储热水箱存储起来，通过温度控制对换热器输出一个恒定的温度，换热器二次侧就可以形成一个供热环网，实现对用户的供热。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内，因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。