一种考虑热负荷需求响应的电—气—热综合能源系统调控方法与流程

本发明是一种考虑热负荷需求响应的电—气—热综合能源系统调控方法，应用于以供热为主的区域综合能源系统领域。

背景技术：

清洁、高效、安全是现代能源系统转型的主要要求，综合能源系统在我国能源变革中具有特殊地位。在供暖行业，以天然气作为一次能源的分布式热电联产机组代替集中式燃煤机组供暖，是综合能源系统建设的重要方向。考虑到北方地区城乡居民用户及有供热需求的工业园区用户的用能特点，以供热为主的综合能源系统成为重要的基础设施。

典型的以供热为主的电—气—热综合能源系统的拓扑结构由热电联产机组、热网和负荷组成，可联合多品种能源。不同形式的能量流具有不同的传输特性，使得“源—网—荷”集成系统的优化决策更具复杂性，这对依据用户的热负荷需求实时进行准确调配提出了新的挑战。用于综合能源系统多能流调控的整体动态模型的建立，有助于提高多能互补系统的能源利用效率，满足用户的实际用能需求以保障居住环境的舒适度。在负荷需求侧，温度测量、自动控制等物联网技术的应用为精准供给的实现提供了基础条件；在热网输配侧，互联互通的热网将提升供热灵活性和系统延伸性；在热源供应侧，燃气轮机作为分布式电源具有较高的可靠性，接入方式也比较灵活，且能够实现多重效益。

目前，对于以热电联产机组为热源的综合能源供热系统的整体动态模型研究尚未成熟，并且忽略了供热需求侧的调控价值，未能从调节终端热能供应出发，实现系统内能源的供需平衡以满足用户柔性舒适度的要求。

技术实现要素：

本发明提供了一种考虑热负荷需求响应的电—气—热综合能源系统调控方法，不仅解决了联合多品种能源的“源—网—荷”整体建模问题，而且提出基于“以热定电”策略的实时调配热电联产系统能量流的控制方法。本发明能够实现系统的协调调度，提升对用户的供热品质。本发明采用的技术方案如下：

一种考虑热负荷需求响应的电—气—热综合能源系统调控方法，该方法包括如下步骤：

步骤1：在负荷需求侧，考虑热用户室内外热量交换的情况，采用pid控制方法使室温维持在舒适温度范围内，并得到采暖设备给室内供应的热量流。

步骤2：在热网输配侧，采用热电类比的方法，建立满足傅立叶定律的热网络模型来描述热量传导的过程，求得热电联产机组的出热量。

步骤3：在热源供应侧，以“以热定电”模式运行来安排系统的热电输出，在产热能够满足需求的同时，热电联产机组也能提供一定电能。建立热电厂能源系统控制模型，当热负荷发生变化时，系统能够及时调控机组燃气量，根据模型可计算出系统产能。

附图说明

图1为本发明电—气—热综合能源系统的结构框图；

图2为本发明电—气—热综合能源系统的控制框图；

具体实施方式

参见图1，完整的考虑热负荷需求响应的电—气—热综合能源系统由3个部分构成：热电联产机组控制部分、热网热力传输部分和负荷供热量控制部分。系统采用了“以热定电”策略，设计目的在于根据用户侧的供热需求，控制热电联产机组出热。解决其技术问题的具体步骤如下：

步骤1：在负荷需求侧，考虑热用户室内外热量交换的情况，采用pid控制方法使室温维持在舒适温度范围内，并得到采暖设备给室内供应的热量流。

由于室内外存在温差，房屋建筑在存储一定热量的同时，将有部分热量耗散。体现房屋建筑墙体热交换动态过程的公式为：

式中，ρ、c、λ分别为建筑墙体材料密度、比热容及导热系数。

利用该公式构建pid控制模型，输入室外温度预测值to，保持室温ti在给定值附近，并得到用户室内需要的热量ql。

步骤2：在热网输配侧，采用热电类比的方法，建立满足傅立叶定律的热网络模型来描述热量传导的过程，求得热电联产机组的出热量。热网络模型包括一级管网、换热器、二级管网及采暖设备，各个环节串联得到一条供热支路。

(1)采暖设备模型：采暖设备(如暖气片等)即为二级管网热能供应的终端，热水将热量传导给采暖设备管壁，经对流、辐射传热过程将热量传递给室内空气。利用模型中体现热水与室内空气之间热交换过程的等效热阻rtr，得到采暖设备入口水温ttri，表达式为：

ttri＝ti+rtrql

(2)换热器模型：一级管网内流体通过换热器将热能传递给二级管网，经用户侧供热需求分析，得到需将二级管网内循环水加热至tco。通过控制换热器的二次侧热容量流g2，控制换热器传热量qhe，并且求出换热器的一次侧入口蒸汽温度thi，其中假设换热器的二次侧入口温度tci为一已知测量值。求解公式如下：

thi＝tci+rheqhe

其中rhe是换热器模型的等效热阻。

(3)热力管道模型：动态热力管道模型需考虑流体传输过程中的时延和热量散失。描述管道内高温蒸汽在输送途中热量散失的动态过程的微分方程为：

式中，a、l分别为管道横截面积和长度，k、g、v分别为蒸汽传热系数、热容量流和流速。

某一微元体流过管道需要的时间为δt＝l/v，模型将运用一延时环节得到该微元体的温度变化和热量运输状态，即可获得管道出口蒸汽温度及传热量。

通过控制一级管网输送的蒸汽热容量流g1，最终求得符合要求的热网入口总热量流作为热负荷预测值信号qref传送给热源侧机组。

步骤3：在热源供应侧，以热电联产机组、异步发电机组及溴化锂吸收式热泵构成热电厂能源系统，采用“以热定电”模式运行来安排系统的热电输出，在产热能够满足需求的同时，机组也能提供一定电能。建立热电联供系统控制模型，当热负荷发生变化时，系统能够及时调控机组燃气量，根据模型可计算出系统产能。

(1)热电联产机组模型：热电联产机组是热源系统的核心，本发明选用的是单轴结构的燃气轮机。控制模型包括速度控制、温度控制和燃气量控制，将所得控制信号输入燃气轮机模型，可得到机组输出功率和机械转矩。其控制原理主要运用了pi控制方法。

当负荷变化导致转速产生偏差，速度控制模型可改变燃气量使转速达到平稳。将热负荷预测值qref作为系统输出功率给定值，转速偏差δω作为反馈信号，经过模型运算后得到输出量为燃气需求量控制信号fv。

温度控制模型对燃气轮机起到保护作用，需控制机组的燃气量将燃烧室温度维持在合理的范围内，以确保机组的工作稳定和使用寿命。模型输入量为温度给定值tref和燃气消耗量wf，输出量为该控制模块下确定的燃气需求量控制信号ft。

燃气量需选择速度控制和温度控制所得信号的最小值，即可满足运行要求，经过阀门调节环节将由这一最小值得到最终输出的燃气流量wf。

燃气轮机模型包括压气机、燃烧室和涡轮，用延时环节对燃料传输和燃烧时发生的复杂热力学过程进行简化，系统输出的机械转矩与机械功率的求解公式为：

tm＝k1+k2wf-k3δω

pm＝tmω

其中，ω为燃气轮机转速，k1、k2、k3为常数。

(2)异步发电机组模型：对于异步电机模型已有广泛研究，本发明直接应用，不再详述。

(3)溴化锂吸收式热泵模型：本发明选用第一类溴化锂吸收式热泵，一方面利用从热电联产机组抽取的蒸汽作为高品位热源，另一方面将循环水作为低品位热源，从而提高热网回水温度。可应用相应公式求取设备的传热量：

qac＝cop·qin

其中，qac为热泵制热量，cop为制热系数，qin为热泵消耗的驱动热源热量。

因此，采用本发明的控制方法，热源侧机组可根据热负荷给定值信号得到相应的供热量。

据此得到一种考虑热负荷需求响应的电—气—热综合能源系统调控方法。

以上实施方案仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明的保护范畴。