一种基于沼气罐能量状态的沼气充放控制方法、系统及存储介质与流程

本发明涉及能量控制技术领域，尤其涉及一种基于沼气罐能量状态的沼气充放控制方法、系统及存储介质。

背景技术：

为解决偏远地区的用电困难、并网成本高、长期使用柴油发电机加剧环境恶化等问题，充分利用当地自然资源(如沼气、太阳能、风能等)条件建立多能互补的微网成为一种可行方案。为了抑制新能源出力的间歇性和随机性，通常选择蓄电池作为储能系统。但随着储能系统所需储能容量不断增长，所需蓄电池较多，投资成本相应增大。而且蓄电池不得不频繁地充放电来维持微网的供需平衡，这大大缩短了其使用寿命。同时，蓄电池的后期处理对环境的影响很大，处理成本较高。而对于作为清洁能源的沼气而言，电能和热能可以通过相应设备直接或间接转换成沼气，沼气也能通过相应设备直接转换成电能或者热能，因此，将沼气作为一种过渡储能物质从而替代蓄电池储能系统越来越受到关注。

然而，现有对沼气罐的剩余能量状态(stateofenergy，soe)的研究仅仅局限在静态过程，这显然不符合气体的动态特性，造成对剩余能量状态监测的不精确性。同时，在以沼气储能系统为主的能源枢纽中，解决沼气罐压强约束和沼气管道压强约束的安全性问题也需要知道沼气罐充放气时沼气罐和沼气管道的实时压强，因此沼气储能系统中沼气罐能量状态无法精确评估会给能源枢纽的安全运行和精确能量管理带来困难。

鉴于上述原因，有必要提出一种精确估测沼气罐能量状态的方法，和基于沼气罐能量状态估测的沼气充放控制方法。

技术实现要素：

本发明的主要目的在于提供一种基于沼气罐能量状态的沼气充放控制方法、系统及存储介质，旨在通过精确估测沼气罐的能量状态并形成相应的沼气充放控制策略以解决基于沼气储能系统的能源枢纽安全运行和精确能量管理问题。

为实现上述目的，本发明提供的一种基于沼气罐能量状态的沼气充放控制方法，所述方法包括如下步骤：

步骤s10，建立风能-光能-生物质能-水能能源枢纽框架，形成沼气储能系统；

步骤s20，根据步骤s10建立的能源枢纽框架中，结合沼气的动态特性建立用于描述沼气传输过程的沼气流体网络模型；

步骤s30，根据步骤s20建立的沼气流体网络模型采用预设方法估测沼气储能系统中沼气罐能量状态；

步骤s40，根据估测的沼气罐能量状态采取预设方法对能源枢纽框架下沼气储能系统中沼气罐的沼气充放进行调节。

优选地，所述步骤s20的沼气流体网络模型利用沼气储能系统中沼气的流动特性根据质量守恒方程建立。

优选地，所述步骤s20的沼气流体网络模型根据如下方法建立：

根据沼气罐处的质量守恒方程得到沼气罐该节点处的压力ptank的计算式。

优选地，所述步骤s30为：

额定状态下沼气罐的能量状态由下式表示：

soen＝qnvn(1)，s.t.pnvn＝nnrtn(2)；

其中，soen为额定状态下的沼气罐能量状态，pn为额定压强，tn为额定温度，vn为沼气体积，qn为额定压强下沼气的热值，nn为额定状态下沼气的物质的量，r为通用气体常数；

实际运行过程中沼气罐的能量状态由下式表示：

soe＝qnvbio(3)，s.t.pbiovbio＝nrtn(4)；

取q＝qn，即q恒为定值，沼气的体积vn换算成pn，tn下的体积vbio，pbio为充放气后沼气罐的压强，n为沼气的物质的量；

根据上式(2)和(4)可得出：

其中pbio根据步骤s20中的沼气流体网络模型计算得到；

根据式(3)和式(5)计算得到某一时刻沼气罐的能量状态。

优选地，所述步骤s40还包括：

步骤s42，根据估测的沼气罐能量状态结合新能源出力情况对能源枢纽框架下沼气储能系统中沼气罐的沼气充放进行调节。

优选地，所述根据估测的沼气罐能量状态结合新能源出力情况对能源枢纽框架下的沼气储能系统中沼气罐的沼气充放进行调节的方法为：

(1)当供电不足时，沼气罐向cchp机组输气，然后转换成电能；当供热不足时，沼气罐向燃气锅炉或者cchp输气以转换成热能；当供气不足时，控制沼气罐向气负荷输气；

(2)当供电过多时，通过电锅炉将电能转换成热能用以加热沼气池，以转换成沼气，然后将转换的沼气输送至沼气罐储存；当供热过多时，通过热能加热沼气池增加沼气产量，以将热能转换成沼气，然后将转换的沼气输送至沼气罐储存；当供气过多时，沼气池向沼气罐输气；

在上述的调整过程中，能源枢纽层面的调度和沼气罐的调整处于不同的时间尺度，设定能源枢纽层面调度的时间为1小时一次以及在这一小时内沼气罐每间隔10分钟进行一次调整。

优选地，在对沼气罐进行充放气调整以及对能源枢纽层面调节的过程中，通过沼气罐能量状态估测方法获得以下信息：

1)沼气罐soetank；

2)沼气罐内的压强ptank；

3)沼气输送管道平均压强ptube；

根据上述信息判断沼气罐储存的能量能否满足供需要求、沼气罐和沼气输送管道的压强是否处在安全范围内。

优选地，根据沼气罐soetank、沼气罐内的压强ptank以及沼气输送管道平均压强ptube判断沼气罐和沼气输送管道的压强是否处在安全范围内的方法为：

判断沼气罐soetank、沼气罐内的压强ptank以及沼气输送管道平均压强ptube是否满足如下约束：

soemin＜soetank＜soemax

0＜ptank＜ptank-max

0＜ptube＜ptube-max

其中，soemax是沼气罐所允许储存的最大能量，soemin是满足当前供需关系所需的沼气罐应当储存的最低能量，ptank-max是沼气罐允许的最大压强，ptube-max沼气管道允许的最大平均压强；

沼气管道平均压强ptube可由下式计算：

式中：ptube：沼气管道平均压强；

p1：沼气管道始端压强；

p2：沼气管道末端压强。

此外，为了实现上述目的，本发明还提出一种基于沼气罐能量状态的沼气充放控制系统，所述系统包括风能-光能-生物质能-水能能源枢纽框架，该能源枢纽框架形成沼气储能系统，所述基于沼气罐能量状态的沼气充放控制系统还包括：

沼气流体网络模型建立模块，用于根据风能-光能-生物质能-水能能源枢纽框架建立用于描述沼气传输过程的沼气流体网络模型；

沼气能量状态估测模块，用于根据沼气流体网络模型采用预设方法估测沼气储能系统中沼气罐能量状态；

调节模块，用于根据估测的沼气罐能量状态采取预设方法对能源枢纽框架下沼气储能系统中沼气罐的沼气充放进行调节。

此外，为了实现上述目的，本发明还提出计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如上所述方法的步骤。

本发明基于沼气罐能量状态的沼气充放控制方法包括如下步骤：

步骤s10，建立风能-光能-生物质能-水能能源枢纽框架，形成沼气储能系统；

步骤s20，根据步骤s10建立的能源枢纽框架中，结合沼气的动态特性建立用于描述沼气传输过程的沼气流体网络模型；

步骤s30，根据步骤s20建立的沼气流体网络模型，采用预设方法估测沼气储能系统中沼气罐能量状态；

步骤s40，根据估测的沼气罐能量状态采取预设方法对能源枢纽框架下沼气储能系统中沼气罐的沼气充放进行调节。

采用本发明的基于沼气罐能量状态的沼气充放控制方法通过精确估测沼气罐的能量状态来调节相应的沼气充放过程，解决了基于沼气储能系统的能源枢纽的安全运行和精确能量管理问题。

附图说明

附图作为本发明的一部分，用来提供对本发明的进一步的理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，但不构成对本发明的不当限定。显然，下面描述中的附图仅仅是一些实施例，对于本领域普通技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。在附图中：

图1为本发明基于沼气罐能量状态的沼气充放控制方法的一实施例的流程示意图；

图2为本发明提出的风能-光能-生物质能-水能能源枢纽框架的示意图；

图3为本发明建立的沼气流体网络模型；

图4为本发明得到的沼气罐压强随时间变化曲线图；

图5为本发明得到的沼气罐soe随时间变化曲线图。

本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施例对本发明实施例解决的技术问题、所采用的技术方案以及实现的技术效果进行清楚、完整的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本申请的一部分实施例，并不是全部实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的前提下，所获得的所有其它等同或明显变型的实施例均落在本发明的保护范围内。本发明实施例可以按照权利要求中限定和涵盖的多种不同方式来具体化。

需要说明的是，在下面的描述中，为了方便理解，给出了许多具体细节。但是很明显，本发明的实现可以没有这些具体细节。

需要说明的是，在没有明确限定或不冲突的情况下，本发明中的各个实施例及其中的技术特征可以相互组合而形成技术方案。

本发明提出一种基于沼气罐能量状态的沼气充放控制方法，旨在通过精确估测沼气罐的能量状态并形成相应的沼气充放控制策略以解决基于沼气储能系统的能源枢纽安全运行和能量精确管理问题。

参照图1，所述基于沼气罐能量状态的沼气充放控制方法包括如下步骤：

步骤s10，建立风能-光能-生物质能-水能能源枢纽框架，形成沼气储能系统；

本发明首先构建了风能-光能-生物质能-水能能源枢纽框架，这是一个可再生能源占比100％的混合能源系统，包括风能、太阳能、水能和生物质能，生物质能即为沼气。在这个能源枢纽中，通过沼气池、cchp、风机、水轮机将可再生能源转换成沼气、热/冷能和电能。此外，利用能源之间的互补特性，使能源之间相互转换。

通常，提高发酵温度可提高沼气产量，同时提高生产率。因此在能源转换过程中，通过加热沼气池可以使热能转换成沼气，电能则可间接转换成沼气。在图2中，第二电锅炉产生的热用于加热沼气池，而第一电锅炉产生的热则主要供给热负荷，但也提供一部分用于加热沼气池。在图1所示能源枢纽中，通过电锅炉，电能可以转换成热能。沼气和电能可以分别通过燃气锅炉和电锅炉(包括第一电锅炉和第二电锅炉)可以变成热能。沼气也能通过cchp转换成热/冷能和电能。而热能和电能通过加热沼气池又都能被转换成沼气。在能源枢纽中除了转换设备的存在，还有储能单元用来处理多余的能量。其中，电池储能系统用于储存多余的电能，而沼气储能系统用于储存过量的沼气。因为可以将电能和热能转换成沼气，因此沼气储能系统提供了一种经济可行的储存所有能源的方法，从而降低了能源枢纽对电池储能系统的依靠。

其中，需要说明的是，所提出的风能-光能-生物质能-水能能源枢纽框架并不限于如图2所示的结构，凡是能实现风能、光能、生物质能以及水能存储和相互之间的转换的架构均在本发明的保护范围之列。

步骤s20，根据步骤s10建立的能源枢纽框架中，结合沼气的动态特性建立用于描述沼气传输过程的沼气流体网络模型；

首先，沼气储能系统中沼气的流动是一个连续的过程，各个设备的参数是相互联系的。各个设备或者系统压力，流量关系可以概括为一个如图3所示的流体网络模型。在图3中，pdig、ptank、plg、pfur、pcchp分别表示沼气池、沼气罐、沼气负荷、燃气锅炉、cchp(combinedcoolingheatingandpower，热电冷联产系统)等节点的压强。图中箭头表示沼气的流动方向，qdig、qlg、qfur、qcchp表示管道中传输的沼气流量。图中两节点间的波浪状物体表示的是相应管道的导纳。最后根据节点ptank处的质量守恒方程可求得节点压力ptank的计算公式。在建模过程中，假设：

(1)ptank点周围的容积都集中在ptank处，其他点同理；

(2)除ptank外，其他节点压强均为定值；

(2)采用集总参数法；

(3)整个沼气罐各处的密度大小一样；

(4)沼气罐内的气体的温度恒定；

(5)沼气罐定容变压强。

接下来，根据步骤s20建立的的沼气流体网络模型求出ptank的表达式，根据质量守恒方程有：

式中：m——压力节点ptank内的沼气质量，即沼气罐内沼气质量(kg)；

qdig——流入压力节点ptank的沼气流量(kg/s)；

qlg，qfur，qcchp——流出压力节点ptank的沼气流量(kg/s)；

又由m＝ρv得：

因为沼气罐定容变压强，当前状态下的沼气体积v是定值，则有：

在沼气罐的沼气充放过程中，可压缩气体的密度是变化的，且ρ＝f(p，h)；故有：

流体力学中，流体焓值h的变化速度要远低于压强变化速度，即比小的多，可忽略，则有，

令是流体的可压缩性，表示流体密度随着压强的变化关系，流体类型一经确定，k视为定值。

其中，ctube为管道的导纳(流量系数)，与管道结构有关，为定值。

对管道导纳线性化，令

则有：

采用隐式欧拉公式转化为差分方程，则有：

通过求解该差分方程可以得到沼气罐的压强ptank。

步骤s30，根据步骤s20建立的沼气流体网络模型，采用预设方法估测沼气储能系统中沼气罐能量状态；

所述步骤s30为：

额定状态下沼气罐的能量状态由下式表示：

soen＝qnvn(1)，s.t.pnvn＝nnrtn(2)；

其中，soen为额定状态下的沼气罐能量状态，pn为额定压强，tn为额定温度，vn为沼气体积，qn为额定压强下沼气的热值，nn为额定状态下沼气的物质的量，r为通用气体常数；

实际运行过程中沼气罐的能量状态由下式表示：

soe＝qnvbio(3)，s.t.pbiovbio＝nrtn(4)；

取q＝qn，即q恒为定值，则沼气的体积vn当换算成pn，tn下的体积vbio，pbio为充放气后沼气罐的压强，n为沼气的物质的量；

根据上式(2)和(4)可得出：

其中pbio根据步骤s20中的沼气流体网络模型计算得到，其中，pbio＝ptank；

根据式(3)和式(5)计算得到某一时刻沼气罐的能量状态。

利用上述模型进行仿真，每10min计算一次沼气罐的压强和能量状态，得到如图4所示的沼气罐压强随时间变化曲线和图5所示的沼气罐soe随时间变化曲线。

图4表示了每10min一次的沼气罐的压强变换情况，沼气罐的压强通过求解方程(12)或者方程(13)来获得。

根据图4以及公式(3)和公式(5)可以计算出对应时刻沼气罐的soe，据此可以得到了图5所示曲线。

仿真结果分析如下：

1.由图5仿真曲线表明沼气沼气罐在进气过程中，沼气的实际能量状态并不是与进气量呈线性相关。在罐内压强随进气量的增加而增大的同时，所储存沼气的等效体积换算成标况下是变化的，对沼气动态特性的研究有助于了解沼气罐内的实时能量状态。

2.就时间尺度而言，沼气罐内能量变化的时间间隔要小于微网能量调度的时间尺度。多尺度的能量管理有助于实时判断沼气罐是否处于压强、容量等安全状态下。

3.由于沼气生产、存储和消耗等设备的工作压强存在差异，沼气在各设备的传输过程中，需要使用压缩机、透平机等设备，这些设备的使用也将对微网能量决策产生影响，在能量管理过程中不应忽视其对电能的消耗。

步骤s40，根据估测的沼气罐能量状态采取预设方法对能源枢纽框架下沼气储能系统中沼气罐的沼气充放进行调节。

此外，所述步骤s40还包括：

步骤s42，根据估测的沼气罐能量状态结合负荷需求对能源枢纽框架下沼气储能系统中沼气罐的沼气充放进行调节。

结合沼气罐能量状态估测方法，本发明还提出了一种基于多时间尺度的沼气充放控制方法，可以保障能源枢纽的精确管理和安全运行。多时间尺度的能量管理策略是指能源枢纽层面调度的时间尺度和沼气罐充放气控制的时间尺度不同，在本发明中，设定能源枢纽层面调度的时间尺度为1小时(依据具体情况可以做相应的调整)。由于新能源供能的波动性，而为了保证1小时内供需保持平衡，所以需要在更小的时间尺度上对沼气储能系统进行调节，所以本发明中沼气罐充放气控制的时间尺度是10分钟(依据具体情况可以做相应的调整)。沼气罐每隔10分钟进行一次调整，在对沼气罐进行沼气充放调节时，调节过程按如下两种方式进行：

(1)需求侧存在冷负荷、热负荷、电负荷、气负荷等四种负荷类型。当新能源机组出力不满足负荷需求时，需要针对不同负荷类型设计控制策略。其中，应对冷负荷的调整措施与热负荷一致，因此以下不再分析冷负荷的调整措施。当供热不足时，沼气罐向燃气锅炉或者cchp单元输气，然后转换成热能。当供电不足时，沼气罐向cchp机组输气，然后转换成电能。当供气不足时，也即沼气池产量不够时，由沼气罐向气负荷输气。

(2)新能源机组出力多于负荷需求时，负荷类型不变，也不分析应对冷负荷的调整措施。当供电过多时，电能通过电锅炉转换成热能用以加热沼气池，继而转换成沼气，然后输送至沼气罐储存。当供热过多时，热能可以直接通过加热沼气池增加沼气产量，从而将热能转换成沼气，然后将其输送至沼气罐储存。当供气过多时，沼气池向沼气罐输气。

在上述调整的同时通过沼气罐soe精确估测方法获得以下信息：

1)沼气罐soetank；

2)沼气罐内的压强ptank；

3)沼气输送管道平均压强ptube。

根据以上信息可以精确判断沼气罐储存的能量能否满足供需要求、沼气罐和沼气输送管道的压强是否处在安全范围内。其中沼气罐能量状态soetank、沼气罐压强ptank和管道平均压强ptube将服从如下约束：

soemin＜soetank＜soemax(14)

0＜ptank＜ptank-max(15)

0＜ptube＜ptube-max(16)

其中，soemax是沼气罐所允许储存的最大能量，soemin是满足当前供需关系所需的沼气罐应当储存的最低能量，ptank-max是沼气罐允许的最大压强，ptube-max沼气管道允许的最大平均压强。管道平均压强ptube可由式(17)计算：

式中：ptube：沼气管道平均压强(mpa)

p1：沼气管道始端压强(mpa)

p2：沼气管道末端压强(mpa)

如果以上计算结果表明各项参数均满足约束条件，便能按照既定调度计划安全运行，如果存在参数不满足约束条件，此时，需要向能源枢纽层反馈，促使其调整调度计划使能源枢纽的运行重新处于安全范围之内。

采用本发明的基于沼气罐能量状态的沼气充放控制方法通过精确估测沼气罐的能量状态来调节相应的沼气充放过程，解决了基于沼气储能系统的能源枢纽的安全运行和精确能量管理问题。

此外，本发明还提出一种基于沼气罐能量状态的沼气充放控制系统，所述基于沼气罐能量状态的沼气充放控制系统包括风能-光能-生物质能-水能能源枢纽框架，该能源枢纽框架包括有用于储存沼气的沼气储能系统，所述基于沼气罐能量状态的沼气充放控制系统还包括：

沼气流体网络模型建立模块，用于根据风能-光能-生物质能-水能能源枢纽框架建立用于描述沼气传输过程的沼气流体网络模型；

沼气能量状态估测模块，用于根据沼气流体网络模型采用预设方法估测沼气储能系统中沼气罐能量状态；

调节模块，用于根据估测的沼气罐能量状态采取预设方法对能源枢纽框架下沼气储能系统中沼气罐的沼气充放进行调节。

所述基于沼气罐能量状态的沼气充放控制系统用于实现如上所述的方法步骤，在此不再赘述。

此外，本发明还提出一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如上所述方法的步骤。

以上仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。