一种多能互补冷热电联供微电网框架及其建模方法与流程

[0001]
本发明涉及多能互补冷热电联供微电网技术领域，是一种多能互补冷热电联供微电网框架及其建模方法。


背景技术：

[0002]
在国内，很多机构就多能源互补问题也已经开展了很多年的研究，1982年提出了太阳能的能量转换装置、风能发电机，此后，对风光互补发电系统的研究就进入了成熟阶段。2004年华能南澳54mw的风光互补发电厂成功地并入电网，成为第一个在中国正式参与商业化运行的风光互补系统。
[0003]
但在运行微电网示范平台时，逐渐发现微电网存在分布式电源能量密度低、输出功率不稳定和弃风、弃电严重等问题。由此提出了利用传统化石能源和分布式能源结合，采用多种能量形式相结合的方式，建立梯形能量结构，进而增加系统的消纳能力，提高能源渗透率，适应可再生能源的开发利用并优化各类能源的统筹分配以实现可持续发展。随着工业生产和居民用户的能源需求日趋多样，供能设备和形式向着高品位、低成本的方向发展，供能能源的革新促使能源系统间的进一步耦合，使得综合能源系统从理论概念逐渐转变为一种有效的能源整合手段。区域综合能源系统涉及能源的生产、转换与协调，其核心是实现能源的高效利用。
[0004]
由于不同能源系统间发展的差异，供能往往都是单独规划、单独设计、独立运行，彼此间缺乏协调，由此造成了能源利用率低、供能系统整体安全性和自愈能力不强等问题。冷热电联供通常以天然气、沼气、汽油、柴油等为主要燃料带动燃气轮机、微燃机或内燃机发电机等燃气发电设备发电，供应用户电力需求，通过余热锅炉或者余热直燃机等余热回收利用设备回收系统发电后排出的余热，向用户供热、供冷，极大地提高了系统的一次能源利用率，实现了能源的梯级利用，是分布式能源发展的重要方向，已成为国内外研究的热点。
[0005]
因此，多能互补微电网同时具有风光储发电系统(微电网)与冷热电互联系统的优点，既可以充分消纳可再生能源，又可以充分利用性价比高的天然气能源实现能源的梯次利用，最终满足多种负荷的用能，但其方案设计与建模方法目前研究尚处于起步阶段。


技术实现要素：

[0006]
本发明为了实现微电网的可靠、经济供能问题，本发明提供了以下技术方案：一种多能互补冷热电联供微电网框架及其建模方法，具体为：
[0007]
一种多能互补冷热电联供微电网框架，所述框架包括光氢储微电网和天然气冷热电联供系统，所述光氢储微电网包括光伏发电、蓄电池储能系统和氢能发电系统；天然气冷热电联供系统包括燃气机、余热锅炉、溴化锂吸收式制冷机、燃气锅炉、电制冷机和蓄热槽；
[0008]
光伏发电系统满足微电网内电负荷需求，蓄电池储能系统、燃料电池或者燃气发电机补充负荷不足部分，当有剩余能量时则通过蓄电池储能系统充电存储或电制氢存储；
[0009]
通过电制冷机消耗电能制冷，燃气轮机消耗天然气发电，产生的余热供热，同时通过溴化锂制冷机来供冷，燃气锅炉消耗天然气供热，蓄热槽进行热量的储存和释放。
[0010]
优选地，所述燃气机采用美国顶石集团的c65型微燃机。
[0011]
一种多能互补冷热电联供微电网建模方法，根据光照强度、环境温度和无风条件，确定最大输出功率，建立光伏发电模型；
[0012]
根据t-1时刻的荷电状态、[t-1，t]时段的充放电状态以及自然状态下的自放电量，确定在t时刻的荷电状态，建立蓄电池储能系统模型；
[0013]
在多能互补冷热电联供微电网框架中，燃气机连接着蓄电池储能系统和冷热电联供系统，建立燃气机模型优化多能互补冷热电联供微电网框架；
[0014]
燃气锅炉通过燃烧天然气将化学能转化为热能，建立燃气锅炉模型；
[0015]
电制冷机是与吸收式制冷机组成混合制冷系统，共同提高冷热电联供系统的运行效率，同时电制冷机还作为冷负荷的调峰设备使用，建立电制冷机模型；
[0016]
蓄热槽平抑可再生能源的间歇性和波动性，同时对冷热电负荷起到削峰填谷，缓解冷热电三种能量之间的耦合，在采用分时电价的情况下，建立蓄热槽模型。
[0017]
优选地，对于准稳态的光伏出力，根据当前标准测试条件下，标准光照强度、环境温度25℃、无风的环境条件下的最大输出功率，结合当前环境温度及光照强度进行估算，建立光伏发电模型，通过下式表示光伏发电模型：
[0018][0019]
其中，p
stc
为标准测试条件下光伏电池的最大输出功率；p
pv
为实际输出功率；g
stc
为标准条件下光伏电池的最大光照强度；g
c
为光伏电池的实际光照强度；功率温度系数k取值为-0.0047/℃；t
c
和t
stc
分别为光伏电池温度和参考温度，t
stc
为25℃。
[0020]
优选地，考虑到单一电储能的短期储能特性，引入清洁环保的长期储能-氢能储能系统，进而形成兼顾功率、能量的多需求混合储能系统，采用电解水制氢，当可再生能源发电量过多且蓄电池容量达到上限时，电解槽将多余电量通过电解水制氢，存储在储氢罐中作为后备能源，电解槽将电能转化为化学能的装置，建立氢能发电系统模型，通过下式表示氢能发电系统模型：
[0021]
g
p2g
＝η
p2g
p
p2g
/ghv
[0022]
其中，g
p2g
为p2g装置产生的氢气量；p
p2g
为p2g装置消耗的电功率；η
p2g
为p2g装置的能量转化效率，ghv为固定高热值。
[0023]
优选地，蓄电池的充放电是一个动态过程，在t时刻的荷电状态，取决于t-1时刻的荷电状态、[t-1，t]时段的充放电状态以及自然状态下的自放电量，通过下式建立蓄电池储能系统模型：
[0024][0025]
其中，soc(t)为t时刻蓄电池的荷电状态；p
c
(t)为t时段蓄电池的充电功率；p
d
(t)为t时段蓄电池的放电功率；η
c
和η
d
分别为蓄电池的充、放电效率；σ为蓄电池的自放电率；e
bat
为表示电池的额定储能；δt为调度时间间隔。
[0026]
优选地，建立燃气机模型优化多能互补冷热电联供微电网框架，通过下式表示燃气机模型：
[0027][0028]
其中，η
mt
是微型燃机轮机的发电效率；p
mt
是微型燃机轮机的输出功率；
[0029]
通过下式表示以微型燃气轮机为核心装置的cchp系统的数学模型：
[0030][0031]
其中，q
mt
(t)表示微型燃气轮机的余热量；η1为微型燃气轮机的散热系数；q
he
(t)、q
co
(t)分别为t时刻微型燃气轮机由余热所能提供的制热量、制冷量；k
he
、k
co
分别为系统的制热系数、制冷系数；v
mt
为微型燃气轮机消耗的天然气量；δt为优化周期内单位时间间隔；本文天然气低热热值l为9.7kw.h/m3。
[0032]
优选地，燃气锅炉是通过燃烧天然气将化学能转化为热能，作为蒸汽、采暖和洗浴用的锅炉设备，根据燃气锅炉的输入与输出关系，确定燃气锅炉模型，通过下式表示燃气锅炉模型：
[0033]
q
gb
(t)＝η
gb
f
gb
(t)
[0034]
其中，q
gb
(t)为t时刻燃气锅炉的输出热功率；η
gb
为燃气锅炉的制热效率；f
gb
(t)为t时刻燃气锅炉的燃料消耗量。
[0035]
优选地，电制冷机是与吸收式制冷机组成混合制冷系统，共同提高冷热电联供系统的运行效率，同时电制冷机还作为冷负荷的调峰设备使用，电制冷机利用电力带动压缩机，用压缩机做功来完成一系列制冷的过程，将吸收的电能转换输出为冷热能，根据转换过程消耗的电能与输出功率之间的关系，建立电制冷机模型，通过下式表示电制冷机模型：
[0036]
q
ec
(t)＝η
ec
p
ec
(t)
[0037]
其中，q
ec
(t)为输出功率(kw)，η
ec
是电制冷机的制冷系数，p
ec
(t)是输入的电功率(kw)。
[0038]
优选地，在采用分时电价的情况下，基于储能设备在运行时的储能功率、释能效率、能量自损系数以及设备自身容量，建立蓄热槽模型，通过下式表示蓄热槽模型：
[0039][0040]
其中，s(t)为储能设备在t时段储存的能量：δt时调度的时间间隔：p
abs
(t)，p
rel
(t)分别为t时段的储能、释能功率；η
abs
，η
rel
分别为t时段的储能释能效率；σ为储能设备能量的自损系数。
[0041]
本发明具有以下有益效果：
[0042]
本发明在多能互补型微电网是将各种供能设备、负荷、能量转换装置(如制冷机、
燃气轮机等)以及冷热电储能装置等汇集在一起的配备保护装置的综合能源网络系统，基于微网能量管理系统能够实现自我控制和管理，其具备与大电网并网运行或者脱离大电网孤网运行两种状态，可自主选择，与大电网互为备用，为区域中的用冷/热/电负荷提供能源，满足其供能需求，实现微电网的可靠、经济供能。多能互补型微电网能够同时供应冷、热、电等多种能源，且不同能源之间可相互转换或者梯级利用，可以最大程度提高区域内的能源利用效率。与传统微电网的供能方式相比，多能互补型微电网优势明显。
附图说明
[0043]
图1是多能互补微电网结构示意图。
具体实施方式
[0044]
以下结合具体实施例，对本发明进行了详细说明。
[0045]
具体实施例一：
[0046]
根据图1所示，本发明提供一种多能互补冷热电联供微电网框架及其建模方法，本发明设计了一种多能互补冷热电联供微电网框架。系统的能量源包含天然气、电网以及太阳能等新能源。图1所示为多能互补型微电网的结构示意图。可将多能互补微电网看成光氢储微电网和天然气冷热电联供系统组成。光氢储微电网包括光伏发电、蓄电池储能系统、氢能发电系统等；天然气冷热电联供系统包括燃气机、余热锅炉、溴化锂吸收式制冷机、燃气锅炉、电制冷机、蓄热槽等。多能互补微电网与大电网的公共连接点(pcc点)，pcc点的闭合与否决定多能互补微电网并网还是离网运行；光伏发电系统出力，以满足微电网内电负荷需求，不足部分通过蓄电池储能系统、燃料电池或者燃气发电机补充，若有剩余则通过蓄电池储能系统充电存储或电制氢存储。
[0047]
电制冷机消耗电能制冷，燃气轮机消耗天然气发电，产生的余热供热，同时通过溴化锂制冷机来供冷，燃气锅炉消耗天然气供热，蓄热槽进行热量的储存和释放。
[0048]
多能互补微电网用于住宅区、小型园区或者商业区时，不仅可以提供电能还可以提供冷热能。微型燃气轮机、蓄电池储能以及可再生能源供给电负荷，冷热负荷主要利用燃气的余热、电制冷机以及燃气锅炉供应。处于多能互补系统中的负荷，离网情况下和并网运行情况下的用能都可以得到更好的保障。
[0049]
由于需对多能互补系统进行优化，所以对多能互补型微电网中的各单元建立其数学模型。
[0050]
本发明提供一种多能互补冷热电联供微电网框架，所述框架包括光氢储微电网和天然气冷热电联供系统，所述光氢储微电网包括光伏发电、蓄电池储能系统和氢能发电系统；天然气冷热电联供系统包括燃气机、余热锅炉、溴化锂吸收式制冷机、燃气锅炉、电制冷机和蓄热槽；
[0051]
光伏发电系统满足微电网内电负荷需求，蓄电池储能系统、燃料电池或者燃气发电机补充负荷不足部分，当有剩余能量时则通过蓄电池储能系统充电存储或电制氢存储；
[0052]
通过电制冷机消耗电能制冷，燃气轮机消耗天然气发电，产生的余热供热，同时通过溴化锂制冷机来供冷，燃气锅炉消耗天然气供热，蓄热槽进行热量的储存和释放。
[0053]
所述燃气机采用美国顶石集团的c65型微燃机。
[0054]
一种多能互补冷热电联供微电网建模方法，根据光照强度、环境温度和无风条件，确定最大输出功率，建立光伏发电模型；
[0055]
对于准稳态的光伏出力，根据当前标准测试条件下，标准光照强度、环境温度25℃、无风的环境条件下的最大输出功率，结合当前环境温度及光照强度进行估算，建立光伏发电模型，通过下式表示光伏发电模型：
[0056][0057]
其中，p
stc
为标准测试条件下光伏电池的最大输出功率；p
pv
为实际输出功率；g
stc
为标准条件下光伏电池的最大光照强度；g
c
为光伏电池的实际光照强度；功率温度系数k取值为-0.0047/℃；t
c
和t
stc
分别为光伏电池温度和参考温度，t
stc
为25℃。
[0058]
考虑到单一电储能的短期储能特性，引入清洁环保的长期储能-氢能储能系统，进而形成兼顾功率、能量的多需求混合储能系统，采用电解水制氢，当可再生能源发电量过多且蓄电池容量达到上限时，电解槽将多余电量通过电解水制氢，存储在储氢罐中作为后备能源，电解槽将电能转化为化学能的装置，建立氢能发电系统模型，通过下式表示氢能发电系统模型：
[0059]
g
p2g
＝η
p2g
p
p2g
/ghv
[0060]
其中，g
p2g
为p2g装置产生的氢气量；p
p2g
为p2g装置消耗的电功率；η
p2g
为p2g装置的能量转化效率，ghv为固定高热值。
[0061]
根据t-1时刻的荷电状态、[t-1，t]时段的充放电状态以及自然状态下的自放电量，确定在t时刻的荷电状态，建立蓄电池储能系统模型；
[0062]
蓄电池的充放电是一个动态过程，在t时刻的荷电状态，取决于t-1时刻的荷电状态、[t-1，t]时段的充放电状态以及自然状态下的自放电量，通过下式建立蓄电池储能系统模型：
[0063][0064]
其中，soc(t)为t时刻蓄电池的荷电状态；p
c
(t)为t时段蓄电池的充电功率；p
d
(t)为t时段蓄电池的放电功率；η
c
和η
d
分别为蓄电池的充、放电效率；σ为蓄电池的自放电率；e
bat
为表示电池的额定储能；δt为调度时间间隔。
[0065]
在多能互补冷热电联供微电网框架中，燃气机连接着蓄电池储能系统和冷热电联供系统，建立燃气机模型优化多能互补冷热电联供微电网框架；
[0066]
建立燃气机模型优化多能互补冷热电联供微电网框架，通过下式表示燃气机模型：
[0067][0068]
其中，η
mt
是微型燃机轮机的发电效率；p
mt
是微型燃机轮机的输出功率；
[0069]
通过下式表示以微型燃气轮机为核心装置的cchp系统的数学模型：
[0070][0071]
其中，q
mt
(t)表示微型燃气轮机的余热量；η1为微型燃气轮机的散热系数；q
he
(t)、q
co
(t)分别为t时刻微型燃气轮机由余热所能提供的制热量、制冷量；k
he
、k
co
分别为系统的制热系数、制冷系数；v
mt
为微型燃气轮机消耗的天然气量；δt为优化周期内单位时间间隔；本文天然气低热热值l为9.7kw.h/m3。
[0072]
燃气锅炉通过燃烧天然气将化学能转化为热能，建立燃气锅炉模型；
[0073]
燃气锅炉是通过燃烧天然气将化学能转化为热能，作为蒸汽、采暖和洗浴用的锅炉设备，根据燃气锅炉的输入与输出关系，确定燃气锅炉模型，通过下式表示燃气锅炉模型：
[0074]
q
gb
(t)＝η
gb
f
gb
(t)
[0075]
其中，q
gb
(t)为t时刻燃气锅炉的输出热功率；η
gb
为燃气锅炉的制热效率；f
gb
(t)为t时刻燃气锅炉的燃料消耗量。
[0076]
电制冷机是与吸收式制冷机组成混合制冷系统，共同提高冷热电联供系统的运行效率，同时电制冷机还作为冷负荷的调峰设备使用，建立电制冷机模型；
[0077]
电制冷机是与吸收式制冷机组成混合制冷系统，共同提高冷热电联供系统的运行效率，同时电制冷机还作为冷负荷的调峰设备使用，电制冷机利用电力带动压缩机，用压缩机做功来完成一系列制冷的过程，将吸收的电能转换输出为冷热能，根据转换过程消耗的电能与输出功率之间的关系，建立电制冷机模型，通过下式表示电制冷机模型：
[0078]
q
ec
(t)＝η
ec
p
ec
(t)
[0079]
其中，q
ec
(t)为输出功率(kw)，η
ec
是电制冷机的制冷系数，p
ec
(t)是输入的电功率(kw)。
[0080]
蓄热槽平抑可再生能源的间歇性和波动性，同时对冷热电负荷起到削峰填谷，缓解冷热电三种能量之间的耦合，在采用分时电价的情况下，建立蓄热槽模型。
[0081]
在采用分时电价的情况下，基于储能设备在运行时的储能功率、释能效率、能量自损系数以及设备自身容量，建立蓄热槽模型，通过下式表示蓄热槽模型：
[0082][0083]
其中，s(t)为储能设备在t时段储存的能量：δt时调度的时间间隔：p
abs
(t)，p
rel
(t)分别为t时段的储能、释能功率；η
abs
，η
rel
分别为t时段的储能释能效率；σ为储能设备能量的自损系数。
[0084]
针对所提出的多能互补微电网，设计的多能互补微电网的参数如表1所示。
[0085]
表1多能互补微电网的参数
[0086][0087]
本发明设计了一种多能互补冷热电联供微电网框架。系统的能量源包含天然气、电网以及太阳能等新能源。图1所示为多能互补型微电网的结构示意图。可将多能互补微电网看成光氢储微电网和天然气冷热电联供系统组成。光氢储微电网包括光伏发电、蓄电池储能系统、氢能发电系统等；天然气冷热电联供系统包括燃气机、余热锅炉、溴化锂吸收式制冷机、燃气锅炉、电制冷机、蓄热槽等。多能互补微电网与大电网的公共连接点(pcc点)，pcc点的闭合与否决定多能互补微电网并网还是离网运行；光伏发电系统出力，以满足微电网内电负荷需求，不足部分通过蓄电池储能系统、燃料电池或者燃气发电机补充，若有剩余则通过蓄电池储能系统充电存储或电制氢存储。电制冷机消耗电能制冷，燃气轮机消耗天然气发电，产生的余热供热，同时通过溴化锂制冷机来供冷，燃气锅炉消耗天然气供热，蓄热槽进行热量的储存和释放。
[0088]
以上所述仅是一种多能互补冷热电联供微电网框架及其建模方法的优选实施方式，一种多能互补冷热电联供微电网框架及其建模方法的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于该思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和变化，这些改进和变化也应视为本发明的保护范围。