考虑热水管网的分布式能源系统建模和运行优化方法技术方案

本发明专利技术提出了一种考虑热水管网的分布式能源系统建模和运行优化方法，包括建立了一个新的分布式能源系统物理模型，通过和电网连接并整合燃气轮机、太阳能光热系统、热泵系统、余热锅炉和电热水锅炉等先进技术，充分利用电网电力、清洁天然气、高温废热和自然界中的太阳能、地热等可再生能源实现一定区域范围内的电、热联合生产和供应；建立了含两层优化模型的系统日运行优化策略，通过考虑热水管网热耗、调节供/回水温度和管网流量、制定能源购买计划，最小化系统运行过程中的能源消耗量和运行成本以实现系统的能源效益和经济效益；通过和传统能源供应系统进行比较分析，结果表明本发明专利技术具有节约能源、减少经济成本的优势。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于能源
，尤其涉及一种考虑热水管网拓扑结构及其输送过程中能量损耗的分布式能源系统建模和运行优化方法。
技术介绍
传统能源系统(如电力系统、天然气系统和集中供热系统)一般采用集中式单一能源生产、大规模、远距离能量输送模式，不仅能源利用效率低、输送成本高、能量损失严重，而且对化石能源的依赖性较强，造成一定的环境影响。针对此问题，国内外学者对分布式能源系统开展了深入研究，提出分布式能源系统可以作为传统能源系统的有利补充和局部替代，缓减能源问题、经济问题和环境问题。分布式能源系统是指分布在用户终端的局部能源生产供应系统，一般和传统能源系统通过公共耦合点进行连接，通过整合燃气轮机、太阳能光热/光伏系统、热泵、锅炉等技术将多种形式的可再生能源和化石能源综合利用和集成互补，从而实现用户多种负荷需求的联合生产和供应。分布式能源系统不仅能满足用户的多样化能量需求，保证供能可靠性，而且可以提高能源利用效率，减少能源损耗并降低经济成本。目前的方法和技术大多从分布式能源站的优化设计和运行两个方面进行探讨，优化设计的重点在于确定能源设备的最优组合和设备容量大小，优化运行的重点在于通过优化算法减少运行成本、投资费用和温室气体排放。然而，这些方法和技术往往忽略了能量传输网络的拓扑结构及其输送过程中的能量损耗问题，将分布式能源站作为分布式能源系统进行研究，不能反映分布式能源系统的实际情况。作为能量传输网络的一种，热水管网在热量传输过程中会损失大量能量，高达总能量的16％左右；如果忽略这部分能耗，则不能真实地反映分布式能源系统的能源效益问题，得出的结果也和实际情况存在较大差异。因此，需要寻找有效的方法对分布式能源系统进行建模和优化运行，同时应该将热水管网的具体拓扑结构和能量损失考虑在内。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种考虑热水管网的分布式能源系统建模和运行优化方法，旨在结合实际情况将能量传输网络的具体拓扑结构和能量传输损失考虑在内，解决分布式能源系统在建模优化过程中如何减少能耗、降低运行成本等问题。本专利技术的目的是通过如下措施来达到的，一种考虑热水管网的分布式能源系统建模和运行优化方法，建立一个新的分布式能源系统物理模型，通过和电网连接并整合燃气轮机、太阳能光热系统、热泵系统、余热锅炉和电热水锅炉等先进技术，充分利用电网电力、清洁天然气、高温废热和自然界中的太阳能、地热等可再生能源实现一定区域范围内的电、热联合生产和供应；建立一个含两层优化模型的系统日运行优化策略，通过考虑热水管网热耗、调节供/回水温度和管网流量、制定能源购买计划来最小化系统运行过程中的能源消耗量和运行成本；将分布式能源系统和传统能源供应系统进行比较分析，定量描述分布式能源系统的能源效益和经济效益。分布式能源系统由分布式能源站、热水管网、低压配电网和社区用户负荷组成；该系统能够与电网通过公共耦合点进行电气连接，通过交互和优化运行完成一定区域范围内的电、热负荷联合生产和供应；分布式能源系统中的能源站又由太阳能光热系统、地源热泵、吸收式热泵、燃气轮机、余热锅炉和电热水锅炉按照一定的整合方式构成；太阳能光热系统是一级能量生产单元，地源热泵和吸收式热泵组合共同构成二级能量生产单元，余热锅炉是三级能量生产单元，电热水锅炉是四级能量生产单元；燃气轮机是整个能源站的核心动力设备，生产的电能一部分用于供给用户电负荷需求，一部分用于地源热泵的外部电能驱动和电热水锅炉的电能输入；燃气轮机的废气余热通过回收由吸收式热泵和余热锅炉加以充分利用以生产热能。对分布式能源系统中的能源站进行数学建模，具体构建方法如下：对于燃气轮机而言，当输出电功率为Pgt时，燃气轮机需要消耗的天然气量Vgas是其中，ηgt为燃气轮机的效率，Hu为天然气低位热值。燃气轮机产生的高温烟气余热量Qgt为其中ηloss为燃气轮机热损失效率；对于太阳能光热系统而言，Qs表示可用于制热的太阳能功率，tr1和tSHS分别表示输入端口和输出端口的水流温度，m1表示水的质量流率，Cw表示水的比热容，则根据比热容公式有式(3)：Qs＝Cwm1(tSHS-tr1)(3)其中，tr1也是热水管网和分布式能源站连接的端口回水温度；对于地源热泵而言，Qge表示所收集的地热能，Pec表示地源热泵所消耗的电能，Qec表示地源热泵输出的能量功率，则它们之间的关系如式(4)所示：Qec＝Qge+Pec(4)地源热泵的性能系数COPec可以定义为式(5)：进一步，式(4)(5)可以转化为式(6)(7)：对于吸收式热泵而言，其低温热源来自于地源热泵，两者共同组成复合式热泵系统；地源热泵产生的能量功率Qec即为吸收式热泵的低温热量输入；Qgt1表示吸收式热泵所需要的高温热源驱动，来自于燃气轮机的高温废热；Qac表示吸收式热泵(亦即是复合式热泵系统)的输出能量功率；则它们之间的关系如式(8)所示：Qac＝Qgt1+Qec(8)吸收式热泵的性能系数COPac可以定义为式(9)：进一步，结合式(6)(8)(9)，Qac可以用式(10)表示：复合式热泵系统的上一级能量生产单元是太阳能光热系统，则太阳能光热系统的输出端口即是复合式热泵系统的输入端口，其水流温度为tSHS；用tHP表示复合式热泵系统的输出端口水流温度，水的质量流率和比热容仍然是m1和Cw，则根据比热容公式有式(11)：Qac＝Cwm1(tHP-tSHS)(11)对于余热锅炉而言，用于制热的能量功率来源于回收燃气轮机的高温废热，用Qgt2表示；其上一级能量生产单元是复合式热泵系统，则复合式热泵系统的输出端口即是余热锅炉的输入端口，其水流温度为tHP；用tWHB表示余热锅炉的输出端口水流温度，水的质量流率和比热容仍然是m1和Cw，则根据比热容公式有式(12)：Qgt2＝Cwm1(tWHB-tHP)(12)对于电热水锅炉而言，通过消耗电能来制热，用Peb表示消耗的电能功率；其上一级能量生产单元是余热锅炉，则余热锅炉的输出端口即是电热水锅炉的输入端口，其水流温度为tWHB；用tEWB表示电热水锅炉的输出端口水流温度，水的质量流率和比热容仍然是m1和Cw，则根据比热容公式有式(13)：Peb＝Cwm1(tEWB-tWHB)(13)其中，tEWB也是热水管网和分布式能源站连接的端口供水温度，ts1＝tEWB。分布式能源系统中的低压配电网络是辐射性结构，其数学建模主要考虑功率平衡方程；由于产生的功率损耗很小，在功率平衡方程中可以忽略功率损耗一项，用式(14)表示：其中，PG,i和PD,i分别表示节点i处的有功功率输入和有功负荷，QG,i和QD,i分别表示节点i处的无功功率输入和无功负荷。分布式能源系统中的热水管网主要由换热站、管道和循环水泵组成，在所述的系统建模和优化运行方法中需要详细考虑热水管网的网络拓扑结构、管网热耗和水泵电耗；对于第i个换热站，Qnet，i表示从热水管网传递到换热器中的热量，Qrad，i表示从换热器一次侧传到二次侧的换热量，Qi表示用户的热负荷需求，在系统稳定运行状态下，它们之间的关系如式(15)所示：Qnet,i＝Qrad,i＝Qi(15)Cw表示水的比热容，ts,i和tr,i分别表示该换热器一次侧的热流进、出口温度，mi表示热流的质量水流率，Ts,i和T本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种考虑热水管网的分布式能源系统建模和运行优化方法，其特征在于：包括以下步骤：建立一个新的分布式能源系统物理模型，通过和电网连接并整合包括燃气轮机、太阳能光热系统、热泵系统、余热锅炉和电热水锅炉其中之一或几个组合的技术，充分利用电网电力、清洁天然气、高温废热和自然界中的太阳能、地热在内的至少或其组合的可再生能源实现一定区域范围内的电、热联合生产和供应；建立一个含两层优化模型的系统日运行优化策略，通过考虑热水管网热耗、调节供/回水温度和管网流量、制定能源购买计划的至少一因素或其组合来最小化系统运行过程中的能源消耗量和运行成本。

【技术特征摘要】
1.一种考虑热水管网的分布式能源系统建模和运行优化方法，其特征在于：包括以下步骤：建立一个新的分布式能源系统物理模型，通过和电网连接并整合包括燃气轮机、太阳能光热系统、热泵系统、余热锅炉和电热水锅炉其中之一或几个组合的技术，充分利用电网电力、清洁天然气、高温废热和自然界中的太阳能、地热在内的至少或其组合的可再生能源实现一定区域范围内的电、热联合生产和供应；建立一个含两层优化模型的系统日运行优化策略，通过考虑热水管网热耗、调节供/回水温度和管网流量、制定能源购买计划的至少一因素或其组合来最小化系统运行过程中的能源消耗量和运行成本。2.如权利要求1所述的考虑热水管网的分布式能源系统建模和运行优化方法，其特征在于：分布式能源系统包括分布式能源站、热水管网、低压配电网和社区用户负荷；该系统能够与电网通过公共耦合点进行电气连接，通过交互和优化运行完成一定区域范围内的电、热负荷联合生产和供应；分布式能源系统中的能源站又由太阳能光热系统、地源热泵、吸收式热泵、燃气轮机、余热锅炉和电热水锅炉按照一定的整合方式构成；太阳能光热系统是一级能量生产单元，地源热泵和吸收式热泵组合共同构成二级能量生产单元，余热锅炉是三级能量生产单元，电热水锅炉是四级能量生产单元；燃气轮机是整个能源站的核心动力设备，生产的电能一部分用于供给用户电负荷需求，一部分用于地源热泵的外部电能驱动和电热水锅炉的电能输入；燃气轮机的废气余热通过回收由吸收式热泵和余热锅炉加以充分利用以生产热能。3.如权利要求1或2所述的考虑热水管网的分布式能源系统建模和运行优化方法，其特征在于：对分布式能源系统中的能源站进行数学建模，具体构建方法如下：对于燃气轮机而言，当输出电功率为Pgt时，燃气轮机需要消耗的天然气量Vgas是Vgas=PgtηgtHu---(1)]]>其中，ηgt为燃气轮机的效率，Hu为天然气低位热值。燃气轮机产生的高温烟气余热量Qgt为Qgt=Pgt(1-ηgt-ηloss)ηgt---(2)]]>其中ηloss为燃气轮机热损失效率；对于太阳能光热系统而言，Qs表示可用于制热的太阳能功率，tr1和tSHS分别表示输入端口和输出端口的水流温度，m1表示水的质量流率，Cw表示水的比热容，则根据比热容公式有式(3)：Qs＝Cwm1(tSHS-tr1)(3)其中，tr1也是热水管网和分布式能源站连接的端口回水温度；对于地源热泵而言，Qge表示所收集的地热能，Pec表示地源热泵所消耗的电能，Qec表示地源热泵输出的能量功率，则它们之间的关系如式(4)所示：Qec＝Qge+Pec(4)地源热泵的性能系数COPec可以定义为式(5)：COPec=QecPec---(5)]]>进一步，式(4)(5)可以转化为式(6)(7)：Qec=Qge×COPecCOPec-1---(6)]]>Pec=QgeCOPec-1---(7)]]>对于吸收式热泵而言，其低温热源来自于地源热泵，两者共同组成复合式热泵系统；地源热泵产生的能量功率Qec即为吸收式热泵的低温热量输入；Qgt1表示吸收式热泵所需要的高温热源驱动，来自于燃气轮机的高温废热；Qac表示复合式热泵系统的输出能量功率；则它们之间的关系如式(8)所示：Qac＝Qgt1+Qec(8)吸收式热泵的性能系数COPac可以定义为式(9)：COPac=QacQgt1---(9)]]>进一步，结合式(6)(8)(9)，Qac可以用式(10)表示：Qac=Qec×COPacCOPac-1=Qge×COPecCOPec-1×COPacCOPac-1---(10)]]>复合式热泵系统的上一级能量生产单元是太阳能光热系统，则太阳能光热系统的输出端口即是复合式热泵系统的输入端口，其水流温度为tSHS；用tHP表示复合式热泵系统的输出端口水流温度，水的质量流率和比热容仍然是m1和Cw，则根据比热容公式有式(11)：Qac＝Cwm1(tHP-tSHS)(11)对于余热锅炉而言，用于制热的能量功率来源于回收燃气轮机的高温废热，用Qgt2表示；其上一级能量生产单元是复合式热泵系统，则复合式热泵系统的输出端口即是余热锅炉的输入端口，其水流温度为tHP；用tWHB表示余热锅炉的输出端口水流温度，水的质量流率和比热容仍然是m1和Cw，则根据比热容公式有式(12)：Qgt2＝Cwm1(tWHB-tHP)(12)对于电热水锅炉而言，通过消耗电能来制热，用Peb表示消耗的电能功率；其上一级能量生产单元是余热锅炉，则余热锅炉的输出端口即是电热水锅炉的输入端口，其水流温度为tWHB；用tEWB表示电热水锅炉的输出端口水流温度，水的质量流率和比热容仍然是m1和Cw，则根据比热容公式有式(13)：Peb＝Cwm1(tEWB-tWHB)(13)其中，tEWB也是热水管网和分布式能源站连接的端口供水温度，ts1＝tEWB。4.如权利要求1或2所述的考虑热水管网的分布式能源系统建模和运行优化方法，其特征在于：分布式能源系统中的低压配电网络是辐射性结构，其数学建模主要考虑功率平衡方程；由于产生的功率损耗很小，在功率平衡方程中可以忽略功率损耗一项，用式(14)表示：ΣPG,i≈ΣPD,iΣQG,i≈ΣQD,i---(14)]]>其中，PG,i和PD,i分别表示节点i处的有功功率输入和有功负荷，QG,i和QD,i分别表示节点i处的无功功率输入和无功负荷。5.如权利要求1或2所述的考虑热水管网的分布式能源系统建模和运行优化方法，其特征在于：分布式能源系统中的热水管网包括换热站、管道和循环水泵，在所述的系统建模和优化运行方法中需考虑热水管网的网络拓扑结构、管网热耗和水泵电耗；对于第i个换热站，Qnet,i表示从热水管网传递到换热器中的热量，Qrad,i表示从换热器一次侧传到二次侧的换热量，Qi表示用户的热负荷需求，在系统稳定运行状态下，它们之间的关系如式(15)所示：Qnet,i＝Qrad,i＝Qi(15)Cw表示水的比热容...

【专利技术属性】
技术研发人员：王昕，郑益慧，李立学，谭玉华，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：上海;31