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【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及储热罐领域,特别是涉及一种储热罐储能状态监测方法及系统。
技术介绍
1、随着可再生能源大规模并网,可再生能源带来的随机性、波动性和不确定性也给电网带来了不小的冲击。热储能技术在用热低谷时将多余的热量存储起来,等到用热高峰时再将储存的热量释放出来供给用户,有效解决热能供需在空间和时间上的不匹配问题,实现“削峰填谷”,从而有效平抑可再生能源出力的波动性,提升电力系统整体运行的安全性和稳定性。其中,热水蓄热技术由于其构造简单、初期投资成本低、工质易得、方便维护等优点,逐渐在供热系统以及综合能源系统中得到广泛应用并发挥着重要作用,取得了不可估量的节能效果。因此,储热罐的运行方式优化对于提升系统整体的运行效率和经济收益也至关重要。
2、为实现储热罐的动态优化运行,动态建模和状态观测是其重要的研究基础。储热罐通过保持冷热水在不同分层来储存能量,由于热水的密度总低于冷水的密度,因此不论是储热还是放热过程中,储热罐中的水总是自发地形成热水在上、冷水在下的分层模式。针对这种热分层现象,国内外学者开展了大量的建模研究工作,总体上可以分为三类:一维模型,二维模型和三维模型。一维模型是指沿高度方向将蓄热罐分为若干个等体积的控制体,对每个控制体分别建立质量守恒和能量守恒方程,从而得到各控制体温度随时间变化的数学表达式。与一维模型相比,二维和三维模型能够提供更细致的罐内流体行为信息,但模型复杂度和计算量也同时显著提升,使其不适用于过程优化或长期仿真,因此一维模型广泛用于储热罐的动态特性和运行优化研究中。
3、储热罐一般
4、另一方面,由于供能成本的不断增加,储热罐除了满足用户基本热负荷需求外,还需要考虑通过优化运行方式,来提升整体供能效率。为了最大限度地实现储热罐的优化运行,罐内工质温度的状态估计是重要前提。通过在必要位置安装温度传感器,根据传感器提供的量测信息构建合适的状态观测器,获得罐内工作在各种复杂运行场景下温度分布的时空信息,对于实时掌握储热罐储能状态,设计储热罐及能源系统整体最优控制策略至关重要。另外从现场应用角度,应该考虑在保证热罐各层温度均能观的前提下,尽量减少加装温度传感器的数量以降低改造成本,同时减少对系统运行的影响。但现有研究基本少有涉及储热罐传感器布置问题。
技术实现思路
1、本专利技术的目的是提供一种储热罐储能状态监测方法及系统,可极大地加快求解速度,并动态监测储热罐储能状态。
2、为实现上述目的,本专利技术提供了如下方案。
3、一种储热罐储能状态监测方法,包括以下步骤。
4、构建储热罐的能量平衡方程。
5、对所述能量平衡方程进行连续化处理,获得储热罐一维连续动态分层温度模型。
6、获得初始时刻预设的温度传感器组合;其中,所述温度传感器组合中每个温度传感器在储热罐上的布置位置是已知的。
7、将温度传感器组合中移除一个温度传感器后剩余的温度传感器构成一种剩余组合,获得温度传感器组合中每个温度传感器对应的剩余组合。
8、基于所述储热罐一维连续动态分层温度模型,为每种剩余组合建立输出变量个数等于剩余组合中温度传感器数目的灵敏度矩阵。
9、计算每种剩余组合的灵敏度矩阵所对应的能观度指标。
10、选出最大能观度指标对应的剩余组合,作为温度传感器组合,并执行将温度传感器组合中移除一个温度传感器后剩余的温度传感器构成一种剩余组合,获得温度传感器组合中每个温度传感器的剩余组合的步骤,直至储热罐工质温度不可观时停止,获得储热罐各层工质温度能观前提下的温度传感器组合,并确定为最优温度传感器布置组合,按照所述最优温度传感器布置组合在储热罐上安装温度传感器。
11、构建滚动时域观测器。
12、根据在储热罐上安装的温度传感器所测量的实时温度,利用所述滚动时域观测器,获得储热罐各层工质实时的温度观测值。
13、可选地,构建储热罐的能量平衡方程,具体包括以下过程。
14、将储热罐沿高度方向均分为n层,从上向下依次定义为第1层、第2层至第n层,并假设储热罐处于理想状态;其中,所述理想状态包括:只考虑轴向一维传热和流动过程;各层工质完全混合并对应一集总温度;忽略储热罐罐壁蓄热;以及储热罐无外力和内热源。
15、对第i层工质列写能量平衡方程为:;其中,ti表示第i层工质温度;λ表示流体热导率,ρ表示流体密度,cp表示流体比热容;ai、pi、δzi分别表示第i层工质的横截面积、周长、厚度;ui表示第i层工质与周围环境换热系数;tenv表示环境温度;gi、tiin分别表示流入第i层工质的流体质量流量、工质温度;z表示储热罐高度方向高度,t表示时间。
16、可选地,对所述能量平衡方程进行连续化处理,获得储热罐一维连续动态分层温度模型,具体包括以下过程。
17、将第i层工质的能量平衡方程改写为:;其中,gh、th分别表示当储热罐储热时,流入第1层工质的质量流量、温度;、分别表示当储热罐放热时,流回第n层工质的质量流量、温度;ti-1、ti+1分别表示第i-1层、第i+1层工质温度;αi、βi、γi和δi均为第i层的控制系数,,,,;αb表示储热流体是否流入第b层的控制系数、βb表示用户侧回水是否流入第b层的控制系数。
18、利用阶跃函数s(g)将改写后的能量平衡方程中的0-1变量转化为定义域上的连续变量;其中,,g表示自变量。
19、使用光滑函数逼近阶跃函数,得到储热罐一维连续动态分层温度模型;其中,μ表示光滑参数,θ表示关于g和μ的光滑函数。
20、可选地,所述储热罐一维连续动态分层温度模型为以下表示式。
21、。
22、。
23、。
24、其中,t1、t2分别表示第1层、第2层工质温度;a1、δz1分别表示第1层工质的横截面积、厚度;an、δzn分别表示第n层工质的横截面积、厚度;tn-1、tn分别表示第n-1层、第n层工质温度。
25、可选地,基于所述储热罐一维连续动态分层温度模型,为每种剩余组合建立输出变量个数等于剩余组合中温度传感器数目的灵敏度矩阵,具体包括以下过程。
26、将所述储热罐一维连续动态温度模型写成紧凑形式为:;其中,x =[t1, t2, …, tn]t,,;f表示非线性函数,x、u、d分别表示系统状态向量、输本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种储热罐储能状态监测方法,其特征在于,包括:
2.根据权利要求1所述的储热罐储能状态监测方法,其特征在于,构建储热罐的能量平衡方程,具体包括:
3.根据权利要求2所述的储热罐储能状态监测方法,其特征在于,对所述能量平衡方程进行连续化处理,获得储热罐一维连续动态分层温度模型,具体包括:
4.根据权利要求3所述的储热罐储能状态监测方法,其特征在于,所述储热罐一维连续动态分层温度模型为:
5.根据权利要求4所述的储热罐储能状态监测方法,其特征在于,基于所述储热罐一维连续动态分层温度模型,为每种剩余组合建立输出变量个数等于剩余组合中温度传感器数目的灵敏度矩阵,具体包括:
6.根据权利要求5所述的储热罐储能状态监测方法,其特征在于,计算每种剩余组合的灵敏度矩阵对应的能观度指标,具体包括:
7.根据权利要求6所述的储热罐储能状态监测方法,其特征在于,所述滚动时域观测器的优化模型为:
8.一种储热罐储能状态监测系统,其特征在于,包括:
【技术特征摘要】
1.一种储热罐储能状态监测方法,其特征在于,包括:
2.根据权利要求1所述的储热罐储能状态监测方法,其特征在于,构建储热罐的能量平衡方程,具体包括:
3.根据权利要求2所述的储热罐储能状态监测方法,其特征在于,对所述能量平衡方程进行连续化处理,获得储热罐一维连续动态分层温度模型,具体包括:
4.根据权利要求3所述的储热罐储能状态监测方法,其特征在于,所述储热罐一维连续动态分层温度模型为:
5.根据权利要求4所述...
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