CN110570010B

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Info

Publication number: CN110570010B
Application number: CN201910703793.6A
Authority: CN
Inventors: 林仕立; 宋文吉; 冯自平
Original assignee: Guangzhou Institute of Energy Conversion of CAS
Current assignee: Guangzhou Institute of Energy Conversion of CAS
Priority date: 2019-07-31
Filing date: 2019-07-31
Publication date: 2023-01-17
Anticipated expiration: 2039-07-31
Also published as: CN110570010A

Abstract

本发明提供了一种含储热装置的分布式系统的能量管理方法，包括：电能分配、热能分配、控制储热装置和设计储热装置容量等步骤；本发明结合用户电冷热负荷的特点，通过储热装置对分布式系统热能进行存储释放控制，实现系统能量的优化调度，改进了分布式系统控制方法和储热装置设计方法，减少了系统损失热能，有效提高了综合能源利用效率，并减少了系统投资成本和回收期，具有较大的经济优势，可有效推动储热技术应用到实际的分布式系统中。

Description

一种含储热装置的分布式系统的能量管理方法

技术领域

本发明属于分布式系统领域，特别涉及一种含储热装置的分布式系统的能量管理方法。

背景技术

分布式系统具有靠近用户、可再生能源接入性好、能源利用效率高等优势，是新能源和可再生能源系统发展的趋势。其中，以微小型燃气机组为供能主体的冷热电联供系统(Combined cooling,heating and power,CCHP)集供电、供热、供冷于一体，通过电冷热三联供的方式可实现能源的梯级利用，综合能源利用率可达70％以上，因此CCHP系统成为分布式系统发展的主流形式。

CCHP系统包含多能源输入和多负荷需求，产能和用能之间的不均衡问题较为突出，存在系统效率高但节能率低的普遍现象。储能技术是实现其能量优化调度的关键，而储热作为单位储能容量成本较低的方式，易于推广到实际系统中。但目前含储热装置的分布式系统控制方法未能有效发挥储热系统的作用，导致其利用率较低，无法有效实现系统能量的优化调度；同时储能系统的设计容量冗余较大，经济性较差。因此，设计一种适用于含储热装置的分布式系统能量管理方法及其容量优化匹配方法，对储能技术在分布式系统中的应用推广具有重要的意义。

发明内容

本发明的目的在于提供一种含储热装置的分布式系统的能量管理方法，以实现分布式系统能量的优化调度，提高系统综合能源利用率和节能率，并减少系统投入成本。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案是：

该分布式系统包括：燃气机组、余热回收装置、燃气锅炉、吸收式制冷机、热交换器、储热装置。燃气机组连接燃气管网获取天然气、产生电能并由余热回收装置将余热进行回收；燃气锅炉连接燃气管网获取天然气，产生热能。燃气机组和电网提供电能满足用户电负荷需求；余热回收装置和燃气锅炉提供热能，且通过吸收式制冷机转换为合适的冷能满足用户冷负荷需求、通过热交换器转换为合适的热能满足用户热负荷需求。提供用户的热能可通过储热装置进行调节。

所述分布式系统能量管理方法根据用户日逐时电负荷、冷负荷和热负荷，依次确定电能分配和热能分配。

所述步骤1具体为：判断用户日逐时电负荷E_load(t)与燃气机组额定电功率E_max的大小，若燃气机组t时段E_load(t)大于E_max，则燃气机组以额定状态运行、输出电功率E_cchp(t)＝E_max，燃气机组t时段E_load(t)超出E_max的电能由电网提供；若燃气机组t时段输出电功率E_cchp(t)＝E_load(t)，则不需要电网提供电能。

所述步骤2具体为：根据上述电能分配的步骤得到的燃气机组逐时输出电功率，计算得到逐时负载率

结合燃气机组电效率得到燃气机组的逐时一次能源消耗量G_cchp(t)，并结合燃气机组热效率和余热回收装置效率，得到逐时可回收利用的热能Q_re(t)，结合吸收式制冷机和热交换器的转换效率，将逐时冷负荷和热负荷转换为等效热能需求，并求和得到用户逐时热能需求Q_load(t)，则t时段，余热回收装置向用户提供的热能为Q_reuse(t)＝min(Q_re(t),Q_load(t))，若余热回收装置向用户提供的热能大于或小于用户逐时热能需求Q_load(t)时，则按照步骤3中的方法分配热能。

所述步骤3包括以下步骤：

步骤a、计算各个时段Q_re(t)与Q_load(t)的差值，得到逐时热差值Q_diff(t)；

步骤b、储能阶段；选取所有Q_diff(t)大于0的时段，并按时间顺序进行排序，根据以下方法确定储热装置的储能功率：取逐时热差值Q_diff(t)、储热装置最大功率Q_{max_TESS}、储热装置未存满容量C_TESS-C_TESS(t)三个参数中绝对值的最小值作为储能装置实时功率Q_TESS(t)，将回收热能的富余部分存储到储热装置中；若仍有多余，则多余部分热能释放到周围环境中，若Q_diff(t)＞0，则储能装置的实时功率为：

Q_TESS(t)＝min{|Q_diff(t)|,|Q_{max_TESS}|,|C_TESS-C_TESS(t)|}，

其中，C_TESS为储热装置设计的容量；C_TESS(t)为储热装置当前容量，表示截止当前时刻存储的热能总和，并认为在储能阶段的初始时刻为0；同时，将所有Q_diff(t)＞0时段Q_TESS(t)相加，得到储热装置存储的热能总和为Q_sto；

步骤c、释能阶段；选取所有Q_diff(t)小于0的时段、按时间顺序进行排序，并根据以下方法确定储热装置的释能功率：取逐时热差值Q_diff(t)、储热装置最大功率Q_{max_TESS}、储热装置当前容量C_TESS(t)三个参数中绝对值的最小值、取相反数作为储能装置实时功率Q_TESS(t)，将储热装置中存储的热能进行释放以提供用户热能需求，若仍然未达到用户的热能需求，则用户未被满足的热能需求由燃气锅炉提供，即：若Q_diff(t)＜0，则储能装置实时功率为：

Q_TESS(t)＝-min{|Q_diff(t)|,|Q_{max_TESS}|,|C_TESS(t)|}，

把释能阶段的初始时刻C_TESS(t)设置为Q_sto，其当前值通过上一时刻剩余容量减去上一时刻释能能量得到，同时，将所有Q_diff(t)＜0时段Q_TESS(t)相加并取相反数，得到储热装置释放的热能总和为Q_rel；

步骤d、比较Q_sto与Q_rel的大小，若Q_sto＞Q_rel，选取所有Q_diff(t)大于0的时段、按时间倒序进行排序，逐时减少储热装置存储的储热功率、并同步减少存储的热能总和Q_sto，当Q_sto＝Q_rel时，执行步骤e；

步骤e、获得对储热装置的控制：在Q_diff(t)＜0时段，燃气锅炉的功率由Q_GB(t)＝|Q_diff(t)-Q_TESS(t)|得到；在Q_diff(t)＞0时段，释放到周围环境中的损失热能由Q_loss(t)＝Q_diff(t)-Q_TESS(t)获得。

在步骤3中，对储热装置的控制以日为计量周期，储热装置存储和释放的热能相等，即：

在步骤3中，储热装置容量的设计方法为：在N个典型用户设计日工况下，分别计算各个时段回收热能

与用户热需求

的差值得到逐时热差值

将全部时段的

求和得到总和

将

小于0的时段进行求和得到不足时段的总和

将

大于0的时段进行求和，得到富余时段的总和

对于工况X，若

则：

若

则

X＝1，……，N，储热装置的容量为：

相对于现有技术，本发明具有以下的优点和有益效果：

本发明设计了一种含储热装置的分布式系统的能量管理方法，该能量管理方法通过储热装置能量的存储释放实现系统热能的优化调度，减少了系统耗散到周围环境中的损失热能，有效提高了系统综合能源利用效率；同时，提供了储热装置容量的优化设计方法，减少了系统的初始投资成本，并提高了储热装置的利用率、减少了投资回收期，具有较大的经济优势。

附图说明

图1是本发明的整体拓扑结构示意图。

图2是夏季工况的逐时电负荷和等效逐时热需求。

图3是冬季工况的逐时电负荷和等效逐时热需求。

图4为夏季工况的电能分配图。

图5为冬季工况的电能分配图。

图6为夏季工况的储热装置控制图。

图7为冬季工况的储热装置控制图。

具体实施方式

实施例

以下结合附图和具体实施方式对本发明的技术方案做进一步的说明。

如图1所示，一种含储热装置的分布式系统的能量管理方法，该分布式系统包括燃气机组10、余热回收装置20、燃气锅炉30、吸收式制冷机40、热交换器50、储热装置60。燃气机组10连接燃气管网100获取天然气、产生电能并由余热回收装置20将余热进行回收；燃气锅炉30连接燃气管网100获取天然气，产生热能。燃气机组10和电网200提供电能满足用户电负荷需求；余热回收装置20和燃气锅炉30提供热能，且通过吸收式制冷机40转换为合适的冷能满足用户冷负荷需求、通过热交换器50转换为合适的热能满足用户热负荷需求。通过储热装置60的存储释放实现系统热能的调节。

实施对象包括夏季和冬季两种典型用户工况，图2和图3分别为夏季工况和冬季工况对应的逐时电负荷和等效逐时热需求。其中，等效逐时热需求根据用户的冷负荷和热负荷，结合吸收式制冷机的COP和热交换器的效率计算得到，本实施例中，吸收式制冷机的COP为1.2，热交换器的效率为0.9。

实施对象的燃气机组为内燃机，额定功率67kw，其电效率和热效率可通过美国采暖、制冷与空调工程师学会制定的自然吸气式小型机组标准特性数据拟合得到。

根据电能分配的步骤，将24个小时的逐时电负荷E_load(t)与燃气机组额定功率值67kw做比较，得到的燃气机组逐时输出电功率：当E_load(t)＞67，燃气机组输出电功率为67kw，不足部分由电网提供；如夏季工况t＝10的时段，E_load(10)＝82.59kW，则燃气机组以额定状态运行，输出功率为67kW，此时电网向用户提供电能为15.59kW。当E_load(t)≤67，燃气机组输出电功率为E_cchp(t)＝E_load(t)，电网不提供电能；如夏季t＝5的时段，E_load(5)＝40.42kW，则燃气机组输出功率为40.42kW，此时电网不提供电能。图4和图5分别为夏季工况和冬季工况对应的电能分配方法。

根据上述得到的逐时E_cchp(t)以及

计算得到逐时负载率PLR(t)；结合燃气机组电效率、热效率和余热回收装置效率，得到逐时可回收利用的热能Q_re(t)。如夏季工况t＝10的时段，E_cchp(10)＝67kW且E_max＝67kW，则PLR(10)＝1，此时电效率为0.2641，实时热效率为0.5479，余热回收装置效率为0.8，则Q_re(10)＝111.2kW。结合用户的等效逐时热需求，可知t时段余热回收装置向用户提供的热能为Q_reuse(t)＝min(Q_re(t),Q_load(t))。如夏季工况t＝10的时段，Q_re(10)＝111.2kw且Q_load(10)＝75.74kW，可则Q_reuse(10)＝75.74kW；夏季工况t＝16的时段，Q_re(16)＝111.2kW且Q_load(16)＝130.13kW，可则Q_reuse(16)＝111.2kW。

该分布式系统的储热装置容量设计如下：分别计算夏季工况和冬季工况24个时段回收热能Q_re(t)与用户热需求Q_load(t)的差值得到逐时热差值Q_diff(t)。分别将夏季工况和冬季工况全部时段的Q_diff(t)求和得到总和Q_Tdiff，可知夏季工况Q_Tdiff＝292.27kWh，冬季工况Q_Tdiff＝-1430.68kWh。若Q_Tdiff＞0，则将Q_diff(t)小于0的时段进行求和得到不足时段的总和Q_insuf，并取绝对值作为预选容量值；如夏季工况大于0，计算得到不足时段的总和为-266kWh，则将266kWh作为预选容量值。若Q_Tdiff＜0，则将Q_diff(t)大于0的时段进行求和得到富余时段的总和Q_surplus，并取绝对值作为预选容量值；如冬季工况小于0，计算得到富余时段的总和为57kWh，则将57kWh作为预选容量值。比较所有的预选容量值，其中的最大值即作为储热装置的设计容量，则该储热装置设计容量为266kWh。

根据上述余热回收装置向用户提供的热能以及储热装置设计容量，采用以下方法设计储热装置的储能和释能控制方法：

在储能阶段，选取所有Q_diff(t)大于0的时段、按时间顺序进行排序，并根据以下原则确定储热装置的储能功率：取逐时热差值Q_diff(t)、储热装置最大功率Q_{max_TESS}、储热装置未存满容量C_TESS-C_TESS(t)三个参数中绝对值的最小值作为储能装置实时功率Q_TESS(t)，将回收热能的富余部分存储到储热装置中；若仍有多余，则多余部分热能释放到周围环境中。如夏季工况t＝0时段，Q_diff(0)＝27.5，Q_{max_TESS}＝66.5，C_TESS-C_TESS(0)＝266，则Q_TESS(0)＝27.5kW，储热装置存储的热能总和为Q_sto＝27.5kWh；又如夏季工况t＝7时段，Q_diff(7)＝45.49，Q_{max_TESS}＝66.5，C_TESS-C_TESS(7)＝5.31，则Q_TESS(7)＝5.31kW，储热装置存储的热能总和为Q_sto＝266kWh。

在释能阶段，选取所有Q_diff(t)小于0的时段、按时间顺序进行排序，并根据以下原则确定储热装置的释能功率：取逐时热差值Q_diff(t)、储热装置最大功率Q_{max_TESS}、储热装置当前容量C_TESS(t)三个参数中绝对值的最小值、取相反数作为储能装置实时功率Q_TESS(t)，将储热装置中存储的热能进行释放以提供用户热能需求；若仍然不足，则不足部分热能由燃气锅炉提供。如夏季工况t＝12时段，Q_diff(12)＝-17.66，Q_{max_TESS}＝66.5，C_TESS(12)＝266，则Q_TESS(12)＝-27.66kW，储热装置释放的热能总和为Q_rel＝27.66kWh；又如冬季工况t＝19时段，Q_diff(19)＝-80.49，Q_{max_TESS}＝66.5，C_TESS(19)＝0，则Q_TESS(19)＝0kW，储热装置释放的热能总和为Q_rel＝57.11kWh。

在储热装置存储和释放平衡校验阶段，比较Q_sto与Q_rel的大小，若Q_sto＞Q_rel，选取所有Q_diff(t)大于0的时段、按时间倒序进行排序，逐时减少储热装置存储的储热功率、并同步减少存储的热能总和Q_sto，直至Q_sto＝Q_rel时跳出该步骤。

根据上述步骤，可以得到储热装置的控制方法，图6和图7分别为夏季工况和冬季工况对应的储热装置控制方法。则在Q_diff(t)＜0时段，燃气锅炉的功率可由Q_GB(t)＝|Q_diff(t)-Q_TESS(t)|得到；如冬季工况t＝19时段，燃气锅炉提供的热能为Q_GB(19)＝80.49kW。在Q_diff(t)＞0时段，释放到周围环境中的损失热能可由Q_loss(t)＝Q_diff(t)-Q_TESS(t)得到；如夏季工况t＝7时段，系统有40.18kWh的多余热能释放到了周围环境中。

上列详细说明是针对本发明可行实施例的具体说明，该实施例并非用以限制本发明的专利范围，凡未脱离本发明所为的等效实施或变更，均应包含于本案的专利范围中。

Claims

1.一种含储热装置的分布式系统的能量管理方法，基于分布式系统，所述分布式系统包括燃气机组[10]、余热回收装置[20]、燃气锅炉[30]、吸收式制冷机[40]、热交换器[50]和储热装置[60]；所述燃气机组[10]连接燃气管网[100]以获取天然气和产生电能，并由余热回收装置[20]将余热进行回收；燃气锅炉[30]连接燃气管网[100]以获取天然气，产生热能；燃气机组[10]和电网[200]提供满足用户电负荷需求的电能；余热回收装置[20]和燃气锅炉[30]用于提供热能，所述吸收式制冷机[40]用于转换合适的冷能满足用户冷负荷需求，所述热交换器[50]用于转换合适的热能满足用户热负荷需求，提供给用户的热能通过储热装置[60]进行调节；其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、电能分配的步骤；

步骤2、热能分配的步骤；

步骤3、控制储热装置的步骤；

步骤4、设计储热装置容量的步骤；

所述步骤1具体为：判断用户日逐时电负荷E_load(t)与燃气机组额定电功率E_max的大小，在t时段E_load(t)大于E_max，则燃气机组以额定状态运行，输出电功率E_cchp(t)＝E_max，且t时段E_load(t)超出E_max的电能由电网提供；

，结合燃气机组电效率得到燃气机组的逐时一次能源消耗量G_cchp(t)，并结合燃气机组热效率和余热回收装置效率，得到逐时可回收利用的热能Q_re(t)，结合吸收式制冷机和热交换器的转换效率，将逐时冷负荷和热负荷转换为等效热能需求，并求和得到用户逐时热能需求Q_load(t)，则t时段，余热回收装置向用户提供的热能为Q_reuse(t)＝min(Q_re(t),Q_load(t))，若余热回收装置向用户提供的热能大于或小于用户逐时热能需求Q_load(t)时，则按照步骤3中的方法分配热能；

所述步骤3包括以下步骤：

步骤b、储能阶段；选取所有Q_diff(t)大于0的时段，并按时间顺序进行排序，根据以下方法确定储热装置的储能功率：取逐时热差值Q_diff(t)、储热装置最大功率Q_{max_TESS}、储热装置未存满容量C_TESS-C_TESS(t)三个参数中绝对值的最小值作为储能装置实时功率Q_TESS(t)，将回收热能的富余部分存储到储热装置中；若储热装置存满后仍有多余，则多余部分热能释放到周围环境中，若Q_diff(t)＞0，则储能装置的实时功率为：

Q_TESS(t)＝min{|Q_diff(t)|,|Q_{max_TESS}|,|C_TESS-C_TESS(t)|}，

步骤c、释能阶段；选取所有Q_diff(t)小于0的时段、按时间顺序进行排序，并根据以下方法确定储热装置的释能功率：取逐时热差值Q_diff(t)，储热装置最大功率Q_{max_TESS}、储热装置当前容量C_TESS(t)三个参数中绝对值的最小值，取该最小值的相反数作为储能装置实时功率Q_TESS(t)，将储热装置中存储的热能进行释放以提供用户热能需求，若仍然未达到用户的热能需求，则用户未被满足的热能需求由燃气锅炉提供，即：若Q_diff(t)＜0，则储能装置实时功率为：

Q_TESS(t)＝-min{|Q_diff(t)|,|Q_{max_TESS}|,|C_TESS(t)|}，

把释能阶段的初始时刻C_TESS(t)设置为Q_sto，则Q_sto当前值通过上一时刻剩余容量减去上一时刻释能能量得到，同时，将所有Q_diff(t)＜0时段Q_TESS(t)相加并取相反数，得到储热装置释放的热能总和为Q_rel；

步骤d、比较Q_sto与Q_rel的大小，若Q_sto＞Q_rel，选取所有Q_diff(t)大于0的时段，按时间倒序进行排序，逐时减少储热装置存储的储热功率，并同步减少存储的热能总和Q_sto，当Q_sto＝Q_rel时，执行步骤e；

2.根据权利要求1所述的能量管理方法，其特征在于，在步骤3中，对储热装置的控制以日为计量周期，储热装置存储和释放的热能相等，即：

=0。

3.根据权利要求1所述的能量管理方法，其特征在于，在步骤3中，储热装置容量的设计方法为：在N个典型用户设计日工况下，分别计算各个时段回收热能Q^X_re(t)与用户热需求Q^X_load(t)的差值得到逐时热差值Q^X_diff(t)，将全部时段的Q^X_diff(t)求和得到总和热差值Q^X T_diff(t)，将Q^X_diff(t)小于0的时段进行求和得到热能不足的时段的总和热差值Q^X_insuf，将Q^X_diff(t)大于0的时段进行求和，得到热能富余的时段的总和热差值Q^X_surplus，对于工况X，若

＞0则

；若

＜0，则

，X=1,...,N，储热装置的容量为：

。