CN110570010A - 一种含储热装置的分布式***的能量管理方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种含储热装置的分布式***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***热能进行存储释放控制,实现***能量的优化调度,改进了分布式***控制方法和储热装置设计方法,减少了***损失热能,有效提高了综合能源利用效率,并减少了***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***中。
Description
技术领域
本发明属于分布式***领域,特别涉及一种含储热装置的分布式***的能量管理方法。
背景技术
分布式***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***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***(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***成为分布式***发展的主流形式。
CCHP***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***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***中。但目前含储热装置的分布式***控制方法未能有效发挥储热***的作用,导致其利用率较低,无法有效实现***能量的优化调度;同时储能***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***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***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***的能量管理方法,以实现分布式***能量的优化调度,提高***综合能源利用率和节能率,并减少***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***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。
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;
所述分布式***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Eload(t)与燃气机组额定电功率Emax的大小,若燃气机组t时段Eload(t)大于Emax,则燃气机组以额定状态运行、输出电功率Ecchp(t)=Emax,燃气机组t时段Eload(t)超出Emax的电能由电网提供;若燃气机组t时段输出电功率Ecchp(t)=Eload(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Gcchp(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Qre(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Qload(t),则t时段,余热回收装置向用户提供的热能为Qreuse(t)=min(Qre(t),Qload(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Qload(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Qre(t)与Qload(t)的差值,得到逐时热差值Qdiff(t);
步骤b、储能阶段;选取所有Qdiff(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Qdiff(t)、储热装置最大功率Qmax_TESS、储热装置未存满容量CTESS-CTESS(t)三个参数中绝对值的最小值作为储能装置实时功率QTESS(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Qdiff(t)>0,则储能装置的实时功率为:
QTESS(t)=min{|Qdiff(t)|,|Qmax_TESS|,|CTESS-CTESS(t)|},
其中,CTESS为储热装置设计的容量;CTESS(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Qdiff(t)>0时段QTESS(t)相加,得到储热装置存储的热能总和为Qsto;
步骤c、释能阶段;选取所有Qdiff(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Qdiff(t)、储热装置最大功率Qmax_TESS、储热装置当前容量CTESS(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QTESS(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Qdiff(t)<0,则储能装置实时功率为:
QTESS(t)=-min{|Qdiff(t)|,|Qmax_TESS|,|CTESS(t)|},
把释能阶段的初始时刻CTESS(t)设置为Qsto,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Qdiff(t)<0时段QTESS(t)相加并取相反数,得到储热装置释放的热能总和为Qrel;
步骤d、比较Qsto与Qrel的大小,若Qsto>Qrel,选取所有Qdiff(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Qsto,当Qsto=Qrel时,执行步骤e;
步骤e、获得对储热装置的控制:在Qdiff(t)<0时段,燃气锅炉的功率由QGB(t)=|Qdiff(t)-QTESS(t)|得到;在Qdiff(t)>0时段,释放到周围环境中的损失热能由Qloss(t)=Qdiff(t)-QTESS(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***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***热能的优化调度,减少了***耗散到周围环境中的损失热能,有效提高了***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***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***的能量管理方法,该分布式***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***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Eload(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Eload(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,Eload(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Eload(t)≤67,燃气机组输出电功率为Ecchp(t)=Eload(t),电网不提供电能;如夏季t=5的时段,Eload(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Ecchp(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Qre(t)。如夏季工况t=10的时段,Ecchp(10)=67kW且Emax=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Qre(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Qreuse(t)=min(Qre(t),Qload(t))。如夏季工况t=10的时段,Qre(10)=111.2kw且Qload(10)=75.74kW,可则Qreuse(10)=75.74kW;夏季工况t=16的时段,Qre(16)=111.2kW且Qload(16)=130.13kW,可则Qreuse(16)=111.2kW。
该分布式***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Qre(t)与用户热需求Qload(t)的差值得到逐时热差值Qdiff(t)。分别将夏季工况和冬季工况全部时段的Qdiff(t)求和得到总和QTdiff,可知夏季工况QTdiff=292.27kWh,冬季工况QTdiff=-1430.68kWh。若QTdiff>0,则将Qdiff(t)小于0的时段进行求和得到不足时段的总和Qinsuf,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QTdiff<0,则将Qdiff(t)大于0的时段进行求和得到富余时段的总和Qsurplus,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Qdiff(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Qdiff(t)、储热装置最大功率Qmax_TESS、储热装置未存满容量CTESS-CTESS(t)三个参数中绝对值的最小值作为储能装置实时功率QTESS(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,Qdiff(0)=27.5,Qmax_TESS=66.5,CTESS-CTESS(0)=266,则QTESS(0)=27.5kW,储热装置存储的热能总和为Qsto=27.5kWh;又如夏季工况t=7时段,Qdiff(7)=45.49,Qmax_TESS=66.5,CTESS-CTESS(7)=5.31,则QTESS(7)=5.31kW,储热装置存储的热能总和为Qsto=266kWh。
在释能阶段,选取所有Qdiff(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Qdiff(t)、储热装置最大功率Qmax_TESS、储热装置当前容量CTESS(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QTESS(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,Qdiff(12)=-17.66,Qmax_TESS=66.5,CTESS(12)=266,则QTESS(12)=-27.66kW,储热装置释放的热能总和为Qrel=27.66kWh;又如冬季工况t=19时段,Qdiff(19)=-80.49,Qmax_TESS=66.5,CTESS(19)=0,则QTESS(19)=0kW,储热装置释放的热能总和为Qrel=57.11kWh。
在储热装置存储和释放平衡校验阶段,比较Qsto与Qrel的大小,若Qsto>Qrel,选取所有Qdiff(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Qsto,直至Qsto=Qrel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Qdiff(t)<0时段,燃气锅炉的功率可由QGB(t)=|Qdiff(t)-QTESS(t)|得到;如冬季工况t=19时段,燃气锅炉提供的热能为QGB(19)=80.49kW。在Qdiff(t)>0时段,释放到周围环境中的损失热能可由Qloss(t)=Qdiff(t)-QTESS(t)得到;如夏季工况t=7时段,***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 (4)
1.一种含储热装置的分布式***的能量管理方法,基于分布式***,所述分布式***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Eload(t)与燃气机组额定电功率Emax的大小,若燃气机组t时段Eload(t)大于Emax,则燃气机组以额定状态运行、输出电功率Ecchp(t)=Emax,燃气机组t时段Eload(t)超出Emax的电能由电网提供;
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Gcchp(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Qre(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Qload(t),则t时段,余热回收装置向用户提供的热能为Qreuse(t)=min(Qre(t),Qload(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Qload(t)时,则按照步骤3中的方法分配热能。
2.根据权利要求1所述的能量管理方法,其特征在于,所述步骤3包括以下步骤:
步骤a、计算各个时段Qre(t)与Qload(t)的差值,得到逐时热差值Qdiff(t);
步骤b、储能阶段;选取所有Qdiff(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Qdiff(t)、储热装置最大功率Qmax_TESS、储热装置未存满容量CTESS-CTESS(t)三个参数中绝对值的最小值作为储能装置实时功率QTESS(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Qdiff(t)>0,则储能装置的实时功率为:
QTESS(t)=min{|Qdiff(t)|,|Qmax_TESS|,|CTESS-CTESS(t)|},
其中,CTESS为储热装置设计的容量;CTESS(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Qdiff(t)>0时段QTESS(t)相加,得到储热装置存储的热能总和为Qsto;
步骤c、释能阶段;选取所有Qdiff(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Qdiff(t)、储热装置最大功率Qmax_TESS、储热装置当前容量CTESS(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QTESS(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Qdiff(t)<0,则储能装置实时功率为:
QTESS(t)=-min{|Qdiff(t)|,|Qmax_TESS|,|CTESS(t)|},
把释能阶段的初始时刻CTESS(t)设置为Qsto,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Qdiff(t)<0时段QTESS(t)相加并取相反数,得到储热装置释放的热能总和为Qrel;
步骤d、比较Qsto与Qrel的大小,若Qsto>Qrel,选取所有Qdiff(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Qsto,当Qsto=Qrel时,执行步骤e;
步骤e、获得对储热装置的控制:在Qdiff(t)<0时段,燃气锅炉的功率由QGB(t)=|Qdiff(t)-QTESS(t)|得到;在Qdiff(t)>0时段,释放到周围环境中的损失热能由Qloss(t)=Qdiff(t)-QTESS(t)获得。
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,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:
4.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QX re(t)与用户热需求QX load(t)的差值得到逐时热差值QX diff(t),将全部时段的QX diff(t)求和得到总和QX Tdiff,将QX diff(t)小于0的时段进行求和得到不足时段的总和QX insuf,将QX diff(t)大于0的时段进行求和,得到富余时段的总和QX surplus,对于工况X,若则若则储热装置的容量为:
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