CN106447529A - 考虑热水管网的分布式能源系统建模和运行优化方法 - Google Patents

Abstract

本发明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，结果表明本发明具有节约能源、减少经济成本的优势。

Description

考虑热水管网的分布式能源系统建模和运行优化方法

技术领域

本发明属于能源技术领域，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。

背景技术

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。

发明内容

本发明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。

本发明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P_gt时，燃气轮机需要消耗的天然气量V_gas是

其中，η_gt为燃气轮机的效率，H_u为天然气低位热值。

燃气轮机产生的高温烟气余热量Q_gt为

其中η_loss为燃气轮机热损失效率；

对于太阳能光热系统而言，Q_s表示可用于制热的太阳能功率，t_r1和t_SHS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，C_w表示水的比热容，则根据比热容公式有式(3)：

Q_s＝C_wm₁(t_SHS-t_r1) (3)

其中，t_r1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，Q_ge表示所收集的地热能，P_ec表示地源热泵所消耗的电能，Q_ec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：

Q_ec＝Q_ge+P_ec (4)

地源热泵的性能系数COP_ec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Q_ec即为吸收式热泵的低温热量输入；Q_gt1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；Q_ac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：

Q_ac＝Q_gt1+Q_ec (8)

吸收式热泵的性能系数COP_ac可以定义为式(9)：

进一步，结合式(6)(8)(9)，Q_ac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t_SHS；用t_HP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C_w，则根据比热容公式有式(11)：

Q_ac＝C_wm₁(t_HP-t_SHS) (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Q_gt2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t_HP；用t_WHB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C_w，则根据比热容公式有式(12)：

Q_gt2＝C_wm₁(t_WHB-t_HP) (12)

对于电热水锅炉而言，通过消耗电能来制热，用P_eb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t_WHB；用t_EWB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C_w，则根据比热容公式有式(13)：

P_eb＝C_wm₁(t_EWB-t_WHB) (13)

其中，t_EWB也是热水管网和分布式能源站连接的端口供水温度，t_s1＝t_EWB。

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，P_G,i和P_D,i分别表示节点i处的有功功率输入和有功负荷，Q_G,i和Q_D,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，Q_net，i表示从热水管网传递到换热器中的热量，Q_rad，i表示从换热器一次侧传到二次侧的换热量，Q_i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：

Q_net,i＝Q_rad,i＝Q_i (15)

C_w表示水的比热容，t_s,i和t_r,i分别表示该换热器一次侧的热流进、出口温度，m_i表示热流的质量水流率，T_s,i和T_r,i分别表示换热器二次侧的冷流进、出口温度，K表示换热器的传热系数，A表示换热器的面积；则从热水管网传递到换热器中的热量Q_net，i可根据比热容公式计算，如式(16)所示；从换热器一次侧传到二次侧的换热量Q_rad，i可以根据对数平均温差法计算，如式(17)所示：

Q_net，i＝C_wm_i(t_s,i-t_r,i) (16)

Q_rad，i＝KA_iΔt_m (17)

其中，

对于逆流板式换热器，Δt₁＝t_s,i-T_s,i,Δt₂＝t_r,i-T_r,i；

在热水管网中，热水流经管道时会产生热损失，管道水温会下降；i和j分别表示管道ij的起点和终点，ΔQ_ij表示管道ij的热损失，L_ij表示管道ij的长度，C_w表示水的比热容，m_ij表示通过管道的质量水流率，t_i和t_j分别表示管道的进、出水温度，h表示管道单位长度传热系数，t_a表示管道周围空气温度；

管道热损失根据比热容公式计算，如式(18)所示：

ΔQ_ij＝C_wm_ij(t_i-t_j) (18)

管道进、出水温度关系可由式(19)计算：

热水管网的供水管道上配置变速循环水泵用以弥补各种压力损失以保持水力平衡；主管道水泵采用零压差控制方式，各支路管道水泵采用流量控制方式，此时水泵的电功率损耗和通过它的质量水流率存在以下关系：

其中，P_pump和P'_pump分别表示循环水泵实际消耗的功率和额定运行工况下的功率，m_pump和m'_pump分别表示通过循环水泵的实际质量水流率和额定运行工况下的质量水流率。

社区用户热、电负荷需求和太阳能光热系统出力为已知预测量，地源热泵所采集的地热能固定不变并为已知量，系统所消耗的电网电力和天然气容量根据日优化运行策略求出；在系统运行过程中，日优化运行策略通过燃气轮机生产电能并和电网连接共同为社区用户供应电能；热量生产的过程优先采用可再生能源和高温废热，在它们不能满足热负荷需求的情况下再采用天然气和电网电力进行制热；其中天然气和电网电力的使用量需要考虑能源效益和经济效益等目标根据当时的能源价格变化和约束条件进行优化求取；该策略总体来说包括以下两个步骤：

步骤一，系统根据用户热负荷预测数据进行一层优化，在最小化热水管网能耗(包括管网热损失和水泵电耗)的同时确定管网质量水流率和节点供/回水温度的最优设定值；

步骤二，系统根据用户电负荷预测数据、太阳能光热系统出力预测数据和地源热泵采集的地热能大小在一层优化的基础上进行二层优化，在最小化分布式能源系统的运行成本(包括电网电力和天然气购买成本以及能源消耗补偿费用)的同时确定分布式能源系统的能源购买计划。

所构建的分布式能源系统日运行优化策略包含两层优化模型；

第一层优化模型的构建方法如下：

步骤一，以最小化热水管网中的能耗(包括管网热损失和循环水泵中的电耗)为目标函数，如式(21)所示：

其中，n表示热水管网中循环水泵的总数；ΔQ_s,ij和ΔQ_r,ij分别表示供水管道ij和回水管道ij的热损失，可根据式(18)计算；P_pump,i表示第i个循环水泵消耗的电功率，可根据式(20)用式(22)计算：

P_pump,i＝G³P'_pump,i (22)

G表示相对质量水流率，各条管道或通过循环水泵的相对质量水流率相等：

步骤二，选取相对质量水流率和管网各个节点的供/回水温度作为优化决策变量；

相对质量水流率如式(23)所示；

Q_i表示第个社区的实际用户热负荷需求，m_i表示流过第i个换热站的实际质量水流率，t_s,i和t_r,i分别表示第i个换热站一次侧的热流实际进/出水温度，T_s,i和T_r,i分别表示第i个换热站二次侧的冷流实际出/进水温度，上标“’”表示设计运行工况；

根据式(15)-(17)可推导出如下等式关系：

进而根据式(24)推导出各个换热站的一次侧热流实际进/出水温度：

进一步，根据换热站一次侧热流实际进/出水温度可依次推出热水管网各个节点的供/回水温度；

对于供水管道而言，管道最末端属于出水节点，其出水温度就是换热站一次侧热流进水温度t_s,i，根据式(19)可计算出管道另一端的进水温度；若管道端点为公共节点k，相连接的热水管道的进水温度已分别计算出为t_s,ki(ki∈L)，L为连接于该公共节点的管道集合，则公共节点的最终实际温度取所连接管道进水温度的最大值：

t_s,k＝max{t_s,ki,ki∈L} (26)

对于回水管道而言，管道最末端属于进水节点，其进水温度就是换热站一次侧热流出水温度t_r,i，根据式(19)可计算出管道另一端的出水温度；若管道端点为公共节点k，相连接的热水管道的出水温度已分别计算出为t_r,ki(ki∈L)，L为连接于该公共节点的管道集合，则公共节点的最终实际温度取决于所连接的管道端点出水温度和管道质量水流率，如式(27)所示：

步骤三，优化模型的约束条件包括：换热站一次侧热流进/出水温度的上下限约束、相对质量水流率的上下限约束和热水管网的流量连续性方程，如式(28)所示：

其中，t'_s和t'_r分别表示换热站一次侧热流的进/出水温度设定值，T'_s和T'_r分别表示换热站二次侧冷流的出/进水温度设定值；和分别表示相对质量水流率的上/下限；m_lk表示热水管网管道质量水流率，V_l表示与节点l相连的管道集合；经过第一层优化模型，可以确定各管道的最优质量水流率和各节点的供/回水温度，包括但不限于流进能源站的最优质量水流率m₁、能源站的最优进口回水温度t_r,1以及能源站的最优出口供水温度t_s,1；实际热负荷需求(即能源站需要供应的热量)不再是简单的用户社区热负荷总和H_load,而是计及热水管网热耗在内的总热负荷，可由式(29)计算：

H＝C_wm₁(t_s,1-t_r,1) (29)

第二层优化模型是在一层优化模型的基础上构建的，具体方法如下：

步骤一，以最小化能源站每小时的运行成本(包括购买天然气和电网电量的能源成本、能源消耗补偿费用)为目标函数，如式(30)所示：

min f₂＝λc_eP_grid+c_gV_gas (30)

其中，c_e和c_g分别表示电网电力和天然气的能源价格，P_grid和V_gas分别表示购买的电网电量和天然气用量，λ表示能源消耗补偿系数；

在目标函数中，能源成本通过能源消耗量与价格的乘积求得；能源消耗补偿系数通过比较不同能源生产过程中所消耗的千克煤当量来分析求取，具体如下：燃煤发电生产1kWh电能需要0.3200kgce，电网将近70％的电力采用燃煤发电方式，那么电网生产1kWh电能需要消耗0.2240kgce(0.3200×70％＝0.2240)；如果采用天然气发电，生产1kWh电能需要消耗0.12143kgce；因此能源消耗补偿系数取两者的比值得到，如式(31)所示：

步骤二，选取购买的电网电量P_grid和天然气用量V_gas作为优化决策变量；

步骤三，优化模型的约束条件包括如下等式约束和不等式约束，并且应该结合分布式能源站各设备的数学模型(1)-(13)：

热平衡，如式(32)所示：

H＝Q_s+Q_ac+Q_gt2+P_eb (32)

电平衡，如式(33)所示：

P_load+P_wnet＝P_grid+P_gt-P_ec-P_eb (33)

分布式能源系统只购买电网电力，不向电网售电，约束如式(34)所示：

P_grid≥0 (34)

天然气分配节点容量约束，如式(35)所示：

分布式能源站各设备容量范围约束，如式(35)-(39)所示：

Q_gt≥Q_gt1+Q_gt2(39)

分布式能源站各设备进出口温度大小约束，如式(40)所示：

t_r1≤t_SHS≤t_HP≤t_WHB≤t_EWB (40)

其中，P_load表示社区用户总电负荷需求；P_wnet表示热水管网循环水泵所消耗的电能，根据一层优化模型获得。

将分布式能源系统与传统供能系统进行能耗和运行成本的比较分析，评估分布式能源系统的能源效益和经济效益；

对于分布式能源系统而言：

能耗仍然用千克煤当量等值；1kWh电网电量等值于0.2240kgce，1m³天然气等值于1.2143kgce，因此分布式能源系统的能耗E_DES用式(41)计算：

E_DES＝0.2240P_grid+1.2143V_gas (41)

运行成本C_DES用式(42)计算：

C_DES＝λc_eP_grid+c_gV_gas (42)

其中，P_grid和V_gas分别表示在满足用户热、电负荷需求的情况下分布式能源系统需要购买的电网电量和天然气量，c_e和c_g分别表示电力和天然气的价格，λ表示能源消耗补偿系数；

随着电能的普及，传统供能系统中一般均采用电网电力来满足用户热、电负荷需求，这种情况下传统供能系统的能耗E_MG用式(43)计算，运行成本C_MG用式(44)计算：

其中，η_h表示用电制热的生产效率，H表示用户总热负荷，P_load表示用户总电负荷；

进一步，分布式能源系统相比传统供能系统减少的能耗和运行成本用它们之间的相对百分比进行衡量，如式(45)(46)所示：

其中，R_E表示分布式能源系统的能耗减少系数，R_C表示分布式能源系统成本减少系数。

本发明提供的考虑热水管网的分布式能源系统建模和运行优化方法，在建立一个新的分布式能源系统物理模型和数学模型的基础上通过系统日运行优化策略的执行实现系统的能源效益和经济效益。本发明将分布式能源系统和电网通过公共耦合点进行连接，整合了燃气轮机、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、热负荷联合生产和供应。同时，本发明结合实际情况详细考虑热水管网的网络拓扑和管网能耗，通过日运行优化策略中两层优化模型的建立和求解，在满足用户负荷需求及系统运行约束条件下最大程度地将系统运行过程中的能源消耗量和运行成本降至最低，确定了热水管网供/回水温度和流量的最优设定值，制定了随着能源价格变化的能源购买计划。此外，通过和传统能源供应系统进行比较分析，结果表明本发明具有节约能源、降低经济成本的优势。

附图说明

图1是本发明实施例提供的分布式能源系统结构示意图。

图2是本发明实施例提供的考虑热水管网的分布式能源系统含二层优化模型的日运行优化策略流程图。

图3是本发明实施例提供的环境温度曲线示意图。

图4是本发明实施例提供的用户负荷曲线示意图。

图5是本发明实施例提供的太阳能光热系统出力曲线示意图。

图6是本发明实施例提供的地热能曲线示意图。

图7是本发明实施例提供的一层优化热水管网最低能耗曲线示意图。

图8是本发明实施例提供的相对质量水流率最优设定值曲线示意图。

图9是本发明实施例提供的能源站供水温度最优设定值曲线示意图。

图10是本发明实施例提供的能源站回水温度最优设定值曲线示意图。

图11是本发明实施例提供的二层优化分布式能源系统最小运行成本曲线示意图。

图12是本发明实施例提供的电网电力购买量曲线示意图。

图13是本发明实施例提供的天然气购买量曲线示意图。

图14是本发明实施例提供的能源站各制热单元可用能量曲线示意图。

图15是本发明实施例提供的能源站各制热单元出口温度曲线示意图。

图16是本发明实施例提供的分布式能源系统和传统供能系统能耗大小比较曲线示意图。

图17是本发明实施例提供的分布式能源系统和传统供能系统运行成本高低比较曲线示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明提出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。

下面结合附图对本发明的应用原理作详细的描述。

如图1所示，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P_gt时，燃气轮机需要消耗的天然气量V_gas是

其中，η_gt为燃气轮机的效率，H_u为天然气低位热值。

燃气轮机产生的高温烟气余热量Q_gt为

其中η_loss为燃气轮机热损失效率；

对于太阳能光热系统而言，Q_s表示可用于制热的太阳能功率，t_r1和t_SHS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，C_w表示水的比热容，则根据比热容公式有式(3)：

Q_s＝C_wm₁(t_SHS-t_r1) (3)

其中，t_r1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，Q_ge表示所收集的地热能，P_ec表示地源热泵所消耗的电能，Q_ec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：

Q_ec＝Q_ge+P_ec (4)

地源热泵的性能系数COP_ec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Q_ec即为吸收式热泵的低温热量输入；Q_gt1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；Q_ac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：

Q_ac＝Q_gt1+Q_ec (8)

吸收式热泵的性能系数COP_ac可以定义为式(9)：

进一步，结合式(6)(8)(9)，Q_ac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t_SHS；用t_HP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C_w，则根据比热容公式有式(11)：

Q_ac＝C_wm₁(t_HP-t_SHS) (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Q_gt2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t_HP；用t_WHB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C_w，则根据比热容公式有式(12)：

Q_gt2＝C_wm₁(t_WHB-t_HP) (12)

对于电热水锅炉而言，通过消耗电能来制热，用P_eb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t_WHB；用t_EWB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C_w，则根据比热容公式有式(13)：

P_eb＝C_wm₁(t_EWB-t_WHB) (13)

其中，t_EWB也是热水管网和分布式能源站连接的端口供水温度，t_s1＝t_EWB。

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，P_G,i和P_D,i分别表示节点i处的有功功率输入和有功负荷，Q_G,i和Q_D,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，Q_net,i表示从热水管网传递到换热器中的热量，Q_rad,i表示从换热器一次侧传到二次侧的换热量，Q_i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：

Q_net,i＝Q_rad,i＝Q_i (15)

C_w表示水的比热容，t_s,i和t_r,i分别表示该换热器一次侧的热流进、出口温度，m_i表示热流的质量水流率，T_s,i和T_r,i分别表示换热器二次侧的冷流进、出口温度，K表示换热器的传热系数，A表示换热器的面积；则从热水管网传递到换热器中的热量Q_net,i可根据比热容公式计算，如式(16)所示；从换热器一次侧传到二次侧的换热量Q_rad,i可以根据对数平均温差法计算，如式(17)所示：

Q_net,i＝C_wm_i(t_s,i-t_r,i) (16)

Q_rad,i＝KA_iΔt_m (17)其中，

对于逆流板式换热器，Δt₁＝t_s,i-T_s,i,Δt₂＝t_r,i-T_r,i；

在热水管网中，热水流经管道时会产生热损失，管道水温会下降；i和j分别表示管道ij的起点和终点，ΔQ_ij表示管道ij的热损失，L_ij表示管道ij的长度，C_w表示水的比热容，m_ij表示通过管道的质量水流率，t_i和t_j分别表示管道的进、出水温度，h表示管道单位长度传热系数，t_a表示管道周围空气温度；

管道热损失根据比热容公式计算，如式(18)所示：

ΔQ_ij＝C_wm_ij(t_i-t_j) (18)

管道进、出水温度关系可由式(19)计算：

热水管网的供水管道上配置变速循环水泵用以弥补各种压力损失以保持水力平衡；主管道水泵采用零压差控制方式，各支路管道水泵采用流量控制方式，此时水泵的电功率损耗和通过它的质量水流率存在以下关系：

其中，P_pump和P'_pump分别表示循环水泵实际消耗的功率和额定运行工况下的功率，m_pump和m'_pump分别表示通过循环水泵的实际质量水流率和额定运行工况下的质量水流率。

如图2所示，在系统运行过程中，日优化运行策略通过燃气轮机生产电能并和电网连接共同为社区用户供应电能；热量生产的过程优先采用可再生能源和高温废热，在它们不能满足热负荷需求的情况下再采用天然气和电网电力进行制热。其中，社区用户热、电负荷需求和太阳能光热系统出力为已知预测量，地源热泵所采集的地热能固定不变并为已知量，系统所消耗的电网电力和天然气容量需要考虑能源效益和经济效益等目标根据当时的能源价格变化和约束条件进行优化求取。该策略总体来说包括以下两个步骤：

步骤一，系统根据用户热负荷预测数据进行一层优化，在最小化热水管网能耗(包括管网热损失和水泵电耗)的同时确定管网质量水流率和节点供/回水温度的最优设定值；

步骤二，系统根据用户电负荷预测数据、太阳能光热系统出力预测数据和地源热泵采集的地热能大小在一层优化的基础上进行二层优化，在最小化分布式能源系统的运行成本(包括电网电力和天然气购买成本以及能源消耗补偿费用)的同时确定分布式能源系统的能源购买计划。

所构建的分布式能源系统日运行优化策略包含两层优化模型；

第一层优化模型的构建方法如下：

步骤一，以最小化热水管网中的能耗(包括管网热损失和循环水泵中的电耗)为目标函数，如式(21)所示：

其中，n表示热水管网中循环水泵的总数；ΔQ_s,ij和ΔQ_r,ij分别表示供水管道ij和回水管道ij的热损失，可根据式(18)计算；P_pump,i表示第i个循环水泵消耗的电功率，可根据式(20)用式(22)计算：

P_pump,i＝G³P'_pump,i (22)

G表示相对质量水流率，各条管道或通过循环水泵的相对质量水流率相等：

步骤二，选取相对质量水流率和管网各个节点的供/回水温度作为优化决策变量；

相对质量水流率如式(23)所示；

Q_i表示第个社区的实际用户热负荷需求，m_i表示流过第i个换热站的实际质量水流率，t_s,i和t_r,i分别表示第i个换热站一次侧的热流实际进/出水温度，T_s,i和T_r,i分别表示第i个换热站二次侧的冷流实际出/进水温度，上标“’”表示设计运行工况；

根据式(15)-(17)可推导出如下等式关系：

进而根据式(24)推导出各个换热站的一次侧热流实际进/出水温度：

进一步，根据换热站一次侧热流实际进/出水温度可依次推出热水管网各个节点的供/回水温度；

对于供水管道而言，管道最末端属于出水节点，其出水温度就是换热站一次侧热流进水温度t_s,i，根据式(19)可计算出管道另一端的进水温度；若管道端点为公共节点k，相连接的热水管道的进水温度已分别计算出为t_s,ki(ki∈L)，L为连接于该公共节点的管道集合，则公共节点的最终实际温度取所连接管道进水温度的最大值：

t_s,k＝max{t_s,ki,ki∈L} (26)

对于回水管道而言，管道最末端属于进水节点，其进水温度就是换热站一次侧热流出水温度t_r,i，根据式(19)可计算出管道另一端的出水温度；若管道端点为公共节点k，相连接的热水管道的出水温度已分别计算出为t_r,ki(ki∈L)，L为连接于该公共节点的管道集合，则公共节点的最终实际温度取决于所连接的管道端点出水温度和管道质量水流率，如式(27)所示：

步骤三，优化模型的约束条件包括：换热站一次侧热流进/出水温度的上下限约束、相对质量水流率的上下限约束和热水管网的流量连续性方程，如式(28)所示：

其中，t'_s和t'_r分别表示换热站一次侧热流的进/出水温度设定值，T'_s和T'_r分别表示换热站二次侧冷流的出/进水温度设定值；和分别表示相对质量水流率的上/下限；m_lk表示热水管网管道质量水流率，V_l表示与节点l相连的管道集合；经过第一层优化模型，可以确定各管道的最优质量水流率和各节点的供/回水温度，包括但不限于流进能源站的最优质量水流率m₁、能源站的最优进口回水温度t_r,1以及能源站的最优出口供水温度t_s,1；实际热负荷需求(即能源站需要供应的热量)不再是简单的用户社区热负荷总和H_load,而是计及热水管网热耗在内的总热负荷，可由式(29)计算：

H＝C_wm₁(t_s,1-t_r,1) (29)

第二层优化模型是在一层优化模型的基础上构建的，具体方法如下：

步骤一，以最小化能源站每小时的运行成本(包括购买天然气和电网电量的能源成本、能源消耗补偿费用)为目标函数，如式(30)所示：

min f₂＝λc_eP_grid+c_gV_gas (30)

其中，c_e和c_g分别表示电网电力和天然气的能源价格，P_grid和V_gas分别表示购买的电网电量和天然气用量，λ表示能源消耗补偿系数；

在目标函数中，能源成本通过能源消耗量与价格的乘积求得；能源消耗补偿系数通过比较不同能源生产过程中所消耗的千克煤当量来分析求取，具体如下：燃煤发电生产1kWh电能需要0.3200kgce，电网将近70％的电力采用燃煤发电方式，那么电网生产1kWh电能需要消耗0.2240kgce(0.3200×70％＝0.2240)；如果采用天然气发电，生产1kWh电能需要消耗0.12143kgce；因此能源消耗补偿系数取两者的比值得到，如式(31)所示：

步骤二，选取购买的电网电量P_grid和天然气用量V_gas作为优化决策变量；

步骤三，优化模型的约束条件包括如下等式约束和不等式约束，并且应该结合分布式能源站各设备的数学模型(1)-(13)：

热平衡，如式(32)所示：

H＝Q_s+Q_ac+Q_gt2+P_eb (32)

电平衡，如式(33)所示：

P_load+P_wnet＝P_grid+P_gt-P_ec-P_eb (33)

分布式能源系统只购买电网电力，不向电网售电，约束如式(34)所示：

P_grid≥0 (34)

天然气分配节点容量约束，如式(35)所示：

分布式能源站各设备容量范围约束，如式(35)-(39)所示：

Q_gt≥Q_gt1+Q_gt2 (39)

分布式能源站各设备进出口温度大小约束，如式(40)所示：

t_r1≤t_SHS≤t_HP≤t_WHB≤t_EWB (40)

其中，P_load表示社区用户总电负荷需求；P_wnet表示热水管网循环水泵所消耗的电能，根据一层优化模型获得。

将分布式能源系统与传统供能系统进行能耗和运行成本的比较分析，评估分布式能源系统的能源效益和经济效益；

对于分布式能源系统而言：

能耗仍然用千克煤当量等值；1kWh电网电量等值于0.2240kgce，1m³天然气等值于1.2143kgce，因此分布式能源系统的能耗E_DES用式(41)计算：

E_DES＝0.2240P_grid+1.2143V_gas (41)

运行成本C_DES用式(42)计算：

C_DES＝λc_eP_grid+c_gV_gas (42)其中，P_grid和V_gas分别表示在满足用户热、电负荷需求的情况下分布式能源系统需要购买的电网电量和天然气量，c_e和c_g分别表示电力和天然气的价格，λ表示能源消耗补偿系数；

随着电能的普及，传统供能系统中一般均采用电网电力来满足用户热、电负荷需求，这种情况下传统供能系统的能耗E_MG用式(43)计算，运行成本C_MG用式(44)计算：

其中，η_h表示用电制热的生产效率，H表示用户总热负荷，P_load表示用户总电负荷；

进一步，分布式能源系统相比传统供能系统减少的能耗和运行成本用它们之间的相对百分比进行衡量，如式(45)(46)所示：

其中，R_E表示分布式能源系统的能耗减少系数，R_C表示分布式能源系统成本减少系数。

下面通过仿真案例对考虑热水管网的分布式能源系统建模和运行优化方法进行具体分析，以对本发明的应用效果作进一步的说明。

仿真案例中相关设备的运行效率、转换效率、性能系数以及设计工况下的额定值等参数如表1所示，热水管网中的管道长度如表2所示，不同时间段的能源价格如表3所示。

表1分布式能源系统参数设定信息表

表2热水管网管道长度信息表

表3不同时间段能源价格信息表

从相关文献可以得到我国北方冬季典型日的环境温度变化曲线，如图3所示；四个社区用户热负荷和总电负荷需求预测数据如图4所示；太阳能光热系统所收集的太阳能与天气情况有关，预测其出力曲线如图5所示；由于地下温度常年保持15℃左右，在地源热泵设备配置固定的情况下所收集到地热能保持不变，如图6所示。

在上述参数设定、负荷和出力预测已知的情况下，仿真模型及优化策略通过MATLAB编程实现，结果如图7—17所示。

经过日优化运行策略的执行，分布式能源系统每小时的能源消耗和运行成本在满足负荷需求和运行约束的前提下被降至最低，热水管网相对质量水流率和供/回水温度在系统运行过程中跟随负荷需求和环境因素的变化不断调整并处于最优设定值。在优先采用太阳能、地热能和高温废热之后，分布式能源系统所购买的电网电量和天然气容量在不同时间段呈现出不同的趋势。其中，1:00—8:00以购买电网电量为主；其他时间段的能源购买量虽然具有一定的波动性，但多以购买天然气为主。相应地，各能量生产单元的有效能源输入量和热水出口温度也呈现出一定的时间性。例如，余热锅炉在1:00—8:00期间基本不运行而由电热水锅炉通过消耗电能制热，而其他时间段正好相反。

表4详细列出了热水管网的能耗情况。其中，P_wnet表示循环水泵电耗，H_loss表示管网热耗，H_user表示社区用户总热负荷需求，H_total表示分布式能源站需要提供的总热量。从中可以看出，热水管网的热耗每小时均在330kW以上，一天的总热耗高达8579.89kW，相当于社区用户1--2小时的热负荷需求量；从热耗率分析，分布式能源站每小时需要弥补的热耗量占总热量的百分比最低为3.92％，最高为8.33％。

图16和图17显示了分布式能源系统供能模式(DES mode)和传统供能模式(MGmode)在能耗和运行成本方面的曲线示意图，表5和表6详细列出了相关的数据信息。可见，在负荷需求和其他影响因素不变的情况下，分布式能源系统供能模式无论是在能耗方面还是运行成本方面都比传统供能模式更具优势，前者所节约的能量和成本均远远大于后者。具体而言，在能耗方面，分布式能源系统供能模式每小时比传统供能模式节约的能量高达2015.72kgce(在23：00)，节能率高达58.01％(在24：00)。尽管在12：00—16：00期间出现分布式能源系统所消耗的能量比传统供能系统多的情况，但这部分能量

表4热水管网能耗数据

非常少，只有几十kgce。从一天的整体情况而言，分布式能源系统消耗的总能量为45489.15kgce，传统供能系统消耗的总能量为71451.47kgce，两者相差了25962.32kgce，总节能率为36.34％。在运行成本方面，两种供能模式在8：00之前均较低，为几百美元；在这之后，分布式能源系统的运行成本虽然有所增加，但数量不大，最高是20:00时的1340.52美元；而传统供能系统的运行成本在8:00之后大幅增加，从几百美元升到几千美元，最高时达到4464.61美元。相对于传统供能系统而言，分布式能源系统每小时可以节约的运行成本百分比最低为31.27％，最高为73.48％。从一天的整体情况而言，分布式能源系统的运行成本为18569.40美元，传统供能系统的运行成本为46548.40美元，两者相差了27979.00美元，总成本降低率为60.11％。

表5分布式能源系统供能模式和传统供能模式能耗对比表

表6分布式能源系统供能模式和传统供能模式运行成本对比表

本发明仿真案例只是用于帮助阐述本发明，并不限制该发明仅为所述的具体实施方式，凡在本发明的原理和技术方案之内所作的任何修改、等同替换和改进等均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

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P_gt时，燃气轮机需要消耗的天然气量V_gas是

$V_{gas}=\frac{P_{gt}}{{\mathrm{\η}}_{gt}{H}_u}---\left(1\right)$

其中，η_gt为燃气轮机的效率，H_u为天然气低位热值。

燃气轮机产生的高温烟气余热量Q_gt为

$Q_{gt}=\frac{P_{gt}(1-{\mathrm{\η}}_{gt}-{\mathrm{\η}}_{loss})}{{\mathrm{\η}}_{gt}}---\left(2\right)$

其中η_loss为燃气轮机热损失效率；

对于太阳能光热系统而言，Q_s表示可用于制热的太阳能功率，t_r1和t_SHS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，C_w表示水的比热容，则根据比热容公式有式(3)：

Q_s＝C_wm₁(t_SHS-t_r1) (3)

其中，t_r1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，Q_ge表示所收集的地热能，P_ec表示地源热泵所消耗的电能，Q_ec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：

Q_ec＝Q_ge+P_ec (4)

地源热泵的性能系数COP_ec可以定义为式(5)：

${\mathrm{COP}}_{ec}=\frac{Q_{ec}}{P_{ec}}---\left(5\right)$

进一步，式(4)(5)可以转化为式(6)(7)：

$Q_{ec}=Q_{ge}\×\frac{{\mathrm{COP}}_{ec}}{{\mathrm{COP}}_{ec}-1}---\left(6\right)$

$P_{ec}=\frac{Q_{ge}}{{\mathrm{COP}}_{ec}-1}---\left(7\right)$

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Q_ec即为吸收式热泵的低温热量输入；Q_gt1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；Q_ac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：

Q_ac＝Q_gt1+Q_ec (8)

吸收式热泵的性能系数COP_ac可以定义为式(9)：

${\mathrm{COP}}_{ac}=\frac{Q_{ac}}{Q_{gt1}}---\left(9\right)$

进一步，结合式(6)(8)(9)，Q_ac可以用式(10)表示：

$Q_{ac}=Q_{ec}\×\frac{{\mathrm{COP}}_{ac}}{{\mathrm{COP}}_{ac}-1}=Q_{ge}\×\frac{{\mathrm{COP}}_{ec}}{{\mathrm{COP}}_{ec}-1}\×\frac{{\mathrm{COP}}_{ac}}{{\mathrm{COP}}_{ac}-1}---\left(10\right)$

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t_SHS；用t_HP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C_w，则根据比热容公式有式(11)：

Q_ac＝C_wm₁(t_HP-t_SHS) (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Q_gt2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t_HP；用t_WHB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C_w，则根据比热容公式有式(12)：

Q_gt2＝C_wm₁(t_WHB-t_HP) (12)

对于电热水锅炉而言，通过消耗电能来制热，用P_eb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t_WHB；用t_EWB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C_w，则根据比热容公式有式(13)：

P_eb＝C_wm₁(t_EWB-t_WHB) (13)

其中，t_EWB也是热水管网和分布式能源站连接的端口供水温度，t_s1＝t_EWB。

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：

$\left\{\begin{array}{c}\ΣP_{G,i}\≈\ΣP_{D,i}\\ \ΣQ_{G,i}\≈\ΣQ_{D,i}\end{array}\right.---\left(14\right)$

其中，P_G,i和P_D,i分别表示节点i处的有功功率输入和有功负荷，Q_G,i和Q_D,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，Q_net,i表示从热水管网传递到换热器中的热量，Q_rad,i表示从换热器一次侧传到二次侧的换热量，Q_i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：

Q_net,i＝Q_rad,i＝Q_i (15)

C_w表示水的比热容，t_s,i和t_r,i分别表示该换热器一次侧的热流进、出口温度，m_i表示热流的质量水流率，T_s,i和T_r,i分别表示换热器二次侧的冷流进、出口温度，K表示换热器的传热系数，A表示换热器的面积；则从热水管网传递到换热器中的热量Q_net,i可根据比热容公式计算，如式(16)所示；从换热器一次侧传到二次侧的换热量Q_rad,i可以根据对数平均温差法计算，如式(17)所示：

Q_net,i＝C_wm_i(t_s,i-t_r,i) (16)

Q_rad,i＝KA_iΔt_m (17)其中，

对于逆流板式换热器，Δt₁＝t_s,i-T_s,i,Δt₂＝t_r,i-T_r,i；

在热水管网中，热水流经管道时会产生热损失，管道水温会下降；i和j分别表示管道ij的起点和终点，ΔQ_ij表示管道ij的热损失，L_ij表示管道ij的长度，C_w表示水的比热容，m_ij表示通过管道的质量水流率，t_i和t_j分别表示管道的进、出水温度，h表示管道单位长度传热系数，t_a表示管道周围空气温度；

管道热损失根据比热容公式计算，如式(18)所示：

ΔQ_ij＝C_wm_ij(t_i-t_j) (18)

管道进、出水温度关系可由式(19)计算：

$t_j=(t_i-t_a)e^{-\frac{{\mathrm{hL}}_{ij}}{C_w{m}_{ij}}}+t_a---\left(19\right)$

热水管网的供水管道上配置变速循环水泵用以弥补各种压力损失以保持水力平衡；主管道水泵采用零压差控制方式，各支路管道水泵采用流量控制方式，此时水泵的电功率损耗和通过它的质量水流率存在以下关系：

$\frac{P_{pump}}{P_{pump}^{\′}}={\left(\frac{m_{pump}}{m_{pump}^{\′}}\right)}^3---\left(20\right)$

其中，P_pump和P′_pump分别表示循环水泵实际消耗的功率和额定运行工况下的功率，m_pump和m'_pump分别表示通过循环水泵的实际质量水流率和额定运行工况下的质量水流率。

6.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：社区用户热、电负荷需求和太阳能光热系统出力为已知预测量，地源热泵所采集的地热能固定不变并为已知量，系统所消耗的电网电力和天然气容量根据日优化运行策略求出；在系统运行过程中，日优化运行策略通过燃气轮机生产电能并和电网连接共同为社区用户供应电能；热量生产的过程优先采用可再生能源和高温废热，在它们不能满足热负荷需求的情况下再采用天然气和电网电力进行制热；其中天然气和电网电力的使用量需要考虑能源效益和经济效益在内的其中之一或组合目标根据当时的能源价格变化和约束条件进行优化求取；该策略总体来说包括以下两个步骤：

步骤一，系统根据用户热负荷预测数据进行一层优化，在包括管网热损失和水泵电耗的最小化热水管网能耗同时确定管网质量水流率和节点供/回水温度的最优设定值；

步骤二，系统根据用户电负荷预测数据、太阳能光热系统出力预测数据和地源热泵采集的地热能大小在一层优化的基础上进行二层优化，在包括电网电力和天然气购买成本以及能源消耗补偿费用的最小化分布式能源系统的运行成本同时确定分布式能源系统的能源购买计划。

7.如权利要求6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：所构建的分布式能源系统日运行优化策略包含两层优化模型；

第一层优化模型的构建方法如下：

步骤一，以包括管网热损失和循环水泵中的电耗的最小化热水管网中的能耗为目标函数，如式(21)所示：

$\begin{array}{cc}\min & f_1=\Σ({\mathrm{\ΔQ}}_{s,ij}+{\mathrm{\ΔQ}}_{r,ij})+\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}{P}_{pump,i}---\left(21\right)\end{array}$

其中，n表示热水管网中循环水泵的总数；ΔQ_s,ij和ΔQ_r,ij分别表示供水管道ij和回水管道ij的热损失，可根据式(18)计算；P_pump,i表示第i个循环水泵消耗的电功率，可根据式(20)用式(22)计算：

P_pump,i＝G³P′_pump,i (22)

G表示相对质量水流率，各条管道或通过循环水泵的相对质量水流率相等：

$G=\frac{m_i}{m_i^{\′}}=\frac{\Σm_i}{\Σm_i^{\′}}---\left(23\right)$

步骤二，选取相对质量水流率和管网各个节点的供/回水温度作为优化决策变量；

相对质量水流率如式(23)所示；

Q_i表示第个社区的实际用户热负荷需求，m_i表示流过第i个换热站的实际质量水流率，t_s,i和t_r,i分别表示第i个换热站一次侧的热流实际进/出水温度，T_s,i和T_r,i分别表示第i个换热站二次侧的冷流实际出/进水温度，上标“’”表示设计运行工况；

根据式(15)-(17)可推导出如下等式关系：

$\frac{Q_i}{Q_i^{\′}}=\frac{m_i(t_{s,i}-t_{r,i})}{m_i^{\′}(t_{s,i}^{\′}-t_{r,i}^{\′})}=\frac{t_{s,i}+t_{r,i}-T_{s,i}^{\′}-T_{r,i}^{\′}}{t_{s,i}^{\′}+t_{r,i}^{\′}-T_{s,i}^{\′}-T_{r,i}^{\′}}---\left(24\right)$

进而根据式(24)推导出各个换热站的一次侧热流实际进/出水温度：

$\left\{\begin{array}{c}{t}_{s,i}=\[\frac{Q_i(t_{s,i}^{\′}-t_{r,i}^{\′})}{Q_i^{\′}G}+\frac{Q_i}{Q_i^{\′}}(t_{s,i}^{\′}+t_{r,i}^{\′}-T_{s,i}^{\′}-T_{r,i}^{\′})+T_{s,i}^{\′}+T_{r,i}^{\′}\]/2\\ t_{r,i}=\[\frac{Q_i(t_{s,i}^{\′}-t_{r,i}^{\′})}{Q_i^{\′}G}+\frac{Q_i}{Q_i^{\′}}(t_{s,i}^{\′}+t_{r,i}^{\′}-T_{s,i}^{\′}-T_{r,i}^{\′})+T_{s,i}^{\′}+T_{r,i}^{\′}\]/2\end{array}\right.---\left(25\right)$

进一步，根据换热站一次侧热流实际进/出水温度可依次推出热水管网各个节点的供/回水温度；

对于供水管道而言，管道最末端属于出水节点，其出水温度就是换热站一次侧热流进水温度t_s,i，根据式(19)可计算出管道另一端的进水温度；若管道端点为公共节点k，相连接的热水管道的进水温度已分别计算出为t_s,ki(ki∈L)，L为连接于该公共节点的管道集合，则公共节点的最终实际温度取所连接管道进水温度的最大值：

t_s,k＝max{t_s,ki,ki∈L} (26)

对于回水管道而言，管道最末端属于进水节点，其进水温度就是换热站一次侧热流出水温度t_r,i，根据式(19)可计算出管道另一端的出水温度；若管道端点为公共节点k，相连接的热水管道的出水温度已分别计算出为t_r,ki(ki∈L)，L为连接于该公共节点的管道集合，则公共节点的最终实际温度取决于所连接的管道端点出水温度和管道质量水流率，如式(27)所示：

$t_{r,k}=\frac{\underset{ki\∈L}{\Σ}{t}_{r,ki}{m}_{ki}}{\underset{ki\∈L}{\Σ}{m}_{ki}}---\left(27\right)$

步骤三，优化模型的约束条件包括：换热站一次侧热流进/出水温度的上下限约束、相对质量水流率的上下限约束和热水管网的流量连续性方程，如式(28)所示：

$\left\{\begin{array}{c}{T}_s^{\′}\≤t_{s,i}\≤t_s^{\′}\\ T_s^{\′}\≤t_{s,i}\≤t_r^{\′}\\ G^{\min }\≤G\≤G^{\max }\\ \underset{lk\∈V_l}{\Σ}{m}_{lk}=0\end{array}\right.---\left(28\right)$

其中，t′_s和t′_r分别表示换热站一次侧热流的进/出水温度设定值，T′_s和T′_r分别表示换热站二次侧冷流的出/进水温度设定值；和G分别表示相对质量水流率的上/下限；m_lk表示热水管网管道质量水流率，V_l表示与节点l相连的管道集合；

经过第一层优化模型，可以确定各管道的最优质量水流率和各节点的供/回水温度，包括但不限于流进能源站的最优质量水流率m₁、能源站的最优进口回水温度t_r,1以及能源站的最优出口供水温度t_s,1；实际热负荷需求是计及热水管网热耗在内的总热负荷，可由式(29)计算：

H＝C_wm₁(t_s,1-t_r,1) (29)

第二层优化模型是在一层优化模型的基础上构建的，具体方法如下：

步骤一，以最小化能源站每小时的运行成本为目标函数，如式(30)所示：

min f₂＝λc_eP_grid+c_gV_gas (30)

其中，c_e和c_g分别表示电网电力和天然气的能源价格，P_grid和V_gas分别表示购买的电网电量和天然气用量，λ表示能源消耗补偿系数；

在目标函数中，能源成本通过能源消耗量与价格的乘积求得；能源消耗补偿系数通过比较不同能源生产过程中所消耗的千克煤当量来分析求取能源消耗补偿系数取两者的比值得到，如式(31)所示：

$\mathrm{\λ}=\frac{0.2240}{0.12143}\≈1.8447---\left(31\right)$

步骤二，选取购买的电网电量P_grid和天然气用量V_gas作为优化决策变量；

步骤三，优化模型的约束条件包括如下等式约束和不等式约束，并且应该结合分布式能源站各设备的数学模型(1)-(13)：

热平衡，如式(32)所示：

H＝Q_s+Q_ac+Q_gt2+P_eb (32)

电平衡，如式(33)所示：

P_load+P_wnet＝P_grid+P_gt-P_ec-P_eb (33)

分布式能源系统只购买电网电力，不向电网售电，约束如式(34)所示：

P_grid≥0 (34)

天然气分配节点容量约束，如式(35)所示：

$V_{gas}^{\min }\≤V_{gas}\≤V_{gas}^{\max }---\left(35\right)$

分布式能源站各设备容量范围约束，如式(35)-(39)所示：

$Q_s^{\min }\≤Q_s\≤Q_s^{max}---\left(35\right)$

$P_{gt}^{\min }\≤P_{gt}\≤P_{gt}^{\max }---\left(36\right)$

$Q_{ac}^{\min }\≤Q_{ac}\≤Q_{ac}^{\max }---\left(37\right)$

$Q_{ec}^{\min }\≤Q_{ec}\≤Q_{ec}^{\max }---\left(38\right)$

Q_gt≥Q_gt1+Q_gt2 (39)

分布式能源站各设备进出口温度大小约束，如式(40)所示：

t_r1≤t_SHS≤t_HP≤t_WHB≤t_EWB (40)

其中，P_load表示社区用户总电负荷需求；P_wnet表示热水管网循环水泵所消耗的电能，根据一层优化模型获得。

8.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：还包括：

将分布式能源系统与传统供能系统进行能耗和运行成本的比较分析，评估分布式能源系统的能源效益和经济效益；

对于分布式能源系统而言：

能耗仍然用千克煤当量等值；1kWh电网电量等值于0.2240kgce，1m³天然气等值于1.2143kgce，因此分布式能源系统的能耗E_DES用式(41)计算：

E_DES＝0.2240P_grid+1.2143V_gas (41)

运行成本C_DES用式(42)计算：

C_DES＝λc_eP_grid+c_gV_gas (42)

其中，P_grid和V_gas分别表示在满足用户热、电负荷需求的情况下分布式能源系统需要购买的电网电量和天然气量，c_e和c_g分别表示电力和天然气的价格，λ表示能源消耗补偿系数；

传统供能系统中一般均采用电网电力来满足用户热、电负荷需求，这种情况下传统供能系统的能耗E_MG用式(43)计算，运行成本C_MG用式(44)计算：

$E_{MG}=0.2240(\frac{H}{{\mathrm{\η}}_h}+P_{load})---\left(43\right)$

$C_{MG}={\mathrm{\λc}}_e(\frac{H}{{\mathrm{\η}}_h}+P_{load})---\left(44\right)$

其中，η_h表示用电制热的生产效率，H表示用户总热负荷，P_load表示用户总电负荷；

进一步，分布式能源系统相比传统供能系统减少的能耗和运行成本用它们之间的相对百分比进行衡量，如式(45)(46)所示：

$R_E=\frac{E_{MG}-E_{DES}}{E_{MG}}\×100\%---\left(45\right)$

$R_C=\frac{C_{MG}-C_{DES}}{C_{MG}}\×100\%---\left(46\right)$

其中，R_E表示分布式能源系统的能耗减少系数，R_C表示分布式能源系统成本减少系数。

9.一种使用权利要求1-8任意一项所述考虑热水管网的分布式能源系统建模和运行优化方法的系统或热电联供机组组合；该系统或机组组合与电网连接，并通过固定的组成结构整合了包括燃气轮机、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技术，实现一定区域范围内的电、热联产联供；建模和运行优化方法用于实现整个系统或机组组合的日优化运行，以同时减少系统运行能耗和成本。