CN109709909B - 一种混合能源系统中热电联产设备的控制方法和装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种混合能源系统中热电联产设备的控制方法和装置，所述方法包括如下步骤：获取用户的预测热电需求；根据所述预测热电需求确定所述热电联产设备的预测收益；根据所述热电联产设备的预测收益启动/关闭所述热电联产设备；其中，所述用户的预测热电需求由热电联产设备提供。本发明考虑了用户的热需求和电需求，能够减少能量预测引起的误差，减少用户对电网的依赖；有效降低开关频率，提高工作效率，增加能源利用效率。
Description
技术领域
本发明涉及能源互联网领域，具体涉及一种混合能源系统中热电联产设备的控制方法和装置。
背景技术
随着人们对于生活质量需求的提高，全球能源消耗量快速增长，从而引发了能源危机和气候问题。热电联产装置作为一种能源的综合利用装置，可以有效地提高能源利用效率，缓解能源危机和气候问题，是一种建立在能量梯级利用概念的基础上，将发电及制热一体化过程的低能损耗高质量供热系统。能源总利用率可以高达80％以上，这将会是21世纪解决能源紧缺问题的重要手段之一。
传统的热电分产电厂中余热往往被直接排放掉，而热电联产却可以通过回收再传统电能生产中往往被浪费掉的余热，将这部分热量用在区域供热中，可以提高能源利用效率，减少二氧化碳等温室气体的排放，降低环境污染。它同时产电产热，与传统的热电联产产生相同数量的电能和热能时，能减少20％-30％的能源消耗。
标准的热电联产设备控制方法是根据“以电定热”或“以热定电”方式来控制其开关的，并且计算步长通常为几分钟，这使得预测需求的精度不准确，并且该控制方法没有同时考虑热负荷和电负荷，存在较大的能量预测引起的误差，热电联产设备的状态在短时间内非常频繁地改变，使得热电联产设备的开关损耗比较严重，降低了能源利用效率。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提出一种混合能源系统中热电联产设备的控制方法和装置，考虑了热需求和电需求，能够减少能量预测引起的误差，减少用户对电网的依赖；有效降低开关频率，提高工作效率，增加能源利用效率。
本发明的目的是采用下述技术方案实现的：
一种混合能源系统中热电联产设备的控制方法，其改进之处在于，所述方法包括如下步骤：
获取用户的预测热电需求；
根据所述预测热电需求确定所述热电联产设备的预测收益；
根据所述热电联产设备的预测收益启动/关闭所述热电联产设备；
其中，所述用户的预测热电需求由热电联产设备提供。
优选的，所述获取用户的预测热电需求，包括：
按下式获取用户下一时刻的预测电力需求Ppele：
Ppele＝Pele(n)
其中，Pele(n)为当前时刻n用户消耗热电联产设备提供的电量；
按下式获取用户下一时刻的预测热力需求ppheat：
其中，t为从当前时刻n开始、每递减一个时间步长所对应的时刻，Pheat(t)为每一时刻t用户消耗热电联产设备提供的热量,，M为从当前时刻n开始递减的时间步长的总次数。
进一步的，所述根据所述预测热电需求确定所述热电联产设备的预测收益，包括：
按下式确定所述热电联产设备下一时刻的预测收益Bchp：
其中，ppheat为所述热电联产设备提供给用户的预测热量需求，Ppele为所述热电联产设备提供给用户的预测电力需求，Hp为燃气的价格，Ep为电力的价格，Heff为气体的传热效率。
优选的，所述根据所述热电联产设备的预测收益启动/关闭所述热电联产设备，包括：
若所述热电联产设备的当前状态为开启，热电联产设备下一时刻的预测收益小于热电联产设备下一时刻的预测成本且从热点联产设备下一时刻开始连续时刻内的所述热电联产设备开启概率均小于第一预设值，则所述热电联产设备下一时刻关闭；否则，所述热电联产设备下一时刻开启；
当所述热电联产设备的当前状态为关闭时，若热电联产设备的历史状态中两次开启状态之间的关闭状态所持续的时间小于最小重启时间，则所述热电联产设备下一时刻关闭；若热电联产设备下一时刻的预测收益大于热电联产设备下一时刻的预测成本且从热点联产设备下一时刻开始连续时刻内的所述热电联产设备开启概率均大于或等于第二预设值，则所述热电联产设备下一时刻开启；否则，所述热电联产设备下一时刻关闭。
进一步的，按下式确定所述热电联产设备下一时刻的预测成本Cchp：
Cchp＝Rchp×Hp
其中，Rchp是所述热电联产设备下一时刻消耗燃气的量，Hp是燃气价格。
进一步的，按下式确定所述热电联产设备第i时刻的开启概率
式中，
为所述热电联产设备历史数据中第i时刻开启的天数，N为历史采样数据中的总天数。
一种混合能源系统中热电联产设备的控制装置，其改进之处在于，所述装置包括：获取模块、确定模块和控制模块；
获取模块，获取用户的预测热电需求；
确定模块，用于根据所述预测热电需求确定所述热电联产设备的预测收益；
控制模块，用于根据所述热电联产设备的预测收益启动/关闭所述热电联产设备。
优选的，所述获取模块包括；
第一获取单元，用于按下式获取用户下一时刻的预测电力需求Ppele：
Ppele＝Pele(n)
其中，Pele(n)为当前时刻n用户的耗电量；
第二获取单元，用于按下式获取用户下一时刻的预测热力需求ppheat：
其中，t为从当前时刻n开始、每递减一个时间步长所对应的时刻，Pheat(t)为每一时刻t用户消耗热电联产设备提供的热量，M为从当前时刻n开始递减的时间步长的总次数。
优选的，所述确定模块用于按下式确定所述热电联产设备下一时刻的预测收益Bchp：
其中，ppheat为所述热电联产设备提供给用户的预测热量需求，Ppele为所述热电联产设备提供给用户的预测电力需求，Hp为燃气的价格，Ep为电力的价格，Heff为气体的传热效率。
优选的，所述控制模块用于：
若所述热电联产设备的当前状态为开启，热电联产设备下一时刻的预测收益小于热电联产设备下一时刻的预测成本且从热点联产设备下一时刻开始连续时刻内的所述热电联产设备开启概率均小于第一预设值，则所述热电联产设备下一时刻关闭；否则，所述热电联产设备下一时刻开启；
当所述热电联产设备的当前状态为关闭时，若热电联产设备的历史状态中两次开启状态之间的关闭状态所持续的时间小于最小重启时间，则所述热电联产设备下一时刻关闭；若热电联产设备下一时刻的预测收益大于热电联产设备下一时刻的预测成本且从热点联产设备下一时刻开始连续时刻内的所述热电联产设备开启概率均大于或等于第二预设值，则所述热电联产设备下一时刻开启；否则，所述热电联产设备下一时刻关闭。
进一步的，按下式确定所述热电联产设备下一时刻的预测成本Cchp：
Cchp＝Rchp×Hp
其中,Rchp是所述热电联产设备下一时刻消耗燃气的量，Hp是燃气价格。
进一步的，按下式确定所述热电联产设备第i时刻的开启概率
式中，
为所述热电联产设备历史数据中第i时刻开启的天数，N为历史采样数据中的总天数。
与最接近的现有技术相比，本发明具有的有益效果：
本发明技术方案，考虑了热需求和电需求，减少能量预测引起的误差，进而减少用户对电网的依赖；根据预测热电需求确定热电联产设备的预测收益；根据热电联产设备的预测收益启动/关闭所述热电联产设备，有效降低开关频率，减轻热电联产设备上的循环应力，使其达到稳定状态，并具有最大的工作效率；可以进一步提高用能独立性，增加能源利用效率。
附图说明
图1是热电联产设备的控制方法流程图；
图2是混合能源系统图；
图3是电能和天然气价格图；
图4是日常热量需求和电力需求的示例图；
图5是热电联产设备开启概率图；
图6是现有和本发明的热电联产设备开关状态图；
图7是本发明的热电联产设备控制方法可存储的能量图；
图8是混合能源系统中热电联产设备的控制装置。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明提出了一种混合能源系统中热电联产设备的控制方法和装置，如图1所示的热电联产设备的控制方法包括如下步骤：
获取用户的预测热电需求，通过精确的预测用户的热电需求可以控制产能系统和储能系统；
根据所述预测热电需求确定所述热电联产设备的预测收益；
根据所述热电联产设备的预测收益启动/关闭所述热电联产设备；
其中，所述用户的预测热电需求由热电联产设备提供。
本发明提供的最优实施例中，可以将热电联产设备应用于如图2所示的混合能源系统中，其中，热电联产设备的混合能源系统包括产能装置和储能装置；
产能装置包括热电联产设备和燃气锅炉；储能装置包括电能存储设备和储热水罐。
热电联产设备，用于将燃气转换为热/电能，并提供给用户；热电联产设备产生的电能还可提供给电能存储设备。
燃气锅炉产生的热量可供给水罐和用户；储热水罐的热能直接供给用户。
电能存储设备存储热电联产设备的产生的冗余能量来支撑热电联产设备的运行，从而降低总运行成本。
具体的，所述获取用户的预测热电需求，包括：
按下式获取用户下一时刻的预测电力需求Ppele：
Ppele＝Pele(n)
式中，Pele(n)为当前时刻n用户消耗热电联产设备提供的电量；
按下式获取用户下一时刻的预测热力需求ppheat：
式中，t为从当前时刻n开始、每递减一个时间步长所对应的时刻，Pheat(t)为每一时刻t用户消耗热电联产设备提供的热量，M为从当前时刻n开始递减的时间步长的总次数。
具体的，所述根据所述预测热电需求确定所述热电联产设备的预测收益，包括：
按下式确定所述热电联产设备下一时刻的预测收益Bchp：
式中，ppheat为所述热电联产设备提供给用户的预测热量需求，Ppele为所述热电联产设备提供给用户的预测电力需求，Hp为燃气的价格，Ep为电力的价格，Heff为气体的传热效率。
具体的，所述根据所述热电联产设备的预测收益启动/关闭所述热电联产设备，包括：
若所述热电联产设备的当前状态为开启，热电联产设备下一时刻的预测收益小于热电联产设备下一时刻的预测成本且从热点联产设备下一时刻开始连续时刻内(从热点联产设备下一时刻开始连续时刻内可以为从下一分钟开始的连续10分钟内，也可以根据实际工况设置，每两个时刻之间差值均为预设的时间步长)的所述热电联产设备开启概率均小于第一预设值(第一预设值可以设为50％，也可以根据实际工况设置)，则所述热电联产设备下一时刻关闭；否则，所述热电联产设备下一时刻开启；
当所述热电联产设备的当前状态为关闭时，若热电联产设备的历史状态中两次开启状态之间的关闭状态所持续的时间小于最小重启时间，则所述热电联产设备下一时刻关闭；若热电联产设备下一时刻的预测收益大于热电联产设备下一时刻的预测成本且从热点联产设备下一时刻开始连续时刻内(从热点联产设备下一时刻开始连续时刻内可以为从下一分钟开始的连续10分钟内，也可以根据实际工况设置，每两个时刻之间差值均为预设的时间步长)的所述热电联产设备开启概率均大于或等于第二预设值(第二预设值可以设为20％，也可以根据实际工况设置)，则所述热电联产设备下一时刻开启；否则，所述热电联产设备下一时刻关闭。其中，当所述热电联产设备当前的状态为开启时，若所述预测收益大于所述预测成本，则所述热电联产设备下一时刻开启；
若所述预测收益小于所述预测成本且在接下来的10个时刻的开启概率均小于50％，则所述热电联产设备下一时刻关闭；
否则，所述热电联产设备下一时刻开启；
当所述热电联产设备当前的状态为关闭时，若所述预测收益小于所述预测成本，则所述热电联产设备将在下一时刻关闭；
若所述预测收益大于所述预测成本且在接下来10个时刻内每时刻的开启概率大于或等于20％，则所述热电联产设备下一时刻开启；
若所述热电联产设备两次“开启”时间之间的“关闭”时间短于所述热电联产设备最小重启时间，则所述热电联产设备下一时刻关闭；否则，所述热电联产设备下一时刻关闭。
为了充分利用热电联产设备，在这种情况下，“热电联产设备开启概率”设置为20％，而不是50％。
值得注意的是，对于所有情况，如果两次“开启”时间之间的“关闭”时间短于热电联产设备最小重启时间，则热电联产设备无法打开。
具体的，按下式确定所述热电联产设备下一时刻的预测成本Cchp：
Cchp＝Rchp×Hp
式中，Rchp是所述热电联产设备下一时刻消耗燃气的量，Hp是燃气价格。
具体的，按下式确定所述热电联产设备第i时刻的开启概率
式中，
为所述热电联产设备历史数据中第i时刻开启的天数，N为历史采样数据中的总天数。
技术上述方案，本发明提供的最优实施例可以包括如下案例分析：
例如，某座建筑的每日耗电量由CREST电力模型随机生成，每日耗热量由斯特拉斯克莱德大学开发的模型产生。为了模拟统计真实的历史数据，用该模型生成了50组每月的用电时间序列，用于测试所提出的控制方法。
如图3所示，提出一个电费动态的价格系统，该系统在半小时的时间范围内变化。这座建筑的每日热量消耗由斯特拉斯克莱德大学开发的模型产生。每日天然气价格基于当前天然气价格，约为5便士/千瓦时。图3和图4用于显示每日能源价格和平均能源需求。
该座建筑的混合能源系统如图2所示。在这座建筑中，锅炉燃烧气体产生热量，燃气锅炉，热电联产设备单元用于一起产生热量和电能。此外，可以在电能存储系统和储热水罐中存储多余的电和热，以提高能量效率并降低日常运营成本。
对于该座建筑而言，图3和图4所示的能源价格和需求产生的每日天然气成本为293便士，每日电费为308.45便士。在这种情况下，该座建筑的日常运营成本没在有任何优化方法的情况下为601便士。以下部分将用于显示本发明热电联产设备控制方法的日常运营成本：
(1)现有的热电联产设备控制方法
通过应用现有的热电联产设备控制方法，该座建筑能源运营成本降至563便士，每天可节省38便士。然而，通过应用该方法，热电联产设备的状态变化非常频繁，尤其是在夜间峰值需求时间。这在图6中示出。在图6中，实线示出了现有的热电联产设备控制方法的一天中热电联产设备的状态。为了减少动态加速时间和热电联产设备上的循环应力，有必要降低热电联产设备开关频率。
(2)本发明的热电联产设备控制方法
为了降低热电联产设备切换频率，提出本发明的热电联产设备控制方法。图5显示了平均所有天数“热电联产设备开启概率”。在获得热电联产设备开启概率后，可以获取本发明的热电联产设备开关状态，如图6所示。在图6中，虚线示出了本发明的热电联产设备控制方法的一天中热电联产设备状态开关频率。
与现有的热电联产设备控制方法相比，本发明的热电联产设备控制方法成功降低了开关频率。但是，该座建筑能源运营成本增加到566便士，比现有的热电联产设备控制方法高出3便士。仅使用现有的热电联产设备控制方法可以降低建筑的能源成本；然而，由于热电联产设备产生的多余能量，能效会降低。图7显示了储能系统可存储的总电能和热能。经过计算，热电联产设备产生的总余热为0.197kWh，冗余电量为1.33kWh。所以在本发明的热电联产设备控制方法上增加存储系统可以有效地提高能源利用效率。
本发明还提出了一种混合能源系统中热电联产设备的控制装置，如图8所示，所述装置包括：
获取模块，获取用户的预测热电需求；
确定模块，用于根据所述预测热电需求确定所述热电联产设备的预测收益；
控制模块，用于根据所述热电联产设备的预测收益启动/关闭所述热电联产设备。
其中，所述获取模块包括；
第一获取单元，用于按下式获取用户下一时刻的预测电力需求Ppele：
Ppele＝Pele(n)
式中，Pele(n)为当前时刻n用户的耗电量；
第二获取单元，用于按下式获取用户下一时刻的预测热力需求ppheat：
式中，t为从当前时刻n开始、每递减一个时间步长所对应的时刻，Pheat(t)为为每一时刻t用户消耗热电联产设备提供的热量，M为从当前时刻n开始递减的时间步长的总次数。
具体的，所述控制模块用于：
若所述热电联产设备的当前状态为开启，热电联产设备下一时刻的预测收益小于热电联产设备下一时刻的预测成本且从热点联产设备下一时刻开始连续时刻内的所述热电联产设备开启概率均小于第一预设值，则所述热电联产设备下一时刻关闭；否则，所述热电联产设备下一时刻开启；
当所述热电联产设备的当前状态为关闭时，若热电联产设备的历史状态中两次开启状态之间的关闭状态所持续的时间小于最小重启时间，则所述热电联产设备下一时刻关闭；若热电联产设备下一时刻的预测收益大于热电联产设备下一时刻的预测成本且从热点联产设备下一时刻开始连续时刻内的所述热电联产设备开启概率均大于或等于第二预设值，则所述热电联产设备下一时刻开启；否则，所述热电联产设备下一时刻关闭。
具体的，按下式确定所述热电联产设备下一时刻的预测成本Cchp：
Cchp＝Rchp×Hp
其中,Rchp是所述热电联产设备下一时刻消耗燃气的量，Hp是燃气价格。
具体的，按下式确定所述热电联产设备第i时刻的开启概率
式中，
为所述热电联产设备历史数据中第i时刻开启的天数，N为历史采样数据中的总天数。
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。
Claims (7)
1.一种混合能源系统中热电联产设备的控制方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
获取用户的预测热电需求；
根据所述预测热电需求确定所述热电联产设备的预测收益；
根据所述热电联产设备的预测收益启动或关闭所述热电联产设备；
其中，所述用户的预测热电需求由热电联产设备提供；
所述根据所述热电联产设备的预测收益启动或关闭所述热电联产设备，包括：
当所述热电联产设备的当前状态为开启时，若热电联产设备下一时刻的预测收益小于热电联产设备下一时刻的预测成本且从热点联产设备下一时刻开始连续时刻内的所述热电联产设备开启概率均小于第一预设值，则所述热电联产设备下一时刻关闭；否则，所述热电联产设备下一时刻开启；
当所述热电联产设备的当前状态为关闭时，若热电联产设备的历史状态中两次开启状态之间的关闭状态所持续的时间小于最小重启时间，则所述热电联产设备下一时刻关闭；若热电联产设备下一时刻的预测收益大于热电联产设备下一时刻的预测成本且从热点联产设备下一时刻开始连续时刻内的所述热电联产设备开启概率均大于或等于第二预设值，则所述热电联产设备下一时刻开启；否则，所述热电联产设备下一时刻关闭；
按下式确定所述热电联产设备第i时刻的开启概率
式中，
为所述热电联产设备历史数据中第i时刻开启的天数，N为历史采样数据中的总天数。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述获取用户的预测热电需求，包括：
按下式获取用户下一时刻的预测电力需求Ppele：
Ppele＝Pele(n)
其中,Pele(n)为当前时刻n用户消耗热电联产设备提供的电量；
按下式获取用户下一时刻的预测热力需求ppheat：
其中，t为从当前时刻n开始、每递减一个时间步长所对应的时刻，pheat(t)为每一时刻t用户消耗热电联产设备提供的热量，M为从当前时刻n开始递减的时间步长的总次数。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述根据所述预测热电需求确定所述热电联产设备的预测收益，包括：
按下式确定所述热电联产设备下一时刻的预测收益Bchp：
其中,ppheat为所述热电联产设备提供给用户的预测热量需求，Ppele为所述热电联产设备提供给用户的预测电力需求，Hp为燃气的价格，Ep为电力的价格，Heff为气体的传热效率。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，按下式确定所述热电联产设备下一时刻的预测成本Cchp：
Cchp＝Rchp×Hp
其中,Rchp是所述热电联产设备下一时刻消耗燃气的量，Hp是燃气价格。
5.一种混合能源系统中热电联产设备的控制装置，其特征在于，所述装置包括：获取模块，获取用户的预测热电需求；
确定模块，用于根据所述预测热电需求确定所述热电联产设备的预测收益；
控制模块，用于根据所述热电联产设备的预测收益启动/关闭所述热电联产设备；
所述控制模块用于：
若所述热电联产设备的当前状态为开启，热电联产设备下一时刻的预测收益小于热电联产设备下一时刻的预测成本且从热点联产设备下一时刻开始连续时刻内的所述热电联产设备开启概率均小于第一预设值，则所述热电联产设备下一时刻关闭；否则，所述热电联产设备下一时刻开启；
当所述热电联产设备的当前状态为关闭时，若热电联产设备的历史状态中两次开启状态之间的关闭状态所持续的时间小于最小重启时间，则所述热电联产设备下一时刻关闭；若热电联产设备下一时刻的预测收益大于热电联产设备下一时刻的预测成本且从热点联产设备下一时刻开始连续时刻内的所述热电联产设备开启概率均大于或等于第二预设值，则所述热电联产设备下一时刻开启；否则，所述热电联产设备下一时刻关闭；
按下式确定所述热电联产设备下一时刻的预测成本Cchp：
Cchp＝Rchp×Hp
其中,Rchp是所述热电联产设备下一时刻消耗燃气的量，Hp是燃气价格；
按下式确定所述热电联产设备第i时刻的开启概率
式中，
为所述热电联产设备历史数据中第i时刻开启的天数，N为历史采样数据中的总天数。
6.如权利要求5所述的装置，其特征在于，所述获取模块包括；
第一获取单元，用于按下式获取用户下一时刻的预测电力需求Ppele：
Ppele＝Pele(n)
其中，Pele(n)为当前时刻n用户的耗电量；
第二获取单元，用于按下式获取用户下一时刻的预测热力需求ppheat：
其中，t为从当前时刻n开始、每递减一个时间步长所对应的时刻，pheat(t)为每一时刻t用户消耗热电联产设备提供的热量，M为从当前时刻n开始递减的时间步长的总次数。
7.如权利要求5所述的装置，其特征在于，所述确定模块用于按下式确定所述热电联产设备下一时刻的预测收益Bchp：
其中，ppheat为所述热电联产设备提供给用户的预测热量需求，Ppele为所述热电联产设备提供给用户的预测电力需求，Hp为燃气的价格，Ep为电力的价格，Heff为气体的传热效率。
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