CN110210992A - 含海水淡化与清洁能源的冷热电联供系统及最优运行方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种含海水淡化与清洁能源的冷热电联供系统及最优运行方法，其技术特点在于：包括：能源供应模块，能量生产、存储与转换模块，以及能源消耗模块；所述能源供应模块包括上级电网和燃气网，用于电能及天然气能的供应；所述能量生产、转换与存储模块包括CHP机组、风机和光伏、燃气锅炉、电制冷机和吸收式制冷机。本发明基于海水淡化装置的负荷特性及其他关键设备和可再生能源的特点，考虑经济和环境效益，构建了CCHP系统的最优规划和运行策略，考虑了电气冷却比和关键设备的容量、投资成本，运营成本和维护成本，能源成本和碳税等。
Description
技术领域
本发明属于微能源网的运行优化技术领域，涉及微能源网的规划以及运行控制，尤其是一种含海水淡化与清洁能源的冷热电联供系统及最优运行方法。
背景技术
能源是人类活动的物质基础，人类社会的发展离不开优质能源的出现和先进能源技术的使用。能源是整个世界发展和经济增长的最基本的驱动力，是人类赖以生存的基础。国民经济的持续快速发展要求能源供应和电力可靠保障超前发展，再加上提高能效，保护生态环境和减少排放的压力，世界各国都对微能源网系统提出了更高的需求，其在生产中所占的比重越来越大。冷热电三联供(CCHP)是微能源网系统中的一种，通过对其产生的热水和高温废气的利用，以达到冷-热-电需求的一个能源供应系统。具有节约能源、改善环境，增加电力供应等综合效益。通常由发电机组、溴化锂制冷装置、热交换等装置组成，三联供使得天然气的热能被充分利用，大大提高了能源的综合利用功效。综合用能效率可达90％以上。
海水淡化技术是解决岛屿用水问题的主要途径之一。由于海水淡化装置具有高能耗和可控性的特点，因此在调节系统频率、提高可再生能源利用率方面作用较大，考虑海水淡化负荷的可控性对于提高系统经济性和稳定性具有重要的现实意义。
现有对于冷热电三联供系统的规划和运行方法研究仍存在以下不足之处：现有三联供系统不仅规划和运行成本高，而且规划结果准确性低，现有的运行方法往往造成资源浪费、规划成本增加、实际应用性不强等缺陷。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提出一种设计合理、科学实用、且综合考虑电气冷却比和关键设备的容量、投资成本，运营成本和维护成本，能源成本和碳税等多种影响因素的含海水淡化与清洁能源的冷热电联供系统及最优运行方法。
本发明解决其现实问题是采取以下技术方案实现的：
一种含海水淡化与清洁能源的冷热电联供系统，包括：能源供应模块，能量生产、存储与转换模块，以及能源消耗模块；
所述能量供应模块用于将天然气、电能供应给能量生产、存储与转换模块；
所述能量生产、存储与转换模块用于接收能量供应模块提供的能量，通过能量生产设备将天然气能转为电能和热能，通过能量转换设备将电能转换为冷、热、低压电或将余热转换为冷能量，并传递至能量消耗模块，多余的能量通过能量存储模块储存起来；
所述能量消耗模块为能量的终极消耗单元。
而且，所述能源供应模块包括上级电网和燃气网，用于电能及天然气能的供应；所述能量生产、转换与存储模块包括CHP机组、风机和光伏、燃气锅炉、电制冷机和吸收式制冷机；
其中，所述CHP机组消耗天然气能产生热能和电能，分别供应给电负荷和热负荷；所述风机和光伏为分布式可再生能源发电装置，用于产生电能为电负荷供电；所述燃气锅炉消耗天然气能产生热能供应给热力用户；所述电制冷机用于吸收电网产生的电能产生冷供应给下级用户；所述吸收式制冷机用于吸收热能产生冷供应给下级用户；所述能源消耗模块包括电负荷、热负荷以及冷负荷，是CCHP系统主要的能量消耗源。
而且，所述上级电网产生的电能还用于为储能电池供电，用于将多余的电力存储起来供其他时段为电负荷供电。
而且，所述上级电网产生的电能还用于为海水淡化装置供电，该海水淡化装置为膜法海水淡化装置，用于消耗电网产生的电能产生淡水；在该海水淡化装置内安装水箱，用于存储海水淡化装置产生的淡水，并将用水量数据传递给用户。
一种含海水淡化与清洁能源的冷热电联供系统的最优运行方法，包括以下步骤：
步骤1、根据CCHP系统冷、热、电负荷模型、海水淡化装置模型、光伏和风机模型和蓄电池模型的能量输入输出等式约束和设备运行、用户需求不等式约束，建立含海水淡化与清洁能源的冷热电联供系统的优化模型；
步骤2、根据步骤1建立的含海水淡化与清洁能源的冷热电联供系统的优化模型，对能量供应设备、储能电池的规划容量优化和海水淡化可控负荷的能量需求优化，同时得到最优年规划成本。
而且，所述步骤1的CCHP系统冷、热、电负荷模型为：
按照下述公式：冷负荷由吸收式制冷机和电制冷机提供，热负荷由CHP和燃气锅炉提供，天然气总量由燃气管网提供：
其中，QC表示冷负荷，Qec和代表电制冷机和吸收式制冷机的冷输出，QCHP和Qgb代表CHP和燃气锅炉的热输出，和QH代表吸收式制冷机和热负荷的热消耗，GCHP和Ggb是CHP和燃气锅炉的气消耗。
而且，所述步骤1的光伏和风机模型通过下述公式表示为：
其中，Aw代表扇叶扫过面积，v代表风速，ρw代表空气密度，γT代表光伏转换效率，Tair代表空气温度，Rt代表太阳辐射强度，TN代表温度设定值，Tref代表最佳温度，NPV和APV光伏板数量和面积。
而且，所述步骤1的蓄电池模型为：
其中，σ代表电能损失参数，qt代表电池容量，Pd,t和Pc,t代表放电和充电功率。
而且，所述步骤1的海水淡化装置模型为：
海水淡化产水速率Wd与电能消耗Pd之间的关系为：
Wd＝ρdPd
其中，ρd代表电能转换效率。
而且，所述步骤2的具体步骤包括：
(1)建立含海水淡化与清洁能源的冷热电联供系统的优化模型
Ctotal＝Cc+Com+Ce+Ccarbon
其中，CWT,CPV,CBat,Cgb,CCHP,Cec,Cac,CD是每个设备的投资成本,i代表年利率,n代表系统生命周期；Com1代表第一年运行成本，和代表电和气的总购买量，pgrid,t和pgas,t电和气的购买价格，Cargrid和Cargas代表二氧化碳排放量,ηgrid代表转换效率，ωCtax代表单位税价；资本成本包括每个组件的初始成本以及安装成本；更换成本Cr适用于无法在系统生命周期内继续工作的组件；能源成本Ce包括电力购买成本和天然气购买成本；
电制冷率的定义如下：
λc,t＝Qec,t/QC,t
(2)建立约束条件包括优化变量、设备运行和能量约束：
其中，Si代表风机、光伏、海水淡化装置等的设备容量，Pi,t代表每个设备的实际运行功率。
本发明的优点和有益效果：
本发明建立了一个包括风力涡轮机，光伏发电，联合供热和电力以及海水淡化装置的CCHP系统。基于海水淡化负荷的连续可调性及其他关键设备和可再生能源的特点，构建了考虑经济和环境效益的CCHP系统最优规划和运行策略，实现对可控负荷、储能、可再生能源等的综合调控，同时，具体考虑因素包括电制冷比例和关键设备的容量、投资成本，运营成本和维护成本，能源成本和碳税等。相比于传统优化运行方法，本发明充分利用了海水淡化负荷的可调潜力和CCHP系统的多能互补替代特性，有利于发挥系统多种资源的优势，促进可在生能源消纳，提高系统运行的经济性和环保性。
附图说明
图1为本发明的具体实施方式中冷热电三联供(CCHP)系统的结构示意图；
图2为本发明的具体实施方式中两种案例下典型日电制冷率示意图；
图3为本发明的具体实施方式中两种案例下典型日风机输出功率示意图；
图4为本发明的具体实施方式中两种案例下典型日光伏输出功率示意图；
图5为本发明的具体实施方式中优化后年总成本示意图；
图6为本发明的具体实施方式中优化后关键设备容量示意图；
图7为本发明的具体实施方式中优化后关键设备投资成本示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明实施例作进一步详述：
本发明的含海水淡化与清洁能源的冷热电联供系统，如图1所示，包括：能源供应模块，能量生产、存储与转换模块，以及能源消耗模块；
所述能量供应模块用于将天然气、电能供应给能量生产、存储与转换模块；所述能量生产、存储与转换模块用于接收能量供应模块提供的能量，通过能量生产设备将天然气能转为电能和热能，通过能量转换设备将电能转换为冷、热、低压电或将余热转换为冷能量，并传递至能量消耗模块，多余的能量通过能量存储模块储存起来；所述能量消耗模块为能量的终极消耗单元。
在本实施例中，所述能源供应模块包括上级电网和燃气网，用于电能及天然气能的供应；所述能量生产、转换与存储模块包括CHP机组、风机和光伏、燃气锅炉、储能电池、海水淡化装置、电制冷机和吸收式制冷机；其中，所述CHP机组消耗天然气能产生热能和电能，分别供应给电负荷和热负荷；所述风机和光伏为分布式可再生能源发电装置，用于产生电能为电负荷供电；所述燃气锅炉消耗天然气能产生热能供应给热力用户；所述储能电池用于消耗电网产生的电能，将多余的电力存储起来供其他时段为电负荷供电，所述海水淡化装置为膜法海水淡化装置，用于消耗电网产生的电能产生淡水；所述电制冷机用于吸收电网产生的电能产生冷供应给下级用户；所述吸收式制冷机用于吸收热能产生冷供应给下级用户；所述能源消耗模块包括电负荷、热负荷以及冷负荷，是CCHP系统主要的能量消耗源。
所述海水淡化装置内安装水箱，用于存储海水淡化装置产生的淡水，并将用水量数据传递给用户；
一种含海水淡化与清洁能源的冷热电联供系统的最优运行方法，包括以下步骤：
步骤1、根据CCHP系统冷、热、电负荷模型、海水淡化装置模型、光伏和风机模型和蓄电池模型的能量输入输出等式约束和设备运行、用户需求不等式约束，建立含海水淡化与清洁能源的冷热电联供系统的优化模型；
如图1所示，冷负荷由吸收式制冷机和电制冷机提供，热负荷由CHP和燃气锅炉提供，天然气总量由燃气管网提供：
其中，QC表示冷负荷，Qec和代表电制冷机和吸收式制冷机的冷输出，QCHP和Qgb代表CHP和燃气锅炉的热输出，和QH代表吸收式制冷机和热负荷的热消耗，GCHP和Ggb是CHP和燃气锅炉的气消耗。
假设CHP在以热定电模式下工作，电能的损失来自可再生能源和CHP的不完全消耗，电能的功率平衡可表示如下：
PPV+PWT+PBat+Pgrid+PCHP＝Pd+Pec+PL+Ploss (2)
其中，PPV，PWT，PBat和Pgrid代表风机、光伏、电池和电网输入的电能，Pd，Pec，PL和Ploss代表海水淡化装置、电负荷、电制冷机的电能消耗以及电能损失。
建立光伏和风机模型
其中，Aw代表扇叶扫过面积，v代表风速，ρw代表空气密度，γT代表光伏转换效率，Tair代表空气温度，Rt代表太阳辐射强度，TN代表温度设定值，Tref代表最佳温度，NPV和APV光伏板数量和面积。
建立蓄电池模型：
其中，σ代表电能损失参数，qt代表电池容量，Pd,t和Pc,t代表放电和充电功率。
建立海水淡化装置模型：
膜法海水淡化是一种常用的海水淡化方法，利用了渗透压的原理，即当用渗透膜将淡水和海水隔开时，在正常的情况下，淡水中的水分子会在渗透压的作用下向海水一侧渗透。而当海水一侧施加大于渗透压的压力时，可以使海水中的水分子通过渗透膜像淡水一侧渗透，而海水中的盐产生的离子由于体积较大无法通过渗透膜，从而使水分子和盐分子分离，得到淡水。海水淡化负荷装置的运行状态取决于当前蓄水量和用水需求，当蓄水量低于最低值时，海水淡化设备开始运行。海水淡化产水速率Wd与电能消耗Pd之间的关系为：
Wd＝ρdPd (5)
其中，ρd代表电能转换效率。
步骤2、根据步骤1建立的含海水淡化与清洁能源的冷热电联供系统的优化模型，对能量供应设备、储能电池的规划容量优化和海水淡化可控负荷的能量需求优化，同时得到最优年规划成本。
本发明对CCHP系统的优化体现在系统经济和环境效益两个方面。总成本包括资本成本，运营和维护成本，能源成本和等值碳税。
Ctotal＝Cc+Com+Ce+Ccarbon (6)
其中，CWT,CPV,CBat,Cgb,CCHP,Cec,Cac,CD是每个设备的投资成本,i代表年利率,n代表系统生命周期。Com1代表第一年运行成本，和代表电和气的总购买量，pgrid,t和pgas,t电和气的购买价格，Cargrid和Cargas代表二氧化碳排放量,ηgrid代表转换效率，ωCtax代表单位税价。资本成本包括每个组件的初始成本以及安装成本。更换成本Cr适用于无法在系统生命周期内继续工作的组件。能源成本Ce包括电力购买成本和天然气购买成本。
由于冷却和加热设备的运行模式决定了CCHP系统的总能耗，因此假设电制冷率在一整天都是时变的，设备的容量和电冷却比作为变量。电制冷率的定义如下：
λc,t＝Qec,t/QC,t (8)
约束集包括优化变量，设备运行和能量约束：
其中，Si代表风机、光伏、海水淡化装置等的设备容量，Pi,t代表每个设备的实际运行功率。
本发明的工作原理是：
本发明建立了一个包括风力涡轮机，光伏发电，联合供热和电力以及海水淡化装置的CCHP系统。首先，考虑海水淡化负荷的运行原理与应用场景，建立了海水淡化负荷机理模型；其次，基于海水淡化装置的负荷特性及其他关键设备和可再生能源的特点，考虑经济和环境效益，构建了CCHP系统的最优规划和运行策略，所提规划和运行方法考虑了电气冷却比和关键设备的容量、投资成本，运营成本和维护成本，能源成本和碳税等，通过引入电制冷比例，并对每一时刻的电制冷比例进行优化，使得在微能源网规划中对微能源网运行方式的考虑，更加符合实际情况；最后，针对考虑膜法海水淡化的微能源网规划，分析了蓄电池在微能源网中的作用。
在本实施例中，比较了两种情况，在案例1中不考虑蓄电池，在案例2中考虑蓄电池。典型日的电制冷率和风力发电机和光伏发电的输出功率如图2-4所示。
在案例1中平均电制冷率为0.46，在案例2中为0.47，如图2所示，在大多数时间情况下在案例2中更高，因此我们可以得出电池可以帮助改善电制冷率的结论。考虑到电池的加入，可再生能源的输出功率略有下降，如图3和图4所示。
优化后的年总成本，关键设备容量和设备容量成本如图5-7所示。图中，WT代表风机，PV代表光伏，BAT代表电池，EC代表电制冷机，GB代表燃气锅炉，AC代表吸收式制冷机，D代表海水淡化装置。从图5可以看出，容量投资成本和能源成本在总成本中起主要作用。环境成本也有一些作用。此外，随着蓄电池的增加，年投资本成本增加了5.49％，但能源成本降低了2.6％，二氧化碳排放成本降低了10.93％，总成本略微降低了0.82％。从图6可以看出，考虑到电池后，风力发电机组，光伏发电模型和热电联产的容量分别下降了1.80％，4.33％和5.29％。从图7可以得出结论：风电和光伏机组件以及海水淡化装置的容量成本在总容量成本中占有重要地位，考虑电池时容量成本略有增加。
此外，随着电制冷率的提高和可再生能源的输出功率几乎保持不变，电能损失减少了39.9％，结合图2-4，可看出可再生能源的利用率提高。因此可以得出结论，虽然增加储能设备将增加初始设备投资，但它将减少二氧化碳排放和能源成本，CCHP系统的总经济和环境效益将会提高。
需要强调的是，本发明所述实施例是说明性的，而不是限定性的，因此本发明包括并不限于具体实施方式中所述实施例，凡是由本领域技术人员根据本发明的技术方案得出的其他实施方式，同样属于本发明保护的范围。
本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
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 (10)
1.一种含海水淡化与清洁能源的冷热电联供系统，其特征在于：包括：能源供应模块，能量生产、存储与转换模块，以及能源消耗模块；
所述能量供应模块用于将天然气、电能供应给能量生产、存储与转换模块；
所述能量生产、存储与转换模块用于接收能量供应模块提供的能量，通过能量生产设备将天然气能转为电能和热能，通过能量转换设备将电能转换为冷、热、低压电或将余热转换为冷能量，并传递至能量消耗模块；
所述能量消耗模块为能量的终极消耗单元。
2.根据权利要求1所述的一种含海水淡化与清洁能源的冷热电联供系统，其特征在于：所述能源供应模块包括上级电网和燃气网，用于电能及天然气能的供应；所述能量生产、转换与存储模块包括CHP机组、风机和光伏、燃气锅炉、电制冷机和吸收式制冷机；
其中，所述CHP机组消耗天然气能产生热能和电能，分别供应给电负荷和热负荷；所述风机和光伏为分布式可再生能源发电装置，用于产生电能为电负荷供电；所述燃气锅炉消耗天然气能产生热能供应给热力用户；所述电制冷机用于吸收电网产生的电能产生冷供应给下级用户；所述吸收式制冷机用于吸收热能产生冷供应给下级用户；所述能源消耗模块包括电负荷、热负荷以及冷负荷，是CCHP系统主要的能量消耗源。
3.根据权利要求1所述的一种含海水淡化与清洁能源的冷热电联供系统，其特征在于：所述上级电网产生的电能还用于为储能电池供电，用于将多余的电力存储起来供其他时段为电负荷供电。
4.根据权利要求1所述的一种含海水淡化与清洁能源的冷热电联供系统，其特征在于：所述上级电网产生的电能还用于为海水淡化装置供电，该海水淡化装置为膜法海水淡化装置，用于消耗电网产生的电能产生淡水；在该海水淡化装置内安装水箱，用于存储海水淡化装置产生的淡水，并将用水量数据传递给用户。
5.一种考虑海水淡化负荷与可再生能源的冷热电联供系统最优规划和运行方法，包括以下步骤：
步骤1、根据CCHP系统冷、热、电负荷模型、海水淡化装置模型、光伏和风机模型和蓄电池模型的能量输入输出等式约束和设备运行、用户需求不等式约束，建立含海水淡化与清洁能源的冷热电联供系统的优化模型；
步骤2、根据步骤1建立的含海水淡化与清洁能源的冷热电联供系统的优化模型，对能量供应设备、储能电池的规划容量优化和海水淡化可控负荷的能量需求优化，同时得到最优年规划成本。
6.根据权利要求5所述的一种含海水淡化与清洁能源的冷热电联供系统的最优运行方法，其特征在于：所述步骤1的CCHP系统冷、热、电负荷模型为：
按照下述公式：冷负荷由吸收式制冷机和电制冷机提供，热负荷由CHP和燃气锅炉提供，天然气总量由燃气管网提供：
其中，QC表示冷负荷，Qec和代表电制冷机和吸收式制冷机的冷输出，QCHP和Qgb代表CHP和燃气锅炉的热输出，和QH代表吸收式制冷机和热负荷的热消耗，GCHP和Ggb是CHP和燃气锅炉的气消耗。
7.根据权利要求5所述的一种含海水淡化与清洁能源的冷热电联供系统的最优运行方法，其特征在于：所述步骤1的光伏和风机模型通过下述公式表示为：
其中，Aw代表扇叶扫过面积，v代表风速，ρw代表空气密度，γT代表光伏转换效率，Tair代表空气温度，Rt代表太阳辐射强度，TN代表温度设定值，Tref代表最佳温度，NPV和APV光伏板数量和面积。
8.根据权利要求5所述的一种含海水淡化与清洁能源的冷热电联供系统的最优运行方法，其特征在于：所述步骤1的蓄电池模型为：
其中，σ代表电能损失参数，qt代表电池容量，Pd,t和Pc,t代表放电和充电功率。
9.根据权利要求5所述的一种含海水淡化与清洁能源的冷热电联供系统的最优运行方法，其特征在于：所述步骤1的海水淡化装置模型为：
海水淡化产水速率Wd与电能消耗Pd之间的关系为：
Wd＝ρdPd
其中，ρd代表电能转换效率。
10.根据权利要求5所述的一种含海水淡化与清洁能源的冷热电联供系统的最优运行方法，其特征在于：所述步骤2的具体步骤包括：
(1)建立含海水淡化与清洁能源的冷热电联供系统的优化模型：
Ctotal＝Cc+Com+Ce+Ccarbon
其中，CWT,CPV,CBat,Cgb,CCHP,Cec,Cac,CD是每个设备的投资成本,i代表年利率,n代表系统生命周期；Com1代表第一年运行成本，和代表电和气的总购买量，pgrid,t和pgas,t电和气的购买价格，Cargrid和Cargas代表二氧化碳排放量,ηgrid代表转换效率，ωCtax代表单位税价；资本成本包括每个组件的初始成本以及安装成本；更换成本Cr适用于无法在系统生命周期内继续工作的组件；能源成本Ce包括电力购买成本和天然气购买成本；
电制冷率的定义如下：
λc,t＝Qec,t/QC,t
(2)建立约束条件包括优化变量、设备运行和能量约束：
其中，Si代表风机、光伏、海水淡化装置等的设备容量，Pi,t代表每个设备的实际运行功率。
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