CN112032809B - 一种基于可再生能源的混合热电站系统及其动态控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于可再生能源的混合热电站系统及其动态控制方法，属于电热能源存储领域。本发明构建了以可再生能源为能量来源的混合热电站系统，在充分考虑电热转换装置、可再生能源发电装置、储热工质储罐、换热装置、工质泵等组件的动态运行机理，并结合供热管网及热负荷的热能储运特性的基础上，构建了功率平衡控制模块和热能流控制模块，能够形成以电力、热力协调的双层动态控制，有效实现了热电互补，以及热电能量的平稳输出，提高了可再生能源利用率，缓解了弃风、弃光等问题。

Description

一种基于可再生能源的混合热电站系统及其动态控制方法
技术领域
本发明属于电热能源存储领域，更具体地，涉及一种基于可再生能源的混合热电站系统及其动态控制方法。
背景技术
热能和电能具有物理性能互补的特点。电能通过电网传输相对便捷，但其储存较为困难，对应的电储能目前发展受到技术、成本、安全性等制约较多。而热能的储存相对容易，现有的无论天然或人造储热装置都具有成本低、储存时间长(可达数天)的特点，但是热能的运输损耗和时延较之电能都大。如果将电能和热能两种能量综合利用，形成热电联合系统，不但可以达到能量互补优化的目的，还可能带来可观的效益和运行效率的提升。
传统的热电联供(combined heat and power,CHP)系统可以对热电能量综合利用。CHP系统常以热电联供机组为产能核心设备。机组工作时，化石燃料燃烧产生高温高压的气体，该气体驱动膨胀机做功发电，同时排出的废气可用于供热，也可用于余热锅炉回收重新发电。CHP可以同时供应电、热能。
但是CHP系统也存在一些缺陷。由于CHP系统以化石燃料为能源，往往带来一定污染。而热电联供机组发电功率与供热蒸汽量直接联系，导致这类机组在自身热电比的约束下，运行效率不高、电/热负荷需求难以同时满足。另外，已有的CHP系统运行优化都基于优化调度时间层面(分钟级甚至小时级)，没能很好利用系统和设备的动态特性，也无法有效响应系统内的瞬时波动。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于可再生能源的混合热电站系统及其动态控制方法，其目的在于利用可再生能源，实现热电能量平稳、实时、高效的输出。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种基于可再生能源的混合热电站系统，包括：
可再生能源出力模块，用于利用可再生能源产生电能；
功率平衡控制模块，用于将可再生能源出力模块提供的电能分为平稳分量和波动分量，并将平稳分量配送至供电模块，将波动分量配送至储热循环模块；
热能流控制模块，用于在热能流动过程中调节储热工质的质量流量，控制热能的储存、输运和交换过程；
储热循环模块，用于将电能转换为热能，并进行热能的储存、运输以及与供热循环模块的热能交换；
供热循环模块，用于与储热循环模块进行热能交换，并向热用户提供热能；
供电模块，用于向电用户提供电能。
进一步地，储热循环模块包括电热转换装置、储热工质储罐、换热装置和工质泵；供热循环模块包括换热装置、供热管网和热用户负荷。
进一步地，电热转换装置的动态机理模型为：
Figure RE-GDA0002727748740000021
Figure RE-GDA0002727748740000022
Figure RE-GDA0002727748740000023
其中，ce、me、Te分别为电热元件的比热容、质量及温度；ηtra为电热元件的电热转换效率；Pin为电热转换装置的加热功率，ke为电热元件的传热系数；Ae为电热元件的传热面积；Tf为储热工质的平均温度；ρf、Vf为储热工质的密度和体积；mfin、mfout为进、出口的储热工质质量流量；hin、hout为进出口储热工质的比焓；Pout为电热转换装置对外界环境的散热功率。
进一步地，储热工质储罐的动态机理模型：
Figure RE-GDA0002727748740000031
Figure RE-GDA0002727748740000032
式中，Twt为储热工质的温度，min,w为储热工质储罐进口处工质的质量流量，Tin为储热工质储罐进口处工质的温度，cp,w为储热工质的比热容；ρw为储热工质的密度；Awt为储热工质储罐的底部面积；Hwt为储热工质储罐进口处工质的温度，hwt为储储热工质罐和环境之间的整体传热系数；Aws储热工质储罐的表面积；Ts为环境温度；mout,w为储热工质储罐出口处工质的质量流量。
进一步地，换热装置的动态机理模型：
Figure RE-GDA0002727748740000033
Figure RE-GDA0002727748740000034
Figure RE-GDA0002727748740000035
式中，Mw、Ms、Mp分别为壳程流体、管程流体、换热管总质量；cw、 cs、cp分别为壳程流体、管程流体、换热管的比热容；mw、ms分别为壳程流体、管程流体的质量流量；A1、A2分别为换热器壳程侧、管程侧换热面积； Twin、Twout为壳程流体进、出口温度；Tsin、Tsout为管程流体进、出口温度；Tmw、 Tms为壳程流体、管程流体的平均温度；Tp为换热管温度；k1、k2分别为换热器壳程侧、管程侧换热系数。
进一步地，工质泵的动态机理模型：
Figure RE-GDA0002727748740000041
Hp＝B1Gp 2+kB2Gp+k2B3
式中，Pp为泵功率；Gp为泵中工质的循环流量；Hp为泵的扬程；ρw为工质的密度；ηmtr为电动机效率；ηp为工质泵的效率；k为变频调速比；B1、 B2、B3为泵特性曲线的拟合参数。
进一步地，供热管网的热力学模型如下：
Figure RE-GDA0002727748740000042
Figure RE-GDA0002727748740000043
式中，Cn为管道中热水热容量；Cb为管壁金属热容量；Tin,t、Tout,t分别为管道进出口处工质的温度；Tw为管壁金属温度；cwater为工质水的热容量；Gwater为工质水的质量流量；K1为管内流体与管壁外表面之间的传热系数；F1为管壁内表面传热面积；Tsur为土壤地表温度；β为耗热修正系数，一般来说，β＝0.1～0.5；Rins为管道保温设施的热阻；Rs为土壤热阻；l为管道的长度。
进一步地，热用户负荷的热力学模型：
Figure RE-GDA0002727748740000044
Figure RE-GDA0002727748740000045
式中，Ch为换热器的热容量；Tin,r、Tout,r分别为散热器进、出口的水温； K2为散热器向用户的传热系数，常采用散热器工质温度与室内温度的平均温差，由相应经验关系式K2＝a(Δt)b得出；F2为散热器的总散热面积；Tave散热器内工质的平均温度，常用算术平均值；Tr为室内温度；β1、β2、β3为相应的修正系数；q为散热器向室内的散热量；Cr为房间的热容量；Ur为室内与室外通过围护结构的传热系数；Toutdoor为室外温度；ε为冷风渗透修正系数； L为通过门窗缝隙单位时间的渗入冷空气量；ρa、ca分别为室外冷空气的密度和比热。
按照本发明的另一方面，提供了一种基于可再生能源的混合热电站系统动态控制方法，包括：
S1.功率平衡控制；
根据热负荷需求计算得到热参考功率PHref，将可再生能源出力PRE与热参考功率相减得到功率差值PΔ，PΔ经过低通滤波得到平稳功率分量PE和波动频率分量PHΔ；将平稳功率分量PE输送至电网；将热参考功率PHref与PHΔ相加得到的功率PH输送至热力部分；
S2.热能流控制；
01.供水温度控制；
测量换热装置出口端的供水温度，通过PI控制调节流出热罐的储热工质质量流量m3，使得测量值与其预设目标值的偏差达到设定阈值；
02.热罐液位高度控制；
测量热罐的工质液位，通过PI控制调节流入热罐与流出热罐的工质质量流量差，使得温度测量值与其预设目标值达到设定阈值，实现热罐液位高度控制；
03.电热转换装置液位高度控制；
测量电热转换装置的工质液位，通过PI控制调节流入电热转换装置与流出电热转换装置的工质质量流量差，实现电热转换装置内的工质液位高度控制。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果。
本发明构建了以可再生能源为能量来源的混合热电站系统，在充分考虑电热转换装置、可再生能源发电装置、储热工质储罐、换热装置、工质泵等组件的动态运行机理，并结合供热管网及热负荷的热能储运特性的基础上，构建了功率平衡控制模块和热能流控制模块，能够形成以电力、热力协调的双层动态控制，有效实现了热电互补，以及热电能量的平稳输出，提高了可再生能源利用率，缓解了弃风、弃光等问题。
附图说明
图1是本发明实施例提供的基于可再生能源的混合热电站系统架构示意图；
图2是本发明实施例提供的电热转换装置示意图；
图3是本发明实施例提供的供热管网示意图；
图4是本发明实施例提供的功率平衡控制示意图；
图5是本发明实施例提供的热能流控制示意图。
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，以下结合附图及实施例，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。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
本发明实施例提供了一种基于可再生能源的混合热电站系统，包括：可再生能源出力模块，用于利用可再生能源产生电能；功率平衡控制模块，用于将可再生能源出力模块提供的电能分为平稳分量和波动分量，并将平稳分量配送至供电模块，将波动分量配送至储热循环模块；热能流控制模块，用于在热能流动过程中调节储热工质的质量流量，控制热能的储存、输运和交换过程；储热循环模块，用于将电能转换为热能，并进行热能的储存、运输以及与供热循环模块的热能交换；供热循环模块，用于与储热循环模块进行热能交换，并向热用户提供热能；供电模块，用于向电用户提供电能。
系统拓扑如图1所示，各模块由矩形线条框选出来，带箭头的实线条、虚线条和短划线分别代表热力、电力以及状态信息流动方向。图中m1为流入锅炉的储热工质质量流量，m2为流出锅炉的储热工质质量流量，m3为流出热罐的储热工质质量流量，T为温度测量符号，H&T是对系统热力部分各储罐和电热转换装置的工质液位和工质温度的测量符号。可再生能源出力模块、储热循环模块、供热循环模块和供电模块构成系统本体，功率平衡控制模块和热能流控制模块构成系统的控制部分。系统运行方式为，可再生能源通过变换器接入电网后，电能通过功率平衡控制模块分别配送至电网和热力循环部分；通过热能流控制模块，控制储热循环及供热循环模块各组件相互配合，调节热能的储存、输运和交换过程。
混合热电站中同时存在高速的电能变换过程和缓慢的热力学过程，这些动态过程使得混合热-电站的控制具有多时间尺度的特点。本发明以系统各处的电力和热力状态信息为基础，探究其运行机理并建立相应的动态模型，以便实现整个混合热电系统热电协同的双层动态控制。
本发明以风力发电作为可再生能源出力，建立其动态机理模型。风力发电装置，按照空气动力学分析风力机吸收的风能，建立动态机理模型如下：
Figure RE-GDA0002727748740000071
式中，Pm表示风力发电功率，ρ为空气密度，Aw为桨叶面积，vwind为风速；Cp为风能利用系数；λ为叶尖速比，定义为风力机桨叶叶片尖端线速度与风速之比；β为浆矩角。
电热转换装置结构如图2所示，是电能向热能转换的枢纽装置，把来自可再生能源的电能转换为系统传、储热工质的热能。其结构包含有电热元件、锅炉体和保温层等部分。电热元件为多组并联的管状电热元件，加热相对均匀；装置本体外附加保温层可以减少热量逸散，提高效率；电热转换装置工作时，利用电压在一定范围内的无级调节可以快速改变加热功率。对电热元件来说，一方面耗电发热，这个过程的电热转换效率很高，另一方面，通过热传导加热炉内储热工质；对于储热工质，其内能变化由进出口储热工质的内能、工质吸收和通过炉壁对外逸散的功率决定。建立动态机理模型如下：
Figure RE-GDA0002727748740000081
Figure RE-GDA0002727748740000082
Figure RE-GDA0002727748740000083
其中，ce、me、Te分别为电热元件的比热容、质量及温度；ηtra为电热元件的电热转换效率；Pin为电热转换装置的加热功率，ke为电热元件的传热系数；Ae为电热元件的传热面积；Tf为储热工质的平均温度；ρf、Vf为储热工质的密度和体积；mfin、mfout为进、出口的储热工质质量流量；hin、hout为进出口储热工质的比焓；Pout为电热转换装置对外界环境的散热功率。
储热循环模块包括电热转换装置、储热工质储罐(包括冷罐和热罐)、换热装置和工质泵；运行时，电热转换装置将分配到的电能转化为热能，将冷罐内传来的工质加热并储存至热罐，在需要时将热能通过换热装置释放到供热模块，换热结束后的冷工质储存到冷罐，整个热能流动过程中依赖工质泵调节储热工质的流量。供热循环模块如图3所示，包括换热装置、供热管网和热用户负荷。经过换热后输出的热水经过供水管道输运至用户侧，供热后的回水再通过回水管道送回至热电站，构成热能循环。
本发明中的储热工质储罐提供热工质和冷工质存储，热罐进口是电热转换装置的热工质，出口是待换热输出的热工质，冷罐出口是电热转换装置的待加热工质，进口是换热后的冷工质。对于储热工质罐来说，主要考虑其在室内环境、对称结构等条件下，由罐内工质向保温层材料、罐体、外界环境的逐层散热过程，建立动态机理模型如下：
Figure RE-GDA0002727748740000091
Figure RE-GDA0002727748740000092
式中，Twt为储热工质的温度，min,w为储热工质储罐进口处工质的质量流量，Tin为储热工质储罐进口处工质的温度，cp,w为储热工质的比热容；ρw为储热工质的密度；Awt为储热工质储罐的底部面积；Hwt为储热工质储罐进口处工质的温度，hwt为储储热工质罐和环境之间的整体传热系数；Aws储热工质储罐的表面积；Ts为环境温度；mout,w为储热工质储罐出口处工质的质量流量。系统中的换热装置，主要用于站内储热工质与循环供热水交换能量，完成热电站对热网侧能量的输出。换热装置种类繁多，本发明采用经典的管壳式换热装置。从装置的清洗维护的便捷性等实际出发，蓄热工质从管程流通，而水从壳程流通，采用对流换热方式。分别从壳程流体、管程流体以及换热管壁三者的热量平衡角度考虑，建立动态机理模型如下：
Figure RE-GDA0002727748740000093
Figure RE-GDA0002727748740000094
Figure RE-GDA0002727748740000095
式中，Mw、Ms、Mp分别为壳程流体、管程流体、换热管总质量；cw、 cs、cp分别为壳程流体、管程流体、换热管的比热容；mw、ms分别为壳程流体、管程流体的质量流量；A1、A2分别为换热器壳程侧、管程侧换热面积； Twin、Twout为壳程流体进、出口温度；Tsin、Tsout为管程流体进、出口温度；Tmw、Tms为壳程流体、管程流体的平均温度；Tp为换热管温度；k1、k2分别为换热器壳程侧、管程侧换热系数。
工质泵主要用于调节循环工质流量，可以改变电热转换装置、蓄热工质储罐的进出口质量流量。用二次曲线近似拟合工质泵的特性曲线，并考虑变工质泵变频运行，建立动态机理模型如下：
Figure RE-GDA0002727748740000101
Hp＝B1Gp 2+kB2Gp+k2B3 (11)
式中，Pp为泵功率；Gp为泵中工质的循环流量；Hp为泵的扬程；ρw为工质的密度；ηmtr为电动机效率；ηp为工质泵的效率；k为变频调速比；B1、 B2、B3为泵特性曲线的拟合参数。
对于供热管网，供热管网的水力工况稳定速度远快于与热力工况，而构建的直连供热系统中，水力工况基本稳定，并且本发明关注点集中在热能输运、转化和利用上，因此忽略管网的水力工况，仅考虑管网的热力工况。供热管网包含了供水管道和回水管道两部分，由热电站系统加热后的高温供热水主要经由供水管道流向热用户，而热用户流出的低温供热水则通过回水管道流回热电站，构成一个完整循环。实际管道具有时延特性，因此需要对其进行分段处理。具体做法将管道在空间上离散为N个单元，每段接收从上一段输入参数。对单段管道热力工况模型的构建，可以从管道运输的循环水和管道壁面两部分考察。管道内的热量变化率与循环水流入、流出的热量和对管壁的散热量有关，而管壁热量变化则与循环水向管壁的传热量和管壁向周围环境的散热量有关。建立热力学模型如下：
Figure RE-GDA0002727748740000102
Figure RE-GDA0002727748740000103
式中，Cn为管道中热水热容量；Cb为管壁金属热容量；Tin,t、Tout,t分别为管道进出口处工质的温度；Tw为管壁金属温度；cwater为工质水的热容量；Gwater为工质水的质量流量；K1为管内流体与管壁外表面之间的传热系数；F1为管壁内表面传热面积；Tsur为土壤地表温度；β为耗热修正系数，一般来说，β＝0.1～0.5；Rins为管道保温设施的热阻；Rs为土壤热阻；l为管道的长度。
热用户负荷由散热器及供热房间两部分构成。散热器是供热系统终端的设备，循环水通过该装置向供热房间散热，在室外温度波动等因素干扰下保证室内温度恒定。从能量守恒的角度出发，散热器的能量变化由供水管网向散热器传递的热量、散热器向房间的换热量的差值决定；供热房间模型主要关注室内温度，因为供热的舒适性和用户的满意程度一般由室温决定。室内温度由两部分决定：散热器的换热量，房屋对外传热(包含建筑围护结构散热和冷风渗透耗热)。综合以上两点，从而建立动态热力学模型如下：
Figure RE-GDA0002727748740000111
Figure RE-GDA0002727748740000112
式中，Ch为换热器的热容量；Tin,r、Tout,r分别为散热器进、出口的水温； K2为散热器向用户的传热系数，常采用散热器工质温度与室内温度的平均温差，由相应经验关系式K2＝a(Δt)b得出；F2为散热器的总散热面积；Tave散热器内工质的平均温度，常用算术平均值；Tr为室内温度；β1、β2、β3为相应的修正系数；q为散热器向室内的散热量；Cr为房间的热容量；Ur为室内与室外通过围护结构的传热系数；Toutdoor为室外温度；ε为冷风渗透修正系数； L为通过门窗缝隙单位时间的渗入冷空气量；ρa、ca分别为室外冷空气的密度和比热。
基于所建立的集成系统平台、热电能量之间耦合关系，本发明还构建了功率平衡控制和热能流控制相协调的动态运行控制方法，整体思路如下：一方面，由于可再生能源出力具有波动性，本发明系统主要利用储热来进行平抑。相较于储电系统，储热装置投资低、容量大，电热转换过程可利用变压装置与电锅炉配合，有效吸纳电能快速波动成分。另一方面，通过对电能和热能进行协同控制，有效实现了热电互补，促进可再生能源消纳，提供更为平稳的电、热输出。
具体地，功率平衡控制层如图4所示。功率平衡控制主要解决电功率在可再生能源出力模块、电热转换装置、工质泵和电网间的分配。PRE为可再生能源整体出力。PHref为热负荷实时需求功率。PE为输送向电负荷的能量， PH为实际输送向系统热力部分的能量。PΔ、PHΔ为构造的中间控制变量。相应的关系式如下：
PRE＝PΔ+PHref
PΔ＝PHΔ+PE
PH＝PHref+PHΔ
PRE由系统内多个风力发电装置的功率叠加获得，PRE＝∑Pm，根据式(1) 计算得到。PHref由热负荷内的散热器消耗的热功率来近似估算， PHref＝cwaterGwater(Tin,r-Tout,r)，根据式(13)计算得到。
根据热负荷需求计算得到热参考功率PHref，将可再生能源出力PRE与热参考功率相减得到功率差值PΔ，PΔ经过低通滤波得到平稳功率分量PE和波动频率分量PHΔ；将平稳功率分量PE输送至电网；将热参考功率PHref与PHΔ相加得到的功率PH输送至热力部分。输送向电网的是去除了高频波动、相对平稳的电能，可再生能源高频波动的功率主要传递向热力部分。电热转换装置的功率等于传递向热力部分的热功率减去分配给工质泵的功率，即 Ph＝PH-∑Pp。其中∑Pp为系统内多个工质泵的加和功率。而依据前述工质泵的动态机理模型，其功率的获得需要有质量流量信息，而每个工质泵的质量流量指令由热能流控制层给出，该点能充分体现出本发明中功率平衡控制和热能流控制之间的热电协同关系。
热能流控制层如图5所示，主要调节了电热转换装置、蓄热工质储罐 (包含冷罐、热罐)、换热装置之间以及换热装置对供热系统的热能流储存、传输过程。热罐或电热转换装置内储存的能量可由储热工质的比焓(与温度成正比)与储热工质的质量(与液位高度成正比)两者相乘表征。系统热力部分运行过程中，通过调节各装置间的蓄热工质流动情况，可以使热电站向热网输送功率达标，蓄热工质储罐及锅炉内的蓄热工质液位和温度稳定。图5中的限幅操作，是考虑到实际运行具有稳定性要求，因此对流量的范围及增减速率做了限幅处理。换热装置内发生的热能交换在从热罐流入的高温蓄热工质与从回水管道流入的低温供热水之间，供水温度所指即为经过热能交换后换热装置出口端的供热水温度。热罐液位高度、电热转换装置液位高度所指分别为热罐、锅炉内存储的蓄热工质的液位高度。供水温度、热罐液位高度、电热转换装置液位高度三者的参考量均为系统热力部分稳定运行时的值。mB与mG是为了方便对锅炉和储热罐的蓄热工质液位进行控制，设计的两个中间控制变量，关系式如下：
mB＝m1-m2
mG＝m2-m3
具体控制过程如下：
测取供水温度，基于实际值与其预设目标值的偏差，通过PI控制修正，得到流出热罐的工质质量流量调节值m3。这一步调节主要依据换热装置特点设计，满足热电站对热网输出能量的调节。
测取热罐的工质液位，基于实际值与其预设目标值的偏差，通过PI控制修正，获得流入热罐与流出热罐的工质流量差的调节值mG。mG与已获得的m3相加得到流出电热转换装置的工质质量流量的调节值m2。这一步调节主要依据热罐工作特性设计，满足控制热罐的工质液位要求。
测取电热转换装置的工质液位，基于实际值与其预设目标值的偏差，通过PI控制修正，获得流入电热转换装置与流出电热转换装置工质质量流量差的调节值mB。mB与已获得的m2相加得到流入电热转换装置的工质质量流量的调节值m1。这一步调节主要依据电热转换装置工作特性设计，满足控制装置内的工质液位要求。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则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 (2)

1.一种基于可再生能源的混合热电站系统，其特征在于，包括：
可再生能源出力模块，用于利用可再生能源产生电能；
功率平衡控制模块，用于将可再生能源出力模块提供的电能分为平稳分量和波动分量，并将平稳分量配送至供电模块，将波动分量配送至储热循环模块；
热能流控制模块，用于在热能流动过程中调节储热工质的质量流量，控制热能的储存、输运和交换过程；
储热循环模块，用于将电能转换为热能，并进行热能的储存、运输以及与供热循环模块的热能交换；
供热循环模块，用于与储热循环模块进行热能交换，并向热用户提供热能；
供电模块，用于向电用户提供电能；
储热循环模块包括电热转换装置、储热工质储罐、换热装置和工质泵；供热循环模块包括换热装置、供热管网和热用户负荷；
电热转换装置的动态机理模型为：
Figure FDA0003535407110000011
Figure FDA0003535407110000012
Figure FDA0003535407110000013
其中，ce、me、Te分别为电热元件的比热容、质量及温度；ηtra为电热元件的电热转换效率；Pin为电热转换装置的加热功率，ke为电热元件的传热系数；Ae为电热元件的传热面积；cp,f为电热转换装置内工质的比热容；Tf为储热工质的平均温度；ρf、Vf分别为储热工质的密度和体积；mfin、mfout分别为进出口的储热工质质量流量；hin、hout分别为进出口储热工质的比焓；Pout为电热转换装置对外界环境的散热功率；
储热工质储罐的动态机理模型为：
Figure FDA0003535407110000021
Figure FDA0003535407110000022
其中，Twt为储热工质的温度，min,w为储热工质储罐进口处工质的质量流量，Tin为储热工质储罐进口处工质的温度，cp,w为储热工质的比热容；ρw为储热工质的密度；Awt为储热工质储罐的底部面积；Hwt为储热工质储罐进口处工质的温度，hwt为储热工质储罐和环境之间的整体传热系数；Aws储热工质储罐的表面积；Ts为环境温度；mout,w为储热工质储罐出口处工质的质量流量；
换热装置的动态机理模型为：
Figure FDA0003535407110000023
Figure FDA0003535407110000024
Figure FDA0003535407110000025
其中，Mw、Ms、Mp分别为壳程流体、管程流体、换热管总质量；cw、cs、cp分别为壳程流体、管程流体、换热管的比热容；mw、ms分别为壳程流体、管程流体的质量流量；A1、A2分别为换热器壳程侧、管程侧换热面积；Twin、Twout分别为壳程流体进、出口温度；Tsin、Tsout分别为管程流体进、出口温度；Tmw、Tms分别为壳程流体、管程流体的平均温度；Tp为换热管温度；k1、k2分别为换热器壳程侧、管程侧换热系数；
工质泵的动态机理模型为：
Figure FDA0003535407110000031
Hp＝B1Gp 2+kB2Gp+k2B3
其中，Pp为泵功率；Gp为泵中工质的循环流量；Hp为泵的操作压力；ρw为工质的密度；ηmtr为电动机效率；ηp为工质泵的效率；k为变频调速比；B1、B2、B3为泵特性曲线的拟合参数；
供热管网的热力学模型如下：
Figure FDA0003535407110000032
Figure FDA0003535407110000033
其中，Cn为管道中热水热容量；Cb为管壁金属热容量；Tin,t、Tout,t分别为管道进出口处工质的温度；Tw为管壁金属温度；cwater为工质水的热容量；Gwater为工质水的质量流量；K1为管内流体与管壁外表面之间的传热系数；F1为管壁内表面传热面积；Tsur为土壤地表温度；β为耗热修正系数，一般来说，
Figure FDA0003535407110000036
Rins为管道保温设施的热阻；Rs为土壤热阻；l为管道的长度；
热用户负荷的热力学模型为：
Figure FDA0003535407110000034
Figure FDA0003535407110000035
其中，Ch为换热器的热容量；Tin,r、Tout,r分别为散热器进、出口的水温；K2为散热器向用户的传热系数；F2为散热器的总散热面积；Tave散热器内工质的平均温度；Tr为室内温度；β1、β2、β3为相应的修正系数；q为散热器向室内的散热量；Cr为房间的热容量；Ur为室内与室外通过围护结构的传热系数；Toutdoor为室外温度；ε为冷风渗透修正系数；L为通过门窗缝隙单位时间的渗入冷空气量；ρa、ca分别为室外冷空气的密度和比热。
2.一种基于权利要求1所述可再生能源的混合热电站系统的动态控制方法，其特征在于，包括：
S1.功率平衡控制；
根据热负荷需求计算得到热参考功率PHref，将可再生能源出力PRE与热参考功率相减得到功率差值P△，P△经过低通滤波得到平稳功率分量PE和波动频率分量PH△；将平稳功率分量PE输送至电网；将热参考功率PHref与PH△相加得到的功率PH输送至热力部分；
S2.热能流控制；
01.供水温度控制；
测量换热装置出口端的供水温度，通过PI控制调节流出热罐的储热工质质量流量m3，使得测量值与其预设目标值的偏差达到设定阈值；
02.热罐液位高度控制；
测量热罐的工质液位，通过PI控制调节流入热罐与流出热罐的工质质量流量差，使得温度测量值与其预设目标值达到设定阈值，实现热罐液位高度控制；
03.电热转换装置液位高度控制；
测量电热转换装置的工质液位，通过PI控制调节流入电热转换装置与流出电热转换装置的工质质量流量差，实现电热转换装置内的工质液位高度控制。
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CN208971150U (zh) * 2018-09-27 2019-06-11 深圳市爱能森科技有限公司 一种峰谷储能装置及系统
CN110198052B (zh) * 2019-07-11 2022-05-03 国网甘肃省电力公司经济技术研究院 一种光热-风电联合并网发电协调控制方法

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