CN112528210B - 一种冷热电联供系统及控制方法 - Google Patents

一种冷热电联供系统及控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种冷热电联供系统及控制方法，该系统包括燃气机组、余热回收装置、燃气锅炉、吸收式制冷机、热交换器、储电装置。本发明通过储电装置对电能的充放电调节实现了系统电能的优化调度，在冷热电联供系统“并网不上网”运行模式下可以提高燃气机组运行过程的负载率；同时可以利用峰平谷电价，通过在电价低谷时段充电、在电价高峰时段放电，从而有效减少冷热电联供系统的购电成本。储电装置的容量设计方法也充分考虑了电负荷波动的影响，在提高储电装置全年利用率的前提下可有效减少装置容量，降低初始投资成本。

Description

一种冷热电联供系统及控制方法
技术领域
本发明涉及能源技术领域，具体涉及一种冷热电联供系统及控制方法。
背景技术
冷热电联供(Combined cooling,heating and power,CCHP)系统以微小型热电联产机组作为主要的能源供应设备、以大电网和燃气管网作为后备支撑，通过各类能量转换装置向用户提供电、冷、热等多种能源。CCHP系统通过余热回收实现了能源梯级利用，在现有发电技术和余热回收技术下，理论上可将能源利用率提升至80％以上。因此，CCHP系统受到了越来越广泛的重视，市场发展潜力很大。
然而，目前CCHP系统多数采用“并网不上网”的运行模式下，燃气机组的负载率受用户电负荷波动的影响较大，导致部分时段运行性能较差，系统一次能源利用率与理论值存在不小的差距；同时，由于电网仅作为后备支撑，系统无法有效利用电网峰平谷电价，运行费用仍然较高。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种冷热电联供系统及控制方法，以实现冷热电联供系统的能量优化调度，提高系统一次能源利用率。
为实现上述目的，本发明的技术方案是：
第一方面，本发明实施例提供了一种冷热电联供系统，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、储电装置，
所述燃气机组用于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；
所述燃气锅炉用于连接燃气管网获取天然气，产生热能；
所述燃气机组和电网用于提供电能满足用户电负荷需求，并通过储电装置进行调节；
所述余热回收装置和燃气锅炉用于提供热能，且通过吸收式制冷机提供用户冷负荷需求、通过热交换器提供用户热负荷需求；
所述储电装置通过充放电调节来实现系统电能的优化调度。
第二方面，本发明实施例提供了一种冷热电联供系统控制方法，应用上述的冷热电联供系统，所述控制方法包括以下步骤：
S1、获得用户工况的日逐时电负荷Eload(t)以及冷负荷Qc_load(t)、热负荷Qh_load(t)；根据吸收式制冷机、热交换器的转换效率COPAC、ηh，利用式(1)得到等效的日逐时热需求Qload(t)：
Figure BDA0002821280370000021
S2、设置燃气机组的最小输出电功率和额定输出电功率分别为ECCHP_min和ECCHP_max，对应的余热回收量分别为QHRS_min和QHRS_max,以燃气机组运行于ECCHP_min和ECCHP_max之间作为约束条件，当t时刻Eload(t)≥ECCHP_min，则控制燃气机组输出电功率ECCHP(t)为Eload(t)；当t时刻Eload(t)＜ECCHP_min，则根据Qload(t)和QHRS_min，若Qload(t)≥QHRS_min，控制燃气机组使得余热回收量QHRS(t)为Qload(t)，此时计算得到对应的ECCHP(t)；若Qload(t)＜QHRS_min，控制燃气机组输出电功率为ECCHP_min；
S3、在放电阶段，t时刻储电装置的放电功率EESS(t)由电能差值ECCHP(t)-Eload(t)、最大放电功率Pmaxd、剩余电量与放电效率之积Eres*ηd三个参数中绝对值的最小值决定，且取为负值，计算式如式(2)所示；同时，按照时间顺序，储电装置存储的电量以高峰电价时段、平峰电价时段、低谷电价时段的先后顺序进行释放，则在一个周期内，储电装置的总放电量Edis可由式(3)计算得到，式中
Figure BDA0002821280370000022
表示任意满足后面不等式的时段:
EESS(t)＝-min{|ECCHP(t)-Eload(t)|,|Pmaxd|,|Eres*ηd|} (2)
Figure BDA0002821280370000023
S4、在充电阶段，t时刻储电装置的充电功率EESS(t)由电能差值ECCHP(t)-Eload(t)、最大充电功率Pmaxc、可存储电量与充电效率之商Evac/ηc三个参数中绝对值的最小值决定，且取为正值，计算式如式(4)所示；同时，若储电装置不能完全回收燃气机组产生的多余电能，则减少燃气机组的输出电功率最终使得多余电能可以全部存储至储电装置中；在一个周期内，储电装置的总充电量Echa由式(5)计算得到，式中
Figure BDA0002821280370000024
表示任意满足后面不等式的时段:
EESS(t)＝min{|ECCHP(t)-Eload(t)|,|Pmaxc|,|Evac/ηc|} (4)
Figure BDA0002821280370000025
S5、实现充放电的平衡调节：当Echa＜Edis时，在低谷电价时段通过电网向储电装置充电，直至充放电量一致或储电装置达到充电最大值；当Echa＞Edis时，按照时间倒序逐步减少燃气机组的输出电功率，直至充放电量一致；
S6、根据式(6)计算燃气机组的负载率，并根据余热回收效率ηHRS计算逐时余热回收量QHRS(t)：
Figure BDA0002821280370000031
S7、电网提供的电能Egrid(t)和燃气锅炉提供的热能Qgb(t)由式(7)计算得到，式中
Figure BDA0002821280370000032
表示任意满足后面不等式的时段：
Figure BDA0002821280370000033
本发明与现有技术相比，其有益效果在于：
本发明通过储电装置对电能的充放电调节实现了系统电能的优化调度，在冷热电联供系统“并网不上网”运行模式下可以提高燃气机组运行过程的负载率；同时可以利用峰平谷电价，通过在电价低谷时段充电、在电价高峰时段放电，从而有效减少冷热电联供系统的购电成本。储电装置的容量设计方法也充分考虑了电负荷波动的影响，在提高储电装置全年利用率的前提下可有效减少装置容量，降低初始投资成本。
附图说明
图1为本发明实施例提供的冷热电联供系统的整体拓扑结构示意图；
图2为夏季工况的逐时电负荷和等效逐时热需求；
图3为冬季工况的逐时电负荷和等效逐时热需求；
图4为夏季工况下储电装置的能量调控策略；
图5为夏季工况下电能分配策略；
图6为夏季工况下热能分配策略。
具体实施方式
实施例：
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。
参阅图1所示，本实施例提供的冷热电联供系统包括燃气机组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、储电装置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，并通过储电装置60进行调节；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提供用户冷负荷需求、通过热交换器50提供用户热负荷需求；储电装置60通过充放电调节策略来实现系统电能的优化调度。
具体地，储电装置充电策略包括充电功率和总充电量的确定；充放电平衡调节方法用于实现总放电量和总充电量的一致；用户电负荷无法由燃气机组和储电装置提供的不足部分，通过从电网获取电能进行补充，用户热需求无法由余热回收量提供的不足部分，通过燃气锅炉燃烧天然气进行补充
在上述冷热电联供系统架构下，结合用户电负荷、冷负荷、冷负荷的用能需求，依据燃气机组运行约束条件、储电装置放电策略、储电装置充电策略、充放电平衡调节方法、燃气机组负载率和余热回收量计算、电网供电量和燃气锅炉供热量计算的设计流程，确定该冷热电联供系统的控制策略。包括以下步骤：
S1、获得用户工况的日逐时电负荷Eload(t)以及冷负荷Qc_load(t)、热负荷Qh_load(t)；根据吸收式制冷机、热交换器的转换效率COPAC、ηh，利用式(1)得到等效的日逐时热需求Qload(t)。
Figure BDA0002821280370000041
S2、对运行过程燃气机组的输出电功率区间进行约束：设置燃气机组的最小输出电功率和额定输出电功率分别为ECCHP_min和ECCHP_max，对应的余热回收量分别为QHRS_min和QHRS_max。以燃气机组运行于ECCHP_min和ECCHP_max之间作为约束条件，当t时刻Eload(t)≥ECCHP_min，控制燃气机组输出电功率ECCHP(t)为Eload(t)；且当Eload(t)＞ECCHP_max时控制燃气机组输出电功率ECCHP(t)为ECCHP_max。当t时刻Eload(t)＜ECCHP_min，则根据Qload(t)和QHRS_min，若Qload(t)≥QHRS_min，控制燃气机组使得余热回收量QHRS(t)为Qload(t)和QHRS_max两者间的较小值，此时可以计算得到对应的ECCHP(t)；若Qload(t)＜QHRS_min，控制燃气机组输出电功率为ECCHP_min。
S3、储电装置放电策略包括放电功率和总放电量的确定：在放电阶段，t时刻储电装置的放电功率EESS(t)由电能差值ECCHP(t)-Eload(t)、最大放电功率Pmaxd、剩余电量与放电效率之积Eres*ηd三个参数中绝对值的最小值决定，且取为负值，计算式如式(2)所示；同时，按照时间顺序，储电装置存储的电量以高峰电价时段、平峰电价时段、低谷电价时段的先后顺序进行释放，则在一个周期内，储电装置的总放电量Edis可由式(3)计算得到，式中
Figure BDA0002821280370000054
表示任意满足后面不等式的时段。
EESS(t)＝-min{|ECCHP(t)-Eload(t)|,|Pmaxd|,|Eres*ηd|} (2)
Figure BDA0002821280370000051
S4、储电装置充电策略包括充电功率和总充电量的确定：在充电阶段，t时刻储电装置的充电功率EESS(t)由电能差值ECCHP(t)-Eload(t)、最大充电功率Pmaxc、可存储电量与充电效率之商Evac/ηc三个参数中绝对值的最小值决定，且取为正值，计算式如式(4)所示；同时，若储电装置不能完全回收燃气机组产生的多余电能，则减少燃气机组的输出电功率最终使得多余电能可以全部存储至储电装置中。在一个周期内，储电装置的总充电量Echa可由式(5)计算得到，式中
Figure BDA0002821280370000055
表示任意满足后面不等式的时段。
EESS(t)＝min{|ECCHP(t)-Eload(t)|,|Pmaxc|,|Evac/ηc|} (4)
Figure BDA0002821280370000052
S5、充放电平衡调节方法用于实现总放电量和总充电量的一致，通过以下方法实现充电量和放电量的平衡：当Echa＜Edis时，在低谷电价时段通过电网向储电装置充电，直至充放电量一致或储电装置达到充电最大值；当Echa＞Edis时，按照时间倒序逐步减少燃气机组的输出电功率，直至充放电量一致。
S6、根据式(6)计算燃气机组的负载率，并将燃气机组的热效率ηt、机械效率ηp、余热回收效率ηHRS分别表示为式(7)所示负载率PLR(t)的多项式，式中ai、b1、b2、b3、ci为多项式的系数。则燃气机组的一次能源消耗量GCCHP(t)和逐时余热回收量QHRS(t)可由式(8)计算得到。
Figure BDA0002821280370000053
/>
Figure BDA0002821280370000061
Figure BDA0002821280370000062
S7、用户电负荷无法由燃气机组和储电装置提供的不足部分，通过从电网获取电能进行补充，用户热需求无法由余热回收量提供的不足部分，通过燃气锅炉燃烧天然气进行补充。则电网提供的电能Egrid(t)和燃气锅炉提供的热能Qgb(t)可由式(9)计算得到，式中
Figure BDA0002821280370000063
表示任意满足后面不等式的时段。
Figure BDA0002821280370000064
如此，通过上述的控制策略方法，通过储电装置对电能的充放电调节实现了系统电能的优化调度，在冷热电联供系统“并网不上网”运行模式下可以提高燃气机组运行过程的负载率；同时可以利用峰平谷电价，通过在电价低谷时段充电、在电价高峰时段放电，从而有效减少冷热电联供系统的购电成本。
在上述系统中，储电装置设计容量根据以下原则确定：在N个典型用户设计日工况(X＝1,……,N)下，分别计算各个时段燃气机组输出电功率EX CCHP(t)与用户电负荷EX load(t)的差值得到逐时电能差值EX diff(t)，将EX diff(t)小于0的时段进行求和得到不足时段的总和EX insuf。将工况X所需容量假设为
Figure BDA0002821280370000065
则储电装置的容量可由全部工况的平均值计算得到，如式(10)所示。
Figure BDA0002821280370000066
式中，DOD为储电装置的放电深度，average{}为平均值函数。
如此，由于上述储电装置的容量设计方法也充分考虑了电负荷波动的影响，在提高储电装置全年利用率的前提下可有效减少装置容量，降低初始投资成本
在上述系统中，燃气机组容量根据以下原则确定：获得用户夏季、冬季、过渡季等典型工况的逐时电负荷，将全部典型工况和时段的电负荷做平均值计算，并以平均值作为燃气机组的设计容量。
在上述系统中，用户冷负荷可以全部由吸收式制冷机提供，也可以一部分由吸收式制冷机提供、一部分由电制冷机提供。由电制冷机提供的冷能，其能源来源为电网电能，可结合电制冷机的转换效率计算出等效耗电量，并统计入用户电负荷中。
下面结合一个应用场景实例来对本发明进行进一步的说明：
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，结合吸收式制冷机和热交换器的转换效率计算得到，本实施例中，吸收式制冷机和热交换器的转换效率分别取1.2和0.9。
实施对象的燃气机组为内燃机，在电负荷平均值的容量配置方法下选取额定功率60kw。燃气机组热效率ηt、机械效率ηp、余热回收效率ηHRS与负载率PLR(t)的关系式表达如下：
Figure BDA0002821280370000071
结合夏季工况和冬季工况的逐时电负荷，假设燃气机组以60kW的输出电功率恒定运行，分别计算两种工况下各时段的电能差值，并计算燃气机组无法满足用户电能需求时段的电能差值总和，将两种工况下电能差值总和的绝对值按照以下式子进行计算，可以得到储电装置的容量为260kWh。
Figure BDA0002821280370000072
式中，DOD为储电装置的放电深度，取80％；average{}为平均值函数。
根据燃气机组输出电功率约束条件，设置燃气机组的输出电功率区间为[18kW,60kW]，则对应的余热回收量区间为[53.9kW,97.1kW]。根据24小时逐时负荷与区间阈值，得到燃气机组的逐时输出电功率：当Eload(t)≥18，燃气机组输出电功率为Eload(t)，且当Eload(t)＞60，保持输出电功率为60kW。而当Eload(t)＜18时，若Qload(t)＜53.9则控制燃气机组输出电功率为18kW；若53.9≤Qload(t)＜97.1则控制燃气机组输出使得余热回收量为Qload(t)，并计算得到对应的ECCHP(t)；若Qload(t)≥97.1则保持输出电功率为60kW。如夏季工况t＝6的时段，Eload(6)＝50.16kW，则控制燃气机组输出电功率为50.16kW；夏季工况t＝9的时段，Eload(9)＝76.52kW，则控制燃气机组输出电功率为60kW。
采用电池储能系统作为储电装置，选取DOD为80％，并选择1C对应的放电功率60kW作为最大放电功率，效率取0.95。优先将电池储能系统的能量释放至高峰电价时段；如t＝10的时段为24小时周期中的第一个高峰电价时段，该时段电能差值为-22.59kW，电池储能系统此时为满充状态，可知电能差值、最大放电功率、剩余电量与放电效率之积三个参数中绝对值的最小值为22.59kW，则此时放电功率EESS(t)为-22.59kW，储电装置总放电量为23.78kWh。当储电装置完成高峰电价时段的释能需求后，若仍有剩余电能，则继续释放至平峰电价时段；如t＝8的时段为24小时周期中的第一个平峰电价时段，该时段电能差值为-3.9kW，电池储能系统此时剩余电量为1.88kWh，可知电能差值-3.9kW、最大放电功率60kW、剩余电量与放电效率之积1.79kW三个参数中绝对值的最小值为1.79kW，则此时放电功率EESS(t)为-1.79kW，储电装置总放电量为224kWh。此时电池储能系统在允许DOD范围内已释放全部储电量。
在用户电负荷Eload(t)＜60时段，由于全部时段内燃气机组的输出电功率均与用户电负荷相等，可知电能差值为0，根据充电功率EESS(t)由电能差值ECCHP(t)-Eload(t)、最大充电功率Pmaxc、可存储电量与充电效率之商Evac/ηc三个参数中绝对值的最小值决定的原则，可知燃气机组不产生多余电能。如t＝0的时段，该时段电能差值为0，因此虽然此时电池储能系统剩余电量为零，但燃气机组仍然根据用户电负荷使得输出电功率为44.89kW。可知在一个周期内Echa＜Edis，充电总量与放电量总量不平衡；因此在低谷电价时段，通过电网向储电装置进行充电，直至充电量达到224kWh，此时充放电量一致。在t＝0～7时段为低谷电价时段，将充电量平均分配，使得每个时段电池储能系统的储电量均为28kWh。
根据上述燃气机组输出电功率，可以计算得到各时段负载率、一次能源消耗量、余热回收量，计算式如下所示。如t＝7时段，燃气机组输出电功率为57.19，可知负载率PLR(7)为0.95，热效率ηt、机械效率ηp、余热回收效率ηHRS分别为0.33、0.92、0.50，则一次能源消耗量GCCHP(7)、余热回收量QHRS(7)分别为188.83kWh、95.13kW。
Figure BDA0002821280370000091
最后，用户电负荷无法由燃气机组和储电装置提供的不足部分，通过从电网获取电能进行补充；用户热需求无法由余热回收量提供的不足部分，通过燃气锅炉燃烧天然气进行补充，而当某时段的余热回收量大于用户热需求时，则多余热能将释放到环境中。因此，可以得到夏季工况下储电装置调控策略、电能分配策略、热能分配策略分别如图4、图5、图6所示。
上述实施例只是为了说明本发明的技术构思及特点，其目的是在于让本领域内的普通技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡是根据本发明内容的实质所做出的等效的变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (7)

1.一种冷热电联供系统控制方法，其特征在于，
所述冷热电联供系统包括燃气机组、余热回收装置、燃气锅炉、吸收式制冷机、热交换器、储电装置；
所述燃气机组用于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；
所述燃气锅炉用于连接燃气管网获取天然气，产生热能；
所述燃气机组和电网用于提供电能满足用户电负荷需求，并通过储电装置进行调节；
所述余热回收装置和燃气锅炉用于提供热能，且通过吸收式制冷机提供用户冷负荷需求、通过热交换器提供用户热负荷需求；
所述储电装置通过充放电调节来实现系统电能的优化调度；
所述储电装置的容量通过如下方式确定：
在N个典型用户设计日工况X＝1,……,N下，分别计算各个时段燃气机组输出电功率EX CCHP(t)与用户电负荷EX load(t)的差值得到逐时电能差值EX diff(t)，将EX diff(t)小于0的时段进行求和得到不足时段的总和EX insuf，将工况X所需容量假设为
Figure QLYQS_1
则储电装置的容量由全部工况的平均值计算得到；
所述储电装置的容量由全部工况的平均值如式(1)所示：
Figure QLYQS_2
式中，DOD为储电装置的放电深度，average{}为平均值函数；
所述控制方法包括以下步骤：
S1、获得用户工况的日逐时电负荷Eload(t)以及冷负荷Qc_load(t)、热负荷Qh_load(t)；根据吸收式制冷机、热交换器的转换效率COPAC、ηh，利用式(2)得到等效的日逐时热需求Qload(t)：
Figure QLYQS_3
S2、设置燃气机组的最小输出电功率和额定输出电功率分别为ECCHP_min和ECCHP_max，对应的余热回收量分别为QHRS_min和QHRS_max，以燃气机组运行于ECCHP_min和ECCHP_max之间作为约束条件，当t时刻Eload(t)≥ECCHP_min，则控制燃气机组输出电功率ECCHP(t)为Eload(t)；当t时刻Eload(t)＜ECCHP_min，则根据Qload(t)和QHRS_min，若Qload(t)≥QHRS_min，控制燃气机组使得余热回收量QHRS(t)为Qload(t)，此时计算得到对应的ECCHP(t)；若Qload(t)＜QHRS_min，控制燃气机组输出电功率为ECCHP_min；
S3、在放电阶段，t时刻储电装置的放电功率EESS放(t)由电能差值ECCHP(t)-Eload(t)、最大放电功率Pmax d、剩余电量与放电效率之积Eres*ηd三个参数中绝对值的最小值决定，且取为负值，计算式如式(3)所示；同时，按照时间顺序，储电装置存储的电量以高峰电价时段、平峰电价时段、低谷电价时段的先后顺序进行释放，则在一个周期内，储电装置的总放电量Edis由式(4)计算得到，式中
Figure QLYQS_4
表示任意满足后面不等式的时段：
Figure QLYQS_5
/>
Figure QLYQS_6
S4、在充电阶段，t时刻储电装置的充电功率EESS充(t)由电能差值ECCHP(t)-Eload(t)、最大充电功率Pmax c、可存储电量与充电效率之商Evac/ηc三个参数中绝对值的最小值决定，且取为正值，计算式如式(5)所示；同时，若储电装置不能完全回收燃气机组产生的多余电能，则减少燃气机组的输出电功率最终使得多余电能全部存储至储电装置中；在一个周期内，储电装置的总充电量Echa由式(6)计算得到，式中
Figure QLYQS_7
表示任意满足后面不等式的时段：
Figure QLYQS_8
Figure QLYQS_9
S5、实现充放电的平衡调节：当Echa＜Edis时，在低谷电价时段通过电网向储电装置充电，直至充放电量一致或储电装置达到充电最大值；当Echa＞Edis时，按照时间倒序逐步减少燃气机组的输出电功率，直至充放电量一致；
S6、根据式(7)计算燃气机组的负载率PLR(t)，并根据余热回收效率ηHRS计算逐时余热回收量QHRS(t)：
Figure QLYQS_10
S7、电网提供的电能Egrid(t)和燃气锅炉提供的热能Qgb(t)由式(8)计算得到，式中
Figure QLYQS_11
表示任意满足后面不等式的时段：
Figure QLYQS_12
2.如权利要求1所述的冷热电联供系统控制方法，其特征在于，在步骤S2中，任意t时刻燃气机组的输出电功率满足ECCHP(t)≤ECCHP_max。
3.如权利要求1所述的冷热电联供系统控制方法，其特征在于，燃气机组的热效率ηt、机械效率ηp、余热回收效率ηHRS与负载率PLR(t)分别满足式(9)所示的多项式关系：
Figure QLYQS_13
式中，ai、b1、b2、b3、ci为多项式的系数。
4.如权利要求1所述的冷热电联供系统控制方法，其特征在于，用户电负荷无法由燃气机组和储电装置提供的不足部分，通过从电网获取电能进行补充。
5.如权利要求1所述的冷热电联供系统控制方法，其特征在于，用户热需求无法由余热回收量提供的不足部分，通过燃气锅炉燃烧天然气进行补充。
6.如权利要求1所述的冷热电联供系统控制方法，其特征在于，所述燃气机组容量根据如下方式确定：获得用户夏季、冬季、过渡季典型工况的逐时电负荷，将全部典型工况和时段的电负荷做平均值计算，并以平均值作为燃气机组的设计容量。
7.如权利要求1所述的冷热电联供系统控制方法，其特征在于，用户冷负荷全部由吸收式制冷机提供，或，一部分由吸收式制冷机提供、一部分由电制冷机提供；
由电制冷机提供的冷能，其能源来源为电网电能，结合电制冷机的转换效率计算出等效耗电量，并统计入用户电负荷中。
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