CN113886761A - 一种综合能源系统能效分析评估方法 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种综合能源系统能效分析评估方法，包括建立综合能源系统的拓扑模型，计算综合能源系统内的能流值；将综合能源系统按照能源类型分为若干能源子系统，不同能源子系统之间通过能源转换设备进行耦合；建立综合能源系统和各能源子系统的能效模型，能源转换设备的转换效率模型；将综合能源系统的能效模型分别对每一个能源子系统的能效模型以及能源转换设备的转换效率模型求偏导，得到各能源子系统以及能源转换设备的能效贡献度模型；计算得到各能源子系统以及能源转换设备的能效贡献值，当综合能源系统能效降低时据此进行调整，以改善综合能源系统的能效。本发明解决了综合能源系统能效分析评估以及改善的问题，适用于实际应用。
Description
技术领域
本发明属于能效分析技术领域，涉及一种综合能源系统能效分析评估方法。
背景技术
人类生存和社会发展的基础和动力是能源，能源是国计民生战略的基础。21世纪以来，社会经济迅速发展，能源需求总量急剧增加，能源供需矛盾日益凸显。由于煤炭、石油等传统化石能源不可再生，终将走向枯竭，如何解决不可再生能源的日益匮乏以及环境污染问题已成为人类社会面临的重大挑战。
面对目前能源发展的挑战，综合能源系统(integrated energy system，IES)这一概念得到了广泛的关注。在资源和环境约束下，通过多种能源协同设计和运行以提高能源利用效率是综合能源系统建设的重要目标之一，综合能源系统的建设能够实现多种能源系统的互补与融合，有利于提升能源的整体利用效率，目前已有许多学者从经济、安全、环保等多个方面对IES的优化运行进行了诸多研究。综合能源系统通过对多种能源系统的互补耦合和联合优化实现了可再生能源的充分消纳和不可再生能源的梯级利用，为能源领域的发展提供了优质服务，其规模可分为跨区域级、区域级和用户级。关于园区综合能源系统的评价，通常需从能效、经济性、可靠性等维度建立评价方法。
能效，即能源利用效率，是一个泛化术语，其用于衡量能源投入与产出的关系，可从生产、经济发展等多个角度建立评估体系。现有的能效评估方法主要基于热力学第一定律和热力学第二定律。热力学第一定律侧重于能源“量”的利用程度，主要研究对象为热泵、CCHP机组、HVAC和综合能源系统。热力学第二定律侧重于能源“质”的利用程度，利用
的大小评估能源做功能力的差异。目前基于热力学第二定律对能效进行的评估主要集中在热力学工程领域，主要研究对象为发电厂和HVAC，而对综合能源系统的研究还较少。因此，研究综合能源系统内部的能效具有十分重要的实用价值。
发明内容
为解决现有技术中的不足，本申请提供一种综合能源系统能效分析评估方，在综合能效降低时，通过对能源子系统或者转换设备的调整，能有效改善系统的能效，解决了综合能源系统内不同能源形式对综合能效的贡献程度问题。
为了实现上述目标，本发明采用如下技术方案：
一种综合能源系统能效分析评估方法，包括以下步骤：
步骤1：建立综合能源系统的拓扑模型，利用离散化的能流计算方法计算综合能源系统内的能流值；
步骤2：将综合能源系统按照能源类型分为若干能源子系统，不同能源子系统之间通过能源转换设备进行耦合；
步骤3：分别建立综合能源系统和各能源子系统的能效模型，以及能源转换设备的转换效率模型；
步骤4：基于边际贡献理论，将综合能源系统的能效模型分别对每一个能源子系统的能效模型以及能源转换设备的转换效率模型求偏导，得到各能源子系统以及能源转换设备的能效贡献度模型；
步骤5：将步骤1综合能源系统内的能流值代入步骤4的能效贡献度模型，计算得到各能源子系统以及能源转换设备的能效贡献值，表示各能源子系统以及能源转换设备对系统综合能效的贡献程度，当综合能源系统能效降低时据此进行调整，以改善综合能源系统的能效。
本发明进一步包括以下优选方案：
优选地，步骤1具体包括以下步骤：
步骤1.1：查询并输入综合能源系统内部数据；
步骤1.2：利用加权有向图建立综合能源系统等效的拓扑模型；
步骤1.3：基于综合能源系统内部数据，采用离散化的能流计算方法对拓扑模型中的能流进行计算。
优选地，步骤1.1所述综合能源系统内部数据包括设备数据、系统购能数据和负荷数据；
所述设备数据包括能源转换设备的装机容量、能源转换系数、储能设备的储放能状态、储放能效率和能质系数；
所述系统购能数据包括从外部能源网购买的能源量；
所述负荷数据为用户对不同能源的需求量。
优选地，步骤1.2具体包括以下步骤：
步骤1.2.1：定义加权有向图；
步骤1.2.2：根据综合能源系统的结构，基于加权有向图定义，建立综合能源系统的拓扑模型，并根据加权有向图的定义，用标准化的节点矩阵来对综合能源系统的拓扑模型进行描述。
优选地，步骤1.2.1具体为：
定义一个有向图D(T,L)，包括节点集合T以及分支集合L；
其中，节点集合，用于描述系统内部能源的输入输出、转换、存储节点；
分支集合，表示节点之间的联系，用e(i,j)表示各个分支的方向，用eij表示从节点i到节点j传输的能量；
另外，在分支上赋予权重值来描述各节点之间的能流损耗特征，且权重值的大小反映分支的长度。
优选地，步骤1.2.2具体为：
假设综合能源系统的拓扑模型有N个节点和B个分支，那么其节点和分支的关系用一个N×B阶矩阵A＝(aik)N×B来表示，即：
其中，lk表示第k条分支，k＝1,2,…,m，aik为矩阵A中的元素，表示分支与节点的关系，i表示节点的标号，m表示拓扑模型中分支的总数；
考虑各分支上的权重值，建立权矩阵B＝(ηij)n×n，并且将分支上的权重定义为：
式中，μij为两个节点之间的能量转换效率；
假设S为综合能源系统的拓扑模型内输入节点到输出节点之间的一条路径，定义向量X，X＝(x1,x2,…,xm)T，X中元素表示分支与路径的关系，若分支在路径中，则该分支对应的元素为1，否则为0：
其中，lk表示第k条分支；
则路径S的长度ds为：
优选地，步骤1.3具体包括以下步骤：
步骤1.3.1：初始化各分支的能流值和全矩阵，i＝1；
步骤1.3.2：计算系统路径集；
步骤1.3.3：离散化输出顶点的能流值为若干个单位步长，并以一定的能流值Δp为步长大小，单位步长记为Pi,i＝1,2,3…，i表示步长的序号；
步骤1.3.4：从路径集中选择优先路径；
步骤1.3.5：计算路径长度、输入节点能流值的增量和分支的能流值增量；
步骤1.3.6：更新系统输入输出节点和分支的能流值；
步骤1.3.7：判断是否超出分支的容量或输出节点能流值是否满足要求，若是，则进入步骤1.3.8，否则，i＝i+1，返回步骤1.3.4；
步骤1.3.8：从路径集中删除当前路径；
步骤1.3.9：更新路径集和权矩阵；
步骤1.3.10：判断路径集是否为空集或输出节点能流值是否达到设定值，若是，则进入步骤1.3.11，否则，i＝i+1，返回步骤1.3.4；
步骤1.3.11：输出各分支的能流值，计算能效贡献度。
优选地，步骤2中，将综合能源系统分为4个能源子系统，分别为：电能子系统、热能子系统、冷能子系统和天然气子系统；
所述能源转换设备包括电锅炉、常规电制冷冷机、热电联产机组、燃气锅炉、吸收式制冷机、P2G，分别用于电转热、电转冷、热电联产、气转热、热转冷、电转气。
优选地，步骤3中，将综合能源系统和能源子系统的能效定义为能量需求与输入系统能源的比值，建立对应系统的能效模型；
能源转换设备的转换效率模型通过能质系数来进行建模。
优选地，综合能源系统的能效模型ηIES为：
式中，Pe、Pg分别表示从外部能源网输入的电能、天然气；
le、lh、lc、lg分别表示电、热、冷、气负荷；
Ss/e、Ss/h、Ss/c、Ss/g分别表示考虑到储电、储热、储冷、储气装置的储能损耗后实际储入的能量；
Sr/e、Sr/g、Sr/h、Sr/c分别表示计及储电、储气、储热、储冷装置的放能损耗后实际放出的能量；
CE、CG、CH表示电能、天然气、热能的能质系数；
Ce、Ch、Cc、Cg表示电、热、冷、气负荷的能质系数。
优选地，电能子系统的能效模型ηe为：
式中，ηs/e、ηr/e表示储电装置储、放电效率，Echp表示热电联产机组所产生的电能，We表示电能供应量，γe表示储电装置的状态，储能为1，放能为0。
优选地，天然气子系统的能效模型ηg为：
式中，ηs/g、ηr/g表示储气装置储、放气效率，Wg表示天然气供应量，Ge-g表示电能通过P2G产生的天然气，γg表示储气装置的状态，储能为1，放能为0。
优选地，热能子系统的能效模型ηh为：
式中，ηs/h、ηr/h分别表示储热装置储、放热的效率，Hg-h、Hchp-h表示天然气通过燃气锅炉、热电联产机组CHP产生的热能；He-h表示电能通过电锅炉产生的热能，Wh表示热能供应量，γh表示储热装置的状态，储能为1，放能为0。
优选地，冷能子系统的能效模型ηc为：
式中，ηs/c、ηr/c表示储冷装置储、放冷的效率，Ce-c表示电能通过常规电制冷冷机转化过来的冷能；Ch-c表示热能通过吸收式制冷机转换过来的冷能，Wc表示冷能供应量，γc表示储冷装置的状态，储能为1，放能为0。
优选地，电锅炉的转换效率模型ηe-h为：
式中，λcop(e-h)为电制热的制热系数；
常规电制冷冷机的转换效率模型ηe-c为：
式中，λcop(e-c)为电制冷的制冷系数；
热电联产机组的转换效率模型ηchp为：
式中，Cs表示热蒸汽的能质系数，Gchp表示天然气子系统提供给热电联产机组CHP的天然气量；
燃气锅炉的转换效率模型ηg-h为：
式中，λcop(g-h)为天然气的制热系数；
吸收式制冷机的转换效率模型ηh-c为：
式中，λcop(h-c)表示吸收式制冷机的热转冷系数；
P2G的转换效率模型ηe-g为：
式中，λcop(e-g)表示P2G的电转气系数。
优选地，步骤5中，根据各能源子系统以及能源转换设备的能效贡献值，分析得到对系统综合能效贡献程度最大的能源子系统或者能源转换设备，在综合能源系统能效降低的时候通过对该能源子系统或者能源转换设备进行调整以改善系统的能效。
本申请所达到的有益效果：
(1)本发明将综合能源系统按照能源形式分成4个能源子系统，不同能源子系统之间通过能源转换装置进行耦合，分别建立综合能源系统和能源子系统的能效模型以及能源转换装置的转换效率模型，研究不同的能源子系统以及设备对综合能效的贡献程度问题，解决了综合能源系统内不同能源形式对综合能效的贡献程度以及如何有效改善系统能效的问题；
(2)本发明基于边际贡献的理论，将综合能源系统的能效模型分别对能源子系统的能效模型以及能源转换设备的转换效率模型求偏导，并将其定义为能效贡献度模型，反映了综合能源系统对多种能源的利用特征，适用于实际应用，解决了综合能源系统内不同能源形式对综合能效的贡献程度以及如何有效改善系统能效的问题。
附图说明
图1是本发明一种综合能源系统能效分析评估方法流程图；
图2是本发明实施例中综合能源系统的结构图；
图3是本发明实施例中利用加权有向图建立综合能源系统等效的拓扑模型；
图4是本发明实施例中能流值计算方法流程图；
图5是本发明一种综合能源系统能效分析评估方法的具体实施流程；
图6是本发明实施例中4种能源子系统在24h内能效贡献度的大小。
具体实施方式
下面结合附图对本申请作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本申请的保护范围。
如图1所示，本发明的一种综合能源系统能效分析评估方法，具体实施步骤如下：
步骤1：建立综合能源系统的拓扑模型，利用离散化的能流计算方法计算综合能源系统内的能流值，包括以下步骤：
步骤1.1：搜集相关资料查询并输入综合能源系统内部数据；
综合能源系统内部数据主要包括设备数据、系统购能数据和负荷数据；
设备数据主要包括能源转换设备的装机容量、能源转换系数、储能设备的储放能状态、储放能效率和能质系数等；
系统购能数据主要包括从外部能源网购买的能源量，购买的能源数量主要用来计算各个能效贡献度模型；
负荷数据为用户对不同能源的需求量，这部分数据主要用于实例分析中。
本发明实施例中，综合能源系统的结构如图2所示，设备数据、能质系数以及部分储放能数据示例如表1-3所示。
表1设备数据
表2能质系数数据
表3部分储放能数据
具体实施时，负荷数据采用夏季典型工作日一天24小时的负荷数据。
步骤1.2：如图3所示，利用加权有向图建立综合能源系统等效的拓扑模型，并采用离散化的能流计算方法对拓扑模型中的能流进行计算，具体如下：
步骤1.2.1：定义加权有向图；
一个有向图包括节点集合T以及分支集合L，利用D(T,L)来表示这一关系；
其中，节点集合用来描述系统内部能源的输入输出、转换、存储节点，分支集合表示节点之间的联系，用e(i,j)表示各个分支的方向，用eij表示从节点i到节点j传输的能量。此外在分支上赋予权重值来描述各节点之间的能流损耗特征，权重值的大小也间接反映了分支的长度。
步骤1.2.2：根据综合能源系统的结构，基于加权有向图定义，建立综合能源系统的拓扑模型，并根据加权有向图的定义，用标准化的节点矩阵来对综合能源系统的拓扑模型进行描述；
实施例中，综合能源系统的总体结构图如图2所示，据此基于加权有向图建立综合能源系统的拓扑模型，如图3所示，其中节点1、2分别表示外购的天然气和电能，节点15、16、17、18表示系统中的用能端。
根据加权有向图的定义，可以用标准化的节点矩阵来对系统进行描述，具体如下：
假设综合能源系统的拓扑模型有N个节点和B个分支，那么其节点和分支的关系可以用一个N×B阶矩阵A＝(aik)N×B来表示，即：
其中，lk表示第k条分支，k＝1,2,…,m，aik为关联矩阵A中的元素，表示分支与节点的关系，i表示节点的标号，m表示拓扑模型中分支的总数；
考虑各分支上的权重值，建立权矩阵B＝(ηij)n×n，并且将分支上的权重定义为：
式中μij为两个节点之间的能量转换效率。
假设S为综合能源系统的拓扑模型内输入节点到输出节点之间的一条路径，定义向量X，X＝(x1,x2,…,xm)T，X的组成元素都是0和1的二元变量，表示分支与路径的关系，若分支在路径中，则该分支对应的元素为1，否则为0：
其中ek表示第k条分支。
则可计算路径S的长度为：
步骤1.3：基于上述定义以及综合能源系统内部数据，采用离散化的能流计算方法对拓扑模型中的能流进行计算。
具体的计算流程如图4所示，包括：
步骤1.3.1：初始化各分支的能流值和全矩阵，i＝1；
步骤1.3.2：计算系统路径集；
步骤1.3.3：离散化输出顶点的能流值为若干个单位步长，并以一定的能流值Δp为步长大小，单位步长记为Pi,i＝1,2,3…，i表示步长的序号，步长数量的预设值由输出能流的设定值决定；
步骤1.3.4：从路径集中选择优先路径；
步骤1.3.5：计算路径长度、输入节点能流值和分支的能流值增量；
利用公式(5)计算路径长度ds；
利用公式edsΔp求得输入节点能流值的增量；
分支的能流值增量主要是根据拓补模型各个分支上的能源转换效率、输入能流值的增量以及输出端的单位步长能流值来逐级推算；
步骤1.3.6：更新系统输入输出节点和分支的能流值；
步骤1.3.7：判断是否超出分支的容量或输出节点能流值是否满足要求，若是，则进入步骤1.3.8，否则，i＝i+1，返回步骤1.3.4；
步骤1.3.8：从路径集中删除当前路径；
步骤1.3.9：更新路径集和权矩阵；
步骤1.3.10：判断路径集是否为空集或输出节点能流值是否达到设定值，若是，则进入步骤1.3.11，否则，i＝i+1，返回步骤1.3.4；
步骤1.3.11：输出各分支的能流值，这些能流值反映在综合能源系统中即为各个能源子系统内部线路上传输的能量，以及各个能源转换设备输入的能源和输出的能源，譬如Echp、Ge-g、He-h、Ch-c等等，这些值是计算系统能效值，求解能效贡献度模型所需要的数据，本发明主要通过求解这些能流值来，如图5所示。
步骤2：将综合能源系统按照能源类型分为若干能源子系统，不同能源子系统之间通过能源转换设备进行耦合，实现能源的互补利用；
本发明实施例中，将综合能源系统分为4个能源子系统，分别为：电能子系统、热能子系统、冷能子系统和天然气子系统。
能源转换设备包括电锅炉、常规电制冷冷机、热电联产机组、燃气锅炉、吸收式制冷机、P2G，分别用于电转热、电转冷、热电联产、气转热、热转冷、电转气。
步骤3：分别建立综合能源系统和能源子系统的能效模型，以及能源转换设备的转换效率模型，具体如下：
将综合能源系统和能源子系统的能效定义为能量需求与输入系统能源的比值，建立对应系统的能效模型；能源转换设备的转换效率模型通过能质系数来进行建模。
根据图2所示的综合能源系统结构图，考虑外购能源天然气、电能，用能测包括气、电、冷、热负荷，储能装置既可以作为用能端，又可以作为输入端。可得其综合能效ηIES(综合能源系统的能效模型)为：
式中Pe、Pg分别表示从外部能源网输入的电能、天然气；le、lh、lc、lg分别表示电、热、冷、气负荷；Ss/e、Ss/h、Ss/c、Ss/g分别表示考虑到储电、储热、储冷、储气装置的储能损耗后实际储入的能量；Sr/e、Sr/g、Sr/h、Sr/c分别表示计及储电、储气、储热、储冷装置的放能损耗后实际放出的能量；CE、CG、CH表示电能、天然气、热能的能质系数；Ce、Ch、Cc、Cg表示电、热、冷、气负荷的能质系数。能质系数是用来衡量能源质的变化，反映能源做功的能力，其计算公式可以参考相关文献。
电能子系统的能效模型为：
式中，ηs/e、ηr/e表示储电装置储、放电效率，Echp表示热电联产机组所产生的电能，We表示电能供应量，γe表示储电装置的状态，储能为1，放能为0。
天然气子系统的能效模型为：
式中ηs/g、ηr/g表示储气装置储、放气效率，Wg表示天然气供应量，Ge-g表示电能通过P2G产生的天然气，γg表示储气装置的状态。
热能子系统的能效模型为：
式中ηs/h、ηr/h分别表示储热装置储、放热的效率，Hg-h、Hchp-h表示天然气通过燃气锅炉、热电联产机组CHP产生的热能；He-h表示电能通过电锅炉产生的热能，Wh表示热能供应量，γh表示储热装置的状态。
冷能子系统的能效模型为：
式中ηs/c、ηr/c表示储冷装置储、放冷的效率，Ce-c表示电能通过冷机转化过来的冷能；Ch-c表示热能通过吸收式制冷机转换过来的冷能，Wc表示冷能供应量，γc表示储冷装置的状态。
电锅炉的转换效率模型为：
式中λcop(e-h)为电制热的制热系数。
常规电制冷冷机的转换效率模型为：
式中λcop(e-c)为电制冷的制冷系数。
热电联产机组的转换效率模型为：
式中Cs表示热蒸汽的能质系数，Gchp表示天然气子系统提供给CHP的天然气量。
燃气锅炉的转换效率模型为：
式中λcop(g-h)为天然气的制热系数。
吸收式制冷机的转换效率模型为：
式中λcop(h-c)表示吸收式制冷机的热转冷系数。
P2G的转换效率模型为：
式中λcop(e-g)表示P2G的电转气系数。
步骤4：基于边际贡献理论，将综合能源系统的能效模型分别对每一个能源子系统的能效模型以及能源转换设备的转换效率模型求偏导，得到各能源子系统以及能源转换设备的能效贡献度模型；
实际上，“边际贡献”就是“边际效应”。在微观经济学中，边际效应是指当增加(或减少)单位商品或服务时，对商品或服务收入增加(或减少)的效用。该定义表示效用对商品或服务的偏导数。根据这个概念，能效贡献度表示当能源子系统或设备的能效增加(或减少)一个单位时，对综合能源系统能效增加(或减少)的效用。因此，可以利用偏导数来定义能效贡献度。
电能子系统的能效贡献度模型为：
天然气子系统的能效贡献度模型为：
热能子系统的能效贡献度模型为：
冷能子系统的能效贡献度模型为：
电转热设备电锅炉的能效贡献度模型为：
电转冷设备常规电制冷冷机的能效贡献度模型为：
热电联产机组的能效贡献度模型为：
气转热设备燃气锅炉的能效贡献度模型为：
热转冷设备吸收式制冷机的能效贡献度模型为：
电转气设备P2G的能效贡献度模型为：
步骤5：根据步骤2计算得到的综合能源系统内的能流值计算各能源子系统以及能源转换设备的能效贡献值，并根据各能源子系统以及能源转换设备的能效贡献值，分析得到对系统综合能效贡献程度最大的能源子系统或者能源转换设备，在综合能源系统能效降低的时候通过对该能源子系统或者能源转换设备进行调整以改善系统的能效。
具体实施时，还可根据各能源子系统以及能源转换设备的能效贡献值，排列调整优先级，对能效贡献值大的优先调整；
调整方式包括：调整能源子系统内部的能源传输、存储以及分配环节，优化设备线路。
假设热电联产机组的配置容量等于其运行功率，以24h为评估周期，利用能效贡献度模型，计算区域内的能效贡献度。
本发明实施例中4种能源子系统在24h内能效贡献度的大小如图6所示。由图6可知，在综合能源系统建设中，电能子系统的能效贡献度最高，其次是天然气子系统，热能子系统和冷能子系统的能效贡献度相对较低。电能子系统的能效贡献度最高是因为电能的负荷需求非常大，需要从外部电网购电，而且与其他子系统的能源转换非常频繁，因此对综合能源系统能效的影响程度最大。而在9、14、15、16、17点电能子系统的能效贡献度要低于天然气子系统，这是因为在这些时间段外购电减少，天然气的需求量增加，相应的天然气子系统的能效贡献度就会增加。天然气作为一种常见的一次能源，虽然负荷需求量不大，但是是能源转换设备重要的输入能源，需要从外部气网购买，因此能效贡献度也较高，热能和冷能虽然都有一定的负荷需求，但是都由园区自身供应，因此能效贡献度相对较小，热能子系统与其他子系统能源互补频繁，因此能效贡献度要高于冷能子系统。能源转换设备作为各个能源子系统之间的耦合装置，其自身的能源损耗相较于子系统而言很小，能效贡献值很低，对综合能效的贡献程度比较小，因此这里就不详细分析。
从图6中可以看出，当综合能源系统的能效值降低时，可以优先调整电能子系统内部的能源传输、存储以及分配等环节，优化设备线路，降低损耗，能有效改善综合能源系统的能效，其次可以调整天然气子系统。这一结果反映了本发明提出的一种综合能源系统能效评估分析方法在能源梯级利用方面具有明显的优势。
(1)本发明将综合能源系统按照能源形式分成4个能源子系统，不同能源子系统之间通过能源转换装置进行耦合，分别建立综合能源系统和能源子系统的能效模型以及能源转换装置的转换效率模型，研究不同的能源子系统以及设备对综合能效的贡献程度问题，解决了综合能源系统内不同能源形式对综合能效的贡献程度以及如何有效改善系统能效的问题；
(2)本发明基于边际贡献的理论，将综合能源系统的能效模型分别对能源子系统的能效模型以及能源转换设备的转换效率模型求偏导，并将其定义为能效贡献度模型，反映了综合能源系统对多种能源的利用特征，适用于实际应用，解决了综合能源系统内不同能源形式对综合能效的贡献程度以及如何有效改善系统能效的问题。
本发明申请人结合说明书附图对本发明的实施示例做了详细的说明与描述，但是本领域技术人员应该理解，以上实施示例仅为本发明的优选实施方案，详尽的说明只是为了帮助读者更好地理解本发明精神，而并非对本发明保护范围的限制，相反，任何基于本发明的发明精神所作的任何改进或修饰都应当落在本发明的保护范围之内。
Claims (16)
1.一种综合能源系统能效分析评估方法，其特征在于：
所述方法包括以下步骤：
步骤1：建立综合能源系统的拓扑模型，利用离散化的能流计算方法计算综合能源系统内的能流值；
步骤2：将综合能源系统按照能源类型分为若干能源子系统，不同能源子系统之间通过能源转换设备进行耦合；
步骤3：分别建立综合能源系统和各能源子系统的能效模型，以及能源转换设备的转换效率模型；
步骤4：基于边际贡献理论，将综合能源系统的能效模型分别对每一个能源子系统的能效模型以及能源转换设备的转换效率模型求偏导，得到各能源子系统以及能源转换设备的能效贡献度模型；
步骤5：将步骤1综合能源系统内的能流值代入步骤4的能效贡献度模型，计算得到各能源子系统以及能源转换设备的能效贡献值，表示各能源子系统以及能源转换设备对系统综合能效的贡献程度，当综合能源系统能效降低时据此进行调整，以改善综合能源系统的能效。
2.根据权利要求1所述的一种综合能源系统能效分析评估方法，其特征在于：
步骤1具体包括以下步骤：
步骤1.1：查询并输入综合能源系统内部数据；
步骤1.2：利用加权有向图建立综合能源系统等效的拓扑模型；
步骤1.3：基于综合能源系统内部数据，采用离散化的能流计算方法对拓扑模型中的能流进行计算。
3.根据权利要求2所述的一种综合能源系统能效分析评估方法，其特征在于：
步骤1.1所述综合能源系统内部数据包括设备数据、系统购能数据和负荷数据；
所述设备数据包括能源转换设备的装机容量、能源转换系数、储能设备的储放能状态、储放能效率和能质系数；
所述系统购能数据包括从外部能源网购买的能源量；
所述负荷数据为用户对不同能源的需求量。
4.根据权利要求2所述的一种综合能源系统能效分析评估方法，其特征在于：
步骤1.2具体包括以下步骤：
步骤1.2.1：定义加权有向图；
步骤1.2.2：根据综合能源系统的结构，基于加权有向图定义，建立综合能源系统的拓扑模型，并根据加权有向图的定义，用标准化的节点矩阵来对综合能源系统的拓扑模型进行描述。
5.根据权利要求4所述的一种综合能源系统能效分析评估方法，其特征在于：
步骤1.2.1具体为：
定义一个有向图D(T,L)，包括节点集合T以及分支集合L；
其中，节点集合，用于描述系统内部能源的输入输出、转换、存储节点；
分支集合，表示节点之间的联系，用e(i,j)表示各个分支的方向，用eij表示从节点i到节点j传输的能量；
另外，在分支上赋予权重值来描述各节点之间的能流损耗特征，且权重值的大小反映分支的长度。
6.根据权利要求5所述的一种综合能源系统能效分析评估方法，其特征在于：
步骤1.2.2具体为：
假设综合能源系统的拓扑模型有N个节点和B个分支，那么其节点和分支的关系用一个N×B阶矩阵A＝(aik)N×B来表示，即：
其中，lk表示第k条分支，k＝1,2,…,m，aik为矩阵A中的元素，表示分支与节点的关系，i表示节点的标号，m表示拓扑模型中分支的总数；
考虑各分支上的权重值，建立权矩阵B＝(ηij)n×n，并且将分支上的权重定义为：
式中，μij为两个节点之间的能量转换效率；
假设S为综合能源系统的拓扑模型内输入节点到输出节点之间的一条路径，定义向量X，X＝(x1,x2,…,xm)T，X中元素表示分支与路径的关系，若分支在路径中，则该分支对应的元素为1，否则为0：
其中，lk表示第k条分支；
则路径S的长度ds为：
7.根据权利要求2所述的一种综合能源系统能效分析评估方法，其特征在于：
步骤1.3具体包括以下步骤：
步骤1.3.1：初始化各分支的能流值和全矩阵，i＝1；
步骤1.3.2：计算系统路径集；
步骤1.3.3：离散化输出顶点的能流值为若干个单位步长，并以一定的能流值Δp为步长大小，单位步长记为Pi,i＝1,2,3…，i表示步长的序号；
步骤1.3.4：从路径集中选择优先路径；
步骤1.3.5：计算路径长度、输入节点能流值的增量和分支的能流值增量；
步骤1.3.6：更新系统输入输出节点和分支的能流值；
步骤1.3.7：判断是否超出分支的容量或输出节点能流值是否满足要求，若是，则进入步骤1.3.8，否则，i＝i+1，返回步骤1.3.4；
步骤1.3.8：从路径集中删除当前路径；
步骤1.3.9：更新路径集和权矩阵；
步骤1.3.10：判断路径集是否为空集或输出节点能流值是否达到设定值，若是，则进入步骤1.3.11，否则，i＝i+1，返回步骤1.3.4；
步骤1.3.11：输出各分支的能流值，计算能效贡献度。
8.根据权利要求1所述的一种综合能源系统能效分析评估方法，其特征在于：
步骤2中，将综合能源系统分为4个能源子系统，分别为：电能子系统、热能子系统、冷能子系统和天然气子系统；
所述能源转换设备包括电锅炉、常规电制冷冷机、热电联产机组、燃气锅炉、吸收式制冷机、P2G，分别用于电转热、电转冷、热电联产、气转热、热转冷、电转气。
9.根据权利要求1所述的一种综合能源系统能效分析评估方法，其特征在于：
步骤3中，将综合能源系统和能源子系统的能效定义为能量需求与输入系统能源的比值，建立对应系统的能效模型；
能源转换设备的转换效率模型通过能质系数来进行建模。
10.根据权利要求1或9所述的一种综合能源系统能效分析评估方法，其特征在于：
综合能源系统的能效模型ηIES为：
式中，Pe、Pg分别表示从外部能源网输入的电能、天然气；
le、lh、lc、lg分别表示电、热、冷、气负荷；
Ss/e、Ss/h、Ss/c、Ss/g分别表示考虑到储电、储热、储冷、储气装置的储能损耗后实际储入的能量；
Sr/e、Sr/g、Sr/h、Sr/c分别表示计及储电、储气、储热、储冷装置的放能损耗后实际放出的能量；
CE、CG、CH表示电能、天然气、热能的能质系数；
Ce、Ch、Cc、Cg表示电、热、冷、气负荷的能质系数。
11.根据权利要求10所述的一种综合能源系统能效分析评估方法，其特征在于：
电能子系统的能效模型ηe为：
式中，ηs/e、ηr/e表示储电装置储、放电效率，Echp表示热电联产机组所产生的电能，We表示电能供应量，γe表示储电装置的状态，储能为1，放能为0。
12.根据权利要求11所述的一种综合能源系统能效分析评估方法，其特征在于：
天然气子系统的能效模型ηg为：
式中，ηs/g、ηr/g表示储气装置储、放气效率，Wg表示天然气供应量，Ge-g表示电能通过P2G产生的天然气，γg表示储气装置的状态，储能为1，放能为0。
13.根据权利要求12所述的一种综合能源系统能效分析评估方法，其特征在于：
热能子系统的能效模型ηh为：
式中，ηs/h、ηr/h分别表示储热装置储、放热的效率，Hg-h、Hchp-h表示天然气通过燃气锅炉、热电联产机组CHP产生的热能；He-h表示电能通过电锅炉产生的热能，Wh表示热能供应量，γh表示储热装置的状态，储能为1，放能为0。
14.根据权利要求13所述的一种综合能源系统能效分析评估方法，其特征在于：
冷能子系统的能效模型ηc为：
式中，ηs/c、ηr/c表示储冷装置储、放冷的效率，Ce-c表示电能通过常规电制冷冷机转化过来的冷能；Ch-c表示热能通过吸收式制冷机转换过来的冷能，Wc表示冷能供应量，γc表示储冷装置的状态，储能为1，放能为0。
15.根据权利要求14所述的一种综合能源系统能效分析评估方法，其特征在于：
电锅炉的转换效率模型ηe-h为：
式中，λcop(e-h)为电制热的制热系数；
常规电制冷冷机的转换效率模型ηe-c为：
式中，λcop(e-c)为电制冷的制冷系数；
热电联产机组的转换效率模型ηchp为：
式中，Cs表示热蒸汽的能质系数，Gchp表示天然气子系统提供给热电联产机组CHP的天然气量；
燃气锅炉的转换效率模型ηg-h为：
式中，λcop(g-h)为天然气的制热系数；
吸收式制冷机的转换效率模型ηh-c为：
式中，λcop(h-c)表示吸收式制冷机的热转冷系数；
P2G的转换效率模型ηe-g为：
式中，λcop(e-g)表示P2G的电转气系数。
16.根据权利要求1所述的一种综合能源系统能效分析评估方法，其特征在于：
步骤5中，根据各能源子系统以及能源转换设备的能效贡献值，分析得到对系统综合能效贡献程度最大的能源子系统或者能源转换设备，在综合能源系统能效降低的时候通过对该能源子系统或者能源转换设备进行调整以改善系统的能效。
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Cited By (2)
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| CN114662938A (zh) * | 2022-03-25 | 2022-06-24 | 国网山东省电力公司枣庄供电公司 | 综合能源系统的能效评价方法、装置、终端及存储介质 |
| CN116432896A (zh) * | 2022-12-08 | 2023-07-14 | 国网江苏省电力有限公司营销服务中心 | 一种基于结构参数偏导数的综合能源系统能效提升分析方法和系统 |
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| WO2019200662A1 (zh) * | 2018-04-20 | 2019-10-24 | 东北大学 | 电-热-气综合能源系统的稳定评估与静态控制方法 |
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