CN116260166B - 电-气耦合的乡村光沼弹性综合能源系统及其运行模型 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种电‑气耦合的乡村光沼弹性综合能源系统，包括厌氧发酵沼气制备系统、产电储电系统、产热储热系统和控制器；厌氧发酵沼气制备系统包括生产沼气的发酵罐和用于存储沼气的储气柜；产电储电系统包括利用沼气发电的沼气燃气轮机、利用太阳能发电的光伏发电设备、用于储存电能的储电装置和消耗电能的电负荷；产热储热系统包括用于将电能转化为热能的热泵、用于储能热能的储热装置和消耗热能的热负荷；沼气燃气轮机、光伏发电设备和储电装置通过电力母线与电负荷和热泵连接；热泵通过热力管网与储热装置、热负荷和发酵罐连接；控制器用于平衡沼气发电和太阳能发电。本发明还提出了电‑气耦合的乡村光沼弹性综合能源系统的运行模型。
Description
技术领域
本发明属于能源综合利用技术领域，具体的为一种电-气耦合的乡村光沼弹性综合能源系统及其运行模型。
背景技术
当前，农村用能水平和服务水平得到较大改善，农村能源的开发利用也对农村经济增长和农民收入提高起到了积极作用。但是，当前农村能源发展仍面临“能源贫困”、能源基础设施薄弱、能源供给清洁化水平不足、生产用能的碳排放难以监测等现实问题。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种电-气耦合的乡村光沼弹性综合能源系统及其运行模型，旨在充分利用乡村生物质资源禀赋，在乡村提供源端高效的能源产出和间接存储新模式，对提高生物质能利用效率、改善能源供应模式、降低能源生产和消费成本，助力乡村振兴具有重要的实践意义。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
本发明首先提出了一种电-气耦合的乡村光沼弹性综合能源系统，包括厌氧发酵沼气制备系统、产电储电系统、产热储热系统和控制器；
所述厌氧发酵沼气制备系统包括生产沼气的发酵罐和用于存储沼气的储气柜；
所述产电储电系统包括利用沼气发电的沼气燃气轮机、利用太阳能发电的光伏发电设备、用于储存电能的储电装置和消耗电能的电负荷；
所述产热储热系统包括用于将电能转化为热能的热泵、用于储能热能的储热装置和消耗热能的热负荷；
所述沼气燃气轮机、光伏发电设备和储电装置通过电力母线与所述电负荷和热泵连接；所述热泵通过热力管网与所述储热装置、热负荷和发酵罐连接；
所述控制器用于平衡沼气发电和太阳能发电：当太阳能发电功率超过设定的第一阈值时，增大所述热泵的制热功率并将富余的热量输入到发酵罐内使沼气增产，同时增大储气柜的沼气存储量；当太阳能发电功率小于设定的第二阈值时，降低所述热泵的制热功率并切断所述热泵与发酵罐之间的热力管网，同时增大储气柜放气以增大沼气燃气轮机的出力。
进一步，所述储电装置采用储能蓄电池，所述储热装置采用蓄热热水罐。
本发明还提出了一种如上所述电-气耦合的乡村光沼弹性综合能源系统的运行模型，通过生物质能-清洁电能的能量协同转化：在光伏发电功率超过电负荷功率时，将剩余电功率供给热泵产热，以助增沼气产量并存储至储气罐中；在光伏发电功率低于电负荷功率时，增大储气罐释放沼气的流量，提高沼气发电功率以补偿光伏发电功率的不足；以此建立电-气能源稳定产出能力，为充分满足电网调度弹性需求，在兼顾经济性和弹性裕度的条件下得到运行目标函数，如下：
OIES＝Cm+Cf
其中，OIES表示乡村综合能源优化运行的目标函数；Cm表示运维成本；Cf表示弹性裕度成本；cm,i表示第i种设备的运维成本系数；表示第i种设备的出力功率；/>表示节点k供电启停变量；τk表示负荷重要度权重系数；/>表示t时刻节点k电负荷；Ms表示季度s下的典型日运行小时数；Ni表示第i种设备的个数；Nk表示节点k的负荷个数；
在满足各设备运行模型和运行约束的条件下，结合系统的电、热功率约束，得到系统的运行模型为：
其中，表示光伏发电系统最大功率；/>表示由乡村地区光伏出力的年度历史数据生成的光伏预测出力的场景集合。
进一步，各设备的运行模型为：
储气柜的运行模型：将一年分为四个季度，利用储气柜存储高温季度富余沼气以供温度较低时使用，提升沼气发酵的运行效果，同时满足热负荷需求：
其中，为储气柜在s季度t时刻的进气量，即沼气总产量；/>为在s季度t时刻沼气总输出量；/>为s季度t时刻储气柜内沼气量；/>表示s季度储气柜内的初始沼气量；表示s-1季度储气柜内剩余的沼气量；/>表示第1季度储气柜内的初始沼气量；/>表示第4季度储气柜内剩余的沼气量；θg为储气柜自泄漏率；/>分别表示储气柜进气、释放时的转换效率；Ns为s季度总时长；
沼气燃气轮机的运行模型：
其中，LHV为沼气的低热值；为t时刻燃气轮机的发电功率；ηmt为燃气轮机的工作效率；/>为t时刻燃气轮机燃烧沼气量；
热泵的运行模型：
其中，为t时刻热泵输出热功率；/>为t时刻热泵消耗电功率；COPhp为热泵能效比系数；
储热装置的运行模型：
其中，为t时刻储热装置的储热量；θh为储热装置的自耗散率；/>分别为充、放热转换效率；/>分别为t时刻充、放热量；
储电装置的运行模型：
其中，为t时刻储能蓄电池内部储电量；θe为储能蓄电池自耗能率；/>分别为储电装置的充、放电转换效率；/>分别为储电装置在t时刻充、放电量。
进一步，各设备的运行约束为：
光伏发电系统出力约束：
其中，为t时刻光伏发电系统功率；/>为光伏发电系统最大功率；
发酵罐的运行温度约束：
其中，表示s季度t时刻的发酵温度；/>为发酵允许的最低运行温度，/>发酵最高运行温度；/>为沼气工程允许的最大温度波动；
沼气燃气轮机出力约束：
其中，表示沼气燃气轮机在t时段的燃沼量；/>为燃气轮机单位时段的最大燃沼量；
热泵出力约束：
其中，表示热泵在t时刻的电功率；/>为热泵的最大电功率；
储电装置的运行约束：
其中，表示储电装置在t时刻的充放电量；/>分别表示储电装置在单位时段允许的最小、最大充放电量；/>表示单位时段最大充放电量；/>分别为储电装置在t时刻充、放电量；
储气柜安全约束：
其中，表示储气柜在t时刻的储气容量；/>分别为储气柜的最小、最大储气容量；/>为时段内沼气最大输送量；/>分别表示储气柜在t时刻的进气量和出气量。
进一步，系统的电、热功率约束为：
电功率平衡约束：
其中，为t时刻燃气轮机的发电功率；/>为t时刻光伏发电系统功率；分别为储电装置在t时刻充、放电量；/>为t时刻节点k电负荷，/>为节点k供电启停变量；/>为t时刻热泵消耗电功率；
热功率平衡约束：
其中，为t时刻热泵输出热功率；/>分别为储热装置在t时刻充、放热量；为t时刻的热负荷；/>表示生物质能加热所需的热量。
进一步，沼气产量根据厌氧发酵沼气制备系统的运行模型得到：
其中，为微生物生长速率；/>为发酵温度；/>为s季度t时刻的初生沼气产量；B0为所用底料经充分发酵所得甲烷总产量；cVS为底料挥发性固体浓度；VAD为发酵罐容积；Mh为水力停留时间；Kd、α1、β1为微生物发酵参数；
发酵过程中所涉及热量与发酵温度的关系为：
其中，为空气温度；/>为s季度进料平均温度；/>表示s季度t时刻的发酵温度；cbio为发酵底料的比热容；/>为s季度t时刻进料量；/>为发酵罐内底料的总质量；Φ为发酵罐壁热阻折算值；/>为用于加热发酵罐的热量；/>为发酵罐热量损耗。
本发明的有益效果在于：
本发明的电-气耦合的乡村光沼弹性综合能源系统及其运行模型，结合厌氧发酵沼气制备系统的工艺流程，对各环节建立数学模型，用于对沼气制备所需热量、沼气产量以及电力、沼气、热力等多类能源的产出、转换和存储能力进行精确计算；建立电-气耦合下的综合能源拓扑架构，充分考虑光伏消纳与发酵温度提升带来沼气增产的灵活转换能力，通过电-热-沼气的富余光伏发电的耦合互补，在不同光伏发电场景下实现富余电能高效转沼、沼气发电快速调节的电-气深度耦合的弹性乡村综合能源系统运行；
能够充分利用乡村生物质资源禀赋，在乡村提供源端高效的能源产出和间接存储新模式，对提高生物质能利用效率、改善能源供应模式、降低能源生产和消费成本，助力乡村振兴具有重要的实践意义。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：
图1为本发明电-气耦合的乡村光沼弹性综合能源系统的原理图。
图2为本发明电-气协同的高品质清洁电源工作原理图。
图3为本发明电-气耦合的乡村光沼弹性综合能源系统的弹性响应能力示意图。
图4为本发明电-气协同的高品质清洁电源有益效果说明图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好的理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。
本实施例基于沼气生产与温度间的动态关联性，结合电热将热能为能源转换过渡环节，以富余光伏助产沼气、生物质能产物自利用为核心，建立电-气耦合的乡村光沼弹性综合能源系统。具体的，如图1所示，电-气耦合的乡村光沼弹性综合能源系统，包括厌氧发酵沼气制备系统、产电储电系统、产热储热系统和控制器。具体的，厌氧发酵沼气制备系统包括生产沼气的发酵罐和用于存储沼气的储气柜。产电储电系统包括利用沼气发电的沼气燃气轮机、利用太阳能发电的光伏发电设备、用于储存电能的储电装置和消耗电能的电负荷。产热储热系统包括用于将电能转化为热能的热泵、用于储能热能的储热装置和消耗热能的热负荷。沼气燃气轮机、光伏发电设备和储电装置通过电力母线与电负荷和热泵连接。热泵通过热力管网与储热装置、热负荷和发酵罐连接。控制器用于平衡沼气发电和太阳能发电：当太阳能发电功率超过设定的第一阈值时，增大热泵的制热功率并将富余的热量输入到发酵罐内使沼气增产，同时增大储气柜的沼气存储量；当太阳能发电功率小于设定的第二阈值时，降低热泵的制热功率并切断热泵与发酵罐之间的热力管网，同时增大储气柜放气以增大沼气燃气轮机的出力。具体的，本实施例中，储电装置采用储能蓄电池，储热装置采用蓄热热水罐。
1、各设备的运行模型
(1)储气柜的运行模型：将一年分为四个季度，利用储气柜存储高温季度富余沼气以供温度较低时使用，提升沼气发酵的运行效果，同时满足热负荷需求：
其中，为储气柜在s季度t时刻的进气量，即沼气总产量；/>为在s季度t时刻沼气总输出量；/>为s季度t时刻储气柜内沼气量；/>表示s季度储气柜内的初始沼气量；表示s-1季度储气柜内剩余的沼气量；/>表示第1季度储气柜内的初始沼气量；/>表示第4季度储气柜内剩余的沼气量；θg为储气柜自泄漏率；/>分别表示储气柜进气、释放时的转换效率；Ns为s季度总时长。
(2)沼气燃气轮机的运行模型：
其中，LHV为沼气的低热值；为t时刻燃气轮机的发电功率；ηmt为燃气轮机的工作效率；/>为t时刻燃气轮机燃烧沼气量。
(3)热泵的运行模型：
其中，为t时刻热泵输出热功率；/>为t时刻热泵消耗电功率；COPhp为热泵能效比系数。
(4)储热装置的运行模型：
其中，为t时刻储热装置的储热量；θh为储热装置的自耗散率；/>分别为充、放热转换效率；/>分别为t时刻充、放热量。
(5)储电装置的运行模型：
其中，为t时刻储能蓄电池内部储电量；θe为储能蓄电池自耗能率；/>分别为储电装置的充、放电转换效率；/>分别为储电装置在t时刻充、放电量。
2、各设备的运行约束
(1)光伏发电系统出力约束：
其中，为t时刻光伏发电系统功率；/>为光伏发电系统最大功率。
(2)发酵罐的运行温度约束：
其中，表示s季度t时刻的发酵温度；/>为发酵允许的最低运行温度，/>发酵最高运行温度；/>为沼气工程允许的最大温度波动。
(3)沼气燃气轮机出力约束：
其中，表示沼气燃气轮机在t时段的燃沼量；/>为燃气轮机单位时段的最大燃沼量。
(4)热泵出力约束：
其中，表示热泵在t时刻的电功率；/>为热泵的最大电功率。
(5)储电装置的运行约束：
其中，表示储电装置在t时刻的充放电量；/>分别表示储电装置在单位时段允许的最小、最大充放电量；/>表示单位时段最大充放电量；/>分别为储电装置在t时刻充、放电量。
(6)储气柜安全约束：
其中，表示储气柜在t时刻的储气容量；/>分别为储气柜的最小、最大储气容量；/>为时段内沼气最大输送量；/>分别表示储气柜在t时刻的进气量和出气量。
3、系统的电、热功率约束为：
(1)电功率平衡约束：
其中，为t时刻燃气轮机的发电功率；/>为t时刻光伏发电系统功率；分别为储电装置在t时刻充、放电量；/>为t时刻节点k电负荷，/>为节点k供电启停变量；/>为t时刻热泵消耗电功率。
(2)热功率平衡约束：
其中，为t时刻热泵输出热功率；/>分别为储热装置在t时刻充、放热量；为t时刻的热负荷；/>表示……。
4、厌氧发酵沼气制备系统的运行模型
具体的，厌氧发酵沼气制备系统的发酵过程包括三阶段：第一阶段中水解发酵菌群将复杂有机物水解并转化为小分子有机物；第二阶段中产氢产乙酸菌群将小分子有机物分解成乙酸和氢气等；第三阶段中产甲烷菌群将甲醇、乙酸等转化成甲烷。厌氧发酵沼气制备系统将生物质经处理后产生沼气，并在发酵系统内部接入热泵以向生物质沼液提供热量，提升发酵效率。
具体的，使用乡村农业活动产生的生物质底料加以一定的催化，可进行厌氧发酵产沼反应。本实施例的沼气产量根据厌氧发酵沼气制备系统的运行模型得到：
其中，为微生物生长速率；/>为发酵温度；/>为s季度t时刻的初生沼气产量；B0为所用底料经充分发酵所得甲烷总产量；cVS为底料挥发性固体浓度；VAD为发酵罐容积；Mh为水力停留时间；Kd、α1、β1为微生物发酵参数。
发酵过程中所涉及热量与发酵温度的关系为：
其中，为空气温度；/>为s季度进料平均温度；/>表示s季度t时刻的发酵温度；cbio为发酵底料的比热容；/>为s季度t时刻进料量；/>为发酵罐内底料的总质量；Φ为发酵罐壁热阻折算值；/>为用于加热发酵罐的热量；/>为发酵罐热量损耗。
本实施例还提出了一种电-气耦合的乡村光沼弹性综合能源系统的运行模型，在兼顾经济性和弹性裕度的条件下得到运行目标函数，如下：
OIES＝Cm+Cf
其中，OIES表示乡村综合能源优化运行的目标函数；Cm表示运维成本；Cf表示弹性裕度成本；cm,i表示第i种设备的运维成本系数；表示第i种设备的出力功率；/>表示节点k供电启停变量；τk表示负荷重要度权重系数；/>表示t时刻节点k电负荷；Ms表示季度s下的典型日运行小时数；Ni表示第i种设备的个数；Nk表示节点k的负荷个数。
在满足各设备运行模型和运行约束的条件下，结合系统的电、热功率约束，得到系统的运行模型为：
其中，表示光伏发电系统最大功率；/>表示由乡村地区光伏出力的年度历史数据生成的光伏预测出力的场景集合。根据系统的运行模型得到系统的沼气净产量。
利用厌氧发酵沼气制备系统的运行模型，再结合系统的运行模型，可以得到系统的沼气净产量。考虑光沼综合能源系统中沼气发电机组对于光伏不确定性波动的平抑作用，形成不同季节下的能量互补协同模式，进行长、短时间尺度协同优化，积极消纳夏季富余光伏出力进行跨季节储沼，在冬季低温时刻最大化沼气产量的同时，实现乡村弹性系统综合能源的经济、安全运行。所建立模型、目标函数与约束条件转化为程序语言输入如MATLAB等仿真软件，调用优化工具包以及优化求解器进行求解。
以上所述实施例仅是为充分说明本发明而所举的较佳的实施例，本发明的保护范围不限于此。本技术领域的技术人员在本发明基础上所作的等同替代或变换，均在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围以权利要求书为准。
Claims (4)
1.一种电-气耦合的乡村光沼弹性综合能源系统的运行模型，其特征在于：所述电-气耦合的乡村光沼弹性综合能源系统包括厌氧发酵沼气制备系统、产电储电系统、产热储热系统和控制器；
所述厌氧发酵沼气制备系统包括生产沼气的发酵罐和用于存储沼气的储气柜；
所述产电储电系统包括利用沼气发电的沼气燃气轮机、利用太阳能发电的光伏发电设备、用于储存电能的储电装置和消耗电能的电负荷；
所述产热储热系统包括用于将电能转化为热能的热泵、用于储能热能的储热装置和消耗热能的热负荷；
所述沼气燃气轮机、光伏发电设备和储电装置通过电力母线与所述电负荷和热泵连接；所述热泵通过热力管网与所述储热装置、热负荷和发酵罐连接；
所述控制器用于平衡沼气发电和太阳能发电：当太阳能发电功率超过设定的第一阈值时，增大所述热泵的制热功率并将富余的热量输入到发酵罐内使沼气增产，同时增大储气柜的沼气存储量；当太阳能发电功率小于设定的第二阈值时，降低所述热泵的制热功率并切断所述热泵与发酵罐之间的热力管网，同时增大储气柜放气以增大沼气燃气轮机的出力；
通过生物质能-清洁电能的能量协同转化：在光伏发电功率超过电负荷功率时，将剩余电功率供给热泵产热，以助增沼气产量并存储至储气罐中；在光伏发电功率低于电负荷功率时，增大储气罐释放沼气的流量，提高沼气发电功率以补偿光伏发电功率的不足；以此建立电-气能源稳定产出能力，为充分满足电网调度弹性需求，在兼顾经济性和弹性裕度的条件下得到运行目标函数，如下：
OIES＝Cm+Cf
其中，OIES表示乡村综合能源优化运行的目标函数；Cm表示运维成本；Cf表示弹性裕度成本；cm,i表示第i种设备的运维成本系数；表示第i种设备的出力功率；/>表示节点k供电启停变量；τk表示负荷重要度权重系数；/>表示t时刻节点k电负荷；Ms表示季度s下的典型日运行小时数；Ni表示第i种设备的个数；Nk表示系统节点的个数；
在满足各设备运行模型和运行约束的条件下，结合系统的电、热功率约束，得到系统的运行模型为：
其中，表示光伏发电系统最大功率；/>表示由乡村地区光伏出力的年度历史数据生成的光伏预测出力的场景集合；
各设备的运行模型为：
储气柜的运行模型：将一年分为四个季度，利用储气柜存储高温季度富余沼气以供温度较低时使用，提升沼气发酵的运行效果，同时满足热负荷需求：
其中，为储气柜在s季度t时刻的进气量，即沼气总产量；/>为在s季度t时刻沼气总输出量；/>为s季度t时刻储气柜内沼气量；/>表示s季度储气柜内的初始沼气量；表示s-1季度储气柜内剩余的沼气量；/>表示第1季度储气柜内的初始沼气量；表示第4季度储气柜内剩余的沼气量；θg为储气柜自泄漏率；/>分别表示储气柜进气、释放时的转换效率；Ns为s季度总时长；
沼气燃气轮机的运行模型：
其中，LHV为沼气的低热值；为t时刻燃气轮机的发电功率；ηmt为燃气轮机的工作效率；/>为t时刻燃气轮机燃烧沼气量；
热泵的运行模型：
其中，为t时刻热泵输出热功率；/>为t时刻热泵消耗电功率；COPhp为热泵能效比系数；
储热装置的运行模型：
其中，为t时刻储热装置的储热量；θh为储热装置的自耗散率；/>分别为充、放热转换效率；/>分别为t时刻充、放热量；
储电装置的运行模型：
其中，为t时刻储能蓄电池内部储电量；θe为储能蓄电池自耗能率；/>分别为储电装置的充、放电转换效率；/>分别为储电装置在t时刻充、放电量；
沼气产量根据厌氧发酵沼气制备系统的运行模型得到：
其中，为微生物生长速率；/>为发酵温度；/>为s季度t时刻的初生沼气产量；B0为所用底料经充分发酵所得甲烷总产量；cVS为底料挥发性固体浓度；VAD为发酵罐容积；Mh为水力停留时间；Kd、α1、β1为微生物发酵参数；
发酵过程中所涉及热量与发酵温度的关系为：
其中，为空气温度；/>为s季度进料平均温度；/>表示s季度t时刻的发酵温度；cbio为发酵底料的比热容；/>为s季度t时刻进料量；/>为发酵罐内底料的总质量；Φ为发酵罐壁热阻折算值；/>为用于加热发酵罐的热量；/>为发酵罐热量损耗。
2.根据权利要求1所述的运行模型，其特征在于：各设备的运行约束为：
光伏发电系统出力约束：
其中，为t时刻光伏发电系统功率；/>为光伏发电系统最大功率；
发酵罐的运行温度约束：
其中，表示s季度t时刻的发酵温度；/>为发酵允许的最低运行温度，/>发酵最高运行温度；/>为沼气工程允许的最大温度波动；
沼气燃气轮机出力约束：
其中，表示沼气燃气轮机在t时段的燃沼量；/>为燃气轮机单位时段的最大燃沼量；
热泵出力约束：
其中，表示热泵在t时刻的电功率；/>为热泵的最大电功率；
储电装置的运行约束：
其中，表示储电装置在t时刻的充放电量；/>分别表示储电装置在单位时段允许的最小、最大充放电量；/>表示单位时段最大充放电量；/>分别为储电装置在t时刻充、放电量；
储气柜安全约束：
其中，表示储气柜在t时刻的储气容量；/>分别为储气柜的最小、最大储气容量；/>为时段内沼气最大输送量；/>分别表示储气柜在t时刻的进气量和出气量。
3.根据权利要求2所述的运行模型，其特征在于：系统的电、热功率约束为：
电功率平衡约束：
其中，为t时刻燃气轮机的发电功率；/>为t时刻光伏发电系统功率；/>分别为储电装置在t时刻充、放电量；/>为t时刻节点k电负荷，/>为节点k供电启停变量；为t时刻热泵消耗电功率；
热功率平衡约束：
其中，为t时刻热泵输出热功率；/>分别为储热装置在t时刻充、放热量；为t时刻的热负荷；/>表示生物质能加热所需的热量。
4.根据权利要求1所述的运行模型，其特征在于：所述储电装置采用储能蓄电池，所述储热装置采用蓄热热水罐。
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