CN116771450A - 一种基于超临界co2发电机组的多能源控制系统和控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于超临界CO2发电机组的多能源控制系统和控制方法，包括：发电系统，用于将不同形式的可再生能源转化为电负荷；超临界二氧化碳热电联产系统，作为调峰机组，与所述LNG储罐管路连通，通过燃烧反应将天然气转化为电负荷与热负荷，并生成反应产物水和高浓度二氧化碳；电制天然气系统，用于将二氧化碳和水转化为天然气，并储存至所述LNG储罐中；物料储存室，分别与所述超临界二氧化碳热电联产系统、所述电制天然气系统管路连通；电制冷系统，与所述储能系统电路连接，通过将所述储能系统输入的电负荷转变为冷负荷输出，为用户提供所需的制冷量。本发明有效提高整体的能源利用效率，达到节能、减排、降费的目的。
Description
技术领域
本发明涉及能源系统技术领域，更具体涉及一种基于超临界CO2发电机组的多能源控制系统和控制方法。
背景技术
传统的区域分布式多能源系统，已经初步实现了电、气、冷、热不同能源形式之间的相互耦合与转化，但在能源利用效率和碳减排方面仍有较大的优化空间，构建一套清洁低碳安全高效的现代能源体系日渐成为我国电力能源行业的主要发展方向和目标。
现有技术中常采用基于燃气轮机的区域分布式多能源系统，参说明书附图1所示，电储能的选择方式主要有抽水蓄能、蓄电池储能，其中抽水蓄能适用于所有发电类型，而蓄电池储能一般仅适用于风电和光伏发电。蓄电池储能响应速度快，但无法储存海量的电能，且系统储能成本较高；抽水蓄能系统虽能接受大量电力输入，但受环境影响极大，条件不适的情况下，投资和运行成本较高，效率也相对较低；此外还有压缩空气储能，但此系统仍处于概念或试验阶段，实用性还有待提高。燃气轮机机组具有响应速度快、项目周期短、占地面积小，易实现分布式设置等优点，常作为常规区域分布式多能源系统的调峰机组使用。但在热效率方面，常规燃气轮机通常在45-55％之间，热效率提升空间有限；在环境保护方面，常规燃气轮机的燃烧产物CO2被直接排放，不利于减排；在经济性方面，常规燃气轮机系统和设备较复杂，投资和运行费用也较高。
有鉴于此，有必要对现有技术中的多能源控制系统及控制方法予以改进，以解决上述问题。
发明内容
本发明的目的在于公开一种基于超临界CO2发电机组的多能源控制系统和控制方法，以解决上述存在不足，通过将超临界二氧化碳发电系统引入多种能源系统，有效提高整体的能源利用效率，达到节能、减排、降费的目的。
为实现上述目的，本发明提供了一种基于超临界CO2发电机组的多能源控制系统，包括：
发电系统，用于将不同形式的可再生能源转化为电负荷，并汇集至储能系统中，供用户使用；
LNG储罐，用于存储液态天然气；
超临界二氧化碳热电联产系统，作为调峰机组，用于对客户供电与供热，与所述LNG储罐管路连通，通过燃烧反应将天然气转化为电负荷与热负荷，并生成反应产物水和高浓度二氧化碳；
电制天然气系统，用于将二氧化碳和水转化为天然气，并储存至所述LNG储罐中；
物料储存室，分别与所述超临界二氧化碳热电联产系统、所述电制天然气系统管路连通，用于接收并存储所述超临界二氧化碳热电联产系统生产的水和高浓度二氧化碳，并按比例输送至所述电制天然气系统中，供其反应转化；
电制冷系统，与所述发电系统电路连接，通过将所述发电系统输入的电负荷转变为冷负荷输出，为用户提供所需的制冷量。
作为本发明的进一步改进，所述发电系统包括水力发电系统、风力发电系统以及光伏发电系统。
作为本发明的进一步改进，所述多能源控制系统外接有天然气网与配电网，所述LNG储罐与物料存储室均设有外接接口。
作为本发明的进一步改进，所述超临界二氧化碳热电联产系统选用Allam循环-超临界CO2循环热电联产系统，其装机容量由用户峰谷期间用电负荷变动特征和热负荷需要共同决定。
作为本发明的进一步改进，所述Allam循环-超临界CO2循环热电联产系统包括：
依次接通连接的燃烧室、透平、回热器、热网、冷却器、分流器一，所述燃烧室通过燃烧LNG生成CO2循环物流，CO2循环物流进入透平膨胀做功，经回热器放热后，通过阀门调控部分先送入热网后再送入冷却器中，部分直接送入冷却器中冷却，CO2循环物流中的水蒸气在冷凝器中冷凝出液体后经过分流器一分流后对外输出高纯度的CO2；
所述分流器一分出的一条支路依次连接压缩机一、泵一、分流器二、泵二、分流器三、回热器、燃烧室；部分CO2经分流器一分流至压缩机一中压缩到超临界状态，作为CO2循环物流，先后被泵一压缩、分流器二分流、泵二压缩、分流器三分流，经过回热器后作为冷却剂进入燃烧室中；
分流器三分出的一条支路依次连接回热器、透平；分流器三分出的部分CO2循环物流经过回热器后作为冷却剂进入透平中；
分流器二分出的一条支路依次连接合流器、压缩机二、回热器、燃烧室，合流器与空气分离器相连，所述分流器二分出的部分CO2循环物流经合流器与空气分离器分离出的氧气混合后经压缩机二加压成氧化剂，输送至回热器加热后送入燃烧室辅助燃烧；
所述空气分离器还与所述回热器相连形成吸热回路。
本发明还公开一种基于超临界CO2发电机组的多能源控制系统的控制方法，包括以下步骤：
S1，实时采集多能源控制系统的系统数据，包括水电、风电、光伏以及用户热负荷、冷负荷、电负荷需求数据；
S2，基于用户电力负荷需求与水电、风电、光伏电的产出，进行潮流计算，得到电力系统的每个节点的潮流流向和电流流量，并计算出电网电量的购买量；
S3，基于每个节点电流流量及用户热负荷需求，计算超临界二氧化碳热电联产系统的运行负荷和热电工质循环分配比；
S4，基于超临界二氧化碳热电联产系统的运行负荷，计算液态天然气的需求量及二氧化碳、水的输出量；
S5，基于节点流入电制天然气系统的有效电量，计算天然气产量及二氧化碳、水的需求量；
S6，基于天然气的产量及需求量，计算得出天然气网的天然气购买量。
作为本发明的进一步改进，控制方法具体包括以下步骤：
a，建立整个项目规划周期内投资与模拟运行的目标函数I；目标函数I如下所示：
min Feco＝Fgas+Felec
式中，Feco表示多能源控制系统的购气购电总成本，Fgas表示多能源控制系统的天然气购气成本，Felec表示多能源控制系统的电网购电成本；
购气、购电费用计算式如下：
式中，Cgas表示天然气网络供给分布式能源站的天然气单价，表示t时刻的多能源系统在天然气网络的购气量；Celec表示t时刻多能源系统从电网买电的单位电价，表示t时刻电网向多能源系统输入的功率；
b，建立确保多能源控制系统安全运行的约束条件，约束条件包括电、气、热、冷不同形式的多能源平衡约束以及站内设备的运行约束；
c，对目标函数I迭代求解，在保证系统安全运行的条件下，使得整个项目规划周期内的购气购电总成本最小，在满足终端用户负荷需求的情况下，得出多能源系统内设备容量的最优配置，最佳运行负荷，最佳购买电量以及最佳购买气量。
作为本发明的进一步改进，设备的运行约束具体如下：
超临界二氧化碳热电联产系统安全运行约束：
式中，表示t时刻进入CHP机组液化天然气的质量流量；/>分别表示CHP机组t时刻发电功率和产热功率；/>分别表示CHP机组的发电和产热的效率；/>表示多能源站所配置的CHP机组的最大容量；
超临界二氧化碳热电联产系统的发电和产热的效率计算公式如下：
式中，K1t、K2t分别表示超临界二氧化碳热电联产系统t时刻发电和产热的效率因子，At表示超临界二氧化碳热电联产系统t时刻的运行负荷,表示多能源站所配置的超临界二氧化碳热电联产系统的额定负荷发电量；
电制天然气系统的安全运行约束：
式中，表示t时刻电制天然气系统输入电功率，/>表示电制天然气系统的将电能转化为天然气的效率；/>表示对应的电制天然气系统所产生的天然气的质量流量；/>表示在规划阶段电制天然气系统配置的最大容量；
电制冷系统的安全运行约束条件：
式中，表示t时刻电制冷系统所消耗的电功率，/>表示电制冷系统的制冷转化效率，/>表示对应的电制冷系统t时刻输出的冷功率；/>表示规划阶段所安装的电制冷系统的最大容量；
发电系统的水电机组安全运行约束条件：
0≤nwater≤Nwater
式中，表示多能源系统在t时刻水电机组的出力，/>表示t时刻水功率因子，Pwater表示单个水电机组的容量，nwater表示安装的水电机组的个数；Nwater表示安装的水电机组的最大个数；
发电系统的风电机组安全运行约束条件：
0≤nwind≤Nwind
式中，表示多能源系统在t时刻风电机组的出力，/>表示t时刻风功率因子，Pwind表示单个风机的容量，nwind表示安装的风机的个数；Nwind表示安装的风机的最大个数；
发电系统的光伏机组安全运行约束条件：
0≤nloght≤Nlight
式中，表示多能源系统在t时刻光伏机组的出力，/>表示t时刻光伏功率因子，Plight表示单个光伏机组的容量，nlight表示安装的光伏机组的个数；Nlight表示安装的光伏机组的最大个数。
作为本发明的进一步改进，多能源平衡约束具体如下：
多能源系统的电功率平衡：
式中，表示t时刻电网向多能源系统输入的电功率，/>表示用户需要的电负荷量；/>表示泵将天然气压缩为液化天然气所消耗的总电功率，PLNG表示泵将单位质量天然气压缩为单位质量液化天然气所消耗的单位电功率；/>表示t时刻的在天然气网络进入多能源系统的质量流量，/>表示天然气网络中天然气的密度；
多能源系统的气量平衡：
多能源系统的热功率平衡：
式中，表示用户需要的热负荷量；
多能源系统的冷功率平衡：
式中，表示用户需要的冷负荷量；
天然气化学反应方程式为：
2O2+CH4＝CO2+2H2O
由此可知：
式中，分别表示超临界二氧化碳发电机组正常运行时产出的二氧化碳和水的质量流量；/>分别表示电制天然气系统正常运行时需要的二氧化碳和水的质量流量。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)一种基于超临界CO2发电机组的多能源控制系统，将电制天然气系统、超临界二氧化碳热电联产系统引入区域分布式多能源系统，可以有效提高整体的能源利用效率，达到节能、减排、降费的目的；利用多种不同形式的能量来源，实现多形式能量输出，在实现热电联供的同时，满足可再生能源的充分利用。设计3种不同的工作模式，分别为：电平时期模式、用电高峰期模式、用电低谷期模式，通过控制系统的调节可以灵活在三种工作模式间切换实现可再生能源并网、可再生能源制天然气之间的灵活切换，从而消纳不同形式的能源，并且将超临界二氧化碳循环系统的产物二氧化碳(CO2)和水(H2O)，通过电制天然气系统进行循环利用，实现二氧化碳的近零排放。
(2)本发明多能源控制系统选择Allam循环-超临界CO2循环热电联产系统，在过剩电能的利用上选用了电制天然气系统；Allam循环-超临界CO2循环热电联产系统利用CO2的超临界状态，理论上可以达到60％以上的热效率，比常规燃气轮机高10-15％，其循环使用的CO2不排放到大气，能实现碳捕集和利用，对环境友好，并且系统简单，设备制造难度不高，投资和运行成本更低。电制天然气系统与其他储能系统相比，其主要优势在于系统建设与运行时，几乎不受环境影响，同时也不影响环境，反而能充分利用整个分布式能源运行系统所产生的CO2，有利于低碳社会的构建；电制天然气系统能量转换总体效率低于大部分的其他储能系统，但其在环境保护方面的优势远大于其他储能系统。
(3)本系统应用场景广阔，在如岩溶或山地地区、内陆干旱或半干旱地区、靠海或湖畔地区等地区都能进行区域供电、供热、供冷；相比于现有系统，本发明的系统集成度更高、使用更加灵活、碳排放量更少、能够满足的需求更加广泛，是一种可再生能源清洁利用与区域供电、供热、供冷的多功能一体化综合设施。
(4)一种基于超临界CO2发电机组的多能源控制系统的控制方法，其能够保证在满足终端用户负荷需求的情况下，即可得出多能源系统内设备容量的最优配置，最佳运行负荷，最佳购买电量和最佳购买气量等，在保证系统安全运行的条件下，使得整个项目规划周期内的购气购电总成本最小。
附图说明
图1为背景技术中常规的基于燃气轮机的区域分布式多能源系统流程图；
图2为本发明一种基于超临界CO2发电机组的多能源控制系统在用电平时期的运行流程图；
图3为本发明一种基于超临界CO2发电机组的多能源控制系统在用电高峰期的运行流程图；
图4为本发明一种基于超临界CO2发电机组的多能源控制系统在用电低谷期的运行流程图；
图5为本发明一种基于超临界CO2发电机组的多能源控制系统中Allam循环-超临界CO2循环热电联产系统的流程图；
图6为本发明一种基于超临界CO2发电机组的多能源控制系统的控制方法的流程示意图。
具体实施方式
下面结合附图所示的各实施方式对本发明进行详细说明，但应当说明的是，这些实施方式并非对本发明的限制，本领域普通技术人员根据这些实施方式所作的功能、方法、或者结构上的等效变换或替代，均属于本发明的保护范围之内。
请参图1至图6所示出的本发明一种基于超临界CO2发电机组的多能源控制系统的控制方法的一种具体实施方式。
一种基于超临界CO2发电机组的多能源控制系统，包括：发电系统，包括水力发电系统、风力发电系统以及光伏发电系统，用于将不同形式的可再生能源转化为电负荷，并汇集至储能系统中，供用户使用；LNG储罐，用于存储液态天然气；超临界二氧化碳热电联产系统(CHP)，作为调峰机组，选用Allam循环-超临界CO2循环热电联产系统，其装机容量由用户峰谷期间用电负荷变动特征和热负荷需要共同决定，用于对客户供电与供热，与LNG储罐管路连通，通过燃烧反应将天然气转化为电负荷与热负荷，并生成反应产物水和高浓度二氧化碳；电制天然气系统(P2G)，用于将二氧化碳和水转化为天然气，并储存至LNG储罐中；物料储存室，分别与超临界二氧化碳热电联产系统、电制天然气系统管路连通，用于接收并存储超临界二氧化碳热电联产系统生产的水和高浓度二氧化碳，并按比例输送至电制天然气系统中，供其反应转化；电制冷系统(EC)，与发电系统电路连接，通过将发电系统输入的电负荷转变为冷负荷输出，为用户提供所需的制冷量。
在该多能源控制系统中，水力发电系统、风力发电系统和光伏发电系统是用户电负荷的主要承担者；多能源控制系统外接有天然气网与配电网，LNG储罐与物料存储室均设有外接接口。
运行原理为：水力发电系统和风力发电系统发出的电量重新分配后，部分电量流入电制天然气系统，部分电量与光伏发电系统产出的电量汇集后，再与超临界二氧化碳热电联产系统生产电量汇集，并进行再分配，在有冷负荷要求时，分配与冷负荷相应的电量流入电制冷系统，由电制冷系统向用户提供所需的制冷量，剩余的电量则全部流入用户。
在极端情况下，如发电设备检修，系统不足以提供用户所需的电负荷时，从电网购买电量，由配电网流入系统，用以满足用户制冷和供电需求。物料储存室接收作为超临界二氧化碳热电联产系统运行产物的水和高浓度二氧化碳，并将它们分别贮存在不同储室中，根据电制天然气系统要求，按一定比例送入电制天然气系统，当超临界二氧化碳热电联产系统运行产生的水和二氧化碳不足以维持电制天然气系统运行时，需从外界购买水和二氧化碳。电制天然气系统接收作为原料的水和二氧化碳后，在电力供应下，产出气态的天然气，天然气经泵的加压形成液态天然气，并输送至LNG储罐进行储存，LNG储罐储存的液态天然气作为燃料与空气同时被输入超临界二氧化碳热电联产系统参与燃烧反应，在用户有热负荷需求时，超临界二氧化碳热电联产系统既对外界输出热负荷也对外界输出电负荷，热负荷直接流向用户，电负荷去与其他能源产生的电能汇集，若用户无热负荷需求，超临界二氧化碳热电联产系统对外只输出电负荷。
在LNG储罐中液态天然气的储存量无法满足超临界二氧化碳热电联产系统运行时，需额外向天然气公司购买天然气，并经泵加压后，形成液态天然气，并对LNG储罐进行补充。超临界二氧化碳热电联产系统运行产生的水和高浓度二氧化碳经不同管道运输，送至物料储存室，作为电制天然气的原料进行循环使用。
本发明多能源控制系统在用电平时期的运行原理，此时，超临界二氧化碳热电联产系统在最佳工况下运行，水电、风电、光伏发电和超临界二氧化碳发电产生的总电负荷大于实际用户需要的电负荷，多出的电负荷由水电和风电提供，用于天然气的制备；参图2所示，水力发电系统和风力发电系统发出的电量分别在节点1和节点2进行重新分配，多余的电量于节点4汇集并流入电制天然气系统，剩余的电量于节点3与光伏发电系统产出的电量汇集一同流向节点5，并在节点5与超临界二氧化碳热电联产系统生产电量汇集，流向节点6进行再分配，在有冷负荷要求时，如夏季，节点6分配与冷负荷相应的电量流入电制冷系统，由电制冷系统向用户提供所需的制冷量，剩余的电量全部流入用户。在极端情况下，如发电设备检修，系统不足以提供用户所需的电负荷时，需从电网购买电量，并由配电网流入节点6，用以满足用户制冷和供电需求。物料储存室将接收到的作为超临界二氧化碳热电联产系统运行产物的H2O和高浓度CO2分别贮存在不同储室中，根据电制天然气系统要求，按一定比例送入电制天然气系统，当超临界二氧化碳热电联产系统运行产生的H2O和CO2不足以维持电制天然气系统运行时，需从外界购买H2O和CO2。电制天然气系统接收作为原料的H2O和CO2后，在节点4的电力供应下，化学反应后，产出气态的CH4，CH4经泵2的加压形成LNG并输送LNG储罐进行储存，LNG储罐储存的LNG作为燃料与空气同时被输入超临界二氧化碳热电联产系统，在用户有热负荷需求时，如冬季，超临界二氧化碳热电联产系统既对外界输出热负荷也对外界输出电负荷，热负荷直接流向用户，电负荷流向节点5，若用户无热负荷需求，超临界二氧化碳热电联产系统对外只输出电负荷。在LNG储罐中LNG的储存量无法满足超临界二氧化碳热电联产系统运行时，需额外向天然气公司购买CH4，并经泵1加压后，形成LNG，并对LNG储罐进行补充。超临界二氧化碳热电联产系统运行产生的H2O和高浓度CO2经管道运输，运至物料储存室，作为电制天然气的原料进行循环使用。
本发明多能源控制系统在用电高峰期的运行原理，此时，超临界二氧化碳热电联产机组在最佳工况和满工况之间运行，发电设备的总负荷产出与用户负荷需求相平衡，水力发电系统和风力发电系统不再向电制天然气系统供电，电制天然气系统停止工作；参图3所示，其运行原理与用电平时期的差别在于：节点1和节点2不再向电制天然气系统分配电力，而是全部在节点3汇集；电制天然气系统由于缺乏电力，不再产出CH4，同时也不需要来自物料储藏室H2O和CO2的供应；超临界二氧化碳热电联产系统运行产生的H2O和CO2全部储存于物料储存室。
本发明多能源控制系统在用电低谷期的运行原理，此时，发电设备的总负荷产出远大于用户负荷需求，超临界二氧化碳热电联产机组作为调峰机组使用，承担用户的所有负荷需求，并且无需向电网购买电力，水力发电系统和风力发电系统产出的电负荷全部用于电制天然气系统电力的供应，该运行时段一般发生在夜间，光伏发电系统停止工作；参图4所示，其运行原理与用电平时期的差别在于：水力发电系统和风力发电系统产出的电负荷全部汇集于节点4，并流向电制天然气系统；光伏发电系统不再对外输出电负荷；节点6无需配电网的电力供应。
参图5所示，Allam循环-超临界CO2循环热电联产系统包括：依次接通连接的燃烧室、透平、回热器、热网、冷却器、分流器一，燃烧室通过燃烧LNG生成CO2循环物流，CO2循环物流进入透平膨胀做功，经回热器放热后，通过阀门调控部分先送入热网后再送入冷却器中，部分直接送入冷却器中冷却，CO2循环物流中的水蒸气在冷凝器中冷凝出液体后经过分流器一分流后对外输出高纯度的CO2；分流器一分出的一条支路依次连接压缩机一、泵一、分流器二、泵二、分流器三、回热器、燃烧室；部分CO2经分流器一分流至压缩机一中压缩到超临界状态，作为CO2循环物流，先后被泵一压缩、分流器二分流、泵二压缩、分流器三分流，经过回热器后作为冷却剂进入燃烧室中；分流器三分出的一条支路依次连接回热器、透平；分流器三分出的部分CO2循环物流经过回热器后作为冷却剂进入透平中；分流器二分出的一条支路依次连接合流器、压缩机二、回热器、燃烧室，合流器与空气分离器相连，分流器二分出的部分CO2循环物流经合流器与空气分离器分离出的氧气混合后经压缩机二加压成氧化剂，输送至回热器加热后送入燃烧室辅助燃烧；空气分离器还与回热器相连形成吸热回路。
本发明还公开一种基于超临界CO2发电机组的多能源控制系统的控制方法，结合图6所示，包括以下步骤：
S1，实时采集多能源控制系统的系统数据，包括水电、风电、光伏以及用户热负荷、冷负荷、电负荷需求数据；
S2，基于用户电力负荷需求与水电、风电、光伏电的产出，进行潮流计算，得到电力系统的每个节点的潮流流向和电流流量，并计算出电网电量的购买量；
S3，基于每个节点电流流量及用户热负荷需求，计算超临界二氧化碳热电联产系统的运行负荷和热电工质循环分配比；
热电联产系统的热电工质循环比和运行负荷计算公式如下：
式中，表示t时刻电制冷系统所消耗的电功率，/>表示电制冷系统的制冷转化效率，/>表示对应的电制冷系统t时刻输出的冷功率；/>表示用户需要的冷负荷量。
由式(1)可解得
式中，表示多能源系统在t时刻水电机组的出力，/>表示t时刻水功率因子，Pwater表示单个水电机组的容量，nwater表示安装的水电机组的个数；/>表示多能源系统在t时刻风电机组的出力，/>表示t时刻风功率因子，Pwind表示单个风机的容量，nwind表示安装的风机的个数；/>表示多能源系统在t时刻光伏机组的出力，/>表示t时刻光伏功率因子，Plight表示单个光伏机组的容量，nlight表示安装的光伏机组的个数。
由式(2)可解得
式中，表示超临界二氧化碳热电联产系统t时刻发电功率；/>表示t时刻电制冷系统所消耗的电功率；/>表示t时刻电制天然气系统输入电功率；/>表示用户需要的电负荷量；/>表示泵将天然气压缩为液化天然气所消耗的总电功率；/>表示多能源系统在t时刻水电机组的出力；/>表示多能源系统在t时刻风电机组的出力；表示多能源系统在t时刻光伏机组的出力；/>表示t时刻电网向多能源系统输入的功率；PLNG表示泵将单位质量天然气压缩为单位质量液化天然气所消耗的单位电功率；/>表示t时刻的在天然气网络进入多能源系统的质量流量；/>表示对应的电制天然气系统所产生的天然气的质量流量；/>表示电制天然气系统将电能转化为天然气的效率；表示t时刻进入超临界二氧化碳热电联产系统液化天然气的质量流量；/>分别表示超临界二氧化碳热电联产系统的发电效率。
和/>通过对目标函数I非线性求解得出，解方组式(3)，可得/>
式中，分别表示超临界二氧化碳热电联产系统t时刻产热功率；/>表示用户需要的热负荷量。
得热电工质循环比为：
式中，α表示热电工质循环比，即进入热网的工质量流量，占发电总工质量质量流量的比例；表示进入热网的工质质量流量；/>表示发电总工质量流量；Δh表示热网进出口工质的比焓降；/>表示临界二氧化碳热电联产系统CO2的循环质量流量。
热电联产系统的运行负荷为：
式中，At表示超临界二氧化碳热电联产系统t时刻的运行负荷；表示表示多能源站所配置的超临界二氧化碳热电联产系统的额定负荷发电量。
S4，基于超临界二氧化碳热电联产系统的运行负荷，计算液态天然气的需求量及二氧化碳、水的输出量；运行所需的液态天然气量，即解方组式(3)可得。二氧化碳量和水量的输出量，计算公式如下：
式中，分别表示超临界二氧化碳发电机组正常运行时产出的二氧化碳和水的质量流量；
S5，基于节点流入电制天然气系统有效电量，计算天然气产量及二氧化碳、水的需求量；电制天然气系统天然气产量，即解方组式(3)可得。所需的二氧化碳量和水量计算公式如下：
式中，分别表示电制天然气系统正常运行时需要的二氧化碳和水的质量流量。
S6，基于天然气的产量及需求量，计算得出天然气网的天然气购买量。
需要向天然气网购买的天然气量，即计算公式如下：
式中，表示t时刻的多能源系统在天然气网络的购气量；/>表示天然气网络中天然气的密度。/>通过对目标函数I非线性求解得出。
控制方法具体包括以下步骤：a，建立整个项目规划周期内投资与模拟运行的目标函数I；目标函数I如下所示：
min Feco＝Fgas+Felec
式中，Feco表示多能源控制系统的购气购电总成本，Fgas表示多能源控制系统的天然气购气成本，Felec表示多能源控制系统的电网购电成本；
购气、购电费用计算式如下：
/>
式中，Cgas表示天然气网络供给分布式能源站的天然气单价，表示t时刻的多能源系统在天然气网络的购气量；Celec表示t时刻多能源系统从电网买电的单位电价，表示t时刻电网向多能源系统输入的功率；
b，建立确保多能源控制系统安全运行的约束条件，约束条件包括电、气、热、冷不同形式的多能源平衡约束以及站内设备的运行约束；
c，对目标函数I迭代求解，在保证系统安全运行的条件下，使得整个项目规划周期内的购气购电总成本最小，在满足终端用户负荷需求的情况下，得出多能源系统内设备容量的最优配置，最佳运行负荷，最佳购买电量以及最佳购买气量。
设备的运行约束具体如下：
超临界二氧化碳热电联产系统安全运行约束：
式中，表示t时刻进入CHP机组液化天然气的质量流量；/>分别表示CHP机组t时刻发电功率和产热功率；/>分别表示CHP机组的发电和产热的效率；/>表示多能源站所配置的CHP机组的最大容量；
超临界二氧化碳热电联产系统的发电和产热的效率计算公式如下：
式中，K1t、K2t分别表示超临界二氧化碳热电联产系统t时刻发电和产热的效率因子，At表示超临界二氧化碳热电联产系统t时刻的运行负荷,表示表示多能源站所配置的超临界二氧化碳热电联产系统的额定负荷发电量；
电制天然气系统的安全运行约束：
式中，表示t时刻电制天然气系统输入电功率，/>表示电制天然气系统的将电能转化为天然气的效率；/>表示对应的电制天然气系统所产生的天然气的质量流量；/>表示在规划阶段电制天然气系统配置的最大容量；
电制冷系统的安全运行约束条件：
式中，表示t时刻电制冷系统所消耗的电功率，/>表示电制冷系统的制冷转化效率，/>表示对应的电制冷系统t时刻输出的冷功率；/>表示规划阶段所安装的电制冷系统的最大容量；
发电系统的水电机组安全运行约束条件：
0≤nwater≤Nwater
式中，表示多能源系统在t时刻水电机组的出力，/>表示t时刻水功率因子，Pwater表示单个水电机组的容量，nwater表示安装的水电机组的个数；Nwater表示安装的水电机组的最大个数；
发电系统的风电机组安全运行约束条件：
0≤nwind≤Nwind
式中，表示多能源系统在t时刻风电机组的出力，/>表示t时刻风功率因子，Pwind表示单个风机的容量，nwind表示安装的风机的个数；Nwind表示安装的风机的最大个数；
发电系统的光伏机组安全运行约束条件：
0≤nlight≤Nlight
式中，表示多能源系统在t时刻光伏机组的出力，/>表示t时刻光伏功率因子，Plight表示单个光伏机组的容量，nlight表示安装的光伏机组的个数；Nlight表示安装的光伏机组的最大个数。
多能源平衡约束具体如下：
多能源系统的电功率平衡：
式中，表示t时刻电网向多能源系统输入的电功率，/>表示用户需要的电负荷量；/>表示泵将天然气压缩为液化天然气所消耗的总电功率，PLNG表示泵将单位质量天然气压缩为单位质量液化天然气所消耗的单位电功率；/>表示t时刻的在天然气网络进入多能源系统的质量流量，/>表示天然气网络中天然气的密度；
多能源系统的气量平衡：
多能源系统的热功率平衡：
式中，表示用户需要的热负荷量；
多能源系统的冷功率平衡：
式中，表示用户需要的冷负荷量；
天然气化学反应方程式为：
2O2+CH4＝CO2+2H2O
由此可知：
式中，分别表示超临界二氧化碳发电机组正常运行时产出的二氧化碳和水的质量流量；/>分别表示电制天然气系统正常运行时需要的二氧化碳和水的质量流量。
本发明系统的一个应用场景是为远离市区并且可再生能源丰富的地区进行区域供电、供热、供冷，如岩溶或山地地区、内陆干旱或半干旱地区、靠海或湖畔地区等。岩溶或山地地区河流落差大，水力资源丰富，适宜开发水力发电，山地地形适宜风力发电场布局，风能资源较为稳定，光伏发电无地理限制，也适宜在这类地区开发；内陆干旱或半干旱地区虽然水资源相对稀缺，但可利用山涧和湿地等小规模水力，或利用工业废水等非常规水资源发电，内陆地区风能资源较为稳定，适宜风电开发，光伏发电也可以有效利用当地丰富的光照资源；靠海或湖畔地区不仅水力发电条件好，风力发电也可利用海岸地区的海风资源，光伏发电系统设置在湖面或海面上可获得额外的光照利用效果和环境效益。本发明一方面可以实现可再生能源的清洁利用，并达到超低碳排放的要求，另一方面可以保证以上地区的居民的用电、用热、用冷需求，建成后可成为一个多功能一体化的综合设施。
总之，本发明系统集成度较高、能量来源广泛、工作模式多样灵活，因此更易满足不同条件下的区域能源供应需求，为新型区域分布式多能源系统的设计与超临界二氧化碳技术的发展提供了参考方案。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
Claims (9)
1.一种基于超临界CO2发电机组的多能源控制系统，其特征在于，包括：
发电系统，用于将不同形式的可再生能源转化为电负荷，并汇集至储能系统中，供用户使用；
LNG储罐，用于存储液态天然气；
超临界二氧化碳热电联产系统，作为调峰机组，用于对客户供电与供热，与所述LNG储罐管路连通，通过燃烧反应将天然气转化为电负荷与热负荷，并生成反应产物水和高浓度二氧化碳；
电制天然气系统，用于将二氧化碳和水转化为天然气，并储存至所述LNG储罐中；
物料储存室，分别与所述超临界二氧化碳热电联产系统、所述电制天然气系统管路连通，用于接收并存储所述超临界二氧化碳热电联产系统生产的水和高浓度二氧化碳，并按比例输送至所述电制天然气系统中，供其反应转化；
电制冷系统，与所述发电系统电路连接，通过将所述发电系统输入的电负荷转变为冷负荷输出，为用户提供所需的制冷量。
2.根据权利要求1所述的一种基于超临界CO2发电机组的多能源控制系统，其特征在于，所述发电系统包括水力发电系统、风力发电系统以及光伏发电系统。
3.根据权利要求1所述的一种基于超临界CO2发电机组的多能源控制系统，其特征在于，所述多能源控制系统外接有天然气网与配电网，所述LNG储罐与物料存储室均设有外接接口。
4.根据权利要求1所述的一种基于超临界CO2发电机组的多能源控制系统，其特征在于，所述超临界二氧化碳热电联产系统选用Allam循环-超临界CO2循环热电联产系统，其装机容量由用户峰谷期间用电负荷变动特征和热负荷需要共同决定。
5.根据权利要求4所述的一种基于超临界CO2发电机组的多能源控制系统，其特征在于，所述Allam循环-超临界CO2循环热电联产系统包括：
依次接通连接的燃烧室、透平、回热器、热网、冷却器、分流器一，所述燃烧室通过燃烧LNG生成CO2循环物流，CO2循环物流进入透平膨胀做功，经回热器放热后，通过阀门调控部分先送入热网后再送入冷却器中，部分直接送入冷却器中冷却，CO2循环物流中的水蒸气在冷凝器中冷凝出液体后经过分流器一分流后对外输出高纯度的CO2；
所述分流器一分出的一条支路依次连接压缩机一、泵一、分流器二、泵二、分流器三、回热器、燃烧室；部分CO2经分流器一分流至压缩机一中压缩到超临界状态，作为CO2循环物流，先后被泵一压缩、分流器二分流、泵二压缩、分流器三分流，经过回热器后作为冷却剂进入燃烧室中；
分流器三分出的一条支路依次连接回热器、透平；分流器三分出的部分CO2循环物流经过回热器后作为冷却剂进入透平中；
分流器二分出的一条支路依次连接合流器、压缩机二、回热器、燃烧室，合流器与空气分离器相连，所述分流器二分出的部分CO2循环物流经合流器与空气分离器分离出的氧气混合后经压缩机二加压成氧化剂，输送至回热器加热后送入燃烧室辅助燃烧；
所述空气分离器还与所述回热器相连形成吸热回路。
6.如权利要求2所述的一种基于超临界CO2发电机组的多能源控制系统的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1，实时采集多能源控制系统的系统数据，包括水电、风电、光伏以及用户热负荷、冷负荷、电负荷需求数据；
S2，基于用户电力负荷需求与水电、风电、光伏电的产出，进行潮流计算，得到电力系统的每个节点的潮流流向和电流流量，并计算出电网电量的购买量；
S3，基于每个节点电流流量及用户热负荷需求，计算超临界二氧化碳热电联产系统的运行负荷和热电工质循环分配比；
S4，基于超临界二氧化碳热电联产系统的运行负荷，计算液态天然气的需求量及二氧化碳、水的输出量；
S5，基于节点流入电制天然气系统的有效电量，计算天然气产量及二氧化碳、水的需求量；
S6，基于天然气的产量及需求量，计算得出天然气网的天然气购买量。
7.根据权利要求6所述的一种基于超临界CO2发电机组的多能源控制系统的控制方法，其特征在于，控制方法具体包括以下步骤：
a，建立整个项目规划周期内投资与模拟运行的目标函数I；目标函数I如下所示：
min Feco＝Fgas+Felec
式中，Feco表示多能源控制系统的购气购电总成本，Fgas表示多能源控制系统的天然气购气成本，Felec表示多能源控制系统的电网购电成本；
购气、购电费用计算式如下：
式中，Cgas表示天然气网络供给分布式能源站的天然气单价，表示t时刻的多能源系统在天然气网络的购气量；Celec表示t时刻多能源系统从电网买电的单位电价，/>表示t时刻电网向多能源系统输入的功率；
b，建立确保多能源控制系统安全运行的约束条件，约束条件包括电、气、热、冷不同形式的多能源平衡约束以及站内设备的运行约束；
c，对目标函数I迭代求解，在保证系统安全运行的条件下，使得整个项目规划周期内的购气购电总成本最小，在满足终端用户负荷需求的情况下，得出多能源系统内设备容量的最优配置，最佳运行负荷，最佳购买电量以及最佳购买气量。
8.根据权利要求7所述的一种基于超临界CO2发电机组的多能源控制系统的控制方法，其特征在于，设备的运行约束具体如下：
超临界二氧化碳热电联产系统安全运行约束：
式中，表示t时刻进入CHP机组液化天然气的质量流量；/>分别表示CHP机组t时刻发电功率和产热功率；/>分别表示CHP机组的发电和产热的效率；表示多能源站所配置的CHP机组的最大容量；
超临界二氧化碳热电联产系统的发电和产热的效率计算公式如下：
式中，K1t、K2t分别表示超临界二氧化碳热电联产系统t时刻发电和产热的效率因子，At表示超临界二氧化碳热电联产系统t时刻的运行负荷,表示多能源站所配置的超临界二氧化碳热电联产系统的额定负荷发电量；
电制天然气系统的安全运行约束：
式中，表示t时刻电制天然气系统输入电功率，/>表示电制天然气系统将电能转化为天然气的效率；/>表示对应的电制天然气系统所产生的天然气的质量流量；表示在规划阶段电制天然气系统配置的最大容量；
电制冷系统的安全运行约束条件：
式中，表示t时刻电制冷系统所消耗的电功率，/>表示电制冷系统的制冷转化效率，/>表示对应的电制冷系统t时刻输出的冷功率；/>表示规划阶段所安装的电制冷系统的最大容量；
发电系统的水电机组安全运行约束条件：
0≤nwater≤Nwater
式中，表示多能源系统在t时刻水电机组的出力，/>表示t时刻水功率因子，Pwater表示单个水电机组的容量，nwater表示安装的水电机组的个数；Nwater表示安装的水电机组的最大个数；
发电系统的风电机组安全运行约束条件：
0≤nwind≤Nwind
式中，表示多能源系统在t时刻风电机组的出力，/>表示t时刻风功率因子，Pwind表示单个风机的容量，nwind表示安装的风机的个数；Nwind表示安装的风机的最大个数；
发电系统的光伏机组安全运行约束条件：
0≤nlight≤Nlight
式中，表示多能源系统在t时刻光伏机组的出力，/>表示t时刻光伏功率因子，Plight表示单个光伏机组的容量，nlight表示安装的光伏机组的个数；Nlight表示安装的光伏机组的最大个数。
9.根据权利要求7所述的一种基于超临界CO2发电机组的多能源控制系统的控制方法，其特征在于，多能源平衡约束具体如下：
多能源系统的电功率平衡：
式中，表示t时刻电网向多能源系统输入的电功率，/>表示用户需要的电负荷量；/>表示泵将天然气压缩为液化天然气所消耗的总电功率，PLNG表示泵将单位质量天然气压缩为单位质量液化天然气所消耗的单位电功率；/>表示t时刻的在天然气网络进入多能源系统的质量流量，/>表示天然气网络中天然气的密度；
多能源系统的气量平衡：
多能源系统的热功率平衡：
式中，表示用户需要的热负荷量；
多能源系统的冷功率平衡：
式中，表示用户需要的冷负荷量；
天然气化学反应方程式为：
2O2+CH4＝CO2+2H2O
由此可知：
式中，分别表示超临界二氧化碳发电机组正常运行时产出的二氧化碳和水的质量流量；/>分别表示电制天然气系统正常运行时需要的二氧化碳和水的质量流量。
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