技术领域
[0001] 本
发明属于冷热电三联供系统领域，具体来说，涉及一种基于评价准则的综合能源系统运行方法。
背景技术
[0002] 综合能源系统(Integrated energy systems，IES)具有模
块化、分散化的特征，是围绕用户侧布置的高效、可靠的
能量转化单元，其电源构成主要包括
内燃机、微型
燃气轮机、
光伏发电、
风能发电及
生物质能发电等，可实现分散能源的就近发电、就近并网、就近转换、就近使用，有效提高能源的综合利用。综合能源系统的发展，突破了传统的能源体系架构，成为链接多种形式能源生产环节到终端用户能源消费环节的重要纽带，为多种能源间的协调运作、优势互补打造了良好的技术
支撑平台和资源配置中心。
[0003] 其中，冷热电联供系统是最具潜
力和前景的综合能源系统，是一种建立在能量
梯级利用
基础上的综合产、用能的分布式系统，系统通常安装于最终用户端附近，首先利用一次能源驱动
发动机发电，再通过各种余热利用设备，对余热进行
回收利用，从而同时向用户提供电力、制冷、采暖、生活热
水等。含有冷热电联供的综合能源系统的运行方式主要有以电定热(FEL)和以热定电(FTL)。以热定电模式首先满足系统的热需求(冷热负荷)，通
过热电比确定系统的电力输出，电力不足部分通过从大
电网购电满足；以电定热模式首先满足系统的电力需求，据此确定系统的热输出，其热量不足部分通过补燃
锅炉补给。对于冷热电联供系统，在负荷需求热电比和发
电机组的热电比相同时，能源的利用率达到最优，但是由于负荷的随机性和机组的部分负荷特性导致二者往往不一致，当采用某一运行方式时往往造成资源浪费。
发明内容
[0004] 本发明提供一种基于评价准则的综合能源系统运行方法，即当评价准则一定时，通过计算冷热电系统两种主要运行方式的适用条件，提高综合能源系统运行的经济性、环保性。
[0005] 为解决上述技术问题，一种基于评价准则的综合能源系统运行方法，包括以下步骤：
[0006] 步骤10)建立分供系统(SP)建模，首先确定电制冷机耗电量为：
[0007]
[0008] 式中，COPec表示电制冷机性能系数，Pec表示电制冷机输入功率，单位：kW；QCL表示系统冷负荷，单位：kW。
[0010]
[0011] 式中，Fboiler表示燃气锅炉消耗的
天然气，单位：立方米；Qrh表示热交器输入热量，单位：kW；ηSP boiler表示燃气锅炉的效率。
[0012] 然后确定电网购电量为：
[0013] Pgrid＝PEL+Pec (3)
[0014] 式中，Pgrid表示从电网购电量，单位：kW；PEL为系统的电负荷，单位：kW。
[0015] 然后确定系统消耗的燃料，此时只有燃气锅炉消耗：
[0016] Fm＝Fboiler (4)
[0017] 式中，Fm表示系统消耗的燃料，单位：立方米。
[0019]
[0020] 式中，Em表示购电量转化成对应的燃料消耗量，单位：立方米。
[0021] 步骤20)建立以电定热(FEL)运行模型，首先确定系统所需的
电力负荷由燃气轮机来满足：
[0022] PMT＝PEL (6)
[0023] 式中，PMT表示轮机出力，单位：kW；PEL是整个系统所需要的电力负荷单位：kW。在以电定热运行模式下，燃气轮机发出的电均等于
建筑物所需的电力负荷。
[0024] 然后确定燃气轮机消耗的燃料FMT为：
[0025]
[0026] 式中，ηMT是燃气轮机的效率，FMT表示燃气轮机消耗的燃料，单位：立方米。
[0027] 然后确定热回收系统回收的热量Qrhs为：
[0028] Qrhs＝(FMT-PMT)ηrhs＝FMT(1-ηMT)ηrhs (8)
[0029] 式中，ηrhs是热回收系统的效率，Qrhs表示热回收系统回收的热量，单位：kW。
[0030] 然后确定
吸附式制冷机所需的热Qrac为：
[0031]
[0032] 式中，Qrac表示吸附式制冷机所需的热量，单位：kW；QCL是系统的冷负荷，单位：kW；COPac是
吸收式制冷机的性能系数。
[0034]
[0035] 式中，Qrh表示热交换器所需的热，单位：kW；QHL是热负荷，单位：kW；ηhe是热交换器的效率。
[0036] 综合能源系统在供电的同时需要满足用户侧的冷需求和热需求。如果热回收系统回收的热量不能满足要求，则系统往往会通过增发燃气锅炉来满足剩余部分的热需求。
[0037] 然后确定等效热负荷：
[0038] Qreq＝Qrac+Qrh (11)
[0039] 其中，Qreq是等效热负荷，单位：kW。
[0040] 存在以下两种可能：
[0041] if Qrhs≥Qreq then Qboiler＝0 (12)
[0042] if Qrhs＜Qreq then Qboiler＝Qrac+Qrh-Qrhs (13)
[0043] 确定燃气锅炉消耗的燃料为：
[0044]
[0045] 然后确定整个系统消耗的燃料为：
[0046] Fm＝FMT+Fboiler (15)
[0047] 最后确定系统向大电网的购电量为：
[0048] Pgrid＝0 (16)
[0049] 式中，Pgrid表示系统向大电网购电量，单位：kW。
[0050] 步骤30)建立以热定电(FTL)运行模型，首先确定热回收系统回收的热量Qrhs为：
[0051] Qrhs＝Qreq＝Qrac+Qrh (17)
[0052] 由于系统所回收的余热是已知的，燃气轮机消耗的燃料FMT为：
[0053]
[0054] 在以热定电的运行模式下，每个运行时段内，系统所需要的热量由从燃气轮机回收的余热满足。
[0055] 确定燃气轮机的出力PMT为：
[0056] PMT＝FMTηMT (19)
[0057] 在该运行策略下，燃气轮机产生的电未必能满足系统需求，不足部分通过向大电网买电来满足。存在以下两种情况：
[0058] if PMT＜PEL then Pgrid＝PEL-PMT (20)
[0059] if PMT≥PEL then Pexcess＝PMT-PEL (21)
[0060] 式中，Pexcess是燃气轮机产生的过量的电，单位：kW；可以卖给电网或者是存储起来供将来使用。
[0061] 最后确定系统燃料的消耗为：
[0062] Fm＝FMT (22)
[0063] 步骤40)由步骤20)、步骤30)的分析可知当系统的电力需求和系统的热需求不同时，系统可能会需要购电或者通过增发燃气锅炉来补充热需求，因此何时需要购电或者是需要补燃锅炉是一个关键性的问题。
[0064] 燃气轮机的额定热电比为机组的供热量Qrhs和机组的发电量PMT之比，其计算方式如下：
[0065]
[0066] 式中，εN表示燃气轮机的额定热电比。
[0067] 确定负荷需求热电比：
[0068] KL＝Qreq/PEL (24)
[0069] 式中，KL表示负荷需求热电比。
[0070] 对于FTL的运行模式，购电的情况是：PEL-PMT>0(即PEL-Qreq·ηMT/(1-ηMT)ηrhs>0)，
整理得Qreq/PEL<εN。
[0071] 对于FEL的运行模式，锅炉需要补燃的情况是：Qreq-Qhrs>0(即Qreq-PEL·(1-ηMT)·ηrhs/ηMT>0)，整理得Qreq/PEL>εN。
[0072] 步骤50)首先建立一次能源消耗(PEC)评价指标：
[0073] PEC＝kfFm+kePgrid (25)
[0074] 式中，PEC表示一次能源消耗指标，kf表示系统天然气一次能源消耗系数，ke表示电网一次能源消耗系数。
[0076] COST＝CfFm+CePgrid (26)
[0077] 式中，COST表示系统运行费用指标，Cf表示系统运行系数，Ce表示电网运行费用系数。
[0079] CDE＝μfFm+μePgrid (27)
[0080] 式中，CDE表示系统CO2排放量指标；μf表示综合系统CO2排放系数，μe表示电网CO2排放系数。
[0081] 建立综合评价指标(IPC)，综合公式(25)、公式(26)、公式(27)三个指标，确定综合评价指标IPC：
[0082]
[0083] 式中，ω1、ω2、ω3表示权重系数。ω1+ω2+ω3＝1，ω1∈(0,1)，ω2∈(0,1)，ω3∈(0,1)；IPC表示综合评价指标。
[0084] (1)KL>εN，此时在FTL的情况下无需从电网购电，但是在FEL情况下需要增发燃气锅炉。
[0085]
[0086] 由KL>εN时，KL/εN>1恒成立，若要FEL运行模式优于FTL，即△E>0，需要ηboiler>ηr，而在实际运行中锅炉的供热效率一般高于综合能源系统发电设备的供热效率，因此在这种情况下FEL的运行模式优于FTL。
[0087] (2)KL<εN，此时在FTL运行模式下需要从电网购电，但是在FEL模式下不需要增发燃气锅炉。
[0088]
[0089] 当KL<εN时，KL/εN恒小于1，因此在这种情况下若FEL运行模式优于FTL，即△E>0，需要(km-kgridηMT)，即当km/kgrid<ηMT时，FEL运行方式优于FTL运行方式，反之则是FTL运行方式优于FEL。
[0090] 从上面分析得出结论是：
[0091] ①当KL>εN时或当KL<εN且km/kgrid<ηMT时，FEL运行方式优于FTL运行方式；
[0092] ②当KL<εN且km/kgrid>ηMT时，FTL运行方式优于FEL运行方式。
[0093] 在实际运行中当评价指标确定时，通过上述判断后选择FEL和FTL中更优的运行方式，让系统运行在该运行方式下从而使系统的性能达到最优。
[0094] 不同于上面的单个评价指标，当由多个指标综合作用时，其综合评价指标可以写成：
[0095]
[0096] 由公式(31)推到得出：
[0097]
[0098] 其中，
[0099] 令KF＝k11+k12+k13，KE＝k12+k22+k32，则上式可以转换成IPC＝KF·Fm+KE·Egrid。可以看出与上面推导的形式类似，于是可以根据上面的分析给出类似的结论：
[0100] ①当KL>εN时或当KL<εN且KF/KE<ηMT时，FEL运行方式优于FTL运行方式；
[0101] ②当KL<εN且KF/KE>ηMT时，FTL运行方式优于FEL运行方式。
[0102] 进一步，步骤40)中，有以下几点假设：
[0103] 1)综合能源系统产生的余热的利用率为百分之百；
[0104] 2)各设备在实际工作中的效率保持不变，并且在优化期间内无故障运行；
[0105] 3)各设备输出的功率是连续的；
[0106] 4)在各运行模式下，系统只能从电网购电而不能售电。
[0107] 进一步，步骤20)、步骤30)、步骤40)中，设备参数选取ηMT＝0.25，COPac＝0.7，ηrhs＝0.8，ηboiler＝0.8，COPec＝03.0，ηhe＝0.8，μe＝968，μf＝220，ke＝3.336，kf＝1.047，Cf＝0.19，Ce＝0.93。
[0108] 进一步，步骤50)中，默认为当评价指标IPC的值越小越好，但是若评价指标的值越大越好，则结论是相反的。
[0109] 与
现有技术相比，本发明具有以下优点：
[0110] 本发明提出的一种基于评价准则的综合能源系统运行方法，以“以热定电”和“以电定热”两种方式为基础，通过上述判断后选择“以热定电”和“以电定热”中更优的运行方式，让系统运行在该运行方式下从而使系统的性能达到最优。“以热定电”是以热需求为基准，给出系统的电力输出，不足的电力部分采用向大电网购电的方式满足；“以电定热”是以电需求为基准给出系统的热输出，不足的热量由补燃锅炉补给。首先建立分供系统模型，计算分供系统的购电量和燃料消耗量；然后建立“以热定电”和“以电定热”两种模式的综合能源系统模型，分别计算综合能源系统的购电量和燃料消耗量；建立系统三个评价指标：一次能源消耗、运行费用、CO2减
排量，综合三个指标建立综合评价指标，通过计算冷热电系统两种主要运行方式的适用条件，使系统能源的利用率达到最优，比以电定热和以热定电运行方式更加经济和节能。很好的解决由于负荷的随机性和机组的部分负荷特性导致二者往往不一致，当采用某一运行方式时往往造成资源浪费的问题。
附图说明
[0111] 为了更清楚地说明本发明
实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0112] 图1是本发明的含冷热电联供的综合能源系统工作原理图。
[0113] 图2是本发明的分供系统工作原理图。
[0114] 图3是本发明中燃气轮的热电比曲线。
[0115] 图4是本发明的基于评价准则运行策略
流程图具体实施方式
[0116] 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案例对本发明进行深入地详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施案例仅仅用以解释本发明，并不用于限定发明。
[0117] 本发明涉及一种基于评价准则的综合能源系统运行方法，属于综合能源系统领域，含冷热电联供的综合能源系统主要由燃气轮机、吸附式制冷机、燃气锅炉、热交换器等设备组成。其工作原理是燃料经
燃烧室燃烧后气体通过燃气轮机，驱动燃气轮机工作，做功后的高温烟气经热回收系统回收，夏季进入吸附式制冷机制冷、冬季进入换热器供热，不足的热量(冷热负荷折合成热需求)通过燃气锅炉来补足，不足的电力负荷通过从大电网购电来满足。其工作原理图如图1所示。对于传统的分供系统，冷负荷需求通过电制冷机满足，燃气锅炉产生的热经过热交换器来满足系统热需求，系统的电力负荷和电制冷机所需的电力从大电网购买，其原理图见图2。
[0118] 如图3所示是燃气轮机的热电比曲线，理想的情况是系统的热电需求刚好位于该直线上，此时系统的能源完全得到了利用，但显然这是不现实的对于处于斜率k＝εN以上的点，若系统采用FTL的运行方式，则系统会产生多余的电量；若采用FEL运行方式，则系统回收的热量不能满足热需求，需要通过增发燃气锅炉来满足，如图中的A点。而对于位于斜率k＝εN的下方的点，若系统采用FTL的运行方式，则系统产生的电力不能满足用户侧的需要，因此需从大电网购电，而采用FEL时，系统则会产生多余的热量，如图中的B点。
[0119] 如图4所示，本发明的基于模型预测控制的冷热电联供型微电网运行方法，包括以下步骤：
[0120] 步骤10)建立分供系统(SP)建模，首先确定电制冷机耗电量为：
[0121]
[0122] 式中，COPec表示电制冷机性能系数，Pec表示电制冷机输入功率，单位：kW；QCL表示系统冷负荷，单位：kW。
[0123] 然后确定锅炉消耗的燃料为：
[0124]
[0125] 式中，Fboiler表示燃气锅炉消耗的天然气，单位：立方米；Qrh表示热交器输入热量，单位：kW；ηSP boiler表示燃气锅炉的效率。
[0126] 然后确定电网购电量为：
[0127] Pgrid＝PEL+Pec (3)
[0128] 式中，Pgrid表示从电网购电量，单位：kW；PEL为系统的电负荷，单位：kW。
[0129] 然后确定系统消耗的燃料，此时只有燃气锅炉消耗：
[0130] Fm＝Fboiler (4)
[0131] 式中，Fm表示系统消耗的燃料，单位：立方米。
[0132] 将购电量转化成对应的燃料消耗量：
[0133]
[0134] 式中，Em表示购电量转化成对应的燃料消耗量，单位：立方米。
[0135] 步骤20)建立以电定热(FEL)运行模型，首先确定系统所需的电力负荷由燃气轮机来满足：
[0136] PMT＝PEL (6)
[0137] 式中，PMT表示轮机出力，单位：kW；PEL是整个系统所需要的电力负荷单位：kW。在以电定热运行模式下，燃气轮机发出的电均等于建筑物所需的电力负荷。
[0138] 然后确定燃气轮机消耗的燃料FMT为：
[0139]
[0140] 式中，ηMT是燃气轮机的效率，FMT表示燃气轮机消耗的燃料，单位：立方米。
[0141] 然后确定热回收系统回收的热量Qrhs为：
[0142] Qrhs＝(FMT-PMT)ηrhs＝FMT(1-ηMT)ηrhs (8)
[0143] 式中，ηrhs是热回收系统的效率，Qrhs表示热回收系统回收的热量，单位：kW。
[0144] 然后确定吸附式制冷机所需的热Qrac为：
[0145]
[0146] 式中，Qrac表示吸附式制冷机所需的热量，单位：kW；QCL是系统的冷负荷，单位：kW；COPac是吸收式制冷机的性能系数。
[0147] 然后确定热交换器所需的热Qrh为：
[0148]
[0149] 式中，Qrh表示热交换器所需的热，单位：kW；QHL是热负荷，单位：kW；ηhe是热交换器的效率。
[0150] 综合能源系统在供电的同时需要满足用户侧的冷需求和热需求。如果热回收系统回收的热量不能满足要求，则系统往往会通过增发燃气锅炉来满足剩余部分的热需求。
[0151] 然后确定等效热负荷：
[0152] Qreq＝Qrac+Qrh (11)
[0153] 其中，Qreq是等效热负荷，单位：kW。
[0154] 存在以下两种可能：
[0155] if Qrhs≥Qreq then Qboiler＝0 (12)
[0156] if Qrhs＜Qreq then Qboiler＝Qrac+Qrh-Qrhs(13)
[0157] 确定燃气锅炉消耗的燃料为：
[0158]
[0159] 然后确定整个系统消耗的燃料为：
[0160] Fm＝FMT+Fboiler (15)
[0161] 最后确定系统向大电网的购电量为：
[0162] Pgrid＝0 (16)
[0163] 式中，Pgrid表示系统向大电网购电量，单位：kW。
[0164] 步骤30)建立以热定电(FTL)运行模型，首先确定热回收系统回收的热量Qrhs为：
[0165] Qrhs＝Qreq＝Qrac+Qrh (17)
[0166] 由于系统所回收的余热是已知的，燃气轮机消耗的燃料FMT为：
[0167]
[0168] 在以热定电的运行模式下，每个运行时段内，系统所需要的热量由从燃气轮机回收的余热满足。
[0169] 确定燃气轮机的出力PMT为：
[0170] PMT＝FMTηMT (19)
[0171] 在该运行策略下，燃气轮机产生的电未必能满足系统需求，不足部分通过向大电网买电来满足。存在以下两种情况：
[0172] if PMT＜PEL then Pgrid＝PEL-PMT (20)
[0173] if PMT≥PEL then Pexcess＝PMT-PEL (21)
[0174] 式中，Pexcess是燃气轮机产生的过量的电，单位：kW；可以卖给电网或者是存储起来供将来使用。
[0175] 最后确定系统燃料的消耗为：
[0176] Fm＝FMT (22)
[0177] 步骤40)由步骤20)、步骤30)的分析可知当系统的电力需求和系统的热需求不同时，系统可能会需要购电或者通过增发燃气锅炉来补充热需求，因此何时需要购电或者是需要补燃锅炉是一个关键性的问题。
[0178] 燃气轮机的额定热电比为机组的供热量Qrhs和机组的发电量PMT之比，其计算方式如下：
[0179]
[0180] 式中，εN表示燃气轮机的额定热电比。
[0181] 确定负荷需求热电比：
[0182] KL＝Qreq/PEL (24)
[0183] 式中，KL表示负荷需求热电比。
[0184] 对于FTL的运行模式，购电的情况是：PEL-PMT>0(即PEL-Qreq·ηMT/(1-ηMT)ηrhs>0)，整理得Qreq/PEL<εN。
[0185] 对于FEL的运行模式，锅炉需要补燃的情况是：Qreq-Qhrs>0(即Qreq-PEL·(1-ηMT)·ηrhs/ηMT>0)，整理得Qreq/PEL>εN。
[0186] 步骤50)首先建立一次能源消耗(PEC)评价指标：
[0187] PEC＝kfFm+kePgrid (25)
[0188] 式中，PEC表示一次能源消耗指标，kf表示系统天然气一次能源消耗系数，ke表示电网一次能源消耗系数。
[0189] 建立运行费用(COST)：
[0190] COST＝CfFm+CePgrid (26)
[0191] 式中，COST表示系统运行费用指标，Cf表示系统运行系数，Ce表示电网运行费用系数。
[0192] 建立CO2排放量(CDE)指标：
[0193] CDE＝μfFm+μePgrid (27)
[0194] 式中，CDE表示系统CO2排放量指标；μf表示综合系统CO2排放系数，μe表示电网CO2排放系数。
[0195] 建立综合评价指标(IPC)，综合公式(25)、公式(26)、公式(27)三个指标，确定综合评价指标IPC：
[0196]
[0197] 式中，ω1、ω2、ω3表示权重系数。ω1+ω2+ω3＝1，ω1∈(0,1)，ω2∈(0,1)，ω3∈(0,1)；IPC表示综合评价指标。
[0198] (1)KL>εN，此时在FTL的情况下无需从电网购电，但是在FEL情况下需要增发燃气锅炉。
[0199]
[0200] 由KL>εN时，KL/εN>1恒成立，若要FEL运行模式优于FTL，即△E>0，需要ηboiler>ηr，而在实际运行中锅炉的供热效率一般高于综合能源系统发电设备的供热效率，因此在这种情况下FEL的运行模式优于FTL。
[0201] (2)KL<εN，此时在FTL运行模式下需要从电网购电，但是在FEL模式下不需要增发燃气锅炉。
[0202]
[0203] 当KL<εN时，KL/εN恒小于1，因此在这种情况下若FEL运行模式优于FTL，即△E>0，需要(km-kgridηMT)，即当km/kgrid<ηMT时，FEL运行方式优于FTL运行方式，反之则是FTL运行方式优于FEL。
[0204] 从上面分析得出结论是：
[0205] ①当KL>εN时或当KL<εN且km/kgrid<ηMT时，FEL运行方式优于FTL运行方式；
[0206] ②当KL<εN且km/kgrid>ηMT时，FTL运行方式优于FEL运行方式。
[0207] 在实际运行中当评价指标确定时，通过上述判断后选择FEL和FTL中更优的运行方式，让系统运行在该运行方式下从而使系统的性能达到最优。
[0208] 不同于上面的单个评价指标，当由多个指标综合作用时，其综合评价指标可以写成：
[0209]
[0210] 由公式(31)推到得出：
[0211]
[0212] 其中，
[0213] 令KF＝k11+k12+k13，KE＝k12+k22+k32，则上式可以转换成IPC＝KF·Fm+KE·Egrid。可以看出与上面推导的形式类似，于是可以根据上面的分析给出类似的结论：
[0214] ①当KL>εN时或当KL<εN且KF/KE<ηMT时，FEL运行方式优于FTL运行方式；
[0215] ②当KL<εN且KF/KE>ηMT时，FTL运行方式优于FEL运行方式。
[0216] 综上，本发明的方法首先建立分供系统模型，计算分供系统的购电量和燃料消耗量；然后建立“以热定电”和“以电定热”两种模式的综合能源系统模型，分别计算综合能源系统的购电量和燃料消耗量；建立系统三个评价指标：一次能源消耗、运行费用、CO2减排量，综合三个指标建立综合评价指标，通过计算冷热电系统两种主要运行方式的适用条件，确定综合能源系统的运行方式，使系统能源的利用率达到最优，比以电定热和以热定电运行方式更加经济和节能。很好的解决由于负荷的随机性和机组的部分负荷特性不一致导致采用某一运行方式时造成资源浪费的问题。
[0217] 以上所述仅是本发明的优选实施方式，应该指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
