技术领域
[0001] 本
发明属于电气工程技术领域，具体涉及一种综合能源路由器设备及能源转换的方法。
背景技术
[0002] 目前需求端所需要的电
力、供暖以及
天然气都是彼此分立供应的，电力由
电网系统供应，供暖由社区实现集中供应，天然气由燃气网络直接提供给用户。为了更好地适应分布式发电的接入形式，提高
可再生能源发电的消纳率，电力供应开始向社区级微型电网的方向发展，供电范围与社区供热范围逐渐重合。以燃气
内燃机或
燃气轮机为核心的冷热电三联供系统将燃烧发电后产生的高温空气循环利用，部分用于后续的发电过程，部分用于社区供热，在源头处实现了冷热和电力的联合供应，大幅提高了能源的综合利用效率，这也是现阶段比较成熟的能源互联方式。虽然目前已有冷热电三联供系统投入使用，但是其热电的
捆绑式生产使得发电和产热并不能很好地灵活分配。
[0003] 为了更好实现能源的耦合，进一步提升能源的综合利用效率，电和热需要进一步的转换互联，因此，设计一种能够深度耦合
电能和
热能的综合能源路由器是非常必要的。电作为高品位
能量可以通过电
锅炉等设备转换为热能，而热能也可以通过与有机工质换热促使工质
蒸发膨胀推动
活塞做功的方式发电，目前效果较好的是基于有机
朗肯循环的余热发电装置，这为综合能源路由器的设计提供了可能性。
发明内容
[0004] 随着能源互联网概念的提出和发展，能源互联耦合的需求不断提升，本发明针对
现有技术中的不足，首要目的是提供一种综合能源路由器设备。
[0005] 本发明的第二个目的是利用上述综合能源路由器设备实现能源转换的方法。
[0006] 为达到上述目的，本发明的解决方案是：
[0007] 该综合能源路由器设备使用的一次能源包括
太阳能、
风能和天然气，太阳能用于发电和集热，
风能用于发电，天然气用于发电、产热以及供气；实际上，本发明充分利用太阳能和风能等可再生能源，主要使用天然气等清洁能源。
[0008] 一种综合能源路由器设备，其包括：微型燃气轮机、余热发电装置、储电装置与储热装置。
[0009] 微型燃气轮机的一端与天然气相连通，以通过燃气的燃烧将
化学能转换为热能和机械能，并将机械能转换为电能。实际上，其电热比(即电能和热能的比例)可以通过控制抽气量加以调节，从而实现较大范围的电热分配比，此范围的选择还要参考微型燃气轮机的型号和使用工况，视具体情况而定；燃气为天然气。
[0010] 具体地，电热比的调节原理为：微型燃气轮机燃烧后产生高温烟气，其中一部分循环用于微型燃气轮机的燃烧过程，从而有助于提升产电的效率；另一部分通过抽气的方式抽离出去经
过热交换注入热力网。因此，抽气越少，电能输出越多，相应的热能输出就越少。
[0011] 余热发电装置，一端与微型燃气轮机相连，另一端与电
母线相连，以将微型燃气轮机内的余热进一步转换为电能。
[0012] 储电装置，与电母线双向连通，以在电能供应充足时储存电能，在电能供应不足时释放电能。
[0013] 储热装置，一端与供热母管相连通，另一端与热负荷相连通，以在热能供应充足时储存热能，在热能供应不足时释放热能。
[0014] 其中，冷能可以由电能和热能分别提供，也可以由两者联合供应。
[0015] 实际上，一种综合能源路由器设备，其还包括：锅炉、电制冷机、
吸收式制冷机、太阳能发电装置、
风力发电装置和
太阳能集热器。
[0016] 锅炉，一端通入燃气，另一端与供热母管相连通，以通过燃气的燃烧产生热能。锅炉为燃气锅炉。
[0017] 电制冷机，一端与电母线相连，另一端与冷负荷相连通，以将社区能源网络中的电能转换为冷能，其中，电能的来源可以包括光伏、风电、微型燃气轮机供电、储电和电网。
[0018] 吸收式制冷机，一端与供热母管相连通，另一端与冷负荷相连通，以将锅炉产生的热能转换为冷能。
[0019] 太阳能发电装置，与电母线相连，以将太阳能转换为电能。
[0020] 风力发电装置，与电母线相连，以将风能转换为电能。
[0021] 太阳能集热器，分散布置，以将太阳能转换为热能。
[0022] 优选地，余热发电装置是基于
有机朗肯循环的低温余热发电装置，即采用三氟二氯乙烷(R123)或五氟丙烷(R245fa)中的一种以上的适当的有机工质从微型燃气轮机燃烧后的高温烟气中吸收余热进行有机朗肯循环。
[0023] 优选地，储电装置选自
蓄电池、超级电容和压缩空气装置中的任意一种或几种；储热装置为蓄热
水箱。
[0024] 优选地，微型燃气轮机、太阳能发电装置、风力发电装置、余热发电装置以及储电装置联合供应电负荷；电制冷机与吸收式制冷机供应冷负荷；太阳能集热器、锅炉、微型燃气轮机以及储热装置联合供应热负荷；燃气直接供应气负荷。
[0025] 本发明的综合能源路由器设备以天然气为主要一次能源，充分利用太阳能、风能等可再生资源，多种类型的一次能源在该设备内互联转换，以满足用户所需要的冷负荷、热负荷、电负荷和气负荷。
[0026] 一种根据上述的综合能源路由器设备实现能源转换的方法，其除了以热定电和以电定热两种常规运行策略外，还考虑了一种电热实时自适应调节的运行策略，即电热
自动调节模式。
[0027] 优选地，以电定热模式为微型燃气轮机提供的电能满足电负荷，其产生的余热供给热负荷和冷负荷。
[0028] 优选地，以电定热模式中，若微型燃气轮机产生的余热满足热负荷和冷负荷时，剩下的余热进行发电或储热；若微型燃气轮机产生的余热不能满足热负荷和冷负荷时，锅炉和储热装置进行补足热负荷和冷负荷的差额。
[0029] 因为冷负荷可以由热能供给，所以锅炉和储热装置可以同时补足热负荷和冷负荷的差额。
[0030] 优选地，以热定电模式为微型燃气轮机和锅炉产生的热能满足热负荷，同时微型燃气轮机提供电能。
[0031] 优选地，以热定电模式中，若微型燃气轮机提供的电能无法满足电负荷时，则从电网侧补足电负荷的差额；若微型燃气轮机提供的电能满足电负荷时，盈余的电能储存或返给电网。
[0032] 优选地，电热自动调节模式利用余热发电技术将热能转换为电能，根据自然环境、负荷变化、能源供需和市场变化来自动调节电能和热能的相互转换以同时满足电负荷和热负荷。
[0033] 优选地，电热自动调节模式中不能同时满足电负荷和热负荷时，锅炉补足热负荷和冷负荷的差额，电网侧补足电负荷的差额。
[0034] 优选地，电负荷由微型燃气轮机、太阳能发电装置、风力发电装置、余热发电装置以及储电装置联合供应；冷负荷由电制冷机与吸收式制冷机供应；热负荷由太阳能集热器、锅炉、微型燃气轮机以及储热装置联合供应。
[0035] 由于采用上述方案，本发明的有益效果是：
[0036] 第一、本发明的综合能源路由器设备在传统的冷热电三联供系统的
基础上进行了改进和升级，在热能处理环节考虑并增加了基于有机朗肯循环的低温余热发电技术，不仅充分利用了微型燃气轮机产生的余热，提高了该设备的能源利用率，而且还通过热能转换电能的技术缓解了热电捆绑生产的局限性。
[0037] 第二、本发明的综合能源路由器设备以一次能源中的清洁能源天然气为核心，充分利用太阳能、风能等可再生能源，进一步减少了污染较重的传统化石能源的使用比重，从而满足节能减排的要求；另外，天然气、太阳能和风能在该设备内结合的同时增加了储电、储热等多种储能形式，进而大幅提高了能源供应的
稳定性。
[0038] 第三、本发明的能源转换除了现有的“以热定电”和“以电定热”两种运行方式外，还提出了一种电热实时自适应调节的运行方式，其可以根据自然环境、负荷等外在条件以及市场供需和价格变化，实时调节并控制微型燃气轮机和储能设备(包括储电装置和储热装置)的出力大小和运行状态，从而改变电能和热能的转换关系，使得电能和热能很好地灵活分配。
[0039] 第四、本发明的综合能源路由器设备在相同的负荷情况下，比现有的传统能源网络的供能运行
费用更低、综合能效更高和环境友好性更强。
[0040] 总之，本发明的综合能源路由器设备在冷热电三联供系统和基于有机朗肯循环的低温余热发电技术的基础上，通过建立综合能源耦合模型使能源之间更好地互联和转换，深度耦合冷热电气等多种能源形式，从而达到提高可再生能源的消纳率、综合能源利用率和经济效益的目的；另外，本发明综合能源路由器设备不仅仅是一种负责能源传递转换的系统设备，更是与协调调度结合组成多能互补的控制核心。
附图说明
[0041] 图1为本发明的综合能源路由器设备的结构示意图。
[0042] 图2为本发明的能源转换的方法的运行方式
流程图。
[0043] 图3为本发明的粒子群
算法的求解过程的流程图。
[0044] 附图标记：太阳能发电装置1、风力发电装置2、储电装置3、微型燃气轮机4、余热发电装置5、太阳能集热器6、电制冷机7、吸收式制冷机8、锅炉9和储热装置10。
具体实施方式
[0045] 本发明提供了一种综合能源路由器设备及能源转换的方法。
[0046] <综合能源路由器设备>
[0047] 如图1所示，一种综合能源路由器设备，其包括：微型燃气轮机4、余热发电装置5、锅炉9、电制冷机7、吸收式制冷机8、储电装置3、储热装置10、太阳能发电装置1、风力发电装置2和太阳能集热器6。
[0048] 其中，该综合能源路由器设备使用的一次能源包括太阳能、风能和天然气；太阳能用于发电和集热；风能用于发电；天然气用于发电、产热以及供气。
[0049] 实际上，在社区能源网络中，太阳能、风能等属于可再生能源，优先使用并使其工作在最大功率输出点。微型燃气轮机4和锅炉9等使用的天然气均属于清洁能源，污染较传统化石能源小，环境效益好，受环境影响小，可以作为满足负荷需求的主要调控。
[0050] 其中，微型燃气轮机4的一端与天然气的管道相连通，另一端分别与电母线、供热母管以及余热发电装置5相连。微型燃气轮机4根据实际情况选择运行方式，通过燃气的燃烧为用户提供电能，是综合能源路由器设备中的主电源，同时产生热能；具体地，电能和热能的比例(即电热比)可以通过控制抽气量进行调节，燃气为天然气，因此，微型燃气轮机4通过天然气的燃烧实现发电和产热的联合供应。
[0051] 余热发电装置5的一端与微型燃气轮机4通过管道相连通，另一端与电母线相连，即不仅与储电装置3相连，而且还与电负荷相连通。基于有机朗肯循环的余热发电装置5，采用适当的有机工质(R123或R245fa中的一种以上)从微型燃气轮机4燃烧后的高温烟气中吸收余热进行有机朗肯循环，将微型燃气轮机4内高温烟气中的热能转换为电能，即充分利用其中低品位的热能转换为高品位的电能。
[0052] 锅炉9的一端与天然气的管道相连通，另一端与供热母管相连通。锅炉9通过燃气的燃烧为用户提供热能，是综合能源路由器设备的主热源。
[0053] 电制冷机7的一端与电母线相连，另一端通过管道与冷负荷相连通。电制冷机7将社区能源网络中的电能转换为冷能，即通过消耗电能为用户提供所需要的冷负荷，其中，电能的来源可以包括光伏、风电、微型燃气轮机发电、储电和电网。
[0054] 吸收式制冷机8的一端与供热母管相连通，另一端通过管道与冷负荷相连通。吸收式制冷机8将锅炉9产生的热能转换为冷能，即通过消耗热能为用户提供所需要的冷负荷。
[0055] 储电装置3与电母线双向连通。储电装置3在电能供应充足时储存电能，在电能供应不足时释放电能，其中，储电装置3可以通过
蓄电池、超级电容和压缩空气装置等实现。
[0056] 储热装置10的一端与供热母管相连通，另一端通过管道与热负荷相连通。储热装置10在热能供应充足时储存热能，在热能供应不足时释放热能，其中，储热装置10可以由蓄热水箱完成。
[0057] 实际上，储电装置3和储热装置10在符合各种约束条件的前提下，且通过粒子群等智能算法可以解出最优的充放能策略，即储能设备(包括储电装置3和储热装置10)的能量可以实现双向流动，充能蓄能时吸收能量，可以看作负荷，释放能量时又可以看作是能量源头，起到能源供应
削峰填谷的作用。
[0058] 太阳能发电装置1通过逆变器与电母线相连。太阳能发电装置1将太阳能转换为电能。
[0059] 风力发电装置2与电母线相连并将风能转换为电能。
[0060] 太阳能集热器6分散布置。将太阳能转换为热能，且直接满足用户的热负荷。
[0061] 具体地，微型燃气轮机4、太阳能发电装置1、风力发电装置2、余热发电装置5以及储电装置3共同完成电负荷的供应；电制冷机7与吸收式制冷机8供应冷负荷；太阳能集热器6、锅炉9、微型燃气轮机4以及储热装置10共同完成热负荷的供应；天然气的管道直接供应气负荷。
[0062] <能源转换的方法>
[0063] 在本发明的综合能源路由器设备运行控制的过程中，增加了基于有机朗肯循环的余热发电装置5后，微型燃气轮机4的余热分配包括三种情况：余热全部供给热负荷和冷负荷；余热部分供给热负荷和冷负荷，部分发电；余热全部用于发电。但是余热发电的效率较低，余热优先供给热负荷和冷负荷，满足热负荷和冷负荷或者无热负荷、冷负荷的情况下，余热用于发电，因此，从电热耦合供应的
角度，本发明利用综合能源路由器设备实现能源转换的方法包括：以电定热模式、以热定电模式以及电热自动调节模式。
[0064] 如图2所示，当能源转换的方法中以电定热模式运行时，微型燃气轮机4提供的电能优先满足社区的电负荷，其产生的余热供给热负荷和冷负荷，当微型燃气轮机4产生的余热满足热负荷和冷负荷且有盈余时，盈余部分的热能进行发电或储热；当微型燃气轮机4产生的余热不能满足热负荷与冷负荷时，锅炉9和储热装置10进行补足热负荷和冷负荷的差额。其中，因为冷负荷可以由热能供给，所以锅炉9和储热装置10可以同时补足热负荷和冷负荷的差额。
[0065] 当能源转换的方法中以热定电模式运行时，微型燃气轮机4的余热和锅炉9产生的热能优先满足社区的热负荷，当微型燃气轮机4提供的电能不能满足社区的电负荷时，则从大电网侧补足电负荷的差额；当微型燃气轮机4提供的电能满足社区的电负荷且有盈余时，盈余的电能储存或返给电网。
[0066] 当能源转换的方法中以电热自动调节模式运行时，光伏出力可以根据气温和光照强度的变化趋势以及历史数据使用神经网络算法进行预测，负荷预测也可以根据历史数据得出，为实时调控奠定基础。同时，考虑能源供需以及市场价格变化，使用粒子群算法(如图3所示)在可行域内寻找微型燃气轮机4和储能设备(包括储电装置3和储热装置10)的最优解，快速地得出在此状态下各设备的最优运行状态。在此过程中，由于光伏出力以及负荷需求都处在动态变化之中，微型燃气轮机4、余热发电装置5以及储能设备(包括储电装置3和储热装置10)的电热转换关系和最优运行状态也跟随动态变化，综合能源路由器设备通过控制微型燃气轮机4的进气量、抽气量实时调控微型燃气轮机4的输出状态使之工作在最优运行点，并通过控制储能设备(包括储电装置3和储热装置10)中能量的流动方向使之也工作在最优运行点。若在最优运行点的设备出力不能同时满足用户的电负荷和热负荷时，则由锅炉9补足热负荷和冷负荷的差额，由电网侧负责补足电负荷的差额。其中，最优运行点的选取原则包括经济性指标、能源指标和环境指标，具体见下面的目标函数。
[0067] 具体地，电负荷的供应可以由微型燃气轮机4、太阳能发电装置1、风力发电装置2、余热发电装置5以及储电装置3共同完成；冷负荷的供应可以由电制冷机7与吸收式制冷机8单独完成或共同完成；热负荷的供应可以由太阳能集热器6、锅炉9、微型燃气轮机4以及储热装置10共同完成。
[0068] 实际上，综合能源路由器设备的实质是表达多能源输入和多能源输出的函数关系，在不考虑能源转换过程中暂态情况的前提下，可以用矩阵表示综合能源路由器设备的理想稳态模型，具体如下式：
[0069]
[0070] 其中，Li(i＝1,2,…,n)表示综合能源路由器设备的第i种能源形式的输出；Pj(j＝1,2,…m)表示综合能源路由器设备的第j种能源形式的输入；cij是耦合因子，一般由分配系数和效率因子两部分组成。
[0071] 在综合能源路由器设备的基础上，针对固定配置的综合能源路由器设备的运行状态进行多目标优化求解。多目标优化的数学形式为：
[0072]
[0073] 其中，x为优化变量，Ω为决策空间，y为目标函数，fi(i＝1,2,…,n)为第i个优化目标，G(x)和H(x)分别为等式约束和不等式约束。针对综合能源路由器设备，本发明的优化变量为微型燃气轮机、储热装置和储电装置的运行状态，优化目标分别为经济性指标、能源指标和环境指标。
[0074] (经济性指标)
[0075] 经济性指标F1以年为单位，因为设备安装可能受到国家政策等影响，所以经济性指标只考虑运行成本Cop和能源消耗成本Cenergy：
[0076] F1＝Cop+Cenergy
[0077] 运行成本Cop为：
[0078]
[0079] 能源消耗成本Cenergy为：
[0080]
[0081] 其中，Ni为第i类设备的机组台数，OMi为单台第i类设备在单位负荷下运行的费用，Ei，h为第i类设备每小时的负荷，Vgas，h为设备的每小时的用气量，Pgas为天然气的价格，Cele为从大电网购电的费用。
[0082] (能源指标)
[0083] 本发明以一次能源消耗量F2作为能源指标，一次能源消耗量是指系统消耗天然气量和购买电量所对应的一次能源消耗的能量。一次能源利用率是指系统输出能量的总和与一次能源消耗量总和的比值，一次能源利用率越高，系统的节能效果越好。
[0084] F2＝Egridσe+GINσf
[0085] 其中，Egrid是电网购电量，GIN是天然气的输入量，σe和σf分别为电网购电量和天然气所对应的一次能源的转换系数。
[0086] (环境指标)
[0087] 环境指标主要包括
碳排放量和氮排放量两个部分，本发明利用碳排放量代表环境指标F3：
[0088] F3＝Egridμe,C+GINμf,C
[0089] 其中，μe,C、μf,C分别表示电网电能和天然气对应的碳排放系数。
[0090] 以下结合
实施例对本发明作进一步的说明。
[0091] 实施例：
[0092] 本发明选取广州市某商场建筑作为验证综合能源路由器设备的实施例，该商场的2 2
建筑面积为6000m ，
空调覆盖面积为5037m ，选取冬季、夏季和过渡季的典型日期作为研究基础，模拟其能耗信息进行计算，具体求解使用粒子群算法，粒子群算法的求解过程的流程图如图3所示。
[0093] 分析比较综合能源路由器设备与现有包含分布式能源的微电网，目标结果数据如表1所示。
[0094] 表1传统能源网络和综合能源路由器设备的优化参数
[0095]优化目标 传统能源网络 综合能源路由器设备
经济指标 107万元 104万元
一次能源消耗量 3064.4兆瓦时 1990.0兆瓦时
能源利用率 56.8％ 87.5％
碳排放量 202.2吨 131.1吨
[0096] 由表1可知，在经济性方面，本发明提出的综合能源路由器设备的运维成本低于现有系统(即传统能源网络)，且此经济指标未包含综合能源路由器设备所带来的环境效益，考虑环境效益后，本发明的总成本明显优于现有的传统能源网络。
[0097] 在能源消耗方面，本发明提出的综合能路由器设备的一次能源消耗量与现有的传统能源网络相比下降了35.1％，能源利用率则提高了30.7％，因此，证明了本发明在能源指标方面远优于目前的传统能源网络。
[0098] 在环境效益方面，本发明提出的综合能源路由器设备的碳排放量比传统能源网络少了35.2％，同时与环境指标相关的氮排放量也相应减少，因此，本发明的综合能源路由器设备使用太阳能和天然气为主要一次能源，从而降低了碳的排放总量，能较好地缓解目前的
温室效应等环境问题，符合节能减排的思想，体现出了新能源耦合系统的优势。
[0099] 故通过此实施例验证了本发明的综合能源路由器设备的正确性和优越性。
[0100] 上述对实施例的描述是为了便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用本发明。熟悉本领域技术人员显然可以容易的对这些实施例做出各种
修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中，而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例。本领域技术人员根据本发明的原理，不脱离本发明的范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。
