[发明专利]一种冷热电联供微网系统建模方法

说明书

本发明涉及一种冷热电联供微网系统建模方法，为矩阵传函法，即针对冷热电联供微网系统的多输入多输出特性，采用矩阵传函法建立描述该系统能量转换与能量流动关系的数学模型。矩阵传函法包含了描述冷热电联供微网系统构成要素的效率矩阵、描述系统内部能量分配的派遣矩阵、描述系统需求与能源供应之间能量流动特征的转换矩阵。根据系统中每个构成要素的输入输出关系，可以建立其效率矩阵，效率矩阵代表了系统构成要素内部的能量转换关系；然后可以采用派遣矩阵建立各构成要素之间的能量流动关系；最后整个系统的能量流动关系可以用转换矩阵描述。本发明适用于各类能源系统的建模，简洁高效、易于实现、易于扩展。

技术领域

本发明属于冷热电联供微网系统技术领域，尤其涉及一种冷热电联供微网系统建模方法。

背景技术

根据美国能源管理部门的统计，许多国家的建筑能源消耗约占总能源消耗的40％，温室气体排放约占30％。尤其在中国，随着经济的快速增长，建筑能源消耗以每年超过10％的速度在增长。快速增长的能源消耗引起了一系列与建筑相关的问题和环境污染问题。发展冷热电联供微网系统是提高能源利用率、减少温室气体排放以及解决这一系列与建筑能源消耗有关问题的有效手段之一。

目前国内外关于冷热电联供微网系统的研究主要集中在冷热电联供微网系统结构设计、操作策略和系统评价准则研究等方面。

传统的冷热电联供微网系统由发电机组、热回收单元、吸收式制冷机、加热单元、辅助锅炉组成。发电机组产生的电用来满足用户的用电需求；热回收单元回收发电机组产生的废热并为用户的冷和热需求提供热能；吸收式制冷机将热回收单元回收的热转化为冷能提供给用户；加热单元将热回收单元回收的热转化为热能提供给用户。当系统所提供的热能不够时，辅助锅炉作为备用设备提供热能。

冷热电联供微网系统结构设计主要是在传统的冷热电联供微网系统的基础上，增加其他一些设备用于提高系统的能源利用效率和能量调节的灵活性。例如，系统增加电制冷机以调节系统利用电能和热能的灵活性；系统增加光伏发电单元和光热单元以充分利用绿色能源，减少传统化石能源的利用，提高能源利用效率；系统增加有机朗肯循环装置将系统多余的热能转化为电能，提高能源的利用率。

当系统的结构确定后，操作策略设计是冷热电联供微网系统设计第二个要考虑的要素。最主要的两种操作策略为：电跟随操作策略和热跟随操作策略。电跟随操作策略首先满足用电需求，若系统产生的热不能满足热需求，消耗燃料的辅助锅炉开始工作；热跟随操作策略首先满足热负荷需求，若系统产生的电不能满足电需求，则从电网买电。这两种操作策略都一定程度上有能源的浪费，因为系统中可能会有多余的热或多余的电产生。因此，系统结构和操作策略都有必要做进一步的改进，以进一步提高系统的能源利用率。

对冷热电联供微网系统的评价准则进行研究也是该领域研究的重要方向之一。能源和环境分析是冷热电联供微网系统综合评价中最重要的两个因素。在已查阅的文献中，一次能源节约和碳排放节约是常被用来评估系统优劣的指标。此外，全生命周期评价准则也是一些研究者们常常考虑到的评价准则。

对于传统的冷热电联供微网系统，当系统产生的电和热正好与用户的电、热需求相等，冷热电联供微网系统将具有最大的能源效率。然而，由于用户需求的不确定性，这种理想的状况很少出现。能源供应与能源需求总是不平衡。当能源供应超过能源需求，情况变得复杂。若系统产生的电能超过了用户的电能需求，多余的电能可以被存储起来，或被售回电网，或被转化为热能供用户使用。若系统产生的热能超过了用户的热需求，多余的热能可以被存储起来，或者被转化为电能以满足用户的用电需求。因此，本发明在系统结构中增加了有机朗肯循环装置，将系统中多余的热能转化为电能让用户使用。

随着传统冷热电联供微网系统的结构变得越来越复杂，对这一类复杂能源系统的建模成为了研究者们研究的重点和难点课题之一。传统的建模方法，通常以枚举的形式罗列出能源系统供需关系可能会出现的若干种状况，每一种状况建立一类数学模型，数学模型分类多且缺乏标准的统一的结构形式，让此类能源系统的分析变得复杂。

发明内容