[发明专利]电热联合微网能量梯级优化方法及系统

权利要求书

1.一种电热联合微网能量梯级优化方法，其特征在于，根据能量耦合转化元件建立风能与光能向电能转化、光能向热能转化、气能向电能与热能转化、电能向热能转化的能源耦合转化模型，基于该模型进行多种能源负荷计算和耦合转化关系分析，根据电热微网梯级利用，基于温度对口原则建立高、中、低品位热能转换模型；根据微网能流实时功率，以电热能量流供需平衡为约束、以综合能效转化成经济性最优为目标，通过能量梯级优化算法计算得到电热微网最优运行参数从而实现梯级优化调控；

所述的能量耦合转化元件包括：燃气轮机、燃气锅炉、电热泵、吸收式热泵、尖峰加热器、太阳能光热设备、电储能设备和冷、热水储能设备；

所述的基于该模型进行多种能源负荷计算中，能源耦合转化模型包括：

1)燃气轮机：以背压式燃气轮机为建模对象，其发电效率较高，但是运行过程中发电量、抽气量、废气排气比例固定，灵活性较差，燃气轮机的废气由余热锅炉回收，同时过滤废气中的污染物，减少排放污染，燃气轮机的热电联产模型为其中：为燃气轮机的功率，λ为天然气低位燃烧热值，为燃气轮机的进气量，η_GT为燃气轮机发电效率，为从废气回收的热功率，η_exh为余热回收效率，为抽气蒸汽热功率，η_ext为抽气系数，上角标t为时间；

2)燃气锅炉：燃气锅炉同样消耗天然气，但是缺少发电环节，燃烧产生高温蒸汽直接供热，其制热模型为H_GB(t)＝η_GB·λF_GB(t)，其中：F_GB(t)为燃气锅炉的进气量，H_GB(t)为燃气锅炉产生的蒸汽所含热能，η_GB为燃气锅炉效率；

3)电热泵、电制冷模型：电热泵与电制冷工作原理相似，其模型可用能效比系数表示，具体为：其中：为电热泵制热功率，为电热泵耗电功率，C_HP为电热泵能效比；为电制冷制冷功率，为电制冷耗电功率，C_RE为电制冷能效比；

4)吸收式热泵、吸收式制冷模型：吸收式热泵与吸收式制冷工作原理相似，吸收式热泵消耗少量高温热能产生大量中温热能，而吸收式制冷消耗高温热能产生冷能,并且伴随副产物大量的低温热水，具体为：其中：为吸收式热泵制热功率，C_AHP为吸收式热泵能效比，为吸收式热泵消耗蒸汽热功率；为吸收式制冷制冷功率，C_ACH为吸收式制冷能效比，为吸收式制冷产生的低温热能，k_ACH为基于吸收式制冷设备特性的比例常数；

5)尖峰加热器：尖峰加热器能够利用蒸汽将热水加热至高温，在数学模型上与换热器模型相似，具体如：其中：为尖峰加热器传递的热能，C_PH为换热效率，为尖峰加热器消耗的蒸汽热能；

6)太阳能光热设备：太阳能光热发电是利用太阳光聚焦产生高温蒸汽，一部分通过蒸气轮机发电，剩余部分用于供热，具体为：其中：P_PT为光热发电功率，η_ST为蒸汽轮机发电效率，E_solar为集热系统提供热能，x_p为进入蒸气轮机热能比例系数；H_{PT_H}为光热产热功率，η_ex为换热器效率，η_WH为蒸气轮机余热回收效率；

7)电储能模型：电储能模型用荷电状态表示，具体为：其中：为电储能荷电状态，为充放电功率(充电为正，放电为负)，E_ess,max为容量，η_chr为充电效率，η_dch为放电效率，σ_ess为自放电系数，Δt为时间间隔；

8)冷、热水储能模型：冷、热水储能为恒温储存，储水量的变化反映蓄能状态，具体为：其中：为水箱的存储的热能，σ_M为热自损耗系数，为水箱热功率，正为输入，负为输出；为水箱的存储的冷能，σ_C为冷自损耗系数，为水箱冷功率，正为输入，负为输出；

所述的耦合转化关系分析包括：

①在不同热能品位上的电热耦合关系，利用多能互补优势，提高能源利用效率与供能的灵活性：电热耦合的能量结构包括电力母线、蒸汽母线、低温热水母线、中温热水母线、高温热水母线，电力母线连接燃气轮机发电、太阳能光热发电、风力发电，并且与主电网和电池储能进行电能交互，向电负荷、电热泵和电制冷设备供电，蒸汽母线连接燃气轮机抽气与燃气锅炉，供应吸收式热泵、尖峰加热器和吸收式制冷设备与高温蒸汽负荷，低温热水母线由余热锅炉和吸收式制冷生产低温热水，供应吸收式热泵和电热泵，中温热水母线中低温热水加热后供应尖峰加热器与中温热水负荷，高温热水母线由尖峰加热器加热中温热水与太阳能光热供应，满足高温热水负荷；

②多能耦合关系：根据不同品位热能流，能源设备中的电热泵、吸收式热泵、尖峰加热器将驱动侧输入的能量部分转化至被加热侧，提高被加热侧的热能品位，其能量流上包括能量的转化与热能的转移，基于能量守恒定理与热能比焓定义，分析不同热能品位间的多能耦合关系具体为：

其中：x为能源设备类型，为输出热能，C_x为能效比常数，为驱动侧输入能量，为被加热侧输入热能；与分别为驱动侧与被加热侧工质流量，h_in、h_heated、h_out分别为驱动侧输入、被加热侧输入、被加热侧输出热能比焓，h_base为常温水比焓，作为基准，R_x为被加热侧与驱动侧输入热能之比，其取决于设备的能效比与设计输入输出比焓，对于特定设备可视作常数，基于比例系数R_x分析不同热能品位间的耦合转化关系，即基于原有数学模型改写电热泵、吸收式热泵、尖峰加热器的输入输出数学模型；

③能量流供需分析：基于能量流结构、能源设备模型与多能耦合关系，从源、荷、储角度分析不同能源母线上的能流实时值，具体为：其中：分别为电力、蒸汽、高温热水、中温热水、低温热水、冷水母线的能量来源总和；

所述的电热微网梯级利用是指：电热微网的梯级利用遵循温度对口利用方法，以电热能量流供需平衡为约束、以综合能效最优为目标分层次系统利用不同品位的热能，具体为：基于燃气轮机的热电联产，抽气热与废气热被区分利用，废气热经过余热锅炉回收产生低温热水，由于低温热水的存储与输热价值低，因此一部分废气热作为吸收式热泵的低温热源，剩余部分用于加热锅炉回水或是空间热负荷，抽气热为高温蒸汽，一部分驱动吸收式热泵将大量低温热水加热至中温，一部分通过尖峰加热器换热，将中温水加热至高温；

所述的能量梯级优化算法计算，采用基于Matlab平台与Yalmip工具箱构建电热微网的能流数学模型与约束，根据根据微网能流实时功率通过求解器Gurobi进行仿真，以综合能效转化成经济性最优为目标，制定各设备的调度计划；

所述的能量梯级优化算法，包括以下步骤：

步骤1)优化运行目标：优化策略的目标考虑日运行成本最低，目标函数由天然气、电能购买成本与设备运行成本组成，具体为：C_all＝C_ng+C_grid+C_device；

步骤2)天然气由燃气轮机与燃气锅炉消耗，则天然气购买成本具体为：其中：i为同类型设备内编号；

步骤3)微网与主电网处于并网运行状态，依据分时电价从主电网购售电，则电网购售电成本具体为：其中：为分时购电电价；

步骤4)设备运行成本可以分为能源设备运维成本和电池储能折旧成本，设备维护成本由设备单位功率成本定义，电池储能折旧成本与充放电电量相关，假设电储能随着充放电量增加线性折旧；则设备运行成本具体为：其中：C_device为设备运行成本，p_x为不同能源设备单位出力功率成本，为不同能源设备单位出力功率，Q_ess,max为蓄电池全生命周期充放电总量，为充放电功率。