本發(fā)明屬于能源技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種考慮熱水管網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及其輸送過程中能量損耗的分布式能源系統(tǒng)建模和運(yùn)行優(yōu)化方法。

背景技術(shù)：

傳統(tǒng)能源系統(tǒng)(如電力系統(tǒng)、天然氣系統(tǒng)和集中供熱系統(tǒng))一般采用集中式單一能源生產(chǎn)、大規(guī)模、遠(yuǎn)距離能量輸送模式，不僅能源利用效率低、輸送成本高、能量損失嚴(yán)重，而且對化石能源的依賴性較強(qiáng)，造成一定的環(huán)境影響。針對此問題，國內(nèi)外學(xué)者對分布式能源系統(tǒng)開展了深入研究，提出分布式能源系統(tǒng)可以作為傳統(tǒng)能源系統(tǒng)的有利補(bǔ)充和局部替代，緩減能源問題、經(jīng)濟(jì)問題和環(huán)境問題。分布式能源系統(tǒng)是指分布在用戶終端的局部能源生產(chǎn)供應(yīng)系統(tǒng)，一般和傳統(tǒng)能源系統(tǒng)通過公共耦合點(diǎn)進(jìn)行連接，通過整合燃?xì)廨啓C(jī)、太陽能光熱/光伏系統(tǒng)、熱泵、鍋爐等技術(shù)將多種形式的可再生能源和化石能源綜合利用和集成互補(bǔ)，從而實(shí)現(xiàn)用戶多種負(fù)荷需求的聯(lián)合生產(chǎn)和供應(yīng)。分布式能源系統(tǒng)不僅能滿足用戶的多樣化能量需求，保證供能可靠性，而且可以提高能源利用效率，減少能源損耗并降低經(jīng)濟(jì)成本。

目前的方法和技術(shù)大多從分布式能源站的優(yōu)化設(shè)計和運(yùn)行兩個方面進(jìn)行探討，優(yōu)化設(shè)計的重點(diǎn)在于確定能源設(shè)備的最優(yōu)組合和設(shè)備容量大小，優(yōu)化運(yùn)行的重點(diǎn)在于通過優(yōu)化算法減少運(yùn)行成本、投資費(fèi)用和溫室氣體排放。然而，這些方法和技術(shù)往往忽略了能量傳輸網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及其輸送過程中的能量損耗問題，將分布式能源站作為分布式能源系統(tǒng)進(jìn)行研究，不能反映分布式能源系統(tǒng)的實(shí)際情況。作為能量傳輸網(wǎng)絡(luò)的一種，熱水管網(wǎng)在熱量傳輸過程中會損失大量能量，高達(dá)總能量的16％左右；如果忽略這部分能耗，則不能真實(shí)地反映分布式能源系統(tǒng)的能源效益問題，得出的結(jié)果也和實(shí)際情況存在較大差異。因此，需要尋找有效的方法對分布式能源系統(tǒng)進(jìn)行建模和優(yōu)化運(yùn)行，同時應(yīng)該將熱水管網(wǎng)的具體拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和能量損失考慮在內(nèi)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種考慮熱水管網(wǎng)的分布式能源系統(tǒng)建模和運(yùn)行優(yōu)化方法，旨在結(jié)合實(shí)際情況將能量傳輸網(wǎng)絡(luò)的具體拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和能量傳輸損失考慮在內(nèi)，解決分布式能源系統(tǒng)在建模優(yōu)化過程中如何減少能耗、降低運(yùn)行成本等問題。

本發(fā)明的目的是通過如下措施來達(dá)到的，一種考慮熱水管網(wǎng)的分布式能源系統(tǒng)建模和運(yùn)行優(yōu)化方法，建立一個新的分布式能源系統(tǒng)物理模型，通過和電網(wǎng)連接并整合燃?xì)廨啓C(jī)、太陽能光熱系統(tǒng)、熱泵系統(tǒng)、余熱鍋爐和電熱水鍋爐等先進(jìn)技術(shù)，充分利用電網(wǎng)電力、清潔天然氣、高溫廢熱和自然界中的太陽能、地?zé)岬瓤稍偕茉磳?shí)現(xiàn)一定區(qū)域范圍內(nèi)的電、熱聯(lián)合生產(chǎn)和供應(yīng)；建立一個含兩層優(yōu)化模型的系統(tǒng)日運(yùn)行優(yōu)化策略，通過考慮熱水管網(wǎng)熱耗、調(diào)節(jié)供/回水溫度和管網(wǎng)流量、制定能源購買計劃來最小化系統(tǒng)運(yùn)行過程中的能源消耗量和運(yùn)行成本；將分布式能源系統(tǒng)和傳統(tǒng)能源供應(yīng)系統(tǒng)進(jìn)行比較分析，定量描述分布式能源系統(tǒng)的能源效益和經(jīng)濟(jì)效益。

分布式能源系統(tǒng)由分布式能源站、熱水管網(wǎng)、低壓配電網(wǎng)和社區(qū)用戶負(fù)荷組成；該系統(tǒng)能夠與電網(wǎng)通過公共耦合點(diǎn)進(jìn)行電氣連接，通過交互和優(yōu)化運(yùn)行完成一定區(qū)域范圍內(nèi)的電、熱負(fù)荷聯(lián)合生產(chǎn)和供應(yīng)；分布式能源系統(tǒng)中的能源站又由太陽能光熱系統(tǒng)、地源熱泵、吸收式熱泵、燃?xì)廨啓C(jī)、余熱鍋爐和電熱水鍋爐按照一定的整合方式構(gòu)成；太陽能光熱系統(tǒng)是一級能量生產(chǎn)單元，地源熱泵和吸收式熱泵組合共同構(gòu)成二級能量生產(chǎn)單元，余熱鍋爐是三級能量生產(chǎn)單元，電熱水鍋爐是四級能量生產(chǎn)單元；燃?xì)廨啓C(jī)是整個能源站的核心動力設(shè)備，生產(chǎn)的電能一部分用于供給用戶電負(fù)荷需求，一部分用于地源熱泵的外部電能驅(qū)動和電熱水鍋爐的電能輸入；燃?xì)廨啓C(jī)的廢氣余熱通過回收由吸收式熱泵和余熱鍋爐加以充分利用以生產(chǎn)熱能。

對分布式能源系統(tǒng)中的能源站進(jìn)行數(shù)學(xué)建模，具體構(gòu)建方法如下：

對于燃?xì)廨啓C(jī)而言，當(dāng)輸出電功率為P_gt時，燃?xì)廨啓C(jī)需要消耗的天然氣量V_gas是

其中，η_gt為燃?xì)廨啓C(jī)的效率，H_u為天然氣低位熱值。

燃?xì)廨啓C(jī)產(chǎn)生的高溫?zé)煔庥酂崃縌_gt為

其中η_loss為燃?xì)廨啓C(jī)熱損失效率；

對于太陽能光熱系統(tǒng)而言，Q_s表示可用于制熱的太陽能功率，t_r1和t_SHS分別表示輸入端口和輸出端口的水流溫度，m₁表示水的質(zhì)量流率，C_w表示水的比熱容，則根據(jù)比熱容公式有式(3)：

Q_s＝C_wm₁(t_SHS-t_r1) (3)

其中，t_r1也是熱水管網(wǎng)和分布式能源站連接的端口回水溫度；

對于地源熱泵而言，Q_ge表示所收集的地?zé)崮埽琍_ec表示地源熱泵所消耗的電能，Q_ec表示地源熱泵輸出的能量功率，則它們之間的關(guān)系如式(4)所示：

Q_ec＝Q_ge+P_ec (4)

地源熱泵的性能系數(shù)COP_ec可以定義為式(5)：

進(jìn)一步，式(4)(5)可以轉(zhuǎn)化為式(6)(7)：

對于吸收式熱泵而言，其低溫?zé)嵩磥碜杂诘卦礋岜?，兩者共同組成復(fù)合式熱泵系統(tǒng)；地源熱泵產(chǎn)生的能量功率Q_ec即為吸收式熱泵的低溫?zé)崃枯斎?；Q_gt1表示吸收式熱泵所需要的高溫?zé)嵩打?qū)動，來自于燃?xì)廨啓C(jī)的高溫廢熱；Q_ac表示吸收式熱泵(亦即是復(fù)合式熱泵系統(tǒng))的輸出能量功率；則它們之間的關(guān)系如式(8)所示：

Q_ac＝Q_gt1+Q_ec (8)

吸收式熱泵的性能系數(shù)COP_ac可以定義為式(9)：

進(jìn)一步，結(jié)合式(6)(8)(9)，Q_ac可以用式(10)表示：

復(fù)合式熱泵系統(tǒng)的上一級能量生產(chǎn)單元是太陽能光熱系統(tǒng)，則太陽能光熱系統(tǒng)的輸出端口即是復(fù)合式熱泵系統(tǒng)的輸入端口，其水流溫度為t_SHS；用t_HP表示復(fù)合式熱泵系統(tǒng)的輸出端口水流溫度，水的質(zhì)量流率和比熱容仍然是m₁和C_w，則根據(jù)比熱容公式有式(11)：

Q_ac＝C_wm₁(t_HP-t_SHS) (11)

對于余熱鍋爐而言，用于制熱的能量功率來源于回收燃?xì)廨啓C(jī)的高溫廢熱，用Q_gt2表示；其上一級能量生產(chǎn)單元是復(fù)合式熱泵系統(tǒng)，則復(fù)合式熱泵系統(tǒng)的輸出端口即是余熱鍋爐的輸入端口，其水流溫度為t_HP；用t_WHB表示余熱鍋爐的輸出端口水流溫度，水的質(zhì)量流率和比熱容仍然是m₁和C_w，則根據(jù)比熱容公式有式(12)：

Q_gt2＝C_wm₁(t_WHB-t_HP) (12)

對于電熱水鍋爐而言，通過消耗電能來制熱，用P_eb表示消耗的電能功率；其上一級能量生產(chǎn)單元是余熱鍋爐，則余熱鍋爐的輸出端口即是電熱水鍋爐的輸入端口，其水流溫度為t_WHB；用t_EWB表示電熱水鍋爐的輸出端口水流溫度，水的質(zhì)量流率和比熱容仍然是m₁和C_w，則根據(jù)比熱容公式有式(13)：

P_eb＝C_wm₁(t_EWB-t_WHB) (13)

其中，t_EWB也是熱水管網(wǎng)和分布式能源站連接的端口供水溫度，t_s1＝t_EWB。

分布式能源系統(tǒng)中的低壓配電網(wǎng)絡(luò)是輻射性結(jié)構(gòu)，其數(shù)學(xué)建模主要考慮功率平衡方程；由于產(chǎn)生的功率損耗很小，在功率平衡方程中可以忽略功率損耗一項(xiàng)，用式(14)表示：

其中，P_G,i和P_D,i分別表示節(jié)點(diǎn)i處的有功功率輸入和有功負(fù)荷，Q_G,i和Q_D,i分別表示節(jié)點(diǎn)i處的無功功率輸入和無功負(fù)荷。

分布式能源系統(tǒng)中的熱水管網(wǎng)主要由換熱站、管道和循環(huán)水泵組成，在所述的系統(tǒng)建模和優(yōu)化運(yùn)行方法中需要詳細(xì)考慮熱水管網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、管網(wǎng)熱耗和水泵電耗；

對于第i個換熱站，Q_net，i表示從熱水管網(wǎng)傳遞到換熱器中的熱量，Q_rad，i表示從換熱器一次側(cè)傳到二次側(cè)的換熱量，Q_i表示用戶的熱負(fù)荷需求，在系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)下，它們之間的關(guān)系如式(15)所示：

Q_net,i＝Q_rad,i＝Q_i (15)

C_w表示水的比熱容，t_s,i和t_r,i分別表示該換熱器一次側(cè)的熱流進(jìn)、出口溫度，m_i表示熱流的質(zhì)量水流率，T_s,i和T_r,i分別表示換熱器二次側(cè)的冷流進(jìn)、出口溫度，K表示換熱器的傳熱系數(shù)，A表示換熱器的面積；則從熱水管網(wǎng)傳遞到換熱器中的熱量Q_net，i可根據(jù)比熱容公式計算，如式(16)所示；從換熱器一次側(cè)傳到二次側(cè)的換熱量Q_rad，i可以根據(jù)對數(shù)平均溫差法計算，如式(17)所示：

Q_net，i＝C_wm_i(t_s,i-t_r,i) (16)

Q_rad，i＝KA_iΔt_m (17)

其中，

對于逆流板式換熱器，Δt₁＝t_s,i-T_s,i,Δt₂＝t_r,i-T_r,i；

在熱水管網(wǎng)中，熱水流經(jīng)管道時會產(chǎn)生熱損失，管道水溫會下降；i和j分別表示管道ij的起點(diǎn)和終點(diǎn)，ΔQ_ij表示管道ij的熱損失，L_ij表示管道ij的長度，C_w表示水的比熱容，m_ij表示通過管道的質(zhì)量水流率，t_i和t_j分別表示管道的進(jìn)、出水溫度，h表示管道單位長度傳熱系數(shù)，t_a表示管道周圍空氣溫度；

管道熱損失根據(jù)比熱容公式計算，如式(18)所示：

ΔQ_ij＝C_wm_ij(t_i-t_j) (18)

管道進(jìn)、出水溫度關(guān)系可由式(19)計算：

熱水管網(wǎng)的供水管道上配置變速循環(huán)水泵用以彌補(bǔ)各種壓力損失以保持水力平衡；主管道水泵采用零壓差控制方式，各支路管道水泵采用流量控制方式，此時水泵的電功率損耗和通過它的質(zhì)量水流率存在以下關(guān)系：

其中，P_pump和P'_pump分別表示循環(huán)水泵實(shí)際消耗的功率和額定運(yùn)行工況下的功率，m_pump和m'_pump分別表示通過循環(huán)水泵的實(shí)際質(zhì)量水流率和額定運(yùn)行工況下的質(zhì)量水流率。

社區(qū)用戶熱、電負(fù)荷需求和太陽能光熱系統(tǒng)出力為已知預(yù)測量，地源熱泵所采集的地?zé)崮芄潭ú蛔儾橐阎?，系統(tǒng)所消耗的電網(wǎng)電力和天然氣容量根據(jù)日優(yōu)化運(yùn)行策略求出；在系統(tǒng)運(yùn)行過程中，日優(yōu)化運(yùn)行策略通過燃?xì)廨啓C(jī)生產(chǎn)電能并和電網(wǎng)連接共同為社區(qū)用戶供應(yīng)電能；熱量生產(chǎn)的過程優(yōu)先采用可再生能源和高溫廢熱，在它們不能滿足熱負(fù)荷需求的情況下再采用天然氣和電網(wǎng)電力進(jìn)行制熱；其中天然氣和電網(wǎng)電力的使用量需要考慮能源效益和經(jīng)濟(jì)效益等目標(biāo)根據(jù)當(dāng)時的能源價格變化和約束條件進(jìn)行優(yōu)化求?。辉摬呗钥傮w來說包括以下兩個步驟：

步驟一，系統(tǒng)根據(jù)用戶熱負(fù)荷預(yù)測數(shù)據(jù)進(jìn)行一層優(yōu)化，在最小化熱水管網(wǎng)能耗(包括管網(wǎng)熱損失和水泵電耗)的同時確定管網(wǎng)質(zhì)量水流率和節(jié)點(diǎn)供/回水溫度的最優(yōu)設(shè)定值；

步驟二，系統(tǒng)根據(jù)用戶電負(fù)荷預(yù)測數(shù)據(jù)、太陽能光熱系統(tǒng)出力預(yù)測數(shù)據(jù)和地源熱泵采集的地?zé)崮艽笮≡谝粚觾?yōu)化的基礎(chǔ)上進(jìn)行二層優(yōu)化，在最小化分布式能源系統(tǒng)的運(yùn)行成本(包括電網(wǎng)電力和天然氣購買成本以及能源消耗補(bǔ)償費(fèi)用)的同時確定分布式能源系統(tǒng)的能源購買計劃。

所構(gòu)建的分布式能源系統(tǒng)日運(yùn)行優(yōu)化策略包含兩層優(yōu)化模型；

第一層優(yōu)化模型的構(gòu)建方法如下：

步驟一，以最小化熱水管網(wǎng)中的能耗(包括管網(wǎng)熱損失和循環(huán)水泵中的電耗)為目標(biāo)函數(shù)，如式(21)所示：

其中，n表示熱水管網(wǎng)中循環(huán)水泵的總數(shù)；ΔQ_s,ij和ΔQ_r,ij分別表示供水管道ij和回水管道ij的熱損失，可根據(jù)式(18)計算；P_pump,i表示第i個循環(huán)水泵消耗的電功率，可根據(jù)式(20)用式(22)計算：

P_pump,i＝G³P'_pump,i (22)

G表示相對質(zhì)量水流率，各條管道或通過循環(huán)水泵的相對質(zhì)量水流率相等：

步驟二，選取相對質(zhì)量水流率和管網(wǎng)各個節(jié)點(diǎn)的供/回水溫度作為優(yōu)化決策變量；

相對質(zhì)量水流率如式(23)所示；

Q_i表示第個社區(qū)的實(shí)際用戶熱負(fù)荷需求，m_i表示流過第i個換熱站的實(shí)際質(zhì)量水流率，t_s,i和t_r,i分別表示第i個換熱站一次側(cè)的熱流實(shí)際進(jìn)/出水溫度，T_s,i和T_r,i分別表示第i個換熱站二次側(cè)的冷流實(shí)際出/進(jìn)水溫度，上標(biāo)“’”表示設(shè)計運(yùn)行工況；

根據(jù)式(15)-(17)可推導(dǎo)出如下等式關(guān)系：

進(jìn)而根據(jù)式(24)推導(dǎo)出各個換熱站的一次側(cè)熱流實(shí)際進(jìn)/出水溫度：

進(jìn)一步，根據(jù)換熱站一次側(cè)熱流實(shí)際進(jìn)/出水溫度可依次推出熱水管網(wǎng)各個節(jié)點(diǎn)的供/回水溫度；

對于供水管道而言，管道最末端屬于出水節(jié)點(diǎn)，其出水溫度就是換熱站一次側(cè)熱流進(jìn)水溫度t_s,i，根據(jù)式(19)可計算出管道另一端的進(jìn)水溫度；若管道端點(diǎn)為公共節(jié)點(diǎn)k，相連接的熱水管道的進(jìn)水溫度已分別計算出為t_s,ki(ki∈L)，L為連接于該公共節(jié)點(diǎn)的管道集合，則公共節(jié)點(diǎn)的最終實(shí)際溫度取所連接管道進(jìn)水溫度的最大值：

t_s,k＝max{t_s,ki,ki∈L} (26)

對于回水管道而言，管道最末端屬于進(jìn)水節(jié)點(diǎn)，其進(jìn)水溫度就是換熱站一次側(cè)熱流出水溫度t_r,i，根據(jù)式(19)可計算出管道另一端的出水溫度；若管道端點(diǎn)為公共節(jié)點(diǎn)k，相連接的熱水管道的出水溫度已分別計算出為t_r,ki(ki∈L)，L為連接于該公共節(jié)點(diǎn)的管道集合，則公共節(jié)點(diǎn)的最終實(shí)際溫度取決于所連接的管道端點(diǎn)出水溫度和管道質(zhì)量水流率，如式(27)所示：

步驟三，優(yōu)化模型的約束條件包括：換熱站一次側(cè)熱流進(jìn)/出水溫度的上下限約束、相對質(zhì)量水流率的上下限約束和熱水管網(wǎng)的流量連續(xù)性方程，如式(28)所示：

其中，t'_s和t'_r分別表示換熱站一次側(cè)熱流的進(jìn)/出水溫度設(shè)定值，T'_s和T'_r分別表示換熱站二次側(cè)冷流的出/進(jìn)水溫度設(shè)定值；和分別表示相對質(zhì)量水流率的上/下限；m_lk表示熱水管網(wǎng)管道質(zhì)量水流率，V_l表示與節(jié)點(diǎn)l相連的管道集合；經(jīng)過第一層優(yōu)化模型，可以確定各管道的最優(yōu)質(zhì)量水流率和各節(jié)點(diǎn)的供/回水溫度，包括但不限于流進(jìn)能源站的最優(yōu)質(zhì)量水流率m₁、能源站的最優(yōu)進(jìn)口回水溫度t_r,1以及能源站的最優(yōu)出口供水溫度t_s,1；實(shí)際熱負(fù)荷需求(即能源站需要供應(yīng)的熱量)不再是簡單的用戶社區(qū)熱負(fù)荷總和H_load,而是計及熱水管網(wǎng)熱耗在內(nèi)的總熱負(fù)荷，可由式(29)計算：

H＝C_wm₁(t_s,1-t_r,1) (29)

第二層優(yōu)化模型是在一層優(yōu)化模型的基礎(chǔ)上構(gòu)建的，具體方法如下：

步驟一，以最小化能源站每小時的運(yùn)行成本(包括購買天然氣和電網(wǎng)電量的能源成本、能源消耗補(bǔ)償費(fèi)用)為目標(biāo)函數(shù)，如式(30)所示：

min f₂＝λc_eP_grid+c_gV_gas (30)

其中，c_e和c_g分別表示電網(wǎng)電力和天然氣的能源價格，P_grid和V_gas分別表示購買的電網(wǎng)電量和天然氣用量，λ表示能源消耗補(bǔ)償系數(shù)；

在目標(biāo)函數(shù)中，能源成本通過能源消耗量與價格的乘積求得；能源消耗補(bǔ)償系數(shù)通過比較不同能源生產(chǎn)過程中所消耗的千克煤當(dāng)量來分析求取，具體如下：燃煤發(fā)電生產(chǎn)1kWh電能需要0.3200kgce，電網(wǎng)將近70％的電力采用燃煤發(fā)電方式，那么電網(wǎng)生產(chǎn)1kWh電能需要消耗0.2240kgce(0.3200×70％＝0.2240)；如果采用天然氣發(fā)電，生產(chǎn)1kWh電能需要消耗0.12143kgce；因此能源消耗補(bǔ)償系數(shù)取兩者的比值得到，如式(31)所示：

步驟二，選取購買的電網(wǎng)電量P_grid和天然氣用量V_gas作為優(yōu)化決策變量；

步驟三，優(yōu)化模型的約束條件包括如下等式約束和不等式約束，并且應(yīng)該結(jié)合分布式能源站各設(shè)備的數(shù)學(xué)模型(1)-(13)：

熱平衡，如式(32)所示：

H＝Q_s+Q_ac+Q_gt2+P_eb (32)

電平衡，如式(33)所示：

P_load+P_wnet＝P_grid+P_gt-P_ec-P_eb (33)

分布式能源系統(tǒng)只購買電網(wǎng)電力，不向電網(wǎng)售電，約束如式(34)所示：

P_grid≥0 (34)

天然氣分配節(jié)點(diǎn)容量約束，如式(35)所示：

分布式能源站各設(shè)備容量范圍約束，如式(35)-(39)所示：

Q_gt≥Q_gt1+Q_gt2(39)

分布式能源站各設(shè)備進(jìn)出口溫度大小約束，如式(40)所示：

t_r1≤t_SHS≤t_HP≤t_WHB≤t_EWB (40)

其中，P_load表示社區(qū)用戶總電負(fù)荷需求；P_wnet表示熱水管網(wǎng)循環(huán)水泵所消耗的電能，根據(jù)一層優(yōu)化模型獲得。

將分布式能源系統(tǒng)與傳統(tǒng)供能系統(tǒng)進(jìn)行能耗和運(yùn)行成本的比較分析，評估分布式能源系統(tǒng)的能源效益和經(jīng)濟(jì)效益；

對于分布式能源系統(tǒng)而言：

能耗仍然用千克煤當(dāng)量等值；1kWh電網(wǎng)電量等值于0.2240kgce，1m³天然氣等值于1.2143kgce，因此分布式能源系統(tǒng)的能耗E_DES用式(41)計算：

E_DES＝0.2240P_grid+1.2143V_gas (41)

運(yùn)行成本C_DES用式(42)計算：

C_DES＝λc_eP_grid+c_gV_gas (42)

其中，P_grid和V_gas分別表示在滿足用戶熱、電負(fù)荷需求的情況下分布式能源系統(tǒng)需要購買的電網(wǎng)電量和天然氣量，c_e和c_g分別表示電力和天然氣的價格，λ表示能源消耗補(bǔ)償系數(shù)；

隨著電能的普及，傳統(tǒng)供能系統(tǒng)中一般均采用電網(wǎng)電力來滿足用戶熱、電負(fù)荷需求，這種情況下傳統(tǒng)供能系統(tǒng)的能耗E_MG用式(43)計算，運(yùn)行成本C_MG用式(44)計算：

其中，η_h表示用電制熱的生產(chǎn)效率，H表示用戶總熱負(fù)荷，P_load表示用戶總電負(fù)荷；

進(jìn)一步，分布式能源系統(tǒng)相比傳統(tǒng)供能系統(tǒng)減少的能耗和運(yùn)行成本用它們之間的相對百分比進(jìn)行衡量，如式(45)(46)所示：

其中，R_E表示分布式能源系統(tǒng)的能耗減少系數(shù)，R_C表示分布式能源系統(tǒng)成本減少系數(shù)。

本發(fā)明提供的考慮熱水管網(wǎng)的分布式能源系統(tǒng)建模和運(yùn)行優(yōu)化方法，在建立一個新的分布式能源系統(tǒng)物理模型和數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上通過系統(tǒng)日運(yùn)行優(yōu)化策略的執(zhí)行實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的能源效益和經(jīng)濟(jì)效益。本發(fā)明將分布式能源系統(tǒng)和電網(wǎng)通過公共耦合點(diǎn)進(jìn)行連接，整合了燃?xì)廨啓C(jī)、太陽能光熱系統(tǒng)、熱泵系統(tǒng)、余熱鍋爐和電熱水鍋爐等先進(jìn)技術(shù)，充分利用電網(wǎng)電力、清潔天然氣、高溫廢熱和自然界中的太陽能、地?zé)岬瓤稍偕茉磳?shí)現(xiàn)一定區(qū)域范圍內(nèi)的電、熱負(fù)荷聯(lián)合生產(chǎn)和供應(yīng)。同時，本發(fā)明結(jié)合實(shí)際情況詳細(xì)考慮熱水管網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浜凸芫W(wǎng)能耗，通過日運(yùn)行優(yōu)化策略中兩層優(yōu)化模型的建立和求解，在滿足用戶負(fù)荷需求及系統(tǒng)運(yùn)行約束條件下最大程度地將系統(tǒng)運(yùn)行過程中的能源消耗量和運(yùn)行成本降至最低，確定了熱水管網(wǎng)供/回水溫度和流量的最優(yōu)設(shè)定值，制定了隨著能源價格變化的能源購買計劃。此外，通過和傳統(tǒng)能源供應(yīng)系統(tǒng)進(jìn)行比較分析，結(jié)果表明本發(fā)明具有節(jié)約能源、降低經(jīng)濟(jì)成本的優(yōu)勢。

附圖說明

圖1是本發(fā)明實(shí)施例提供的分布式能源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2是本發(fā)明實(shí)施例提供的考慮熱水管網(wǎng)的分布式能源系統(tǒng)含二層優(yōu)化模型的日運(yùn)行優(yōu)化策略流程圖。

圖3是本發(fā)明實(shí)施例提供的環(huán)境溫度曲線示意圖。

圖4是本發(fā)明實(shí)施例提供的用戶負(fù)荷曲線示意圖。

圖5是本發(fā)明實(shí)施例提供的太陽能光熱系統(tǒng)出力曲線示意圖。

圖6是本發(fā)明實(shí)施例提供的地?zé)崮芮€示意圖。

圖7是本發(fā)明實(shí)施例提供的一層優(yōu)化熱水管網(wǎng)最低能耗曲線示意圖。

圖8是本發(fā)明實(shí)施例提供的相對質(zhì)量水流率最優(yōu)設(shè)定值曲線示意圖。

圖9是本發(fā)明實(shí)施例提供的能源站供水溫度最優(yōu)設(shè)定值曲線示意圖。

圖10是本發(fā)明實(shí)施例提供的能源站回水溫度最優(yōu)設(shè)定值曲線示意圖。

圖11是本發(fā)明實(shí)施例提供的二層優(yōu)化分布式能源系統(tǒng)最小運(yùn)行成本曲線示意圖。

圖12是本發(fā)明實(shí)施例提供的電網(wǎng)電力購買量曲線示意圖。

圖13是本發(fā)明實(shí)施例提供的天然氣購買量曲線示意圖。

圖14是本發(fā)明實(shí)施例提供的能源站各制熱單元可用能量曲線示意圖。

圖15是本發(fā)明實(shí)施例提供的能源站各制熱單元出口溫度曲線示意圖。

圖16是本發(fā)明實(shí)施例提供的分布式能源系統(tǒng)和傳統(tǒng)供能系統(tǒng)能耗大小比較曲線示意圖。

圖17是本發(fā)明實(shí)施例提供的分布式能源系統(tǒng)和傳統(tǒng)供能系統(tǒng)運(yùn)行成本高低比較曲線示意圖。

具體實(shí)施方式

為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合實(shí)施例，對本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。

本發(fā)明提出一種考慮熱水管網(wǎng)的分布式能源系統(tǒng)建模和運(yùn)行優(yōu)化方法，建立了一個新的分布式能源系統(tǒng)物理模型，通過和電網(wǎng)連接并整合燃?xì)廨啓C(jī)、太陽能光熱系統(tǒng)、熱泵系統(tǒng)、余熱鍋爐和電熱水鍋爐等先進(jìn)技術(shù)，充分利用電網(wǎng)電力、清潔天然氣、高溫廢熱和自然界中的太陽能、地?zé)岬瓤稍偕茉磳?shí)現(xiàn)一定區(qū)域范圍內(nèi)的電、熱聯(lián)合生產(chǎn)和供應(yīng)；建立了一個含兩層優(yōu)化模型的系統(tǒng)日運(yùn)行優(yōu)化策略，通過考慮熱水管網(wǎng)熱耗、調(diào)節(jié)供/回水溫度和管網(wǎng)流量、制定能源購買計劃來最小化系統(tǒng)運(yùn)行過程中的能源消耗量和運(yùn)行成本；將分布式能源系統(tǒng)和傳統(tǒng)能源供應(yīng)系統(tǒng)進(jìn)行比較分析，定量描述分布式能源系統(tǒng)的能源效益和經(jīng)濟(jì)效益。

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的應(yīng)用原理作詳細(xì)的描述。

如圖1所示，分布式能源系統(tǒng)由分布式能源站、熱水管網(wǎng)、低壓配電網(wǎng)和社區(qū)用戶負(fù)荷組成；該系統(tǒng)能夠與電網(wǎng)通過公共耦合點(diǎn)進(jìn)行電氣連接，通過交互和優(yōu)化運(yùn)行完成一定區(qū)域范圍內(nèi)的電、熱負(fù)荷聯(lián)合生產(chǎn)和供應(yīng)；分布式能源系統(tǒng)中的能源站又由太陽能光熱系統(tǒng)、地源熱泵、吸收式熱泵、燃?xì)廨啓C(jī)、余熱鍋爐和電熱水鍋爐按照一定的整合方式構(gòu)成；太陽能光熱系統(tǒng)是一級能量生產(chǎn)單元，地源熱泵和吸收式熱泵組合共同構(gòu)成二級能量生產(chǎn)單元，余熱鍋爐是三級能量生產(chǎn)單元，電熱水鍋爐是四級能量生產(chǎn)單元；燃?xì)廨啓C(jī)是整個能源站的核心動力設(shè)備，生產(chǎn)的電能一部分用于供給用戶電負(fù)荷需求，一部分用于地源熱泵的外部電能驅(qū)動和電熱水鍋爐的電能輸入；燃?xì)廨啓C(jī)的廢氣余熱通過回收由吸收式熱泵和余熱鍋爐加以充分利用以生產(chǎn)熱能。

對分布式能源系統(tǒng)中的能源站進(jìn)行數(shù)學(xué)建模，具體構(gòu)建方法如下：

對于燃?xì)廨啓C(jī)而言，當(dāng)輸出電功率為P_gt時，燃?xì)廨啓C(jī)需要消耗的天然氣量V_gas是

其中，η_gt為燃?xì)廨啓C(jī)的效率，H_u為天然氣低位熱值。

燃?xì)廨啓C(jī)產(chǎn)生的高溫?zé)煔庥酂崃縌_gt為

其中η_loss為燃?xì)廨啓C(jī)熱損失效率；

對于太陽能光熱系統(tǒng)而言，Q_s表示可用于制熱的太陽能功率，t_r1和t_SHS分別表示輸入端口和輸出端口的水流溫度，m₁表示水的質(zhì)量流率，C_w表示水的比熱容，則根據(jù)比熱容公式有式(3)：

Q_s＝C_wm₁(t_SHS-t_r1) (3)

其中，t_r1也是熱水管網(wǎng)和分布式能源站連接的端口回水溫度；

對于地源熱泵而言，Q_ge表示所收集的地?zé)崮?，P_ec表示地源熱泵所消耗的電能，Q_ec表示地源熱泵輸出的能量功率，則它們之間的關(guān)系如式(4)所示：

Q_ec＝Q_ge+P_ec (4)

地源熱泵的性能系數(shù)COP_ec可以定義為式(5)：

進(jìn)一步，式(4)(5)可以轉(zhuǎn)化為式(6)(7)：

對于吸收式熱泵而言，其低溫?zé)嵩磥碜杂诘卦礋岜?，兩者共同組成復(fù)合式熱泵系統(tǒng)；地源熱泵產(chǎn)生的能量功率Q_ec即為吸收式熱泵的低溫?zé)崃枯斎?；Q_gt1表示吸收式熱泵所需要的高溫?zé)嵩打?qū)動，來自于燃?xì)廨啓C(jī)的高溫廢熱；Q_ac表示吸收式熱泵(亦即是復(fù)合式熱泵系統(tǒng))的輸出能量功率；則它們之間的關(guān)系如式(8)所示：

Q_ac＝Q_gt1+Q_ec (8)

吸收式熱泵的性能系數(shù)COP_ac可以定義為式(9)：

進(jìn)一步，結(jié)合式(6)(8)(9)，Q_ac可以用式(10)表示：

復(fù)合式熱泵系統(tǒng)的上一級能量生產(chǎn)單元是太陽能光熱系統(tǒng)，則太陽能光熱系統(tǒng)的輸出端口即是復(fù)合式熱泵系統(tǒng)的輸入端口，其水流溫度為t_SHS；用t_HP表示復(fù)合式熱泵系統(tǒng)的輸出端口水流溫度，水的質(zhì)量流率和比熱容仍然是m₁和C_w，則根據(jù)比熱容公式有式(11)：

Q_ac＝C_wm₁(t_HP-t_SHS) (11)

對于余熱鍋爐而言，用于制熱的能量功率來源于回收燃?xì)廨啓C(jī)的高溫廢熱，用Q_gt2表示；其上一級能量生產(chǎn)單元是復(fù)合式熱泵系統(tǒng)，則復(fù)合式熱泵系統(tǒng)的輸出端口即是余熱鍋爐的輸入端口，其水流溫度為t_HP；用t_WHB表示余熱鍋爐的輸出端口水流溫度，水的質(zhì)量流率和比熱容仍然是m₁和C_w，則根據(jù)比熱容公式有式(12)：

Q_gt2＝C_wm₁(t_WHB-t_HP) (12)

對于電熱水鍋爐而言，通過消耗電能來制熱，用P_eb表示消耗的電能功率；其上一級能量生產(chǎn)單元是余熱鍋爐，則余熱鍋爐的輸出端口即是電熱水鍋爐的輸入端口，其水流溫度為t_WHB；用t_EWB表示電熱水鍋爐的輸出端口水流溫度，水的質(zhì)量流率和比熱容仍然是m₁和C_w，則根據(jù)比熱容公式有式(13)：

P_eb＝C_wm₁(t_EWB-t_WHB) (13)

其中，t_EWB也是熱水管網(wǎng)和分布式能源站連接的端口供水溫度，t_s1＝t_EWB。

分布式能源系統(tǒng)中的低壓配電網(wǎng)絡(luò)是輻射性結(jié)構(gòu)，其數(shù)學(xué)建模主要考慮功率平衡方程；由于產(chǎn)生的功率損耗很小，在功率平衡方程中可以忽略功率損耗一項(xiàng)，用式(14)表示：

其中，P_G,i和P_D,i分別表示節(jié)點(diǎn)i處的有功功率輸入和有功負(fù)荷，Q_G,i和Q_D,i分別表示節(jié)點(diǎn)i處的無功功率輸入和無功負(fù)荷。

分布式能源系統(tǒng)中的熱水管網(wǎng)主要由換熱站、管道和循環(huán)水泵組成，在所述的系統(tǒng)建模和優(yōu)化運(yùn)行方法中需要詳細(xì)考慮熱水管網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、管網(wǎng)熱耗和水泵電耗；

對于第i個換熱站，Q_net,i表示從熱水管網(wǎng)傳遞到換熱器中的熱量，Q_rad,i表示從換熱器一次側(cè)傳到二次側(cè)的換熱量，Q_i表示用戶的熱負(fù)荷需求，在系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)下，它們之間的關(guān)系如式(15)所示：

Q_net,i＝Q_rad,i＝Q_i (15)

C_w表示水的比熱容，t_s,i和t_r,i分別表示該換熱器一次側(cè)的熱流進(jìn)、出口溫度，m_i表示熱流的質(zhì)量水流率，T_s,i和T_r,i分別表示換熱器二次側(cè)的冷流進(jìn)、出口溫度，K表示換熱器的傳熱系數(shù)，A表示換熱器的面積；則從熱水管網(wǎng)傳遞到換熱器中的熱量Q_net,i可根據(jù)比熱容公式計算，如式(16)所示；從換熱器一次側(cè)傳到二次側(cè)的換熱量Q_rad,i可以根據(jù)對數(shù)平均溫差法計算，如式(17)所示：

Q_net,i＝C_wm_i(t_s,i-t_r,i) (16)

Q_rad,i＝KA_iΔt_m (17)其中，

對于逆流板式換熱器，Δt₁＝t_s,i-T_s,i,Δt₂＝t_r,i-T_r,i；

在熱水管網(wǎng)中，熱水流經(jīng)管道時會產(chǎn)生熱損失，管道水溫會下降；i和j分別表示管道ij的起點(diǎn)和終點(diǎn)，ΔQ_ij表示管道ij的熱損失，L_ij表示管道ij的長度，C_w表示水的比熱容，m_ij表示通過管道的質(zhì)量水流率，t_i和t_j分別表示管道的進(jìn)、出水溫度，h表示管道單位長度傳熱系數(shù)，t_a表示管道周圍空氣溫度；

管道熱損失根據(jù)比熱容公式計算，如式(18)所示：

ΔQ_ij＝C_wm_ij(t_i-t_j) (18)

管道進(jìn)、出水溫度關(guān)系可由式(19)計算：

熱水管網(wǎng)的供水管道上配置變速循環(huán)水泵用以彌補(bǔ)各種壓力損失以保持水力平衡；主管道水泵采用零壓差控制方式，各支路管道水泵采用流量控制方式，此時水泵的電功率損耗和通過它的質(zhì)量水流率存在以下關(guān)系：

其中，P_pump和P'_pump分別表示循環(huán)水泵實(shí)際消耗的功率和額定運(yùn)行工況下的功率，m_pump和m'_pump分別表示通過循環(huán)水泵的實(shí)際質(zhì)量水流率和額定運(yùn)行工況下的質(zhì)量水流率。

如圖2所示，在系統(tǒng)運(yùn)行過程中，日優(yōu)化運(yùn)行策略通過燃?xì)廨啓C(jī)生產(chǎn)電能并和電網(wǎng)連接共同為社區(qū)用戶供應(yīng)電能；熱量生產(chǎn)的過程優(yōu)先采用可再生能源和高溫廢熱，在它們不能滿足熱負(fù)荷需求的情況下再采用天然氣和電網(wǎng)電力進(jìn)行制熱。其中，社區(qū)用戶熱、電負(fù)荷需求和太陽能光熱系統(tǒng)出力為已知預(yù)測量，地源熱泵所采集的地?zé)崮芄潭ú蛔儾橐阎?，系統(tǒng)所消耗的電網(wǎng)電力和天然氣容量需要考慮能源效益和經(jīng)濟(jì)效益等目標(biāo)根據(jù)當(dāng)時的能源價格變化和約束條件進(jìn)行優(yōu)化求取。該策略總體來說包括以下兩個步驟：

步驟一，系統(tǒng)根據(jù)用戶熱負(fù)荷預(yù)測數(shù)據(jù)進(jìn)行一層優(yōu)化，在最小化熱水管網(wǎng)能耗(包括管網(wǎng)熱損失和水泵電耗)的同時確定管網(wǎng)質(zhì)量水流率和節(jié)點(diǎn)供/回水溫度的最優(yōu)設(shè)定值；

步驟二，系統(tǒng)根據(jù)用戶電負(fù)荷預(yù)測數(shù)據(jù)、太陽能光熱系統(tǒng)出力預(yù)測數(shù)據(jù)和地源熱泵采集的地?zé)崮艽笮≡谝粚觾?yōu)化的基礎(chǔ)上進(jìn)行二層優(yōu)化，在最小化分布式能源系統(tǒng)的運(yùn)行成本(包括電網(wǎng)電力和天然氣購買成本以及能源消耗補(bǔ)償費(fèi)用)的同時確定分布式能源系統(tǒng)的能源購買計劃。

所構(gòu)建的分布式能源系統(tǒng)日運(yùn)行優(yōu)化策略包含兩層優(yōu)化模型；

第一層優(yōu)化模型的構(gòu)建方法如下：

步驟一，以最小化熱水管網(wǎng)中的能耗(包括管網(wǎng)熱損失和循環(huán)水泵中的電耗)為目標(biāo)函數(shù)，如式(21)所示：

其中，n表示熱水管網(wǎng)中循環(huán)水泵的總數(shù)；ΔQ_s,ij和ΔQ_r,ij分別表示供水管道ij和回水管道ij的熱損失，可根據(jù)式(18)計算；P_pump,i表示第i個循環(huán)水泵消耗的電功率，可根據(jù)式(20)用式(22)計算：

P_pump,i＝G³P'_pump,i (22)

G表示相對質(zhì)量水流率，各條管道或通過循環(huán)水泵的相對質(zhì)量水流率相等：

步驟二，選取相對質(zhì)量水流率和管網(wǎng)各個節(jié)點(diǎn)的供/回水溫度作為優(yōu)化決策變量；

相對質(zhì)量水流率如式(23)所示；

Q_i表示第個社區(qū)的實(shí)際用戶熱負(fù)荷需求，m_i表示流過第i個換熱站的實(shí)際質(zhì)量水流率，t_s,i和t_r,i分別表示第i個換熱站一次側(cè)的熱流實(shí)際進(jìn)/出水溫度，T_s,i和T_r,i分別表示第i個換熱站二次側(cè)的冷流實(shí)際出/進(jìn)水溫度，上標(biāo)“’”表示設(shè)計運(yùn)行工況；

根據(jù)式(15)-(17)可推導(dǎo)出如下等式關(guān)系：

進(jìn)而根據(jù)式(24)推導(dǎo)出各個換熱站的一次側(cè)熱流實(shí)際進(jìn)/出水溫度：

進(jìn)一步，根據(jù)換熱站一次側(cè)熱流實(shí)際進(jìn)/出水溫度可依次推出熱水管網(wǎng)各個節(jié)點(diǎn)的供/回水溫度；

對于供水管道而言，管道最末端屬于出水節(jié)點(diǎn)，其出水溫度就是換熱站一次側(cè)熱流進(jìn)水溫度t_s,i，根據(jù)式(19)可計算出管道另一端的進(jìn)水溫度；若管道端點(diǎn)為公共節(jié)點(diǎn)k，相連接的熱水管道的進(jìn)水溫度已分別計算出為t_s,ki(ki∈L)，L為連接于該公共節(jié)點(diǎn)的管道集合，則公共節(jié)點(diǎn)的最終實(shí)際溫度取所連接管道進(jìn)水溫度的最大值：

t_s,k＝max{t_s,ki,ki∈L} (26)

對于回水管道而言，管道最末端屬于進(jìn)水節(jié)點(diǎn)，其進(jìn)水溫度就是換熱站一次側(cè)熱流出水溫度t_r,i，根據(jù)式(19)可計算出管道另一端的出水溫度；若管道端點(diǎn)為公共節(jié)點(diǎn)k，相連接的熱水管道的出水溫度已分別計算出為t_r,ki(ki∈L)，L為連接于該公共節(jié)點(diǎn)的管道集合，則公共節(jié)點(diǎn)的最終實(shí)際溫度取決于所連接的管道端點(diǎn)出水溫度和管道質(zhì)量水流率，如式(27)所示：

步驟三，優(yōu)化模型的約束條件包括：換熱站一次側(cè)熱流進(jìn)/出水溫度的上下限約束、相對質(zhì)量水流率的上下限約束和熱水管網(wǎng)的流量連續(xù)性方程，如式(28)所示：

其中，t'_s和t'_r分別表示換熱站一次側(cè)熱流的進(jìn)/出水溫度設(shè)定值，T'_s和T'_r分別表示換熱站二次側(cè)冷流的出/進(jìn)水溫度設(shè)定值；和分別表示相對質(zhì)量水流率的上/下限；m_lk表示熱水管網(wǎng)管道質(zhì)量水流率，V_l表示與節(jié)點(diǎn)l相連的管道集合；經(jīng)過第一層優(yōu)化模型，可以確定各管道的最優(yōu)質(zhì)量水流率和各節(jié)點(diǎn)的供/回水溫度，包括但不限于流進(jìn)能源站的最優(yōu)質(zhì)量水流率m₁、能源站的最優(yōu)進(jìn)口回水溫度t_r,1以及能源站的最優(yōu)出口供水溫度t_s,1；實(shí)際熱負(fù)荷需求(即能源站需要供應(yīng)的熱量)不再是簡單的用戶社區(qū)熱負(fù)荷總和H_load,而是計及熱水管網(wǎng)熱耗在內(nèi)的總熱負(fù)荷，可由式(29)計算：

H＝C_wm₁(t_s,1-t_r,1) (29)

第二層優(yōu)化模型是在一層優(yōu)化模型的基礎(chǔ)上構(gòu)建的，具體方法如下：

步驟一，以最小化能源站每小時的運(yùn)行成本(包括購買天然氣和電網(wǎng)電量的能源成本、能源消耗補(bǔ)償費(fèi)用)為目標(biāo)函數(shù)，如式(30)所示：

min f₂＝λc_eP_grid+c_gV_gas (30)

其中，c_e和c_g分別表示電網(wǎng)電力和天然氣的能源價格，P_grid和V_gas分別表示購買的電網(wǎng)電量和天然氣用量，λ表示能源消耗補(bǔ)償系數(shù)；

在目標(biāo)函數(shù)中，能源成本通過能源消耗量與價格的乘積求得；能源消耗補(bǔ)償系數(shù)通過比較不同能源生產(chǎn)過程中所消耗的千克煤當(dāng)量來分析求取，具體如下：燃煤發(fā)電生產(chǎn)1kWh電能需要0.3200kgce，電網(wǎng)將近70％的電力采用燃煤發(fā)電方式，那么電網(wǎng)生產(chǎn)1kWh電能需要消耗0.2240kgce(0.3200×70％＝0.2240)；如果采用天然氣發(fā)電，生產(chǎn)1kWh電能需要消耗0.12143kgce；因此能源消耗補(bǔ)償系數(shù)取兩者的比值得到，如式(31)所示：

步驟二，選取購買的電網(wǎng)電量P_grid和天然氣用量V_gas作為優(yōu)化決策變量；

步驟三，優(yōu)化模型的約束條件包括如下等式約束和不等式約束，并且應(yīng)該結(jié)合分布式能源站各設(shè)備的數(shù)學(xué)模型(1)-(13)：

熱平衡，如式(32)所示：

H＝Q_s+Q_ac+Q_gt2+P_eb (32)

電平衡，如式(33)所示：

P_load+P_wnet＝P_grid+P_gt-P_ec-P_eb (33)

分布式能源系統(tǒng)只購買電網(wǎng)電力，不向電網(wǎng)售電，約束如式(34)所示：

P_grid≥0 (34)

天然氣分配節(jié)點(diǎn)容量約束，如式(35)所示：

分布式能源站各設(shè)備容量范圍約束，如式(35)-(39)所示：

Q_gt≥Q_gt1+Q_gt2 (39)

分布式能源站各設(shè)備進(jìn)出口溫度大小約束，如式(40)所示：

t_r1≤t_SHS≤t_HP≤t_WHB≤t_EWB (40)

其中，P_load表示社區(qū)用戶總電負(fù)荷需求；P_wnet表示熱水管網(wǎng)循環(huán)水泵所消耗的電能，根據(jù)一層優(yōu)化模型獲得。

將分布式能源系統(tǒng)與傳統(tǒng)供能系統(tǒng)進(jìn)行能耗和運(yùn)行成本的比較分析，評估分布式能源系統(tǒng)的能源效益和經(jīng)濟(jì)效益；

對于分布式能源系統(tǒng)而言：

能耗仍然用千克煤當(dāng)量等值；1kWh電網(wǎng)電量等值于0.2240kgce，1m³天然氣等值于1.2143kgce，因此分布式能源系統(tǒng)的能耗E_DES用式(41)計算：

E_DES＝0.2240P_grid+1.2143V_gas (41)

運(yùn)行成本C_DES用式(42)計算：

C_DES＝λc_eP_grid+c_gV_gas (42)其中，P_grid和V_gas分別表示在滿足用戶熱、電負(fù)荷需求的情況下分布式能源系統(tǒng)需要購買的電網(wǎng)電量和天然氣量，c_e和c_g分別表示電力和天然氣的價格，λ表示能源消耗補(bǔ)償系數(shù)；

隨著電能的普及，傳統(tǒng)供能系統(tǒng)中一般均采用電網(wǎng)電力來滿足用戶熱、電負(fù)荷需求，這種情況下傳統(tǒng)供能系統(tǒng)的能耗E_MG用式(43)計算，運(yùn)行成本C_MG用式(44)計算：

其中，η_h表示用電制熱的生產(chǎn)效率，H表示用戶總熱負(fù)荷，P_load表示用戶總電負(fù)荷；

進(jìn)一步，分布式能源系統(tǒng)相比傳統(tǒng)供能系統(tǒng)減少的能耗和運(yùn)行成本用它們之間的相對百分比進(jìn)行衡量，如式(45)(46)所示：

其中，R_E表示分布式能源系統(tǒng)的能耗減少系數(shù)，R_C表示分布式能源系統(tǒng)成本減少系數(shù)。

下面通過仿真案例對考慮熱水管網(wǎng)的分布式能源系統(tǒng)建模和運(yùn)行優(yōu)化方法進(jìn)行具體分析，以對本發(fā)明的應(yīng)用效果作進(jìn)一步的說明。

仿真案例中相關(guān)設(shè)備的運(yùn)行效率、轉(zhuǎn)換效率、性能系數(shù)以及設(shè)計工況下的額定值等參數(shù)如表1所示，熱水管網(wǎng)中的管道長度如表2所示，不同時間段的能源價格如表3所示。

表1分布式能源系統(tǒng)參數(shù)設(shè)定信息表

表2熱水管網(wǎng)管道長度信息表

表3不同時間段能源價格信息表

從相關(guān)文獻(xiàn)可以得到我國北方冬季典型日的環(huán)境溫度變化曲線，如圖3所示；四個社區(qū)用戶熱負(fù)荷和總電負(fù)荷需求預(yù)測數(shù)據(jù)如圖4所示；太陽能光熱系統(tǒng)所收集的太陽能與天氣情況有關(guān)，預(yù)測其出力曲線如圖5所示；由于地下溫度常年保持15℃左右，在地源熱泵設(shè)備配置固定的情況下所收集到地?zé)崮鼙３植蛔儯鐖D6所示。

在上述參數(shù)設(shè)定、負(fù)荷和出力預(yù)測已知的情況下，仿真模型及優(yōu)化策略通過MATLAB編程實(shí)現(xiàn)，結(jié)果如圖7—17所示。

經(jīng)過日優(yōu)化運(yùn)行策略的執(zhí)行，分布式能源系統(tǒng)每小時的能源消耗和運(yùn)行成本在滿足負(fù)荷需求和運(yùn)行約束的前提下被降至最低，熱水管網(wǎng)相對質(zhì)量水流率和供/回水溫度在系統(tǒng)運(yùn)行過程中跟隨負(fù)荷需求和環(huán)境因素的變化不斷調(diào)整并處于最優(yōu)設(shè)定值。在優(yōu)先采用太陽能、地?zé)崮芎透邷貜U熱之后，分布式能源系統(tǒng)所購買的電網(wǎng)電量和天然氣容量在不同時間段呈現(xiàn)出不同的趨勢。其中，1:00—8:00以購買電網(wǎng)電量為主；其他時間段的能源購買量雖然具有一定的波動性，但多以購買天然氣為主。相應(yīng)地，各能量生產(chǎn)單元的有效能源輸入量和熱水出口溫度也呈現(xiàn)出一定的時間性。例如，余熱鍋爐在1:00—8:00期間基本不運(yùn)行而由電熱水鍋爐通過消耗電能制熱，而其他時間段正好相反。

表4詳細(xì)列出了熱水管網(wǎng)的能耗情況。其中，P_wnet表示循環(huán)水泵電耗，H_loss表示管網(wǎng)熱耗，H_user表示社區(qū)用戶總熱負(fù)荷需求，H_total表示分布式能源站需要提供的總熱量。從中可以看出，熱水管網(wǎng)的熱耗每小時均在330kW以上，一天的總熱耗高達(dá)8579.89kW，相當(dāng)于社區(qū)用戶1--2小時的熱負(fù)荷需求量；從熱耗率分析，分布式能源站每小時需要彌補(bǔ)的熱耗量占總熱量的百分比最低為3.92％，最高為8.33％。

圖16和圖17顯示了分布式能源系統(tǒng)供能模式(DES mode)和傳統(tǒng)供能模式(MG mode)在能耗和運(yùn)行成本方面的曲線示意圖，表5和表6詳細(xì)列出了相關(guān)的數(shù)據(jù)信息?？梢?，在負(fù)荷需求和其他影響因素不變的情況下，分布式能源系統(tǒng)供能模式無論是在能耗方面還是運(yùn)行成本方面都比傳統(tǒng)供能模式更具優(yōu)勢，前者所節(jié)約的能量和成本均遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于后者。具體而言，在能耗方面，分布式能源系統(tǒng)供能模式每小時比傳統(tǒng)供能模式節(jié)約的能量高達(dá)2015.72kgce(在23：00)，節(jié)能率高達(dá)58.01％(在24：00)。盡管在12：00—16：00期間出現(xiàn)分布式能源系統(tǒng)所消耗的能量比傳統(tǒng)供能系統(tǒng)多的情況，但這部分能量

表4熱水管網(wǎng)能耗數(shù)據(jù)

非常少，只有幾十kgce。從一天的整體情況而言，分布式能源系統(tǒng)消耗的總能量為45489.15kgce，傳統(tǒng)供能系統(tǒng)消耗的總能量為71451.47kgce，兩者相差了25962.32kgce，總節(jié)能率為36.34％。在運(yùn)行成本方面，兩種供能模式在8：00之前均較低，為幾百美元；在這之后，分布式能源系統(tǒng)的運(yùn)行成本雖然有所增加，但數(shù)量不大，最高是20:00時的1340.52美元；而傳統(tǒng)供能系統(tǒng)的運(yùn)行成本在8:00之后大幅增加，從幾百美元升到幾千美元，最高時達(dá)到4464.61美元。相對于傳統(tǒng)供能系統(tǒng)而言，分布式能源系統(tǒng)每小時可以節(jié)約的運(yùn)行成本百分比最低為31.27％，最高為73.48％。從一天的整體情況而言，分布式能源系統(tǒng)的運(yùn)行成本為18569.40美元，傳統(tǒng)供能系統(tǒng)的運(yùn)行成本為46548.40美元，兩者相差了27979.00美元，總成本降低率為60.11％。

表5分布式能源系統(tǒng)供能模式和傳統(tǒng)供能模式能耗對比表

表6分布式能源系統(tǒng)供能模式和傳統(tǒng)供能模式運(yùn)行成本對比表

本發(fā)明仿真案例只是用于幫助闡述本發(fā)明，并不限制該發(fā)明僅為所述的具體實(shí)施方式，凡在本發(fā)明的原理和技術(shù)方案之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。