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一種冷熱電聯(lián)供微網(wǎng)系統(tǒng)建模方法與流程

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一種冷熱電聯(lián)供微網(wǎng)系統(tǒng)建模方法與流程

本發(fā)明屬于冷熱電聯(lián)供微網(wǎng)系統(tǒng)技術(shù)領(lǐng)域,尤其涉及一種冷熱電聯(lián)供微網(wǎng)系統(tǒng)建模方法。



背景技術(shù):

根據(jù)美國(guó)能源管理部門(mén)的統(tǒng)計(jì),許多國(guó)家的建筑能源消耗約占總能源消耗的40%,溫室氣體排放約占30%。尤其在中國(guó),隨著經(jīng)濟(jì)的快速增長(zhǎng),建筑能源消耗以每年超過(guò)10%的速度在增長(zhǎng)??焖僭鲩L(zhǎng)的能源消耗引起了一系列與建筑相關(guān)的問(wèn)題和環(huán)境污染問(wèn)題。發(fā)展冷熱電聯(lián)供微網(wǎng)系統(tǒng)是提高能源利用率、減少溫室氣體排放以及解決這一系列與建筑能源消耗有關(guān)問(wèn)題的有效手段之一。

目前國(guó)內(nèi)外關(guān)于冷熱電聯(lián)供微網(wǎng)系統(tǒng)的研究主要集中在冷熱電聯(lián)供微網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、操作策略和系統(tǒng)評(píng)價(jià)準(zhǔn)則研究等方面。

傳統(tǒng)的冷熱電聯(lián)供微網(wǎng)系統(tǒng)由發(fā)電機(jī)組、熱回收單元、吸收式制冷機(jī)、加熱單元、輔助鍋爐組成。發(fā)電機(jī)組產(chǎn)生的電用來(lái)滿足用戶的用電需求;熱回收單元回收發(fā)電機(jī)組產(chǎn)生的廢熱并為用戶的冷和熱需求提供熱能;吸收式制冷機(jī)將熱回收單元回收的熱轉(zhuǎn)化為冷能提供給用戶;加熱單元將熱回收單元回收的熱轉(zhuǎn)化為熱能提供給用戶。當(dāng)系統(tǒng)所提供的熱能不夠時(shí),輔助鍋爐作為備用設(shè)備提供熱能。

冷熱電聯(lián)供微網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要是在傳統(tǒng)的冷熱電聯(lián)供微網(wǎng)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上,增加其他一些設(shè)備用于提高系統(tǒng)的能源利用效率和能量調(diào)節(jié)的靈活性。例如,系統(tǒng)增加電制冷機(jī)以調(diào)節(jié)系統(tǒng)利用電能和熱能的靈活性;系統(tǒng)增加光伏發(fā)電單元和光熱單元以充分利用綠色能源,減少傳統(tǒng)化石能源的利用,提高能源利用效率;系統(tǒng)增加有機(jī)朗肯循環(huán)裝置將系統(tǒng)多余的熱能轉(zhuǎn)化為電能,提高能源的利用率。

當(dāng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)確定后,操作策略設(shè)計(jì)是冷熱電聯(lián)供微網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)第二個(gè)要考慮的要素。最主要的兩種操作策略為:電跟隨操作策略和熱跟隨操作策略。電跟隨操作策略首先滿足用電需求,若系統(tǒng)產(chǎn)生的熱不能滿足熱需求,消耗燃料的輔助鍋爐開(kāi)始工作;熱跟隨操作策略首先滿足熱負(fù)荷需求,若系統(tǒng)產(chǎn)生的電不能滿足電需求,則從電網(wǎng)買(mǎi)電。這兩種操作策略都一定程度上有能源的浪費(fèi),因?yàn)橄到y(tǒng)中可能會(huì)有多余的熱或多余的電產(chǎn)生。因此,系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和操作策略都有必要做進(jìn)一步的改進(jìn),以進(jìn)一步提高系統(tǒng)的能源利用率。

對(duì)冷熱電聯(lián)供微網(wǎng)系統(tǒng)的評(píng)價(jià)準(zhǔn)則進(jìn)行研究也是該領(lǐng)域研究的重要方向之一。能源和環(huán)境分析是冷熱電聯(lián)供微網(wǎng)系統(tǒng)綜合評(píng)價(jià)中最重要的兩個(gè)因素。在已查閱的文獻(xiàn)中,一次能源節(jié)約和碳排放節(jié)約是常被用來(lái)評(píng)估系統(tǒng)優(yōu)劣的指標(biāo)。此外,全生命周期評(píng)價(jià)準(zhǔn)則也是一些研究者們常常考慮到的評(píng)價(jià)準(zhǔn)則。

對(duì)于傳統(tǒng)的冷熱電聯(lián)供微網(wǎng)系統(tǒng),當(dāng)系統(tǒng)產(chǎn)生的電和熱正好與用戶的電、熱需求相等,冷熱電聯(lián)供微網(wǎng)系統(tǒng)將具有最大的能源效率。然而,由于用戶需求的不確定性,這種理想的狀況很少出現(xiàn)。能源供應(yīng)與能源需求總是不平衡。當(dāng)能源供應(yīng)超過(guò)能源需求,情況變得復(fù)雜。若系統(tǒng)產(chǎn)生的電能超過(guò)了用戶的電能需求,多余的電能可以被存儲(chǔ)起來(lái),或被售回電網(wǎng),或被轉(zhuǎn)化為熱能供用戶使用。若系統(tǒng)產(chǎn)生的熱能超過(guò)了用戶的熱需求,多余的熱能可以被存儲(chǔ)起來(lái),或者被轉(zhuǎn)化為電能以滿足用戶的用電需求。因此,本發(fā)明在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中增加了有機(jī)朗肯循環(huán)裝置,將系統(tǒng)中多余的熱能轉(zhuǎn)化為電能讓用戶使用。

隨著傳統(tǒng)冷熱電聯(lián)供微網(wǎng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)變得越來(lái)越復(fù)雜,對(duì)這一類復(fù)雜能源系統(tǒng)的建模成為了研究者們研究的重點(diǎn)和難點(diǎn)課題之一。傳統(tǒng)的建模方法,通常以枚舉的形式羅列出能源系統(tǒng)供需關(guān)系可能會(huì)出現(xiàn)的若干種狀況,每一種狀況建立一類數(shù)學(xué)模型,數(shù)學(xué)模型分類多且缺乏標(biāo)準(zhǔn)的統(tǒng)一的結(jié)構(gòu)形式,讓此類能源系統(tǒng)的分析變得復(fù)雜。



技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素:

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是:提供一種冷熱電聯(lián)供微網(wǎng)系統(tǒng)的建模方法,能準(zhǔn)確對(duì)冷熱電聯(lián)供微網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行建模,對(duì)能源系統(tǒng)的能源輸入和用戶需求之間的能量轉(zhuǎn)化及流動(dòng)關(guān)系進(jìn)行描述,對(duì)能源系統(tǒng)內(nèi)部各構(gòu)成要素的能量轉(zhuǎn)換關(guān)系進(jìn)行描述,對(duì)能源系統(tǒng)內(nèi)部各構(gòu)成要素之間能量的分配和流動(dòng)關(guān)系進(jìn)行描述。

本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是:一種冷熱電聯(lián)供微網(wǎng)系統(tǒng)建模方法,其特征在于,采用矩陣傳函法對(duì)復(fù)雜能源系統(tǒng)建立反映其每個(gè)構(gòu)成要素、各個(gè)構(gòu)成要素之間、系統(tǒng)輸入變量與輸出變量之間能量轉(zhuǎn)換和流動(dòng)關(guān)系的數(shù)學(xué)模型,所述建模方法包括如下步驟:

(1)根據(jù)系統(tǒng)中每個(gè)構(gòu)成要素的輸入輸出關(guān)系,建立其效率矩陣,效率矩陣代表系統(tǒng)每個(gè)構(gòu)成要素的能量轉(zhuǎn)換關(guān)系;

(2)建立系統(tǒng)各個(gè)構(gòu)成要素之間的能量流動(dòng)數(shù)學(xué)模型,采用派遣矩陣進(jìn)行描述;

(3)建立整個(gè)系統(tǒng)的能量流動(dòng)數(shù)學(xué)模型,通過(guò)轉(zhuǎn)換矩陣描述;

(4))由系統(tǒng)效率矩陣、派遣矩陣、轉(zhuǎn)換矩陣構(gòu)成的描述系統(tǒng)構(gòu)成要素、構(gòu)成要素之間、系統(tǒng)輸入變量與輸出變量之間能量轉(zhuǎn)換和流動(dòng)關(guān)系的建模方法,即為矩陣傳函法。

進(jìn)一步地,步驟(1)具體是:系統(tǒng)中每個(gè)構(gòu)成要素的能量轉(zhuǎn)換關(guān)系可以用效率矩陣來(lái)進(jìn)行描述,假設(shè)第m個(gè)構(gòu)成要素的輸入為Vim,輸出為則第m個(gè)構(gòu)成要素的輸入輸出關(guān)系可以描述為:其中Hm就是第m個(gè)構(gòu)成要素的效率矩陣;按照此方法,依次寫(xiě)出帶有有機(jī)朗肯循環(huán)裝置的冷熱電聯(lián)供微網(wǎng)系統(tǒng)的每個(gè)構(gòu)成要素的效率矩陣,效率矩陣表示了每個(gè)構(gòu)成要素的能量轉(zhuǎn)換關(guān)系。

進(jìn)一步地,步驟(2)具體是:各個(gè)構(gòu)成要素之間的能量是流動(dòng)的,尤其是在各個(gè)能源分支點(diǎn),能源分派特性尤為明顯,假設(shè)整個(gè)系統(tǒng)中能源分支點(diǎn)的能源分派因子為αi,i為分支點(diǎn)的分支數(shù),則在一個(gè)能源分支點(diǎn)∑αi=1;依次寫(xiě)出系統(tǒng)每個(gè)構(gòu)成要素的輸入變量表達(dá)式,并將能源分派因子代入到該輸入變量表達(dá)式中,然后將表達(dá)式寫(xiě)成矩陣形式Vim=TmVi,Tm就是第m個(gè)構(gòu)成要素的派遣矩陣,派遣矩陣反映了構(gòu)成要素之間的能量流動(dòng)關(guān)系。

進(jìn)一步地,步驟(3)具體是:系統(tǒng)可以看成多輸入多輸出模型,轉(zhuǎn)換矩陣描述了系統(tǒng)輸入輸出的關(guān)系,代表了系統(tǒng)的能量流動(dòng)過(guò)程;列寫(xiě)系統(tǒng)輸出變量的表達(dá)式,該表達(dá)式包含了系統(tǒng)的分派因子、系統(tǒng)輸入變量、系統(tǒng)構(gòu)成要素的效能因子,并將系統(tǒng)輸入輸出變量均寫(xiě)成矩陣形式Vo=GVi,G即為系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換矩陣。

近一步地,所述建模方法適用于由發(fā)電機(jī)組、輔助鍋爐、熱回收單元、有機(jī)朗肯循環(huán)裝置、電制冷機(jī)、吸收式制冷機(jī)和加熱單元這7個(gè)構(gòu)成要素組成的冷熱電聯(lián)供微網(wǎng)系統(tǒng)。

本發(fā)明的有益效果是:本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有如下優(yōu)點(diǎn):

(1)矩陣傳函法針對(duì)復(fù)雜能源系統(tǒng)的多輸入多輸出特性,以效率矩陣形式表示系統(tǒng)各構(gòu)成要素的能量轉(zhuǎn)換關(guān)系,以派遣矩陣形式表示系統(tǒng)構(gòu)成要素之間的能量流動(dòng)關(guān)系,以轉(zhuǎn)換矩陣形式表示整個(gè)系統(tǒng)的效率和能量流動(dòng)關(guān)系,矩陣傳函法具有全面描述系統(tǒng)的特性。

(2)當(dāng)系統(tǒng)的輸入輸出變量個(gè)數(shù)變化時(shí),只需要改變效率矩陣、派遣矩陣和轉(zhuǎn)換矩陣的階數(shù),系統(tǒng)建模方法不變,矩陣傳函法具有易擴(kuò)展性。

(3)矩陣傳函法不僅可以反映系統(tǒng)輸入輸出變量之間的關(guān)系,還可以反映系統(tǒng)內(nèi)部能量的轉(zhuǎn)換和流動(dòng)關(guān)系,采用矩陣形式來(lái)描述系統(tǒng),具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單清晰,易于理解的特性。

(4)以矩陣傳函形式對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行建模,有利于對(duì)能源系統(tǒng)進(jìn)行后續(xù)的分析、優(yōu)化等。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明的冷熱電聯(lián)供微網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。

圖2是冷熱電聯(lián)供微網(wǎng)系統(tǒng)多輸入多輸出結(jié)構(gòu)圖。

附圖中的符號(hào)說(shuō)明:1.發(fā)電機(jī)組;2.輔助鍋爐;3.熱回收單元;4.有機(jī)朗肯循環(huán)裝置;5.電制冷機(jī);6.吸收式制冷機(jī);7.加熱單元。

具體實(shí)施方式

以下通過(guò)實(shí)施例形式對(duì)本發(fā)明的上述內(nèi)容再作進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明,但不應(yīng)將此理解為本發(fā)明上述主題的范圍僅限于以下的實(shí)施例,凡基于本發(fā)明上述內(nèi)容所實(shí)現(xiàn)的技術(shù)均屬于本發(fā)明的范圍。

針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的問(wèn)題,本發(fā)明提出了一種冷熱電聯(lián)供微網(wǎng)系統(tǒng)的建模方法,該方法將這一類復(fù)雜能源系統(tǒng)當(dāng)作能源輸入與用戶需求的中間環(huán)節(jié),采用矩陣傳函方法描述冷熱電聯(lián)供微網(wǎng)系統(tǒng)內(nèi)部各構(gòu)成要素、構(gòu)成要素之間、以及系統(tǒng)能源輸入與用戶需求輸出之間的能量轉(zhuǎn)換和能量流動(dòng)關(guān)系。由于復(fù)雜能源系統(tǒng)的能源輸入形式有多種,用戶需求也有多種形式,因此,對(duì)這一類能源系統(tǒng)的建模將采用矩陣形式。

本發(fā)明提供的一種冷熱電聯(lián)供微網(wǎng)系統(tǒng)建模方法是:采用矩陣傳函法對(duì)復(fù)雜能源系統(tǒng)建立反映其內(nèi)部構(gòu)成要素、構(gòu)成要素之間、系統(tǒng)輸入變量與輸出變量之間能量轉(zhuǎn)換和流動(dòng)關(guān)系的數(shù)學(xué)模型,具體是:

(1)根據(jù)系統(tǒng)中每一個(gè)構(gòu)成要素的輸入輸出關(guān)系,可以建立其效率矩陣,效率矩陣代表了系統(tǒng)構(gòu)成要素內(nèi)部的能量轉(zhuǎn)換關(guān)系。

(2)系統(tǒng)構(gòu)成要素之間的能量流動(dòng)關(guān)系,可以采用派遣矩陣進(jìn)行描述。

(3)整個(gè)系統(tǒng)的效率和能量流動(dòng)關(guān)系,通過(guò)轉(zhuǎn)換矩陣描述。

(4)采用效率矩陣、派遣矩陣、與轉(zhuǎn)換矩陣對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行建模的方法就是矩陣傳函法。

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明:

如圖1所示:本發(fā)明采用了包括發(fā)電機(jī)組1、輔助鍋爐2、熱回收單元3、有機(jī)朗肯循環(huán)裝置4、電制冷機(jī)5、吸收式制冷機(jī)6、加熱單元7組成的冷熱電聯(lián)供微網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式,對(duì)該冷熱電聯(lián)供微網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行建模。

圖2為冷熱電聯(lián)供微網(wǎng)系統(tǒng)多輸入多輸出結(jié)構(gòu)形式。

根據(jù)圖1所示的帶有有機(jī)朗肯循環(huán)裝置的冷熱電聯(lián)供微網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)可知,系統(tǒng)在傳統(tǒng)的冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)的基礎(chǔ)上,增加了有機(jī)朗肯循環(huán)裝置,該結(jié)構(gòu)可以充分利用傳統(tǒng)冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)產(chǎn)生的多余的熱,將多余的熱轉(zhuǎn)化為電,供用戶使用。根據(jù)圖2所示的冷熱電聯(lián)供微網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu),可以發(fā)現(xiàn)這種能源系統(tǒng)具有多輸入多輸出特征,難以對(duì)其進(jìn)行精確建模。針對(duì)此類復(fù)雜能源系統(tǒng)建模困難問(wèn)題,本發(fā)明提供了一種冷熱電聯(lián)供微網(wǎng)系統(tǒng)建模方法,建模過(guò)程可以詳細(xì)描述如下:

(1)冷熱電聯(lián)供復(fù)雜微網(wǎng)系統(tǒng)中的每一個(gè)構(gòu)成要素的能量轉(zhuǎn)換關(guān)系可以用效率矩陣來(lái)進(jìn)行描述,假設(shè)第m個(gè)構(gòu)成要素的輸入為Vim,輸出為則第m個(gè)構(gòu)成要素的輸入輸出關(guān)系可以描述為:其中Hm就是第m個(gè)構(gòu)成要素的效率矩陣。按照此方法,可以依次寫(xiě)出帶有有機(jī)朗肯循環(huán)裝置的冷熱電聯(lián)供微網(wǎng)系統(tǒng)的7個(gè)構(gòu)成要素的效率矩陣。效率矩陣表示了各構(gòu)成要素的能量轉(zhuǎn)換關(guān)系。

(2)各構(gòu)成要素之間的能量是流動(dòng)的,尤其是在各個(gè)能源分支點(diǎn),能源分派特性尤為明顯。假設(shè)整個(gè)系統(tǒng)中能源分支點(diǎn)的能源分派因子為αi(i為分支點(diǎn)的分支數(shù)),則在一個(gè)能源分支點(diǎn)∑αi=1。依次寫(xiě)出系統(tǒng)每個(gè)構(gòu)成要素的輸入變量表達(dá)式,并將能源分派因子代入到該輸入變量表達(dá)式中,然后將表達(dá)式寫(xiě)成矩陣形式Vim=TmVi,Tm就是第m個(gè)構(gòu)成要素的派遣矩陣。派遣矩陣反映了構(gòu)成要素之間的能量流動(dòng)關(guān)系。

(3)冷熱電聯(lián)供微網(wǎng)系統(tǒng)可以看成如圖2所示的多輸入多輸出模型。轉(zhuǎn)換矩陣描述了系統(tǒng)輸入輸出的關(guān)系,代表了系統(tǒng)的能量流動(dòng)過(guò)程。列寫(xiě)系統(tǒng)輸出變量的表達(dá)式,該表達(dá)式包含了系統(tǒng)的分派因子、系統(tǒng)輸入變量、系統(tǒng)構(gòu)成要素的效能因子等,并將系統(tǒng)輸入輸出變量均寫(xiě)成矩陣形式Vo=GVi,G即為系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換矩陣。

(4)由系統(tǒng)效率矩陣、派遣矩陣、轉(zhuǎn)換矩陣構(gòu)成的描述系統(tǒng)構(gòu)成要素、構(gòu)成要素之間、系統(tǒng)輸入變量與輸出變量之間能量轉(zhuǎn)換和流動(dòng)關(guān)系的建模方法,我們稱之為矩陣傳函法。

(5)當(dāng)系統(tǒng)的輸入變量有變化時(shí),如系統(tǒng)增加太陽(yáng)能、風(fēng)能等其他能源形式時(shí),矩陣傳函法依然可以全面而準(zhǔn)確地描述系統(tǒng)。

矩陣傳函法具有全面描述系統(tǒng)、易擴(kuò)展、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單清晰、易于理解、易于后續(xù)分析系統(tǒng)的特性,具有良好的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。本發(fā)明提供的一種冷熱電聯(lián)供微網(wǎng)系統(tǒng)的矩陣傳函建模方法,不僅可以準(zhǔn)確地描述出系統(tǒng)輸入輸出之間的能量轉(zhuǎn)換關(guān)系,而且還可以詳細(xì)地描述出系統(tǒng)內(nèi)部各構(gòu)成要素的能量轉(zhuǎn)換關(guān)系,以及系統(tǒng)內(nèi)部各構(gòu)成要素之間能量的分配、流動(dòng)關(guān)系。矩陣傳函法除了可以詳細(xì)而準(zhǔn)確地描述能源系統(tǒng)之外,還具有簡(jiǎn)潔高效、易于理解、易于實(shí)現(xiàn)、易于擴(kuò)展、便于對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行后續(xù)分析等特性,具有較好的工程實(shí)踐價(jià)值。

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