一种考虑可再生能源消纳的村镇多能互补热电联供系统及其应用方法

1.本发明属于暖通空调设备领域，涉及一种考虑可再生能源消纳的村镇多能互补热电联供系统方案设计及配套运行策略。


背景技术：

2.热电联供是一种能够同时为用户提供电能和热能的高效能源生产方式，先通过锅炉将水加热成高温高压的蒸汽通入汽轮机做功发电，再利用做过功的蒸汽中的热量供热，减少系统冷源损失，提高能源利用率。而目前热电联供多使用化石能源作为燃料，以煤炭为例，其开采、运输、燃烧等过程所产生的环境污染不容小觑。
3.另一方面，目前风力发电和光伏发电等可再生能源发电方式，由于太阳辐射波动，风速变化等原因，可能存在输出功率不稳定等问题，从而导致弃风、弃光等现象发生，造成能源的浪费。
4.中国西北村镇地区生物质资源(薪柴、秸秆等)丰富，但大多以用户为单位直接燃烧用于炊事或采暖，能量利用效率低。同时，该地区风能、光能资源丰富，风电光伏总装机容量大，但多为大规模发电，电力上网输送供城市使用，当地农村自用较少，即农村的风能、太阳能资源未得到充分利用。另一方面，西北村镇地区人口密度小，存在远距离供电供暖投资大，维护困难等问题。


技术实现要素：

5.本发明的目的是针对西北地区丰富的可再生能源，提出一种考虑可再生能源消纳的多能互补热电联供系统及其配套运行的应用方法，一方面充分利用与消纳西北村镇地区的可再生能源，另一方面解决风力发电、光伏发电出力不稳定的问题。
6.为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：
7.一种考虑可再生能源消纳的村镇多能互补热电联供系统，包括热电联供模块、供电模块、供热模块、储热模块和用户侧负荷模块；所述热电联供模块的输出端分别与供热模块、储热模块和所述用户侧负荷的输入端相连；所述供电模块的输出端分别与供热模块和用户侧负荷的输入端相连；所述供热模块的输出端分别与储热模块和用户侧负荷的输入端相连；所述储热模块的输出端与用户侧负荷的输入端相连；所述用户侧负荷包括冬季采暖热负荷、全年用电负荷。
8.优选地，所述热电联供模块采用生物质热电联产机组，用于同时供热和供电，包括锅炉、汽轮机、余热回收装置或给水泵。
9.优选地，所述生物质热电联产机组采用生物质固体燃料，包括秸秆。
10.优选地，所述供电模块包括光伏发电装置和或风力发电装置。
11.优选地，所述光伏发电装置和风力发电装置分别采用太阳能和风能。
12.优选地，所述供热模块包括空气源热泵机组。
13.优选地，所述储热模块包括蓄热罐，用于储放热能。
14.本发明还提供了一种考虑可再生能源消纳的村镇多能互补热电联供系统的应用方法，所述系统应根据实时热负荷与储热模块容量及储热量、热电联供模块最小运行功率、热电联供模块额定运行功率确定热电联供模块启闭及运行工况；
15.当实时热负荷不大于储热模块所储热量时，系统热电联供模块关闭，供热模块关闭，供电模块、储热模块开启；
16.当实时热负荷大于储热模块所储热量，且不大于热电联供模块最小功率时，系统热电联供模块关闭，供热模块、供电模块开启，储热模块启闭及蓄热量、供热模块产热量由系统余电量决定；
17.当实时热负荷大于热电联供模块最小功率，且不大于热电联供模块最小功率与储热模块所储热量之和时，系统热电联供模块关闭，供热模块、供电模块、储热模块开启，供热模块产热量、储热模块储放热量由系统余电量决定；
18.当实时热负荷大于电联供模块最小功率与储热模块所储热量之和，且不大于热电联供模块最大功率与储热模块所储热量之和时，热电联供模块、供电模块、储热模块开启，供热模块启闭及产热量、储热模块储放热量由系统余电量决定；
19.当实时热负荷大于电联供模块最大功率与储热模块所储热量之和时，热电联供模块、供热模块、供电模块、储热模块开启，供热模块产热量、储热模块储放热量由系统余电量决定；
20.再根据实时电负荷与供电模块实时功率、热电联供模块实时功率确定供热模块运行工况；根据各模块实时运行工况及能量平衡约束，确定储热模块实时储、放热量；所述能量平衡约束包括电能平衡约束以及热能平衡约束；
21.系统具体流程包含以下公式：
22.生物质热电联产机组出力模型：
[0023][0024][0025]
热电联产机组出力约束：q
chp,min
≤q
chp
(t)≤q
chp,max
[0026]
式中q
chp
(t)为生物质热电联产机组在t时刻的热出力，kw；f
jg
(t)为t时刻机组秸秆耗量，kg/s；h
jg
为秸秆热值，kj/kg；η
chp,q
为机组产热效率；e
chp
(t)为生物质热电联产机组在t时刻的电出力，kw；η
chp,e
为机组发电效率；q
chp,min
为机组最小出力，kw；q
chp,max
为机组最大出力，kw；
[0027]
光伏发电装置出力模型：
[0028][0029]
式中e
pv
(t)为光伏发电装置在t时刻的输出功率，kw；e
pv,e
为光伏发电装置额定功
率，kw；se为额定功率下的光照强度，w/m2；s为实时太阳光照强度，w/m2；
[0030]
风力发电装置出力模型：
[0031][0032]
式中e
wt
(t)为风力发电装置在t时刻的输出功率，kw；e
wt,e
为风力发电装置额定功率，kw；vr为切入风速，m/s；vc为切出风速，m/s；ve为额定风速，m/s；v为实时风速，m/s；k为形状系数，可表示为：
[0033][0034]
式中，σ为风速样本标准差，为平均风速；
[0035]
空气源热泵出力模型：
[0036]qhp
(t)＝e
hp
(t)
·
cop
hp
[0037]qhp
(t)＝q
hp,1
(t)+q
hp,2
(t)
[0038]
式中q
hp
(t)为热泵在t时刻的产热功率，kw；e
hp
(t)为热泵在t时刻的电功率，kw；cop
hp
为热泵的制热性能系数；
[0039]
此外，根据产热的用途不同，q
hp
(t)可分为q
hp,1
(t)和q
hp,2
(t)两部分；其中，q
hp,1
(t)为为满足用户热负荷要求，热泵所需提供的热功率；q
hp,2
(t)为在保证热量不浪费的前提下，系统余电量e
sp
(t)通过热泵产生的热，可表示为：
[0040]qhp,2
(t)＝min{n
hs
,e
sp
(t)
·
cop
hp
+q
hs,1
(t)+q
hs,have
(t-1)}
[0041]
式中e
sp
(t)可表示为：
[0042]esp
(t)＝e
chp
(t)+e
pv
(t)+e
wt
(t)-e
load
(t)
[0043]
储热设备模型：
[0044]
储热约束：
[0045][0046]qhs
(t)＝q
hs,1
(t)+q
hs,2
(t)
[0047]nhs
为储热罐容量，kw；，q
hs
(t)为储热罐t时刻储(放)热量，q
hs
(t)＞0时为储热，反之为放热，kw；为储热罐最大放热功率，kw；为储热罐最大蓄热功率，kw；q
hs,have
(t)为t时刻储热罐中已有储热量，kw；
[0048]
根据热量来源的不同，q
hs
(t)可分为q
hs,1
(t)和q
hs,2
(t)两部分；其中，q
hs,1
(t)为为满足用户热负荷要求，储热罐所需提供的热功率，所以其值小于等于0；q
hs,2
(t)等于系统余电量通过热泵的产热功率，即：
[0049]qhs,2
(t)＝q
hp,2
(t)
[0050]
系统热能平衡约束：
[0051]qchp
(t)+q
hp
(t)＝q
load
(t)+q
hs
(t)
[0052]
系统电能平衡约束：
[0053]echp
(t)+e
pv
(t)+e
wt
(t)+e
grid
(t)＝e
load
(t)+e
hp
(t)。
[0054]
优选地，所述系统连接电网，所述电网以增强系统可靠性。
[0055]
优选地，所述盈余电能通过热泵转化为热能为农村供暖，兼顾了电力消纳与供暖补充。
[0056]
本发明提供的系统中的供电模块可在不同资源条件下灵活选择光伏发电装置和风力发电装置中的至少一种，以达到最高效利用当地可再生能源的效果。
[0057]
本发明的配套运行策略考虑了不同热、电负荷情况下系统的合理运行，以达到在各种工况下系统高效供能的目的。
[0058]
由于采用上述系统方案及运行策略，本发明具有以下有益效果：
[0059]
1、本发明所述的系统方案最大程度的利用了西北村镇丰富的可再生能源，并较原本的煤炭燃烧取暖，实现了节能减排以及提高当地居民的居住品质。
[0060]
2、本发明所述的系统运行策略考虑了可再生能源发电在电需求较低的农村消纳难的问题，优先将盈余电能通过热泵转化为热能为农村供暖，兼顾了电力消纳与供暖补充，并且有效降低了秸秆的使用量，从而进一步降低了碳排放量。本发明可以提高西北村镇地区供暖供电的经济性与能效。
附图说明
[0061]
图1为本发明提供的一种考虑可再生能源消纳的村镇多能互补热电联供系统的模块示意图；
[0062]
图2为本发明提供的一种考虑可再生能源消纳的村镇多能互补热电联供系统的具体应用示意图。
[0063]
图3为本发明实施例提供的多能互补热电联供系统的配套运行策略流程图。
[0064]
表1为多能互补热电联供系统配置与运行优化后与分供系统性能比较表。
具体实施方式
[0065]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
[0066]
如图1和图2所示，为本发明提供的一种考虑可再生能源消纳的村镇多能互补热电联供系统，热电联供模块、供热模块、供电模块、储热模块、用户侧负荷。
[0067]
其中热电联供模块的输出端分别与供热模块、储热模块和所述用户侧负荷的输入端相连；所述供电模块的输出端分别与供热模块和用户侧负荷的输入端相连；所述供热模块的输出端分别与储热模块和用户侧负荷的输入端相连；所述储热模块的输出端与用户侧负荷的输入端相连；所述用户侧负荷包括冬季采暖热负荷、全年用电负荷。
[0068]
热电联供模块采用生物质热电联产机组4，用于同时供热和供电，包括锅炉、汽轮机、余热回收装置或给水泵；生物质热电联产机组4采用生物质固体燃料，包括秸秆；供电模块包括光伏发电装置3和或风力发电装置2，光伏发电装置3和风力发电装置2分别采用太阳
能和风能(光伏发电装置3和风力发电装置2的选用与否，需要根据当地的风能资源、太阳能资源、可使用场地面积等因素综合评估)；供热模块包括空气源热泵机组5；储热模块包括蓄热罐6，用于储放热能。
[0069]
进一步，所述系统连接电网1，所述电网1以增强系统可靠性。
[0070]
进一步，所述盈余电能通过热泵转化为热能为农村供暖，兼顾了电力消纳与供暖补充。
[0071]
如图3所示，本发明还提供了一种考虑可再生能源消纳的村镇多能互补热电联供系统的应用方法，该系统应根据实时热负荷与储热模块容量及储热量、热电联供模块最小运行功率、热电联供模块额定运行功率确定热电联供模块启闭及运行工况；并进一步根据系统余电量和能量平衡约束确定各模块的运行工况。
[0072]
当实时热负荷不大于储热模块所储热量时，系统热电联供模块关闭，供热模块关闭，供电模块、储热模块开启；在供热方面系统仅储热模块放热，放热量即为系统实时热负荷；供电方面，系统供电模块供电，不足由电网补充，盈余则输送上网。
[0073]
当实时热负荷大于储热模块所储热量，且不大于热电联供模块最小功率时，供热方面，系统热电联供模块关闭，供热模块、供电模块开启，储热模块启闭及蓄热量、供热模块产热量由系统余电量决定；当系统有余电时，供热模块产热量包括供暖所需热量及系统余电量产热，系统余电量产热由储热模块储存，当储热模块剩余容量小于系统余电产热量时，由储热模块剩余容量决定余电产热量；当系统无余电时，供热模块产热量仅为供暖所需热量，储热模块关闭。供电方面，由供电模块供电，不足由电网1补充。
[0074]
当实时热负荷大于热电联供模块最小功率，且不大于热电联供模块最小功率与储热模块所储热量之和时，供热方面，系统热电联供模块关闭，供热模块、供电模块、储热模块开启，供热模块产热量、储热模块储放热量由系统余电量决定；当系统有余电时，供热模块产热量包括供暖所需热量及系统余电量产热，系统余电量产热由储热模块储存，当储热模块剩余容量小于系统余电产热量时，由储热模块剩余容量决定余电产热量；当系统无余电时，供热模块产热量仅为供暖所需热量，储热模块放热量为供暖所需热量。供电方面，由供电模块供电，不足由电网1补充。
[0075]
当实时热负荷大于电联供模块最小功率与储热模块所储热量之和，且不大于热电联供模块最大功率与储热模块所储热量之和时，热电联供模块、供电模块、储热模块开启，供热模块启闭及产热量、储热模块储放热量由系统余电量决定；当系统有余电时，供热模块产热量为系统余电量产热，系统余电量产热由储热模块储存，当储热模块剩余容量小于系统余电产热量时，由储热模块剩余容量决定余电产热量；当系统无余电时，供热模块关闭，储热模块放热量为供暖所需热量。供电方面，由热电联供模块、供电模块供电，不足由电网1补充。
[0076]
当实时热负荷大于电联供模块最大功率与储热模块所储热量之和时，热电联供模块、供热模块、供电模块、储热模块开启，供热模块产热量、储热模块储放热量由系统余电量决定；当系统有余电时，供热模块产热量包括供暖所需热量及系统余电量产热，系统余电量产热由储热模块储存，当储热模块剩余容量小于系统余电产热量时，由储热模块剩余容量决定余电产热量；供热模块产热量仅为供暖所需热量，储热模块放热量为供暖所需热量。供电方面，由热电联供模块、供电模块供电，不足由电网1补充。
[0077]
再根据实时电负荷与供电模块实时功率、热电联供模块实时功率确定供热模块运行工况；根据各模块实时运行工况及能量平衡约束，确定储热模块实时储、放热量；所述能量平衡约束包括电能平衡约束以及热能平衡约束；
[0078]
系统的具体流程包含以下公式：
[0079]
(1)生物质热电联产机组出力模型：
[0080][0081][0082]
热电联产机组出力约束：q
chp,min
≤q
chp
(t)≤q
chp,max
[0083]
式中q
chp
(t)为生物质热电联产机组在t时刻的热出力，kw；f
jg
(t)为t时刻机组秸秆耗量，kg/s；h
jg
为秸秆热值，kj/kg；η
chp,q
为机组产热效率；e
chp
(t)为生物质热电联产机组在t时刻的电出力，kw；η
chp,e
为机组发电效率；q
chp,min
为机组最小出力，kw；q
chp,max
为机组最大出力，kw；
[0084]
(2)光伏发电装置出力模型：
[0085][0086]
式中e
pv
(t)为光伏发电装置在t时刻的输出功率，kw；e
pv,e
为光伏发电装置额定功率，kw；se为额定功率下的光照强度，w/m2；s为实时太阳光照强度，w/m2；
[0087]
(3)风力发电装置出力模型：
[0088][0089]
式中e
wt
(t)为风力发电装置在t时刻的输出功率，kw；e
wt,e
为风力发电装置额定功率，kw；vr为切入风速，m/s；vc为切出风速，m/s；ve为额定风速，m/s；v为实时风速，m/s；k为形状系数，可表示为：
[0090][0091]
式中，σ为风速样本标准差，为平均风速；
[0092]
(4)空气源热泵出力模型：
[0093]qhp
(t)＝e
hp
(t)
·
cop
hp
[0094]qhp
(t)＝q
hp,1
(t)+q
hp,2
(t)
[0095]
式中q
hp
(t)为热泵在t时刻的产热功率，kw；e
hp
(t)为热泵在t时刻的电功率，kw；cop
hp
为热泵的制热性能系数；
[0096]
此外，根据产热的用途不同，q
hp
(t)可分为q
hp,1
(t)和q
hp,2
(t)两部分；其中，q
hp,1
(t)为为满足用户热负荷要求，热泵所需提供的热功率；q
hp,2
(t)为在保证热量不浪费的前提下，系统余电量e
sp
(t)通过热泵产生的热，可表示为：
[0097]qhp,2
(t)＝min{n
hs
,e
sp
(t)
·
cop
hp
+q
hs,1
(t)+q
hs,have
(t-1)}
[0098]
式中e
sp
(t)可表示为：
[0099]esp
(t)＝e
chp
(t)+e
pv
(t)+e
wt
(t)-e
load
(t)
[0100]
(5)储热设备模型：
[0101]
储热约束：
[0102][0103]qhs
(t)＝q
hs,1
(t)+q
hs,2
(t)
[0104]nhs
为储热罐容量，kw；，q
hs
(t)为储热罐t时刻储(放)热量，q
hs
(t)＞0时为储热，反之为放热，kw；为储热罐最大放热功率，kw；为储热罐最大蓄热功率，kw；q
hs,have
(t)为t时刻储热罐中已有储热量，kw；
[0105]
根据热量来源的不同，q
hs
(t)可分为q
hs,1
(t)和q
hs,2
(t)两部分；其中，q
hs,1
(t)为为满足用户热负荷要求，储热罐所需提供的热功率，所以其值小于等于0；q
hs,2
(t)等于系统余电量通过热泵的产热功率，即：
[0106]qhs,2
(t)＝q
hp,2
(t)
[0107]
(6)系统热能平衡约束：
[0108]qchp
(t)+q
hp
(t)＝q
load
(t)+q
hs
(t)
[0109]
(7)系统电能平衡约束：
[0110]echp
(t)+e
pv
(t)+e
wt
(t)+e
grid
(t)＝e
load
(t)+e
hp
(t)。
[0111]
实施例
[0112]
本实施例提供了一个兰州多能互补热电联供系统配置及运行优化的方案：根据兰州地区1000户农村用户采暖与用电需求进行系统设计。考虑到农村实际情况，采暖时间为冬季全天，采暖温度为18℃，用电时间为全年，全天各时段用电量则根据人员实习作息设定。根据气象站数据及国家标准，兰州农村地区风能、太阳能资源量宜用于风力、光伏发电，农民人均秸秆量高(》1000kg/人)，且拥有接入电网的条件。因此，将图2所示系统及图3所示配套运行策略应用于此算例。
[0113]
进一步，以经济性和能效综合最优化计算得到多能互补热电联供系统各组件容量：光伏发电装置399kw，风力发电装置48kw，生物质热电联产机组303kw，空气源热泵1836kw，蓄热罐容量135kw。并根据所述运行策略进行计算。与之对比，根据算例负荷数据，采用燃煤锅炉供热+电网供电的分供系统容量为：燃煤锅炉9766kw。分供系统的运行根据热、电负荷情况计算。联供系统与分供系统结合初投资、运行费用的年化费用以及能耗对比如表1所示。
[0114]
表1
[0115]
系统形式年化费用(万元)总能耗(mj)分供系统398.951.2155
×
10
11
联供系统332.489.3903
×
10
10
[0116]
本发明实施例所述的一种多能互补热电联供系统方案及配套运行策略，有效地利用了西北村镇地区的生物质能、太阳能和风能，同时过程中提高了村镇采暖用电的经济性和能效，实现了降低成本和节能减排的目的。
[0117]
进一步，若根据国家标准，系统应用当地风能或太阳能资源条件不适合建设相应的发电装置，可考虑仅保留一种发电装置，但实施例在风力发电和光伏发电中必须至少保留一种发电装置，以确保本发明配套运行策略的可行性。
[0118]
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。