基于储能的综合能源系统优化方法及其系统

技术领域

本发明涉及能源利用技术领域，尤其涉及一种基于储能的综合能源系统优化方法及其系统。

背景技术

在电力市场的比重不断扩增的背景下，可再生能源的发展日趋重要。然而，可再生能源的发电量受天气状况和昼夜周期的影响，固有的间歇性和波动性为电网的安全、稳定运行带来严峻挑战，影响了电网对可再生能源发电的接纳能力。

作为综合能源系统的关键环节，大规模储能技术为可再生能源并网提供了有效解决方案。其中，具备高储能密度、无地理条件限制、并能与其他工业过程进行灵活有效耦合的液态空气储能受到了广泛的关注。液态空气储能技术在用能低谷，将富余的电力以液态空气形式进行存储；在用能高峰时，空气复温膨胀，释放电能，实现可再生能源平稳可靠的电力输出。然而，在储能阶段产生的压缩热应用于空气再热后仍有富余，通常以热能形式耗散，系统的能量利用效率低；供能形式单一，仍有待拓宽以满足综合能源系统发展的需求。

综合能源系统是冷、热、电、气等多种类型能源统一规划、统一调度的综合性能源系统，系统中各种能源之间相互耦合，共同为用户侧提供所需的能源。充分利用液态空气储能集冷、热、电、气多能接口优势，将可再生能源以多能互补的形式接入综合能源系统，可以有效平抑可再生能源的间歇性、随机性与波动性。然而，液态空气储能作为多能流并存的系统，结构与运行机理复杂，多种规律并存且相互作用，使基于液态空气储能的综合能源系统在结构、能量流以及运行模式等方面仍需进一步探究。

综上，在典型的液态空气储能系统中，储能阶段产生的压缩热应用于释能阶段的空气再热后常有剩余，通常以热能形式耗散，压缩热并未得到充分利用，系统的循环效率和

发明内容

本发明提供一种基于储能的综合能源系统优化方法及其系统，用以解决现有技术中压缩热并未得到充分利用，供能模式单一，无法满足综合能源系统对多种类型能源供应的需求的缺陷，以缓解用能紧张问题，从而达到较高的系统性能。

本发明提供一种基于储能的综合能源系统优化方法，包括：

S1、建立可再生能源出力的预测模型和用户负荷的预测模型；

S2、依据所述可再生能源出力的预测模型和所述用户负荷的预测模型，获得设定时间后的可再生能源出力的预测值和用户负荷的预测值；

S3、以综合能源系统的日运行成本最低为目标函数，建立综合能源系统的运行优化模型，并利用所述运行优化模型结合可再生能源出力的预测值和用户负荷的预测值，设定综合能源系统设备出力的上限、下限以及运行约束条件；

S4、对所述运行优化模型进行求解，获得综合能源系统的各设备出力以及设备状态参数。

根据本发明提供的一种基于储能的综合能源系统优化方法，还包括：

S5、通过对所述运行优化模型的收敛判断；

S6、输出综合能源系统的供能参数、设备运行参数以及日运行成本参数。

根据本发明提供的一种基于储能的综合能源系统优化方法，所述S1包括：

采集综合能源系统所处环境参数随时间按变化的历史数据，进行规律特性分析和数据整理拟合，采用支持向量机方法建立可再生能源出力的预测模型。

根据本发明提供的一种基于储能的综合能源系统优化方法，所述S1包括：

依据环境温度随时间变化的历史数据，采用支持向量机方法建立用户负荷的预测模型。

根据本发明提供的一种基于储能的综合能源系统优化方法，所述S3包括：

依据当前能源价格、综合能源系统的设备容量、综合能源系统的设备供能模型，以综合能源系统的日运行成本最低为目标函数，建立系统运行优化模型。

根据本发明提供的一种基于储能的综合能源系统优化方法，所述综合能源系统的设备供能模型包括：膨胀机组产生的电能模型、供冷装置产生的冷量模型和供热装置产生的热能模型。

根据本发明提供的一种基于储能的综合能源系统优化方法，所述综合能源系统的日运行成本包括储能单元的耗电成本、综合能源系统中各设备的日运行维护成本和综合能源系统污染物排放成本。

根据本发明提供的一种基于储能的综合能源系统优化方法，所述S4包括：

利用混合整数非线性规划算法对所述运行优化模型进行求解，获得供冷、供热、供电设备的出力及设备状态参数。

本发明还提供一种基于储能的综合能源系统，包括：第一储罐、第二储罐、第三储罐、供热装置、供冷装置、压缩机组、膨胀机组、冷却器、再热器和蓄冷装置；其中，

所述第一储罐、所述供冷装置的第一侧、所述再热器的第一侧、所述供热装置的第一侧、所述第二储罐和所述冷却器的第一侧依次连接并构成传热介质循环回路；

所述压缩机组、所述冷却器的第二侧、所述蓄冷装置、所述第三储罐、所述再热器的第二侧和所述膨胀机组依次连接。

根据本发明提供的一种基于储能的综合能源系统，还包括第一阀门、第二阀门、第三阀门和第四阀门，所述第一储罐通过管道与所述再热器的第一侧连接且所述第一阀门设置于所述第一储罐与所述再热器之间，所述第二阀门设置于所述第一储罐与所述供冷装置的第一侧之间；所述第三阀门设置于所述再热器与所述供热装置之间，所述再热器的第一侧通过管道与所述第二储罐连接且所述第四阀门设置于所述再热器与所述第二储罐之间。

本发明提供的一种基于储能的综合能源系统优化方法，通过建立预测模型预测可再生能源出力和用户负荷，以日运行成本最低为目标函数，建立运行优化模型，并依据预测值，设定系统设备出力和运行约束条件，对运行优化模型进行求解，获得各设备出力及设备状态参数，可应用于基于液态空气储能的综合能源系统优化，依据系统实际负荷需求及设备出力，准确匹配能源供需和能流耦合关系，可以充分满足用户侧的冷、热、电等多类型能源需求，对于促进多能互补，实现资源的可持续发展，提高电力系统经济性和清洁性具有重要意义，更加安全地保障供能系统稳定性。

进一步地，本发明还提供一种基于储能的综合能源系统，其采用液态空气进行储能，通过第三储罐储存液态空气，通过第一储罐储存具有压缩热的压缩空气，通过能量的梯级利用，满足了用户侧的冷、热和电等多类型能源需求，促进多能互补，且可以依据用能峰谷时期相应调整工作模式，从而实现涉及多种能源的用能削峰填谷，更加安全地保障供能系统稳定性，并实现资源的可持续发展。

附图说明

为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明提供的基于储能的综合能源系统优化方法的流程示意图；

图2是本发明提供的基于储能的综合能源系统的结构示意图。

附图标记：

1：压缩机组； 2：冷却器； 3：蓄冷装置；

4：降压装置； 5：第三储罐； 6：第二储罐；

7：第一储罐； 8：低温泵； 9：再热器；

10：膨胀机组； 11：第二阀门； 12：第一阀门；

13：供冷装置； 14：第三阀门； 15：第四阀门；

16：供热装置。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

下面结合图1描述本发明的一种基于储能的综合能源系统优化方法，包括：

S1、建立可再生能源出力的预测模型和用户负荷的预测模型；

S2、依据可再生能源出力的预测模型和用户负荷的预测模型，获得设定时间后的可再生能源出力的预测值和用户负荷的预测值；

S3、以综合能源系统的日运行成本最低为目标函数，建立综合能源系统的运行优化模型，并利用运行优化模型结合可再生能源出力的预测值和用户负荷的预测值，设定综合能源系统设备出力的上限、下限以及运行约束条件；

S4、对运行优化模型进行求解，获得综合能源系统的各设备出力以及设备状态参数。

S5、通过对运行优化模型的收敛判断，使得运行优化模型优化周期结束；

S6、输出综合能源系统的供能参数、设备运行参数以及日运行成本参数。

在其中一个实施例中，步骤S1中，采集综合能源系统所处环境参数随时间按变化的历史数据，进行规律特性分析和数据整理拟合，采用支持向量机方法建立可再生能源出力的预测模型。其中，综合能源系统所处环境参数包括光照强度(用I表示)和风速(用V表示)等参数，采集光照强度和风速随时间(用t表示)变化的历史数据，进行规律特性分析总结和数据整理拟合，采用支持向量机方法建立可再生能源出力的预测模型，具体公式为：A＝f(I(t),V(t))。

在其中一个实施例中，步骤S1中，结合运行场景特征，依据环境温度(用T表示)随时间(用t表示)变化的历史数据，采用支持向量机方法建立用户负荷的预测模型，具体公式为：B＝f(T(t))。

在其中一个实施例中，步骤S2中，基于系统的设备容量及运行参数(如本实施例中综合能源系统的供能容量为100MW)，以当前采集数据为基准，通过所建立的预测模型A＝f(I(t),V(t))和B＝f(T(t))，获得一定时间间隔后的可再生能源出力和用户冷热电负荷的预测值，如30分钟或者24小时后的可再生能源出力和用户冷热电负荷预测值。

在其中一个实施例中，步骤S3中，依据当前能源价格、综合能源系统的设备容量、综合能源系统的设备供能模型，以综合能源系统的日运行成本最低为目标函数，建立系统运行优化模型；利用运行优化模型，结合上述预测值，设定综合能源系统设备出力的上限、下限以及运行约束条件。

进一步地，综合能源系统的设备供能模型包括：膨胀机组10产生的电能模型、供冷装置13产生的冷量模型和供热装置16产生的热能模型。具体地，每级膨胀机产生的电能，可利用公式：

式中，W

而膨胀机组10产生的电能模型，可利用公式：

W

式中，W

进一步地，供冷装置13产生的冷量模型，可利用公式：

Q

式中，Q

进一步地，供热装置16产生的热能模型，可利用公式：

Q

式中，Q

在其中一个实施例中，综合能源系统的日运行成本包括储能单元的耗电成本、综合能源系统中各设备的日运行维护成本和综合能源系统污染物排放成本，可利用公式：

minC

式中，C

其中，储能单元的耗电成本C

式中，c

其中，综合能源系统中各设备的日运行维护费用C

式中，R

其中，综合能源系统中污染物排放成本费用C

式中，α为可再生能源产生电能的等效排放系数，β为污染物排放价格，P为Δt时段可再生能源向综合能源系统提供的电功率，t的单位为小时。

在其中一个实施例中，步骤S4中，利用混合整数非线性规划算法对运行优化模型进行求解，获得供冷、供热、供电设备的出力及设备状态参数。

在其中一个实施例中，步骤S5中，通过对运行优化模型的收敛判断，如迭代次数为200次，确保运行优化模型的优化周期结束。输出综合能源系统的供能参数、设备运行参数及日运行成本等参数。

本发明提供的一种基于储能的综合能源系统优化方法，通过建立预测模型预测可再生能源出力和用户负荷，以日运行成本最低为目标函数，建立运行优化模型，并依据预测值，设定系统设备出力和运行约束条件，对运行优化模型进行求解，获得各设备出力及设备状态参数，可应用于基于液态空气储能的综合能源系统优化，依据系统实际负荷需求及设备出力，准确匹配能源供需和能流耦合关系，可以充分满足用户侧的冷、热、电等多类型能源需求，对于促进多能互补，实现资源的可持续发展，提高电力系统经济性和清洁性具有重要意义，更加安全地保障供能系统稳定性。

如图2所示，本发明还提供一种基于储能的综合能源系统，包括：第一储罐7、第二储罐6、第三储罐5、供热装置16、供冷装置13、压缩机组1、膨胀机组10、冷却器2、再热器9和蓄冷装置3；其中，

第一储罐7、供冷装置13的第一侧、再热器9的第一侧、供热装置16的第一侧、第二储罐6和冷却器2的第一侧依次连接并构成传热介质循环回路；

压缩机组1、冷却器2的第二侧、蓄冷装置3、第三储罐5、再热器9的第二侧和膨胀机组10依次连接。

具体地，第一储罐7为高温储罐，用于储存高温传热介质，第二储罐6为常温储罐，用于储存中温传热介质，第三储罐5为低温储罐，用于储存低温液态空气。回收利用压缩热的传热介质可以是导热油或加压水等介质。冷却器2、再热器9、供热装置16和供冷装置13可以是管壳式换热器或板式换热器。

在其中一个实施例中，压缩机组1包括一级或多级压缩机，串联、并联或集成为压缩机组1，压缩机结构形式可以为活塞式、螺杆式或离心式等，每级压缩机后都配置有冷却器2来回收压缩热。

在其中一个实施例中，膨胀机组10包括一级或多级膨胀机，串联、并联或集成为膨胀机组10，膨胀机结构形式可以为径流式、轴流式或径轴流式等，每级膨胀机前设置有再热器9来加热空气。

在其中一个实施例中，蓄冷装置3可采用液相、固相或相变蓄冷等方式中的一种或多种，液态或气态的空气与蓄冷介质直接或间接接触换热，蓄冷装置3可为一级或多级，串联或并联，或者相应的组合结构。

在其中一个实施例中，供冷装置13采用热驱动的制冷装置，优选地，采用吸收式制冷装置，具体可采用溴化锂吸收式制冷装置或氨水吸收式制冷装置。

在其中一个实施例中，该基于储能的综合能源系统还包括第一阀门12和第二阀门11，第一储罐7通过管道与再热器9的第一侧连接且第一阀门12设置于第一储罐7与再热器9之间，第二阀门11设置于第一储罐7与供冷装置13的第一侧之间。在本实施例中，第一阀门12为供冷旁通管路阀门，第二阀门11为供冷管路阀门，供冷旁通管路阀门并联连接在供冷管路阀门和供冷装置13上，通过调整相应阀门的开度，实现系统冷、热和电供给比例的调节，具体地：通过对供冷管路阀门和供冷旁通管路阀门开度的调控，实现对流入供冷装置13的传热介质比例调节，进而改变进入再热器9的传热介质温度，实现综合能源系统供冷和供电比例调节。

在其中一个实施例中，该基于储能的综合能源系统还包括降压装置4和低温泵8，降压装置4设置于第三储罐5的入口与蓄冷装置3之间，低温泵8设置于第三储罐5的出口与蓄冷装置3之间。具体地，降压装置4可采用焦-汤节流阀或低温膨胀机。

在其中一个实施例中，该基于储能的综合能源系统还包括第三阀门14和第四阀门15，第三阀门14设置于再热器9与供热装置16之间，再热器9的第一侧通过管道与第二储罐6连接且第四阀门15设置于再热器9与第二储罐6之间。在本实施例中，第三阀门14为供热管路阀门，第四阀门15为供热旁通管路阀门，供热旁通管路阀门并联连接在供热管路阀门和供热装置16上，通过调整相应阀门的开度，实现系统冷、热和电供给比例的调节，具体地：通过对供热管路阀门和供热旁通管路阀门开度的调控，实现对流入供热装置16的传热介质比例调节，实现系统供热量的调节，从而实现综合能源系统冷、热、电比例的调节。

在其中一个实施例中，在第一储罐7和第三储罐5的外表面包裹设置保温层和/或多层绝热层等保温措施，以减少热量、冷量损失。

综上，本发明实施例的基于储能的综合能源系统，主要包括：储能单元和供能单元，储能单元包括压缩机组1、冷却器2、蓄冷装置3、降压装置4、低温储罐，常温储罐和高温储罐；供能单元包括供电、气部件，供冷部件和供热部件，供电、气部件包括低温泵8，再热器9和膨胀机组10；供冷部件包括供冷管路阀门，供冷旁通管路阀门和供冷装置13；供热部件包括供热管路阀门，供热旁通管路阀门和供热装置16。

依据以上实施例，基于储能的综合能源系统的工作方法包括：

在用能低谷时，常温常压的空气进入压缩机组1中，被压缩至中温高压，然后流经冷却器2和蓄冷装置3进行冷却，获得低温加压空气。进一步地，低温空气经降压装置4降压降温，实现液化，液态空气存储于低温储罐中。在此阶段中，传热介质回收空气压缩过程产生的压缩热，常温传热介质从常温储罐中流出，流经冷却器2获得热量，升温的传热介质流入高温储罐进行存储。

在用能高峰时，低温储罐中的液态空气流经低温泵8增压，然后通过蓄冷装置3释放液态空气的冷能并完成气化，复温后的空气流经再热器9，加热后的空气流经膨胀机组10膨胀发电，同时获得的常温常压纯净空气可用于区域性建筑内的新风循环供应。在此阶段，传热介质从高温储罐中流出，分流经过供冷管路阀门和供冷旁通管路阀门，一部分传热介质流经供冷装置13实现向用户侧的供冷；另一部分传热介质直接流经供冷旁通管路阀门，与流经供冷装置13的传热介质混合，然后一起流入再热器9中。传热介质流经再热器9释放一部分热量后，分流进入供热管路阀门和供热旁通管路阀门，一部分传热介质流经供热装置16用于向用户侧的供热；另一部分直接流经供热旁通管路阀门后，与流经供热装置16的传热介质混合，存储于常温储罐中，供下次循环使用。

基于以上实施例，本发明的基于储能的综合能源系统具有以下有益效果：

1、可以实现能量的梯级利用，满足用户侧的冷、热、电等多类型能源需求，促进多能互补，更加安全地保障供能系统稳定性，并实现资源的可持续发展，在运行过程中不产生碳排放，对于提高电力系统清洁性具有重要意义；

2、在供冷管路上并联供冷旁通管路，并将供冷旁通管路阀门并联连接在供冷管路阀门和供冷装置13上，通过对供冷管路阀门和供冷旁通管路阀门开度的调控，实现对流入供冷装置13的传热介质比例调节，进而改变传热介质进入再热器9的温度，实现综合能源系统供冷和供电比例调节；

3、在供热管路上并联供热旁通管路，并将供热旁通管路阀门并联连接在供热管路阀门和供热装置16上，通过对供热管路阀门和供热旁通管路阀门开度的调控，实现对流入供热装置16的传热介质比例调节，实现系统供热量的调节；

4、在用能低谷时，储能单元运行，压缩热回收并存储在高温储罐，液态空气存储在低温储罐；在用能高峰时，携带压缩热的传热介质首先流经供冷部件，高品位的压缩热用于系统供冷，随后流经再热器9，中品味的压缩热用于系统供电，最后传热介质流经供热部件，通过释放剩余压缩热，降温后的传热介质存储于常温储罐中，系统可以实现能量的梯级利用；

5、在用能低谷时，以液态空气和传热流体为载体存储电能；在用能高峰时，通过供冷装置13，供热装置16和膨胀机组10，系统灵活实现冷、热、电的供应，从而实现涉及多种能源的用能削峰填谷；

6、以液态空气储能为基础，通过以上实施例的系统运行优化配置方法，实现多能联供的耦合和调控，构建了综合能源系统。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。