一种提升高海拔高寒地区新能源消纳的电热系统调控方法

技术领域

本发明涉及能量管理技术领域，并且更具体地，涉及一种提升高海拔高寒地区新能源消纳的电热系统调控方法。

背景技术

对于我国的高海拔高寒地区而言，地处偏远，石油、煤炭等常规能源匮乏，而太阳能、风能等可再生能源充足，为满足当地的能源需求，亟需建立更为丰富的能源系统。

将电力系统与储热系统相互结合，能够将多余的可再生能源以热能的形式储存起来，在电负荷低谷时期将电能转化为热能，电负荷高峰时期释放热能，以减轻高峰时期以热能需求而电转热的负担。这对于可再生能源的消纳以及电网的调峰具有很大的帮助。

但是，如何保证储热系统自身运行效率、经济成本最低，一直是储热装置应用的一个关键问题。同时，如何在高海拔高寒地区的环境因素、新能源出力的不确定因素、储热系统结构、负荷特征等多条件约束下，保证储热系统在新能源出力变化、负荷波动等场景下具备精确有效的实时感知、反馈等动态响应能力，进一步提升储热系统循环周期内的综合能效，也是实现综合能源系统高效利用的关键技术之一。

发明内容

针对上述问题，本发明提供了一种提升高海拔高寒地区最大新能源消纳的电热系统调控方法，从而解决上述技术问题。

本发明采用的技术方案如下：

第一个方面，本发明提出了一种提升高海拔高寒地区新能源消纳的电热系统调控方法，包括：

步骤一，建立储热装置和热电联产机组的数学模型，并根据高海拔、高寒环境参数对于储热装置的数学模型进行修正，根据修正后的数学模型调控储热装置的工作参数；

步骤二，根据电负荷和热负荷的实际需求、热电联产机组的数学模型和储热装置的工作参数，利用电热系统网的能量分配模型调控热电联产机组的工作参数。

进一步地，调控储热装置的工作参数的方法包括：

步骤1.3.1：根据风机转速、水泵流速，确定风机传输的功率，根据风机传输的功率与加热单元中干烧管输出的热功率、风机循回功率之和进行对比，确定风机转速、水泵流速、相变储热砖的热传递功率的调控方式；所述的调控方式包括调控策略一和调控策略二；

步骤1.3.2：若风机传输的功率小于加热单元中干烧管输出的热功率、风机循回功率之和，则执行调控策略一；步骤1.3.3：若风机传输的功率大于或等于加热单元中干烧管输出的热功率、风机循回功率之和，则执行调控策略二。

进一步地，所述的调控策略一具体为：

步骤1.3.2.1：根据实际风机传输的功率和当前水泵流速，计算水箱的输入功率，根据水箱的输入功率与水箱的热功率需求进行对比，确定风机转速、水泵流速、相变储热砖的热传递功率是否需要调节；

步骤1.3.2.2：若水箱的输入功率小于水箱的热功率需求，则保持水泵流速不变，提高风机转速，并返回步骤1.3.1；

若水箱的输入功率大于或等于水箱的热功率需求，则保持风机转速不变，通过降低水泵流速使得水箱的输入功率等于水箱的热功率需求，调节相变储热砖的热传递功率使其满足

进一步地，所述的调控策略二具体为：

步骤1.3.3.1：将加热单元中干烧管输出的热功率、风机循回功率之和作为风机传输的功率，计算风机传输的功率对应的水箱的输入功率；根据水箱的输入功率与水箱的热功率需求进行对比，确定风机转速、水泵流速、相变储热砖的热传递功率是否需要调节；

步骤1.3.3.2：若水箱的输入功率小于水箱的热功率需求，则逐步提高水泵流速；

若水箱的输入功率大于或等于水箱的热功率需求，则保持风机转速不变，通过降低水泵流速使得水箱的输入功率等于水箱的热功率需求，调节相变储热砖的热传递功率为0，调控结束；

在步骤1.3.3.2中逐步提高水泵流速的过程中，在水泵流速已经达到最大限定值的情况下，令

在水泵流速未达到最大限定值的情况下，根据当前水泵流速和风机转速计算水箱的输入功率，若水箱的输入功率依然小于水箱的热功率需求，则继续提高水泵流速，直至水箱的输入功率等于水箱的热功率需求，维持风机转速和水泵流速不变，调节相变储热砖的热传递功率为0，调控结束。

进一步地，利用电热系统网的能量分配模型调控热电联产机组的工作参数，包括：

步骤2.1：根据风电的实时功率P

所述的能量分配模型为：热电联产机组的产热量P

步骤2.2：建立能量分配模型的约束条件和目标函数，通过粒子群算法求解目标函数，寻求X

第二方面，本发明提供了一种提升高海拔高寒地区新能源消纳的电热系统调控装置，包括：

储热装置建模模块，其用于建立储热装置的数学模型；

储热装置模型修正模块，其用于获取高海拔、高寒环境参数，并对供热单元数学模型中水箱内的水温和换热单元数学模型中风机的转速进行修正；

热电联产机组建模模块，其用于建立热电联产机的数学模型；

第一调控模块，其用于根据修正后的储热装置的数学模型调控储热装置的工作参数；

电热系统建模模块，其用于建立电热系统网的能量分配模型；

第二调控模块，其用于根据电负荷和热负荷的实际需求、热电联产机组的数学模型和储热装置的工作参数，利用电热系统网的能量分配模型调控热电联产机组的工作参数。

第三方面，本发明提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有程序，该程序被处理器执行时，实现上述的一种提升高海拔高寒地区新能源消纳的电热系统调控方法。

本发明的有益效果如下：本发明首先对电热系统网中的储热装置工作参数进行调控，利用最优工作参数和热电联产机组数学模型建立电热系统网的能量分配模型，可实现根据电负荷和热负荷的实际需求实时调控热电联产机组的工作参数，，从而实现最大化的风电消纳。

附图说明

图1为本发明实施例示出的储热装置的结构示意图；

图2为水箱的热功率需求的计算流程示意图；

图3为储热装置工作参数的调控方法流程示意图；

图4为本发明实施例示出的电热系统网的能量流动简化示意图；

图5为本发明实施例中储热装置输入输出功率变化曲线，其中，(a)输入功率，(b)输出功率；

图6为本发明实施例中储热装置的热量存储(a)、风机转速(b)、内部管道的进水流速(c)、相变储热砖热交换功率(d)随时间的变化曲线；

图7为本发明实施例中高海拔高寒环境条件下风机转速调整曲线；

图8为本发明实施例中风力预期发电、电负荷、热负荷随时间的变化曲线；

图9为本发明实施例中储热装置输入功率、输出功率、储热量变化曲线；

图10为本发明实施例中电负荷与实际总供电量变化曲线；

图11为本发明实施例中热负荷与实际总供热量变化曲线；

图12为本发明实施例中储热装置投入前后废弃的能量变化曲线，其中(a)投入后，(b)投入前。

具体实施方式

下面结合附图详细说明本发明的发明内容，但它并不构成对本发明的限定，仅作举例而已。同时通过说明，本发明的优点将变得更加清楚和容易理解。

本发明提出的用于高海拔高寒地区新能源消纳的电热系统调控方法，主要包括以下步骤：

S1，建立储热装置的数学模型，并根据高海拔、高寒环境条件对于储热装置的数学模型进行修正。

如图1所示，其示出了根据本发明一个实施例的储热装置结构示意图，主要组成为加热单元、蓄热单元、换热单元、供热单元，加热单元用于将电能转换成热能，以干烧管为主；蓄热单元用于储存热量，在合适的时机对热量进行吸收和释放，以相变储热砖为主；换热单元用于将有一定温度的气体与内部回水管道中的水进行能量交换，以风机为主；供热单元作为能量传递的中间站，用于将热量传递给需求侧。

在本发明的一项具体实施中，步骤S1的实现过程为：

步骤1.1：建立储热装置中的加热单元、蓄热单元、换热单元以及供热单元的数学模型。

本实施例中，以干烧管作为加热单元，用于将电能转换成热能，储热装置中的加热单元的数学模型表示如下：

P

0≤P

其中，P

以相变储热砖作为蓄热单元，对热量进行吸收和释放，储热装置中的蓄热单元的数学模型表示如下：

Q(t)＝Q(t-1)+δP

其中，Q(t)为t时刻蓄热单元所储存的热量，Q(t-1)为t-1时刻蓄热单元所储存的热量，δ为蓄热单元吸放热效率，P

以风机作为换热单元的主要结构，其用于将有一定温度的气体与内部回水管道中的水进行能量交换，储热装置中的换热单元的数学模型为：

其中，v

以水箱作为供热单元，相当于一个能量传递的中间站，为使模型更加方便，使内部的出水流量和回水流量相同，采用能量传递与水流速成正相关的关系建立储热装置中的供热单元的数学模型为：

其中，v

步骤1.2：根据高海拔、高寒环境条件对于储热装置的数学模型进行修正。

高海拔高寒的环境条件可以看成是低温和低气压的环境条件，在低温低气压的环境下，主要受影响的物理量为风机的转速以及水箱内水的温度。

其中，水箱内水的温度主要受低温环境影响，其能量的耗散会大大增加，主要考虑外界低温气体对水箱内水热量耗散的影响，其热量耗散表示为：

Q

其中，A为水箱的表面积，β为热传递系数，Q

风机的转速主要受低气压环境影响。当气压条件发生变化时，气体的比容也会随之变化，其关系为：

P

其中，P

实际上，风机能够传输的气体体积只与风机的叶轮转速和外径相关，但真正影响能量传递功率的是传输的气体质量。当气压降低，相同体积下的气体质量会减少。所以需要对基础转速进行修正。

其中，

步骤1.3：根据储热装置的约束条件，调控储热装置的工作参数。

本实施例中，储热装置的运行过程主要受以下约束条件：

其中，P

除上述约束条件外，储热装置的运行过程还受到最大功率限制，包括储热装置的储热量约束、加热单元功率约束和水箱向外换热功率约束；

其中，储热装置的储热量约束表示为：

0＜E

加热单元功率约束表示为：

0＜P

水箱向外换热功率约束表示为：

0＜P

其中，E

本实施例中，储热装置的储热量需要根据原储存能量、输入功率、输出功率加以计算，计算公式为：

E

其中，E

图2示出了水箱的功率需求P

图3示出了储热装置工作参数的调控方法的流程示意图，整个流程主要遵循以下三个原则：

1、风机传输的功率小于输入功率(加热单元中干烧管输出的热功率)时，可通过调整风机转速以满足需要的功率P

2、风机传输的功率等于输入功率时，可通过调整水泵转速以满足需要的功率P

3、风机传输的功率等于输入功率，且水泵转速已达到最大仍无法满足需要的功率P

在上述原则下，储热装置工作参数的调控主要包括以下步骤：

如图3所示，储热装置工作参数的调控方法为：

步骤1.3.1：如图3中的(a)所示，根据风机转速v

步骤1.3.2：如图3中的(b)所示，判断计算得到的输入水箱功率P

步骤1.3.3：如图3中的(c)所示，判断计算得到的输入水箱功率P

步骤1.3.4：提高水泵流速v

步骤1.3.5：判断计算得到的输入水箱功率P

在一个实施例中，探究了新能源出力及负荷需求变化时，如何调控储热装置的运行状态从而满足其变化情况，调节的主要方式为调节风机转速、水泵流速以及相变储热砖的交换功率，主要的状态量现提前设定(以下设定量均为数量级，具体单位可按实际实验而定)：①风机的基础转速v

标准大气压、标准温度下，储热装置输入功率变化曲线如图5中的(a)所示，储热装置输出功率变化曲线如图5中的(b)所示。可以看出，输入功率的变化趋势为前期和后期较少，中期较大，输出功率的变化趋势恰好相反。这是由于前期和后期风电丰富，电负荷低，热负荷高，储热装置主要向外释放热量，减少电热联产机组产热，因“以热定电”随之减少产电，使得更多电负荷由风电供应；中期时情况相反。

在上述设定参数下进行仿真，储热装置的热量存储、风机转速、内部管道的进水流速、相变储热砖热交换功率随时间的变化曲线依次如图6中的(a)、(b)、(c)、(d)所示。

图6中的(a)所示的热量存储曲线与图5中的(a)所示的输入功率、图5中的(b)所示的输出功率曲线进行对比，其变化趋势基本吻合，前后期低输入高输出，储热装置表现为向外供热；中期高输入低输出，储热装置表现为向内储热。

图6中的(b)所示的风机的转速曲线与图5中的(b)所示的输出功率曲线的联系较为密切，风机转速与风机的传递功率相关，而风机传输的功率的主要目的是为了满足输出功率需求，对比两图发现，两条曲线的变化趋势基本相同，与预期控制效果一致。

内部管道的进水流速，当该值小于等于5时，说明风机传输的功率小于输入功率且能够满足输出功率的需求；当该值大于5小于8时，说明风机传输的功率已经达到输入功率值，进水流速为基础值5仍无法满足输出功率要求，通过加大进水流速来提高能量传递效率，从而满足需求；当该值达到8时，此时若仍然无法满足输出功率要求，只能控制相变储热砖向外扩散热量同时进一步提高风机转速以达到需求。对比图6中的(c)所示的进水流速曲线与图6中的(d)所示的风机转速、图7所示的高海拔高寒环境条件下风机转速调整曲线，可以发现，只有当风机转速处于较高状态时，进水流速数值才有可能达到8，当风机转速较低时，进水流速数值也会偏低。图6中的(c)所示的进水流速曲线的趋势与预期控制效果一致。

为了更清晰的说明储热装置在运行过程中是严格按照“先风机后水泵”的原则进行调节，挑选第二个时刻的仿真结果进行示意，此时的进水流速v

相变储热砖的热交换功率曲线如图6中的(d)所示，比较图6中的(d)与图6中的(c)可见实验结果满足预期。

综上所述，对于储热装置模型的建立与仿真，其运行过程均遵守前文所叙述的三条运行原则，简而言之是先进行风机调节，后进行水泵调节。当新能源的输入与负荷波动时，风机与水泵的调节量已在图6中的(c)和(d)中有了清楚的展示，使得储热装置的运行过程更加清晰。

在另一个实施例中，在高寒高海拔条件下进行了仿真，将环境条件设置为低气压p＝65.25kpa(标准大气压101.325kpa)，低温T＝0℃。将环境的影响因素代入仿真后，风机转速随时间的变化曲线图如图7所示。

比较图7与图6中(b)可以发现，两图曲线的趋势基本相同，这是因为负荷需求没有改变，说明决定风机转速的主要因素仍然是负荷需求，高海拔高寒环境条件只是对风机转速的大小进行了修正。在两幅图中均取第二时刻的风机转速值作进一步研究，标准环境下v

步骤二，建立热电联产机组的数学模型和约束条件。

对于热电联产机组而言，燃气锅炉通过燃烧化石燃料提供热能，气体被加热的同时推动汽轮机运转产出电能。因此，热电联产机组的产热量与产电量形成一个比例关系，其形式与以热定电的政策息息相关。

本实施例中，热电联产机组的产热量与产电量的关系为：

式中，P

同时，需要对热电联产机组的产能功率进行限制，其约束条件为：

P

其中，P

步骤三，根据电负荷和热负荷的需求，建立电热系统网的能量分配模型。

本实施例中，对于电热网能量分配模型，只考虑输入功率、输出功率和热能的耗散功率。图4示出了电热系统网的能量流动简化图，所述的电热系统网包括储热装置、热电联产机组、电锅炉等。假设风电的实时功率P

为使数学模型的建立更加清晰，现设定热电联产机组的产热量为变量X

为满足电力负荷与热负荷的需求，需要对各个变量加以条件进行约束。

电力负荷的约束条件为：

P

热负荷的约束条件为：

X

实际上，电力负荷应与发电量相互匹配，热负荷应与发热量相互匹配，电力负荷与热负荷的约束条件之所以采用大于等于的形式，是为了保证电负荷与热负荷能够充分供应，供应量与负荷之间的差值，也会计算到浪费的能量当中去。

对于变量X

其中，E

步骤3.4：建立电热系统网的能量分配目标函数。

从以上建立的数学模型出发，以浪费的能量总和为目标，目标函数如下式所示。

F＝(P

＝(1+k)X

最大化的风电消纳即是使浪费的能量能够达到最小，通过粒子群算法求解，寻求X

本发明以浪费的能量总和为目标函数，通过调节各个变量使得浪费的能量总和变化到最小，从而能够实现最大化的风电消纳。

为了进一步验证本发明的最大化风电消纳的效果，对整个模型的基础数值进行设定：1、储热装置储热量的最大值E

风力预期发电、电负荷、热负荷随时间的变化曲线如图8所示，其设置模仿了三北地区风电、用电和用热的规律：1、夏季时风电产能较与热负荷均较低，而电负荷偏高；2、冬季时，风电产能与热负荷均较高，而电负荷偏低。能量的产出与消纳存在矛盾，因此需要加入储热装置进行调节。

储热装置输入功率、输出功率与储热量随时间的变化曲线如图9所示。储热量的变化实际上由输入功率和输出功率来决定，图中的变化趋势符合要求。观察发现，处于前期和后期时，储热装置输出功率大于输入功率，整体向外释放热量，这部分热量用于供给热负荷，使热电联产机组对热负荷的承担减少，降低产热，因“以热定电”政策产电也会随之下降，更多电负荷来消纳超标的风电产能；处于中期时，储热装置整体从外吸收热量，这时偏高的电负荷与偏低的风电产能需要热电联产机组产出更多电能，因“以热定电”会产出超过热负荷的热量，由储热装置吸收而不浪费。

电负荷与实际总供电量随时间的变化曲线如图10所示。两条线差值的面积即是浪费的电能。观察发现，电能的浪费主要集中在前期与后期，即风电产能过剩的时期，即使加入了储能装置，受储能装置最大功率的限制，仍然无法做到能源的完全消纳。

热负荷与实际供热量随时间的变化曲线如图11所示。两条线差值的面积即是浪费的热能。观察发现，热能的浪费主要集中在中期，此时为满足电负荷而产热超标。

对于目标函数，浪费的能量随时间的变化曲线如图12中的(a)所示，将其与不加入储热装置的模型浪费的能量图12中的(b)进行对比可以看出，能量浪费的主要时间点基本相同，但是随着储热装置的加入，使得能量的浪费大大降低，甚至小于一半，说明储热装置的加入为新能源的消纳提供了良好的去处，极大程度的解决了新能源的消纳问题。

在本实施例中还提供了一种提升高海拔高寒地区新能源消纳的电热系统调控装置，该装置用于实现上述实施例。以下所使用的术语“模块”、“单元”等可以实现预定功能的软件和/或硬件的组合。尽管在以下实施例中所描述的系统较佳地以软件来实现，但是硬件，或者软件和硬件的组合的实现也是可能的。

本实施例提供的一种提升高海拔高寒地区新能源消纳的电热系统调控系统，包括：

储热装置建模模块，其用于建立储热装置的数学模型；

储热装置模型修正模块，其用于获取高海拔、高寒环境参数，并对供热单元数学模型中水箱内的水温和换热单元数学模型中风机的转速进行修正；

热电联产机组建模模块，其用于建立热电联产机的数学模型；

第一调控模块，其用于根据修正后的储热装置的数学模型调控储热装置的工作参数；

电热系统建模模块，其用于建立电热系统网的能量分配模型；

第二调控模块，其用于根据电负荷和热负荷的实际需求、热电联产机组的数学模型和储热装置的工作参数，利用电热系统网的能量分配模型调控热电联产机组的工作参数。

在本发明的一项具体实施中，储热装置建模模块包括：

加热单元建模单元，其以干烧管作为加热单元建立数学模型；

蓄热单元建模单元，其以相变储热砖作为蓄热单元建立数学模型；

换热单元建模单元，其以风机、用于存水的回水管道作为换热单元建立数学模型；

供热单元建模单元，其以水箱、位于回水管道上的水泵作为供热单元建立数学模型；

高海拔、高寒环境参数修正模块。

在本发明的一项具体实施中，所述的储热装置模型修正模块，根据外界低温气体，确定水箱内水的热量耗散，热量耗散具体为：

Q

其中，A为水箱的表面积，β为热传递系数，Q

根据外界气压条件变化和气压与气体比容的关系，确定气体的比容修正系数：

C＝P

其中，P

根据气体的比容修正系数，对换热单元数学模型中风机的基础转速进行修正：

其中，

在本发明的一项具体实施中，所述的第一调控模块，包括：

第一判断单元，其用于根据风机转速、水泵流速，确定风机传输的功率，根据风机传输的功率与加热单元中干烧管输出的热功率、风机循回功率之和进行对比，确定风机转速、水泵流速、相变储热砖的热传递功率的调控方式；

若风机传输的功率小于加热单元中干烧管输出的热功率、风机循回功率之和，则执行调控策略一；

若风机传输的功率大于或等于加热单元中干烧管输出的热功率、风机循回功率之和，则执行调控策略二；

第一策略单元，其用于执行调控策略一，包括：

根据实际风机传输的功率和当前水泵流速，计算水箱的输入功率，根据水箱的输入功率与水箱的热功率需求进行对比，确定风机转速、水泵流速、相变储热砖的热传递功率是否需要调节；

若水箱的输入功率小于水箱的热功率需求，则保持水泵流速不变，提高风机转速，并返回第一判断单元；

若水箱的输入功率大于或等于水箱的热功率需求，则保持风机转速不变，通过降低水泵流速使得水箱的输入功率等于水箱的热功率需求，调节相变储热砖的热传递功率使其满足

第二策略单元，其用于执行调控策略二，包括：

将加热单元中干烧管输出的热功率、风机循回功率之和作为风机传输的功率，计算风机传输的功率对应的水箱的输入功率；根据水箱的输入功率与水箱的热功率需求进行对比，确定风机转速、水泵流速、相变储热砖的热传递功率是否需要调节；

若水箱的输入功率小于水箱的热功率需求，则逐步提高水泵流速；

若水箱的输入功率大于或等于水箱的热功率需求，则保持风机转速不变，通过降低水泵流速使得水箱的输入功率等于水箱的热功率需求，调节相变储热砖的热传递功率为0，调控结束。

对于装置实施例而言，由于其基本对应于方法实施例，所以相关之处参见方法实施例的部分说明即可，其余模块的实现方法此处不再赘述。以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的模块可以是或者也可以不是物理上分开的，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。

本发明的装置实施例可以应用在任意具备数据处理能力的设备上，该任意具备数据处理能力的设备可以为诸如计算机等设备或装置。装置实施例可以通过软件实现，也可以通过硬件或者软硬件结合的方式实现。以软件实现为例，作为一个逻辑意义上的装置，是通过其所在任意具备数据处理能力的设备的处理器将非易失性存储器中对应的计算机程序指令读取到内存中运行形成的。

本发明实施例还提供一种计算机可读存储介质，其上存储有程序，该程序被处理器执行时，实现上述的一种提升高海拔高寒地区新能源消纳的电热系统调控方法。

所述计算机可读存储介质可以是前述任一实施例所述的任意具备数据处理能力的设备的内部存储单元，例如硬盘或内存。所述计算机可读存储介质也可以是任意具备数据处理能力的设备的外部存储设备，例如所述设备上配备的插接式硬盘、智能存储卡(Smart Media Card，SMC)、SD卡、闪存卡(Flash Card)等。

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。