一种基于能源梯级利用的能源路由器及其运行优化方法技术

本发明专利技术公开一种基于能源梯级利用的能源路由器及其运行优化方法，能源路由器包括燃气轮机、蒸汽轮机、余热锅炉、吸收式制冷机、热交换器、蓄电池、蓄热水箱、光伏电池。系统根据能量的品质、品位，将燃料转化为电能，余热用于制冷、供热或发电，实现了能源的梯级利用。该系统的运行优化策略通过构建能源路由器的系统模型进而建立优化目标函数，选取优化调度约束条件之后进行优化调度求解，最终得到优化调度策略，实现根据用户需求的变化对系统设备进行相应控制，达到能源梯级利用率最大化、运行成本最小化的优化目标。

An energy router based on cascade utilization of energy and its operation optimization method

The invention discloses an energy router based on the energy cascade utilization and its operation optimization method. The energy routers include gas turbine, steam turbine, waste heat boiler, absorption chiller, heat exchanger, storage battery, storage tank and photovoltaic cell. According to the quality and grade of energy, the system transforms fuel into electric energy, and the remaining heat is used for refrigeration, heating or power generation, thus achieving cascade utilization of energy. The optimization strategy of the system is established by constructing the system model of energy routers, then optimizing the target function, selecting the optimal scheduling constraints and optimizing the scheduling solution. Finally, the optimization scheduling strategy is obtained, and the system equipment is controlled according to the changes of the user's needs to achieve the energy cascade utilization rate. The optimization objective of maximizing and minimizing operating costs.

【技术实现步骤摘要】
一种基于能源梯级利用的能源路由器及其运行优化方法
本专利技术属于电气工程
，具体涉及一种基于能源梯级利用的能源路由器及其运行优化方法。
技术介绍
由于全球化石能源的日益枯竭以及全球环境的日益恶化，可再生能源的利用越来越受到人们的重视。随着电力电子和计算机信息技术的快速发展，使得可再生能源得到了快速的发展。为了能将可再生能源更好地接入电网，一种新的能源结构——能源互联网产生了。能源互联网是一种在电网基础上，融合大量的可再生能源尤其是分布式可再生能源，实现能源的分布式生产和交换的智能网络。能源互联网由能源路由器、能源交换机和能源接口组成。其中能源路由器是能源互联网的关键技术之一，它能够实现能源网络的互联、调度和控制。能源路由器的核心功能在于能源的控制，将输入的不同的能量形式经过优化调度后提供多种稳定的能量输出。能源路由器是一个多种形式能输入输出的复杂系统，现有的能源路由器装置往往把不同品质、品位的能量等同看待，只是反映系统能量转换利用的数量关系。这种不科学与不合理的做法造成系统结构单一，无法实现多形式能量的综合优化调度，造成能源利用率低下。
技术实现思路
为解决上述技术问题，本专利技术的目的是提供一种基于能源梯级利用的能源路由器及其运行优化方法，可实现多形式能量的综合优化调度，能源利用率高。本专利技术提供一种基于能源梯级利用的能源路由器，包括燃气轮机发电系统、中品位热能利用系统、低品位热能利用系统、光伏发电系统、蓄电池储能系统、控制系统；燃气轮机发电系统一端与天然气管道连接，另一端通过第一AC/AC变换单元接入交流母线；中品位热能利用系统一端通过烟气管道连接燃气轮机发电系统的烟气出口，另一端通过第二AC/AC变换单元接入交流母线；低品位热能利用系统通过蒸汽管道连接中品位热能利用系统蒸汽出口，另一端接入直流母线；光伏发电系统通过第一DC/DC变换单元接入直流母线；蓄电池储能系统通过双向DC/DC变换单元接入直流母线；所述控制系统用于对燃气轮机发电系统、中品位热能利用系统、低品位热能利用系统、光伏发电系统、蓄电池储能系统进行控制，控制系统包括PLC和多个与PLC相连接的电磁阀。本专利技术还提供一种基于能源梯级利用的能源路由器的运行优化方法，包括以下步骤：步骤1：对能源路由器的建模，包括：微型燃气轮机建模、余热锅炉建模、吸收式制冷机组建模、光伏功率预测模型；步骤2：考虑在能源路由器中不同能量品位的差异，将各能量数量乘以其对应品位系数，同时反映能量的数量与品位，得到能量的梯级利用率；建立以能量梯级利用率最大与能源路由器运行成本最小的多目标模型；步骤3：根据多目标模型确定约束条件，包括：电负荷平衡约束、热负荷平衡约束、冷负荷平衡约束、蓄电池充放电约束、蒸汽型吸收式制冷机组输出约束和热水型吸收式制冷机组输出约束；步骤4：将能量梯级利用率以价值的形式表示，用动态加权法实现对高能量梯级利用率的价值奖励与低能量梯级利用率的价值惩罚，进而将能量梯级利用率最大与能源路由器运行成本最小的多目标模型转化为能量梯级利用率的价值减去系统运行成本最大，即综合效益最大的单目标模型；步骤5：运用粒子群算法求解综合效益最大的单目标模型，得到能源路由器的优化运行策略。本专利技术至少具有一下有益效果：(1)本专利技术采用包括天然气、太阳能、大电网电能在内的多种能源输入，实现了多能源互补的综合利用。(2)本专利技术实现了不同形式电能、供热、制冷的输出，满足了用户对不同种类、形式能量的需求。根据用户在不同时段对能量需求量的不同采用不同的调度策略。(3)本专利技术根据能量品位、品质的不同设计了高、中、低品位热能利用系统，提出了能量梯级利用率来更好的评价系统对不同品位能量的利用效果，并同时考虑能量梯级利用率以及系统成本，以系统综合效益作为优化目标，确定系统的优化运行方式，达到综合效益的最大化。附图说明图1是本专利技术的一种基于能源梯级利用的能源路由器的结构图；图2是本专利技术的一种基于能源梯级利用的能源路由器的运行优化方法的流程图。具体实施方式图1是本专利技术的一种基于能源梯级利用的能源路由器的结构图，包括燃气轮机发电系统、中品位热能利用系统、低品位热能利用系统、光伏发电系统4、蓄电池储能系统5和控制系统。燃气轮机发电系统一端所述燃气轮与天然气管道连接，另一端通过第一AC/AC变换单元接入交流母线；中品位热能利用系统一端通过烟气管道连接燃气轮机发电系统1的烟气出口，另一端通过第二AC/AC变换单元接入交流母线；低品位热能利用系统通过蒸汽管道连接中品位热能利用系统蒸汽出口，另一端接入直流母线；光伏发电系统4通过第一DC/DC变换单元接入直流母线；蓄电池储能系统5通过双向DC/DC变换单元接入直流母线；所述控制系统用于对燃气轮机发电系统、中品位热能利用系统、低品位热能利用系统、光伏发电系统4、蓄电池储能系统5进行控制，包括PLC控制器和多个电磁阀。其中，机发电系统包括燃气轮机11和第一交流发电机12；燃气轮机11与天然气管道连接，燃气轮机11转轴连接第一交流发电机12，第一交流发电机12通过第一AC/AC变换单元接入交流母线；所述天然气管道由电磁阀控制通断。所述中品位热能利用系统2包括：中温余热锅炉21、汽轮机22、第二交流发电机23和蒸汽型吸收式制冷机组24；所述燃气轮机11所产生的高温烟气通过烟气管道接入中温余热锅炉21并产生高温蒸汽，所述高温蒸汽通过第一蒸汽管道进入汽轮机22，汽轮机22连接第二交流发电机发电23，所述第二交流发电机发电23通过第二AC/AC变换单元接入交流母线；所述高温蒸汽经过第二蒸汽管道进入蒸汽型吸收式制冷机组24进行制冷以实现向用户供冷；第一蒸汽管道和第二蒸汽管道由电磁阀控制通断。所述低品位热能利用系统3包括低温余热锅炉31、热水换热器32、蓄热水箱33、太阳能集热器34和热水型吸收式制冷机组35；所述低温余热锅炉31的蒸汽入口端连接中温余热锅炉21热水出口端，低温余热锅炉31蒸汽出口端连接热水换热器32，热水换热器32出水端连接蓄热水箱33入水口；太阳能集热器34出水端连接蓄热水箱33入水口；蓄热水箱33装有电加热器，电加热器连接直流母线；蓄热水箱33通过出水管道连接用户以实现向用户供热；蓄热水箱33通过出水管道连接热水型吸收式制冷机组35，热水型吸收式制冷机组35进行制冷以实现向用户供冷；蓄热水箱33的出水管道由电磁阀控制通断。所述控制系统6还包括分别于所述PLC相连接的上位机62、用户温度传感器63、蓄热水箱温度传感器64和蓄热水箱水位传感器65。本专利技术还提供一种基于能源梯级利用的能源路由器的运行优化方法，流程图如图2所示，具体包括以下步骤：步骤1：对能源路由器的建模，包括：微型燃气轮机建模、余热锅炉建模、吸收式制冷机组建模、光伏功率预测模型；能源路由器的各设备的建模具体为：1.1微型燃气轮机建模Pg,t＝Qg,tηp(1)Qg,t＝Mg,t×LHV×ηf×ηg(2)式(1)中Pg,t为微型燃气轮机的输出功率；Qg,t为微型燃气轮机消耗的天然气产生可利用热量；ηp为燃气轮机的发电效率；式(2)Mg,t中为天然气在t时段的流量；LHV为低位热值；ηf为天然气在燃烧室中的燃烧效率；ηg为可利用热效率；1.2：余热锅炉建模Qhg,t＝Qg,tηhg(3)其中本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于能源梯级利用的能源路由器，其特征在于，包括燃气轮机发电系统、中品位热能利用系统、低品位热能利用系统、光伏发电系统、蓄电池储能系统、控制系统；燃气轮机发电系统一端与天然气管道连接，另一端通过第一AC/AC变换单元接入交流母线；中品位热能利用系统一端通过烟气管道连接燃气轮机发电系统的烟气出口，另一端通过第二AC/AC变换单元接入交流母线；低品位热能利用系统通过蒸汽管道连接中品位热能利用系统蒸汽出口，另一端接入直流母线；光伏发电系统通过第一DC/DC变换单元接入直流母线；蓄电池储能系统通过双向DC/DC变换单元接入直流母线；所述控制系统用于对燃气轮机发电系统、中品位热能利用系统、低品位热能利用系统、光伏发电系统、蓄电池储能系统进行控制，控制系统包括PLC和多个与PLC相连接的电磁阀。

【技术特征摘要】
1.一种基于能源梯级利用的能源路由器，其特征在于，包括燃气轮机发电系统、中品位热能利用系统、低品位热能利用系统、光伏发电系统、蓄电池储能系统、控制系统；燃气轮机发电系统一端与天然气管道连接，另一端通过第一AC/AC变换单元接入交流母线；中品位热能利用系统一端通过烟气管道连接燃气轮机发电系统的烟气出口，另一端通过第二AC/AC变换单元接入交流母线；低品位热能利用系统通过蒸汽管道连接中品位热能利用系统蒸汽出口，另一端接入直流母线；光伏发电系统通过第一DC/DC变换单元接入直流母线；蓄电池储能系统通过双向DC/DC变换单元接入直流母线；所述控制系统用于对燃气轮机发电系统、中品位热能利用系统、低品位热能利用系统、光伏发电系统、蓄电池储能系统进行控制，控制系统包括PLC和多个与PLC相连接的电磁阀。2.如权利要求1所述的基于能源梯级利用的能源路由器，其特征在于：所述燃气轮机发电系统包括：燃气轮机和第一交流发电机；燃气轮机与天然气管道连接，燃气轮机转轴连接第一交流发电机，第一交流发电机通过第一AC/AC变换单元接入交流母线；所述天然气管道由电磁阀控制通断。3.如权利要求2所述的基于能源梯级利用的能源路由器，其特征在于：所述中品位热能利用系统包括：中温余热锅炉、汽轮机、第二交流发电机和蒸汽型吸收式制冷机组；所述燃气轮机所产生的高温烟气通过烟气管道接入中温余热锅炉并产生高温蒸汽，所述高温蒸汽通过第一蒸汽管道进入汽轮机，汽轮机连接第二交流发电机发电，所述第二交流发电机发电通过第二AC/AC变换单元接入交流母线；所述高温蒸汽经过第二蒸汽管道进入蒸汽型吸收式制冷机组进行制冷以实现向用户供冷；第一蒸汽管道和第二蒸汽管道由电磁阀控制通断。4.如权利要求3所述的基于能源梯级利用的能源路由器，其特征在于：所述低品位热能利用系统包括：低温余热锅炉、热水换热器、蓄热水箱、太阳能集热器和热水型吸收式制冷机组；所述低温余热锅炉的蒸汽入口端连接中温余热锅炉热水出口端，低温余热锅炉蒸汽出口端连接热水换热器，热水换热器出水端连接蓄热水箱入水口；太阳能集热器出水端连接蓄热水箱入水口；蓄热水箱装有电加热器，电加热器连接直流母线；蓄热水箱通过出水管道连接用户以实现向用户供热；蓄热水箱通过出水管道连接热水型吸收式制冷机组，热水型吸收式制冷机组进行制冷以实现向用户供冷；蓄热水箱的出水管道由电磁阀控制通断；所述控制系统还包括：分别于所述PLC相连接的上位机、用户温度传感器、蓄热水箱温度传感器和蓄热水箱水位传感器。5.一种基于能源梯级利用的能源路由器的运行优化方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：对能源路由器的建模，包括：微型燃气轮机建模、余热锅炉建模、吸收式制冷机组建模、光伏功率预测模型；步骤2：考虑在能源路由器中不同能量品位的差异，将各能量数量乘以其对应品位系数，同时反映能量的数量与品位，得到能量的梯级利用率；建立以能量梯级利用率最大与能源路由器运行成本最小的多目标模型；步骤3：根据多目标模型确定约束条件，包括：电负荷平衡约束、热负荷平衡约束、冷负荷平衡约束、蓄电池充放电约束、蒸汽型吸收式制冷机组输出约束和热水型吸收式制冷机组输出约束；步骤4：将能量梯级利用率以价值的形式表示，用动态加权法实现对高能量梯级利用率的价值奖励与低能量梯级利用率的价值惩罚，进而将能量梯级利用率最大与能源路由器运行成本最小的多目标模型转化为能量梯级利用率的价值减去系统运行成本最大，即综合效益最大的单目标模型；步骤5：运用粒子群算法求解综合效益最大的单目标模型，得到能源路由器的优化运行策略。6.如权利要求5所述的基于能源梯级利用的能源路由器的运行优化方法，其特征在于，步骤1中对能源路由器的各设备的建模具体为：1.1微型燃气轮机建模Pg，t＝Qg，tηp(1)Qg，t＝Mg，t×LHV×ηf×ηg(2)式(1)中Pg，t为微型燃气轮机的输出功率；Qg，t为微型燃气轮机消耗的天然气产生可利用热量；ηp为燃气轮机的发电效率；式(2)Mg，t中为天然气在t时段的流量；LHV为低位热值；ηf为天然气在燃烧室中的燃烧效率；ηg为可利用热效率；1.2：余热锅炉建模Qhg，t＝Qg，tηhg(3)其中，Qhg，t余热烟气带走的热量，Qg，t为微型燃气轮机消耗的天然气产生可利用热量，ηhg为燃气轮机燃烧效率；Qhw，t＝Qhg，tηwg(4)其中，Qhw，t余热锅炉所产生的蒸汽热量，ηwg为余热锅炉的转换效率；1.3：吸收式制冷机建模吸收式制冷机由余热锅炉产生的蒸汽驱动，其制冷量或热量为：QAC，t＝Qg，tηhgηhwCOPQ，g(5)其中，QAC，t为吸收式制冷机的制冷量或制热量，ηhw为吸收式制冷机热利用率，COPQ，g为吸收式制冷机能效比；1.4光伏功率预测模型由于太阳辐射量和温度数据具有按时间排序和离散特性，将分别对时间点建立预测模型，并提前1小时进行光伏功率预测；首先，从历史样本中选出5天与预测日同季节、同日类型的每小时样本数据，包括白天15个时间点的历史发电量、地表太阳辐射量以及温度，并将数据进行归一化处理，得到样本输入矩阵X＝(X1，X2，X3)，其中行矢量代表输入样本，列矢量X1，X2，X3分别为样本每小时的发电量、地表太阳辐射量、温度；给定训练样本{xi，yi}，其中i＝1，2，…，n；n为样本总数，xi∈Rd，d为Rd空间的维数，yi∈R；用非线性映射将样本从原空间映射到高维(k维，k＞d)特征空间中，在这个空间中构造如下最优线性回归函数：其中，w为权向量，w∈Rk；b为常数，b∈R；最小二乘支持向量机优化目标采用函数拟合精度ξi的平方项，根据SRM准则，优化目标和约束条件分别为：式(7)中惩罚参数c＞0，用以控制对超出函数拟合精度ξi的样本惩罚程度，c的适合值应在100～600之间；根据Mercer定理，定义如下核函数：引入拉格郎日乘子ai(ai∈R)求解卡罗需-库恩-塔克(KarushKuhnTucker，KTT)等式约束条件；综上，该方程组为：上述线性方程可用最小二乘法求出a(a∈Rn)和b，则线性回归函数为：f(x)＝aiK(x，xi)+b(11)将未来1小时地表太阳辐射量Qpv和温度预测数据x＝[x1，x2]作为模型的输入变量带入式(11)，输出变量y对应下1小时的光伏阵列发电量Ppv。7.如权利要求6所述的基于能源梯级利用的能源路由器的运行优化方法，其特征在于所述步骤2中能量梯级利用率ηcog，t与运行成本CR具体为：2.1能量梯级利用率整个能源路由器根据能量品位的高低分为高品位热能利用系统、中品位热能利用系统、低品位热能利用系统，系统综合能量梯级利用率：ηcog，t＝Xhηh+Xmηm+Xlηl(12)其中，ηcog，t为系统综合能量梯级利用率，ηh为高品位热能利用系统能量利用率，ηm为中品位热能利用系统能量利用率，ηl为低品位热能利用系统能量利用率，Xh为高品位热能利用系统权重系数，Xm为中品位热能利用系统权重系数，Xl为低品位热能利用系统权重系数；高品位热能利...

【专利技术属性】
技术研发人员：马大中，丁志浩，孙秋野，余越，黄博南，
申请(专利权)人：东北大学，
类型：发明
国别省市：辽宁,21