一种含二氧化碳储能的区域综合能源系统及其运行方法技术方案

本发明专利技术提供一种含二氧化碳储能的区域综合能源系统及其运行方法，涉及区域综合能源系统优化技术领域。该系统包括电力母线、热负荷母线、冷负荷母线、跨临界二氧化碳储能子系统、能源输入模块、燃气轮机、燃气锅炉、余热锅炉、电制冷机、吸收式制冷机、地源热泵以及热储能装置；其运行方法为先判断可再生能源能否满足当前时刻电负荷需求，如果满足则由可再生能源进行供电，燃气锅炉、地源热泵、余热锅炉以及热储能装置供热，电制冷机和吸收式制冷机供冷；否则选择供电设备；最后确定区域综合能源系统的供需平衡，进而确定系统中各个设备的出力。本发明专利技术的系统及其运行方法，使整个系统更加紧密的联合在一起，提高了系统的运行效率。

A regional comprehensive energy system with carbon dioxide energy storage and its operation method

【技术实现步骤摘要】
一种含二氧化碳储能的区域综合能源系统及其运行方法
本专利技术涉及区域综合能源系统优化
，尤其涉及一种含二氧化碳储能的区域综合能源系统及其运行方法。
技术介绍
能源是社会发展的动力和人类生存的基础。由于化石燃料的日益短缺及其所造成的环境污染问题的日益严重，人们越来越重视节能减排技术的发展和新能源的开发利用，传统化石能源快速消耗及环境日益污染的双重困境，催生出以电力系统为核心的能源互联网，通过耦合电力、交通、天然气、热冷等系统实现优势互补及可再生能源在广域范围内的共享和高效利用，提供了优质的能源服务。作为能源互联网的重要组成部分和社会能源的主要承载形式，综合能源系统的核心是实现能源转换利用、协同优化、耦合互补。不同能源系统之间的优化运行、耦合互动是区域综合能源系统的关键。单一能源系统转换效率偏低，在生产、传输、储存等方面存在的技术缺陷，会造成大量的能源浪费。发电系统只能将燃料能量的30％～40％转化为电能，其余的能量或传递给热源，但大部分直接排放弃用，利用不合理；由于负荷的波动性，使机组大多时候都运行在非工况下，不断的改变机组的出力不利于机组的长期运行，引入储能技术将使这一问得到改善。传统得电储能技术发展不够完善且成本高昂，电力系统多余的电力无法充分消纳而不得不弃用，这一连串的问题带来了极大的资源消耗和浪费。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，提供一种含二氧化碳储能的区域综合能源系统及其运行方法。为解决上述技术问题，本专利技术所采取的技术方案是：一方面，本专利技术提供一种含二氧化碳储能的区域综合能源系统，包括电力母线、热负荷母线、冷负荷母线、跨临界二氧化碳储能子系统、能源输入模块、燃气轮机、燃气锅炉、余热锅炉、电制冷机、吸收式制冷机、地源热泵以及热储能装置；所述能源输入模块与电力母线、燃气轮机和燃气锅炉的输入端及地源热泵的热能输入端均相连，进行能源输入；所述燃气轮机的电力输出端与电力母线相连，尾气输出端与余热锅炉输入端相连，余热锅炉的输出端与热负荷母线相连；所述的地源热泵的电力输入端与电力母线相连，输出端与热负荷母线相连；所述跨临界二氧化碳储能子系统与电力母线、热负荷母线及冷负荷母线均相连；所述电制冷机的输入端与电力母线相连，输出端与冷负荷母线相连；所述吸收式制冷机的输入端与热负荷母线相连，输出端与冷负荷母线相连；所述热储能装置与热负荷母线相连；所述电力母线、热负荷母线、冷负荷母线均与用户相连。优选地，所述的能源输入模块包括：可再生能源、电网、天然气、地热；所述的可再生能源与电力母线相连；所述的天然气与燃气轮机和燃气锅炉的输入端相连；所述的地热与地源热泵的热能输入端相连。优选地，所述的可再生能源包括风电和光伏。优选地，所述跨临界二氧化碳储能子系统包括：压缩机、透平、液态二氧化碳存储罐、超临界二氧化碳存储罐、换热器1、换热器2、换热器3、换热器4、节流阀1和节流阀2；所述压缩机的电力输入端与电力母线相连，二氧化碳输入端与换热器4的端口2相连，输出端与换热器1的端口1相连；冷却水从换热器1的端口2流入，端口4流出，端口4与热负荷母线相连，换热器1的端口3与超临界二氧化碳存储罐相连；超临界二氧化碳存储罐的输出端与与节流阀1相连；节流阀1与换热器2的端口1相连；换热器2的端口2与热负荷母线相连，端口3与透平的输入端相连；透平的电力输出端与电力母线相连，尾气输出端与换热器3的端口4相连；换热器3的端口1与冷负荷母线相连，端口3与热负荷母线相连，端口2与液态二氧化碳存储罐相连；液态二氧化碳存储罐输出端与节流阀2相连，节流阀2的输出端与换热器4的端口4相连，换热器4的端口2与压缩机的二氧化碳输入端相连、端口1与热负荷母线相连；另一方面，本专利技术还提供一种含二氧化碳储能的区域综合能源系统的运行方法，包括以下步骤：步骤1：通过负荷预测获得当前时刻的负荷需求，并判断可再生能源能否满足当前时刻的电负荷需求量PL(t)；所述可再生能源如下公式所示：Pre(t)＝PW(t)+PV(t)其中，Pre(t)表示可再生能源的出力；PW(t)表示当前时刻的风电出力；PV(t)表示当前时刻的光伏出力；若Pre(t)＜PL(t)，则执行步骤2，进行供电设备的选择；若Pre(t)＞PL(t)，则由可再生能源进行供电，其余供能设备的耗电量费用为零，转至步骤3；步骤2：根据分时电价结合燃气轮机发电的净成本与电网电价的关系，判断跨临界二氧化碳储能子系统的运行状态，进行供电设备的选择；所述燃气轮机发电的净成本和电网电价如下公式所示：CT(t)＝C(t)·PPGU(t)其中，CPGU(t)为燃气轮机发电的净成本，CT(t)表示电网的电价；PPGU(t)表示燃气轮机所发的电量；ηPGU表示燃气轮机的发电效率；ηRS表示燃气轮机的热损失系数；表示天然气的单位价格；δ表示燃气轮机的制热系数；CQ(t)表示热负荷的单位价格；表示天然气的低热值；C(t)表示分时电价；若CPGU(t)＞CT(t)，跨临界二氧化碳储能子系统位于储能状态，优先考虑由电网供电；若CPGU(t)＜CT(t)，跨临界二氧化碳储能子系统位于释能状态，优先考虑由燃气轮机供电；步骤3：由燃气锅炉、地源热泵、余热锅炉以及热储能装置来供热，电制冷机和吸收式制冷机来供冷；步骤3.1：设定燃气锅炉与地源热泵所产生的热量相等，判断燃气锅炉和地源热泵的供热成本关系，进而选择供热设备；所述燃气锅炉和地源热泵的供热成本如下公式所示：其中，CHP(t)为燃气锅炉产热时的单位成本，CGB(t)为地源热泵产热时所消耗的单位成本；QHP表示地源热泵所产生的热量；COPHP表示地源热泵的制热系数；CT(t)表示电网的电价；QGB表示燃气锅炉产生的热量；ηGB表示燃气轮机的制热效率；若CGB(t)＞CHP(t)，则优先考虑由地源热泵供热，当地源热泵和热储能装置不足以满足供热要求时，启用燃气轮机作为补充供热；若CGB(t)＜CHP(t)，则优先考虑由燃气锅炉供热，当燃气锅炉和热储能装置不足以满足供热要求时，启用地源热泵作为补充供热；步骤3.2：设定电制冷机和吸收式制冷机所产生冷量相等，判断电制冷和吸收式制冷的成本关系，进而选择制冷设备；所述电制冷和吸收式制冷的成本如下公式所示：其中，CEC(t)为电制冷机制冷时的单位成本，CAC(t)为吸收式制冷机制冷时的单位成本；QEC表示电制冷机所产生的冷量；COPEC表示电制冷机的制冷系数；CT(t)表示电网的电价；QAC表示吸收式制冷机所产生的冷量；COPAC表示吸收式制冷机的制冷系数；若CEC(t)＞CAC(t)，则优先考虑吸收式制冷机供冷，当吸收式制冷机不足以满足供冷要求时，启用电制冷机作为补充供冷；若CEC(t)＜CAC(t)，则优先考虑电制冷机供冷，当电制冷机不足以满足供本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种含二氧化碳储能的区域综合能源系统，其特征在于：包括电力母线、热负荷母线、冷负荷母线、跨临界二氧化碳储能子系统、能源输入模块、燃气轮机、燃气锅炉、余热锅炉、电制冷机、吸收式制冷机、地源热泵以及热储能装置；/n所述能源输入模块与电力母线、燃气轮机和燃气锅炉的输入端及地源热泵的热能输入端均相连，进行能源输入；/n所述燃气轮机的电力输出端与电力母线相连，尾气输出端与余热锅炉输入端相连，余热锅炉的输出端与热负荷母线相连；所述的地源热泵的电力输入端与电力母线相连，输出端与热负荷母线相连；所述跨临界二氧化碳储能子系统与电力母线、热负荷母线及冷负荷母线均相连；所述电制冷机的输入端与电力母线相连，输出端与冷负荷母线相连；所述吸收式制冷机的输入端与热负荷母线相连，输出端与冷负荷母线相连；所述热储能装置与热负荷母线相连；所述电力母线、热负荷母线、冷负荷母线均与用户相连。/n

【技术特征摘要】
1.一种含二氧化碳储能的区域综合能源系统，其特征在于：包括电力母线、热负荷母线、冷负荷母线、跨临界二氧化碳储能子系统、能源输入模块、燃气轮机、燃气锅炉、余热锅炉、电制冷机、吸收式制冷机、地源热泵以及热储能装置；
所述能源输入模块与电力母线、燃气轮机和燃气锅炉的输入端及地源热泵的热能输入端均相连，进行能源输入；
所述燃气轮机的电力输出端与电力母线相连，尾气输出端与余热锅炉输入端相连，余热锅炉的输出端与热负荷母线相连；所述的地源热泵的电力输入端与电力母线相连，输出端与热负荷母线相连；所述跨临界二氧化碳储能子系统与电力母线、热负荷母线及冷负荷母线均相连；所述电制冷机的输入端与电力母线相连，输出端与冷负荷母线相连；所述吸收式制冷机的输入端与热负荷母线相连，输出端与冷负荷母线相连；所述热储能装置与热负荷母线相连；所述电力母线、热负荷母线、冷负荷母线均与用户相连。


2.根据权利要求1所述的一种含二氧化碳储能的区域综合能源系统，其特征在于：所述的能源输入模块包括：可再生能源、电网、天然气、地热；所述的可再生能源与电力母线相连；所述的天然气与燃气轮机和燃气锅炉的输入端相连；所述的地热与地源热泵的热能输入端相连；所述的可再生能源包括风电和光伏。


3.根据权利要求2所述的一种含二氧化碳储能的区域综合能源系统，其特征在于：所述跨临界二氧化碳储能子系统包括：压缩机、透平、液态二氧化碳存储罐、超临界二氧化碳存储罐、换热器1、换热器2、换热器3、换热器4、节流阀1和节流阀2；
所述压缩机的电力输入端与电力母线相连，二氧化碳输入端与换热器4的端口2相连，输出端与换热器1的端口1相连；冷却水从换热器1的端口2流入，端口4流出，端口4与热负荷母线相连，换热器1的端口3与超临界二氧化碳存储罐相连；超临界二氧化碳存储罐的输出端与与节流阀1相连；节流阀1与换热器2的端口1相连；换热器2的端口2与热负荷母线相连，端口3与透平的输入端相连；透平的电力输出端与电力母线相连，尾气输出端与换热器3的端口4相连；换热器3的端口1与冷负荷母线相连，端口3与热负荷母线相连，端口2与液态二氧化碳存储罐相连；液态二氧化碳存储罐输出端与节流阀2相连，节流阀2的输出端与换热器4的端口4相连，换热器4的端口2与压缩机的二氧化碳输入端相连、端口1与热负荷母线相连。


4.一种含二氧化碳储能的区域综合能源系统的运行方法，基于权利要求3所述系统运行，其特征在于：包括以下步骤：
步骤1：通过负荷预测获得当前时刻的负荷需求，并判断可再生能源能否满足当前时刻的电负荷需求量PL(t)，如果满足则由可再生能源进行供电，执行步骤3，否则执行步骤2，进行供电设备的选择；
步骤2：根据分时电价结合燃气轮机发电的净成本与电网电价的关系，判断跨临界二氧化碳储能子系统的运行状态，进行供电设备的选择；
步骤3：由燃气锅炉、地源热泵、余热锅炉以及热储能装置来供热，电制冷机和吸收式制冷机来供冷；
步骤3.1：设定燃气锅炉与地源热泵所产生的热量相等，判断燃气锅炉和地源热泵的供热成本关系，进而选择供热设备；
步骤3.2：设定电制冷机和吸收式制冷机所产生冷量相等，判断电制冷和吸收式制冷的成本关系，进而选择制冷设备；
步骤4：根据跨临界二氧化碳储能子系统不同运行状态时的运行方法和设定的子系统内各设备的约束以及区域综合能源系统的供需平衡，进而确定区域综合能源系统中各个设备的出力；
所述跨临界二氧化碳储能子系统的运行状态包括储能状态和释能状态；
根据跨临界二氧化碳储能子系统的运行状态及各个设备的约束，所述区域综合能源系统的供需平衡为电力母线、热负荷母线和冷负荷母线的平衡，具体为：
电力母线平衡：



其中，PW表示风电的电功率；PV表示光伏的电功率；PPGU表示燃气轮机的电功率；表示跨临界二氧化碳储能子系统所需的电功率；Pgrid表示电网的电功率；PL表示用户消耗的电功率；PEC表示电制冷机消耗的电功率；
热负荷母线平衡：



其中，QPGU表示燃气轮机的热功率；QGB表示燃气锅炉的热功率；QGSHP表示地源热泵的热功率；QTES表示热出能模块的热功率；表示跨临界二氧化碳储能子系统在压缩过程中产生的压缩热；QL表示用户消耗的热功率；Qac表示吸收式制冷机所消耗的热功率；
冷负荷母线平衡：



其中，QEC表示电制冷机的电功率；QAC表示吸收式制冷机的电功率；QL表示用户所消耗的冷功率；表示跨临界二氧化碳储能子系统所消耗的冷功率。


5.根据权利要求4所述的一种含二氧化碳储能的区域综合能源系统的运行方法，其特征在于：所述步骤1的具体方法为：
计算可再生能源的出力，如下公式所示：
Pre(t)＝PW(t)+PV(t)
其中，Pre(t)表示可再生能源的出力；PW(t)表示当前时刻的风电出力；PV(t)表示当前时刻的光伏出力；
若Pre(t)＜PL(t)，则执行步骤2，进...

【专利技术属性】
技术研发人员：张化光，杨珺，赵俊朋，孙秋野，刘鑫蕊，王智良，黄博南，杨东升，
申请(专利权)人：东北大学，
类型：发明
国别省市：辽宁;21