一种用于电-热综合能源系统运行控制的建模仿真方法技术方案

本发明专利技术涉及一种用于电‑热综合能源系统运行控制的建模仿真方法，包括：建立热电联产机组模型，获取热电联产机组的各个组件并分别建立对应的模型；建立吸收式制冷机模型，获取吸收式制冷机的各个组件并分别建立对应的静态模型和动态模型；建立热力网络模型；基于热电联产机组模型、吸收式制冷机模型和热力网络模型，组成电‑热综合能源系统暂态仿真模型，实现电‑热综合能源系统的实时控制仿真。本发明专利技术的方法对电‑热综合能源系统的每个机组均建立模型，组合形成电‑热综合能源系统暂态仿真模型，可对电‑热综合能源系统的运行控制进行模拟，实现了电‑热综合能源系统的实时控制仿真。

【技术实现步骤摘要】
一种用于电-热综合能源系统运行控制的建模仿真方法
本专利技术涉及电-热综合能源系统的建模仿真，特别是涉及一种用于电-热综合能源系统运行控制的建模仿真方法。
技术介绍
在全球气候变暖的影响下，减少温室气体的排放的需求日益提高，减少化石燃料的使用、推动可再生能源技术与能源互联网技术的发展成为了业界共识。在此背景下，统筹规划电-热综合能源系统成为当前研究与工程应用的热点，其中热电联产机组能够在生产电能的同时，从汽轮发电机排放废气中回收利用热能，为建筑物热负荷提供热量，从而达到节能减排、提高综合能源系统总体效率的目的；吸收式制冷机可以借助热电联产机组回收的热量，用以产生制冷水，供给冷负荷，与传统的电制冷机相比，也具有节能减排、效率较高的特点。目前，学界对电-热综合能源系统的研究中，所建立的模型与算法难以校验。为了对电-热综合能源系统的运行控制进行研究，首先需要建立其仿真模型，如何搭建模型实现电-热综合能源系统的实时控制仿真，成为了一个亟需解决的问题。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题在于克服现有技术中的电-热综合能源系统难以搭建仿真模型的缺陷，从而提供一种用于电-热综合能源系统运行控制的建模仿真方法。为实现上述目的，本专利技术采用了如下技术方案：一种用于电-热综合能源系统运行控制的建模仿真方法，包括：建立热电联产机组模型，获取热电联产机组的各个组件并分别建立对应的模型；建立吸收式制冷机模型，获取吸收式制冷机的各个组件并分别建立对应的静态模型和动态模型；>建立热力网络模型；基于所述热电联产机组模型、所述吸收式制冷机模型和所述热力网络模型，组成电-热综合能源系统暂态仿真模型，实现电-热综合能源系统的实时控制仿真。相比现有技术，本专利技术的有益效果在于：本专利技术的方法对电-热综合能源系统的每个机组均建立模型，同时，对热电联产机组中的各个组件分别建立对应的模型，对吸收式制冷机的各个组件分别建立对应的静态模型和动态模型，结合热力网络模型，组合形成电-热综合能源系统暂态仿真模型，可对电-热综合能源系统的运行控制进行模拟，实现了电-热综合能源系统的实时控制仿真。附图说明为了更清楚地说明本专利技术具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本专利技术的一些实施方式，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为本专利技术一种实施例的电-热综合能源系统示意图。图2为本专利技术实施例的吸收式制冷机的模型图，其中，1-吸收器流向溶液泵的溴化锂溶液，2-溶液泵流向热交换器的溴化锂溶液，3-热交换器流向发生器的溴化锂溶液，4-发生器流向热交换器的溴化锂溶液，5-热交换器流向吸收器的溴化锂溶液，6-发生器流向冷凝器的水蒸气，7-冷凝器流向蒸发器的水，8-蒸发器流向吸收器的水蒸气，9-吸收器的冷却水入口，10-吸收器的冷却水出口/冷凝器的冷却水入口，11-冷凝器的冷却水出口，12-发生器的热蒸汽入口，13-发生器的热蒸汽出口，14-蒸发器的制冷水入口，15-蒸发器的制冷水出口。图3为本专利技术一种实施例的热力网络的结构示意图。图4为图2中的热力网络基于图论的热力网络模型图。图5为本专利技术一种实施例的热电联产机组中燃气轮机的仿真模型图。图6为本专利技术一种实施例的热电联产机组中热回收装置的仿真模型图。图7为本专利技术一种实施例的吸收式制冷机仿真模型图。图8为本专利技术一种实施例的热力网络中的热力管道的仿真模型图。图9为本专利技术一种实施例的热力网络中的热负荷仿真模型图。图10为图9中简化版的热负荷仿真模型图。图11为图9中的房子负荷仿真模型图。图12为图9中的建筑物负荷仿真模型图。图13为本专利技术的电力子系统仿真模型图。图14为本专利技术的热力子系统仿真模型图。具体实施方式下面将结合附图对本专利技术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专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。如附图1至附图14所示，本专利技术实施例提供了一种用于电-热综合能源系统运行控制的建模仿真方法，包括如下步骤：步骤102，建立热电联产机组模型，获取热电联产机组的各个组件并分别建立对应的模型。热电联产是在发电机发电的同时，回收汽轮机排出的余热烟气中的热量，用于生产热水或热蒸汽并向用户供热。具体的，热电联产机包括燃气轮机、发电机和热回收装置，因此，需要对应建立燃气轮机数学模型、热回收装置的数学模型、发电机的数学模型，而Matlab/Simulink等仿真软件中发电机的数学模型已知，可直接引用。基于建立燃气轮机数学模型、热回收装置的数学模型可计算出所述热回收装置从所述燃气轮机的余热烟气中回收的热功率Phr、直接用于供热的热功率Phr1以及输入吸收式制冷机的热功率，从而与吸收式制冷机的模型建立联系。供热方式为由余热锅炉生产热水或直接利用蒸汽向建筑负荷供给热能。具体的，基于Rowen模型建立燃气轮机数学模型，其中，所述燃气轮机数学模型包括速度控制器模型、余热烟气温度控制器模型、加速度控制器模型、燃料系统模型以及压缩机与汽轮机模型。1.1.1)速度控制器模型速度控制器的主要功能是根据电力调度指令Pset和发电机的实际出力Pe调节发电机的输出功率，保证热电联产机组遵循电力调度指令工作；同时，根据额定转速ωref与发电机的实际转速ωr调节原动机转速，保持发电机的频率稳定。基于上述功能，建立速度控制器输出的速度指令公式，具体为：其中，Vce0为速度控制器输出的速度指令，KDroop为下垂系数，T为时间常数，Kp和Ki为PI调节的比例参数和积分参数。1.1.2)余热烟气温度控制器模型余热烟气温度控制器模型与所述压缩机与汽轮机模型联动，以所述压缩机与汽轮机模型计算的余热烟气温度为输入，其功能是使余热烟气温度Texhaust保持在温度参考值Tref。余热烟气温度控制器模型包括辐射屏蔽模块、热耦合模块和PI控制器模块，其中，辐射屏蔽模块与热耦合模块用于模拟实际温度测量装置中相应模块导致的时间延迟；基于余热烟气温度控制器模型，速度控制器输出的速度指令上限值Vce_limit1：其中，Trs1、Trs2，Tth为辐射屏蔽系数和热耦合系数，Kp和Ki为PI控制器模块调节的比例参数和积分参数。1.1.3)加速度控制器模型加速度控制器模型有两方面作用，一是在燃气轮机启动时通过限制转子的加速度来减小热应力，另外在燃气轮机运行过程中，它能抑制发电机转子转速过高，保障机组正常运行，若发电机运行速度接近其额定速度，则此模块的作用可忽略不计。基于加速度控制器模型，速度控制器输出的速度指令上限值Vce_limit2：其中，Tinertia为发电机的转子的惯性常数。...

【技术保护点】
1.一种用于电-热综合能源系统运行控制的建模仿真方法，其特征在于，/n包括：/n建立热电联产机组模型，获取热电联产机组的各个组件并分别建立对应的模型；/n建立吸收式制冷机模型，获取吸收式制冷机的各个组件并分别建立对应的静态模型和动态模型；/n建立热力网络模型；/n基于所述热电联产机组模型、所述吸收式制冷机模型和所述热力网络模型，组成电-热综合能源系统暂态仿真模型，实现电-热综合能源系统的实时控制仿真。/n

【技术特征摘要】
1.一种用于电-热综合能源系统运行控制的建模仿真方法，其特征在于，
包括：
建立热电联产机组模型，获取热电联产机组的各个组件并分别建立对应的模型；
建立吸收式制冷机模型，获取吸收式制冷机的各个组件并分别建立对应的静态模型和动态模型；
建立热力网络模型；
基于所述热电联产机组模型、所述吸收式制冷机模型和所述热力网络模型，组成电-热综合能源系统暂态仿真模型，实现电-热综合能源系统的实时控制仿真。


2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述建立热电联产机组模型包括：
热电联产机包括燃气轮机、发电机和热回收装置；对应的，基于Rowen模型建立燃气轮机数学模型；建立热回收装置的数学模型；建立发电机的数学模型；计算所述热回收装置从余热烟气中的回收的热功率Phr、直接用于供热的热功率Phr1以及输入吸收式制冷机的热功率，供热方式为输入余热锅炉生产热水或直接利用蒸汽向建筑负荷供给热能。


3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，包括：
1.1)基于Rowen模型建立燃气轮机数学模型，其中，所述燃气轮机数学模型包括速度控制器模型、余热烟气温度控制器模型、加速度控制器模型、燃料系统模型以及压缩机与汽轮机模型；
1.1.1)所述速度控制器模型用于根据电力调度指令Pset和发电机的实际出力Pe调节发电机的输出功率，使所述热电联产机组遵循电力调度指令工作；还用于根据额定转速ωref与发电机的实际转速ωr调节原动机转速，保持所述发电机的频率稳定；具体为：



其中，Vce0为速度控制器输出的速度指令，KDroop为下垂系数，T为时间常数，Kp和Ki为PI调节的比例参数和积分参数；
1.1.2)所述余热烟气温度控制器模型与所述压缩机与汽轮机模型联动，以所述压缩机与汽轮机模型计算的余热烟气温度为输入，用于使余热烟气温度Texhaust保持在温度参考值Tref；
所述余热烟气温度控制器模型包括辐射屏蔽模块、热耦合模块和PI控制器模块，其中，辐射屏蔽模块与热耦合模块用于模拟实际温度测量装置中相应模块导致的时间延迟；
基于所述余热烟气温度控制器模型，速度控制器输出的速度指令上限值Vce_limit1：



其中，Trs1、Trs2，Tth为辐射屏蔽系数和热耦合系数，Kp和Ki为PI控制器模块调节的比例参数和积分参数；
1.1.3)所述加速度控制器模型用于在燃气轮机启动时通过限制转子的加速度来减小热应力，还用于在燃气轮机运行过程中限制发电机转子转速；
基于所述加速度控制器模型，速度控制器输出的速度指令上限值Vce_limit2：



其中，Tinertia为发电机的转子的惯性常数；
速度调节器的速度指令Vce0经限幅，得到最终的调速信号Vce，min表示取最小值：
Vce＝min{Vce0,Vce_limit1,Vce_limit2}；
1.1.4)所述燃料系统模型用于根据速度控制器的控制指令，计算燃气轮机燃料的消耗功率，包括阀门调节模块和燃料调节模块；
其中，消耗功率与燃气阀门的延迟相关，燃气轮机对燃气涡轮做功Wf具体为：



其中，Tvp为阀门调节模块的时间常数，Tfs为燃油调节模块的时间常数，Kinit为燃气轮机的最小做功标幺值；
考虑环境温度Tatm对燃料燃烧效率ηfuel的影响，ηfuel与Tatm之间的关系用函数描述，计算出在一定环境温度下，燃气轮机对燃气涡轮做功为Wf时，燃气轮机所需的燃料Pfuel；则当热电联产机组出力为Pe时，其电效率为ηele，具体函数为：






基于上述函数，余热烟气中的热功率Pexhaust为
Pexhaust＝Pfuel(1-ηfuel)
1.1.5)所述压缩机与汽轮机模型用于执行所述燃料系统下发的燃料控制信号指令，计算汽轮机输出的扭矩Tm和尾气温度Texhaust，具体为：






其中，KHHV为与焓相关的系数，Tref为废气参考温度，为设定值，TCR为燃烧反应延迟时间，TTD为汽轮机排气系统传输时间延迟，TCD为压缩器排气量的时间常数；
1.2)建立热回收装置数学模型
所述热回收装置用于回收所述燃气轮机数学模型产生的余热烟气的热量，并部分输入到余热锅炉模型或热负荷模型，部分输入到所述吸收式制冷机组模型；基于能量守恒与热力学基本定律建立热回收装置的数学模型；
所述热电联产机组的能量守恒方程如下：
Pfuel＝Wf+Ploss+Pexhaust
其中，Pfuel为燃料燃烧功率，Wf为蒸汽对燃气涡轮做功的功率，Pexhaust为燃气轮机的余热烟气的热功率，Ploss为损耗功率；
所述热回收装置的能量守恒方程如下：
Phr＝Pexhaust×ηhr
Phr1＝(1-δ)Phr
Phr1＝Cpwfw(Tw,out-Tw,in)
其中，Phr为所述热回收装置回收的热功率，Phr1为用于供热的热功率，δ为所回收热量中流向所述吸收式制冷机组所占比例，ηhr为所述热回收装置的效率，Cpw为水的比热容，fw为热力管道中水的流量，Tw,in，Tw,out分别为所述热回收装置的入水口温度与出水口温度；
所述热回收装置的效率方程如下



其中，Tex,in为热回收装置入口处气体温度，Tex,out为热回收装置出口处气体温度，Tatm为环境温度；
热电联产机组的热效率ηheat为



热电联产机组的总效率ηCHP为





4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述建立吸收式制冷机模型，获取吸收式制冷机的各个组件并分别建立对应的静态模型和动态模型包括：
所述吸收式制冷机包括热交换器、溶液泵、吸收器、冷凝器、发生器和蒸发器；
分别建立所述热交换器、所述溶液泵、所述吸收器、所述冷凝器、所述发生器和所述蒸发器的静态模型，并分别基于静态模型求解，分别计算所述吸收器、所述发生器、所述冷凝器与所述蒸发器的热传递系数UAa，UAg，UAc和UAe，建立吸收式制冷机各组成部分的热传递系数模型，从而得到吸收式制冷机的动态模型。


5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，包括：
所述吸收式制冷机中的工质为溴化锂水溶液，各个组件基于质量守恒原则和能量守恒原则构建静态数学模型；
2.1)构建吸收式制冷机的静态模型
2.1.1)构建吸收器的静态数学模型
在所述吸收器中，溴化锂浓溶液吸附所述蒸发器中产生的水蒸气形成溴化锂稀溶液，溴化锂溶液稀释产生的热量由冷却水吸收；溴化锂稀溶液由所述溶液泵驱动，经所述热交换器流向所述发生器，以此开始循环；此过程遵循能量守恒方程，Qa为每秒在吸收器放出的总热量，等于流经吸收器的冷却水所吸收的热量，同时也等于流入吸收器的物质的焓与流出吸收器的物质的焓的差，即为：
Qa＝fcCpc(T10-Tc,in)
Qa＝f5h5+f8h8-f1h1
此过程遵循质量守恒，包括溴化锂溶液的质量守恒与溴化锂溶质的质量守恒，即为：
f1＝f5+f8
f1X1＝f5X5
其中，T10为吸收器冷却水出口/冷凝器冷却水入口的温度，Tc，in为流入吸收器的冷却水的温度，fc为冷却水的流量，Cpc为冷却水的比热容；
2.1.2)构建发生器的静态数学模型
在所述发生器中，溴化锂稀溶液由所述溶液泵驱动，从所述吸收器经所述热交换器流入，在所述发生器中被加热蒸发，分离为水蒸气与溴化锂浓溶液，水蒸气流入所述冷凝器，溴化锂浓溶液经所述热交换器流回所述吸收器；此过程遵循能量守恒，Qg为每秒在发生器吸收的总热量，等于加热水所放出的热量，同时也等于流出发生器的物质的焓与流入发生器的物质的焓的差，即为：
Qg＝fgCpg(Tg,in-Tg,out)
Qg＝f4h4+f6h6-f3h3
此过程遵循质量守恒，包括溴化锂溶液的质量守恒与溴化锂溶质的质量守恒，即为：
f3＝f4+f6
f3X3＝f4X4
其中，fg为加热水的流量，Cpg为加热水的比热容，Tg，in、Tg，out分别为流入和流出所述发生器的加热水的温度；
2.1.3)构建冷凝器的静态数学模型
在冷凝器中，从所述发生器流入的水蒸气凝结而后流向所述蒸发器；此过程遵循能量守恒，Qc为每秒在所述冷凝器放出的总热量，等于流经所述冷凝器的冷却水所吸收的热量，同时也等于流入所述冷凝器的水蒸气的焓与流出冷凝器的冷凝水的焓的差，即为
Qc＝fcCpc(Tc,out-T10)
Qc＝f6h6-f7h7
此过程遵循水物质的质量守恒，即为：
f6＝f7
其中，fc为冷却水流量，Cpc为冷却水的比热容，T10为吸收器冷却水出口/冷凝器冷却水入口的温度，Tc，out为冷凝器冷却水出口的温度；
2.1.4)构建蒸发器的静态数学模型
在所述蒸发器中，水从所述冷凝器流入所述蒸发器中降温并蒸发并从制冷水管道中吸收热量，制冷水管道中的制冷水形成制冷循环，在所述蒸发器形成的水蒸气被所述吸收器中的溴化锂浓溶液吸附从而进入所述吸收器，开始下一次循环；此过程遵循能量守恒，Qe为每秒在所述蒸发器吸收的总热量，等于流经所述蒸发器的冷却水所放出的热量，也等于离开所述蒸发器的水蒸气的焓与流入所述蒸发器的冷凝水的焓的差，即为：
Qe＝feCpe(Te,out-Te,in)
Qe＝f8h8-f7h7
此过程遵循水物质的质量守恒，
f7＝f8
其中，fe为制冷水流量，Cpe为制冷水的比热容，Te，out、Te，in分别为流经所述蒸发器的制冷水的流入温度和流出温度；
2.1.5)构建溶液泵的静态数学模型
溴化锂稀溶液由所述溶液泵驱动，从所述吸收器经所述热交换器流向所述发生器，此过程遵循质量守恒...

【专利技术属性】
技术研发人员：宛鑫，余健优，洪文骁，
申请(专利权)人：杭州鸿晟电力设计咨询有限公司，
类型：发明
国别省市：浙江;33