消纳冬季夜间弃风的热泵储能系统及其优化方法技术方案

本发明专利技术属于热泵储能技术领域，尤其涉及一种消纳冬季夜间弃风的热泵储能系统及其优化方法。其对风电热泵混合储能系统的消纳弃风、满足供暖的双重目的，以系统总成本、弃风量为目标函数，采用粒子群算法进行容量配置优化。消纳冬季夜间弃风的热泵储能系统，包括：风力发电机组、控制器、卸荷器、逆变器、整流器、锂电池蓄电机组、电动机、压缩机、第一换热器、第二换热器、温度传感器、抽水井、回灌井、第一水泵、第二水泵、第三水泵、蓄热水箱、压力传感器、固体蓄热装置、多个开关、多个阀门以及多个逆止阀；蓄热水箱和固体蓄热装置所储存的热量用于承担建筑物的热负荷。承担建筑物的热负荷。承担建筑物的热负荷。

【技术实现步骤摘要】
消纳冬季夜间弃风的热泵储能系统及其优化方法


[0001]本专利技术属于热泵储能
，尤其涉及一种消纳冬季夜间弃风的热泵储能系统及其优化方法。

技术介绍

[0002]风力发电具有波动性、随机性和间歇性的特点，在大规模接入电网时，容易受环境因素的影响。随着风电装机容量的不断增加，必将给电网调度带来不小压力，导致弃风现象发生。
[0003]我国“三北地区”存在弃风现象，在目前的电供暖系统中，一般采用的供暖设备为电锅炉和热泵，但电锅炉在将电能直接转化为热能的过程中存在大量损耗，系统效率较低；采用热泵进行区域供暖，供水温度低，所以需额外增加辅助热源。同时“三北”地区冬季供暖能耗较高，因此风电供暖是消纳弃风、清洁供暖的最佳方式。
[0004]国内常用的热泵有：空气源热泵、土壤源热泵和水源热泵。空气源热泵因空气中的热能较小，为得到足够的热量因此需要较大的风机容量，导致运行噪音大，且冬季机组易结霜；土壤源热泵相较于空气源热泵冬季地埋换热管不需要除霜，且土壤具有一定的蓄能作用，但土壤的导热系数小，同时地下埋管换热器的初投资成本高；水源热泵经济性能好，运行成本及维护成本低，地下水的温度与气温相较有着冬暖夏凉的特点，制热系数高，但对水质的要求较高。
[0005]现有研究表明，在冬季夜间风电过剩时段因供暖约束无法下调，会导致严重弃风，为了解决这一时间段的弃风问题，国内外学者们提出各种储能方式增加系统的调节能力，因此想要提升消纳弃风的能力，就要将储能技术与风电供暖相结合，采用风电储能式供暖是目前解决弃风现象严重的有效途径之一。
[0006]由于风电输出功率很大程度受到风场地区气象参数的制约，而且建筑热负荷也随室外温度的影响，供暖系统的供水温度有一定的要求。因此，风电热泵储能系统一方面要尽量保证风电的高效利用，同时还要实时满足各类建筑供暖需求的动态变化，而且，由于系统中各种设备之间存在着非线性关系，使得优化模型的建立比较困难，因此针对风电、储电、蓄热、热泵等设备的容量配置成为设计的关键。

技术实现思路

[0007]本专利技术就是针对现有技术存在的缺陷，提供一种消纳冬季夜间弃风的热泵储能系统及其优化方法。针对风电热泵混合储能系统的消纳弃风、满足供暖的双重目的，以系统总成本、弃风量为目标函数，采用粒子群算法进行容量配置优化。粒子群算法具有全局最优的搜索能力，不依赖于所处理的问题信息，迭代速度快且应用成熟，粒子群算法可以解决对于系统中各设备之间的非线性关系问题。
[0008]为实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案，消纳冬季夜间弃风的热泵储能系统，包括：风力发电机组、控制器、卸荷器、逆变器、整流器、锂电池蓄电机组、电动机、压缩机、第
一换热器、第二换热器、温度传感器、抽水井、回灌井、第一水泵、第二水泵、第三水泵、蓄热水箱、压力传感器、固体蓄热装置、多个开关、多个阀门以及多个逆止阀。
[0009]蓄热水箱和固体蓄热装置所储存的热量用于承担建筑物的热负荷。
[0010]风电机组将风能转化为电能，通过连接整流器、锂电池蓄电机组、逆变器再驱动电动机，作为风电热泵混合储能系统的驱动电源驱动热泵系统运行；水源热泵与蓄热水箱通过管道相连接，蓄热水箱通过第一管道进水，蓄热水箱的输出端通过第二管道依次与第二水泵、换热器相连通并形成供水管路；固体蓄热装置通过第三管道与第三水泵、第二换热器相连通并形成回路。
[0011]消纳冬季夜间弃风的热泵储能系统优化方法，包括以下步骤：
[0012]步骤1、得到建筑供暖季所需的热负荷，并获得该建筑典型日的热负荷曲线，以及建筑所在地区风机出力典型日曲线。
[0013]步骤2、分别获取系统中各设备的初投资成本、系统的运行成本、系统的维护成本、系统中各设备的使用寿命，再计算出系统的总成本。
[0014]步骤3、考虑风电出力约束、储热设备的约束及锂电池蓄电机组的约束。
[0015]步骤4、建立粒子群算法对热泵储能系统的容量配置进行优化。
[0016]进一步地，步骤2中，所述系统的总成本由公式确定：
[0017][0018]其中，f
a，i
为第i种设备的容量；f
i
为第i种设备的单价；γ为折现率；Y为设备运行周期；λ为维护系数(取0.06)；k
i
为每个月的天数；C
e
为电价；P
t
为t时段的购电功率；C
CO2
为排放单位CO2产生的成本；η为购买1kW
·
h电所产生的CO2；P
max
为理论最大出力；P
WG
(t)为t时段风电的实际出力。
[0019]进一步地，所述步骤3中，所述考虑风电出力约束、储热设备的约束及锂电池蓄电机组的约束包括：
[0020]a.风电出力约束：
[0021]0≤P
feng
(t)≤P
max
。
[0022]b.固体蓄热装置约束条件包括：
[0023]1)容量约束：
[0024]0≤V
t
≤V
tmax
。
[0025]其中，V
t
为固体蓄热装置在t时刻所储存的热量，V
tmax
为固体蓄热装置最大储热量容量。
[0026]2)固体蓄热装置蓄、放热功率约束：
[0027][0028]其中，P
cmax
为固体蓄热装置的最大储热功率；P
fmax
为固体蓄热装置的最大放热功率。
[0029]c.锂电池蓄电机组约束条件包括：
[0030]锂电池蓄电机组功率约束：
[0031]‑
P
max
≤P
batt_e
(t)≤P
max
。
[0032]其中，P
batt_e
(t)是在t时刻锂电池蓄电机组的功率，数值为正值时锂电池蓄电机组进行放电，数值为负值时锂电池蓄电机组进行充电；P
max
为锂电池蓄电机组的最大功率限制。
[0033]容量与功率间的关系约束：
[0034]E
batt
(t)＝E
batt
(t
‑
1)
‑
P
batt_
e(t)*dt。
[0035]其中E
batt
(t)为t时刻锂电池蓄电机组的容量。
[0036]锂电池蓄电机组荷电状态约束：
[0037]0≤E
batt
(t)≤E
batt_max
[0038]其中E
batt_max
为t时刻锂电池蓄电机组的额定容量。
[0039]进一步地，步骤4中，粒子群算法的迭代更新方式为：
[0040]d维速度更新公式：
[0041][0042]d维位置更新公式：
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.消纳冬季夜间弃风的热泵储能系统，其特征在于：包括：风力发电机组、控制器、卸荷器、逆变器、整流器、锂电池蓄电机组、电动机、压缩机、第一换热器、第二换热器、温度传感器、抽水井、回灌井、第一水泵、第二水泵、第三水泵、蓄热水箱、压力传感器、固体蓄热装置、多个开关、多个阀门以及多个逆止阀；蓄热水箱和固体蓄热装置所储存的热量用于承担建筑物的热负荷；风电机组将风能转化为电能，通过连接整流器、锂电池蓄电机组、逆变器再驱动电动机，作为风电热泵混合储能系统的驱动电源驱动热泵系统运行；水源热泵与蓄热水箱通过管道相连接，蓄热水箱通过第一管道进水，蓄热水箱的输出端通过第二管道依次与第二水泵、换热器相连通并形成供水管路；固体蓄热装置通过第三管道与第三水泵、第二换热器相连通并形成回路。2.消纳冬季夜间弃风的热泵储能系统优化方法，其特征在于：包括以下步骤：步骤1、得到建筑供暖季所需的热负荷，并获得该建筑典型日的热负荷曲线，以及建筑所在地区风机出力典型日曲线；步骤2、分别获取系统中各设备的初投资成本、系统的运行成本、系统的维护成本、系统中各设备的使用寿命，再计算出系统的总成本；步骤3、考虑风电出力约束、储热设备的约束及锂电池蓄电机组的约束；步骤4、建立粒子群算法对热泵储能系统的容量配置进行优化。3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：步骤2中，所述系统的总成本由公式确定：其中，f
a，i
为第i种设备的容量；f
i
为第i种设备的单价；γ为折现率；Y为设备运行周期；λ为维护系数；k
i
为每个月的天数；C
e
为电价；P
t
为t时段的购电功率；C
CO2
为排放单位CO2产生的成本；η为购买1kW
·
h电所产生的CO2；P
max
为理论最大出力；P
WG
(t)为t时段风电的实际出力。4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：所述步骤3中，所述考虑风电出力约束、储热设备的约束及锂电池蓄电机组的约束包括：a.风电出力约束：0≤P
feng
(t)≤P
max<...

【专利技术属性】
技术研发人员：周勃，孔茁铭，费朝阳，王雅洁，
申请(专利权)人：沈阳达兴铖能源科技有限公司，
类型：发明
国别省市：