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清华大学陈群、苟星等:微能源系统中多能传输、存储与转换过程的影响机制

微能源系统中多能传输、存储与转换过程的影响机制

苟星1,陈群1,2*,孙勇3,马欢1,贺克伦1,李振元3

(1. 清华大学工程力学系,热科学与动力工程教育部重点实验室;2. 清华大学电机系,电力系统及发电设备控制和仿真国家重点实验室;3. 国网吉林省电力有限公司)

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文章导读

1

微能源系统集成了电、热、气等多种形式能源,综合考虑多能流的转换、存储与传输过程中的互补特性,有利于提升系统的整体能源利用效率。


2

由于物理属性和传输特性差异较大,现有热力系统的等效电路模型通常只考虑载热工质在供热管网中流动引起的热量迁移及其与环境间的漏热过程。


3

基于热力系统的热量流模型,着重考虑在换热设备中不同载热工质间的非线性传热过程及其对电热泵等能量转换过程效率的影响,并结合配电网辐射网络潮流模型,构建了微能源系统中能量的整体传输和转换模型。


4

提出了以混合整数线性优化为基础的分层迭代优化策略,实现了系统的运行与设计优化,并通过与现有模型的结果对比,分析了载热工质间传热过程对能量转换及存储特性的影响规律。

主要结论

本文针对微能源系统,提出的等效电路模型以及分层迭代优化策略,能够完整反映载热工质间的非线性传热过程对热量传输及能量转换过程性能的影响。优化结果表明:载热工质间的传热过程对微能源系统的最优运行方式以及装置容量存在明显影响。若不考虑,太阳能集热器的总出力将产生19.8%的误差,储热装置最佳容量的误差则更为明显,仅为考虑传热过程影响的48.9%。

主要内容

本文以应用于城市住宅小区的微能源系统为研究对象,包含电力系统及热力系统,其拓扑结构分别如图1、2所示。

图1 电力系统拓扑图


图2 热力系统结构图

图3给出了热力系统的热量流模型,能够同时考虑载热工质在供热管网中流动引起的热量迁移特性以及换热设备中不同载热工质间的非线性传热特性。

图3 热力系统的热量流模型

基于热量流模型,建立的热力系统拓扑约束方程:

其中,T代表节点温度,Q为热流,R为以进口温差定义的换热设备热阻,ε为热动势,代表混合过程引起的工质温度变化。

基于热量流模型建立的拓扑约束方程存在线性特性,而传热过程的非线性特性则反映在热阻的表达式中,有利于利用分层的思想,构建系统性能的整体优化算法。

本文提出了以混合整数线性优化为基础的分层迭代优化策略,共分为3层:最内层为一个混合整数线性优化(MILP)问题,考虑微能源系统的功率平衡与各装置出力上、下限等约束,对电力、热力系统中各装置的功率与储能装置的容量进行优化;第二层考虑电力系统潮流约束,通过配电网辐射型网络潮流模型获得电压与潮流;最外层考虑热力系统侧热量传输约束,通过求解热力系统的热量流拓扑模型,获得各支路流量与各节点温度。

本文利用两种不同模型对系统性能进行优化。模型I为本文建立模型,考虑了电力系统和热力系统的非线性传输约束及其对能量转换装置性能的影响;模型II则不考虑热力系统的传热约束,仅考虑各部件热出力等于热负荷,即热力系统功率平衡,同时太阳能集热器与电热泵效率取为定值,分别为0.38与2.602。基于模型I,图4给出了电热泵和太阳能集热器效率的实时变化。

图4 模型I下热泵与太阳能集热器效率的变化

图5给出了利用两种模型优化后储能电池和储热装置的最佳容量。利用模型II优化的储热装置容量约为利用模型I优化的48.9%。储热装置的作用是储存太阳能集热器收集的热量,利用模型II计算,太阳能集热器一天内收集的总热量较少,且太阳能集热器的效率设定为定值,导致计算获得的集热功率的波动性较小。与之相反,模型I考虑了载热工质间传热过程对太阳能集热器的效率的影响,随着时间从早晨到正午,太阳能集热器产热量急剧增加,需要更大容量的储热装置进行储热。

图5 两种模型下建筑物1中储能装置的最佳容量

图6给出了两种模型下电池和储热装置的实时储存能量。两种模型下储能装置储存能量变化结果具有相似趋势,电池装置储电量与储热装置储热量分别存在2个及1个峰值。然而,两种模型下实时储能量有较大差异。其中,由于储能装置容量的差别,不考虑传热约束及装置效率随能量输运变化的模型中储热装置的最高储热量为18.29 kWh,仅为考虑完善的模型中结果37.44 kWh的48.9%。同时,考虑传热约束及装置效率随能量输运变化的模型中日间储热量上升的速率显著高于不考虑的模型中日间储热量上升的速率,这是因为随着太阳辐射的增强,太阳能集热器效率显著提高,太阳能集热器产热量增加迅速。


图6 两种模型下建筑物1中储能装置储存能量变化

研究团队

本团队由清华大学电机系“新能源电力系统动态与运行团队”与航院“热学新理论与能源高效利用团队”合作组成,涵盖了电气工程、工程热物理两大专业领域。近5年来,在可再生能源消纳及电-热综合协调调度方向,承担了国家科技支撑计划课题1项、国家重点研发计划项目/课题4项、国家自然科学基金重点项目2项;获得了国家技术发明二等奖1项,国家科技进步二等奖3项,以及多项省部级科技进步奖;提出了热系统性能分析和优化的热量流法,揭示了热量传输和电量传输的共性规律,为从“能量流”的视角研究热力系统,实现电-热综合能源系统的整体研究奠定了理论基础。


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编辑:李锡

审核:白恺