[發明專利]消納冬季夜間棄風的熱泵儲能系統及其優化方法

在審

• 申請號: 202210875228.X
• 申請日: 2022-07-25
• 公開（公告）號: CN115036953A
• 公開（公告）日: 2022-09-09
• 發明（設計）人: 周勃;孔茁銘;費朝陽;王雅潔
• 申請（專利權）人: 沈陽工業大學;沈陽達興鋮能源科技有限公司
• 主分類號: H02J3/32
• 分類號: H02J3/32;H02J3/38;G06F30/27;G06N3/00;G06K9/62;G06F111/10;G06F111/04
• 代理公司: 沈陽亞泰專利商標代理有限公司 21107
• 代理人: 邵明新

本發明屬于熱泵儲能技術領域，尤其涉及一種消納冬季夜間棄風的熱泵儲能系統及其優化方法。其對風電熱泵混合儲能系統的消納棄風、滿足供暖的雙重目的，以系統總成本、棄風量為目標函數，采用粒子群算法進行容量配置優化。消納冬季夜間棄風的熱泵儲能系統，包括：風力發電機組、控制器、卸荷器、逆變器、整流器、鋰電池蓄電機組、電動機、壓縮機、第一換熱器、第二換熱器、溫度傳感器、抽水井、回灌井、第一水泵、第二水泵、第三水泵、蓄熱水箱、壓力傳感器、固體蓄熱裝置、多個開關、多個閥門以及多個逆止閥；蓄熱水箱和固體蓄熱裝置所儲存的熱量用于承擔建筑物的熱負荷。

技術領域

本發明屬于熱泵儲能技術領域，尤其涉及一種消納冬季夜間棄風的熱泵儲能系統及其優化方法。

背景技術

風力發電具有波動性、隨機性和間歇性的特點，在大規模接入電網時，容易受環境因素的影響。隨著風電裝機容量的不斷增加，必將給電網調度帶來不小壓力，導致棄風現象發生。

我國“三北地區”存在棄風現象，在目前的電供暖系統中，一般采用的供暖設備為電鍋爐和熱泵，但電鍋爐在將電能直接轉化為熱能的過程中存在大量損耗，系統效率較低；采用熱泵進行區域供暖，供水溫度低，所以需額外增加輔助熱源。同時“三北”地區冬季供暖能耗較高，因此風電供暖是消納棄風、清潔供暖的最佳方式。

國內常用的熱泵有：空氣源熱泵、土壤源熱泵和水源熱泵。空氣源熱泵因空氣中的熱能較小，為得到足夠的熱量因此需要較大的風機容量，導致運行噪音大，且冬季機組易結霜；土壤源熱泵相較于空氣源熱泵冬季地埋換熱管不需要除霜，且土壤具有一定的蓄能作用，但土壤的導熱系數小，同時地下埋管換熱器的初投資成本高；水源熱泵經濟性能好，運行成本及維護成本低，地下水的溫度與氣溫相較有著冬暖夏涼的特點，制熱系數高，但對水質的要求較高。

現有研究表明，在冬季夜間風電過剩時段因供暖約束無法下調，會導致嚴重棄風，為了解決這一時間段的棄風問題，國內外學者們提出各種儲能方式增加系統的調節能力，因此想要提升消納棄風的能力，就要將儲能技術與風電供暖相結合，采用風電儲能式供暖是目前解決棄風現象嚴重的有效途徑之一。

由于風電輸出功率很大程度受到風場地區氣象參數的制約，而且建筑熱負荷也隨室外溫度的影響，供暖系統的供水溫度有一定的要求。因此，風電熱泵儲能系統一方面要盡量保證風電的高效利用，同時還要實時滿足各類建筑供暖需求的動態變化，而且，由于系統中各種設備之間存在著非線性關系，使得優化模型的建立比較困難，因此針對風電、儲電、蓄熱、熱泵等設備的容量配置成為設計的關鍵。

發明內容

本發明就是針對現有技術存在的缺陷，提供一種消納冬季夜間棄風的熱泵儲能系統及其優化方法。針對風電熱泵混合儲能系統的消納棄風、滿足供暖的雙重目的，以系統總成本、棄風量為目標函數，采用粒子群算法進行容量配置優化。粒子群算法具有全局最優的搜索能力，不依賴于所處理的問題信息，迭代速度快且應用成熟，粒子群算法可以解決對于系統中各設備之間的非線性關系問題。

為實現上述目的，本發明采用如下技術方案，消納冬季夜間棄風的熱泵儲能系統，包括：風力發電機組、控制器、卸荷器、逆變器、整流器、鋰電池蓄電機組、電動機、壓縮機、第一換熱器、第二換熱器、溫度傳感器、抽水井、回灌井、第一水泵、第二水泵、第三水泵、蓄熱水箱、壓力傳感器、固體蓄熱裝置、多個開關、多個閥門以及多個逆止閥。

蓄熱水箱和固體蓄熱裝置所儲存的熱量用于承擔建筑物的熱負荷。

風電機組將風能轉化為電能，通過連接整流器、鋰電池蓄電機組、逆變器再驅動電動機，作為風電熱泵混合儲能系統的驅動電源驅動熱泵系統運行；水源熱泵與蓄熱水箱通過管道相連接，蓄熱水箱通過第一管道進水，蓄熱水箱的輸出端通過第二管道依次與第二水泵、換熱器相連通并形成供水管路；固體蓄熱裝置通過第三管道與第三水泵、第二換熱器相連通并形成回路。

消納冬季夜間棄風的熱泵儲能系統優化方法，包括以下步驟：