本发明公开了热电联供系统动态等效电路及其工作方法，利用受控源表征热电耦合源；利用等效电感表征输热管道延迟；利用等效电阻表征热负荷和输热管道热损失；利用等效电容表征储热水箱。利用电路模型统一表征热电两种异质能源，可利用单一电力仿真工具，仿真热电联供系统，使仿真系统结构简单，易开发、维护。
1.热电联供系统动态等效电路，其特征是，包括：利用受控源表征热电耦合源；利用等效电感表征输热管道延迟；利用等效电阻表征热负荷和输热管道热损失；利用等效电容表征储热水箱；
所述热电联供系统动态等效电路，包括：第一支路和第二支路；
其中，第一支路，包括：依次连接的输入端、受控电压源Ue、电阻Re和输出端；
其中，第二支路，包括：依次连接的输入端、受控电流源 和接地端；
其中，第一支路和第二支路，用于表示热电联供系统的热电耦合源；
所述热电联供系统的热电耦合源的数学模型为：其中，Uh表示冷却水出口温度；Ih表示冷却水的热容流率；ηe表示热电耦合源的发电效率；Ue表示热电耦合源输出电压；Ie表示热电耦合源输出电流；Tcooling表示冷却水的进口温度；ηh表示热电耦合源的发热效率；
所述热电联供系统动态等效电路，还包括：第三支路和第四支路；
所述第三支路与第二支路并联；第三支路，包括：依次连接的输入端、虚拟电阻Rl'和接地端；
所述第四支路包括：依次连接的输入端、电感 电阻 和输出端；
其中，第三支路和第四支路，用于表示热电联供系统的输热管道；
假如热流传输延迟时间为tdelay，则Lh表示为：所述热电联供系统的输热管道的热损失数学模型为：h
其中，Rpipe为输热管道电阻，Tstart为输热管道的进口温度，Ta为输热管道的环境温度；λ为输热管道热耗散系数；L为输热管道长度，Cp为热流的热容流率；所述热电联供系统动态等效电路，还包括：第五支路；
所述第五支路，包括：依次连接的电阻 电阻 电阻 和接地端；其中，电阻还与电阻 的输出端连接；其中，电阻 表示热电联供系统的热负荷；电阻 和电阻 表示热电联供系统的回水侧；其中，电阻 和电阻 用于表征输热管道的热损失；
所述热电联供系统的热负荷的数学模型为：由于自身热容b的存在，热负荷以热交换率a被热流加热至温度Te，则Te升温动态过程表示为：
其中，Tin(t)为进口温度，Te(t)为t时刻的热负荷温度， 为热负荷温度的在t时刻的变化率；
在t时刻，热流的热容流率为Cp(t)，温度为Tin(t)，对热负荷的散热速率为φload的情况下，经过热负荷的热流出口温度Tout(t)表示为：h
则此时，该热负荷的等效电阻R(t)表示为：所述热电联供系统的回水侧的数学模型为：所述热电联供系统动态等效电路，还包括：第六支路和第七支路；
所述第六支路，包括：第一开关，第一开关的一端通过节点2’与电阻 的输出端连接，第一开关的另外一端通过电阻Rc'接地；
所述第七支路，包括：受控电流源 所述受控电流源 的一端与输出端连接，受控电流源 的另外一端通过电容 接地，假设所述受控电流源 与输出端之间的连接点为节点2；节点2’与节点2之间设有第二开关；
其中，第六支路和第七支路，用于表示热电联供系统的储热水箱；
基于热电比拟规则，热量的存储C(t)和储热总量Wc的计算公式分别为：h 2
Wc＝ChTtank (8)其中，Cpin(t)为储热水箱的入口热容流率，Ttank为储热水温，在不考虑储热水箱散热的情况下，由式(9)表示：
其中，Tin(t)为t时刻储热水箱的进口温度，Vin(t)为t时刻储热水箱的进口流量；
为Ch设置一个虚拟电阻R’c,与热负荷支路并联，其值为 倍的热负荷支路总电阻值，用于与热负荷支路一起，分担 倍的总电流，并将电流赋值给电流源Ic。
2.热电联供系统动态等效电路仿真方法，基于如权利要求1所述的热电联供系统动态等效电路，其特征是，包括：
在电负荷为Re的情况下，热电耦合源的供给电压为Ue；
热流从热电耦合源的余热回收系统流出；所述热流经过传输延迟时间后流经供暖管道，并产生热量损耗；
如果第一开关和第二开关全部打开，热流全部用于热负荷供暖，热流全部流经热负荷，给热负荷供暖，随后经过回水管道到达回水侧；
如果第一开关和第二开关同时闭合，一部分热流流经热负荷，给热负荷供暖，随后经过回水管道到达回水侧，另外一部分热流流入储热水箱，存储备用。
热电联供系统动态等效电路及其工作方法
技术领域
[0001] 本发明涉及热电联供仿真技术领域，特别是涉及热电联供系统动态等效电路及其工作方法。
背景技术
[0002] 本部分的陈述仅仅是提到了与本发明相关的背景技术，并不必然构成现有技术。
[0003] 热电联供系统(Combing heating and power system，热电联供系统)以一次能源利用效率高、能源供应安全可靠等优点，收到各国政府和企业的广泛关注。电热属于异质能
源，其物理特性和学科差异大，表征方式和研究方法不统一。现有仿真系统利用多种类型能
源仿真软件，以数据通信的方式协同仿真多能源系统，例如热电联供系统，使仿真系统具有
结构复杂，不便于维护，存在数据延迟和各仿真软件程序相对独立造成的接口开发有限等
缺点。所以，亟需电热异质能源的统一表征建模与仿真研究。同时，热电联供系统包含能量
转化、传输、耗散和存储等多个能源环节，其中，由于自身热容等原因，建筑热负荷温度变化
缓慢；由于长距离输热管道，传输延迟和管道热能耗散等动态特性明显且不可忽略。然而以
“电”为核心的仿真系统，在电力分析工具中，加入热力、燃气等设备模型，模型简单且无法
反应热力系统动态过程。
发明内容
[0004] 为了解决现有技术的不足，本发明提供了热电联供系统动态等效电路及其工作方法；
[0005] 第一方面，本发明提供了热电联供系统动态等效电路；
[0006] 热电联供系统动态等效电路，包括：
[0007] 利用受控源表征热电耦合源；利用等效电感表征输热管道延迟；利用等效电阻表征热负荷和输热管道热损失；利用等效电容表征储热水箱。
[0008] 第二方面，本发明提供了热电联供系统动态等效电路的工作方法；
[0009] 热电联供系统动态等效电路仿真方法，包括：
[0010] 利用受控源表征热电耦合源；利用等效电感表征输热管道延迟；利用等效电阻表征热负荷和输热管道热损失；利用等效电容表征储热水箱；
[0011] 在电负荷为Re的情况下，热电耦合源的供给电压为Ue；
[0012] 热流从热电耦合源的余热回收系统流出；所述热流经过传输延迟时间后流经供暖管道，并产生热量损耗；
[0013] 如果第一开关和第二开关全部打开，表示热流全部用于热负荷供暖，热流全部流经热负荷，给热负荷供暖，随后经过回水管道到达回水侧；
[0014] 如果第一开关和第二开关同时闭合，一部分热流流经热负荷，给热负荷供暖，随后经过回水管道到达回水侧，另外一部分热流流入储热水箱，存储备用。
[0015] 与现有技术相比，本发明的有益效果是：
[0016] 利用电路模型统一表征热电两种异质能源，可利用单一电力仿真工具，仿真热电联供系统，使仿真系统结构简单，易开发、维护，且避免了多个能源软件数据通信造成的仿
真误差。考虑了热力子系统的动态特性，提高了仿真系统精度。
[0017] 所建立的动态等效电路模型可用于热电联供系统的系统动态特性分析、控制算法设计，以及优化设计等算法的测试等。另外，也可以根据电力学知识进行等效电路化简，进
而降低模型复杂度，和保护系统详细参数信息，等。
[0018] 本发明附加方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
[0019] 构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
[0020] 图1为第一个实施例的动态等效电路仿真系统；
[0021] 图2(a)为热负荷；
[0022] 图2(b)为热负荷的等效电路表征；
[0023] 图3(a)为输热管道；
[0024] 图3(b)为输热管道的等效电路表征；
[0025] 图4(a)为储热水箱；
[0026] 图4(b)为储热水箱的等效电路表征；
[0027] 图4(c)为储热水箱的等效电路表征；
[0028] 图5(a)为热电耦合源设备；
[0029] 图5(b)为热电耦合源设备等效电路表征；
[0030] 图5(c)为热电耦合源设备等效电路表征；
[0031] 图6为热电联供系统结构图。
具体实施方式
[0032] 应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常
理解的相同含义。
[0033] 需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式
也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，
意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设
备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过
程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
[0034] 在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
[0035] 实施例一
[0036] 本实施例提供了热电联供系统动态等效电路；
[0037] 如图1所示，热电联供系统动态等效电路，包括：
[0038] 利用受控源表征热电耦合源；利用等效电感表征输热管道延迟；利用等效电阻表征热负荷和输热管道热损失；利用等效电容表征储热水箱。
[0039] 进一步地，所述电路，包括：第一支路和第二支路；
[0040] 其中，第一支路，包括：依次连接的输入端、受控电压源Ue、电阻Re和输出端；
[0041] 其中，第二支路，包括：依次连接的输入端、受控电流源 和接地端；
[0042] 其中，第一支路和第二支路，用于表示热电联供系统的热电耦合源。
[0043] 示例性的，热电耦合源，是指能够将某种能量同时转换为电能和热能的装置；例如：将燃气的化学能同时转化为电能和热能的燃气轮机，将氢气的化学能同时转化为电热
和热能的燃料电池等。
[0044] 示例性的，热电耦合源：利用电路元件受控源来表征热电联供系统发电机组，例如燃气发电机组，燃料电池等。以燃气发电机组为对象，其能量平衡方程如式(10)所示，推导
冷却水出口温度Uh和电流Ie可表示为式(11)，图5(a)为热电耦合源设备；图5(b)为热电耦合
源设备等效电路表征；图5(c)为热电耦合源设备等效电路表征。
[0045] 进一步地，所述热电联供系统的热电耦合源的数学模型为：
[0046]
[0047] 其中，Uh表示冷却水出口温度；Ih表示冷却水的热容流率；ηe表示热电耦合源的发电效率；Ue表示热电耦合源输出电压；Ie表示热电耦合源输出电流；Tcooling表示冷却水的进
口温度；ηh表示热电耦合源的发热效率。
[0048] 进一步地，所述电路，还包括：第三支路和第四支路；
[0049] 所述第三支路与第二支路并联；第三支路，包括：依次连接的输入端、虚拟电阻Rl'和接地端；
[0050] 所述第四支路包括：依次连接的输入端、电感 电阻 和输出端；
[0051] 其中，第三支路和第四支路，用于表示热电联供系统的输热管道。
[0052] 其中，电感 用于表征输热管道的延迟。
[0053] 示例性的，输热管道中热流传输的延迟现象可以用热感来描述，类似于电路中电感元件对电流的阻碍作用。由于热电联供系统优化控制的模型要求，我们主要研究热感的
时间常数特性。结合电路逻辑，设计一个虚拟电阻Rl′，与 并联构成RL电路结构，但没有
实际物理意义。R’l需要取值很大，以至于它的分流作用足够小至可以被忽略。根据电力学
知识，认为经过5τl，τl为电感时间常数，电感电流达到稳定。所以，假如热流传输延迟时间为
tdelay，则Lh表示为：
[0054]
[0055] 一般来说，管道输热存在延迟的同时，通过管道向周围环境的热耗散也不可避免，即存在等效电阻。
[0056] 进一步地，所述热电联供系统的输热管道的热损失数学模型为：
[0057] 输热管道电阻Rhpipe表示为：
[0058]
[0059] 其中，Tstart为输热管道的进口温度，Ta为输热管道的环境温度；λ为输热管道热耗散系数；L为输热管道长度，Cp为输热管道热流的热容流率。
[0060] 综上，输热管道如图3(a)所示，输热管道的等效电路表征如图3(b)所示。
[0061] 进一步地，所述电路，还包括：第五支路；
[0062] 所述第五支路，包括：依次连接的电阻 电阻 电阻 和接地端；其中，电阻 还与电阻 的输出端连接；
[0063] 其中，电阻 表示热电联供系统的热负荷；电阻 和电阻 表示热电联供系统的回水侧。其中，电阻 和电阻 用于表征输热管道的热损失。
[0064] 示例性的，热负荷：热电联供系统中一切存在热量耗散的设备都可被称为热负荷，例如建筑热负荷和存在热损失的输热管道等。此处将热负荷比拟为电阻，进而建立动态电
h
阻R的等效表征形式。
[0065] 进一步地，所述热电联供系统的热负荷的数学模型为：
[0066] 由于自身热容b的存在，热负荷以热交换率a被热流加热至温度Te，则Te升温动态过程表示可为式(1)：
[0067]
[0068] 其中，Tin(t)为进口温度，Te(t)为t时刻的热负荷温度， 为热负荷温度的在t时刻的变化率。
[0069] 在t时刻，热流的热容流率为Cp(t)，温度为Tin(t)，对热负荷的散热速率为φload(t)，经过热负荷的热流出口温度Tout(t)表示为：
[0070]
[0071] 则此时，该热负荷的等效电阻Rh(t)可表示为：
[0072]
[0073] 进一步地，所述热电联供系统的回水侧的数学模型为：
[0074]
[0075] 为了解决并联电路电压相等与并联热路出口温度不一定相等的矛盾，建立电阻回h
水侧模型Rrest，即表示电阻回水侧的低品位热能。
[0076] 综上，热负荷由图2(a)所示，热负荷的等效电路表征形式由图2(b)所示。
[0077] 进一步地，所述热电联供系统动态等效电路，还包括：第六支路和第七支路；
[0078] 所述第六支路，包括：第一开关，第一开关的一端通过节点2’与电阻 的输出端连接，第一开关的另外一端通过电阻R’c接地；
[0079] 所述第七支路，包括：受控电流源 所述受控电流源 的一端与输出端连接，受控电流源 的另外一端通过电容 接地，假设所述受控电流源 与输出端之间的连接点为
节点2；节点2'与节点2之间设有第二开关；
[0080] 其中，第六支路和第七支路，用于表示热电联供系统的储热水箱。
[0081] 示例性的，储热水箱：由于储热的存在允许热需求和发热量之间的不匹配，所以将储热和热电联供系统相结合已成为一种标准方案。
[0082] 进一步地，所述热电联供系统的储热水箱的数学模型为：
[0083] 与电容元件C相似，热容Ch(t)表示t时刻的热量存储。
[0084] 基于热电比拟规则，Ch(t)和t时刻的储热总量Wch(t)的计算公式分别为：
[0085]
[0086] Wch(t)＝Ch(t)[Ttank(t)]2 (8)
[0087] 其中，Cpin(t)为储热水箱的入口热容流率，Ttank(t)为t时刻的储热水温。在不考虑储热水箱散热的情况下，Ttank(t)由式(9)表示。
[0088]
[0089] 其中，Tin(t)和Vin(t)分别为t时刻储热水箱的进口温度和进口流量。
[0090] 与热感相似，Ch也需要一个虚拟电阻R’c,与热负荷支路并联，其值为 倍的热负荷支路总电阻值。其作用是与热负荷支路一起，分担 倍的总电流，并将电流赋值给电流源
Ic，具体图4(a)为储热水箱；图4(b)为储热水箱的等效电路表征；图4(c)为储热水箱的等效
电路表征。
[0091] 在本发明中，将建立一个包含热电耦合源、传热管道、热负荷和储热四大典型环节的热电联供系统动态等效电路仿真模型。
[0092] 首先依据热电比拟规则，将系统中热负荷，包括建筑热负荷和管道热负荷(管道热能损耗)等热耗散过程，比拟为电阻元件；
[0093] 将传热延迟，比拟为热感元件；
[0094] 将无相变储热，常见为储热水箱，比拟为热容元件；
[0095] 将热电耦合源，常见为燃气发电机组、燃料电池等，以受控源形式表征。
[0096] 最后结合系统结构，构建热电联供系统动态等效电路模型，并实现系统异质能流统一动态仿真。
[0097] 结合图6的热电联供系统结构图，一个包含热电耦合源、传热管道、热负荷和储热水箱的完整热电联供系统等效电路仿真模型如图1所示。其中，受控源CCCS表示燃气发电机
h h
组的冷却水出水温度U0和输出电压Ue一定的情况下，冷却水流量I0受电流Ie的控制。
[0098] 节点0'为辅助电阻Rl'支路节点，无物理意义，且由于Rl'足够大，I0’’可以近似看作0。
[0099] 表示输热延迟，Rpgh和回水侧Rprh分别表示供暖输热管道和回水输热管道的热h h
耗散，Rrest为剩余电阻，Rrest表示流经热负荷后的较低品味回水热能。I2'与I2’’相等，I2'表
s
示储热水箱Ch 的入口流量。该仿真模型可灵活布置于电力仿真软件上。已利用MATLAB/
Simulink的Simscope工具实现热电联供系统仿真，仿真结果验证该仿真模型有效。
[0100] 实施例二
[0101] 本实施例提供了热电联供系统动态等效电路仿真方法；
[0102] 热电联供系统动态等效电路仿真方法，包括：
[0103] 利用受控源表征热电耦合源；利用等效电感表征输热管道延迟；利用等效电阻表征热负荷和输热管道热损失；利用等效电容表征储热水箱；
[0104] 在电负荷为Re的情况下，热电耦合源的供给电压为Ue；
[0105] 热流从热电耦合源的余热回收系统流出；所述热流经过传输延迟时间后流经供暖管道，并产生热量损耗；
[0106] 如果第一开关和第二开关全部打开，热流全部用于热负荷供暖，热流全部流经热负荷，给热负荷供暖，随后经过回水管道到达回水侧；
[0107] 如果第一开关和第二开关同时闭合，一部分热流流经热负荷，给热负荷供暖，随后经过回水管道到达回水侧，另外一部分热流流入储热水箱，存储备用。
[0108] 以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修
改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
