一种冷热电联供微网系统建模方法技术领域
本发明属于冷热电联供微网系统技术领域，尤其涉及一种冷热电联供微网系统建
模方法。
背景技术
根据美国能源管理部门的统计，许多国家的建筑能源消耗约占总能源消耗的
40％，温室气体排放约占30％。尤其在中国，随着经济的快速增长，建筑能源消耗以每年超
过10％的速度在增长。快速增长的能源消耗引起了一系列与建筑相关的问题和环境污染问
题。发展冷热电联供微网系统是提高能源利用率、减少温室气体排放以及解决这一系列与
建筑能源消耗有关问题的有效手段之一。
目前国内外关于冷热电联供微网系统的研究主要集中在冷热电联供微网系统结
构设计、操作策略和系统评价准则研究等方面。
传统的冷热电联供微网系统由发电机组、热回收单元、吸收式制冷机、加热单元、
辅助锅炉组成。发电机组产生的电用来满足用户的用电需求；热回收单元回收发电机组产
生的废热并为用户的冷和热需求提供热能；吸收式制冷机将热回收单元回收的热转化为冷
能提供给用户；加热单元将热回收单元回收的热转化为热能提供给用户。当系统所提供的
热能不够时，辅助锅炉作为备用设备提供热能。
冷热电联供微网系统结构设计主要是在传统的冷热电联供微网系统的基础上，增
加其他一些设备用于提高系统的能源利用效率和能量调节的灵活性。例如，系统增加电制
冷机以调节系统利用电能和热能的灵活性；系统增加光伏发电单元和光热单元以充分利用
绿色能源，减少传统化石能源的利用，提高能源利用效率；系统增加有机朗肯循环装置将系
统多余的热能转化为电能，提高能源的利用率。
当系统的结构确定后，操作策略设计是冷热电联供微网系统设计第二个要考虑的
要素。最主要的两种操作策略为：电跟随操作策略和热跟随操作策略。电跟随操作策略首先
满足用电需求，若系统产生的热不能满足热需求，消耗燃料的辅助锅炉开始工作；热跟随操
作策略首先满足热负荷需求，若系统产生的电不能满足电需求，则从电网买电。这两种操作
策略都一定程度上有能源的浪费，因为系统中可能会有多余的热或多余的电产生。因此，系
统结构和操作策略都有必要做进一步的改进，以进一步提高系统的能源利用率。
对冷热电联供微网系统的评价准则进行研究也是该领域研究的重要方向之一。能
源和环境分析是冷热电联供微网系统综合评价中最重要的两个因素。在已查阅的文献中，
一次能源节约和碳排放节约是常被用来评估系统优劣的指标。此外，全生命周期评价准则
也是一些研究者们常常考虑到的评价准则。
对于传统的冷热电联供微网系统，当系统产生的电和热正好与用户的电、热需求
相等，冷热电联供微网系统将具有最大的能源效率。然而，由于用户需求的不确定性，这种
理想的状况很少出现。能源供应与能源需求总是不平衡。当能源供应超过能源需求，情况变
得复杂。若系统产生的电能超过了用户的电能需求，多余的电能可以被存储起来，或被售回
电网，或被转化为热能供用户使用。若系统产生的热能超过了用户的热需求，多余的热能可
以被存储起来，或者被转化为电能以满足用户的用电需求。因此，本发明在系统结构中增加
了有机朗肯循环装置，将系统中多余的热能转化为电能让用户使用。
随着传统冷热电联供微网系统的结构变得越来越复杂，对这一类复杂能源系统的
建模成为了研究者们研究的重点和难点课题之一。传统的建模方法，通常以枚举的形式罗
列出能源系统供需关系可能会出现的若干种状况，每一种状况建立一类数学模型，数学模
型分类多且缺乏标准的统一的结构形式，让此类能源系统的分析变得复杂。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提供一种冷热电联供微网系统的建模方法，能准
确对冷热电联供微网系统进行建模，对能源系统的能源输入和用户需求之间的能量转化及
流动关系进行描述，对能源系统内部各构成要素的能量转换关系进行描述，对能源系统内
部各构成要素之间能量的分配和流动关系进行描述。
本发明所采用的技术方案是：一种冷热电联供微网系统建模方法，其特征在于，采
用矩阵传函法对复杂能源系统建立反映其每个构成要素、各个构成要素之间、系统输入变
量与输出变量之间能量转换和流动关系的数学模型，所述建模方法包括如下步骤：
(1)根据系统中每个构成要素的输入输出关系，建立其效率矩阵，效率矩阵代表系
统每个构成要素的能量转换关系；
(2)建立系统各个构成要素之间的能量流动数学模型，采用派遣矩阵进行描述；
(3)建立整个系统的能量流动数学模型，通过转换矩阵描述；
(4))由系统效率矩阵、派遣矩阵、转换矩阵构成的描述系统构成要素、构成要素之
间、系统输入变量与输出变量之间能量转换和流动关系的建模方法，即为矩阵传函法。
进一步地，步骤(1)具体是：系统中每个构成要素的能量转换关系可以用效率矩阵
来进行描述，假设第m个构成要素的输入为Vim，输出为![]()
则第m个构成要素的输入输出关
系可以描述为：![]()
其中Hm就是第m个构成要素的效率矩阵；按照此方法，依次写出
带有有机朗肯循环装置的冷热电联供微网系统的每个构成要素的效率矩阵，效率矩阵表示
了每个构成要素的能量转换关系。
进一步地，步骤(2)具体是：各个构成要素之间的能量是流动的，尤其是在各个能
源分支点，能源分派特性尤为明显，假设整个系统中能源分支点的能源分派因子为αi，i为
分支点的分支数，则在一个能源分支点∑αi＝1；依次写出系统每个构成要素的输入变量表
达式，并将能源分派因子代入到该输入变量表达式中，然后将表达式写成矩阵形式Vim＝
TmVi，Tm就是第m个构成要素的派遣矩阵，派遣矩阵反映了构成要素之间的能量流动关系。
进一步地，步骤(3)具体是：系统可以看成多输入多输出模型，转换矩阵描述了系
统输入输出的关系，代表了系统的能量流动过程；列写系统输出变量的表达式，该表达式包
含了系统的分派因子、系统输入变量、系统构成要素的效能因子，并将系统输入输出变量均
写成矩阵形式Vo＝GVi，G即为系统的转换矩阵。
近一步地，所述建模方法适用于由发电机组、辅助锅炉、热回收单元、有机朗肯循
环装置、电制冷机、吸收式制冷机和加热单元这7个构成要素组成的冷热电联供微网系统。
本发明的有益效果是：本发明与现有技术相比具有如下优点：
(1)矩阵传函法针对复杂能源系统的多输入多输出特性，以效率矩阵形式表示系
统各构成要素的能量转换关系，以派遣矩阵形式表示系统构成要素之间的能量流动关系，
以转换矩阵形式表示整个系统的效率和能量流动关系，矩阵传函法具有全面描述系统的特
性。
(2)当系统的输入输出变量个数变化时，只需要改变效率矩阵、派遣矩阵和转换矩
阵的阶数，系统建模方法不变，矩阵传函法具有易扩展性。
(3)矩阵传函法不仅可以反映系统输入输出变量之间的关系，还可以反映系统内
部能量的转换和流动关系，采用矩阵形式来描述系统，具有结构简单清晰，易于理解的特
性。
(4)以矩阵传函形式对系统进行建模，有利于对能源系统进行后续的分析、优化
等。
附图说明
图1是本发明的冷热电联供微网系统结构图。
图2是冷热电联供微网系统多输入多输出结构图。
附图中的符号说明：1.发电机组；2.辅助锅炉；3.热回收单元；4.有机朗肯循环装
置；5.电制冷机；6.吸收式制冷机；7.加热单元。
具体实施方式
以下通过实施例形式对本发明的上述内容再作进一步的详细说明，但不应将此理
解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本发明上述内容所实现的技术均
属于本发明的范围。
针对现有技术存在的问题，本发明提出了一种冷热电联供微网系统的建模方法，
该方法将这一类复杂能源系统当作能源输入与用户需求的中间环节，采用矩阵传函方法描
述冷热电联供微网系统内部各构成要素、构成要素之间、以及系统能源输入与用户需求输
出之间的能量转换和能量流动关系。由于复杂能源系统的能源输入形式有多种，用户需求
也有多种形式，因此，对这一类能源系统的建模将采用矩阵形式。
本发明提供的一种冷热电联供微网系统建模方法是：采用矩阵传函法对复杂能源
系统建立反映其内部构成要素、构成要素之间、系统输入变量与输出变量之间能量转换和
流动关系的数学模型，具体是：
(1)根据系统中每一个构成要素的输入输出关系，可以建立其效率矩阵，效率矩阵
代表了系统构成要素内部的能量转换关系。
(2)系统构成要素之间的能量流动关系，可以采用派遣矩阵进行描述。
(3)整个系统的效率和能量流动关系，通过转换矩阵描述。
(4)采用效率矩阵、派遣矩阵、与转换矩阵对系统进行建模的方法就是矩阵传函
法。
下面结合附图对本发明作进一步说明：
如图1所示：本发明采用了包括发电机组1、辅助锅炉2、热回收单元3、有机朗肯循
环装置4、电制冷机5、吸收式制冷机6、加热单元7组成的冷热电联供微网系统结构形式，对
该冷热电联供微网系统进行建模。
图2为冷热电联供微网系统多输入多输出结构形式。
根据图1所示的带有有机朗肯循环装置的冷热电联供微网系统结构可知，系统在
传统的冷热电联供系统的基础上，增加了有机朗肯循环装置，该结构可以充分利用传统冷
热电联供系统产生的多余的热，将多余的热转化为电，供用户使用。根据图2所示的冷热电
联供微网系统结构，可以发现这种能源系统具有多输入多输出特征，难以对其进行精确建
模。针对此类复杂能源系统建模困难问题，本发明提供了一种冷热电联供微网系统建模方
法，建模过程可以详细描述如下：
(1)冷热电联供复杂微网系统中的每一个构成要素的能量转换关系可以用效率矩
阵来进行描述，假设第m个构成要素的输入为Vim，输出为![]()
则第m个构成要素的输入输出
关系可以描述为：![]()
其中Hm就是第m个构成要素的效率矩阵。按照此方法，可以依
次写出带有有机朗肯循环装置的冷热电联供微网系统的7个构成要素的效率矩阵。效率矩
阵表示了各构成要素的能量转换关系。
(2)各构成要素之间的能量是流动的，尤其是在各个能源分支点，能源分派特性尤
为明显。假设整个系统中能源分支点的能源分派因子为αi(i为分支点的分支数)，则在一个
能源分支点∑αi＝1。依次写出系统每个构成要素的输入变量表达式，并将能源分派因子代
入到该输入变量表达式中，然后将表达式写成矩阵形式Vim＝TmVi，Tm就是第m个构成要素的
派遣矩阵。派遣矩阵反映了构成要素之间的能量流动关系。
(3)冷热电联供微网系统可以看成如图2所示的多输入多输出模型。转换矩阵描述
了系统输入输出的关系，代表了系统的能量流动过程。列写系统输出变量的表达式，该表达
式包含了系统的分派因子、系统输入变量、系统构成要素的效能因子等，并将系统输入输出
变量均写成矩阵形式Vo＝GVi，G即为系统的转换矩阵。
(4)由系统效率矩阵、派遣矩阵、转换矩阵构成的描述系统构成要素、构成要素之
间、系统输入变量与输出变量之间能量转换和流动关系的建模方法，我们称之为矩阵传函
法。
(5)当系统的输入变量有变化时，如系统增加太阳能、风能等其他能源形式时，矩
阵传函法依然可以全面而准确地描述系统。
矩阵传函法具有全面描述系统、易扩展、结构简单清晰、易于理解、易于后续分析
系统的特性，具有良好的实际应用价值。本发明提供的一种冷热电联供微网系统的矩阵传
函建模方法，不仅可以准确地描述出系统输入输出之间的能量转换关系，而且还可以详细
地描述出系统内部各构成要素的能量转换关系，以及系统内部各构成要素之间能量的分
配、流动关系。矩阵传函法除了可以详细而准确地描述能源系统之外，还具有简洁高效、易
于理解、易于实现、易于扩展、便于对系统进行后续分析等特性，具有较好的工程实践价值。