CN108717598B - 电-气互联综合能源系统的电网电压暂降指标计算方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种电‑气互联综合能源系统的电网电压暂降指标计算方法,包括:根据天然气网络运行特性,建立天然气网络稳态模型;对天然气网络中的压缩机建立等效模型;建立天然气网络仿真模型并通过燃气轮机对电网和天然气网进行电‑气耦合,建立电‑气互联综合能源系统仿真模型;根据天然气网络耗气量与功率之间的转换关系,对适于电网的电压暂降严重性指标S进行改进,得到电‑气互联综合能源系统电网电压暂降指标T;验证所改进指标的准确性。本发明能够适于电‑气互联综合能源系统,避免了传统电压稳定指标无法适于电‑气互联综合能源系统的问题,有利于快速判断系统是否存在电压失稳,有利于电‑气互联综合能源系统安全稳定运行。
Description
技术领域
本发明涉及一种电-气互联综合能源系统的电网电压暂降指标计算方法,属于电力工程技术领域。
背景技术
能源是关系国家经济社会发展、人民稳定生活的重要方面,随着传统化石燃料的耗竭以及出现的环境污染问题,人们逐渐将眼光逐渐转向可再生能源。同时,传统的集中式电网逐渐向智能电网的转变让可再生能源得到了发展,但智能电网只能通过电能这种唯一的能量形式进行传输的弊端也逐渐显露出来。为此,美国著名学者杰里米·里夫金提出了“能源互联网”的概念。能源互联网的内涵可理解为“综合能源系统”(integrated energysystems,IES),它是电力网络与天然气网络等其他能源网络紧密耦合而形成的复杂多网流系统。随着国民经济的不断发展,用户负荷水平不断提高,使电力系统跨区域电网联系程度不断提高,电压等级高、输电线路长等应用范围越来越广,这就给电力系统的安全稳定运行带来了新的挑战,电压稳定性对于电网安全运行尤为重要。在未来的一段时间里,电压稳定性问题将是研究的热点,而目前对于综合能源系统的电压稳定性尚没有十分健全的理论成果,因此有必要针对综合能源系统研究不同因素对电压稳定性的影响,寻找更完善的电压稳定控制和预防措施与策略,这对提高电力系统的运行稳定性,保证国民经济顺利发展都具有重要的意义。
考虑到传统化石能源的不可再生,并最终将会枯竭,由多种可再生能源构成的综合能源系统将会飞速发展。在综合能源系统中,能量不仅可以通过电能来流通,还可以通过其他形式流通,包括热、冷、气等。同传统的电网、热网、天然气网等独立网络运行相比,综合能源系统可以实现多种能源网络之间的互联,使能源的利用效率得到提高,并能更好的消纳新能源。由于天然气储量丰富、高效环保,其与电网互联的综合能源系统(电-气互联综合能源系统)逐渐引起人们的重视,它们之间的相互影响已经逐渐成为学术界研究的热点。未来能源系统将成为电网与天然气网高度耦合的产物。中国已在2016年提出大力发展综合能源系统,推进能源革命。
从某种程度上来说,天然气网和电网非常类似,它们都是将能量从供应端传送到用户端,其过程可大致概括为供应、传输、分配、消费。但是天然气网络和电网之间也存在一些差别,首先天然气属于一次能源,而电力是由一次能源转换过来的二次能源,此外,天然气可以被储存,电力则不能。电-气互联综合能源系统相比于热-电联合等其他耦合系统,其在传输过程中的损耗比较小,因此可以进行大规模、远距离的传输,而且天然气价格的下调也对其发展具有良好的促进作用。
然而另一方面,电-气互联综合能源系统可能会给电网的安全稳定运行带来潜在的、隐蔽的威胁。2017年8月15日,由于油气公司员工的误操作导致供气短暂中断从而使大型燃气轮机电厂发生全停故障,进而引发了中国台湾大面积停电事故。中国台湾大停电事故让学者们对天然气网络故障引发的电力系统安全稳定问题有了新的思考,类似于断气之类的一次能源供应中断故障很有可能导致发电机组脱网,并造成电网失稳解列,因此有必要对由天然气网络故障引发的电力系统安全稳定性进行研究。
发明内容
本发明旨在针对由天然气网络故障引发的电力系统安全稳定性进行研究,提供一种电网电压暂降指标计算方法。
为解决上述技术问题,本发明提供一种电-气互联综合能源系统的电网电压暂降指标计算方法,包括:
步骤一:根据天然气网络运行特性,建立天然气网络稳态模型。
步骤二:对天然气网络中的压缩机建立等效模型。
步骤三:根据步骤一和步骤二所得模型,建立天然气网络仿真模型,并通过燃气轮机对电网和天然气网进行电-气耦合,建立电-气互联综合能源系统仿真模型。
步骤四:根据天然气网络耗气量与功率之间的转换关系,对适于电网的电压暂降严重性指标S进行改进,得到电-气互联综合能源系统电网电压暂降指标T;
步骤五:验证步骤四中所改进指标的准确性。
进一步地,步骤一中需要满足下列方程:
天然气网络的流量连续方程如式(1)所示:
压力环路方程如式(2)所示:
阻力特性方程如式(3)-(4)所示:
Πij=Kijfij|fij|k-1 (3)
其中fij表示气网中节点i到节点j的管道流量,单位Nm3/h;σgi表示气网中以节点i为首端的管道集合;loopg表示气网中任意一条回路中所有管道的集合;
Pi表示气网中节点i的压力,单位bar;Kij表示与气网管道有关的系数,其特性与蒸汽供热管网相类似,气体的传输速度不影响参数;k表示气体输送压力的决定系数。
进一步地,在步骤二种压缩机所消耗的能量和等效流量如式(5)、(6)所示:
v=α+βH+γH2 (6)
其中,f表示流过压力调节站的流量;H表示压缩机所消耗的电能;Bk是由压缩机温度与效率决定的常数,Zk是由压缩因子决定的常数,f、H均为常数;v表示压缩机消耗的流量;α、β、γ表示能量转化效率常数;m、n表示节点编号。
进一步地,所述步骤四的电压暂降严重性指标S如式(7)所示:
进一步地,所述步骤四的电网电压暂降指标T的表达式为:
其中η表示燃气轮机的转换效率;Lg表示天然气网络的耗气量;C是与天然气网管道各项参数有关的系数,其受到气体传输速度的影响;M是电网中的系数,与电压标幺值、电流、功率因数有关。Dj根据电压是否恢复至要求范围而取值;g表示天然气网络。
本发明所达到的有益效果:本发明能够适于电-气互联综合能源系统,避免了传统电压稳定指标无法适于电-气互联综合能源系统的问题,有利于快速判断系统是否存在电压失稳,有利于电-气互联综合能源系统安全稳定运行。
附图说明
图1为本发明方法具体实施例的电-气互联综合能源系统结构示意图;
图2为本发明方法具体实施例的天然气网络中压缩机模型;
图3为本发明方法具体实施例的21节点天然气网络系统结构图;
图4为本发明方法具体实施例不同情景下耗气量突降时系统的母线电压图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案,而不能以此来限制本发明的保护范围。
本发明方法的一个具体实施例的工作过程为:本发明根据流量连续方程、压力环路方程以及阻力特性方程建立了天然气网络的稳态模型,并对压缩机进行建模,然后考虑天然网络的运行特性以及各元件参数建立了21节点的天然气网络,确定了电网与天然气网之间通过燃气轮机进行耦合,通过燃气轮机与3机-9节点电力系统连接,构成电-气互联综合能源系统。再根据适用于电网的电压暂降严重性指标S,结合燃气轮机耗气量Vg与功率Pg之间的转换关系对此指标进行改进,使之适于电-气互联综合能源系统,并将其命名为电-气互联综合能源系统的电网电压暂降指标T以及电压合格率P。最后根据所建立的电-气互联综合能源系统仿真模型,考虑天然气网络供气量突降对系统暂态电压稳定性的影响,通过时域仿真的方法得到母线电压的变化情况,与计算得到指标T以及电压合格率P的实际数值比较以验证其准确性。
本发明方法具体包括以下步骤:
步骤一:根据天然气网络运行特性,建立天然气网络稳态模型。模型中天然气从气源点注入,通过管道输送至各负荷,用于天然气网络建模的基本元素主要有管道、加压站和节点母线三个。
天然气网络的流量连续方程如式(1)所示:
压力环路方程如式(2)所示:
阻力特性方程如式(3)-(4)所示:
Πij=Kijfij|fij|k-1 (3)
其中fij表示气网中节点i到节点j的管道流量(Nm3/h);lgi表示气网中节点i的注入流量(Nm3/h);σgi表示气网中以节点i为首端的管道集合;loopg表示气网中任意一条回路中所有管道的集合;Pi表示气网中节点i的压力(bar);Kij表示与气网管道有关的系数,其特性与蒸汽供热管网相类似,气体的传输速度不影响参数;k表示气体输送压力的决定系数;P表示输送压力。
步骤二:对天然气网络中的压缩机建立等效模型,如图2所示,天然气传输的过程之中,它的气压会随着传输距离的增加而降低,为了补偿由摩擦而造成的压力损失,通常需要设置压力调节站来提高压力较低节点的气压,以保证天然气的正常传输。而压力调节站中最重要的组成部分就是压缩机,压缩机是天然气网络中常见的控制元件,它运行过程中所消耗的能量与流过其流量和压缩比相关。压缩机根据特性不同可以分为4类:流量恒定、出口压力恒定、入口压力恒定、压缩比恒定,常用的压缩机是出口压力恒定和压缩比恒定两类。
压缩机所消耗的能量和等效流量如式(5)、(6)所示:
v=α+βH+γH2 (6)
其中,f表示流过压力调节站的流量;H表示压缩机所消耗的电能;Bk与压缩机的温度和效率有关,Zk与压缩因子有关;v表示压缩机消耗的流量;α、β、γ表示能量转化效率常数。需要说明的是Bk、Zk、f、H均为常数,可以通过天然气网络加压站的设计说明书查到。
步骤三:根据步骤一和步骤二所建立的模型,建立天然气网络仿真模型,图3为本发明方法具体实施例的21节点天然气网络系统结构图,图3所示,天然气网络仿真模型包括21个节点、27条输气管道、2个压力调节站和1个气源点(假设压缩机消耗的是天然气网络中的天然气)。并将21节点天然气网络通过一个额定容量为300MW的大型燃气轮机发电厂经输电线路接入经典WSCC 3机-9节点系统的Bus 8,燃气轮机通过天然气网的节点19供气,建立电-气互联综合能源系统仿真模型。
步骤四:根据天然气网络耗气量与功率之间的转换关系,对适于电网的电压暂降严重性指标S进行改进,得到适于电-气互联综合能源系统暂态电压稳定分析的电-气互联综合能源系统电网电压暂降指标T以及电压合格率P。电压暂降严重性指标S如式(7)所示:
式(8)反映了耗气量Lg与功率Pg之间的对应关系:
式中ηeg表示燃气轮机的转换效率;C表示燃气轮机转换系数;Vg表示天然气传输速率。
由式(8)可得
推出电压的标幺值为
将式(10)代回式(7)可得
式中:UB为电压的基准值;η表示燃气轮机的转换效率;Lg表示天然气网络的耗气量;C是与天然气网管道各项参数有关的系数,其受到气体传输速度的影响;M是电网中的系数,与电压标幺值、电流、功率因数有关,Dj根据电压是否恢复至要求范围而取值。
式中F表示电压合格节点数,I表示系统关键节点数。
电-气互联综合能源系统的电网电压暂降指标T的数值可以反映天然气网络发生故障后电网暂态电压稳定的程度,其数值越大表示电网的暂态电压稳定性越差,反之则越好,T的临界值为1,在0到1之间表示系统处于稳定状态,超过1表示系统失稳。电压合格率P则表示电网中暂态电压合格的百分数,数值越大表示稳定性越好。
步骤五:根据步骤三所建立的电-气互联综合能源系统,考虑天然气网络供气量突降情况对系统暂态电压稳定性的影响,由于天然气网络在传输过程中可能会出现管道破裂而导致漏气的状况,根据这种情况设计以下4种情景:供气量保持不变(情景1),供气量减少50%(情景2),供气量减少90%(情景3),供气量减少100%而导致燃气轮机G4脱网(情景4),通过Bus5母线电压变化情况进行验证,如图4所示,当供气量减少50%时,电-气互联综合能源系统中Bus5的电压还保持在稳态水平,并没有发生暂态电压失稳,而当供气量减少到90%时甚至100%时,Bus5的电压失稳,由此可见,天然气供气量变化较大时会对电网造成一定的影响。并验证步骤四中所改进电压暂降严重性指标的准确性,电-气互联系统电压暂降指标列于表1。
表1电-气互联综合能源系统的电网电压暂降指标
情景1 | 情景2 | 情景3 | 情景4 | |
T | 0.417 | 0.458 | 1.86 | 1.818 |
P(%) | 100 | 100 | 90.9 | 90.9 |
由表1数据可知,随着天然气供气量的不断降低,电-气互联综合能源系统的电网电压暂降指标T的数值不断增大,电压合格率也有所下降,与仿真所得结果相一致,验证了所改进指标:电-气互联综合能源系统的电网电压暂降指标T、电压合格率P的可行性与正确性。
以上所述仅是本发明的优选实施方式,应当指出,对于本技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明技术原理的前提下,还可以做出若干改进和变形,这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。
Claims (3)
1.电-气互联综合能源系统的电网电压暂降指标计算方法,其特征是,包括:
步骤一:根据天然气网络运行特性,建立天然气网络稳态模型;
模型中天然气从气源点注入,通过管道输送至各负荷,用于天然气网络建模的基本元素有管道、加压站和节点母线三个;
天然气网络的流量连续方程如式(1)所示:
压力环路方程如式(2)所示:
阻力特性方程如式(3)-(4)所示:
Πij=Kijfij|fij|k-1 (3)
其中fij表示气网中节点i到节点j的管道流量;lgi表示气网中节点i的注入流量;σgi表示气网中以节点i为首端的管道集合;loopg表示气网中任意一条回路中所有管道的集合;Pi表示气网中节点i的压力,Pj表示气网中节点j的压力;Kij表示与气网管道有关的系数,其特性与蒸汽供热管网相类似,气体的传输速度不影响参数;k表示气体输送压力的决定系数;
步骤二:对天然气网络中的压缩机建立等效模型;压缩机所消耗的能量和等效流量如式(5)、(6)所示:
v=α+βH+γH2 (6)
其中,f表示流过压力调节站的流量;H表示压缩机所消耗的电能;Bk与压缩机的温度和效率有关,Zk与压缩因子有关;v表示压缩机消耗的流量;α、β、γ表示能量转化效率常数;
步骤三:根据步骤一和步骤二所得模型,建立天然气网络仿真模型,并通过燃气轮机对电网和天然气网进行电-气耦合,建立电-气互联综合能源系统仿真模型;
步骤四:根据天然气网络耗气量与功率之间的转换关系,对适于电网的电压暂降严重性指标S进行改进,得到电-气互联综合能源系统电网电压暂降指标T;电压暂降严重性指标S如式(7)所示:
式(8)反映了耗气量Lg与功率Pg之间的对应关系:
式中ηeg表示燃气轮机的转换效率;C表示燃气轮机转换系数;Vg表示天然气传输速;
由式(8)可得
推出电压的标幺值为
将式(10)代回式(7)可得
式中:UB为电压的基准值;η表示燃气轮机的转换效率;Lg表示天然气网络的耗气量;C是与天然气网管道各项参数有关的系数,其受到气体传输速度的影响;M是电网中的系数,与电压标幺值、电流、功率因数有关,Dj根据电压是否恢复至要求范围而取值;
式中F表示电压合格节点数,I表示系统关键节点数,P表示电压合格率;
步骤五:验证步骤四中所改进指标的准确性。
2.根据权利要求1所述的电-气互联综合能源系统的电网电压暂降指标计算方法,其特征在于:电网电压暂降指标T的数值反映天然气网络发生故障后电网暂态电压稳定的程度,T的临界值为1,在0到1之间表示系统处于稳定状态,超过1表示系统失稳。
3.根据权利要求1所述的电-气互联综合能源系统的电网电压暂降指标计算方法,其特征在于:电压合格率P则表示电网中暂态电压合格的百分数,P数值越大表示电网的稳定性越好。
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