CN109063227A - 一种多能源发电系统等值*源模型构建方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于电力系统建模仿真领域，涉及一种多能源发电系统等值源模型构建方法，该方法先根据的概念和意义，从能量流的视角定义流、流势和阻等概念。用所述阻表征能量转换过程中的损耗，反映传递的不可逆性，并描述各发电系统流势差和流之间的关系。再根据戴维南定理，将风、光、水、气等多种能源发电系统等效为多能源发电系统等值源模型，并分析多能源发电系统等值源模型的特性约束和拓扑约束。本发明所构建的多能源发电系统等值源模型实现了各发电系统与电力系统的同质化分析，从而为多种异质能源发电系统同质化建模奠定了基础。

Description

一种多能源发电系统等值*源模型构建方法

技术领域

本发明属于电力系统建模仿真领域，涉及一种多能源发电系统等值源模型构建方法，特别涉及一种包含储能的风、光、水、气等多种异质能源的发电系统统一模型构建方法。

背景技术

利用风力发电、光伏发电、水力发电和天然气发电等多种能源发电系统出力的特性，构成多种异质能源耦合并网的发电系统，可以有效平抑具有随机性、间歇性的风力发电和光伏发电出力的波动，同时，对提高整个电力系统的能源利用率和电网的稳定性也具有一定的意义。而建立可靠的风、光、水、气等多能源发电系统的仿真模型，成为研究多能互补发电的关键课题之一。

当前，对于多种异质能源发电系统的研究，大多集中在风-光、风-水、风-光-水等两种或三种能源互补发电系统的建模仿真、优化规划、控制策略和协调调度等方面。针对包含风、光、水、气、储等四种以上多能源发电系统的建模仿真研究，目前主要遵循“元件级”-“场站级”-“多能发电系统级”的思路，通过聚合等值的方法，分别建立风、光、水、储等联合发电系统详细的仿真模型，然后将各场站模型的输出汇集，实现并网。这类模型结构复杂，仿真时间长，不适合应用于大规模多能源发电系统并网的仿真计算。因而，急需建立风、光、水、气等多能源发电系统有效的等值模型。

发明内容

针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种包含风、光、水、气等多能源的发电系统统一模型构建方法。

为达到以上目的，本发明采取的技术方案是：

一种多能源发电系统等值源模型构建方法，包括以下步骤：

步骤A：根据的概念和意义，从能量流的视角定义流、流势、流势差和阻的概念；

步骤B：基于步骤A中的概念，分别构建储能系统、风力发电系统、水力发电系统、太阳能发电(光伏发电)系统和天然气发电系统的源模型；

步骤C：根据步骤B中的各发电系统及储能系统的源模型，构建包含风力发电、水力发电、太阳能发电、天然气发电和储能系统的多能源发电系统等值源模型；

步骤D：分析多能源发电系统等值源模型所满足的特性约束和拓扑约束。

在上述技术方案的基础上，步骤A中，所述指的是：以给定的环境为基准，当系统由任意状态可逆地变化到与给定的环境相平衡的状态时，能够最大限度转换为有用功的那部分能量，用Ex表示，是一种能量，具有能量的量纲和属性，的大小称为值，单位为J；代表了能量中“量”与“质”统一的部分，为评价和比较各种不同形态的能量提供了统一的尺度。

在上述技术方案的基础上，步骤A中所述流、流势、流势差和阻的定义如下：

流：单位时间内单位面积上运输的值，用Q表示，单位为J/(m²s)；

流势：单位流内蕴含的值；用于描述产生流的势力，类似电磁学里的电动势和磁动势；用EFP表示，单位为J/(W/m²)，计算式如式(1)所示，

流势差：两点处的流势差值，在能量从一端传输到另一端的过程中，由于两端流势差值的存在，而产生的驱动力；用ΔEFP表示，单位为J/(W/m²)，计算式如式(2)所示，

其中，Ex_d为损耗，所述损耗为发电系统把其他形式的能转换为电能的过程中产生的不可逆转的损耗，单位为J，计算式如式(3)所示，

Ex_d＝(1一ψ)Ex_in (3)

其中，ψ为各发电系统的效率，Ex_in为各发电系统的输入单位为J，例如，风力发电系统中的风动能输入Ex_in，w，太阳能发电系统中的太阳能输入Ex_in，pv，水力发电系统中的水势能输入Ex_in，h和天然气发电系统中的天然气能输入Ex_in，g；

阻：单位流内的流势差，为流势差ΔEFP和流Q的比值，用R_Ex表示，单位为(m²s)²/J，计算式如式(4)所示，

用所述阻表征能量转换过程中的损耗，反映传递的不可逆性，描述各发电系统流势差ΔEFP和流Q之间的关系。

在上述技术方案的基础上，步骤B中，根据戴维南定理，类比电路中的电压源模型，所述源模型为源串联相应的阻R_Ex，所述源为各发电系统的输入Ex_in和储能系统的储能输入Ex_s，所述输入Ex_in分别为风动能输入Ex_in，w，太阳能输入Ex_in，pv，水势能输入Ex_in，h和天然气能输入Ex_in，g；所述储能输入Ex_s的损耗Ex_d忽略不计，为零；阻R_Ex分别为风力发电系统阻R_EX，w、太阳能发电系统阻R_EX，pv、水力发电系统阻R_EX，h和天然气发电系统阻R_EX，g，对于储能系统，阻R_Ex为零。

在上述技术方案的基础上，步骤C中，所述多能源发电系统等值源模型为：各发电系统或储能系统的源的流势EFP和流Q，分别经过各自阻上的损耗，形成各发电系统或储能系统的输出；各发电系统的输出和储能系统的输出汇聚为总输出Ex_out，经耦合并网输出；

所述各发电系统或储能系统的源形成各自的流势EFP，分别为风电系统流势EFP_w、太阳能发电系统流势EFP_pv、水力发电系统流势EFP_h、天然气发电系统流势EFP_g和储能系统流势EFP_s；

所述各发电系统或储能系统各自的流分别为风电系统流Q_w、太阳能发电系统流Q_pv、水力发电系统流Q_h、天然气发电系统流Q_g和储能系统流Q_s；

所述各发电系统的输出分别为风力发电输出的电能Ex_out，w、太阳能发电输出的电能Ex_out，pv、水力发电输出的电能Ex_out，h和天然气发电输出的电能Ex_out，g；所述储能系统的输出为储能系统的储能输入Ex_s。

在上述技术方案的基础上，步骤D中，根据电路学中的欧姆定律，所述多能源发电系统等值源模型中阻所满足的特性约束如式(5)所示，

ΔEFP＝QR_Ex (5)

根据基尔霍夫电流定律，从所述多能源发电系统等值源模型中选定某一节点，所述多能源发电系统等值源模型所满足的拓扑约束一如式(6)所示，

其中，J为流的总支路数，Q_j为汇聚至所述选定节点的发电系统或储能系统支路的流，Q_out为各支路汇聚的总流；

根据基尔霍夫电压定律，从多能源发电系统等值源模型中选定某一闭合回路，所述多能源发电系统等值源模型所满足的拓扑约束二如式(8)所示，

EFP_j-QjR_Ex，j-EFP_G＝0 (8)

其中，EFP_j为所述选定闭合回路的发电系统或储能系统的流势，R_Ex，j为所述选定闭合回路的发电系统或储能系统的阻，EFP_G为将电网等效为源的流势；

所述多能源发电系统等值源模型所满足的拓扑约束三如式(9)所示，所述拓扑约束三为平衡等式，

其中，Ex_out为各发电系统和储能系统的流汇聚后的总输出，Ex_out，j为发电系统或储能系统的输出，计算式如式(10)所示，

其中，Ex_in，j为各发电系统或储能系统支路的输入。

本发明所述的一种多能源发电系统等值源模型构建方法，具有以下有益技术效果：

本发明所构建的多能源发电系统等值源模型实现了各发电系统与电力系统的同质化分析，从而为多种异质能源发电系统同质化建模奠定了基础。

附图说明

本发明有如下附图：

图1本发明所述的基于能量流的多能源发电系统等值源模型构建示意图

具体实施方式

以下结合附图对本发明做进一步详细说明。

如图1所示为本发明所述的一种多能源发电系统等值源模型构建方法示意图，包括如下步骤：

步骤A：根据的概念和意义，从能量流的视角定义流、流势、流势差和阻的概念；

其中，所述指的是：以给定的环境为基准，当系统由任意状态可逆地变化到与给定的环境相平衡的状态时，能够最大限度转换为有用功的那部分能量，用Ex表示。是一种能量，具有能量的量纲和属性。的大小称为值，单位为J；代表了能量中“量”与“质”统一的部分，为评价和比较各种不同形态的能量提供了统一的尺度。

所述流、流势、流势差和阻的定义如下：

流：单位时间内单位面积上运输的值，用Q表示，单位：J/(m²s)。如图1的右部所示，流Q包括风电系统流Q_w、太阳能发电系统流Q_pv、水力发电系统流Q_h、天然气发电系统流Q_g和储能系统流Q_s。

流势：单位流内蕴含的值，用于描述产生流的势力，类似电磁学里的电动势和磁动势。用EFP表示，计算式如式(1)，单位：J/(W/m²)。

各发电系统和储能系统拥有各自的流势EFP，如风电系统流势EFP_w、太阳能发电系统流势EFP_pv、水力发电系统流势EFP_h、天然气发电系统流势EFP_g和储能系统流势EFP_s。

流势差：两点处的流势差值，在能量从一端传输到另一端的过程中，由于两端流势差值的存在，而产生的驱动力。用ΔEFP表示，单位：J/(W/m²)，计算式如式(2)所示，

其中，Ex_d为损耗，所述损耗为发电系统把其他形式的能转换为电能的过程中产生的不可逆转的损耗，单位：J，其计算公式为：

Ex_d＝(1-ψ)Ex_in (3)

其中，ψ为各发电系统的效率，Ex_in为各发电系统的输入，单位为J，如图1右部所示，风力发电系统中的风动能输入Ex_in，w，太阳能发电系统中的太阳能输入Ex_in，pv，水力发电系统中的水势能输入Ex_in，h和天然气发电系统中的天然气能输入Ex_in，g。

阻：单位流内的流势差，为流势差ΔEFP和流Q的比值，用R_Ex表示，计算式如式(4)所示，单位：(m²s)²/J。

用所述阻表征能量转换过程中的损耗，反映传递的不可逆性，描述各发电系统流势差ΔEFP和流Q之间的关系。

步骤B：基于步骤A中的概念，分别构建储能系统、风力发电系统、水力发电系统、太阳能发电系统和天然气发电系统的源模型；

如图1的左部所示，风电场输出的电能为E_w，光伏电站输出的电能为E_pv，水力发电站输出的电能为E_h，天然气发电厂输出的电能为E_g，储能站输出的电能为E_s。各发电场(厂)站整体输出电能E，然后耦合并网。

根据戴维南定理，类比电路中的电压源模型，所述源模型为源串联相应的阻R_Ex。相对应的，如图1的右部所示，源为各发电系统的输入Ex_in和储能系统的储能输入Ex_s，分别为风动能输入Ex_in，w、太阳能输入Ex_in，pv、水势能输入Ex_in，h和天然气能输入Ex_in，g。所述储能输入Ex_s的损耗Ex_d忽略不计，为零。阻R_Ex分别为风力发电系统阻R_EX，w、太阳能发电系统阻R_EX，pv、水力发电系统阻R_EX，h和天然气发电系统阻R_EX，g，对于储能系统，阻R_Ex为零。

步骤C：根据步骤B中的各发电系统及储能系统的源模型，构建包含风力发电、太阳能发电、水力发电、天然气发电和储能系统的多能源发电系统等值源模型。

如图1的右部所示，所述多能源发电系统等值源模型为：各发电系统或储能系统的源形成各自的流势EFP和流，分别经过各自阻上的损耗，形成各发电系统或储能系统的输出。各发电系统的输出和储能系统的输出汇聚为总输出Ex_out，经耦合并网输出。

所述各发电系统或储能系统的源形成各自的流势EFP，分别为风电系统流势EFP_w、太阳能发电系统流势EFP_pv、水力发电系统流势EFP_h、天然气发电系统流势EFP_g和储能系统流势EFP_s；

所述各发电系统或储能系统各自的流分别为风电系统流Q_w、太阳能发电系统流Q_pv、水力发电系统流Q_h、天然气发电系统流Q_g和储能系统流Q_s；

所述各发电系统的输出分别为风力发电输出的电能Ex_out，w、太阳能发电输出的电能Ex_out，pv、水力发电输出的电能Ex_out，h和天然气发电输出的电能Ex_out，g；

所述储能系统的输出为储能系统的储能输入Ex_s。

在图1中#1和#2为变压器。

步骤D：分析多能源发电系统等值源模型所满足的特性约束和拓扑约束。

根据电路学中的欧姆定律，多能源发电系统等值源模型中阻所满足的特性约束如式(5)所示，

ΔEFP＝QR_Ex (5)

根据基尔霍夫电流定律，从多能源发电系统等值源模型中选定某一节点，所述多能源发电系统等值源模型所满足的拓扑约束一如式(6)所示，

其中，J为流的总支路数，Q_j为汇聚至所述选定节点的发电系统或储能系统支路的流，Q_out为各支路汇聚的总流。

对于图1中所示的a节点，满足式(7)所示的拓扑约束。

Q_w+Q_pv+Q_h+Q_g+Q_s＝Q_out (7)

根据基尔霍夫电压定律，从多能源发电系统等值源模型中选定某一闭合回路，所述多能源发电系统等值源模型所满足的拓扑约束二如式(8)所示，

EFP_j-Q_jR_Ex，j-EFP_G＝0 (8)

其中，EFP_j为所述选定闭合回路的发电系统或储能系统的流势，R_Ex，j为所述选定闭合回路的发电系统或储能系统的阻，EFP_G为将电网等效为源的流势。

所述多能源发电系统等值源模型所满足的拓扑约束三如式(9)所示，所述拓扑约束三为平衡等式，

其中，Ex_out为各发电系统和储能系统的流汇聚后的总输出，Ex_out，j为发电系统或储能系统的输出，计算式如式(10)所示，

其中，Ex_in，j为各发电系统或储能系统支路的输入。

本发明所述多能源发电系统等值源模型描述各发电系统、储能系统和电网之间能量的输入-输出关系，体现了所述多能源发电系统中的整体守恒性。

以上所述，仅是本发明的较佳实例而已，并非对本发明做任何形式上的限制，本领域技术人员利用上述揭示的技术内容做出些许简单修改、等同变化或装饰，均落在本发明的保护范围内。

本说明书中未做详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (4)

1.一种多能源发电系统等值源模型构建方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤A：根据的概念和意义，从能量流的视角定义流、流势、流势差和阻的概念；

步骤B：基于步骤A中的概念，分别构建储能系统、风力发电系统、水力发电系统、太阳能发电系统和天然气发电系统的源模型；

步骤C：根据步骤B中的各发电系统及储能系统的源模型，构建包含风力发电、水力发电、太阳能发电、天然气发电和储能系统的多能源发电系统等值源模型；

步骤D：分析多能源发电系统等值源模型所满足的特性约束和拓扑约束。

2.如权利要求1所述的多能源发电系统等值源模型构建方法，其特征在于：步骤B中，所述源模型为源串联相应的阻R_Ex，所述源为各发电系统的输入Ex_in和储能系统的储能输入Ex_s，所述输入Ex_in分别为风动能输入Ex_in，w，太阳能输入Ex_in，pv，水势能输入Ex_in，h和天然气能输入Ex_in，g；所述储能输入Ex_s的损耗Ex_d忽略不计，为零；阻R_Ex分别为风力发电系统阻R_EX，w、太阳能发电系统阻R_EX，pv、水力发电系统阻R_EX，h和天然气发电系统阻R_EX，g，对于储能系统，阻R_Ex为零。

3.如权利要求2所述的多能源发电系统等值源模型构建方法，其特征在于：步骤C中，所述多能源发电系统等值源模型为：各发电系统或储能系统的源的流势EFP和流Q，分别经过各自阻上的损耗，形成各发电系统或储能系统的输出；各发电系统的输出和储能系统的输出汇聚为总输出Ex_out，经耦合并网输出；

所述各发电系统或储能系统的源形成各自的流势EFP，分别为风电系统流势EFP_w、太阳能发电系统流势EFP_pv、水力发电系统流势EFP_h、天然气发电系统流势EFP_g和储能系统流势EFP_s；

所述各发电系统或储能系统各自的流分别为风电系统流Q_w、太阳能发电系统流Q_pv、水力发电系统流Q_h、天然气发电系统流Q_g和储能系统流Q_s；

所述各发电系统的输出分别为风力发电输出的电能Ex_out，w、太阳能发电输出的电能Ex_out，pv、水力发电输出的电能Ex_out，h和天然气发电输出的电能Ex_out，g；

所述储能系统的输出为储能系统的储能输入Ex_s。

4.如权利要求3所述的多能源发电系统等值源模型构建方法，其特征在于：步骤D中，所述多能源发电系统等值源模型中阻的计算公式如下所示：

公式(4)中ΔEFP为流势差，计算式如式(2)所示，Ex_d为损耗，计算式如式(3)所示：

Ex_d＝(1-ψ)Ex_in (3)

公式(3)中ψ为各发电系统的效率，Ex_in为各发电系统的输入；

所述多能源发电系统等值源模型中阻所满足的特性约束如式(5)所示，

ΔEFP＝QR_Ex (5)

从所述多能源发电系统等值源模型中选定某一节点，所述多能源发电系统等值源模型所满足的拓扑约束一如式(6)所示，

其中，J为流的总支路数，Q_j为汇聚至所述选定节点的发电系统或储能系统支路的流，Q_out为各支路汇聚的总流；

从多能源发电系统等值源模型中选定某一闭合回路，所述多能源发电系统等值源模型所满足的拓扑约束二如式(8)所示，

EFP_j-Q_jR_Ex，j-EFP_G＝0 (8)

其中，EFP_j为所述选定闭合回路的发电系统或储能系统的流势，R_Ex，j为所述选定闭合回路的发电系统或储能系统的阻，EFP_G为将电网等效为源的流势；

所述多能源发电系统等值源模型所满足的拓扑约束三如式(9)所示，所述拓扑约束三为平衡等式，

其中，Ex_out为各发电系统和储能系统的流汇聚后的总输出，Ex_out，j为发电系统或储能系统的输出，计算式如式(10)所示，

其中，Ex_in，j为各发电系统或储能系统支路的输入。