CN109446545A - 基于通用能量母线的综合能源系统能量流分析计算方法 - Google Patents

Abstract

一种基于通用能量母线的综合能源系统能量流分析计算方法：对于给定的综合能源系统，输入系统中包含的能源设备的能源形式、设备类型、拓扑连接关系，供能设备的输出功率，负荷的输入功率，各转换环节的能效比或效率，以及能量母线上的分配系数；将综合能源系统中的能量流汇集点按能量形式进行分类，并建立对应的能量母线模型；将分类后的能源设备与能量母线模型进行连接，形成综合能源系统通用能量母线模型；依据综合能源系统结构及参数，建立综合能源系统通用能量母线模型的数学模型；得到综合能源系统通用能量母线模型的最终数学表达形式；求解得到综合能源系统中各个支路上的能量流。本发明可以准确表达系统中各设备之间的能量传递关系。

Description

基于通用能量母线的综合能源系统能量流分析计算方法

技术领域

本发明涉及一种综合能源系统能量流分析计算方法。特别是涉及一种基于通用能量母线的综合能源系统能量流分析计算方法。

背景技术

综合能源系统将电力、燃气、供热/冷等能源环节有机融合，集能源生产、传输、转换、存储、消费于一体，依据系统内多种用能形式的需求，统筹规划互补利用传统能源以及可再生能源，发挥多种能量形式间的互联耦合作用，实现多种能源的协调供给以及高效梯级利用，并促进可再生能源的消纳，推动能源清洁生产。

在综合能源系统中，能源的生产可以来自电网、天然气供应系统、可再生能源等，能源的传输通过线路、管道等不同形式的通道实现，荷端可以是供电、供热、制冷、热水等不同形式，不同能源形式间的转换设备更是多种多样，系统呈现出多种能流形式。由于多种能源间互联互通，需要采用系统化的能量流模型表达形式将系统中能流关系科学化地加以表达。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种具备标准化、通用化、可扩展化的基于通用能量母线的综合能源系统能量流分析计算方法。

本发明所采用的技术方案是：一种基于通用能量母线的综合能源系统能量流分析计算方法，包括如下步骤：

1)对于给定的综合能源系统，输入系统中包含的能源设备的能源形式、设备类型、拓扑连接关系，供能设备的输出功率，负荷的输入功率，各转换环节的能效比或效率，以及能量母线上的分配系数；

2)根据给定综合能源系统，将综合能源系统中的能量流汇集点按能量形式进行分类，并建立对应的能量母线模型；将综合能源系统中的能源设备按源设备模型、转换设备模型、储能设备模型以及负荷模型这四种模型进行分类，并将分类后的转换设备模型转化为标准转换设备模型；根据各能源设备的输入输出能量形式以及综合能源系统中的实际能量流路径，将分类后的能源设备与能量母线模型进行连接，形成综合能源系统通用能量母线模型；

3)依据步骤1)和步骤2)提供的综合能源系统结构及参数，建立综合能源系统通用能量母线模型的数学模型，包括：母线功率平衡方程、转换设备方程以及分配系数方程；

4)综合步骤3)中的母线功率平衡方程、转换设备方程以及分配系数方程，得到综合能源系统通用能量母线模型的最终数学表达形式；

5)对最终数学表达形式进行求解，得到综合能源系统中各个支路上的能量流。

步骤2)所述的能量母线模型是将电力系统中的电力母线模型定义扩展至综合能源系统中，将所承载的能量形式由电力系统中的电能量扩展至综合能源系统中包含的能量形式。

步骤2)所述的：

(1)源设备模型：是指用于向综合能源系统提供能量输入的设备，源设备只含有输出支路；

(2)转换设备模型：是指综合能源系统内部实现能量单向转换的设备，转换设备同时含有输入支路以及输出支路，转换设备分为单输入单输出、单输入多输出、多输入单输出以及多输入多输出四类设备；

(3)储能设备模型：是指综合能源系统内部实现能量存储的设备，储能设备的模型共用一条输入输出支路；

(4)负荷模型：根据能量类型分为不同的种类，负荷仅含有输入支路。

步骤2)所述的将综合能源系统中的转换设备转化为标准模型，是将单输入多输出、多输入单输出以及多输入多输出的转换设备均转化为单输入单输出的转换设备与虚拟母线的组合，所述的虚拟母线是用来表示转换设备的标准模型中的拓扑连接关系的能量母线模型。

步骤3)所述的：

(1)母线功率平衡方程是：

Av^T＝0

式中，A为支路-母线关联矩阵；v为系统中各支路上的能量流组成的向量；A_mn为A矩阵中的元素；

(2)转换设备方程是：

Bv^T＝0

式中，B为支路-转换设备关联矩阵；B_kn为矩阵B中的元素；

(3)分配系数方程是：

Cv^T＝0

式中，C为支路-母线分配系数关联矩阵；C_mn为矩阵C中的元素。

步骤4)所述的综合能源系统通用能量母线模型的最终数学表达形式是：

式中，A为支路-母线关联矩阵；B为支路-转换设备关联矩阵；C为支路-母线分配系数关联矩阵；v为系统中各支路上的能量流组成的向量。

本发明的基于通用能量母线的综合能源系统能量流分析计算方法，立足于实现综合能源系统分析计算方法的标准化、通用化及可扩展化，综合考虑系统中能量类型、设备类型、拓扑约束，通过建立矩阵式的系统能量流平衡方程，包括母线能量平衡方程、转换环节方程以及分配系数方程，实现对全系统能量流的计算求解，为后续系统规划设计、运行分析、调控策略制定等奠定基础。本发明的方法可以准确表达系统中各设备之间的能量传递关系，通过采用电力系统中母线模型的定义，建立扩展的能量母线模型，通过定义转换环节、源设备以及储能设备等通用模板，可以有效实现综合区能源系统标准化建模，将系统中不同能源间的互联互通关系清晰方便的表达出来。

附图说明

图1是本发明基于通用能量母线的综合能源系统能量流分析计算方法的流程图；

图2是根据某园区实际综合能源系统所建立的通用能量母线模型图。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明的基于通用能量母线的综合能源系统能量流分析计算方法做出详细说明。

如图1所示，本发明的基于通用能量母线的综合能源系统能量流分析计算方法，包括如下步骤：

1)对于给定的综合能源系统，输入系统中包含的能源设备的能源形式、设备类型、拓扑连接关系，供能设备的输出功率，负荷的输入功率，如表1所示；各转换环节的能效比或效率，以及能量母线上的分配系数如表2所示；

2)根据给定综合能源系统，将综合能源系统中的能量流汇集点按能量形式进行分类，并建立对应的能量母线模型；将综合能源系统中的能源设备按源设备模型、转换设备模型、储能设备模型以及负荷模型这四种模型进行分类，并将分类后的转换设备模型转化为标准转换设备模型；根据各能源设备的输入输出能量形式以及综合能源系统中的实际能量流路径，将分类后的能源设备与能量母线模型进行连接，形成综合能源系统通用能量母线模型；

所述的能量母线模型是将电力系统中的电力母线模型定义扩展至综合能源系统中，将所承载的能量形式由电力系统中的电能量扩展至综合能源系统中包含的能量形式。

所述的：

(1)源设备模型：是指用于向综合能源系统提供能量输入的设备，源设备只含有输出支路，通常包括外部电网、光伏发电、太阳能热水器等设备；

(2)转换设备模型：是指综合能源系统内部实现能量单向转换的设备，转换设备同时含有输入支路以及输出支路，转换设备分为单输入单输出(SISO)、单输入多输出(SIMO)、多输入单输出(MISO)以及多输入多输出(MIMO)四类设备；

(3)储能设备模型：是指综合能源系统内部实现能量存储的设备，储能设备的模型共用一条输入输出支路；

(4)负荷模型：根据能量类型分为不同的种类，负荷仅含有输入支路。

所述的将综合能源系统中的转换设备转化为标准模型，是将单输入多输出、多输入单输出以及多输入多输出的转换设备均转化为单输入单输出的转换设备与虚拟母线的组合，所述的虚拟母线是用来表示转换设备的标准模型中的拓扑连接关系的能量母线模型。

对于本实施例，首先确定系统中包含的源设备包括外部电网、光伏发电以及太阳能热水机组，转换装置包括冰蓄冷机组、常规冷水机组、地源热泵、蓄热式电锅炉以及换热器，储能包括铅酸电池储能、蓄冰槽、蓄冷水箱以及蓄热水箱，负荷则包括电负荷、冷负荷、热负荷以及热水负荷。母线包含四种类型，分别为电母线、冷母线、热母线以及热水母线。

3)依据步骤1)和步骤2)提供的综合能源系统结构及参数，建立综合能源系统通用能量母线模型的数学模型，包括：母线功率平衡方程、转换设备方程以及分配系数方程；所述的：

(1)母线功率平衡方程是：

Av^T＝0 (1)

式中，A为支路-母线关联矩阵；v为系统中各支路上的能量流组成的向量；A_mn为A矩阵中的元素；

对于本实施例，可按不同能源类型对母线进行分类，分别列写其母线功率平衡方程，结果如下：

a)电母线功率平衡方程：

电母线功率平衡方程的矩阵形式如下所示：

其中支路-母线矩阵A_E根据定义可得：

A_E＝[-1 -1 1 1 1 1 1 1] (4)

支路上的能量流v_E定义如下：

v_E＝[W_grid W_PV W_ES W_EC W_IC W_HP W_EB W_EL] (5)

式中，W_grid为外部电网输入功率；W_PV为光伏发电设备输出功率；W_ES为铅酸电池的输入/输出功率；W_EC为常规冷水机组的输入电功率；W_IC为冰蓄冷机组的输入电功率；W_HP为地源热泵的输入电功率；W_EB为蓄热式电锅炉的输入电功率；W_EL为电负荷。

b)冷母线功率平衡方程：

v_C＝[R_EC R_IC R_HP R_IS R_HE,1 R_HEO,1 R_CS R_HPO R_CL] (8)

式中，R_EC为常规冷水机组的输出冷功率；R_IC为冰蓄冷机组的输出冷功率；R_HP为地源热泵机组的输出冷功率；R_IS为冰蓄冷系统蓄冰槽的输入/输出冷功率；R_HE,1为冰蓄冷系统换热器的输入冷功率；R_HEO,1为冰蓄冷系统的终端输出冷功率R_HPO为地源热泵系统的终端输出冷功率；R_CS为地源热泵系统蓄冷装置的输入/输出冷功率；R_CL为冷负荷。

c)热母线功率平衡方程：

v_H＝[Q_EB Q_HS Q_HE,2 Q_HE,3 Q_HEO,2 Q_HP Q_HL] (11)

式中，Q_EB为蓄热式电锅炉的输出热功率；Q_HS为蓄热式电锅炉系统中蓄热装置的输出热功率；Q_HE,2为蓄热式电锅炉系统中供热换热器的输入热功率；Q_HE,3为蓄热式电锅炉系统中供热水换热器的输入热功率；Q_HEO,2为蓄热式电锅炉系统的终端输出热功率；Q_HP为地源热泵的输出热功率；Q_HL为热负荷。

d)热水母线功率平衡方程：

v_HW＝[F_SWH F_HE,4 F_HEO,4 F_HEO,3 F_HWT F_HWTO F_HWL] (14)

式中，F_SWH为太阳能热水器的输出热水功率；F_HE,4为太阳能热水系统中换热器的输入热水功率；F_HEO,4太阳能热水系统中换热器的输出热水功率；F_HEO,3为蓄热式电锅炉系统中供热水换热器的输出热功率；F_HWT为蓄热水箱的输入热水功率；F_HWTO为蓄热水箱的输出热水功率；F_HWL为热水负荷。

综合以上式(3)-(14)中的各类型母线上的功率平衡方程，可以得到：

Av^T＝0 (15)

v＝[v_E v_C v_H v_HW] (17)

(2)转换设备方程是：

Bv^T＝0 (18)

式中，B为支路-转换设备关联矩阵；B_kn为矩阵B中的元素；

对于本实施例，根据各个设备的能效比或效率，可以建立如下转换环节方程：

式中，COP_EC为常规冷水机组的能效比；COP_IC为冰蓄冷机组的能效比；COP_HP为地源热泵的能效比；η_EB为蓄热式电锅炉的制热效率；η_HE,i为蓄第i个换热器的换热效率；η_HWT为蓄热水箱的蓄热效率。

(3)分配系数方程是：

Cv^T＝0 (21)

式中，C为支路-母线分配系数关联矩阵；C_mn为矩阵C中的元素。

对于本实施例，在电母线和冷母线间存在成环的情况，即两条母线间存在多条可能的通路，在这种情况下，系统方程中变量与方程数量不对等，仅通过给定负荷无法计算出系统的能流状态，因此需要引入分配系数方程，确定负荷的具体分配比例：

R_EC＝α₁R_CL (23)

R_HEO,1＝α₂R_CL (24)

4)综合步骤3)中的母线功率平衡方程、转换设备方程以及分配系数方程，得到综合能源系统通用能量母线模型的最终数学表达形式；所述的综合能源系统通用能量母线模型的最终数学表达形式是：

式中，A为支路-母线关联矩阵；B为支路-转换设备关联矩阵；C为支路-母线分配系数关联矩阵；v为系统中各支路上的能量流组成的向量。

5)对最终数学表达形式式(25)进行求解，得到综合能源系统中各个支路上的能量流，如表3所示。

表1算例园区实际综合能源系统负荷功率及源/储能设备输出功率

源/储能设备类型	供冷期功率/kW	供热期功率/kW
			光伏发电	354.4	19.7
太阳能热水器	43.5	35.7
			铅酸储能	11.3	1.2
蓄热水箱	232.6	477.8
			蓄冰槽	0	0
蓄冷水箱	1650.3	0
			电负荷	2063.1	1871.2
冷负荷	2679.9	0
			热负荷	0	2194.6
热水负荷	243.5	161.7

表2算例园区实际综合能源系统设备能效比、效率以及分配系数

设备类型	能效比	设备类型	效率	分配系数	数值
						常规冷水机组	5.2	蓄热电锅炉	0.95	α<sub>1</sub>	0.8
冰蓄冷机组	4.9	换热器	0.98	α<sub>2</sub>	0.2
						地源热泵(制热)	5.4	蓄热水箱	0.9
地源热泵(制冷)	4.2

表3算例园区供冷期、供热期能量流计算结果

Claims (6)

1.一种基于通用能量母线的综合能源系统能量流分析计算方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)对于给定的综合能源系统，输入系统中包含的能源设备的能源形式、设备类型、拓扑连接关系，供能设备的输出功率，负荷的输入功率，各转换环节的能效比或效率，以及能量母线上的分配系数；

2)根据给定综合能源系统，将综合能源系统中的能量流汇集点按能量形式进行分类，并建立对应的能量母线模型；将综合能源系统中的能源设备按源设备模型、转换设备模型、储能设备模型以及负荷模型这四种模型进行分类，并将分类后的转换设备模型转化为标准转换设备模型；根据各能源设备的输入输出能量形式以及综合能源系统中的实际能量流路径，将分类后的能源设备与能量母线模型进行连接，形成综合能源系统通用能量母线模型；

3)依据步骤1)和步骤2)提供的综合能源系统结构及参数，建立综合能源系统通用能量母线模型的数学模型，包括：母线功率平衡方程、转换设备方程以及分配系数方程；

4)综合步骤3)中的母线功率平衡方程、转换设备方程以及分配系数方程，得到综合能源系统通用能量母线模型的最终数学表达形式；

5)对最终数学表达形式进行求解，得到综合能源系统中各个支路上的能量流。

2.根据权利要求1所述的基于通用能量母线的综合能源系统能量流分析计算方法，其特征在于，步骤2)所述的能量母线模型是将电力系统中的电力母线模型定义扩展至综合能源系统中，将所承载的能量形式由电力系统中的电能量扩展至综合能源系统中包含的能量形式。

3.根据权利要求1所述的基于通用能量母线的综合能源系统能量流分析计算方法，其特征在于，步骤2)所述的：

(1)源设备模型：是指用于向综合能源系统提供能量输入的设备，源设备只含有输出支路；

(2)转换设备模型：是指综合能源系统内部实现能量单向转换的设备，转换设备同时含有输入支路以及输出支路，转换设备分为单输入单输出、单输入多输出、多输入单输出以及多输入多输出四类设备；

(3)储能设备模型：是指综合能源系统内部实现能量存储的设备，储能设备的模型共用一条输入输出支路；

(4)负荷模型：根据能量类型分为不同的种类，负荷仅含有输入支路。

4.根据权利要求1所述的基于通用能量母线的综合能源系统能量流分析计算方法，其特征在于，步骤2)所述的将综合能源系统中的转换设备转化为标准模型，是将单输入多输出、多输入单输出以及多输入多输出的转换设备均转化为单输入单输出的转换设备与虚拟母线的组合，所述的虚拟母线是用来表示转换设备的标准模型中的拓扑连接关系的能量母线模型。

5.根据权利要求1所述的基于通用能量母线的综合能源系统能量流分析计算方法，其特征在于，步骤3)所述的：

(1)母线功率平衡方程是：

Av^T＝0

式中，A为支路-母线关联矩阵；v为系统中各支路上的能量流组成的向量；A_mn为A矩阵中的元素；

(2)转换设备方程是：

Bv^T＝0

式中，B为支路-转换设备关联矩阵；B_kn为矩阵B中的元素；

(3)分配系数方程是：

Cv^T＝0

式中，C为支路-母线分配系数关联矩阵；C_mn为矩阵C中的元素。

6.根据权利要求1所述的基于通用能量母线的综合能源系统能量流分析计算方法，其特征在于，步骤4)所述的综合能源系统通用能量母线模型的最终数学表达形式是：

式中，A为支路-母线关联矩阵；B为支路-转换设备关联矩阵；C为支路-母线分配系数关联矩阵；v为系统中各支路上的能量流组成的向量。