CN110112781A - 一种综合能源电力系统分布互联建模分析方法 - Google Patents

一种综合能源电力系统分布互联建模分析方法 Download PDF

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CN110112781A CN201910414400.XA CN201910414400A CN110112781A CN 110112781 A CN110112781 A CN 110112781A CN 201910414400 A CN201910414400 A CN 201910414400A CN 110112781 A CN110112781 A CN 110112781A
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Abstract

本发明公开一种综合能源电力系统分布互联建模分析方法，包括：获取综合能源电力系统中各分布式能源系统的电力运行数据；基于获取到的数据，对各分布式能源系统进行模型机理分析，判断各分布式能源系统的模型机理是否清楚；若各分布式能源系统的模型机理皆清楚，则采用机理模型路由对综合能源电力系统进行互联建模；若存在任一分布式能源系统的模型机理不清楚，同时不同分布式能源系统的输入输出量之间存在关联，则采用非机理模型路由对综合能源电力系统进行互联建模；基于已建立的综合能源电力系统模型，对综合能源电力系统进行动态特性分析。本发明可针对综合能源电力系统多时间尺度、多能流耦合问题，实现兼顾精度和速度的在线动态建模，提高电力系统分析的效率。

Description

一种综合能源电力系统分布互联建模分析方法
技术领域
本发明涉及电力系统分析技术领域，特别是一种综合能源电力系统(PS-IE)分布互联建模分析方法。
背景技术
近年来，以风电、光伏为代表的可再生能源发展非常迅速，就目前现状而言，可再生能源比例较低，弃风、弃光较为严重，2015年全国弃风电量达到339亿度，经济损失约168亿元，而仅2016年上半年就高达323亿度，经济损失约160亿元。另一方面，化石燃料直接燃烧做功，能量损失较大，微小型动力循环效率较低，从燃料的燃烧、做功到动力余热都没有实现有效的梯级利用。为充分利用可再生能源，减少弃风、弃光的比例，提高可再生能源的利用率以及可再生能源发电、供电的可靠性十分必要。
冷热电联供(Combined Cool Heat and Power，CCHP)联产机组是分布式能源发展的主要方向和形式，也是世界第二代能源技术发展的重要方向之一。CCHP联产机组是以能量梯级利用为基础的综合产、用能系统，分散在用户端附近，利用一次能源驱动发电机供电，通过余热利用设备对余热进行回收利用，实现更高能源利用。
伴随着光伏、风电等可再生能源以及CCHP联产机组的接入电网，电力系统具有不确定性、不连续性、时变性以及多样性等特点，在对系统进行分析时，要求对电力系统进行兼顾精度和速度的在线动态建模。
发明内容
本发明的目的是提供一种综合能源电力系统分布互联建模分析方法，针对综合能源电力系统多时间尺度、多能流耦合问题，实现兼顾精度和速度的在线动态建模，提高电力系统分析的效率。
本发明采取的技术方案为：一种综合能源电力系统分布互联建模分析方法，包括：
获取综合能源电力系统中各分布式能源系统的电力运行数据；
基于获取到的数据，对各分布式能源系统进行模型机理分析，判断各分布式能源系统的模型机理是否清楚；
若各分布式能源系统的模型机理皆清楚，则采用机理模型路由对综合能源电力系统进行互联建模；
若存在任一分布式能源系统的模型机理不清楚，同时不同分布式能源系统的输入输出量之间存在关联，则采用非机理模型路由对综合能源电力系统进行互联建模；
基于已建立的综合能源电力系统模型，对综合能源电力系统进行动态特性分析。
本发明所述机理模型路由以及非机理模型路由分别为现有技术，可分别用于分布式能源系统机理模型和非机理模型的接入。根据电力运行数据判断各分布式能源系统的模型机理是否清楚为现有技术。当综合能源电力系统各分布式能源系统机理清楚时，利用建立的综合能源电力系统机理模型进行动态特性分析，可实现综合能源电力系统兼顾精度和速度的在线动态建模。当综合能源电力系统各分布式能源系统机理不完全清楚时，利用非机理模型路由对综合能源电力系统进行分布互联建模，并进行动态特性分析，可解决综合能源电力系统多时间尺度和多能流耦合问题。
优选的，本发明机理模型路由采用典型机理模型路由结构，包括微型燃气轮机MT和模型接口；微型燃气轮机实现天然气模型与供电模型、供气模型、供热模型或供冷模型之间的互联，模型接口根据分布式电网模型边界潮流的不平衡量设定模型接口中各元件的参数，实现潮流不平衡量的直接补偿，从而实现分布式电网机理模型的接入和潮流匹配。
优选的，当机理清楚的区域电网接入机理模型路由时，区域电网模型采用广义离散等值模型。
优选的，机理模型路由中接入区域电网的机理模型接口为：
其中，ΔP为边界有功功率不平衡量，P为末端边界有功功率，P0为始端边界有功功率，ΔQ为边界无功功率不平衡量，Q为末端边界无功功率，Q0为始端边界无功功率，ΔU为边界电压幅值不平衡量，为边界电压相角不平衡量，K移相器变比，Y并联接地导纳，G和B为移相器电导和电纳。
本发明采用的非机理模型路由包括各分布式能源系统的边界条件，可针对耦合性强、特性相近的系统模型先进行分类，再介入非机理模型路由。在系统模型外部合理设置边界条件，在边界上通过缓冲技术解决边界的耦合问题；在系统模型内部通过内部方程的自适应调整，取舍方程的部分参数，解决时间尺度不一致的问题，避免因时间尺度差异和多能耦合引起的建模困难问题。
优选的，考虑综合能源电力系统包括供电系统、天然气传输供气系统和供热系统，三者分别具有时间尺度1、时间尺度2和时间尺度3；
定义供电系统电气模型的状态变量为xts1＝[id iq wr]，供电系统电气模型的输出变量为yts1＝[vd vq]T；供气系统的状态变量为xts2＝[Pin Min]，系统的输出变量为yts2＝[Pout Mout]T；供热系统换热器的状态变量为xts3＝[Qie Q4]，供热系统换热器的输出变量为yts3＝[Qoe Q3]T；
则接入非机理模型路由的供电系统电气模型为：
其中，xts1为时间尺度1下的电力系统(包括调速器)状态变量；yts1为时间尺度1下的电力系统输出变量；fts1为时间尺度1下的微分方程，表征时间尺度1下的系统动态特性；gts1为时间尺度1下的代数约束方程；vd和vq为d轴和q轴的定子电压；id和iq为d轴和q轴的电枢电流；wr为机械转速；εe为电气摄动参数；
接入非机理模型路由的天然气管道传输系统模型为：
其中，xts2为时间尺度2下的天然气管网传输系统(包括燃料控制系统)状态变量；yts2为时间尺度2下的天然气管网传输系统输出变量；xp为位置变量；fts2为时间尺度2下的微分方程，表征时间尺度2下的系统动态特性；gts2为时间尺度2下的代数约束方程；Pin入口天然气压力；Min入口天然气流量；Pout出口天然气压力；Mout出口天然气流量；
接入非机理模型路由的供热系统换热器模型为：
其中，xts3为时间尺度3下的供热系统状态变量；yts3为时间尺度3下的供热系统输出变量；fts3为时间尺度3下的微分方程，表征时间尺度3下的系统动态特性；gts3为时间尺度3下的代数约束方程；Qie为从回热器流入换热器的热量；Qoe为从换热器流入回热器的热量；Q3为从换热器供给用户侧的热量；Q4为从用户侧流入换热器的热量；εh为热力摄动参数；
基于非机理模型路由的综合能源电力系统的分布互联模型为：
其中，xc＝(xts1,xts2,xts3)为综合能源电力系统的状态变量；yc＝(yts1,yts2,yts3)为综合能源电力系统的输出变量。
所述时间尺度即分布式能源系统完成一个动态变化所需的时间长度。
进一步的，本发明基于已建立的综合能源电力系统模型，对综合能源电力系统进行动态特性分析包括，对于采用非机理模型路由实现的综合能源电力系统模型，分别针对各分布式能源系统的时间尺度，求解综合能源电力系统在各时间尺度下的状态量和输出变量。
优选的，求解过程包括：
S1，对综合能源电力系统进行预处理，确定初始运行状态数据，并设置分别对应各时间尺度的计算初始时刻ts1＝0，ts2＝0，ts3＝0；
S2，根据天然气管网传输系统气源及其传输连接系统运行状态数据，求解微型燃气轮机入口天然气压力Pin及天然气流量Min，求解时间尺度2下的xts2；
S3，根据微型燃气轮机入口天然气压力Pin及天然气流量Min，求解时间尺度1下的微型燃气轮机中永磁同步发电机的机械转矩Tm，求解时间尺度1下的xts1；求解时间尺度3下换热器的Qie和，作为换热器的输入信号，以求解时间尺度3下的xts3；
S4，计算微型燃气轮机的速度控制器输出量win，加速控制器输出量Ain和温度控制器输出量Tin，作为低选门的输入信号，以使得三者中的较小者作为反馈信号Pgate，经PI控制器后控制天然气管网传输系统的气源(天然气压力和流量)，来控制微型燃气轮机的入口流量和入口压力，从而调整微型燃气轮机的出力。即实现闭环控制。
有益效果
本发明综合能源电力系统分布互联建模分析方法，通过分析构成综合能源电力系统的各分布式能源系统的机理是否清楚，选择机理模型路由或非机理模型路由，对综合能源电力系统实现互联建模，以及相应的分析控制。可解决综合能源电力系统多时间尺度、多能流耦合问题；实现综合能源电力系统的分布互联建模，解决综合能源电力系统的兼顾精度和速度的在线动态建模。
附图说明
图1所示为本发明方法流程示意图；
图2所示为综合能源电力系统结构示意框图；
图3所示为机理模型路由示意图；
图4所示为非机理模型路由示意图；
图5所示为综合能源电力系统求解方法流程示意图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例进一步描述。
参考图2所示，综合能源电力系统为主要以电力为中心，以电网为主干，通过一次、二次能源的生产、传输、转换、使用和存储装置，直接或间接相连的信息物理系统，需要研究多种能源(电、气、热等能源)互联下电力系统的系统特性。
参考图1，本发明一种综合能源电力系统分布互联建模分析方法，包括：
获取综合能源电力系统中各分布式能源系统的电力运行数据；
基于获取到的数据，对各分布式能源系统进行模型机理分析，判断各分布式能源系统的模型机理是否清楚；
若各分布式能源系统的模型机理皆清楚，则采用机理模型路由对综合能源电力系统进行互联建模；
若存在任一分布式能源系统的模型机理不清楚，同时不同分布式能源系统的输入输出量之间存在关联，则采用非机理模型路由对综合能源电力系统进行互联建模；
基于已建立的综合能源电力系统模型，对综合能源电力系统进行动态特性分析。
本发明所述机理模型路由以及非机理模型路由分别为现有技术，可分别用于分布式能源系统机理模型和非机理模型的接入。根据电力运行数据判断各分布式能源系统的模型机理是否清楚为现有技术。当综合能源电力系统各分布式能源系统机理清楚时，利用建立的综合能源电力系统机理模型进行动态特性分析，可实现综合能源电力系统兼顾精度和速度的在线动态建模。当综合能源电力系统各分布式能源系统机理不完全清楚时，利用非机理模型路由对综合能源电力系统进行分布互联建模，并进行动态特性分析，可解决综合能源电力系统多时间尺度和多能流耦合问题。
参考图3所示，本发明机理模型路由采用典型机理模型路由结构，包括微型燃气轮机MT和模型接口；微型燃气轮机实现天然气模型与供电模型、供气模型、供热模型或供冷模型之间的互联，模型接口根据分布式电网模型边界潮流的不平衡量设定模型接口中各元件的参数，实现潮流不平衡量的直接补偿，从而实现分布式电网机理模型的接入和潮流匹配。
机理模型路由中接入区域电网的机理模型接口为：
其中，ΔP为边界有功功率不平衡量，P为末端边界有功功率，P0为始端边界有功功率，ΔQ为边界无功功率不平衡量，Q为末端边界无功功率，Q0为始端边界无功功率，ΔU为边界电压幅值不平衡量，为边界电压相角不平衡量，K移相器变比，Y并联接地导纳，G和B为移相器电导和电纳。
举例说明，当机理清楚的区域电网接入机理模型路由时，区域电网模型采用广义离散等值模型。广义离散等值模型(Generalized Discrete-time Equivalent Model,GDEM)为现有技术。
即：定义区域电网中，是暂态电势，是电压，是电流，ω是转子角速度，T′d′0是转子绕阻时间常数，Rs是定子电阻，Rr是转子电阻，X是稳态电抗，X′是暂态电抗，Xs是定子电抗，Xr是转子电抗，Xm是激磁电抗；
Td′是d轴短路暂态时间常数；Td0′是d轴开路暂态时间常数；Td″是d轴短路次暂态时间常数；Td0″是d轴开路次暂态时间常数；TD′是D支路短路暂态时间常数；TD0′是D支路开路暂态时间常数；Tq″是q轴短路次暂态时间常数；Tq0″是q轴开路次暂态时间常数；Xd是d轴同步电抗；Xq是q轴同步电抗；h为采样步长；z为Z变换因子；
则区域电网模型采用广义离散等值模型为：
其中，ΔIr和ΔIj分别代表电流实部和虚部的增量，ΔU代表电压幅值的增量，k指离散时间(k＝1,2,3,4……)；
α3＝αg3,α4＝αg4+αc3,α5＝αg5+αc4,α6＝αg6+αc5,
α7＝αg7,α10＝αg10,α11＝αg11+αc8,α12＝αg12+αc9,α13＝αg13+αc10,α14＝αg14；
进一步的：
Ar＝-(1+BΔX)/T′d′0；Br＝ω-1-GΔX/T′d′0；
Cr＝G/T′d′0-B(ω-1)；Aj＝-ω+1+GΔX/T′d′0；
..；Cj＝[B/T′d′0+G(ω-1)]；
ΔX＝X-X′；G＝RS/(RS 2+X′2)；B＝X′/(RS 2+X′2)；
进一步的，
进一步的：
egr＝XqTq″XdTd″Td′,fgr＝XqTq″Xd(TD′+Td′)+XdTd″Td′Xq,ggr＝XqTq″Xd+XdXq(TD′+Td′),
hgr＝XdXq,
egj＝XqTq″XdTd″Td′,
fgj＝XqTq″Xd(TD′+Td′)+XdTd″Td′Xq,
ggj＝XqTq″Xd+XdXq(TD′+Td′),hgj＝XdXq。
机理模型路由中接入区域电网的机理模型接口为：
其中，ΔP为边界有功功率不平衡量，P为末端边界有功功率，P0为始端边界有功功率，ΔQ为边界无功功率不平衡量，Q为末端边界无功功率，Q0为始端边界无功功率，ΔU为边界电压幅值不平衡量，为边界电压相角不平衡量，K移相器变比，Y并联接地导纳，G和B为移相器电导和电纳。
参考图4所示，本发明采用的非机理模型路由中的主要结构为：边界条件(Boundary Condition,BC)，通过合理设置边界条件，非机理模型路由可实现综合能源电力系统中各系统模型机理不完全清楚、但模型的输入输出存在一定关系的系统互联建模，参考图5进行模型方程的求解，且能进行快速准确的在线仿真计算。
考虑综合能源电力系统包括供电系统、天然气传输供气系统和供热系统，三者分别具有时间尺度1、时间尺度2和时间尺度3；
定义供电系统电气模型的状态变量为xts1＝[id iq wr]，供电系统电气模型的输出变量为yts1＝[vd vq]T；供气系统的状态变量为xts2＝[Pin Min]，系统的输出变量为yts2＝[Pout Mout]T；供热系统换热器的状态变量为xts3＝[Qie Q4]，供热系统换热器的输出变量为yts3＝[Qoe Q3]T；
则接入非机理模型路由的供电系统电气模型为：
其中，xts1为时间尺度1下的电力系统(包括调速器)状态变量；yts1为时间尺度1下的电力系统输出变量；fts1为时间尺度1下的微分方程，表征时间尺度1下的系统动态特性；gts1为时间尺度1下的代数约束方程；vd和vq为d轴和q轴的定子电压；id和iq为d轴和q轴的电枢电流；wr为机械转速；εe为电气摄动参数；
接入非机理模型路由的天然气管道传输系统模型为：
其中，xts2为时间尺度2下的天然气管网传输系统(包括燃料控制系统)状态变量；yts2为时间尺度2下的天然气管网传输系统输出变量；xp为位置变量；fts2为时间尺度2下的微分方程，表征时间尺度2下的系统动态特性；gts2为时间尺度2下的代数约束方程；Pin入口天然气压力；Min入口天然气流量；Pout出口天然气压力；Mout出口天然气流量；
接入非机理模型路由的供热系统换热器模型为：
其中，xts3为时间尺度3下的供热系统状态变量；yts3为时间尺度3下的供热系统输出变量；fts3为时间尺度3下的微分方程，表征时间尺度3下的系统动态特性；gts3为时间尺度3下的代数约束方程；Qie为从回热器流入换热器的热量；Qoe为从换热器流入回热器的热量；Q3为从换热器供给用户侧的热量；Q4为从用户侧流入换热器的热量；εh为热力摄动参数；
基于非机理模型路由的综合能源电力系统的分布互联模型为：
其中，xc＝(xts1,xts2,xts3)为综合能源电力系统的状态变量；yc＝(yts1,yts2,yts3)为综合能源电力系统的输出变量。
所述时间尺度即分布式能源系统完成一个动态变化所需的时间长度。
进一步的，本发明基于已建立的综合能源电力系统模型，对综合能源电力系统进行动态特性分析包括，对于采用非机理模型路由实现的综合能源电力系统模型，分别针对各分布式能源系统的时间尺度，求解综合能源电力系统在各时间尺度下的状态量和输出变量。
上述求解过程包括：
S1，对综合能源电力系统进行预处理，确定初始运行状态数据，并设置分别对应各时间尺度的计算初始时刻ts1＝0，ts2＝0，ts3＝0；
S2，根据天然气管网传输系统气源及其传输连接系统运行状态数据，求解微型燃气轮机入口天然气压力Pin及天然气流量Min，求解时间尺度2下的xts2；
S3，根据微型燃气轮机入口天然气压力Pin及天然气流量Min，求解时间尺度1下的微型燃气轮机中永磁同步发电机的机械转矩Tm，求解时间尺度1下的xts1；求解时间尺度3下换热器的Qie和Tie，作为换热器的输入信号，以求解时间尺度3下的xts3；
S4，计算微型燃气轮机的速度控制器输出量win，加速控制器输出量Ain和温度控制器输出量Tin，作为低选门的输入信号，以使得三者中的较小者作为反馈信号Pgate，经PI控制器后控制天然气管网传输系统的气源(天然气压力和流量)，来控制微型燃气轮机的入口流量和入口压力，从而调整微型燃气轮机的出力。即实现闭环控制。
S1-S4中所涉及的具体求解皆为现有技术。
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 (7)

1.一种综合能源电力系统分布互联建模分析方法，其特征是，包括：
获取综合能源电力系统中各分布式能源系统的电力运行数据；
基于获取到的数据，对各分布式能源系统进行模型机理分析，判断各分布式能源系统的模型机理是否清楚；
若各分布式能源系统的模型机理皆清楚，则采用机理模型路由对综合能源电力系统进行互联建模；
若存在任一分布式能源系统的模型机理不清楚，同时不同分布式能源系统的输入输出量之间存在关联，则采用非机理模型路由对综合能源电力系统进行互联建模；
基于已建立的综合能源电力系统模型，对综合能源电力系统进行动态特性分析。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征是，机理模型路由结构包括微型燃气轮机MT和模型接口；微型燃气轮机实现天然气模型与供电模型、供气模型、供热模型或供冷模型之间的互联，模型接口根据分布式电网模型边界潮流的不平衡量设定模型接口中各元件的参数，实现潮流不平衡量的直接补偿，从而实现分布式电网机理模型的接入和潮流匹配。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征是，当机理清楚的区域电网接入机理模型路由时，区域电网模型采用广义离散等值模型。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征是，机理模型路由中接入区域电网的机理模型接口为：
其中，ΔP为边界有功功率不平衡量，P为末端边界有功功率，P0为始端边界有功功率，ΔQ为边界无功功率不平衡量，Q为末端边界无功功率，Q0为始端边界无功功率，ΔU为边界电压幅值不平衡量，为边界电压相角不平衡量，K移相器变比，Y并联接地导纳，G和B为移相器电导和电纳。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征是，考虑综合能源电力系统包括供电系统、天然气传输供气系统和供热系统，三者分别具有时间尺度1、时间尺度2和时间尺度3；
定义供电系统电气模型的状态变量为xts1＝[idiqwr]，供电系统电气模型的输出变量为yts1＝[vdvq]T；供气系统的状态变量为xts2＝[PinMin]，系统的输出变量为yts2＝[PoutMout]T；供热系统换热器的状态变量为xts3＝[QieQ4]，供热系统换热器的输出变量为；
则接入非机理模型路由的供电系统电气模型为：
其中，xts1为时间尺度1下的电力系统状态变量；yts1为时yts3＝[QoeQ3]T间尺度1下的电力系统输出变量；fts1为时间尺度1下的微分方程，表征时间尺度1下的系统动态特性；gts1为时间尺度1下的代数约束方程；vd和vq为d轴和q轴的定子电压；id和iq为d轴和q轴的电枢电流；wr为机械转速；εe为电气摄动参数；
接入非机理模型路由的天然气管道传输系统模型为：
其中，xts2为时间尺度2下的天然气管网传输系统状态变量；yts2为时间尺度2下的天然气管网传输系统输出变量；xp为位置变量；fts2为时间尺度2下的微分方程，表征时间尺度2下的系统动态特性；gts2为时间尺度2下的代数约束方程；Pin入口天然气压力；Min入口天然气流量；Pout出口天然气压力；Mout出口天然气流量；
接入非机理模型路由的供热系统换热器模型为：
其中，xts3为时间尺度3下的供热系统状态变量；yts3为时间尺度3下的供热系统输出变量；fts3为时间尺度3下的微分方程，表征时间尺度3下的系统动态特性；gts3为时间尺度3下的代数约束方程；Qie为从回热器流入换热器的热量；Qoe为从换热器流入回热器的热量；Q3为从换热器供给用户侧的热量；Q4为从用户侧流入换热器的热量；εh为热力摄动参数；
基于非机理模型路由的综合能源电力系统的分布互联模型为：
其中，xc＝(xts1,xts2,xts3)为综合能源电力系统的状态变量；yc＝(yts1,yts2,yts3)为综合能源电力系统的输出变量。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征是，基于已建立的综合能源电力系统模型，对综合能源电力系统进行动态特性分析包括，对于采用非机理模型路由实现的综合能源电力系统模型，分别针对各分布式能源系统的时间尺度，求解综合能源电力系统在各时间尺度下的状态量和输出变量。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征是，求解过程包括：
S1，对综合能源电力系统进行预处理，确定初始运行状态数据，并设置分别对应各时间尺度的计算初始时刻ts1＝0，ts2＝0，ts3＝0；
S2，根据天然气管网传输系统气源及其传输连接系统运行状态数据，求解微型燃气轮机入口天然气压力Pin及天然气流量Min，求解时间尺度2下的xts2；
S3，根据微型燃气轮机入口天然气压力Pin及天然气流量Min，求解时间尺度1下的微型燃气轮机中永磁同步发电机的机械转矩Tm，求解时间尺度1下的xts1；求解时间尺度3下换热器的Qie和Tie，作为换热器的输入信号，以求解时间尺度3下的xts3；
S4，计算微型燃气轮机的速度控制器输出量win，加速控制器输出量Ain和温度控制器输出量Tin，作为低选门的输入信号，以使得三者中的较小者作为反馈信号，经PI控制器后控制天然气管网传输系统的气源(天然气压力和流量)，来控制微型燃气轮机的入口流量和入口压力，从而调整微型燃气轮机的出力。即实现闭环控制。
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