CN110188460A - 一种分布式综合能源系统离网状态能量平衡仿真方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种分布式综合能源系统离网状态能量平衡仿真方法，包括以下步骤：对综合能源系统1、综合能源系统2进行仿真建模，输出各设备的物理模型；建立综合能源系统1燃气轮机、综合能源系统2储能装置的综合调频仿真模型；启动分布式综合能源系统离网运行仿真；在离网运行仿真过程中，储能装置的综合调频仿真模型依据储能装置的荷电状态SOC(State of Charge，SOC)数据自动调整，以保持分布式综合能源系统离网状态能量平衡。本发明提升了仿真可信度，为提高分布式综合能源系统运行可靠性和综合能效提供技术支撑。

Description

一种分布式综合能源系统离网状态能量平衡仿真方法

技术领域

本发明涉及一种分布式综合能源系统离网状态能量平衡仿真方法，属于分布式供能技术领域。

背景技术

我国在《国家中长期科学和技术发展纲要(2006-2020年)》中将“分布式供能技术”列为先进能源技术领域的重点前沿技术。截至目前，我国已通过973、863计划启动了多项与分布式综合能源相关的科技研发项目。多能互补集成优化的分布式能源系统可以充分满足不同地域用户多样化用能需求，创新能源供应模式，实现电/热/冷等多能源系统之间及源-网-荷-储不同环节之间的协同高效利用。

针对分布式综合能源系统而言，其并网运行往往关注经济性方面的指标，而对于分布式能源系统离网状态而言，独立供电运行模式下的热力系统弹性和刚性电力系统稳定运行相互影响(如在秒与分钟级的多时间尺度暂态交互影响)，将制约独立供电运行能力。因此，需要获取不同运行控制策略下慢动态热系统与快动态电力网络的能量平衡实时状态，进而发挥不同类型能源间的互补优势，尤其是利用系统中燃气轮机与储能装置的电源支撑特性、热电用户的需求响应特征等，实现多能源互补发电及重要负荷独立供电的自主控制和系统频率稳定。采取多能互补耦合综合仿真是能量平衡实时状态获取的重要实现手段，目前通过MATLAB\PSCAD等仿真软件可建立电/热/冷等多能源系统的仿真模型，并开发了相应的频率一次调节和二次调节模型，对频率调节的燃气轮机与储能装置等设计相应的调节器，但在综合仿真方面，尤其是多个综合能源系统分布式互联结构，一方面较少考虑到热负荷变化对系统频率的影响，同时针对储能装置通常采用恒定的调频模型，尚未充分考虑其荷电状态对控制模型的影响。这些因素导致仿真结果失真，降低了分布式综合能源系统离网状态下能量平衡仿真的有效性。

发明内容

本发明技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种分布式综合能源系统离网状态能量平衡仿真方法，提升仿真可信度，为提高分布式综合能源系统运行可靠性和综合能效提供技术支撑。

本发明技术解决方案：一种分布式综合能源系统离网状态能量平衡仿真方法，包括以下步骤：

第一步，MATLAB\PSCAD等仿真环境下，对综合能源系统1、综合能源系统2进行仿真建模，输出燃气轮机、照明负荷、光伏、送风热负荷、储能装置、风电、热水负荷、动力负荷以及并网开关1、并网开关2、联络开关等各设备的物理模型；综合能源系统1包含燃气轮机、照明负荷、光伏、送风热负荷等单元，通过并网开关1与交流系统1并网运行；综合能源系统2包含储能装置、风电、热水负荷、动力负荷等单元，通过并网开关2与交流系统2并网运行；综合能源系统1与综合能源系统2之间通过联络开关进行互联；

第二步，在第一步得到物理模型的基础上，建立综合能源系统1燃气轮机、综合能源系统2储能装置的综合调频仿真模型；

第三步，在第一步建立综合能源系统1、综合能源系统2各设备的物理模型以及第二步建立的综合调频仿真模型基础上，启动分布式综合能源系统离网运行仿真；当分布式综合能源系统离网运行时，综合能源系统1与综合能源系统2之间的联络开关闭合；并网开关1、并网开关2断开；

第四步，在离网运行仿真过程中，储能装置的综合调频仿真模型依据储能装置的荷电状态(State of Charge，SOC)数据自动调整，以保持分布式综合能源系统离网状态能量平衡。

所述第二步，具体实现如下：

(1)送风热负荷功率变化ΔP_H1与光伏、照明负荷的功率变化ΔP_E1之和作为扰动输入至综合能源系统1，或者ΔP_H1、ΔP_E1与热水负荷功率变化ΔP_H2与风电、动力负荷的功率变化ΔP_E2之和作为扰动输入至综合能源系统1；其中：ΔP_H1为送风热负荷的功率变化，ΔP_H1-ΔT₁的离散传递函数满足：

其中，ΔT₁为空气温度的变化值，H_a1、H_b1、H_c1为送风热负荷的拟合参数，T_H1为送风热负荷中的采样周期滞后值；

ΔP_H2为热水负荷的功率变化，ΔP_H2-ΔT₂的离散传递函数满足：

其中，ΔT₂为热水温度的变化值，H_a2、H_b2、H_c2为热水负荷的拟合参数，T_H2为热水负荷中的采样周期滞后值；

(2)热水负荷功率变化ΔP_H2与风电、动力负荷的功率变化ΔP_E2之和作为扰动输入至综合能源系统2。

所述第四步，具体实现如下：

(1)如果SOC_d≤SOC≤SOC_up

其中，SOC_d为储能装置调节触发阈值，SOC_up为储能装置SOC允许的上限值。此时ΔP_es-Δf₂传递函数选取：

其中，ΔP_es为储能装置的功率调节量，k_J和k_R分别为储能装置的惯性响应系数与频率调节系数，T_es为响应时间常数，D_es为负荷-频率变化系数，Δf₂为综合能源系统2的系统频率偏差；

(2)如果SOC_low≤SOC<SOC_d

其中，SOC_d为储能装置调节触发阈值，SOC_low为储能装置SOC允许的下限值。此时，ΔP_es-Δf₂传递函数选取：

其中，ΔP_es为储能装置的功率调节量，kp和ki分别为频率调节控制器的比例系数和积分系数，ω_ref为参考角频率，k′为修正系数，Δf₂为综合能源系统2的系统频率偏差。j为虚数单位；

(3)如果SOC<SOC_low且储能装置处于放电状态：

其中，SOC_low为储能装置SOC允许的下限值，此时，储能装置停止工作；

(4)如果SOC>SOC_up且储能装置处于充电状态：

其中，SOC_up为储能装置SOC允许的上限值，此时，储能装置停止工作；

(5)其余情况则保持现有的综合调频仿真模型不变化。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明针对分布式综合能源系统，提出了离网状态下不同子系统的频率调节和能量平衡仿真方法，建立各子系统中热-电功率传递函数，在仿真中考虑热力系统弹性对刚性电力系统稳定运行的影响；在此基础上，建立分布式综合能源系统的分区频率调节仿真模型，利用系统中燃气轮机、储能装置的电源支撑特性等，实现多能源互补发电及系统频率稳定，保障对重要负荷的独立稳定供电；并提出了基于储能装置荷电状态的能量平衡仿真方法，针对不同荷电状态，储能装置自动采取不同的频率调节模型，以确保准确反映储能装置不同动态特性下对系统频率调节和能量平衡仿真的变化影响。本发明通过分布式综合能源系统离网状态下的能量平衡仿真，可以简化电/热/冷等多能耦合的能量平衡控制模型，并同时提升仿真精度及可信度。

(2)分布式能源系统的多能互补集成优化有利于提高能源利用效率和消纳可再生能源，是未来分布式供能的主要发展趋势，构建含电/热等多能耦合环节、考虑储能装置荷电状态的能量平衡仿真模型可用于验证分布式综合能源系统离网状态下调控策略的有效性，为分布式能源系统规划-设计-运行-控制提供数据支撑，进而为不同用户提供高效、灵活、便捷、经济的能源供应和增值服务。因此，本发明提出一种分布式综合能源系统离网状态能量平衡仿真方法应用前景广阔。

附图说明

图1为分布式综合能源系统典型结构图；

图2为燃气轮机综合调频仿真模型；

图3为储能装置综合调频仿真模型。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明进行详细说明。

1.分布式综合能源系统典型结构如图1所示，其中设定综合能源系统1包含燃气轮机、照明负荷、光伏、送风热负荷等单元，通过并网开关1可以与交流系统1并网运行；综合能源系统2包含储能装置、风电、热水负荷、动力负荷等单元，通过并网开关2可以与交流系统2并网运行；综合能源系统1与综合能源系统2之间通过联络开关进行互联。

2.对综合能源系统1、综合能源系统2进行仿真建模，包括建立分布式综合能源系统中的各电源、负荷等模型，包含综合能源系统1中燃气轮机、照明负荷、光伏、送风热负荷，综合能源系统2中储能装置、风电、热水负荷、动力负荷以及并网开关1、并网开关2、联络开关等。仿真工具包含MATLAB\PSCAD等仿真软件。

3.建立综合能源系统1燃气轮机、综合能源系统2储能装置的综合调频仿真模型，如图2、3所示,其中，B₁为频率偏差系数，R_f1为发电机调差系数，T_G为调速器时间常数，T_PR为原动机时间常数，M_E为角动量，D_E为负荷/频率变化系数。Δf₁为综合能源系统1的系统频率偏差，Δf₂为综合能源系统2的系统频率偏差，ΔP₁₂为综合能源系统1与综合能源系统2频率差所对应的功率差值，ΔP₂₁为综合能源系统2与综合能源系统1频率差所对应的功率差值，T₁、T₂为两个系统之间的刚性系数。

ΔP_E1为光伏、照明负荷等的功率变化；

ΔP_H1为送风热负荷(如电暖器等)的功率变化，ΔP_H1-ΔT₁的离散传递函数满足：

其中，ΔT₁为空气温度的变化值，H_a1、H_b1、H_c1为送风热负荷的拟合参数，T_H1为送风热负荷中的采样周期滞后值。如送风加热器与室内温度在采样周期10s、输出滞后26个采样周期情况下H_a1＝0.77、H_b1＝0.23、H_c1＝0.17，T_H1＝26。

ΔP_E2为风电、动力负荷等的功率变化；

ΔP_H2为热水负荷(如电热水器、电锅炉等)的功率变化，ΔP_H2-ΔT₂的离散传递函数满足：

其中，ΔT₂为热水温度的变化值，H_a2、H_b2、H_c2为热水负荷的拟合参数，T_H2为热水负荷中的采样周期滞后值；如热水电加热器与散热器进口温度在采样周期8s、输出滞后28个采样周期情况下：H_a2＝1.4、H_b2＝0.4、H_c2＝0.01，T_H2＝28。

ΔP_es为储能装置的功率调节量，M_ES为储能装置的转动惯量，D_ES为储能装置的阻尼系数。k_J和k_R分别为储能装置的惯性响应系数与频率调节系数，T_es为响应时间常数，D_es为负荷-频率变化系数；kp和ki分别为频率调节控制器的比例系数和积分系数，ω_ref为参考角频率，k′为修正系数，通常设置为1。传递函数是指零初始条件下线性系统响应(即输出)量的拉普拉斯变换与激励(即输入)量的拉普拉斯变换之比。记作G(S)＝Y(S)/U(S)，其中Y(S)、U(S)分别为输出量和输入量的拉普拉斯变换。传递函数是描述线性系统动态特性的基本数学工具之一，S为复变数。当离散时间函数进行拉普拉斯变换时，存在映射关系Z＝e^TS(T为采样周期)，此时对应离散传递函数G(Z)＝Y(Z)/U(Z)，Z为复参数。

如图2所示，其中当开关S3闭合时，Δf₁与Δf₂的差值经过传递函数生成ΔP₁₂；当开关S3断开时，Δf₁经过传递函数生成ΔP₁₂。当开关S4闭合、开关S5断开时，中间值x4为ΔP₁₂与ΔP₂₁的差值；当开关S5闭合、开关S4断开时，x4为ΔP₁₂与ΔP₁₂的差值；Δf₁与B₁的乘积与x4之和经过传递函数生成中间值x1。x1与(Δf₁与的乘积)的差值经过传递函数生成中间值x2。x2与中间值x3的差值乘以并通过限值模块后经过传递函数生成x3。当开关S1闭合、开关S2断开时，x3减去x4再减去(ΔP_E1与ΔP_H1之和)的差值经过传递函数生成Δf₁，当开关S2闭合、开关S1断开时，x3减去x4再减去(ΔP_E1、ΔP_H1、ΔP_E2、ΔP_H2之和)的差值经过传递函数生成Δf₁。

如图3所示，其中Δf₂与Δf₁的差值经过传递函数生成ΔP₂₁，ΔP_es减去(ΔP₂₁与ΔP₁₂的差值)再减去(ΔP_E2与ΔP_H2之和)的结果经过传递函数生成Δf₂，通过闭合开关S6、断开开关S7选择一种Δf₂的传递函数生成ΔP_es；或通过闭合开关S7、断开开关S6选择另一种Δf₂的传递函数生成ΔP_es。

S1～S7分别为控制开关。

4.当分布式综合能源系统离网运行时，综合能源系统1与综合能源系统2之间的联络开关闭合，并网开关1、并网开关2断开。

5.仿真过程中储能装置判断SOC数据：

5.1如果SOC_d≤SOC≤SOC_up

其中，SOC_d为储能装置调节触发阈值，SOC_up为储能装置SOC允许的上限值。此时，设置S1闭合、S3闭合、S4闭合、S6闭合；S2断开、S5断开、S7断开。选取ΔP_es-Δf₂传递函数为

其中，ΔP_es为储能装置的功率调节量，k_J和k_R分别为储能装置的惯性响应系数与频率调节系数，T_es为响应时间常数，D_es为负荷-频率变化系数，Δf₂为综合能源系统2的系统频率偏差。

5.2如果SOC_low≤SOC<SOC_d

其中，SOC_d为储能装置调节触发阈值，SOC_low为储能装置SOC允许的下限值。此时，设置S1闭合、S3闭合、S4闭合、S7闭合；S2断开、S5断开、S6断开。选取ΔP_es-Δf₂传递函数为：

其中，ΔP_es为储能装置的功率调节量，kp和ki分别为频率调节控制器的比例系数和积分系数，ω_ref为参考角频率，k′为修正系数，Δf₂为综合能源系统2的系统频率偏差。j为虚数单位。

5.3如果SOC<SOC_low且储能装置处于放电状态：

其中，SOC_low为储能装置SOC允许的下限值，此时，储能装置停止工作并设置S1断开、S2闭合、S3断开、S4断开、S5闭合；并设置B₁＝0。

5.4如果SOC>SOC_up且储能装置处于充电状态：

其中，SOC_up为储能装置SOC允许的上限值，此时，储能装置停止工作并设置S1断开、S2闭合、S3断开、S4断开、S5闭合；并设置B₁＝0。

5.5其余情况则保持现有的综合调频仿真模型不变化；保持控制开关现有的分、合状态不变化。

以上虽然描述了本发明的具体实施方法，但是本领域的技术人员应当理解，这些仅是举例说明，在不背离本发明原理和实现的前提下，可以对这些实施方案做出多种变更或修改，因此，本发明的保护范围由所附权利要求书限定。

Claims (3)

1.一种分布式综合能源系统离网状态能量平衡仿真方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，对综合能源系统1、综合能源系统2进行仿真建模，输出燃气轮机、照明负荷、光伏、送风热负荷、储能装置、风电、热水负荷、动力负荷以及并网开关1、并网开关2、联络开关的物理模型；综合能源系统1包含燃气轮机、照明负荷、光伏、送风热负荷，通过并网开关1与交流系统1并网运行；综合能源系统2包含储能装置、风电、热水负荷、动力负荷，通过并网开关2与交流系统2并网运行；综合能源系统1与综合能源系统2之间通过联络开关进行互联；

步骤2，在步骤1得到物理模型的基础上，建立综合能源系统1燃气轮机、综合能源系统2储能装置的综合调频仿真模型；

第三步，在步骤1建立综合能源系统1、综合能源系统2各设备的物理模型以及步骤2建立的综合调频仿真模型基础上，启动分布式综合能源系统离网运行仿真；

第四步，在离网运行仿真过程中，储能装置的综合调频仿真模型依据储能装置的荷电状态SOC(State of Charge，SOC)数据自动调整，以保持分布式综合能源系统离网状态能量平衡。

2.根据权利要求1所述的分布式综合能源系统离网状态能量平衡仿真方法，其特征在于：所述步骤2具体实现如下：

(1)送风热负荷功率变化ΔP_H1与光伏、照明负荷的功率变化ΔP_E1之和作为扰动输入至综合能源系统1，或者ΔP_H1、ΔP_E1与热水负荷功率变化ΔP_H2与风电、动力负荷的功率变化ΔP_E2之和作为扰动输入至综合能源系统1；其中：ΔP_H1为送风热负荷的功率变化，ΔP_H1-ΔT₁的离散传递函数满足：

其中，ΔT₁为空气温度的变化值，H_a1、H_b1、H_c1为送风热负荷的拟合参数，T_H1为送风热负荷中的采样周期滞后值；

ΔP_H2为热水负荷的功率变化，ΔP_H2-ΔT₂的离散传递函数满足：

其中，ΔT₂为热水温度的变化值，H_a2、H_b2、H_c2为热水负荷的拟合参数，T_H2为热水负荷中的采样周期滞后值；

(2)热水负荷功率变化ΔP_H2与风电、动力负荷的功率变化ΔP_E2之和作为扰动输入至综合能源系统2。

3.根据权利要求1所述的分布式综合能源系统离网状态能量平衡仿真方法，其特征在于：所述步骤4具体实现如下：

(1)如果SOC_d≤SOC≤SOC_up

其中，SOC_d为储能装置调节触发阈值，SOC_up为储能装置SOC允许的上限值，此时ΔP_es-Δf₂传递函数选取：

其中，ΔP_es为储能装置的功率调节量，k_J和k_R分别为储能装置的惯性响应系数与频率调节系数，T_es为响应时间常数，D_es为负荷-频率变化系数，Δf₂为综合能源系统2的系统频率偏差；

(2)如果SOC_low≤SOC<SOC_d

其中，SOC_d为储能装置调节触发阈值，SOC_low为储能装置SOC允许的下限值，此时ΔP_es-Δf₂传递函数选取：

其中，ΔP_es为储能装置的功率调节量，kp和ki分别为频率调节控制器的比例系数和积分系数，ω_ref为参考角频率，k′为修正系数，Δf₂为综合能源系统2的系统频率偏差；j为虚数单位；

(3)如果SOC<SOC_low且储能装置处于放电状态：

其中，SOC_low为储能装置SOC允许的下限值，此时，储能装置停止工作；

(4)如果SOC>SOC_up且储能装置处于充电状态：

其中，SOC_up为储能装置SOC允许的上限值，此时，储能装置停止工作；

(5)其余情况则保持现有的综合调频仿真模型不变化。