CN110502791B - 基于能源集线器的综合能源系统稳态建模方法 - Google Patents
基于能源集线器的综合能源系统稳态建模方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN110502791B CN110502791B CN201910661817.6A CN201910661817A CN110502791B CN 110502791 B CN110502791 B CN 110502791B CN 201910661817 A CN201910661817 A CN 201910661817A CN 110502791 B CN110502791 B CN 110502791B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- energy
- power
- heat
- node
- cold
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 20
- 230000008878 coupling Effects 0.000 claims abstract description 38
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 claims abstract description 38
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 claims abstract description 38
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 claims abstract description 24
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 68
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 claims description 33
- 238000001816 cooling Methods 0.000 claims description 30
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 claims description 29
- 238000009826 distribution Methods 0.000 claims description 28
- 239000013256 coordination polymer Substances 0.000 claims description 17
- 238000005057 refrigeration Methods 0.000 claims description 16
- 239000007789 gas Substances 0.000 claims description 14
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 claims description 14
- 230000005611 electricity Effects 0.000 claims description 13
- 238000005338 heat storage Methods 0.000 claims description 10
- 238000002485 combustion reaction Methods 0.000 claims description 9
- 239000002918 waste heat Substances 0.000 claims description 6
- UGFAIRIUMAVXCW-UHFFFAOYSA-N Carbon monoxide Chemical compound [O+]#[C-] UGFAIRIUMAVXCW-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 5
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 claims description 5
- 239000003546 flue gas Substances 0.000 claims description 5
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 claims description 3
- 230000008859 change Effects 0.000 claims description 3
- 238000013178 mathematical model Methods 0.000 claims description 3
- 238000003786 synthesis reaction Methods 0.000 claims description 3
- 239000003643 water by type Substances 0.000 claims description 2
- VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N methane Chemical compound C VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 12
- 239000003345 natural gas Substances 0.000 description 6
- AMXOYNBUYSYVKV-UHFFFAOYSA-M lithium bromide Chemical compound [Li+].[Br-] AMXOYNBUYSYVKV-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 4
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 3
- QGZKDVFQNNGYKY-UHFFFAOYSA-N Ammonia Chemical compound N QGZKDVFQNNGYKY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000009835 boiling Methods 0.000 description 2
- 238000005094 computer simulation Methods 0.000 description 2
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 2
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 2
- 238000005485 electric heating Methods 0.000 description 2
- 238000004134 energy conservation Methods 0.000 description 2
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 2
- 238000001704 evaporation Methods 0.000 description 2
- 230000008020 evaporation Effects 0.000 description 2
- 230000003993 interaction Effects 0.000 description 2
- 230000035699 permeability Effects 0.000 description 2
- 238000010248 power generation Methods 0.000 description 2
- 239000003507 refrigerant Substances 0.000 description 2
- UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N Hydrogen Chemical compound [H][H] UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000002745 absorbent Effects 0.000 description 1
- 239000002250 absorbent Substances 0.000 description 1
- 230000009471 action Effects 0.000 description 1
- 229910021529 ammonia Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 description 1
- 239000000919 ceramic Substances 0.000 description 1
- 238000010276 construction Methods 0.000 description 1
- 230000005674 electromagnetic induction Effects 0.000 description 1
- 238000004146 energy storage Methods 0.000 description 1
- 230000007613 environmental effect Effects 0.000 description 1
- 239000000446 fuel Substances 0.000 description 1
- 239000002737 fuel gas Substances 0.000 description 1
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 description 1
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 1
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000009467 reduction Effects 0.000 description 1
- 238000004088 simulation Methods 0.000 description 1
- 229910001220 stainless steel Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010935 stainless steel Substances 0.000 description 1
- 238000003860 storage Methods 0.000 description 1
- 238000006467 substitution reaction Methods 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
- G06Q—INFORMATION AND COMMUNICATION TECHNOLOGY [ICT] SPECIALLY ADAPTED FOR ADMINISTRATIVE, COMMERCIAL, FINANCIAL, MANAGERIAL OR SUPERVISORY PURPOSES; SYSTEMS OR METHODS SPECIALLY ADAPTED FOR ADMINISTRATIVE, COMMERCIAL, FINANCIAL, MANAGERIAL OR SUPERVISORY PURPOSES, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- G06Q50/00—Information and communication technology [ICT] specially adapted for implementation of business processes of specific business sectors, e.g. utilities or tourism
- G06Q50/06—Energy or water supply
Landscapes
- Business, Economics & Management (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Economics (AREA)
- Public Health (AREA)
- Water Supply & Treatment (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- Human Resources & Organizations (AREA)
- Marketing (AREA)
- Primary Health Care (AREA)
- Strategic Management (AREA)
- Tourism & Hospitality (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Business, Economics & Management (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Theoretical Computer Science (AREA)
- Management, Administration, Business Operations System, And Electronic Commerce (AREA)
Abstract
本发明属于电力技术领域，具体涉及基于能源集线器的综合能源系统稳态建模方法。本发明的创新之处在于：1)本发明方法可用于分析跨区级、区域级与用户级的综合能源系统，具有较好的适用性、通用性和可扩展性；2)它将多种能源的供需特性高度抽象为能源输入与输出的平衡考量，通过耦合矩阵中的元素对能源耦合特性进行描述，实现了物理与数学的统一；3)能源集线器体现能量等值的思想，可通过能源矩阵将能源耦合量转化为单一能源系统的输出，进而实现耦合系统的解耦，将复杂问题简单化；4)该模型既可对现有的综合能源系统进行抽象建模，也可以作为能源网络中的能量自治单元或广义节点，为综合能源系统规划分析做出理论指导。
Description
技术领域
本发明属于电力技术领域，具体涉及基于能源集线器的综合能源系统稳态建模方法。
背景技术
综合能源系统建模技术是研究其潮流状态和优化其规划运行的基础。综合能源系统可涵盖电、气、热、冷等多种能源形式，涉及不同能源系统的运行模式、控制设备和耦合环节，既包含易于控制的能源环节(如常规电厂、冷热电联供系统、储能系统等)，也包含具有间歇性和难以控制的能源环节(如风力发电、光伏发电等)；既包含难以大容量存储的能源(如电能)，也包含易于存储和中转的能源(如热能、燃气、氢能等)；既包含元件级或设备级(如各类电气设备、燃气设备、热力设备等)的动态，也包含单元级能源系统(如建筑综合供能系统、微网供能系统、冷热电联供系统)的动态，由此决定综合能源系统的模型将极其复杂。
综合能源系统建模技术是研究其潮流状态和优化其规划运行的基础。在传统的电、热冷、天然气等各自的研究领域，电热等系统的独立建模方法已经相对成熟。但是，目前综合能源系统的统一建模方法尚缺失，使得综合能源系统的仿真研究多处于起步及尝试阶段。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供基于能源集线器的综合能源系统稳态建模方法，所述建模方法包括以下步骤：
S1.确定物理模型；
S2.建立子系统模型；
S3.建立综合能源系统模型。
根据本发明的实施方案，
步骤S1中，所述物理模型为冷-热-电耦合的综合能源系统，冷-热-电耦合的综合能源系统包括电力系统、热力系统、冷力系统、冷-热-电耦合环节；
步骤S2中，所述子系统模型包括：电力子系统建模、热力子系统建模、冷力子系统建模、冷-热-电耦合的能源站建模。
根据本发明的实施方案，
所述冷-热-电耦合环节为能源站；
能源站的设备包括燃气内燃机、热泵、热水换热器、缸套水换热器、吸收式热泵、功冷并供设备、储热设备、光伏发电机组等。
根据本发明的实施方案，所述电力子系统建模包括：
若配电网有ne个节点，节点1为平衡节点，节点2到节点1+npv为PV节点，其余为PQ节点，反映节点功率与节点电压、相角之间关系的节点功率方程为：
Pi＝Pgen,i-Pload,i (2-3)
Qi＝Qgen,i-Qload,i (2-4)
式中：Pi为节点i的注入有功功率；Qi为节点的i注入无功功率；Pgen,i和Qgen,i分别为节点i上发电机发出的有功和无功功率；Pload,i和Qload,i分别为节点i上负荷的有功和无功功率；Vi和Vj分别为节点i和节点j的电压；Gij和Bij分别为节点i和节点j之间导纳的实部和虚部；θij为节点i和节点j之间的相角差；节点i和节点j为配电网中所有节点当中的任意节点，i，j＝1，2，…，ne。
根据本发明的实施方案，热力子系统建模包括水力模型、热力模型；
所述水力模型具体包括：
热力管网中水流的能量流连续性方程为：
式中：A是热力系统的节点-管道关联矩阵；
是管道的水流质量流率；
是节点的注入水流质量流率；
水头损失是由于管道摩擦引起的单位长度的压力变化，在一个闭合回路内，水头损失的和为零，
式中，B是热力系统的回路-管道关联矩阵；
为水头损失(m)，用式(2-7)表示：
式中，K是管道的阻抗系数。
根据本发明的实施方案，所述热力模型包括：
热力系统的求解部分主要涉及以下3种温度：供水温度Ts、出水温度To、回水温度Tr；所述供水温度Ts为从热网进入各热负荷节点时的温度；所述出水温度To为各热负荷节点出水温度；所述回水温度Tr为多个节点的出水混合到回水管道时的温度；
各节点热功率表示为：
式中φ为热负荷所消耗的热功率；Cp是水的比热；
考虑到管道热损失，在其传输中管道首末节点的水流温度的降落为：
式中Tstart和Tend分别是水流进入和离开管道时的温度；Ta为外界环境温度；λ是管道单位长度的热传导系数；L为管道长度；
在多个管道的交汇节点，其汇合后的温度按式(2-10)计算
式中Tout是出水管道温度；
是出水管道质量流率；Tin为进水管道温度；
是进水管道质量流率。
根据本发明的实施方案，所述冷力子系统建模公式热力子系统的建模公式相同。
根据本发明的实施方案，所述冷-热-电耦合的能源站建模采用能源集线器进行建模；
能源耦合矩阵连的数学表达为：
令能源集线器输入和输出分别为P和L，耦合矩阵为C，则能源集线器为如下的矩阵形式：
L＝CP (2-12)
其中，能源集线器的输入P为能源集线器与电网、热网和天然气网的能量交互值，输出L为能源集线器向各子系统或负荷所供应的能量，耦合矩阵C则是由分配系数和各转换组件的转换效率构成的，表征输入P与输出L之间代数关系的矩阵。
根据本发明的实施方案，所述冷-热-电耦合的能源站建模具体包括以下步骤：
1)热电联产
热电联产在电力子系统和热力子系统中均被视为源，且其热电比恒定，用式(2-13)表示：
式中PCHP为热电联产输出的电功率；φCHP为输出的热功率；
2)热泵
热泵的工作效率表示为：
式中PHP为热泵消耗的电功率；φHP为热泵生产的热功率；
3)电锅炉
电锅炉将电能转化为热能的效率为：
式中PEB为电锅炉消耗的电功率；φEB为其转化得到的热功率；
4)吸收式制冷机
吸收式制冷机输入废热量φAC与输出制冷量OAC的关系为：
式中，cAC为实际运行时的制冷系数；cAC，0为额定制冷系数；βAC为制冷时的负荷率；a、b、c为制冷系数常数；
5)电制冷机
电制冷机消耗电能提供冷能的效率为：
式中PEC为电制冷机消耗的电功率；OEC为其转化得到的冷功率；
6)功冷并供
功冷并供的冷、功效率分别为：
式中φCP为功冷并供装置吸收的热功率；PCP为功冷并供装置输出的电功率；OCP为功冷并供装置输出的冷功率；
7)能源站建模
采用能源集线器理论，得到能源站的数学模型为：
式中，Pg为输入合成气的能量，cGE,E、cGE,H和cGE,G分别为燃气内燃机输出电功率、热功率和烟气的转换效率；cHE和cHE,W分别为热水换热器及缸套水换热器的转换效率；cHP和cAHP分别为热泵及吸收式热泵的转换效率；cCP,C和cCP,E分别为功冷并供设备输出冷功率和电功率的转换效率；cLHS为低温热源的转换效率；m为从热泵输出的热量进入储热罐的分配系数，1-m为从热泵输出的热量进入吸收式热泵及热水换热器的分配系数；α和1-α分别为储热罐输出热量进入吸收式热泵和功冷并供设备的分配系数；β和1-β分别为从热泵输出的热量进入低温热源和热水换热器的分配系数；
在以热定电/冷的运行模式下，得到能源站的热电比和热冷比分别为：
根据本发明的实施方案，所述综合能源系统模型的公式为：
式中：F、H、C、EH分别表示电力系统、热力系统、冷力系统和能源集线器的代数方程；xe表示以电压、功率为代表的电力系统变量；xh表示以热功率、温度为代表的热力系统变量；xc表示以冷功率为代表的冷力系统变量；xeh表示以分配系数为代表的能源集线器变量；
电力系统、热力系统、冷力系统彼此之间的耦合通过耦合判断矩阵CO进行描述：
有益效果
本发明采用能源集线器概念对综合能源系统进行建模，并提供了基于能源集线器的综合能源系统稳态建模方法。能源集线器将能源供应与用能需求高度抽象并分类，体现了多种能源的协同传输理念。本发明的创新之处在于：1)该模型与能量输入和输出有关，本发明方法可用于分析跨区级、区域级与用户级的综合能源系统，具有较好的适用性、通用性和可扩展性；2)它将多种能源的供需特性高度抽象为能源输入与输出的平衡考量，通过耦合矩阵中的元素对能源耦合特性进行描述，实现了物理与数学的统一；3)能源集线器体现能量等值的思想，可通过能源矩阵将能源耦合量转化为单一能源系统的输出，进而实现耦合系统的解耦，将复杂问题简单化；4)该模型既可对现有的综合能源系统进行抽象建模，也可以作为能源网络中的能量自治单元或广义节点，为综合能源系统规划分析做出理论指导。
附图说明
图1为冷-热-电耦合的综合能源系统架构图。其中，0、10、11、12、13、14、15、16、17、18、19、20、21、22、23、24、25、26、27、28、29、30、31、32代表电力子系统的节点，1、2、3、4、5、6、7、8、9代表电力子系统的节点或热力子系统的节点，①、②、③、④、⑤、⑥、⑦、⑧、⑨代表热力子系统的节点。
图2为冷-热-电耦合的能源站架构图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地说明，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
一、综合能源系统架构
本实施例以图1所示的冷-热-电耦合的综合能源系统为例进行系统稳态建模。该系统采用33节点三相平衡电力系统与修改的9节点热力系统；冷力系统没有常用的节点网络，此处考虑能源站直接向冷负荷供能，从而实现冷-热-电三种能源需求的联供。
其中，冷-热-电耦合环节为能源站，其能量转换与流动关系如图2所示。
图中冷-热-电耦合能源站的设备主要包括燃气内燃机、热泵、热水换热器、缸套水换热器、吸收式热泵、功冷并供设备，并且配以储热设备，为了提高可再生能源的渗透率，系统还可接入了光伏发电机组，并接入电网保证有充足的电能供电力负荷使用。
本冷-热-电耦合能源站以燃气内燃机为核心，通过消耗天然气，产出电能直接供给给部分电力负荷；燃气内燃机工作时产生的热蒸汽则通过缸套水换热器转化为热水供给热力负荷；同时，天然气燃烧时产生的烟气可以被吸收式热泵大部分接收，由吸收式热泵运行工作而转化为热能供给给用户。为提供冷能的供给，可由功冷并供设备吸收部分热能转化为冷能供给负荷使用。系统中还加入了储热设备，保证系统存在足够的功率容量裕度，以保证系统的稳定性。另外，光伏发电机组的主动接入，既提高了系统新能源的渗透率，又增加了系统的环保性和经济效益。当电能负荷需求较大时，系统可与电网交互，但为了降低系统与电网信息通道以及物理通道的建设费用和协调成本，本系统采用“并网不上网”原则，向电网购买电能，以弥补系统的电能缺额，保证系统稳定运行。
二、子系统建模
2.1电力子系统建模
电力系统稳态模型可采用传统配电系统模型。假设通过换相已有效解决配电网的三相不平衡问题，因此忽略三相不平衡对潮流计算影响。若配电网有ne个节点，节点1为平衡节点，节点2到节点1+npv为PV节点，其余为PQ节点。反映节点功率与节点电压、相角之间关系的节点功率方程为：
Pi＝Pgen,i-Pload,i (2-3)
Qi＝Qgen,i-Qload,i (2-4)
式中：Pi为节点i的注入有功功率；Qi为节点的i注入无功功率；Pgen,i和Qgen,i分别为节点i上发电机发出的有功和无功功率；Pload,i和Qload,i分别为节点i上负荷的有功和无功功率；Vi和Vj分别为节点i和节点j的电压；Gij和Bij分别为节点i和节点j之间导纳的实部和虚部；θij为节点i和节点j之间的相角差；节点i和节点j为配电网中所有节点当中的任意节点，i，j＝1，2，…，ne。
2.2热力子系统建模
热力系统通过供水管道和回水管道连接热源与用户，供热管道水头损失向量、质量流率以及每个供热节点的供水温度、回水温度往往是热力系统能量流求解的关键变量，其求解模型可分为水力模型和热力模型两部分。
2.2.1水力模型
基尔霍夫定律在分析热力系统的水力模型时也同样适用。基于图论思想对热力系统管道特性进行描述，借鉴电力系统基尔霍夫定律，对热力管网中水流的流动规律进行建模，其能量流连续性方程可以用式(2-5)来描述：
式中A是热力系统的节点-管道关联矩阵；
是管道的水流质量流率(kg/s)；
是节点的注入水流质量流率(kg/s)。
水头损失是由于管道摩擦引起的单位长度的压力变化。在一个闭合回路内，水头损失的和为零。
式中B是热力系统的回路-管道关联矩阵；
为水头损失(m)，可以用式(2-7)表示：
式中，K是管道的阻抗系数。
2.2.2热力模型
热力系统的求解部分主要涉及以下3种温度：供水温度Ts(从热网进入各热负荷节点时的温度)、出水温度To(各热负荷节点出水温度，为已知量)以及回水温度Tr(多个节点的出水混合到回水管道时的温度)。
各节点热功率可以表示为：
式中φ为热负荷所消耗的热功率(W)；Cp是水的比热(J/(kg·K))。
考虑到管道热损失，在其传输中管道首末节点的水流温度的降落为：
式中Tstart和Tend分别是水流进入和离开管道时的温度(℃)；Ta为外界环境温度(℃)；λ是管道单位长度的热传导系数(W/(m·K))；L为管道长度(m)。
在多个管道的交汇节点，其汇合后的温度可按式(2-10)计算
式中Tout是出水管道温度(℃)；
是出水管道质量流率(kg/s)；Tin为进水管道温度(℃)；
是进水管道质量流率(kg/s)。
2.3冷力子系统建模
冷力子系统与热力子系统的模型类似，亦可以由式(2-5)至式(2-10)描述。
2.4冷-热-电耦合的能源站建模
2.4.1建模方法
随着综合能源系统中能源耦合程度的加深以及负荷需求的多样化，能源耦合环节建模面临以下问题：面对含多等级差异、多时空差异的复杂能源系统，如何在保留不同能源主要特性并满足能量平衡的条件下，对综合能源系统的能量转化、存储和分配进行分析。为解决上述问题，采用能源集线器概念对上述问题进行探讨。
能源集线器将能源供应与用能需求高度抽象并分类，体现了多种能源的协同传输理念。在能源集线器中，能源耦合矩阵连接能量输入与输出端，体现了能量耦合特性的数学表征，其数学表达如式(2-11)。
令能源集线器输入和输出分别为P和L，耦合矩阵为C，则能源集线器可写成如下的矩阵形式：
L＝CP (2-12)
其中，能源集线器的输入P为能源集线器与电网、热网和天然气网的能量交互值，输出L为能源集线器向各子系统或负荷所供应的能量，耦合矩阵C则是由分配系数和各转换组件的转换效率构成的，表征输入P与输出L之间代数关系的矩阵。
2.4.2耦合环节建模
1)热电联产
热电联产(combined heat and power，CHP)，是利用热机或发电站同时产生电力和有用的热量。CHP是燃料的热力学有效使用。在单独的电力生产中，一些能量必须作为废热被丢弃，但是在热电联产中，这些热能中的一些被投入使用。CHP消耗天然气，同时生产电能和热能，因此CHP在电力子系统和热力子系统中均可以被视为源，且其热电比恒定，用式(2-13)表示：
式中PCHP为CHP输出的电功率(MW)；φCHP为输出的热功率(MW)。
2)热泵
热泵(heat pump，HP)是一种充分利用低品位热能的高效节能装置。热量可以自发的从高温物体传递到低温物体中去，但不能自发地沿相反方向进行。热泵的工作原理就是以逆循环方式迫使热量从低温物体流向高温物体的机械装置，它仅消耗少量的逆循环净功，就可以得到较大的供热量，可以有效地把难以应用的低品位热能利用起来达到节能目的。热泵的工作效率可以表示为：
式中PHP为热泵消耗的电功率(MW)；φHP为热泵生产的热功率(MW)。
3)电锅炉
电锅炉(electric boiler，EB)是以电力为能源并将其转化成为热能，从而经过锅炉转换，向外输出具有一定热能的蒸汽、高温水或有机热载体的锅炉设备。电锅炉的加热方式有电磁感应加热方式和电阻(电加热管)加热方式两种，电阻加热方式又分为不锈钢加热管电锅炉和陶瓷加热管电锅炉，电阻加热方式即采用电阻式管状电热元件加热。电锅炉将电能转化为热能的效率为：
式中PEB为电锅炉消耗的电功率(MW)；φEB为其转化得到的热功率(MW)。
4)吸收式制冷机
吸收式制冷机(absorption chiller，AC)是依靠吸收器－发生器组的作用完成制冷循环的。它用二元溶液作为工质，其中低沸点组分用作制冷剂，即利用它的蒸发来制冷；高沸点组分用作吸收剂，即利用它对制冷剂蒸气的吸收作用来完成工作循环。吸收式制冷机主要由几个换热器组成。常用的吸收式制冷机有氨水吸收式制冷机和溴化锂吸收式制冷机两种。
向吸收式制冷机组输入回收废热可以制冷，输入废热量φAC(MW)与输出制冷量OAC(MW)的关系为:
式中，cAC为实际运行时的制冷系数；cAC，0为额定制冷系数；βAC为制冷时的负荷率；a、b、c为制冷系数常数。
5)电制冷机
电制冷机(electric chiller，EC)是将电能转化成冷能的一种设备，主要依靠电动机驱动压缩机做功来实现能量的转换。电制冷机通过机械加压使氟利昂气体液化，利用液体氟利昂蒸发需要大量吸热的特性来完成热能的转移。从原理的角度来说，电制冷机比溴化锂吸收式制冷机的效率要高很多，起到了节能减排的作用。电制冷机消耗电能提供冷能的效率为：
式中PEC为电制冷机消耗的电功率(MW)；OEC为其转化得到的冷功率(MW)。
6)功冷并供
所谓吸收式功冷并供循环，是指同时输出功和冷的循环系统。一般情况下，是在吸收式制冷或者吸收式动力循环的基础上提出来的，并采用中低品位余热作为驱动热源。功冷并供循环的工质对，既用来输出功，又用来输出冷，此类工质对的热力学特性既要满足正循环的特性，又要满足吸收式制冷循环的特性。功冷并供的冷、功效率分别为：
式中φCP为功冷并供装置吸收的热功率(MW)；PCP为功冷并供装置输出的电功率(MW)；OCP为功冷并供装置输出的冷功率(MW)。
2.4.3能源站建模
采用能源集线器理论，得到能源站的数学模型为：
式中，Pg为输入合成气的能量；cGE,E、cGE,H和cGE,G分别为燃气内燃机输出电功率、热功率和烟气的转换效率；cHE和cHE,W分别为热水换热器及缸套水换热器的转换效率；cHP和cAHP分别为热泵及吸收式热泵的转换效率；cCP,C和cCP,E分别为功冷并供设备输出冷功率和电功率的转换效率；cLHS为低温热源的转换效率；m为从热泵输出的热量进入储热罐的分配系数，1-m为从热泵输出的热量进入吸收式热泵及热水换热器的分配系数；α和1-α分别为储热罐输出热量进入吸收式热泵和功冷并供设备的分配系数；β和1-β分别为从热泵输出的热量进入低温热源和热水换热器的分配系数。
在以热定电/冷的运行模式下，得到能源站的热电比和热冷比分别为：
三、综合能源系统建模
基于电力子系统、热力子系统、冷力子系统以及冷-热-电耦合的能源站模型，建立综合能源系统稳态混合潮流模型，如下式所述：
式中：F、H、C、EH分别表示电力系统、热力系统、冷力系统和能源集线器的代数方程；xe表示以电压、功率为代表的电力系统变量；xh表示以热功率、温度为代表的热力系统变量；xc表示以冷功率为代表的冷力系统变量；xeh表示以分配系数为代表的能源集线器变量。
上述系统彼此之间的耦合可通过耦合判断矩阵CO进行描述：
同理，当CO矩阵每一个元素都不等于零时，上述3个能源系统完全耦合，互相依赖于彼此的运行状态。
尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (7)
1.基于能源集线器的综合能源系统稳态建模方法，其特征在于，所述建模方法包括以下步骤：
S1.确定物理模型；
S2.建立子系统模型；
S3.建立综合能源系统模型，
其中，
步骤S1中，所述物理模型为冷-热-电耦合的综合能源系统，冷-热-电耦合的综合能源系统包括电力系统、热力系统、冷力系统、冷-热-电耦合环节；
步骤S2中，所述子系统模型包括：电力子系统建模、热力子系统建模、冷力子系统建模、冷-热-电耦合的能源站建模；
所述冷-热-电耦合的能源站建模具体包括以下步骤：
1)热电联产
热电联产在电力子系统和热力子系统中均被视为源，且其热电比恒定，用式(2-13)表示：
式中PCHP为热电联产输出的电功率；φCHP为输出的热功率；
2)热泵
热泵的工作效率表示为：
式中PHP为热泵消耗的电功率；φHP为热泵生产的热功率；
3)电锅炉
电锅炉将电能转化为热能的效率为：
式中PEB为电锅炉消耗的电功率；φEB为其转化得到的热功率；
4)吸收式制冷机
吸收式制冷机输入废热量φAC与输出制冷量OAC的关系为：
式中，cAC为实际运行时的制冷系数；cAC，0为额定制冷系数；βAC为制冷时的负荷率；a、b、c为制冷系数常数；
5)电制冷机
电制冷机消耗电能提供冷能的效率为：
式中PEC为电制冷机消耗的电功率；OEC为其转化得到的冷功率；
6)功冷并供
功冷并供的冷、功效率分别为：
式中φCP为功冷并供装置吸收的热功率；PCP为功冷并供装置输出的电功率；OCP为功冷并供装置输出的冷功率；
7)能源站建模
采用能源集线器理论，得到能源站的数学模型为：
式中，Pg为输入合成气的能量，cGE,E、cGE,H和cGE,G分别为燃气内燃机输出电功率、热功率和烟气的转换效率；cHE和cHE,W分别为热水换热器及缸套水换热器的转换效率；cHP和cAHP分别为热泵及吸收式热泵的转换效率；cCP,C和cCP,E分别为功冷并供设备输出冷功率和电功率的转换效率；cLHS为低温热源的转换效率；m为从热泵输出的热量进入储热罐的分配系数，1-m为从热泵输出的热量进入吸收式热泵及热水换热器的分配系数；α和1-α分别为储热罐输出热量进入吸收式热泵和功冷并供设备的分配系数；β和1-β分别为从热泵输出的热量进入低温热源和热水换热器的分配系数；
在以热定电/冷的运行模式下，得到能源站的热电比和热冷比分别为：
2.根据权利要求1所述的基于能源集线器的综合能源系统稳态建模方法，其特征在于，
所述冷-热-电耦合环节为能源站；
能源站的设备包括燃气内燃机、热泵、热水换热器、缸套水换热器、吸收式热泵、功冷并供设备、储热设备、光伏发电机组。
3.根据权利要求1所述的基于能源集线器的综合能源系统稳态建模方法，其特征在于，
所述电力子系统建模包括：
若配电网有ne个节点，节点1为平衡节点，节点2到节点1+npv为PV节点，其余为PQ节点，反映节点功率与节点电压、相角之间关系的节点功率方程为：
Pi＝Pgen,i-Pload,i (2-3)
Qi＝Qgen,i-Qload,i (2-4)
式中：Pi为节点i的注入有功功率；Qi为节点的i注入无功功率；Pgen,i和Qgen,i分别为节点i上发电机发出的有功和无功功率；Pload,i和Qload,i分别为节点i上负荷的有功和无功功率；Vi和Vj分别为节点i和节点j的电压；Gij和Bij分别为节点i和节点j之间导纳的实部和虚部；θij为节点i和节点j之间的相角差；节点i和节点j为配电网中所有节点当中的任意节点。
4.根据权利要求1所述的基于能源集线器的综合能源系统稳态建模方法，其特征在于，
热力子系统建模包括水力模型、热力模型；
所述水力模型具体包括：
热力管网中水流的能量流连续性方程为：
式中：A是热力系统的节点-管道关联矩阵；
是管道的水流质量流率；
是节点的注入水流质量流率；
水头损失是由于管道摩擦引起的单位长度的压力变化，在一个闭合回路内，水头损失的和为零，
式中，B是热力系统的回路-管道关联矩阵；
为水头损失，单位为米，用式(2-7)表示：
式中，K是管道的阻抗系数。
5.根据权利要求4所述的基于能源集线器的综合能源系统稳态建模方法，其特征在于，
所述热力模型包括：
热力系统的求解部分主要涉及以下3种温度：供水温度Ts、出水温度To、回水温度Tr；所述供水温度Ts为从热网进入各热负荷节点时的温度；所述出水温度To为各热负荷节点出水温度；所述回水温度Tr为多个节点的出水混合到回水管道时的温度；
各节点热功率表示为：
式中φ为热负荷所消耗的热功率；Cp是水的比热；
考虑到管道热损失，在其传输中管道首末节点的水流温度的降落为：
式中Tstart和Tend分别是水流进入和离开管道时的温度；Ta为外界环境温度；λ是管道单位长度的热传导系数；L为管道长度；
在多个管道的交汇节点，其汇合后的温度按式(2-10)计算
式中Tout是出水管道温度；
是出水管道质量流率；Tin为进水管道温度；
是进水管道质量流率。
6.根据权利要求1所述的基于能源集线器的综合能源系统稳态建模方法，其特征在于，
所述冷力子系统建模公式与热力子系统的建模公式相同。
7.根据权利要求1所述的基于能源集线器的综合能源系统稳态建模方法，其特征在于，
所述综合能源系统模型的公式为：
式中：F、H、C、EH分别表示电力系统、热力系统、冷力系统和能源集线器的代数方程；xe表示以电压、功率为代表的电力系统变量；xh表示以热功率、温度为代表的热力系统变量；xc表示以冷功率为代表的冷力系统变量；xeh表示以分配系数为代表的能源集线器变量；
电力系统、热力系统、冷力系统彼此之间的耦合通过耦合判断矩阵CO进行描述：
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201910661817.6A CN110502791B (zh) | 2019-07-22 | 2019-07-22 | 基于能源集线器的综合能源系统稳态建模方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201910661817.6A CN110502791B (zh) | 2019-07-22 | 2019-07-22 | 基于能源集线器的综合能源系统稳态建模方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN110502791A CN110502791A (zh) | 2019-11-26 |
| CN110502791B true CN110502791B (zh) | 2021-05-11 |
Family
ID=68586672
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201910661817.6A Active CN110502791B (zh) | 2019-07-22 | 2019-07-22 | 基于能源集线器的综合能源系统稳态建模方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN110502791B (zh) |
Families Citing this family (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN111611690B (zh) * | 2020-04-17 | 2021-06-22 | 清华大学 | 一种用于综合能源网中热力管网运行参数的动态计算方法 |
| CN111709638B (zh) * | 2020-06-12 | 2023-08-29 | 山东大学 | 基于图论和等效电法的冷热电联供系统构建方法及系统 |
| CN113537618B (zh) * | 2021-07-29 | 2022-10-25 | 中国电建集团河南省电力勘测设计院有限公司 | 一种考虑居民用户需求响应的综合能源系统优化调度方法 |
| CN115935711B (zh) * | 2023-01-31 | 2023-10-20 | 西华大学 | 一种基于图论的多能互补主动配网系统可靠性评估方法 |
Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP2187048A1 (en) * | 2007-09-14 | 2010-05-19 | Viktor V. Tsarev | Autonomous power supply system |
| CN106786603A (zh) * | 2017-02-22 | 2017-05-31 | 天津大学 | 一种区域综合能源系统多目标最优混合潮流算法 |
| CN107808218A (zh) * | 2017-10-25 | 2018-03-16 | 国网天津市电力公司 | 基于热电比调节的城市能源互联网潮流计算方法 |
| CN108053104A (zh) * | 2017-12-06 | 2018-05-18 | 天津大学 | 区域电力-天然气-热力综合能源系统能量流优化方法 |
| CN108960503A (zh) * | 2018-07-02 | 2018-12-07 | 河海大学 | 基于内点法的综合能源系统多场景优化分析方法 |
| CN109523076A (zh) * | 2018-11-15 | 2019-03-26 | 河海大学 | 一种储能参与下的综合能源系统日前稳态优化分析方法 |
Family Cites Families (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US10196923B2 (en) * | 2014-08-28 | 2019-02-05 | Pratt & Whitney Canada Corp. | Operation of aircraft engines during transient conditions |
| CN109389248B (zh) * | 2018-09-29 | 2021-08-20 | 东南大学 | 基于区域热网的综合能源系统热电功率协调调度方法 |
| CN109347107A (zh) * | 2018-09-29 | 2019-02-15 | 河海大学 | 一种并网运行电热互联综合能源系统潮流计算方法 |
| CN109950908A (zh) * | 2019-04-02 | 2019-06-28 | 国网江苏省电力有限公司 | 一种综合能源系统中基于能源集线器的多能流综合潮流解耦方法 |
-
2019
- 2019-07-22 CN CN201910661817.6A patent/CN110502791B/zh active Active
Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP2187048A1 (en) * | 2007-09-14 | 2010-05-19 | Viktor V. Tsarev | Autonomous power supply system |
| CN106786603A (zh) * | 2017-02-22 | 2017-05-31 | 天津大学 | 一种区域综合能源系统多目标最优混合潮流算法 |
| CN107808218A (zh) * | 2017-10-25 | 2018-03-16 | 国网天津市电力公司 | 基于热电比调节的城市能源互联网潮流计算方法 |
| CN108053104A (zh) * | 2017-12-06 | 2018-05-18 | 天津大学 | 区域电力-天然气-热力综合能源系统能量流优化方法 |
| CN108960503A (zh) * | 2018-07-02 | 2018-12-07 | 河海大学 | 基于内点法的综合能源系统多场景优化分析方法 |
| CN109523076A (zh) * | 2018-11-15 | 2019-03-26 | 河海大学 | 一种储能参与下的综合能源系统日前稳态优化分析方法 |
Non-Patent Citations (3)
| Title |
|---|
| Energy hubs for the future;M.Geidl 等;《IEEE Power and Energy Magazine》;20070228;第5卷(第1期);第24-30页 * |
| 综合能源系统与能源互联网简述;余晓丹 等;《电工技术学报》;20160131;第31卷(第1期);第1-13页 * |
| 能源互联网背景下的典型区域综合能源系统稳态分析研究综述;王伟亮 等;《中国电机工程学报》;20160620;第36卷(第12期);第3292-3305、S19页 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN110502791A (zh) | 2019-11-26 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN108960503B (zh) | 基于内点法的综合能源系统多场景优化分析方法 | |
| CN110502791B (zh) | 基于能源集线器的综合能源系统稳态建模方法 | |
| CN106447113B (zh) | 一种基于运行优化模型的多区域综合能源系统运行方法 | |
| CN112283068B (zh) | 一种压缩空气储能供能装置 | |
| CN109347107A (zh) | 一种并网运行电热互联综合能源系统潮流计算方法 | |
| CN111428351B (zh) | 基于前推回代法的电-热综合能源系统潮流计算方法 | |
| CN106844895B (zh) | 一种冷热电联供微网能量流的解耦计算方法 | |
| CN109523076A (zh) | 一种储能参与下的综合能源系统日前稳态优化分析方法 | |
| CN113141005B (zh) | 一种面向新能源消纳的综合能源系统多时间尺度调度方法 | |
| CN110486107A (zh) | 联合超临界水氧化技术的超临界二氧化碳发电系统及方法 | |
| Ai et al. | Thermodynamic analysis of a CCHP system integrated with a regenerative organic flash cycle | |
| Mo et al. | Design method of combined cooling, heating, and power system coupled with cascaded latent heat thermal energy storage based on supply-demand energy-exergy matching | |
| Guan et al. | Optimal configuration and operation of multi-energy complementary distributed energy systems | |
| Li et al. | Performance comparison and multi-objective optimization of improved and traditional compressed air energy storage systems integrated with solar collectors | |
| Man et al. | State estimation for integrated energy system containing electricity, heat and gas | |
| CN108361679B (zh) | 利用质子交换膜燃料电池与燃气轮机余热进行供能的系统及方法 | |
| CN201991610U (zh) | 小型内燃机冷热电联供模块化集成系统 | |
| Liu et al. | A new power flow model for combined heat and electricity analysis in an integrated energy system | |
| CN109255487A (zh) | 一种基于标准化矩阵模型的综合能源系统优化方法 | |
| Qi et al. | A Distributionally Robust Optimization Scheduling Model for Regional Integrated Energy Systems Considering Hot Dry Rock Co-Generation. | |
| CN211777845U (zh) | 一种地热光热复合式连续发电系统 | |
| CN117196104A (zh) | 一种区域温室综合能源系统优化运行方法及系统 | |
| Huang et al. | Modeling of distributed energy system with multiple energy complementation | |
| Hu et al. | Multi-Energy Flow Calculation Model and Solution Method for Regional Integrated Energy System | |
| Wang et al. | Steady state analysis of cold-heat-power-gas-steam optimization in integrated energy system considering energy storage devices |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |