CN110728032A - 一种计及环网的电-热互联综合能源系统快速潮流计算方法 - Google Patents

一种计及环网的电-热互联综合能源系统快速潮流计算方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种计及环网的电‑热互联综合能源系统快速潮流计算方法，该方法包括：(1)获取电力系统与热力系统模型参数，并根据所述模型参数建立电‑热互联综合能源系统模型；(2)通过引入线性方程，将热力系统环网解耦成多热源辐射型热网模型；(3)通过拆解，将多热源辐射型热网模型拆分为多个单热源辐射型热网模型；(4)依次求解单热源辐射型热网模型，将得到的单热源热网管道流量叠加得到多热源辐射型热网模型中对应管道流量，作为电‑热互联综合能源系统模型的状态量信息。本发明计算速度更快。

Description

一种计及环网的电-热互联综合能源系统快速潮流计算方法
技术领域
本发明涉及综合能源技术，尤其涉及一种计及环网的电-热互联综合能源系统快速潮流计算方法。
背景技术
能源是人类生存和发展的基础，是工业生产和居民生活的关键要素，如何在确保能源可持续供应的同时减少使用能源过程中产生的环境污染，是当今社会共同关注的问题。考虑多种能源耦合、旨在提高能源利用效率和充分利用可再生能源的综合能源系统已成为应对上述问题的关键。
综合能源系统打破供电、供气、供热、供冷等各种能源供应系统单独规划、单独设计和独立运行的既有模式，在规划、设计、建设和运行阶段，通过对各类能源的生产、传输、分配、转化、储存和消费等环节进行有机协调与优化，形成充分利用可再生能源的新型区域能源供应系统。现有的综合能源系统多能流潮流计算方法比较复杂，计算速度慢。
发明内容
发明目的：本发明针对现有技术存在的问题，提供一种计及环网的电-热互联综合能源系统快速潮流计算方法，计算速度更快。
技术方案：本发明所述的计及环网的电-热互联综合能源系统快速潮流计算方法包括：
(1)获取电力系统与热力系统模型参数，并根据所述模型参数建立电-热互联综合能源系统模型；
(2)通过引入线性方程，将热力系统环网解耦成多热源辐射型热网模型；
(3)通过拆解，将多热源辐射型热网模型拆分为多个单热源辐射型热网模型；
(4)依次求解单热源辐射型热网模型，将得到的单热源热网管道流量叠加得到多热源辐射型热网模型中对应管道流量，作为电-热互联综合能源系统模型的状态量信息。
进一步的，步骤(1)中建立的电-热互联综合能源系统模型具体为：
Figure BDA0002208729660000011
Figure BDA0002208729660000012
Am＝mq
Bhf＝0
hf＝Km|m|
Figure BDA0002208729660000021
Figure BDA0002208729660000022
Figure BDA0002208729660000023
Figure BDA0002208729660000024
Figure BDA0002208729660000025
(∑mout)Tout＝∑(minTin)
Cm＝ΦCHP/PCHP
Cz＝ΔΦ/ΔP＝ΦCHP/(ηeFin-PCHP)
式中：Pi、Qi分别为节点i的注入有功和无功功率，θij＝θi－θj，Ui、θi分别为节点i的电压和相角，Uj、θj分别为节点j的电压和相角，Gij、Bij分别为π型等效电路的电导、电纳，n表示与节点i相连的支路个数；A为网络节点-支路管道关联矩阵，m为热网管道流量，mq为节点流入负荷流量，B为回路关联矩阵，hf为由摩擦损失引起的管道压降，K为管道的阻力系数，L为管道长度，D为管道直径，ρ为水密度，g为重力加速度，f为摩擦系数，ε为管道粗糙度，Re为雷诺数，μ为管道水运动粘度；
Figure BDA0002208729660000026
为热负荷，Ts为节点供水温度，To为节点回水温度，Tstart为管道首端温度，Tend为管道末端温度，Ta为外界环境温度，λ为传热系数，Cp为水比热容，min为流入节点的管道流量，mout为流出节点的管道流量，Tin为输入管道末端的温度，Tout为节点混合温度；ΦCHP是CHP机组热出力，PCHP是CHP机组电出力，ηe为CHP机组冷凝效率，Fin为燃料输入速率，Cm为一恒定值，Cz为可调整值。
进一步的，步骤(2)具体包括：
(2.1)根据步骤(1)建立的电-热互联综合能源系统模型，计算忽略电网损耗时各机组出力，再计算存在电网损耗时各机组出力，从而得到电网损耗近似值；
(2.2)按照与CHP机组相连情况，计算管道流量值mγ：
Figure BDA0002208729660000031
式中，mγ表示管道γ流量值，R表示管道总数，
Figure BDA0002208729660000032
表示与管道γ相连的CHP机组热出力，∑Φload表示总电负荷，∑ΔHs为供水管道总热损耗，
Figure BDA0002208729660000033
表示总CHP机组热出力；
(2.3)引入变量
Figure BDA0002208729660000034
将其与节点流量平衡方程mq,γ＝Amγ联立，得到环路管道流量mγ关于未知变量x的一元函数关系f(x)；并执行下面判断：
A、若相邻环路管道流量之和为常数，表明该相邻环路管道流量反向，对环网不解耦；
B、若相邻环路管道流量之和仍为x的一元函数，表明该相邻环路管道流量同向，则将环网解耦成多热源辐射型热网模型；
其中，Kγ表示环路管道γ的阻力系数，mq,γ表示与环路管道γ相连的节点流入负荷流量。
进一步的，步骤(3)具体包括：
在多热源辐射型热网模型中，若热负荷由多个热源同时供热，则将热负荷等效为多个等效热源同时供热，从而将多热源辐射型热网模型分解多个单热源辐射型热网模型，分解方法为：
式中，M表示热网模型中热源个数，分别为H1,...,HM，分别表示热源H1,...,HM的输出流量同时输入到节点上时的输入管道流量，N表示需要从节点分流的管道数目，分别标号为k1,…,kN，
Figure BDA0002208729660000041
分别为对应的管道流量，形如
Figure BDA0002208729660000042
分别为管道流量
Figure BDA0002208729660000043
在拆分得到的第1,…,M个单热源辐射型热网模型中对应管道流量；
Figure BDA0002208729660000044
为多热源辐射型热网模型中第l个热负荷，
Figure BDA0002208729660000045
分别为
Figure BDA0002208729660000046
在拆分得到的第1,…,M个单热源辐射型热网模型中对应负荷节点处的热负荷。
进一步的，步骤(4)具体包括：
(4.1)获取任意单热源辐射型热网模型，对其中任意管道流量mt，采用以下公式求解：
Figure BDA0002208729660000047
式中，u为流量mt流经的管道总数，重新标记为1、2、……u，对应管道流量为m1,m2,…,mu，形如T#表示管道#温度，形如
Figure BDA0002208729660000048
表示流经管道#的热能，n1＝m1/mt，n2＝m2/mt,…,nu＝mu/mt，形如λ#表示管道#传热系数，形如L#表示管道#长度；
(4.2)按照步骤(4.1)得到所有单热源辐射型热网模型中所有管道流量；
(4.3)将得到的单热源辐射型热网模型中管道流量叠加得到多热源辐射型热网模型中对应管道流量，作为电-热互联综合能源系统模型的状态量信息。
有益效果：本发明与现有技术相比，其显著优点是：首先将电网与热网解耦，接着引入线性等式将环网解耦成辐射型热网，然后将多热源辐射型热网拆解为多个单热源辐射型热网，最后得到了辐射型热网潮流。本文所提方法模型简单，计算速度快，且不存在收敛性问题。
附图说明
图1是多热源辐射状热网模型；
图2是多个单热源辐射状热网模型；
图3是实际中的辐射状热网模型；
图4是巴厘岛综合能源测试系统。
具体实施方式
本实施例提供了一种计及环网的电-热互联综合能源系统快速潮流计算方法，包括以下步骤：
(1)获取电力系统与热力系统模型参数，并根据所述模型参数建立电-热互联综合能源系统模型，具体如下：
Figure BDA0002208729660000052
Figure BDA0002208729660000053
Figure BDA0002208729660000054
Am＝mq (5)
Bhf＝0 (6)
hf＝Km|m| (7)
Figure BDA0002208729660000055
Figure BDA0002208729660000056
Figure BDA0002208729660000057
Figure BDA0002208729660000058
Figure BDA0002208729660000059
(∑mout)Tout＝∑(minTin) (13)
Cm＝ΦCHP/PCHP (14)
Cz＝ΔΦ/ΔP＝ΦCHP/(ηeFin-PCHP) (15)
式中：Pi、Qi分别为节点i的注入有功和无功功率，θij＝θi－θj，Ui、θi分别为节点i的电压和相角，Uj、θj分别为节点j的电压和相角，Gij、Bij分别为π型等效电路的电导、电纳，n表示与节点i相连的支路个数；A为网络节点-支路管道关联矩阵，m为热网管道流量，mq为节点流入负荷流量，B为回路关联矩阵，hf为由摩擦损失引起的管道压降，K为管道的阻力系数，L为管道长度，D为管道直径，ρ为水密度，g为重力加速度，f为摩擦系数，ε为管道粗糙度，Re为雷诺数，μ为管道水运动粘度；为热负荷，Ts为节点供水温度，To为节点回水温度，Tstart为管道首端温度，Tend为管道末端温度，Ta为外界环境温度，λ为传热系数，Cp为水比热容，min为流入节点的管道流量，mout为流出节点的管道流量，Tin为输入管道末端的温度，Tout为节点混合温度；ΦCHP是CHP机组热出力，PCHP是CHP机组电出力，ηe为CHP机组冷凝效率，Fin为燃料输入速率，Cm为一恒定值，Cz为可调整值。
式(1)-(4)为电网稳态模型，式(5)-(10)为热网水力模型，式(5)为节点流量平衡方程，式(6)为回路压力方程，式(7)为压头损失方程，联立式(8)-(10)可得管道阻力系数K。式(11)-(13)为热网热力模型，式(11)为热负荷功率方程，式(12)为管道温降方程，式(13)为节点功率守恒方程。耦合元件中定热点比用式(14)描述，变热电比用式(15)描述。
(2)通过引入线性方程，将热力系统环网解耦成多热源辐射型热网模型。具体包括以下步骤：
(2.1)由式(12)可推导出管道热损耗近似为：
ΔHs＝λL(Ts-Ta) (16)
ΔHr＝λL(To-Ta) (17)
式中，ΔHs为每根供水管道热损耗，λ为传热系数，L为管道长度(m)，Ts为CHP热源温度，Ta为环境温度，ΔHr为每根回水管道热损耗，To为热负荷回水温度。
首先忽略电网损耗，则有：
∑ΦCHP＝∑Φload+∑ΔHs+∑ΔHr (18)
∑PCHP＝∑Pload (19)
式中，∑ΦCHP为CHP总热出力，∑Φload为总热负荷，∑ΔHs为供水管道总热损耗，∑ΔHr为回水管道总热损耗，∑PCHP为CHP总电出力，∑Pload为总电负荷。
联立式(14-19)可得各CHP电出力与热出力，对于配电网，通过各CHP电出力与电负荷的值，可得流经各线路的有功功率，通过式(3)可得流经各线路的无功功率，再由式(4)可得各线路的功率损耗，则式(19)修正为：
∑PCHP＝∑Pload+∑Pline (20)
式中，∑Pline为线路功率总损耗。
(2.2)联立式(14-18)与式(20)可得更准确的各CHP机组电出力与热出力，按照与CHP机组相连情况，计算管道流量值mγ：
Figure BDA0002208729660000071
式中，mγ表示管道γ流量值，R表示管道总数，表示与管道γ相连的CHP机组热出力，∑Φload表示总电负荷，∑ΔHs为供水管道总热损耗，
Figure BDA0002208729660000073
表示总CHP机组热出力；
若设各节点供水温度均为CHP机组热源温度，CHP机组回水温度为热负荷回水温度，则可得式(5)等式右端流入热负荷节点流量mq的近似值。
(2.3)联立式(6-7)可知环路压降和为0，有：
∑Kγmγ|mγ|＝0 (22)
其中Kγ为环路管道的γ的阻力系数，mγ为环路管道的流量。
当已知注入负荷节点流量mq，联立式(5)与式(22)可得各管道流量，但式(22)较为复杂，可引入式(23)及变量x，由于增加一个变量的同时增加了一个等式，因此联立式(5)、式(22)及式(23)所得解必然满足式(5)与式(22)。
Figure BDA0002208729660000074
联立式(5)与式(23)可得环路管道流量m关于未知变量x的一元函数关系f(x)。若相邻环路管道流量之和为常数，则表明该相邻环路管道流量反向。若相邻环路管道流量之和仍为x的一元函数，则表明该相邻环路管道流量同向，则可将环网解耦成辐射状网络。
据此可确定各环路管道流向，则可去掉式(23)中的绝对值，同时可将m＝f(x)带入式(23)得到x的值，即可得各环路管道流量近似值。
(3)通过拆解，将多热源辐射型热网模型拆分为多个单热源辐射型热网模型。
在多热源辐射型热网模型中，若热负荷由多个热源同时供热，则将热负荷等效为多个等效热源同时供热，从而将多热源辐射型热网模型分解多个单热源辐射型热网模型，分解方法为：
Figure BDA0002208729660000081
式中，M表示热网模型中热源个数，分别为H1,...,HM，分别表示热源H1,...,HM的输出流量同时输入到节点上时的输入管道流量，N表示需要从节点分流的管道数目，分别标号为k1,…,kN，分别为对应的管道流量，形如分别为管道流量在拆分得到的第1,…,M个单热源辐射型热网模型中对应管道流量；
Figure BDA0002208729660000086
为多热源辐射型热网模型中第l个热负荷，
Figure BDA0002208729660000087
分别为
Figure BDA0002208729660000088
在拆分得到的第1,…,M个单热源辐射型热网模型中对应负荷节点处的热负荷。
例如，当热负荷由2个热源同时供热，如图1所示，热负荷
Figure BDA0002208729660000089
可等效为热源H1与H2同时分别供热，即可拆分为图2，其中：
Figure BDA00022087296600000810
其中，mp、mt与md为多热源网络的管道流量，mp1、mp2与mt1、mt2与md1、md2分别为多热源网络拆分为2个单热源网络时对应管道处的流量；为多热源网络热负荷，
Figure BDA00022087296600000813
与
Figure BDA00022087296600000814
为多热源网络拆分为2个单热源网络时对应负荷节点处的热负荷。可采用步骤4得到图2中md1与md2，因为md＝md1+md2，则可得流量md。
(4)依次求解单热源辐射型热网模型，将得到的单热源热网管道流量叠加得到多热源辐射型热网模型中对应管道流量，作为电-热互联综合能源系统模型的状态量信息。
具体包括以下步骤：
(4.1)获取任意单热源辐射型热网模型，对其中任意管道流量mt，定义n1＝m1/mt，n2＝m2/mt,…,nu＝mu/mt，由于供水网络节点温度变化较小，取
Figure BDA0002208729660000091
Figure BDA0002208729660000092
……
Figure BDA0002208729660000093
式中，u为流量mt流经的管道总数，重新标记为1、2……u，如图3所示，定义其中对应管道流量m1,m2,…,mu，形如
Figure BDA0002208729660000094
表示流经管道#的热能，由定义可知，必有nu＝1，有：
Figure BDA0002208729660000095
式中，形如λ#表示管道#传热系数，形如L#表示管道#长度。
从热源供热温度、热负荷回水温度不变的特点出发，通过推导可得上式，该式将热源与热负荷之间的多根管道抽象成一根，等效成热源直接向热负荷供热，建立起热源与热负荷管道流量的一元函数关系。同时，该式将供水网络与回水网络解耦，将流量与温度解耦。上式中比热容Cp＝4182，Cp 2＝41822＝17489124，因此式中nu的较小误差对mt结果的影响微小，则利用上式与步骤(2)得到的各环路管道流量近似值可有效修正mq的值。
(4.2)按照步骤(4.1)得到所有单热源辐射型热网模型中所有管道流量；
(4.3)将得到的单热源辐射型热网模型中管道流量叠加得到多热源辐射型热网模型中对应管道流量，作为电-热互联综合能源系统模型的状态量信息。
下面对本实施例进行仿真验证。
选用巴厘岛综合能源测试系统，如图4所示，9节点电网，总有功负荷为1.6MW，32节点热网，总有功功率为2.164MW；电网和热网通过3台CHP机组耦合，CHP1为定热电比燃气轮机，CHP2为变热电比抽汽式汽轮机，CHP3为定热电比往复式内燃机。CHP供水温度恒定为70℃，热负荷的回水温度恒定为30℃。选取电网节点9为电网平衡节点，节点7、8为PV节点，其它为PQ节点，热网节点1为热网的平衡节点。
采用本发明方法求得流量、温度、电压和相角分别用mP、TP、UP和θP表示，原文献所得流量、温度、电压和相角分别用mR、TR、UR和θR表示。流量误差百分数、温度误差百分数、电压误差百分数分别定义为δm＝(|mP–mR|/mR)×100％、δT＝(|TP-TR|/TR)×100％、δU＝(|UP-UR|/UR)×100％，相角误差定义为δθ＝|θP–θR|°，比较结果见表1-表3。由表可知，流量误差百分数最大为0.5226％，流量误差百分数平均值为0.0770％；温度误差百分数最大为0.0028％，温度误差百分数平均值为0.0010％；电压误差百分数最大为0.0057％，电压误差百分数平均值为0.0042％；相角误差最大为0.0031°，相角误差平均值为0.0017°，可见本发明所提方法精度较高。
本发明所提方法单次测试时间为0.2265(s)，原文献方法单次测试时间为2.6507(s)，可见本发明所提方法计算速度较快，极大缩短了运算时间
表1热网流量测试结果
Figure BDA0002208729660000101
表2热网温度测试结果
Figure BDA0002208729660000102
Figure BDA0002208729660000111
表3电网测试结果
节点编号 U<sub>P</sub>(p.u.) θ<sub>P</sub>(°) U<sub>R</sub>(p.u.) θ<sub>R</sub>(°) δ<sub>U</sub>(％) δ<sub>θ</sub>(°)
1 1.04882 -0.63068 1.04876 -0.62921 0.0057 0.0015
2 1.04888 -0.62885 1.04883 -0.62742 0.0048 0.0014
3 1.04903 -0.66235 1.04897 -0.66190 0.0057 0.0005
4 1.04937 -0.70360 1.04931 -0.70457 0.0057 0.0010
5 1.04999 -0.74550 1.04994 -0.74839 0.0048 0.0029
6 1.04998 -0.73656 1.04994 -0.73931 0.0038 0.0027
7 1.05003 -0.72020 1.05000 -0.72276 0.0029 0.0026
8 1.05005 -0.75527 1.05000 -0.75837 0.0048 0.0031
9 1.02 0 1.02 0 0 0
以上所揭露的仅为本发明一种较佳实施例而已，不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明权利要求所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。

Claims (5)

1.一种计及环网的电-热互联综合能源系统快速潮流计算方法，其特征在于该方法包括：
(1)获取电力系统与热力系统模型参数，并根据所述模型参数建立电-热互联综合能源系统模型；
(2)通过引入线性方程，将热力系统环网解耦成多热源辐射型热网模型；
(3)通过拆解，将多热源辐射型热网模型拆分为多个单热源辐射型热网模型；
(4)依次求解单热源辐射型热网模型，将得到的单热源热网管道流量叠加得到多热源辐射型热网模型中对应管道流量，作为电-热互联综合能源系统模型的状态量信息。
2.根据权利要求1所述的计及环网的电-热互联综合能源系统快速潮流计算方法，其特征在于：步骤(1)中建立的电-热互联综合能源系统模型具体为：
Figure FDA0002208729650000011
Figure FDA0002208729650000012
Am＝mq
Bhf＝0
hf＝Km|m|
Figure FDA0002208729650000013
Figure FDA0002208729650000015
Figure FDA0002208729650000016
Figure FDA0002208729650000017
(∑mout)Tout＝∑(minTin)
Cm＝ΦCHP/PCHP
Cz＝ΔΦ/ΔP＝ΦCHP/(ηeFin-PCHP)
式中：Pi、Qi分别为节点i的注入有功和无功功率，θij＝θi－θj，Ui、θi分别为节点i的电压和相角，Uj、θj分别为节点j的电压和相角，Gij、Bij分别为π型等效电路的电导、电纳，n表示与节点i相连的支路个数；A为网络节点-支路管道关联矩阵，m为热网管道流量，mq为节点流入负荷流量，B为回路关联矩阵，hf为由摩擦损失引起的管道压降，K为管道的阻力系数，L为管道长度，D为管道直径，ρ为水密度，g为重力加速度，f为摩擦系数，ε为管道粗糙度，Re为雷诺数，μ为管道水运动粘度；为热负荷，Ts为节点供水温度，To为节点回水温度，Tstart为管道首端温度，Tend为管道末端温度，Ta为外界环境温度，λ为传热系数，Cp为水比热容，min为流入节点的管道流量，mout为流出节点的管道流量，Tin为输入管道末端的温度，Tout为节点混合温度；ΦCHP是CHP机组热出力，PCHP是CHP机组电出力，ηe为CHP机组冷凝效率，Fin为燃料输入速率，Cm为一恒定值，Cz为可调整值。
3.根据权利要求2所述的计及环网的电-热互联综合能源系统快速潮流计算方法，其特征在于：步骤(2)具体包括：
(2.1)根据步骤(1)建立的电-热互联综合能源系统模型，计算忽略电网损耗时各机组出力，再计算存在电网损耗时各机组出力，从而得到电网损耗近似值；
(2.2)按照与CHP机组相连情况，计算管道流量值mγ：
Figure FDA0002208729650000022
式中，mγ表示管道γ流量值，R表示管道总数，
Figure FDA0002208729650000023
表示与管道γ相连的CHP机组热出力，∑Φload表示总电负荷，∑ΔHs为供水管道总热损耗，
Figure FDA0002208729650000024
表示总CHP机组热出力；
(2.3)引入变量将其与节点流量平衡方程mq,γ＝Amγ联立，得到环路管道流量mγ关于未知变量x的一元函数关系f(x)；并执行下面判断：
A、若相邻环路管道流量之和为常数，表明该相邻环路管道流量反向，对环网不解耦；
B、若相邻环路管道流量之和仍为x的一元函数，表明该相邻环路管道流量同向，则将环网解耦成多热源辐射型热网模型；
其中，Kγ表示环路管道γ的阻力系数，mq,γ表示与环路管道γ相连的节点流入负荷流量。
4.根据权利要求2所述的计及环网的电-热互联综合能源系统快速潮流计算方法，其特征在于：步骤(3)具体包括：
在多热源辐射型热网模型中，若热负荷由多个热源同时供热，则将热负荷等效为多个等效热源同时供热，从而将多热源辐射型热网模型分解多个单热源辐射型热网模型，分解方法为：
…
Figure FDA0002208729650000032
式中，M表示热网模型中热源个数，分别为
Figure FDA0002208729650000034
分别表示热源H1,...,HM的输出流量同时输入到节点上时的输入管道流量，N表示需要从节点分流的管道数目，分别标号为分别为对应的管道流量，形如
Figure FDA0002208729650000036
分别为管道流量
Figure FDA0002208729650000037
在拆分得到的第1,…,M个单热源辐射型热网模型中对应管道流量；
Figure FDA0002208729650000038
为多热源辐射型热网模型中第l个热负荷，
Figure FDA0002208729650000039
分别为
Figure FDA00022087296500000310
在拆分得到的第1,…,M个单热源辐射型热网模型中对应负荷节点处的热负荷。
5.根据权利要求2所述的计及环网的电-热互联综合能源系统快速潮流计算方法，其特征在于：步骤(4)具体包括：
(4.1)获取任意单热源辐射型热网模型，对其中任意管道流量mt，采用以下公式求解：
Figure FDA00022087296500000311
式中，u为流量mt流经的管道总数，重新标记为1、2、……u，对应管道流量为m1,m2,…,mu，形如T#表示管道#温度，形如
Figure FDA0002208729650000041
表示流经管道#的热能，n1＝m1/mt，n2＝m2/mt,…,nu＝mu/mt，形如λ#表示管道#传热系数，形如L#表示管道#长度；
(4.2)按照步骤(4.1)得到所有单热源辐射型热网模型中所有管道流量；
(4.3)将得到的单热源辐射型热网模型中管道流量叠加得到多热源辐射型热网模型中对应管道流量，作为电-热互联综合能源系统模型的状态量信息。
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