CN111523247A - 基于分立求解的综合能源系统多能流联合计算方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供基于分立求解的电气耦合综合能源系统多能流联合计算方法及装置,包括:构建电气耦合综合能源系统多能流模型;使用耦合元件实现天然气系统和电力系统的解耦;解耦后分别运行电力系统潮流计算以及天然气系统潮流计算,得到各类状态变量作为多能流仿真的最终结果。本发明可通过能源耦合部分的能量等值将多能流待求信息分配到不同能源各自的求解模块,进行分立求解,物理意义明确。验证结果表明,该方法可有效计算IEGS的运行状态,为系统安全性分析提供支撑工具。
Description
技术领域
本发明属于综合能源系统技术领域,特别是涉及一种基于分立求解的电气耦合综合能源系统多能流联合计算方法及装置。
背景技术
随着经济社会的飞速发展以及环境的日益恶化,可持续发展理念深入人心。天然气作为一种优质、高效且清洁的低碳能源,在发电侧可与核能及可再生能源等其他低排放能源形成良性互补,是实现能源供应清洁化的现实选择之一。为此,天然气发电机组(Natural Gas-fired Generating Unit,NGU)由于具有污染排放少,响应速度快和发电效率高等优点,被广泛部署于电力系统。在世界范围内,天然气发电在总装机容量和发电份额中呈现稳中有进的良好“态势”,推动了电力系统同天然气系统的深度耦合。然而,电气耦合综合能源系统(Integrated Electricity-Gas System,IEGS)在提高能源利用效率,实现可再生能源充分消纳的同时,也带来了系统安全运行的整体性风险。随着电力系统同天然气系统之间的耦合日益紧密,二者间的交互影响所引起的安全问题需引起重视。将IEGS作为一个整体实现一体化安全稳定分析,对实现电力燃气系统的协同增效具有重要意义,而电气耦合的多能流计算是该过程的最基本环节。
针对IEGS的多能流计算,已有方法往往忽略天然气管网的运行特性和运行约束,以及电-气耦合环节的一些细节,仅从宏观角度分析电气与天然气系统之间的互动联系,计算结果往往存在一定误差。由于将电气系统联立增加了大量高维非线性方程与决策变量,使得统一求解法变得复杂。
发明内容
针对上述问题,考虑到天然气系统以及电力系统各自潮流计算都较成熟,本发明提出基于分立迭代的IEGS多能流计算方法,通过能源耦合部分的能量等值将多能流待求信息分配到不同能源各自的求解模块,进行分立求解,有效计算IEGS的运行状态,为系统安全性分析提供支撑工具。
为达到上述目的,本发明的技术方案是这样实现的:
基于分立求解的综合能源系统多能流联合计算方法,包括:构建电气耦合综合能源系统多能流模型;使用耦合元件实现天然气系统和电力系统的解耦;解耦后分别运行电力系统潮流计算以及天然气系统潮流计算,得到各类状态变量作为多能流仿真的最终结果。
进一步的,所述电气耦合综合能源系统多能流模型的构建过程为:
S101、建立天然气系统模型;
S102、建立电力系统模型;
S103、建立耦合元件的模型;
S104、建立电气耦合综合能源系统多能流模型:定义xeg和yeg为电气耦合综合能源系统IEGS的状态变量和注入变量;
xeg=[V,θ,p]
yeg=[Psp,Qsp,Lsp]
Feg(xeg,yeg)=0
式中xeg由电力系统节点电压V、相角θ、天然气系统节点气压p组成;yeg由电力系统节点有功功率注入PSP、无功功率注入QSP、天然气系统节点注入LSP组成。
进一步的,所述耦合元件的解耦过程具体为:
将所述耦合元件在电力系统中等效为一个有功出力已知的发电机,在天然气系统中等效为一个燃气需求已知的天然气负荷,实现天然气系统和电力系统的解耦。
进一步的,所述电力系统潮流计算的方法包括:
S201、读取电网拓扑,网络参数,形成节点导纳矩阵;
S202、初始化电力系统状态变量V(0),θ(0);
S203、分别计算电力系统节点误差函数Fe(V,θ);
S204、计算电力系统节点雅可比矩阵Je;
S205、计算迭代修正量ΔV,Δθ;
S206、更新电力系统状态变量,判断电力系统节点误差函数最大值是否小于阈值;若小于,迭代到此结束,进一步计算各线路潮流和平衡节点功率,反之进入步骤S203。
进一步的,所述天然气系统潮流计算的具体方法为:
S301、根据天然气网络拓扑形成全节点-支路关联矩阵以及降阶节点-支路关联矩阵,读取管道阻力系数,计算天然气系统各个节点的净负荷,初始化节点压力;
S302、以节点压力平方为变量,求解天然气节点误差函数;
S303、计算新的节点压力平方,判断天然气节点误差函数最大值是否小于阈值;若小于,得到节点压力平方真值,进入步骤S304,否则进入步骤S302;
S304、计算得到天然气流量分布情况。
本发明在另一方面,提出了基于分立求解的综合能源系统多能流联合计算装置,包括:
构建模块,用于构建电气耦合综合能源系统多能流模型;
解耦模块,用于使用耦合元件实现天然气系统和电力系统的解耦;
电力系统潮流模块,用于解耦后运行电力系统潮流计算;
天然气系统潮流模块,用于解耦后天然气系统潮流计算;
输出模块,用于得到各类状态变量作为多能流仿真的最终结果后进行输出。
进一步的,所述构建模块包括:
天然气子模块,用于建立天然气系统模型;
电力子模块,用于建立电力系统模型;
耦合元件子模块,用于建立耦合元件的模型;
综合子模块,用于建立电气耦合综合能源系统多能流模型;定义xeg和yeg为电气耦合综合能源系统IEGS的状态变量和注入变量;
xeg=[V,θ,p]
yeg=[Psp,Qsp,Lsp]
Feg(xeg,yeg)=0
式中xeg由电力系统节点电压V、相角θ、天然气系统节点气压p组成;yeg由电力系统节点有功功率注入PSP、无功功率注入QSP、天然气系统节点注入LSP组成。
进一步的,所述解耦模块包括:
电力等效子模块,用于将所述耦合元件在电力系统中等效为一个有功出力已知的发电机;
天然气等效子模块,用于将所述耦合元件在天然气系统中等效为一个燃气需求已知的天然气负荷;
解耦子模块,用于实现天然气系统和电力系统的解耦。
进一步的,所述电力系统潮流模块包括:
矩阵子模块,用于读取电网拓扑,网络参数,形成节点导纳矩阵;
初始化子模块,用于初始化电力系统状态变量V(0),θ(0);
误差计算子模块,用于分别计算电力系统节点误差函数Fe(V,θ);
雅可比矩阵计算子模块,用于计算电力系统节点雅可比矩阵Je;
迭代子模块,用于计算迭代修正量ΔV,Δθ;
判断子模块,用于更新电力系统状态变量,判断电力系统节点误差函数最大值是否小于阈值;若小于,迭代到此结束,进一步计算各线路潮流和平衡节点功率,反之进入误差计算子模块。
进一步的,所述天然气系统潮流模块包括:
关联矩阵子模块、用于根据天然气网络拓扑形成全节点-支路关联矩阵以及降阶节点 -支路关联矩阵,读取管道阻力系数,计算天然气系统各个节点的净负荷,初始化节点压力;
节点误差子模块,用于以节点压力平方为变量,求解天然气节点误差函数;
计算并判断子模块,用于计算新的节点压力平方,判断天然气节点误差函数最大值是否小于阈值;若小于,得到节点压力平方真值,进入分布子模块,否则进入步节点误差子模块;
分布子模块,用于计算得到天然气流量分布情况。
与现有技术相比,本发明具有如下的有益效果:
本发明提出基于分立迭代的IEGS多能流计算方法,通过能源耦合部分的能量等值将多能流待求信息分配到不同能源各自的求解模块,进行分立求解,本发明所采用的方法物理意义清晰明了,计算结果准确,该方法可有效计算并很好的模拟IEGS的运行状态,是进行IEGS安全稳定性分析的基础工作,为系统安全稳定性分析提供支撑工具。
附图说明
图1为本发明实施例所列举的一个简单的天然气系统;
图2为本发明实施例中电气耦合综合能源系统分立求解算法的流程图;
图3为本发明实施例中电气耦合综合能源系统IEGS的算例。
具体实施方式
需要说明的是,在不冲突的情况下,本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
为使本发明专利的目的、特征更明显易懂,下面结合附图对本发明专利的具体实施方式作进一步的说明。需说明的是,附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比率,仅用以方便、明晰地辅助说明本发明专利实施例的目的。
本发明提供的一种基于分立求解的电气耦合综合能源系统多能流联合计算方法包括按顺序进行的下列步骤:
步骤1)建立燃气系统与电力系统模型;
步骤2)提出燃气系统与电力系统潮流计算模型;
步骤3)一种基于分立求解的电气耦合综合能源系统多能流联合计算方法。
在步骤1)中,所建立燃气系统与电力系统模型具体步骤如下:
1.1)建立天然气系统模型:
天然气系统的变量为节点天然气注入量和节点压力。天然气系统中的节点分为两种类型。一个是天然气注入量已知的节点,另一个是压力已知的节点。假定天然气气源为平衡节点,平衡节点的压力已知,天然气注入量未知。天然气负荷节点的节点天然气注入量已知,节点气压未知。
天然气管道分为带压缩机的管道和不带压缩机的管道。本发明为了研究问题的简化,暂时不考虑带有压缩机的管道。对于不带压缩机的管道,天然气节点m到天然气节点n的管道流量fmn如式(1)、(2)所示。
式中cmn为管道阻力系数,与管道的粗糙度、直径和长度有关;pm为天然气节点m的气压;pn为天然气节点n的气压;smn为符号指示函数。
对天然气系统的任意节点,流入和流出的流量必须保持平衡,如式(3)、(4)所示。
1.2)建立电力系统模型:
电力系统的模型描述如式(5)-(6)所示。
式中,为电力系统节点i的注入有功功率和无功功率;Pg,i,Qg,i为电力系统节点i上发电机的有功功率,无功功率;Pl,i,Ql,i为电力系统节点i上负荷的有功功率,无功功率;Vi,Vj为电力系统节点i,j的电压;Gij,Bij为导纳Yij的实部,虚部;θij为节点i、j之间的相角差。
1.3)建立天然气发电机的模型:
设IEGS中的所有天然气发电机可以用集合ΩNGU表示为式(9)。
ΩNGU={GU1,GU2,···,GUN} (9)
式中GUi是第i个天然气发电机;N是天然气发电机的总数目。
系统中天然气发电机的有功注入向量W表示为式(10)。
W=[PU,1,PU,2,···,PU,N] (10)
天然气发电机通过消耗天然气进行发电,其天然气消耗与发电量的关系表达为式(11)。
式中ai,bi,ci是第i个天然气发电机的消耗系数;L U,i为第i个天然气发电机的天然气消耗量。
1.4)建立电气耦合综合能源系统多能流模型:
定义xeg和yeg为IEGS的状态变量和注入变量。IEGS的多能流模型由式(1)~(11)组成,可以归纳为式(12)~(14)。
xeg=[V,θ,p] (12)
yeg=[Psp,Qsp,Lsp] (13)
Feg(xeg,yeg)=0 (14)
式中xeg由电力系统节点电压、相角、天然气系统节点气压组成;yeg由电力系统节点有功功率注入、无功功率注入、天然气系统节点注入组成。
在步骤2)中,所述建立天然气和电力系统的潮流模型具体步骤如下:
2.1)建立天然气系统潮流计算模型
根据基尔霍夫第一定律,天然气系统中任何一个节点的注入流量代数和为零。在天然气系统中,任何一个节点的净负荷(负荷需求减去天然气供应)等于流入该节点的全部流量减去流出该节点的全部流量,即式(3)-(4)用矩阵的形式可以表示为式(15)。
A1f-L=0 (15)
式中L为天然气管网中的燃气负荷矢量;A1为降阶节点-支路关联矩阵;f为支路流量矢量。
对如图1所示的一个简单的天然气系统,根据基尔霍夫第一定律,式(15)可以表达为式(16)。
A1矩阵中各元素符号规定:若支路气流流进该节点,则为正。若支路气流流出该节点,则为负。
支路两端的压力平方差用矩阵形式表示为式(17)、(18)。
ΔΠ=-ATΠ (17)
式中△Π为天然气管网中的压力平方差;Π为节点压力平方向量;A为全节点-支路关联矩阵;Πm为天然气节点m的气压平方。
对图1所示的天然气系统,式(17)可以表达为式(19)。
根据式(17)和(18),式(1)和(2)可以改写为式(20)和(21)。
式中i为支路编号。
在计算天然气系统潮流的时候,以气压的平方作为未知数,式(20)可以表达为式(22)
将式(22)代入式(15)得式(23)。
通过牛顿节点法求解式(23),即可求得天然气网络的节点气压分布,再通过式(22) 计算得到天然气流量分布。首先要给出各节点压力的初始估计值,然后通过连续修正估计值直到获得最终结果。式(23)的左边在迭代过程中不等于零,其中节点压力值只是它们真值的估计值。设Fg()为天然气节点误差函数,它是所有节点压力平方的函数。除了参考节点外,整组误差可表示成
当压力平方值接近其真值时,天然气节点误差函数将会趋向于零。牛顿节点法就是求解公式组成的方程组,直到误差小于给定阈值。用于修正节点压力平方估计值的迭代过程如式(25)。
Π(k+1)=Π(k)+(δΠ)(k) (25)
式中Π(k)为第k次迭代中的节点压力平方,(δΠ)(k)为第k次迭代中的节点压力增量。
δΠ的计算过程如式(26)。
Jg是节点雅可比矩阵,表达式如式(27)-(28)。
电力系统的状态变量初始化遵循的是“平直电压法”,即将PQ节点和平衡节点的电压设置为1,所有非平衡节点的节点相角均设为0。然而,相比于电力系统的电压相角设置,天然气系统变量的初始化需要注意初始天然气气压的设置,否则会因为潮流发散而使整个潮流计算失败。本发明的天然气节点压力设置按照以下方法进行:以气源节点为参考节点,按顺序将以后每个节点的压力减少2%进行初始化。
综上,天然气系统潮流求解过程可以描述为:
步骤一:根据天然气网络拓扑形成全节点-支路关联矩阵以及降阶节点-支路关联矩阵,读取管道阻力系数,计算天然气系统各个节点的净负荷,初始化节点压力。
步骤二:以节点压力平方为变量,代入式(24)求解天然气节点误差函数。
步骤三:根据式(25)计算新的节点压力平方,判断天然气节点误差函数最大值是否小于阈值。若小于,得到节点压力平方真值,进入步骤四,否则进入步骤二。
步骤四:通过式(22)计算得到天然气流量分布情况。
2.2)建立电力系统潮流计算模型
通过Newton-Raphson法计算电力系统潮流时,有以下的步骤:
步骤一:读取电网拓扑,网络参数,形成节点导纳矩阵。
步骤二:初始化电力系统状态变量V(0),θ(0)。
步骤三:根据式(29)分别计算电力系统节点误差函数Fe(V,θ)。
步骤四:根据式(30)计算电力系统节点雅可比矩阵Je。
步骤五:根据式(31)计算迭代修正量ΔV,Δθ。
步骤六:更新电力系统状态变量,判断电力系统节点误差函数最大值是否小于阈值。若小于,迭代到此结束,进一步计算各线路潮流和平衡节点功率,反之进入步骤三。
max|Fe(V,θ)|<ε (32)
在步骤3)中,所述的基于分立求解的电气耦合综合能源系统多能流联合计算方法, 并生成多能流计算结果的具体步骤如下:
本发明电气两系统的耦合环节为天然气发电机。天然气发电机在电力系统中往往作为PV节点处理,其有功功率是已知的,同时,天然气发电机在天然气系统中作为负荷,可以根据其输出的有功功率按式(11)计算其天然气消耗。此时天然气发电机在电力系统中等效为一个有功出力已知的发电机,在天然气系统中等效为一个燃气需求已知的天然气负荷,由此实现天然气系统和电力系统的解耦。解耦后,分别运行电力系统潮流计算以及天然气系统潮流计算,所得各类状态变量就是多能流仿真的最终结果,方法流程图如图2所示。
解耦模块:本模块用于将天然气系统潮流计算和电力系统系统潮流计算模块解耦。首先读取天然气发电机的有功出力信息,接着按式(11)计算其天然气消耗,最后更新天然气系统负荷,即对与天然气发电机相连接的天然气负荷节点,其天然气需求等于本地天然气需求加上天然气发电机的燃气需求。
电力系统潮流模块:本模块通过Newton-Raphson法计算电力系统潮流分布。首先输入节点和支路的相关信息,形成节点导纳矩阵;接着给定电压相角的初始值;然后依次计算电力系统雅克比矩阵,并更新节点电压相角值,不断迭代直到电力系统节点误差函数小于给定阈值;最后得到电力系统的状态变量。
天然气系统潮流模块:本模块通过牛顿节点法计算天然气系统潮流分布。首先根据节点和管道数据,形成支路-节点关联矩阵;接着给定气压的初始值;然后以节点压力平方为变量,依次计算天然气系统雅克比矩阵,并更新节点气压平方,不断迭代直到天然气系统节点误差函数小于给定阈值;最后得到天然气系统的状态变量。
输出模块:本模块用于输出分立求解算法中电-气耦合综合能源系统的状态变量,主要包括电力系统中所有母线节点的电压幅值和相角,线路的功率分布、功率损耗;天然气系统中各个节点的气压幅值,管道的流量分布。
应用例
本发明的应用算例由WSCC9节点电力系统和修改的6节点燃气网络通过2个天然气发电机耦合而成,EBi和GBi分别表示电网节点和燃气节点,其拓扑如图3所示。对于 WSCC系统而言,EB1为平衡节点,EB2和EB3为天然气发电机G2和G3所在的节点,为 PV节点。G2和G3连接天然气系统的GB6和GB3,两天然气发电机参数相同。天然气发电机的参数如表1所示,天然气网络的参数如表2所示。
表1天然气发电机的参数
表2天然气网络参数
首先,根据天然气发电机的有功出力计算其天然气消耗,如表3所示。
表3天然气发电机的有功出力以及天然气消耗
考虑天然气发电机的燃气需求,更新天然气网络的负荷如表4所示。至此,天然气系统的网络以及负荷需求分布就确定了。
表4天然气网络的负荷(计及天然气发电机燃气需求)
将多能流待求信息分配到不同能源的各自的求解模块。通过分立潮流计算,分别运行电力系统潮流计算以及天然气系统潮流计算程序,获得天然气网络的气压分布以及电网的节点电压相角等关键信息。
表5~表8给出了本算例的计算结果:天然气网络的气压分布如表5所示,天然气网络的流量分布如表6所示。电力系统的节点电压相角如表7所示,支路计算结果如表8 所示。
表5天然气网络的气压分布
表6天然气网络的流量分布
表7电力网络的节点电压相角
(注:有功负荷注入以向节点注入功率为正,因此发电机有功注入功率为正数,负荷有功注入功率为负数。无功注入同理,发电机作为无功电源向网络提供功率,负荷吸收无功功率,因此,发电机无功注入功率为正数,负荷无功注入功率为负数。联络节点无功率注入。)
表8电力网络的支路计算结果
可以看出,本发明所采用的方法物理意义清晰明了,计算结果准确,可以很好的模拟系统的运行特性,是进行IEGS安全稳定性分析的基础工作。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已,并不用以限制本发明,凡在本发明的精神和原则之内,所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.基于分立求解的综合能源系统多能流联合计算方法,其特征在于,包括:构建电气耦合综合能源系统多能流模型;使用耦合元件实现天然气系统和电力系统的解耦;解耦后分别运行电力系统潮流计算以及天然气系统潮流计算,得到各类状态变量作为多能流仿真的最终结果。
2.根据权利要求1所述的基于分立求解的综合能源系统多能流联合计算方法,其特征在于,所述电气耦合综合能源系统多能流模型的构建过程为:
S101、建立天然气系统模型;
S102、建立电力系统模型;
S103、建立耦合元件的模型;
S104、建立电气耦合综合能源系统多能流模型,定义xeg和yeg为电气耦合综合能源系统IEGS的状态变量和注入变量;
xeg=[V,θ,p]
yeg=[Psp,Qsp,Lsp]
Feg(xeg,yeg)=0
式中xeg由电力系统节点电压V、相角θ、天然气系统节点气压p组成;yeg由电力系统节点有功功率注入PSP、无功功率注入QSP、天然气系统节点注入LSP组成。
3.根据权利要求1所述的基于分立求解的综合能源系统多能流联合计算方法,其特征在于,所述耦合元件的解耦过程具体为:
将所述耦合元件在电力系统中等效为一个有功出力已知的发电机,在天然气系统中等效为一个燃气需求已知的天然气负荷,实现天然气系统和电力系统的解耦。
5.根据权利要求1所述的基于分立求解的综合能源系统多能流联合计算方法,其特征在于,所述天然气系统潮流计算的具体方法为:
S301、根据天然气网络拓扑形成全节点-支路关联矩阵以及降阶节点-支路关联矩阵,读取管道阻力系数,计算天然气系统各个节点的净负荷,初始化节点压力;
S302、以节点压力平方为变量,求解天然气节点误差函数;
S303、计算新的节点压力平方,判断天然气节点误差函数最大值是否小于阈值;若小于,得到节点压力平方真值,进入步骤S304,否则进入步骤S302;
S304、计算得到天然气流量分布情况。
6.基于分立求解的综合能源系统多能流联合计算装置,其特征在于,包括:
构建模块,用于构建电气耦合综合能源系统多能流模型;
解耦模块,用于使用耦合元件实现天然气系统和电力系统的解耦;
电力系统潮流模块,用于解耦后运行电力系统潮流计算;
天然气系统潮流模块,用于解耦后天然气系统潮流计算;
输出模块,用于得到各类状态变量作为多能流仿真的最终结果后进行输出。
7.根据权利要求6所述的基于分立求解的综合能源系统多能流联合计算装置,其特征在于,所述构建模块包括:
天然气子模块,用于建立天然气系统模型;
电力子模块,用于建立电力系统模型;
耦合元件子模块,用于建立耦合元件的模型;
综合子模块,用于建立电气耦合综合能源系统多能流模型;定义xeg和yeg为电气耦合综合能源系统IEGS的状态变量和注入变量;
xeg=[V,θ,p]
yeg=[Psp,Qsp,Lsp]
Feg(xeg,yeg)=0
式中xeg由电力系统节点电压V、相角θ、天然气系统节点气压p组成;yeg由电力系统节点有功功率注入PSP、无功功率注入QSP、天然气系统节点注入LSP组成。
8.根据权利要求6所述的基于分立求解的综合能源系统多能流联合计算装置,其特征在于,所述解耦模块包括:
电力等效子模块,用于将所述耦合元件在电力系统中等效为一个有功出力已知的发电机;
天然气等效子模块,用于将所述耦合元件在天然气系统中等效为一个燃气需求已知的天然气负荷;
解耦子模块,用于实现天然气系统和电力系统的解耦。
10.根据权利要求6所述的基于分立求解的综合能源系统多能流联合计算装置,其特征在于,所述天然气系统潮流模块包括:
关联矩阵子模块、用于根据天然气网络拓扑形成全节点-支路关联矩阵以及降阶节点-支路关联矩阵,读取管道阻力系数,计算天然气系统各个节点的净负荷,初始化节点压力;
节点误差子模块,用于以节点压力平方为变量,求解天然气节点误差函数;
计算并判断子模块,用于计算新的节点压力平方,判断天然气节点误差函数最大值是否小于阈值;若小于,得到节点压力平方真值,进入分布子模块,否则进入步节点误差子模块;
分布子模块,用于计算得到天然气流量分布情况。
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