CN112698583A - 一种综合能源仿真方法和仿真系统 - Google Patents
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Abstract
本发明实施例涉及综合能源技术领域，特别涉及一种综合能源仿真方法和仿真系统。综合能源仿真方法，包括：根据预先构造的电力仿真模型库，搭建电力网络系统模型；根据预先构造的热力仿真模型库，搭建非电网络系统模型；将所述电力网络系统模型和所述非电网络系统模型进行耦合关联，获取综合能源系统模型；根据预设的仿真参数和控制算法，运行所述综合能源系统模型，获取仿真运行数据。应用于综合能源系统仿真过程中，实现精确模拟综合能源系统运行特征。
Description
技术领域
本发明实施例涉及综合能源技术领域，特别涉及一种综合能源仿真方法和仿真系统。
背景技术
当前，为实现多元化能源阶梯利用，加快推进多能互补示范工程，提高系统效率，满足负荷需求，综合能源系统建设主要有两种模式：一、面向用户终端冷、热、电、气多种用能负荷需求，因地制宜、统筹开发、互补利用传统能源和新能源，优化布局建设分布式能源设施和智能微电网，实现多能流协同供应和能源阶梯利用；二、利用风能、太阳能、水能、煤炭、天然气、储能等资源组合的优势，提高清洁能源的消纳能力，推进可再生新能源多能互补系统的建设运行，增强能源网络的经济性和稳定性。
目前人们大多通过数学建模软件搭建全数字综合能源系统仿真模型，实现设备模型搭建和控制策略的验证。如使用Matlab/Simulink仿真工具仿真建模综合能源系统，采用等效的线性方程、代数边界条件或基于自定义指标算法的仿真设定数据，通过约束算法得出理想的结果。
然而，这种方法存在的主要问题是Matlab/Simulink建模软件在针对冷、热、气等非电部分的仿真建模缺少物理模型或工具包，无法精确模拟这些网络的动态物理特性。整个系统的仿真脱离了实际综合能源系统的耦合运行特征，无法准确反映实际状态，仿真精度低。
发明内容
本发明实施方式的目的在于提供一种综合能源仿真方法和仿真系统，精确模拟综合能源系统运行特征，提高仿真精度。
为解决上述技术问题，本发明的实施方式提供了一种综合能源仿真方法，包括：根据预先构造的电力仿真模型库，搭建电力网络系统模型；根据预先构造的热力仿真模型库，搭建非电网络系统模型；将所述电力网络系统模型和所述非电网络系统模型进行耦合关联，获取综合能源系统模型；根据预设的仿真参数和控制算法，运行所述综合能源系统模型，获取仿真运行数据。
本发明的实施方式还提供了一种综合能源仿真系统，包括：
综合能源模型库，包含电力仿真模型库和热力仿真模型库，用于根据所述电力仿真模型库和所述热力仿真模型库，搭建电力网络系统模型和非电网络系统模型，将所述电力网络系统模型和所述非电网络系统模型进行耦合关联，获取综合能源系统模型；
综合能源仿真平台，用于根据预设的仿真参数和控制算法，运行所述综合能源模型库搭建的综合能源系统模型，获取仿真运行数据。
本发明实施方式相对于现有技术而言，通过构建电力网络系统模型和非电网络系统模型，将两个网络系统模型耦合关联，获取综合能源系统模型，基于综合能源系统模型仿真运行获取仿真运行数据，解决了因电力系统与热力系统之间时间尺度不同、工作机理复杂多样等因素导致的无法准确反映实际综合能源系统运行状态，仿真精度低的问题。
另外，本发明实施方式提供的综合能源仿真方法，所述根据预先构造的电力仿真模型库，搭建电力网络系统模型，包括：根据所述预先构造的电力仿真模型库，选取电力设备模型和线路模型；配置电力设备参数和线路参数，完成所述电力网络系统模型的搭建。使得用户无需进行大量的代码和算法编写，通过配置设备参数和线路参数，即可完成高解耦和高精度的冷、热、气网络系统模型构建，节约了开发时间。
另外，本发明实施方式提供的综合能源仿真方法，所述根据预先构造的热力仿真模型库，搭建非电网络系统模型，包括：根据所述预先构造的热力仿真模型库，选取非电设备模型和管路模型；根据所述管路模型中传输的流动工质获取流动工质参数，通过所述流动工质参数和能量转换原理对所述非电设备模型进行耦合关联；配置非电设备参数和管路参数，完成所述非电网络系统模型的搭建。通过传输的热力工质获取热力工质参数，对非电设备模型进行耦合关联，使得非电网络系统模型更符合实际运行状态，从而提高仿真精度。
另外，本发明实施方式提供的综合能源仿真方法，所述将所述电力网络系统模型和所述非电网络系统模型进行耦合关联，获取综合能源系统模型，包括：获取所述非电网络系统模型对外输出轴功和流动工质热力状态；获取所述电力网络系统模型输入轴功和电力参数；根据所述非电网络系统模型对外输出轴功、所述非电网络系统模型流动工质热力状态、所述电力网络系统模型输入轴功和所述电力网络系统模型电力参数，通过机械传动原理将所述电力网络系统模型和所述非电网络系统模型进行耦合关联，获取所述综合能源系统模型。通过机械传动原理耦合电力设备与非电设备，解决因电力系统与热力系统之间时间尺度不同、工作机理复杂多样等因素导致的无法准确反映实际综合能源系统运行状态，仿真精度低的问题。
另外，本发明实施方式提供的综合能源仿真系统，所述电力仿真模型库，包含电力设备模型和线路模型，所述线路模型用于连接各电力设备模型，所述线路模型中传输电力信号；所述热力仿真模型库，包含非电设备模型和管路模型，所述管路模型用于连接各非电设备模型，所述管路模型中传输热力工质的热力信号。电力设备之间通过线路模型，将电力设备相互连接，仿真电磁暂态运行状态；非电设备之间通过管路模型，将制冷设备、供热设备、燃气供应、冷热气负荷相互连接，仿真流动工质的热力特性。
附图说明
一个或多个实施例通过与之对应的附图中的图片进行示例性说明，这些示例性说明并不构成对实施例的限定，附图中具有相同参考数字标号的元件表示为类似的元件，除非有特别申明，附图中的图不构成比例限制。
图1是本发明的第一实施方式提供的综合能源仿真方法的流程图；
图2是本发明的第二实施方式提供的综合能源仿真方法的流程图；
图3是本发明的第三实施方式提供的综合能源仿真方法的流程图；
图4是本发明的第四实施方式提供的综合能源仿真系统的结构示意图一；
图5是本发明的第四实施方式提供的综合能源仿真系统中综合能源模型库401的结构示意图一；
图6是本发明的第四实施方式提供的综合能源仿真系统中综合能源模型库401的结构示意图二。
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，下面将结合附图对本发明的各实施方式进行详细的阐述。然而，本领域的普通技术人员可以理解，在本发明各实施方式中，为了使读者更好地理解本申请而提出了许多技术细节。但是，即使没有这些技术细节和基于以下各实施方式的种种变化和修改，也可以实现本申请所要求保护的技术方案。以下各个实施例的划分是为了描述方便，不应对本发明的具体实现方式构成任何限定，各个实施例在不矛盾的前提下可以相互结合相互引用。
本发明的第一实施方式涉及一种综合能源仿真方法，具体流程如图1所示，包括：
步骤101，根据预先构造的电力仿真模型库，搭建电力网络系统模型。
具体地说，预先构造的电力仿真模型库可以包括光伏电站、风力电站、发电机、充电桩、蓄电池、变压器、虚拟同步机等新能源发电设备及电气设备。而电力网络系统模型可以包括一套光伏发电设备、一套风力发电设备、一套锂电池储能设备、一套柴油机发电设备和一套电力负荷模型等，以及配电网络中的变压器、线路模型等。当然以上仅为具体的举例说明，实际使用时还可以根据用户仿真或设计需求包含其他设备。
步骤102，根据预先构造的热力仿真模型库，搭建非电网络系统模型。
具体地说，预先构造的热力仿真模型库可以包括冷水机组、空调、光热电站、相变蓄热、锅炉、燃气内燃机等非电设备。而非电网络系统模型可以包括一套CCHP冷热电三联供、一套热泵设备、一套蓄冷蓄热储能设备以及冷水、热水、天然气管网和负荷模型等。当然以上仅为具体的举例说明，实际使用时还可以根据用户仿真或设计需求包含其他设备。
步骤103，将电力网络系统模型和非电网络系统模型进行耦合关联，获取综合能源系统模型。
具体地说，电力网络系统模型中传输电力信号，比如：电流、电压、功率等电力信号，而非电网络系统模型中传输流动工质的热力信号，比如：压力、温度、流量等，流动工质主要包括水、燃油、天然气等。由于电力网络系统模型和非电网络系统模型传输信号不同，各模型的结构也不同，因此，在获取综合能源系统模型时不能简单地将两个模型直接进行连接，而是需要进行耦合关联处理。
步骤104，根据预设的仿真参数和控制算法，运行综合能源系统模型，获取仿真运行数据。
在本实施方式中，可以根据用户实际仿真或设计要求，设置仿真参数和控制算法。仿真参数可以包括发电量、供热量、制冷量、燃气供给量、余热利用量、光照强度、风速等仿真参数。控制算法可以是能量转换效率最优、新能源发电优先消纳、系统经济性最优等控制算法中的一种或多种的结合。
具体地说，在通过控制算法运行综合能源系统模型获取仿真运行数据时，需要设定多时间解算步长，多时间尺度解算步长是根据综合能源多能系统的特性，模型中各个设备时间惯性不同，计算需要的收敛时间和计算资源不同。如电力系统为50Hz电路，需要解算步长通常为微秒级；冷、热、气、机械的解算步长通常为秒级或数百毫秒级，如果用相同的步长计算，需要大量计算成本，浪费过多的计算资源。不同收敛特性的设备，其控制算法的步长也有很大差别，在与现实设备匹配过程中，需要不同的解算步长以准确模拟综合能源不同机理设备的运行特性。不同时间尺度在评价算法效果和反映系统稳定性、安全性具有重要意义。
需要说明的是，本实施方式中的综合能源系统模型可以离线在普通PC机上运行，也可以将综合能源系统模型在实时仿真目标机上运行，获取实时仿真运行数据。实时仿真目标机为实时仿真技术专用硬件设备，广泛用于半实物系统和数字孪生领域，包括RT-LAB、NI、speedgoat、dSPACE等实时仿真设备，其特点是利用实时运行代码在实时仿真目标机中计算，具有实时性。
进一步地，在实时仿真过程中可以动态调节燃气供应流量、光照强度、电池充放电功率、冷热电气负荷大小等各类能源的供应及传输效率，可得到不同拓扑容量及不同运行工况下的综合能源系统。
本发明实施方式相对于现有技术而言，通过构建电力网络系统模型和非电网络系统模型，将两个网络系统模型耦合关联，获取综合能源系统模型，基于综合能源系统模型仿真运行获取仿真运行数据，解决了因电力系统与热力系统之间时间尺度不同、工作机理复杂多样等因素导致的无法准确反映实际综合能源系统运行状态，仿真精度低的问题。
本发明的第二实施方式涉及一种综合能源仿真方法，该方法与第一实施方式提供的综合能源仿真方法基本相同，其区别在于，如图2所示，步骤101包括：
步骤201，根据预先构造的电力仿真模型库，选取电力设备模型和线路模型。
步骤202，配置电力设备参数和线路参数，完成电力网络系统模型的搭建。
具体地说，在对电力设备模型和线路模型配置对应参数时，可以单独针对某个具体设备进行配置，也可以针对电力网络系统模型进行整体统一配置，甚至于可以对整个综合能源系统模型进行统一配置。参数配置方式多样可以灵活选择，当然也可选择不进行参数配置，选择默认参数。
另外，如图2所示，步骤102包括：
步骤203，根据预先构造的热力仿真模型库，选取非电设备模型和管路模型。
具体地说，模型库中多种元器件模型具备通用性，与真实设备中的物理部件对应。如太阳能吸收模型，同时适用于光伏和光热的太阳能吸收转换板；换热器模型，适用于余热锅炉、缸套水换热器、冷却器、蒸发器等设备或部件。透平模型，适用于燃气轮机、蒸汽轮机等叶轮机械设备。
步骤204，根据管路模型中传输的流动工质获取流动工质参数，通过流动工质参数和能量转换原理对非电设备模型进行耦合关联。
具体地说，电力网络系统模型和非电网络系统模型之间需要耦合关联，而非电网络系统模型内部也需要进行耦合关联，这是由于非电网络系统模型包括了冷、热、气中的一种或多种网络系统。比如：制冷制热设备中热力工质为氟利昂、氨、水、天然气、不同比例的混合物等，热力仿真模型库中内置了各种流动工质参数表，取自国内外标准与技术研究机构的权威数据(如NIST)。根据管路模型中传输的流动工质(水、制冷剂、燃气等)，获取流动工质的温度、流量、压力、比热、粘度、焓、熵等参数。基于能量转换原理对非电设备模型进行耦合关联。
需要说明的是，国内外同一系统内部耦合，普遍为能量流计算，连接线中是功率的产生或消耗，对于电功率是具有物理意义的，但对于冷热气设备，流动的是完整的热力工质(水、制冷剂、燃气等)，需要计算的是工质的温度、流量、压力、比热、粘度、焓、熵等参数，这种耦合方式能准确反映实际综合能源系统的耦合运行特征。
步骤205，配置非电设备参数和管路参数，完成所述非电网络系统模型的搭建。
具体地说，在对非电设备模型和管路模型配置对应参数时，可以单独针对某个具体设备进行配置，也可以针对非电网络系统模型进行整体统一配置。参数配置方式多样可以灵活选择，当然也可选择不进行参数配置，选择默认参数。
本发明实施方式相对于现有技术而言，在达到第一实施方式带来的有益效果基础上，配置设备参数和线路参数/管路参数，即可完成网络系统模型的搭建，使得用户无需进行大量的代码和算法编写，通过配置参数，即可完成高解耦和高精度的冷、热、电、气网络系统模型构建，节约了开发时间。
本发明的第三实施方式涉及一种综合能源仿真方法，该方法与第一实施方式提供的综合能源仿真方法基本相同，其区别在于，如图3所示，步骤103包括：
步骤301，获取非电网络系统模型对外输出轴功和流动工质热力状态。
步骤302，获取电力网络系统模型输入轴功和电力参数。
步骤303，根据非电网络系统模型对外输出轴功、非电网络系统模型出流动工质热力状态、电力网络系统模型输入轴功和电力网络系统模型电力参数，通过机械传动原理将所述电力网络系统模型和所述非电网络系统模型进行耦合关联，获取所述综合能源系统模型。
在本实施方式中，以原动机和发电机(非电系统与电力系统)为例说明非电网络系统模型和电力网络系统模型间的耦合方法，原动机通过计算燃料燃烧加热进入叶轮机械做功的流动工质，通过原动机转速、扭矩、结构参数、修正系数、出口背压、工质热力性能等，计算对外输出轴功与出口工质流动状态。通过轴功扭矩、传动系数将能量传输至电动机转轴，发电机根据自身机械结构、电压、电流、频率的控制特性，计算发电机的输入轴功和电力参数，然后通过机械传动原理将原动机和发电机进行耦合关联。进一步地，可以将实际控制策略结合至模型中。如转速过高或处理过大时，降低燃料量，控制燃料空气在不同功率范围掺混比，对实际工质的相变、损失、流动特性均有复杂的相互影响关系。
需要说明的时，电力网络系统和非电网络系统耦合是双向的，电力网络系统运行变化可以影响非电网络系统，非电网络系统运行状态变化也可以影响电力网络系统。闭环耦合的同时，预留开环信号接口，用以获取运行数据，以便根据运行状况实时调整电力网络系统或非电网络系统相关参数。
本发明实施方式相对于现有技术而言，在达到第一实施方式带来的有益效果基础上，电气设备之间通过线路模型，将电力电子设备相互连接，仿真电磁暂态运行状态；非电设备之间通过管路模型，将制冷设备、供热设备、燃气供应、冷热气负荷相互连接，仿真流动工质的热力特性。通过机械传动原理耦合电力设备与非电设备，解决因电力系统与热力系统之间时间尺度不同、工作机理复杂多样等因素导致的无法准确反映实际综合能源系统运行状态，仿真精度低的问题。
另外，上面各种方法的步骤划分，只是为了描述清楚，实现时可以合并为一个步骤或者对某些步骤进行拆分，分解为多个步骤，只要包括相同的逻辑关系，都在本专利的保护范围内；对算法中或者流程中添加无关紧要的修改或者引入无关紧要的设计，但不改变其算法和流程的核心设计都在该专利的保护范围内。
本发明的第四实施方式涉及一种综合能源仿真系统，如图4所示，包括：
综合能源模型库401，包含电力仿真模型库402和热力仿真模型库403，用于根据所述电力仿真模型库402和所述热力仿真模型库403，搭建电力网络系统模型和非电网络系统模型，将所述电力网络系统模型和所述非电网络系统模型进行耦合关联，获取综合能源系统模型；
综合能源仿真平台404，用于根据预设的仿真参数和控制算法，运行所述综合能源模型库401搭建的综合能源系统模型，获取仿真运行数据。
具体来说，综合能源模型库401的最小粒度是微分代数方程、常微分方程和离散事件模型(这里包括戴维南等效、诺顿等效、等熵、绝热、等压等电气、机械、热力方向的物理方程)，由最小粒度组成元件(这里包括电阻、电机、压缩机、透平、阀门等通用的元器件)，再由元件通过热力、电气、机械、控制等多学科物理方程和边界约束组成设备模型。
需要说明的是，本实施方式中的综合能源仿真平台404，既可以包括离线运行综合能源系统模型的普通PC机，也可以包括能实时仿真运行综合能源系统模型的实时仿真目标机，比如：RT-LAB、NI、speedgoat、dSPACE等实时仿真设备。
进一步地，如图5所示，综合能源模型库401，还包含：
参数传输接口501，用于统一对综合能源系统模型进行参数配置。
算法下发接口502，用于统一对综合能源系统模型进行控制算法配置。
系统耦合接口503，用于统一对综合能源系统模型进行系统耦合处理。
分析评价算法504，用于根据综合能源系统模型仿真运行数据，自动分析评价综合能源系统模型。
当然，以上所有接口都可以包含各种子接口，用于单独对各网络系统模型或各设备模型进行配置处理。
进一步地，如图6所示，电力仿真模型库402包括：
电力设备模型601，用于提供搭建电力网络系统模型的设备模型；
线路模型602，用于连接各电力设备模型。
热力仿真模型库403包括：
非电设备模型603，用于提供搭建非电网络系统模型的设备模型；
管路模型604，用于连接各非电设备模型。
具体来说，电力设备模型601可以包括光伏电站、风力电站、发电机、充电桩、蓄电池、变压器、虚拟同步机等新能源发电设备及电气设备。非电设备模型603可以包括冷水机组、空调、光热电站、冰蓄冷、锅炉、燃气内燃机等非电设备。
不难发现，本实施方式中的模块为与第一实施方式相对应的系统实施例，因此本实施方式可与第一实施方式互相配合实施。第一实施方式中提到的相关技术细节在本实施方式中依然有效，为了减少重复，这里不再赘述。相应地，本实施方式中提到的相关技术细节也可应用在第一实施方式中。
需要说明的是，本实施方式所描述的综合能源仿真系统，可模拟综合能源系统的多种运行工况，包括启动、稳定运行、故障和极端非设计工况的模拟，对混合模型的控制策略和算法进行全方位的测试和验证。通过执行多种运行策略，改变系统运行状态，根据模型提供的运行监测接口，分析处理输出结果即可验证策略的执行效果和系统运行状态。
另外，还可以开展多场景多用户类型综合能源系统的建模和研究。根据不同场景的拓扑结构、用能特点以及设备型号，自定义开发对应场景的控制优化策略，并完成相关算法测试和验证，极大地提高综合能源系统的设计、开发、验证效率，增强控制策略和算法的扩展性。
本领域的普通技术人员可以理解，上述各实施方式是实现本发明的具体实施例，而在实际应用中，可以在形式上和细节上对其作各种改变，而不偏离本发明的精神和范围。
Claims (10)
1.一种综合能源仿真方法，其特征在于，包括：
根据预先构造的电力仿真模型库，搭建电力网络系统模型；
根据预先构造的热力仿真模型库，搭建非电网络系统模型；
将所述电力网络系统模型和所述非电网络系统模型进行耦合关联，获取综合能源系统模型；
根据预设的仿真参数和控制算法，运行所述综合能源系统模型，获取仿真运行数据。
2.根据权利要求1所述的综合能源仿真方法，其特征在于，所述根据预先构造的电力仿真模型库，搭建电力网络系统模型，包括：
根据所述预先构造的电力仿真模型库，选取电力设备模型和线路模型；
配置电力设备参数和线路参数，完成所述电力网络系统模型的搭建。
3.根据权利要求1所述的综合能源仿真方法，其特征在于，所述根据预先构造的热力仿真模型库，搭建非电网络系统模型，包括：
根据所述预先构造的电热力仿真模型库，选取非电设备模型和管路模型；
根据所述管路模型中传输的热力工质获取流动工质参数，通过所述流动工质参数和能量转换原理对所述非电设备模型进行耦合关联；
配置非电设备参数和管路参数，完成所述非电网络系统模型的搭建。
4.根据权利要求1所述的综合能源仿真方法，其特征在于，所述将所述电力网络系统模型和所述非电网络系统模型进行耦合关联，获取综合能源系统模型，包括：
获取所述非电网络系统模型对外输出轴功和流动工质热力状态；
获取所述电力网络系统模型输入轴功和电力参数；
根据所述非电网络系统模型对外输出轴功、所述非电网络系统模型流动工质热力状态、所述电力网络系统模型输入轴功和所述电力网络系统模型电力参数，通过机械传动原理将所述电力网络系统模型和所述非电网络系统模型进行耦合关联，获取所述综合能源系统模型。
5.根据权利要求1所述的综合能源仿真方法，其特征在于，所述方法还包括：
根据预设的仿真参数和控制算法，将所述综合能源系统模型在实时仿真目标机上运行，搭建综合能源系统实时仿真平台，获取实时仿真运行数据。
6.一种综合能源仿真系统，其特征在于，包括：
综合能源模型库，包含电力仿真模型库和热力仿真模型库，用于根据所述电力仿真模型库和所述热力仿真模型库，搭建电力网络系统模型和非电网络系统模型，将所述电力网络系统模型和所述非电网络系统模型进行耦合关联，获取综合能源系统模型；
综合能源仿真平台，用于根据预设的仿真参数和控制算法，运行所述综合能源模型库搭建的综合能源系统模型，获取仿真运行数据。
7.根据权利要求6所述的综合能源仿真系统，其特征在于，所述综合能源模型库还包括：参数传输接口、算法下发接口、系统耦合接口。
8.根据权利要求6所述的综合能源仿真系统，其特征在于，
所述电力仿真模型库，包含电力设备模型和线路模型，用于搭建电力网络系统模型，所述线路模型用于连接各电力设备模型，所述线路模型中传输电力信号；
所述热力仿真模型库，包含非电设备模型和管路模型，用于搭建非电网络系统模型，所述管路模型用于连接各非电设备模型，所述管路模型中传输热力工质的热力信号。
9.根据权利要求6所述的综合能源仿真系统，其特征在于，
所述综合能源模型库支持内置于MATLAB或Simulink中使用。
10.根据权利要求6所述的综合能源仿真系统，其特征在于，
所述综合能源模型库，包含分析评价算法，用于根据所述综合能源系统模型仿真运行数据，自动分析评价所述综合能源系统模型。
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| Title |
|---|
| 常晓勇 等: "电力-天然气综合能源系统建模与仿真", 《浙江电力》, vol. 37, no. 7, pages 13 - 18 * |
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