CN112994020A - 一种多能源系统潮流分解计算方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种多能源系统潮流分解计算方法，对能源系统的功率流进行了解耦分解，首先建立了多能源系统下电力、燃气和热力子网络的数学模型；其次，建立了能量耦合设备模型，根据耦合设备模型更新燃气发电机的耗气量、燃气锅炉和热电联产的耗气量、热泵的耗电量和燃气压缩机消耗电功率；然后，对解耦后的电力子网采用全纯嵌入法进行求解，对解耦后的热力子网采用图论法进行求解，对解耦后的燃气子网采用牛顿‑拉夫逊法进行求解；最后，判断计算结果是否达标，若达标，则完成潮流计算；若不达标，则采用更新后耦合设备值重新计算。本发明所述计算方法无需大规模雅可比矩阵计算，计算量少，无需多次迭代，可靠性高，计算更简便快捷。
Description
技术领域
本发明涉及一种多能源系统潮流分解计算方法，属于综合能源系统领域。
背景技术
随着社会经济快速发展和城市化进程的不断深入，能源消费与生态保护、能源设施建设与空间局限的矛盾日益凸显，在此环境下，研究高效、经济、清洁的能源系统已经成为了促进未来能源发展的重要手段。综合能源系统(IES，Integrated Energy System)作为电-气-热等多类能源形式生产与利用的主要形式，能够实现对多种能源的综合调控。通过对IES进行深入分析，从而进行多能源潮流计算已经成为了相关领域研究的重中之重，是提高能源利用效率、减少环境污染的基础和前提。
现如今，针对复杂大型的IES，主要采用两种方法来进行多能源超流计算。一种是将气筒全部模型、方程联立后实现一次性求解；另一种方法是利用解耦的思想，将系统划分成多个子系统独立求解。这两种方法都采用牛顿-拉夫逊法对非线性方程组进行求解，需要计算大量的雅可比矩阵并进行多次迭代，在解决大型IES潮流问题上的效率较低。
发明内容
发明目的：本发明旨在提供一种计算量少、可靠性高并计算速度快的多能源系统潮流分解计算方法。
技术方案：本发明所述多能源系统潮流分解计算方法，包括以下步骤：
步骤一：对功率流进行解耦分解，建立多能源系统下电力、燃气和热力子网络的数学模型；
步骤二：建立能量耦合设备模型，根据耦合设备模型更新燃气发电机的耗气量、燃气锅炉和热电联产的耗气量、热泵的耗电量和燃气压缩机消耗电功率；
步骤三：对解耦后的电力子网采用全纯嵌入法进行求解；
步骤四：对解耦后的热力子网采用图论法进行求解，图论法的计算量较少；
步骤五：对解耦后的燃气子网采用牛顿-拉夫逊法进行求解；
步骤六：判断计算结果是否达标，若达标，则完成潮流计算；若不达标，则采用更新后耦合设备值重新计算。
进一步的，步骤一中所述电力子网的数学模型包括有功功率和无功功率平衡方程如下：
其中，
为发电机的有功和无功功率，
为在热电联产机组的有功和无功功率，
为并联电容器注入的无功功率，
为节点i的有功和无功功率，
为热泵以及燃气压缩机消耗的电功率，
为节点ij 之间线路的传递功率，Vi，Vj为节点i和j的电压，Yij为节点ij之间线路的导纳， N为节点数量。
进一步的，步骤一中所述燃气子网的数学模型为：
其中，
为节点的注入气体流量，
分别为节点i的气体负荷流量、燃气发电机的耗气量、热电联产机组的耗气量、锅炉的耗气量和燃气压缩机消耗的气体流量，Fij为第i个节点和第j个节点之间管道气体流量。
进一步的，所述管道气体流量的计算公式为：
其中，符号函数sign为流向判断函数，记i流向j为正；pi和pj分别为节点i 和j的压强，Hp，ij是管道坡度修正系数，Cij为节点i和j间的管道常数。
进一步的，步骤一中所述热力子网的数学模型为：
φ＝Cpmq(Ts-To) (5)
(∑mout)Tout＝∑(minTin) (7)
其中，φ为节点的注入热功率；Cp为水的比热容；Ts为节点的供热温度；To为节点的出口温度；mq为源和负载的注入质流量；Tend为管道末端温度；Tstart为管道首端温度；Ta为环境温度；λ为热传导系数；m为节点之间通过管道的质量流量；L是管道的长度；mout为流出节点的支路的流量；min为流入节点的支路的流量；Tout为流出节点的支路的热水温度；Tin为流入节点的支路的热水温度；
和
分别为锅炉和热电联产机组的热功率；
为所需求的热功率；
为i节点与各节点之间的传递热功率。
进一步的，步骤二中所述燃气发电机耗气量为：
其中，x1-x5为发电机耗量特性参数，GHV为总发热功率值，
为燃气发电机组的有功功率，
为电功率最小值；
所述热电联产的耗气量为：
其中，ηCHP为CHP的效率；
所述热泵电功率与热功率的关系为：
φH＝KCOPPH (11)
其中，φH和PH分别为热泵的热输出功率与电功率，KCOP为热泵的制冷系数；
燃气压缩机的耗气量与电功率关系为：
其中，Pi comp为压缩机消耗的电功率，Qgas为单位体积天然气的燃烧热值；
进一步的，步骤三中所述全纯嵌入法进行求解包括以下步骤：
a)：构建功率平衡方程的全纯嵌入形式潮流模型如下：
其中，s为嵌入的复数参数，Si为节点i的功率，Yij，tarns为串联支路导纳， Yi，shunt为节点i自导纳，Vj(s)为节点j的电压函数，Vi(s)为节点i的电压函数，Vi *(s*)为电压共轭函数；
b)：针对步骤a中构建的全纯嵌入形式潮流模型，将其展开为麦克劳林幂级数，并比较同级幂系数，构建电力系统潮流的幂级数求解模型，可得递归关系如下：
其中，n为幂级数阶次，Vj(n)为节点j电压幂级数sn的系数，Vi[n-1]为节点i电压幂级数sn-1的系数，Wi *[n-1]为根据Wi(s)Vi(s)＝1推演出的Vi[n-1] 倒数的共轭，进一步的，初始解是在无负载、无发电机和无并联支路的初始条件下系统的稳态解，即可在嵌入式潮流方程中，通过令s＝0求得；
c)：根据步骤b得到的幂级数系数进行有理函数逼近的PA计算，令嵌入复变量s＝1，得到潮流方程的近似解；
d)：判断是否满足终止条件，若满足则步骤c所得解为稳态解，若不满足则增加幂级数项数和PA阶数，重复步骤b和步骤c，直到满足终止条件。
进一步的，步骤四中所述图论法的矩阵元素为在潮流计算过程中不变化的常量。
进一步的，所述潮流计算过程中只计算一次关联矩阵的逆矩阵：
AHmH＝mq (15)
其中，mH为热力管道质流量，mH为热力管道质流量，AH为热力网络的节点 -支路关联矩阵。
有益效果：与现有技术相比，本发明具有如下显著优点：针对不同能源对应的子网采用不同的求解方法，充分考虑了各设备之间的耦合关系；不需要进行大规模雅可比矩阵计算，减少了计算量和计算时间；对电力子网采用的全纯嵌入方法不需要进行多次迭代，更高效可靠；图论法消去了电热网络中的非恒定雅可比矩阵，计算更简便快速。
附图说明
图1为本发明系统结构示意图；
图2为本发明解耦后潮流计算流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案作进一步说明。
如图1所示，本发明所提供的多能源系统潮流分解计算方法，对能源系统的功率流进行了解耦分解，首先建立了多能源系统下电力、燃气和热力子网络的数学模型；其次，建立了能量耦合设备模型，根据耦合设备模型更新燃气发电机的耗气量、燃气锅炉和热电联产的耗气量、热泵的耗电量和燃气压缩机消耗电功率；然后，对解耦后的电力子网采用全纯嵌入法进行求解，对解耦后的热力子网采用图论法进行求解，图论法的计算量较少，对解耦后的燃气子网采用牛顿-拉夫逊法进行求解；最后，判断计算结果是否达标，若达标，则完成潮流计算；若不达标，则采用更新后耦合设备值重新计算。
进一步的，电力子网模型为：
式中，
为发电机的有功和无功功率；
为在热电联产机组的有功和无功功率；
为并联电容器注入的无功功率；
为节点i的有功和无功功率；
为热泵以及燃气压缩机消耗的电功率；
为节点i 和j之间线路的传递功率；Vi，Vj为节点i和j的电压；Yij为节点i和j之间的导纳；N为节点数量。
燃气子网模型为：
式中，
为节点的注入气体流量；
分别为节点i的气体负荷流量、燃气发电机的耗气量、热电联产机组的耗气量、锅炉的耗气量和燃气压缩机消耗的气体流量；Fij为第i个节点和第j个节点之间管道气体流量，由以下公式计算：
式中，符号函数sign为流向判断函数，记i流向j为正；pi和pj分别为节点i 和j的压强；Hp，ij是管道坡度修正系数；Cij为节点i和j间的管道常数。
热力子网模型为：
φ＝Cpmq(Ts-To) (5)
(∑mout)Tout＝∑(minTin) (7)
式中，φ为节点的注入热功率；Cp为水的比热容；Ts为节点的供热温度；To为节点的出口温度；mq为源和负载的注入质流量；Tend为管道末端温度；Tstart为管道首端温度；Ta为环境温度；λ为热传导系数；m为节点之间通过管道的质量流量；L是管道的长度；mout为流出节点的支路的流量；min为流入节点的支路的流量；Tout为流出节点的支路的热水温度；Tin为流入节点的支路的热水温度；
和
分别为锅炉和热电联产机组的热功率；
为所需求的热功率；
为i节点与各节点之间的传递热功率。
对各子网之间耦合设备进行进一步分析，电热耦合所用耦合设备为热泵，电气耦合所用设备为燃气发电机和燃气压缩机，热气耦合所用耦合设备为燃气锅炉，电热器耦合所用耦合设备为CHP。
燃气发电机消耗的燃料量为：
式中，x1-x5发电机耗量特性参数；GHV为总发热功率值；
为燃气发电机组的有功电功率；
为电功率最小值。
CHPs消耗的天然气量如下式：
式中，ηCHP为CHP机组的效率。
热泵电功率与热功率关系如下式：
φH＝KCOPPH (11)
式中，φH和PH分别为热泵的热输出功率与电功率；KCOP为热泵的制冷系数。
燃气压缩机的耗气量与电功率关系如下：
式中，Pi comp为压缩机消耗的电功率；Qgas为单位体积天然气的燃烧热值。
如图2所示，对解耦后的潮流计算过程如下：
步骤一：对解耦后的电力子网用全纯嵌入法进行求解，包括以下四个基本步骤：
a)：构造功率平衡方程的全纯嵌入形式：
式中，s为嵌入的复数参数；Si为节点i的功率；Yij，trans为串联支路导纳；Yi，shunt为节点i自导纳；Vj(s)为节点k的电压函数；Vi(s)为节点i的电压函数；Vi *(s*)为电压共轭函数。
b)：通过递归法求各状态变量幂级数系数
针对所构建的全纯潮流模型，将全纯函数展开为麦克劳林幂级数，并比较同次幂系数，构建电力系统潮流的幂级数求解模型，可得递归关系如下式：
式中，n为幂级数阶次，Vj(n)为节点j电压幂级数sn的系数；Vi[n-1]为节点 i电压幂级数sn-1的系数；Wi *[n-1]为Vi[n-1]倒数的共轭，可以根据 Wi(s)Vi(s)＝1推演出Wi(n)的计算公式。需要说明的是，初始解是在无负载、无发电机以及无并联支路的初始条件下系统的稳态解，即可在嵌入式潮流方程中令 s＝0求得。
为了便于计算机求解，将电网中节点分为PV节点，PQ节点和松弛节点。 PV节点的有功功率和电压幅值为已知；PQ节点的有功和无功功率为已知；松弛节点的电压幅值和相角为已知。将所得网络中的PV、PQ、松弛节点的幂级数以矩阵方程形式表示，其中每个方程都可拆分成实部方程和虚部方程的形式。基于得到的矩阵方程，再通过递归法求取待求变量幂级数其余各项系数。
c)：根据步骤b得到的幂级数系数进行有理函数逼近的PA计算，令嵌入复变量s＝1，得到潮流方程的近似解。
d)：判断是否满足终止条件，若满足则步骤c所得解为稳态解，若不满足则增加幂级数项数和PA阶数，重复步骤b和步骤c，直到满足终止条件。
步骤二：更新耦合设备燃气发电机的耗气量(假设其初值为零)。
步骤三：基于解耦后的热力子网采用计算量较少的图论法进行求解。
按照网络结构，将热力子网各个节点以列标号，负荷、源、管道以行标号，可获得含0，-1，1三种元素的关联矩阵，其构成要求如下：
运用关联矩阵AH计算如下：
AHmH＝mq (15)
式中，mH为热力管道质流量，mH为热力管道质流量，AH为热力网络的节点 -支路关联矩阵。
步骤四：更新燃气锅炉和热电联产的耗气量以及热泵的耗电量。(假设其初值为零)
步骤五：对解耦后的燃气子网采用牛顿-拉夫逊技术进行潮流求解。
步骤六：更新燃气压缩机的消耗的电功率(假设其初值为零)。
步骤七：判定计算结果是否达标；若达标，完成潮流计算；若不达标，采用更新后耦合设备值重新计算。
Claims (9)
1.一种多能源系统潮流分解计算方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：对功率流进行解耦分解，建立多能源系统下电力、燃气和热力子网的数学模型；
步骤二：建立能量耦合设备模型，根据耦合设备模型更新燃气发电机的耗气量、燃气锅炉和热电联产的耗气量、热泵的耗电量和燃气压缩机消耗电功率；
步骤三：对解耦后的电力子网采用全纯嵌入法进行求解；
步骤四：对解耦后的热力子网采用图论法进行求解；
步骤五：对解耦后的燃气子网采用牛顿-拉夫逊法进行求解；
步骤六：判断计算结果是否达标，若达标，则完成潮流计算；若不达标，则采用更新后耦合设备值重新计算。
2.根据权利要求1所述的多能源系统潮流分解计算方法，其特征在于，步骤一中所述电力子网的数学模型为：
其中，
为发电机的有功和无功功率，
为在热电联产机组的有功和无功功率，
为并联电容器注入的无功功率，
为节点i的有功和无功功率，
为热泵以及燃气压缩机消耗的电功率，
为节点i与节点j之间线路的传递功率，Vi，Vj为节点i和j的电压，Yij为节点i与节点j之间线路的的导纳，N为节点数量。
3.根据权利要求1所述的多能源系统潮流分解计算方法，其特征在于，步骤一中所述燃气子网的数学模型为：
其中，
为节点的注入气体流量，
分别为节点i的气体负荷流量、燃气发电机的耗气量、热电联产机组的耗气量、锅炉的耗气量和燃气压缩机消耗的气体流量，Fij为第i个节点和第j个节点之间管道气体流量。
4.根据权利要求3所述的多能源系统潮流分解计算方法，其特征在于，所述管道气体流量的计算公式为：
其中，符号函数sign为流向判断函数，记i流向j为正；pi和pj分别为节点i和j的压强，Hp,ij是管道坡度修正系数，Cij为节点i和j间的管道常数。
5.根据权利要求1所述的多能源系统潮流分解计算方法，其特征在于，步骤一中所述热力子网的数学模型为：
φ＝Cpmq(Ts-To) (5)
(∑mout)Tout＝∑(minTin) (7)
其中，φ为节点的注入热功率；Cp为水的比热容；Ts为节点的供热温度；To为节点的出口温度；mq为源和负载的注入质流量；Tend为管道末端温度；Tstart为管道首端温度；Ta为环境温度；λ为热传导系数；m为节点之间通过管道的质量流量；L是管道的长度；mout为流出节点的支路的流量；min为流入节点的支路的流量；Tout为流出节点的支路的热水温度；Tin为流入节点的支路的热水温度；
和
分别为锅炉和热电联产机组的热功率；
为所需求的热功率；
为i节点与各节点之间的传递热功率。
6.根据权利要求1所述的多能源系统潮流分解计算方法，其特征在于，步骤二中所述燃气发电机耗气量为：
其中，x1-x5为发电机耗量特性参数，GHV为总发热功率值，
为燃气发电机组的有功功率，
为电功率最小值；
所述热电联产的耗气量为：
其中，ηCHP为CHP的效率；
所述热泵电功率与热功率的关系为：
φH＝KCOPPH (11)
其中，φH和PH分别为热泵的热输出功率与电功率，KCOP为热泵的制冷系数；
燃气压缩机的耗气量与电功率关系为：
其中，
为压缩机消耗的电功率，Qgas为单位体积天然气的燃烧热值；
7.根据权利要求1所述的多能源系统潮流分解计算方法，其特征在于，步骤三中所述全纯嵌入法进行求解包括以下步骤：
a)：构建功率平衡方程的全纯嵌入形式潮流模型如下：
其中，s为嵌入的复数参数，Si为节点i的功率，Yij,trans为串联支路导纳，Yi,shunt为节点i的自导纳，Vj(s)为节点j的电压函数，Vi(s)为节点i的电压函数，
为电压共轭函数；
b)：针对步骤a中构建的全纯嵌入形式潮流模型，将其展开为麦克劳林幂级数，并比较同级幂系数，构建电力系统潮流的幂级数求解模型，得到递归关系如下：
其中，n为幂级数阶次，Vj(n)为节点j电压幂级数sn的系数，Vi[n-1]为节点i电压幂级数sn-1的系数，Wi *[n-1]为根据Wi(s)Vi(s)＝1推演出的Vi[n-1]倒数的共轭；
c)：根据步骤b得到的幂级数系数进行有理函数逼近的PA计算，令嵌入复变量s＝1，得到潮流方程的近似解；
d)：判断是否满足终止条件，若满足则步骤c所得解为稳态解，若不满足则增加幂级数项数和PA阶数，重复步骤b和步骤c，直到满足终止条件。
8.根据权利要求1所述的多能源系统潮流分解计算方法，其特征在于，步骤四中所述图论法的矩阵元素为在潮流计算过程中不变化的常量。
9.根据权利要求8所述的多能源系统潮流分解计算方法，其特征在于，所述热力子网潮流计算过程中只计算一次关联矩阵的逆矩阵：
AHmH＝mq (15)
其中，mH为热力管道质流量，mH为热力管道质流量，AH为热力网络的节点-支路关联矩阵。
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