CN113836739A - 一种计及供热管网多损耗的电热联合系统潮流计算方法 - Google Patents

一种计及供热管网多损耗的电热联合系统潮流计算方法 Download PDF

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Abstract

本发明公布了一种计及供热管网多损耗的电热联合系统潮流计算方法，属于综合能源系统运行与控制领域，包括如下步骤：步骤1：对热水在管道中流动时受到的阻力进行分析，建立热网水力潮流模型；步骤2：对供热管道进行的多种热交换进行分析，建立热网热力潮流模型；步骤3：建立电力系统潮流模型；步骤4：根据耦合元件的功率特性，建立耦合元件潮流模型；步骤5：联立步骤1、步骤2、步骤3和步骤4所建立的模型；步骤6：利用分布式顺序潮流算法对电热联合系统进行潮流计算。该方法充分考虑了热水在热网管道中流动时受到的多种阻力以及多种热交换，有效的降低了计算误差，并且为后续的运行调度和规划建设奠定了基础。

Description

一种计及供热管网多损耗的电热联合系统潮流计算方法
技术领域
本发明属于能源系统技术领域，特别是涉及一种计及供热管网多损耗的电热联合系统潮流计算方法。
背景技术
随着化石能源的不断消耗，全球的气候和环境问题日益突出。近几年，世界各国都大力发展清洁能源，而天然气发电以其清洁性和稳定性的优点，受到了很大的重视。而天然气发电、热电联产等技术的发展，使各种能源间的耦合日益深化，传统的单一系统很难满足用户多样化的能源需求以及不同能源系统间的深度耦合。综合能源系统可以通过多能互补和能量梯级利用实现提高能源利用效率、促进可再生能源消纳的目的，因而成为能源领域关注的焦点。
综合能源系统的潮流分布是其运行调度与规划建设的基础，只有在获得系统运行状态的前提下，才能对综合能源系统进行进一步研究。与电力系统类似的是，综合能源系统也需要通过潮流计算确定系统运行状态，以期为系统调度运行甚至规划建设等决策工作提供分析手段。然而，由于传输介质不同，综合能源系统中存在耦合关系的多能流在传输速度、时间尺度和动态特性方面都有显著差异。因此，对影响各类能源建模的因素进行充分的分析，并在此基础上进行潮流计算是当前研究的热点问题。
热网中的工质一般为热水，热水流量以及水温变化往往对潮流的影响很大。对于热网水力潮流计算，热水在管道中流动受到的阻力既有沿程阻力又有局部阻力，传统的热网模型只考虑了沿程阻力，忽略了局部阻力。对于热网热力模型，管道中热水的散热量是由多种因素决定的，包括管道与隔热材料的热交换、管道与土壤的热交换以及供水管道与回水管道的热交换。由于未考虑以上因素导致计算结果不准确，使潮流结果不能正确的反映出能源供应与需求之间的关系，后续的规划建设与调度运行等工作无法顺利开展。因此，研究多损耗的电热联合潮流具有重要的意义。
发明内容
针对上述现有技术的不足，本发明提供一种计及供热管网多损耗的电热联合系统潮流计算方法，充分考虑了热水在热网管道中流动时受到的多种阻力以及多种热交换，准确的计算了管道压降与散热量，有效的减小了水流量和节点温度的误差，具有较高的计算精度。
本发明的目的是这样实现的：一种计及供热管网多损耗的电热联合系统潮流计算方法，包括如下步骤：
步骤1：对热水在管道中流动时受到的阻力进行分析，建立热网水力潮流模型；
步骤2：对热网管道进行的多种热交换进行分析，建立热网热力潮流模型；
步骤3：建立电力系统潮流模型；
步骤4：根据耦合元件的功率特性，建立耦合元件潮流模型；
步骤5：联立步骤1、步骤2、步骤3和步骤4所建立的模型，构建电热联合系统潮流模型；
步骤6：利用分布式顺序潮流算法对电热联合系统进行潮流计算。
进一步地，所述步骤1中，热网水力潮流的未知量为各管道流量和各节点压力，根据基尔霍夫电流和电压定律得到流量连续性方程和压强环路方程为：
Am＝mq
Bhf＝0
其中，A为热网节点-支路关联矩阵；m为热网管道流量列向量；mq为流出节点流量列向量；B为热网回路-支路关联矩阵；hf为管道水压损失列向量。
进一步地，所述步骤1中，热网水力潮流模型采用当量长度法，将沿程阻力转变为局部阻力，视沿程阻力为局部阻力的一部分，得到管道压力损失方程为：
hf＝R(l+ld)
Figure BDA0003289491070000031
Figure BDA0003289491070000032
Figure BDA0003289491070000033
其中，R为比摩阻；l为管道长度；K为管道绝对粗糙度值；ρ为热水的密度；d为管道直径；ld为管道局部阻力当量长度；ξ为管道局部阻力系数和；λ为摩擦阻力系数。
进一步地，所述步骤2中，热网管道进行的多种热交换包括：管道与隔热材料之间的热交换、管道与土壤之间的热交换以及供水管道与回水管道之间的热交换，所述管道包括聚氨酯泡沫保护层、管道聚乙烯保护层和钢制中心管；
所述热网热力潮流模型为：
Figure BDA0003289491070000034
ql＝(ζ1+ζ2+ζ3)SrΔT
Figure BDA0003289491070000041
Figure BDA0003289491070000042
Figure BDA0003289491070000043
Sr＝2πlr2
Ta,in∑ma＝∑mbTb,out
其中，Ti，Tj为管道i，j首末端的温度；C为水的比热容；ql为管道的散热量；ζ1,ζ2,ζ3分别为管道与隔热材料之间的热交换系数、管道与土壤之间的热交换系数、供水管道与回水管道之间的热交换系数；Sr为管道的热交换面积；ΔT为管道与土壤的温差；r1、r2、r3分别为管道聚氨酯泡沫保护层的半径、管道聚乙烯保护层的半径、钢制中心管的半径；α1、α2分别为管道的导热系数、土壤的导热系数；h为管道放置的深度；s为两条供热管道的间距；l为供热管道长度；Ta,in为流入节点的管道末端温度；Tb,out为流出节点的管道首端温度；ma为流入节点的管道水流量；mb为流出节点的管道水流量。
进一步地，所述步骤3中，电力系统潮流模型为：
Figure BDA0003289491070000044
Figure BDA0003289491070000045
其中，ΔPi、ΔQi为节点有功、无功的不平衡量；Pi、Qi为节点i的有功分量、无功分量；Vi、Vj为节点i、节点j的电压幅值；Gij、Bij为支路的电导、电纳；θij为电压相角差。
进一步地，所述步骤4中，耦合元件包括热电联产机组(CHP)和电锅炉，所述热电联产机组采用定热电比机组，其电、热出力关系为：
Figure BDA0003289491070000051
其中，Kc为热电联产机组的热电比；φCHP为热电联产机组的热出力；PCHP为热电联产机组的电出力；
所述电锅炉消耗的电功率与输出的热功率的关系为：
Figure BDA0003289491070000052
其中，ηe为电锅炉的效率；φe为电锅炉输出的热功率；Pe为电锅炉消耗的电功率。
进一步地，所述步骤6利用分布式潮流计算法对步骤5中的模型进行求解，设定电网运行于并网状态，电网的平衡节点为大电网，热网的平衡节点为CHP，电锅炉作为补充热源，具体步骤为，首先，输入电网和热网参数；
之后，电网平衡节点为大电网，不发出热功率，则利用牛顿拉夫逊法计算热网潮流，得到热网各管道流量、各节点温度、CHP发出的电功率以及电锅炉发出的热功率；之后，利用电锅炉的潮流模型可求得电锅炉消耗的电功率；最后，利用牛顿拉夫逊法计算电网潮流。
本发明相比现有技术突出且有益的技术效果是：本发明所提热网模型，充分考虑了热水在管道中流动时，受到的多种阻力以及多种热交换，使管道水流量和节点温度的分析更加准确，计算精确度较传统模型更高，所得计算结果能够正确的反映出各种能源需求与供应之间的关系，在运行安全的前提下，确保供需平衡，并且为后续的运行调度和规划建设奠定了基础。
附图说明
图1是本发明管道结构图；
图2是电热联合系统潮流计算流程图；
图3是电热联合系统结构关系图；
图4是热网管道水流量对比图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好的理解本发明中的技术方案，下面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、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
本实施例提供一种计及供热管网多损耗的电热联合系统潮流计算方法，包括如下步骤：
步骤1：对热水在管道中流动时受到的阻力进行分析，建立热网水力潮流模型；
其中，热网水力潮流的未知量为各管道流量和各节点压力，根据基尔霍夫电流和电压定律得到流量连续性方程和压强环路方程为：
Am＝mq
Bhf＝0
其中，A为热网节点-支路关联矩阵；m为热网管道流量列向量，单位kg/s；mq为流出节点流量列向量，单位kg/s；B为热网回路-支路关联矩阵；hf为管道水压损失列向量，单位mH2O；
热水在管道中流动时，不仅受到沿程阻力，还要受到局部阻力，沿程阻力是指热水与管道壁产生的摩擦力，局部阻力是指热力管网中的元件对热水流动产生的阻力；热网水力潮流模型采用当量长度法，将沿程阻力转变为局部阻力，视沿程阻力为局部阻力的一部分，得到管道压力损失方程为：
hf＝R(l+ld)
Figure BDA0003289491070000071
Figure BDA0003289491070000072
Figure BDA0003289491070000073
其中，R为比摩阻，单位Pa/m；l为管道长度，单位m；K为管道绝对粗糙度值，单位m，取K＝0.5mm；ρ为热水的密度，单位kg/m3；d为管道直径，单位m；ld为管道局部阻力当量长度，单位m；ξ为管道局部阻力系数和；λ为摩擦阻力系数；
步骤2：对热网管道进行的多种热交换进行分析，建立热网热力潮流模型；其中，热网管道进行的多种热交换包括：管道与隔热材料之间的热交换、管道与土壤之间的热交换以及供水管道与回水管道之间的热交换，所述管道包括聚氨酯泡沫保护层、管道聚乙烯保护层和钢制中心管；所述管道结构如附图1所示；
所述热网热力潮流模型为：
Figure BDA0003289491070000074
ql＝(ζ1+ζ2+ζ3)SrΔT
Figure BDA0003289491070000075
Figure BDA0003289491070000076
Figure BDA0003289491070000081
Sr＝2πlr2
Ta,in∑ma＝∑mbTb,out
其中，Ti，Tj为管道i，j首末端的温度，单位K；C为水的比热容；ql为管道的散热量，单位J；ζ1,ζ2,ζ3分别为管道与隔热材料之间的热交换系数、管道与土壤之间的热交换系数、供水管道与回水管道之间的热交换系数；Sr为管道的热交换面积，单位m2；ΔT为管道与土壤的温差，单位K；r1、r2、r3分别为管道聚氨酯泡沫保护层的半径、管道聚乙烯保护层的半径、钢制中心管的半径，单位m；α1、α2分别为管道的导热系数、土壤的导热系数；h为管道放置的深度，单位m；s为两条供热管道的间距，单位m；l为供热管道长度，单位m；Ta,in为流入节点的管道末端温度，单位K；Tb,out为流出节点的管道首端温度，单位K，也就是节点温度；ma为流入节点的管道水流量，单位kg/s；mb为流出节点的管道水流量，单位kg/s；
步骤3：建立电力系统潮流模型；
Figure BDA0003289491070000082
Figure BDA0003289491070000083
其中，ΔPi、ΔQi为节点有功、无功的不平衡量；Pi、Qi为节点i的有功分量、无功分量；Vi、Vj为节点i、节点j的电压幅值；Gij、Bij为支路的电导、电纳；θij为电压相角差；
步骤4：根据耦合元件的功率特性，建立耦合元件潮流模型；所述耦合元件包括热电联产机组(CHP)和电锅炉，所述热电联产机组采用定热电比机组，在供电的同时为热网提供热能，其电、热出力关系为：
Figure BDA0003289491070000091
其中，Kc为热电联产机组的热电比；φCHP为热电联产机组的热出力；PCHP为热电联产机组的电出力；
所述电锅炉是将电能转化为热能的装置，其消耗的电功率与输出的热功率的关系为：
Figure BDA0003289491070000092
其中，ηe为电锅炉的效率；φe为电锅炉输出的热功率；Pe为电锅炉消耗的电功率；
步骤5：联立步骤1、步骤2、步骤3和步骤4所建立的模型，构建电热联合系统潮流模型；所述电热联合系统潮流模型包括：电网模型、热网模型和电热耦合元件模型；
步骤6：利用分布式顺序潮流算法对电热联合系统进行潮流计算；利用分布式潮流计算法对步骤5中的模型进行求解，设定电网运行于并网状态，电网的平衡节点为大电网，热网的平衡节点为CHP，电锅炉作为补充热源，具体步骤为，首先，输入电网和热网参数；之后，电网平衡节点为大电网，不发出热功率，则利用牛顿拉夫逊法计算热网潮流，得到热网各管道流量、各节点温度、CHP发出的电功率以及电锅炉发出的热功率；之后，利用电锅炉的潮流模型可求得电锅炉消耗的电功率，最后，利用牛顿拉夫逊法计算电网潮流，其流程图如附图2所示。
本实施例采用30节点电力系统，14节点热力系统，电热联合系统如附图3所示，耦合元件为1个热电联产机组和1个电锅炉。为分析计及供热管网多损耗对计算结果产生的影响，设置了模式一为传统模型下的潮流计算，模式二为计及多损耗模型下的潮流计算。
两种模式下的潮流计算得到的热网管道水流量如图4所示，对比模式一和模式二两种情况下热网管道的质量流量，模式二相较于模式一的管道水流量发生了变化，其中管道2、5、7、8、9、12、13、14、15、18的水流量有所增加，管道10、16、19的水流量有所减少，通过分析得到：由于传统模型选取的阻力系数过大，导致管网的压力损失变大，使得模式一得到的热网水流量偏小，而在计及供热管网多损耗之后，大部分管道的水流量有所增加，进一步证明了计及供热管网多损耗模型能够提升潮流计算的准确性。
上述实施例仅为本发明的较佳实施例，并非依此限制本发明的保护范围，故：凡依本发明的结构、形状、原理所做的等效变化，均应涵盖于本发明的保护范围之内。除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。在本发明说明中所使用的术语，只是为了描述具体得实施方式的目的，不是旨在于限制本发明。

Claims (7)

1.一种计及供热管网多损耗的电热联合系统潮流计算方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤1：对热水在管道中流动时受到的阻力进行分析，建立热网水力潮流模型；
步骤2：对热网管道进行的多种热交换进行分析，建立热网热力潮流模型；
步骤3：建立电力系统潮流模型；
步骤4：根据耦合元件的功率特性，建立耦合元件潮流模型；
步骤5：联立步骤1、步骤2、步骤3和步骤4所建立的模型，构建电热联合系统潮流模型；
步骤6：利用分布式顺序潮流算法对电热联合系统进行潮流计算。
2.根据权利要求1所述计及供热管网多损耗的电热联合系统潮流计算方法，其特征在于，所述步骤1中，热网水力潮流的未知量为各管道流量和各节点压力，根据基尔霍夫电流和电压定律得到流量连续性方程和压强环路方程为：
Am＝mq
Bhf＝0
其中，A为热网节点-支路关联矩阵；m为热网管道流量列向量；mq为流出节点流量列向量；B为热网回路-支路关联矩阵；hf为管道水压损失列向量。
3.根据权利要求1所述计及供热管网多损耗的电热联合系统潮流计算方法，其特征在于，所述步骤1中，热网水力潮流模型采用当量长度法，将沿程阻力转变为局部阻力，视沿程阻力为局部阻力的一部分，得到管道压力损失方程为：
hf＝R(l+ld)
Figure FDA0003289491060000021
Figure FDA0003289491060000022
Figure FDA0003289491060000023
其中，R为比摩阻；l为管道长度；K为管道绝对粗糙度值；ρ为热水的密度；d为管道直径；ld为管道局部阻力当量长度；ξ为管道局部阻力系数和；λ为摩擦阻力系数。
4.根据权利要求1所述计及供热管网多损耗的电热联合系统潮流计算方法，其特征在于，所述步骤2中，热网管道进行的多种热交换包括：管道与隔热材料之间的热交换、管道与土壤之间的热交换以及供水管道与回水管道之间的热交换，所述管道包括聚氨酯泡沫保护层、管道聚乙烯保护层和钢制中心管；
所述热网热力潮流模型为：
Figure FDA0003289491060000024
ql＝(ζ1+ζ2+ζ3)SrΔT
Figure FDA0003289491060000025
Figure FDA0003289491060000026
Figure FDA0003289491060000027
Sr＝2πlr2
Figure FDA0003289491060000031
其中，Ti、Tj为管道i、j首末端的温度；C为水的比热容；ql为管道的散热量；ζ1,ζ2,ζ3分别为管道与隔热材料之间的热交换系数、管道与土壤之间的热交换系数、供水管道与回水管道之间的热交换系数；Sr为管道的热交换面积；ΔT为管道与土壤的温差；r1、r2、r3分别为管道聚氨酯泡沫保护层的半径、管道聚乙烯保护层的半径、钢制中心管的半径；α1、α2分别为管道的导热系数、土壤的导热系数；h为管道放置的深度；s为两条供热管道的间距；l为供热管道长度；Ta,in为流入节点的管道末端温度；Tb,out为流出节点的管道首端温度；ma为流入节点的管道水流量；mb为流出节点的管道水流量。
5.根据权利要求1所述计及供热管网多损耗的电热联合系统潮流计算方法，其特征在于，所述步骤3中，电力系统潮流模型为：
Figure FDA0003289491060000032
Figure FDA0003289491060000033
其中，ΔPi、ΔQi为节点有功、无功的不平衡量；Pi、Qi为节点i的有功分量、无功分量；Vi、Vj为节点i、节点j的电压幅值；Gij、Bij为支路的电导、电纳；θij为电压相角差。
6.根据权利要求1所述计及供热管网多损耗的电热联合系统潮流计算方法，其特征在于，所述步骤4中，耦合元件包括热电联产机组(CHP)和电锅炉，所述热电联产机组采用定热电比机组，其电、热出力关系为：
Figure FDA0003289491060000034
其中，Kc为热电联产机组的热电比；φCHP为热电联产机组的热出力；PCHP为热电联产机组的电出力；
所述电锅炉消耗的电功率与输出的热功率的关系为：
Figure FDA0003289491060000041
其中，ηe为电锅炉的效率；φe为电锅炉输出的热功率；Pe为电锅炉消耗的电功率。
7.根据权利要求6所述计及供热管网多损耗的电热联合系统潮流计算方法，其特征在于，所述步骤6利用分布式潮流计算法对步骤5中的模型进行求解，设定电网运行于并网状态，电网的平衡节点为大电网，热网的平衡节点为CHP，电锅炉作为补充热源，具体步骤为，首先，输入电网和热网参数；之后，电网平衡节点为大电网，不发出热功率，则利用牛顿拉夫逊法计算热网潮流，得到热网各管道流量、各节点温度、CHP发出的电功率以及电锅炉发出的热功率；之后，利用电锅炉的潮流模型可求得电锅炉消耗的电功率；最后，利用牛顿拉夫逊法计算电网潮流。
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