CN114285037B - 一种区域电-气综合能源系统控制参数稳定域确定方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种区域电‑气综合能源系统控制参数稳定域确定方法，包括如下步骤：S1读取电‑气综合能源系统参数；S2初始化电‑气综合能源系统运行状态；S3构建管网有限维模型；S4获取综合能源系统模型；S5提取小扰动分析模型；S6初始化系统参数空间；S7搜索特征值轨迹；S8调整参数搜索方向。所述的区域电‑气综合能源系统控制参数稳定域确定方法，能够模拟燃气管网与电力系统的动态交互，同时可用于分析多台燃机通过燃气管网和电力系统的相互影响，而且可以实现在精度可控条件下由无限维空间模型到有限维空间模型的近似投影，支撑区域电‑气综合能源系统的统一建模和稳定性判别。
Description
技术领域
本发明涉及一种区域电-气综合能源系统控制参数稳定域确定方法，属于控制参数稳定域确定方法技术领域。
背景技术
随着城市能源转型的进行，以分布式热电联产为代表的小型燃气机组在配电网中的接入比例逐渐提升，为工商业和居民用户提供电、热、冷等多种能源服务，提升能源利用率。由于其自身的快速调节和低碳排特性，燃气发电设备还常用于平抑分布式可再生能源的波动，降低对上级电网的影响。尽管从配电系统的角度来说，分布式燃气轮机的接入收益显著，但是对城市天然气系统来说，燃气机的高比例接入，长期频繁快速调整，易造成燃气压力和需求量的大幅度波动，大大超越了传统城市燃气系统的调控能力。此外，由于燃气发电机常具有抽气功能，在燃气管网压力水平下降到较低范围内时，燃气发电机通过自身调整依然可以寄继续抽气，造成整个系统压力水平进一步下降，威胁其他燃气负荷运行安全的同时，也可能会导致部分燃气机组的保护性停运，进而威胁电力供应安全。
已有研究针对电-气综合能源系统安全的分析方法主要包括如下两类：一类时基于安全域的分析方法。这类方法参考了电力系统安全域的概念，构造了燃气压力、电压、传输电/气容量等指标刻画的电-气综合能源系统安全域，利用稳态多能流分析电力和燃气潮流约束对于系统运行安全的影响，通过当前运行点与运行边界的距离描述系统安全性。这类方法尽管能够反应出整个能源网络的安全状态，但由于忽略了天然气系统的动态过程（包括传输延时和管道存气等）的影响，与实际系统安全运行边界存在较大差异。另一类是基于时域仿真的方法。这类方法首先是构建考虑燃气压力变化影响的燃气发电机模型，进而获取电-气综合能源系统模型，利用多时间尺度仿真算法，模拟典型场景下不同类型扰动的动态特征，并根据仿真结果和运行安全约束确定电-气综合能源系统的安全性。在模型准确的条件下，这类方法能够准确给出给定场景下的系统安全性，但由于仿真步长和规模的限制、以及系统的时间-空间相关性约束，在进行安全分析往往耗时较长，难以支撑在线安全分析需求。有鉴于此，亟需一种能够根据系统运行状态监控燃气机组耦合下的电-气综合能源系统运行安全的新方法。
发明内容
本发明针对现有技术存在的不足，提供一种区域电-气综合能源系统控制参数稳定域确定方法，用于支撑区域调控系统的参数调整和优化。能够模拟燃气管网与电力系统的动态交互，同时可用于分析多台燃机通过燃气管网和电力系统的相互影响，而且可以实现在精度可控条件下由无限维空间模型到有限维空间模型的近似投影，支撑区域电-气综合能源系统的统一建模和稳定性判别。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种区域电-气综合能源系统控制参数稳定域确定方法，包括如下步骤：
S1、读取电-气综合能源系统参数；
S2、初始化电-气综合能源系统运行状态；
S3、构建管网有限维模型：设置变量初值、系统扰动及仿真参数进行电-气综合能源系统典型场景仿真，结合动态仿真分析和安全稳定分析精度需求，确定天然气网络差分空间步长（管道压力和质量流量），进而得到管网有限维模型；
S4、获取综合能源系统模型：融合管网有限维模型（功角、电压等变量描述）、电力系统模型、燃气发电机组模型，获取区域综合能源系统模型；其中燃气发电机组模型可进一步分解为燃料供给子系统（燃料流量、进口压力等变量描述）、发电子系统（转子运动状态、dq轴电流/电压等变量描述）、控制子系统（发电控制、温度控制、加速控制等）；
S5、提取小扰动分析模型：求取综合能源系统模型状态方程的泰勒级数，忽略其中高次项，得到线性化方程，给定燃气发电机组控制率，对综合能源系统模型进行变换，得到具有自治系统结构的状态方程；
S6、初始化系统参数空间：根据电-气综合能源系统关注的参数变化范围以及电-气综合能源系统当前运行点，确定电-气综合能源系统参数空间，进而基于步骤S2中电-气综合能源系统初始状态计算当前电-气综合能源系统运行点，计算电-气综合能源系统状态矩阵；
S7、搜索特征值轨迹：在给定参数变化方向上，计算电-气综合能源系统主导特征值，进而得到电-气综合能源系统特征根轨迹，根据其在复平面位置反应电-气综合能源系统小扰动稳定性；
S8、调整参数搜索方向：回到步骤S7，直至遍历每个参数变化后的电-气综合能源系统状态，所得轨迹为构成电-气综合能源系统参数稳定域边界。
进一步的，步骤S1中，所述的电-气综合能源系统参数包括区域电-气综合能源拓扑结构、特性参数和边界条件，以及燃气发电机本体及其控制参数；进一步的，所述的电-气综合能源系统参数包括：公共电网电压、电网网架结构参数、微燃机额定发电量、微燃机额定转速、微燃机额定燃料消耗量、转速控制器参数、阀门控制器参数、排烟温度控制器参数、天然气管网结构参数等。
进一步的，步骤S2的具体过程为：根据系统电-气综合能源系统稳态潮流方程，计算区域电-气综合能源系统电压、功率、压力、流量等运行状态。
进一步的，步骤S3的具体过程为：天然气管网系统采用如下模型：
其中，h和t表示燃气管网中的位置和时间变量；M表示质量流量；A表示管道横截面积；p表示燃气压力；d表示管径；λ表示管道摩阻系数；c为表示声波在燃气中的传播速度；
设置仿真参数进行电-气综合能源系统典型仿真场景，在典型场景下调整空间步长，对燃气管网进行差分，根据仿真精度的变化和稳定分析的精度需求，选择满足稳定分析精度需求的空间步长Δh，获取管网有限维模型如下：
其中，对于管网中的任意一段，p in 表示管道首端压力；p out 表示管道末端压力；M in 表示管道首端质量流量；M out 表示管道末端质量流量；
基于上述管网有限维模型，管网系统表示为：
其中，天然气状态变量x g 包括管道末端压力和和首端质量流量；天然气代数变量u g 包括管道首端压力和和末端质量流量。
进一步的，步骤S4的具体过程为：
微燃机采用改进Rowen模型描述，微燃机发电系统模型表示为：
其中，x mt 表示微燃机状态变量；u mt 表示微燃机控制和代数变量；
电力系统采用传统模型描述，x e 和u e 分别表示状态变量和代数变量，融合电力系统、燃气系统和燃气发电机系统，建立区域综合能源系统模型的微分代数方程组如下：
其中，x表示系统状态变量，x=[x e , x g , x mt ] T ；u表示系统控制变量，u=[u e , u g ,u mt ] T 。
所述的微燃机状态变量包括功角、转速、烟气温度、控制器临时变量等；所述的微燃机控制和代数变量包括发电机输出功率、电网电压、燃料消耗量等。
进一步的，步骤S5的具体过程为：为分析电-气综合能源系统小扰动特性，将电-气综合能源系统在平衡点（x 0 ,u 0 ）处线性化，利用如下一阶泰勒展开近似系统动态行为：
其中
；
消去控制变量u，得到变换后的电-气综合能源系统状态方程如下：
进一步的，步骤S6的具体过程为：选定参数空间
中的一个小扰动稳定的运行平衡点，作为搜索小扰动稳定域边界的初始点；基于变换后的电-气综合能源系统状态矩阵
的主导特征值，通过分析其实部在复平面的位置，判断电-气综合能源系统小扰动稳定性，实部在复平面的位置小于零表示稳定，等于零表示临界稳定，大于零表示不稳定。
进一步的，步骤S7的具体过程为：在给定参数空间内，从初始点开始沿一个方向以设定的步长调整燃机控制参数，得到一系列新的系统平衡点，对每一个平衡点按照步骤S6计算电-气综合能源系统状态矩阵的特征值并进行记录。
进一步的，步骤S8的具体过程为：当沿一个方向逐点计算到达所选定参数空间边界时，改变搜索方向，重复步骤S7直到搜索完选定的控制参数空间；绘制参数稳定域边界时，结合时域仿真结果分析参数对电-气综合能源系统动态特性的影响大小，进而选择合适的调节步长，降低电-气综合能源系统稳定域边界刻画的需要的时间。
本发明的有益效果是：
1、本发明给出了面向区域电-气综合能源系统动态分析的统一模型，通过在传统燃机模型中引入阀门控制反馈控制环节模型。能够模拟燃气管网与电力系统的动态交互，同时可用于分析多台燃机通过燃气管网和电力系统的相互影响；
2、本发明建立了基于燃气管网偏微分模型差分的燃气管网近似分析模型，并利用时域仿真模型确定合适的燃气管网差分步长。该模型实现了精度可控条件下由无限维空间模型到有限维空间模型的近似投影，支撑区域电-气综合能源系统的统一建模和稳定性判别；
3、本发明给出了基于小扰动稳定理论的区域电-气综合能源系统参数稳定域确定方法，通过求解给定参数变化后的系统根轨迹判别系统稳定性，确定给定参数空间下的系统稳定域；该方法能够揭示影响区域电-气综合能源系统运行的关键因素，支撑控制系统设计和优化，降低控制系统参数调整带来的安全稳定水平下降，支持区域能量管理运行调度决策。
附图说明
图1为实施例中所述区域电-气综合能源系统控制参数稳定域确定方法流程图；
图2为实施例中所述的电-气综合能源系统示意图；
图3为实施例中选取四组不同微燃机出力组合刻画的参数稳定域图；
图4为实施例中天然气系统压力发生振荡示意图，（a）渐近稳定的天然气系统压力发生振荡图；（b）临界稳定的天然气系统压力发生振荡图；
图5为实施例中天然气系统微燃机输出功率波动示意图，（a）渐近稳定的天然气系统微燃机输出功率波动图；（b）临界稳定的天然气系统微燃机输出功率波动图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
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。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本发明。
本实施例以微型燃气轮机（微燃机）耦合下的电力-天然气来说明本发明所述的区域电-气综合能源系统控制参数稳定域确定方法，仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。
一种区域电-气综合能源系统控制参数稳定域确定方法，如图1所示，具体步骤如下：
S1、读取电-气综合能源系统参数，包括公共电网电压、电网网架结构参数、微燃机额定发电量、微燃机额定转速、微燃机额定燃料消耗量、转速/阀门/排烟温度控制器参数、天然气管网结构参数等。
S2、初始化电-气综合能源系统运行状态：本实施例采用两台单轴微燃机接入同一个电-气综合能源网络，如图2所示，根据系统电-气综合能源系统稳态潮流方程，计算系统电压、功率、压力、流量等运行状态。
S3、构建管网有限维模型
天然气管网系统采用如下模型：
其中，h和t表示燃气管网中的位置和时间变量；M表示质量流量；A表示管道横截面积；p表示燃气压力；d表示管径；λ表示管道摩阻系数；c为表示声波在燃气中的传播速度；
设置仿真参数进行电-气综合能源系统典型仿真场景，在典型场景下调整空间步长，对燃气管网进行差分，根据仿真精度的变化和稳定分析的精度需求，选择满足稳定分析精度需求的空间步长Δh，获取管网有限维模型如下：
其中，对于管网中的任意一段，p in 表示管道首端压力；p out 表示管道末端压力；M in 表示管道首端质量流量；M out 表示管道末端质量流量；
基于上述管网有限维模型，管网系统表示为：
其中，天然气状态变量x g 包括管道末端压力和和首端质量流量；天然气代数变量u g 包括管道首端压力和和末端质量流量。
S4、获取综合能源系统模型
微燃机采用改进Rowen模型描述，微燃机发电系统模型表示为：
其中，x mt 表示微燃机状态变量，包括功角、转速、烟气温度、控制器临时变量等；u mt 表示微燃机控制和代数变量，包括发电机输出功率、电网电压、燃料消耗量；
电力系统采用传统模型描述，x e 和u e 分别表示状态变量和代数变量，融合电力系统、燃气系统和燃气发电机系统，建立区域综合能源系统模型的微分代数方程组如下：
其中，x表示系统状态变量，x=[x e , x g , x mt ] T ；u表示系统控制变量，u=[u e , u g ,u mt ] T 。
所述的微燃机状态变量包括功角、转速、烟气温度、控制器临时变量等；所述的微燃机控制和代数变量包括发电机输出功率、电网电压、燃料消耗量等。
S5、系统模型变换
为分析电-气综合能源系统小扰动特性，将电-气综合能源系统在平衡点（x 0 ,u 0 ）处线性化，利用如下一阶泰勒展开近似系统动态行为：
其中
；
消去控制变量u，得到变换后的电-气综合能源系统状态方程如下：
S6、系统参数空间初始化
选定参数空间
中的一个小扰动稳定的运行平衡点，作为搜索小扰动稳定域边界的初始点；基于变换后的电-气综合能源系统状态矩阵
的主导特征值，通过分析其实部在复平面的位置，判断电-气综合能源系统小扰动稳定性，实部在复平面的位置小于零表示稳定，等于零表示临界稳定，大于零表示不稳定。
S7、特征值轨迹搜索
在给定参数空间内，从初始点开始沿一个方向以设定的步长调整燃机控制参数，得到一系列新的系统平衡点，对每一个平衡点按照步骤S6计算电-气综合能源系统状态矩阵的特征值并进行记录。
S8、参数空间搜索
当沿一个方向逐点计算到达所选定参数空间边界时，改变搜索方向，重复步骤S7直到搜索完选定的控制参数空间；绘制参数稳定域边界时，结合时域仿真结果分析参数对电-气综合能源系统动态特性的影响大小，进而选择满足稳定分析精度需求的调节步长，降低电-气综合能源系统稳定域边界刻画的需要的时间。
以图2中系统为例，分析两台微燃机进口流量控制器参数对于稳定性的影响。假定两台微燃机控制器参数保持一致，即
，通过本实施例所述算法可得控制参数稳定域。考虑到系统不同运行点下动态行为的差异，以微燃机出力额定功率30kW为基准，选取四组不同微燃机出力组合，刻画其参数稳定域如图3所示。图中刻画曲线为参数稳定域边界，当参数处于边界上，系统处于临界稳定状态，由此可得系统稳定区域和不稳定区域。
以图3中正常运行点（k p =0.0073，k i =0.05）和临界稳定点（k p =0.0073，k i =0.05）为例进行时域仿真。当系统参数接近稳定边界时，天然气系统压力发生振荡，进而导致微燃机输出功率持续波动，如图4和图5所示。另一方面，由图3可以看到，在系统燃气负荷水平参数提升后，由于管道中的燃气量增加，抵抗扰动的能力更强，因此系统稳定区域变大。因此，在进行实际系统参数优化时，应根据不同应用场景下微燃机的调控范围进行参数调整，保证系统稳定性。
以上所述实施一种区域电-气综合能源系统控制参数稳定域确定方法，例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (10)
1.一种区域电-气综合能源系统控制参数稳定域确定方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、读取电-气综合能源系统参数；
S2、初始化电-气综合能源系统运行状态；
S3、构建管网有限维模型：设置变量初值、系统扰动及仿真参数进行电-气综合能源系统典型场景仿真，结合动态仿真分析和安全稳定分析精度需求，对天然气管网系统进行差分，确定空间步长，进而得到管网有限维模型；
S4、获取综合能源系统模型：融合管网有限维模型、电力系统模型、燃气发电机组模型，获取区域综合能源系统模型；
S5、提取小扰动分析模型：求取综合能源系统模型状态方程的泰勒级数，忽略其中高次项，得到线性化方程，给定燃气发电机组控制率，对综合能源系统模型进行变换，得到具有自治系统结构的状态方程；
S6、初始化系统参数空间：根据电-气综合能源系统关注的参数变化范围以及电-气综合能源系统当前运行点，确定电-气综合能源系统参数空间，进而基于步骤S2中电-气综合能源系统初始状态计算当前电-气综合能源系统运行点，计算电-气综合能源系统状态矩阵；
S7、搜索特征值轨迹：在给定参数变化方向上，计算电-气综合能源系统主导特征值，进而得到电-气综合能源系统特征根轨迹，根据其在复平面位置反应电-气综合能源系统小扰动稳定性；
S8、调整参数搜索方向：回到步骤S7，直至遍历每个参数变化后的电-气综合能源系统状态，所得轨迹为构成电-气综合能源系统参数稳定域边界。
2.根据权利要求1所述的一种区域电-气综合能源系统控制参数稳定域确定方法，其特征在于，步骤S1中，所述的电-气综合能源系统参数包括公区域电-气综合能源拓扑结构、特性参数和边界条件，以及燃气发电机本体及其控制参数。
3.根据权利要求1所述的一种区域电-气综合能源系统控制参数稳定域确定方法，其特征在于，步骤S2的具体过程为：根据系统电-气综合能源系统稳态潮流方程，计算系统的运行状态。
4.根据权利要求1所述的一种区域电-气综合能源系统控制参数稳定域确定方法，其特征在于，步骤S3的具体过程为：天然气管网系统采用如下模型：
其中，h和t表示燃气管网中的位置和时间变量；M表示质量流量；A表示管道横截面积；p表示燃气压力；d表示管径；λ表示管道摩阻系数；c为表示声波在燃气中的传播速度；
设置仿真参数进行电-气综合能源系统典型仿真场景，在典型场景下调整空间步长，对燃气管网进行差分，根据仿真精度的变化和稳定分析的精度需求，选择满足稳定分析精度需求的空间步长Δh，获取管网有限维模型如下：
其中，对于管网中的任意一段，p in 表示管道首端压力；p out 表示管道末端压力；M in 表示管道首端质量流量；M out 表示管道末端质量流量；
基于上述管网有限维模型，管网系统表示为：
其中，天然气状态变量x g 包括管道末端压力和和首端质量流量；天然气代数变量u g 包括管道首端压力和和末端质量流量。
5.根据权利要求1所述的一种区域电-气综合能源系统控制参数稳定域确定方法，其特征在于，步骤S4的具体过程为：
微燃机采用改进Rowen模型描述，微燃机发电系统模型表示为：
其中，x mt 表示微燃机状态变量；u mt 表示微燃机控制和代数变量；
电力系统采用传统模型描述，x e 和u e 分别表示状态变量和代数变量，融合电力系统、燃气系统和燃气发电机系统，建立区域综合能源系统模型的微分代数方程组如下：
其中，x表示系统状态变量，x=[x e , x g , x mt ] T ；u表示系统控制变量，u=[u e , u g , u mt ] T 。
6.根据权利要求5所述的一种区域电-气综合能源系统控制参数稳定域确定方法，其特征在于，所述的微燃机状态变量包括功角、转速、烟气温度、控制器临时变量；所述的微燃机控制和代数变量包括发电机输出功率、电网电压、燃料消耗量。
7.根据权利要求1所述的一种区域电-气综合能源系统控制参数稳定域确定方法，其特征在于，步骤S5的具体过程为：为分析电-气综合能源系统小扰动特性，将电-气综合能源系统在平衡点（x 0 ,u 0 ）处线性化，利用如下一阶泰勒展开近似系统动态行为：
其中
；
消去控制变量u，得到变换后的电-气综合能源系统状态方程如下：
8.根据权利要求1所述的一种区域电-气综合能源系统控制参数稳定域确定方法，其特征在于，步骤S6的具体过程为：选定参数空间
中的一个小扰动稳定的运行平衡点，作为搜索小扰动稳定域边界的初始点；基于变换后的电-气综合能源系统状态矩阵
的主导特征值，通过分析其实部在复平面的位置，判断电-气综合能源系统小扰动稳定性，实部在复平面的位置小于零表示稳定，等于零表示临界稳定，大于零表示不稳定。
9.根据权利要求1所述的一种区域电-气综合能源系统控制参数稳定域确定方法，其特征在于，步骤S7的具体过程为：在给定参数空间内，从初始点开始沿一个方向以设定的步长调整燃机控制参数，得到一系列新的系统平衡点，对每一个平衡点按照步骤S6计算电-气综合能源系统状态矩阵的特征值并进行记录。
10.根据权利要求9所述的一种区域电-气综合能源系统控制参数稳定域确定方法，其特征在于，步骤S8的具体过程为：当沿一个方向逐点计算到达所选定参数空间边界时，改变搜索方向，重复步骤S7直到搜索完选定的控制参数空间；绘制参数稳定域边界时，结合时域仿真结果分析参数对电-气综合能源系统动态特性的影响大小，进而选择合适的调节步长，降低电-气综合能源系统稳定域边界刻画的需要的时间。
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