CN114372349A - 一种热系统调控建模方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于热电联产调控技术领域，尤其涉及一种热系统调控建模方法：对应电制热过程建立电制热储能和供热系统的能量流模型；对应储热过程建立储热容量电学模型；对应传热过程建立换热器稳态潮流模型；对应热用户侧热需求建立热能量流模型；将电制热储能和供热系统的能量流模型、储热容量电学模型、换热器稳态潮流模型以及热能量流模型矩阵化。基于本发明的方法，提高了整体系统分析的精度，以此提高电‑热综合能源系统调控的精准度。

Description

一种热系统调控建模方法

技术领域

本发明属于热电联产调控技术领域，尤其涉及一种热系统调控建模方法。

背景技术

可再生能源发电大力发展给人们带来清洁能源的同时，由于风力、光伏发电不可控性、社会用电量增速趋缓以及电网送出通道等问题，导致了严重的弃风、弃光现象。电池储能是解决这一问题的理想设备，其既可视为电源的调节手段，也可视为负荷的调节手段，如果能够实现更加灵活的运行模式，那么对保障电网安全运行，支撑外送通道具有重要现实意义。电制热储热的综合利用将实现完全清洁能源供给的重要一环。

目前，电制热储热大规模开发仍然面临巨大的技术挑战和成本制约。寒冷地区，一般采用燃煤机组热电联供的方式供暖。由于采用“以热定电”的方式，热需求与电需求的隔离，造成了供需反应的不精准，与延迟，供热机组调节裕度非常小，而冬季也往往是风电、光伏大发的季节，这也是造成弃风、弃光的一个重要因素，风光电量富裕而热电联产机组出力减少，从而导致热供给减少，在以热定电的决策中，造成了成本高昂，能源浪费的局面，在以往的热电建模中，并没有使用统一的表征模型，来耦合两种能量的具象化。从而导致了定量化需求的基础上，热电分析定量计算不精准，造成产能与需求不平衡，不能通过一体化模型快速表达进行电-热的供需。因此，现在亟需一种与电学模型形式一致的热力建模方法来解决上述问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于提供一种热系统调控建模方法，解决热电分析定量计算不精准，造成产能与需求不平衡的问题。

本发明是这样实现的，

一种热系统调控建模方法，该方法包括：

对应电制热过程建立电制热储能和供热系统的能量流模型；

对应储热过程建立储热容量电学模型；

对应传热过程建立换热器稳态潮流模型；

对应热用户侧热需求建立热能量流模型；

将电制热储能和供热系统的能量流模型、储热容量电学模型、换热器稳态潮流模型以及热能量流模型矩阵化表示为：

T_u,1-T_u,0＝Q_u×R_u

其中T_d,o-T_d,n为1-n个储热装置热势，T_CHP1-T_CHPn为1-n个热电联产制热设备热势，R_HX1、R_HX2、R_HXn分别为热交换环节漏热热阻，R₁-R_n为使用热电联产制热加储热的用户侧热阻，Q_u为传热环节漏热热阻，R_a1-R_an为直接使用储热的用户侧热阻T_a、T_B为流过用户侧后热势。

进一步地，所述储热容量电学模型以电容形式表征出储热设备的热容量，以热容两端的热势为变量，对时间做积分，

Q_i为热量在非稳态传递阶段能量的储存和释放过程第i台储热设备的热流体流量，C_i为储热设备热容，

为热流体流入储热设备的热势变化率。

进一步地，换热器稳态潮流模型包括：将换热器作为热阻，热能差为驱动势、热流体作为热流，得到换热器稳态潮流模型：

ΔU＝QR_e

ΔU＝T_h,j-T_c,i

R_e＝R(KA,m_h,m_c)

ΔU为驱动势，放热为正，吸热为负；Q为热流；R_e＝R(KA,m_h,m_c)为热阻；

在热力网路中热流体经过热流网路的并联、串联和多回路三种形式由两端热势差形成热驱动势进行热量流动转化。

进一步地，电制热储能和供热系统的能量流模型为：

其中，T_d,0为电制热产生在储能换热节点处的热势，T_u,i为电制热储能设备所储热势，T_a为储热设备供热的热势能。

进一步地，热用户侧的热能量流模型为：

其中，T_i为第i个热用户的热势，R_i为第i个用户的热阻，T_i-1为第i-1个用户的热势。

本发明与现有技术相比，有益效果在于：

基于本发明的方法，提高了整体系统分析的精度，以此提高电-热综合能源系统调控的精准度。

附图说明

图1为本发明换热器潮流模型的电气化结构示意图；

图2为本发明并联换热器网络中由实物模型转变为系统中的换热器潮流模型；

图3电制热储能和供热系统的能量流模型；

图4电制热-储热-供热系统的电气化表征和矩阵化。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明提出一种热系统调控建模方法。利用电气化的标准表征制热、传热、漏热和蓄热特性的热阻、热容模型，以电路形式计算电制热、储热、释热，实现了热力系统的电学建模。基于本发明方法建立的模型，提高了整体系统分析的精度，以此提高调控的精准度。

为实现上述发明目的，本发明是通过以下一实施例来描述一种热系统调控建模方法，本方法采用电学模型形式一致的制热、传热、漏热和蓄热特性的热阻、热容模型表征。包括：

将热系统中的四个过程电制热、储热、释热(传热)与用户侧热需求分别建立电学模型；并对整个过程统一建模；其中：

对应电制热过程建立电制热储能和供热系统的能量流模型；

对应储热过程建立储热容量电学模型；

对应传热过程建立换热器稳态潮流模型；

对应热用户侧热需求建立热能量流模型；

电学模型形式一致的制热、传热、漏热和蓄热特性的热阻、热容模型表征：在电制热、储热、释热中，热量在非稳态传递阶段能量的变化，在换热设备、储热设备等以热阻形式表征热流体、冷流体与换热壁之间的传热电阻与储热设备在储热器中的漏热热阻，以热阻R的形式具象表达各个热量损耗的大小，最大程度提高整个系统的计算精度。

其中，储热容量电学模型，以电容作为储热设备的热容量，以热容两端的热势为变量，对时间做积分，

Q_i为热量在非稳态传递阶段能量的储存和释放过程第i台储热设备的热流体流量，C_i为储热设备热容，

为热流体流入储热设备的热势变化率。

参见图1所示，换热器潮流模型根据换热器稳态性能，分析热流体流向建立电学形式稳态模型；漏热作为换热器热阻，热能差作为驱动势、热流体建立热流模型：

根据上述热力学模型，通过进行电学表征，为换热器潮流模型：

ΔU＝QR_e

ΔU＝T_h,j-T_c,i

R_e＝R(KA,m_h,m_c)

ΔU为驱动势，放热为正，吸热为负。；Q为热流(热流体流量)；R_e为热阻，其取决与(KA,m_h,m_c)，其中KA为换热器面积、m_h换热系数、m_c两股流体质量流量的函数。基于热电比拟分析，建立换热器潮流模型，与电力系统潮流模型是统一的。

参见图2所示，换热系统中建立稳态潮流模型可类比电学模型为三种基本结构，分别为：并联、串联和多回路，在热力网路中热流体经过热流网路的三种形式由两端热势差形成热驱动势进行热量流动转化，以三路并联换热器网络为例：由实物模型转变为电学潮流模型，表示为：

其中，Q_CO表为换热系统在并联换热器换热之后流出换热网络末端的热流量，T_h1、T_h2、T_h3分别表示为一、二、三号换热器的热流体进口处的热势，T_ci表示为热流体在进入换热网络之前热网络中的热势。串联、多回路换热网络的潮流模型的构建方法与并联换热网络一致。

电制热储热容量模型：

S_i(j+1)＝S_i(j)+P_{hs_i}(j)Δt-η×S_i(j)

式中：S_i(j+1)、S_i(j)分别为第i台电制热设备第j+1、j个调度阶段储热系统累计的储热容量MWh，P_{hs_i}(j)为阶段j储热系统的输出功率；Δt为储热系统的调度周期，h；η为储热系统在Δt时间内的储热效率(储热系统在Δt时间内会有漏热损失)，转化为电学形式表征：

参见图3所示，电制热储能和供热系统的能量流模型：

其中T_d,0为电制热产生在储能换热节点处的热势，T_u,i为电制热储能设备所储热势，T_a为储热设备供热的热势能。

热用户侧表征的热能量流模型为：

其中，T_i为第i个热用户的热势，R_i为第i个用户的热阻，T_i-1为第i-1个用户的热势。热用户侧的建筑热能量流模型由N个用户组成，为此可构建为串联的热网模型。

参见图4所示，为电制热-储热-供热系统的矩阵化为：

T_u,1-T_u,0＝Q_u×R_u

由储热-供热系统中的储热、传热、漏热三个环节组成，其中T_d,o-T_d,n为1-n个储热装置热势，T_CHP1-T_CHPn为1-n个热电联产制热设备热势，R_HX1、R_HX2、R_HXn、分别为热交换环节漏热热阻，R₁-R_n为使用热电联产制热加储热的用户侧热阻，Q_u为传热环节漏热热阻，R_a1-R_an为直接使用储热的用户侧热阻T_a、T_B为流过用户侧后热势。

储热装置的热量经过热网路，与电制热装置产生的热量一起经过换热环节，到达用户侧，在传热过程中出现的漏热，每条漏热的热网路建模出漏热电阻。以此用电气化形式计算电制热-储热-供热系统。

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、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种热系统调控建模方法，其特征在于，该方法包括：

对应电制热过程建立电制热储能和供热系统的能量流模型；

对应储热过程建立储热容量电学模型；

对应传热过程建立换热器稳态潮流模型；

对应热用户侧热需求建立热能量流模型；

将电制热储能和供热系统的能量流模型、储热容量电学模型、换热器稳态潮流模型以及热能量流模型矩阵化表示为：

T_u,1-T_u,0＝Q_u×R_u

其中T_d,o-T_d,n为1-n个储热装置热势，T_CHP1-T_CHPn为1-n个热电联产制热设备热势，R_HX1、R_HX2、R_HXn分别为热交换环节漏热热阻，R₁-R_n为使用热电联产制热加储热的用户侧热阻，Q_u为传热环节漏热热阻，R_a1-R_an为直接使用储热的用户侧热阻T_a、T_B为流过用户侧后热势。

2.按照权利要求1所述的方法，其特征在于，所述储热容量电学模型以电容形式表征出储热设备的热容量，以热容两端的热势为变量，对时间做积分，

Q_i为热量在非稳态传递阶段能量的储存和释放过程第i台储热设备的热流体流量，C_i为储热设备热容，

为热流体流入储热设备的热势变化率。

3.按照权利要求1所述的方法，其特征在于，换热器稳态潮流模型包括：将换热器作为热阻，热能差为驱动势、热流体作为热流，得到换热器稳态潮流模型：

ΔU＝QR_e

ΔU＝T_h,j-T_c,i

R_e＝R(KA,m_h,m_c)

ΔU为驱动势，放热为正，吸热为负；Q为热流；R_e＝R(KA,m_h,m_c)为热阻；

在热力网路中热流体经过热流网路的并联、串联和多回路三种形式由两端热势差形成热驱动势进行热量流动转化。

4.按照权利要求1所述的方法，其特征在于，电制热储能和供热系统的能量流模型为：

其中，T_d,0为电制热产生在储能换热节点处的热势，T_u,i为电制热储能设备所储热势，T_a为储热设备供热的热势能。

5.按照权利要求1所述的方法，其特征在于，热用户侧的热能量流模型为：

其中，T_i为第i个热用户的热势，R_i为第i个用户的热阻，T_i-1为第i-1个用户的热势。

Images