发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足,提出一种基于蜂窝拓扑的综合能源配电系统及其运行方法,能够为未来城市多能源互联与高比例可再生能源接入的配电网结构设计与运行方法提供基础。
本发明解决其技术问题是采取以下技术方案实现的:
一种基于蜂窝拓扑的综合能源配电系统,包括多个核心设备和多个综合能源基站,所述核心设备采用能源枢纽站,能源枢纽站的输入端连接能源管网,能源枢纽站的输出端连接用户;所述综合能源基站与若干微能源网相连,一部分核心设备分别连接综合能源基站的输入端,综合能源基站的输出端分别连接另一部分核心设备。
而且,所述能源枢纽站包括I型能源枢纽站和II型能源枢纽站,其中I型能源枢纽站包括配电变压器、热电联产和燃气锅炉,II型能源枢纽站包括配电变压器、中央空调和热电联产组成。
而且,所述综合能源基站还包括电能调控模块和天然气调控模块,其中电能调控模块通过电力软开关实现各微能源网间以及微能源网与上级配电网的柔性互联与电功率互动;天然气调控模块通过关断阀、压缩机与分流控制单元实现微能源网间互联以及与上级天然气管道的联络。
而且,所述若干微能源网采用蜂窝状互联方式进行连接,综合能源基站的供能区域为六边形,六边形的每个角均连接其他综合能源基站,当某综合能源基站的微能源网发生故障时,与之互联的综合能源基站根据检测情况进行功率支撑或切断故障,当某综合能源基站的微能源网出现严重重载或发生严重故障,导致下层综合能源基站的微能源网无法实现功率支撑时,将由上级综合能源基站的微能源网承担供能任务。
一种基于蜂窝拓扑的综合能源配电系统的运行方法,包括以经济性为目标的运行方式和以均衡性为目标的运行方式,同时满足运行的约束条件。
而且,所述以经济性为目标的运行方式为:保证运行成本最低,并选取综合能源配电系统的总运行成本为视角进行计算,其中总运行成本包括:各综合能源基站的微能源网内购电与购气成本,以及由各综合能源基站向上级电网或气网的购电与购气成本,其目标函数为:
其中,
和
为不同微能源网、基站或元件的序数,
和
分别为微能源网
内部的购电与购气成本,
和
分别为由综合能源基站
向上级电网和气网的购电与购气成本;
为微能源网的个数;
为综合能源基站个数;
为变压器个数;
为中央空调个数;
为热电联产机组个数;
为燃气锅炉的个数;
和
分别为微能源网的电价与气价,
和
分别为上级电网和气网的电价与气价;
为变压器
输出的电功率,
、
和
分别为中央空调
、热电联产机组
和燃气锅炉
输出的电功率,
和
分别为上级电网和气网向综合能源基站
的注入功率;
、
和
分别为中央空调、热电联产机组和燃气锅炉制热时的能量转换效率,
为单位制热耗气系数。
而且,所述以均衡性为目标的运行方式为:各能源枢纽元件的负载率最均衡,有助于平衡各个微能源网的负荷分布,消除重载区,其目标函数为:
其中,
、
、
和
分别为变压器
、中央空调
、热电联产机组
和燃气锅炉
的负载率;
为能源枢纽元件的负载率均值。
而且,所述约束条件包括:微能源网功率平衡约束、综合能源基站功率平衡约束、网络多能流约束、微能源网供能元件实时出力约束、微能源网能源枢纽元件功率注入约束、微能源网能源枢纽元件容量约束和综合能源基站端口容量约束;
其中,微能源网功率平衡约束为:对于微能源网,其内部能源枢纽元件提供的电或热功率应与电或热负荷实时平衡:
其中,
为元件或负荷
属于微能源网
;
为热电联产机组制电时的能量转换效率;
和
分别为第
个电负荷和第
个热负荷,
为上级电网向综合能源基站
的注入功率,
为气网向综合能源基站
的注入功率;
综合能源基站功率平衡约束为:对于综合能源基站,由微能源网注入的电功率或天然气功率应与上级电网或气网注入的电功率或天然气功率实时平衡:
其中,
为由微能源网经过综合能源基站端口
注入的电功率;
为由微能源网经过综合能源基站端口
注入的天然气功率;
为端口
属于综合能源基站
,
为上级电网向综合能源基站
的注入功率,
为气网向综合能源基站
的注入功率;
网络多能流约束为:电力网、天然气网和热力网中各节点的功率与压力应满足能流传输方程:
其中,
和
分别为电力节点
注入的有功和无功,
和
分别为电力节点
和
的电压幅值,
为节点
与节点
相连,
、
和
分别为节点
和
间的电导和电纳和相角差;
为天然气节点
的注入功率,
为天然气管道压降系数,
和
分别为天然气节点
和
的气压,
为天然气流动方向的状态参数;
和
分别为热力网的节点支路关联矩阵和回路支路关联矩阵,
和
分别为管道流量向量和节点流量向量,
为管道节点流量向量,
为热力节点
的注入功率,
为水比热容,
、
和
分别表示管道的始、末端和环境温度,
为管道的热传导系数,
为管道长度,
和
分别为节点流出的热水流量和温度,
和
分别为节点流入的热水流量和温度;
微能源网供能元件实时出力约束为:微能源网内供能元件实时输出功率的最大值应小于其容量:
其中,
为
实时输出电功率的最大值;
为
实时输出天然气的最大值;
和
分别为
和的
容量;
微能源网能源枢纽元件功率注入约束为:微能源网内部枢纽元件的输入功率应小于微能源网与综合能源基站的提供功率:
微能源网能源枢纽元件容量约束为:各枢纽元件的输出功率应小于其容量:
其中,
为变压器
的容量;
、
和
分别为中央空调、热电联产机组和燃气锅炉的容量;
综合能源基站端口容量约束为:综合能源基站通过各端口的注入功率应小于其端口容量:
其中,
和
分别为与微能源网相连端口的电功率容量和输气容量;
和
分别为与上级电网和气网相连端口的电功率容量和输气容量。
本发明的优点和积极效果是:
1、本发明包括核心设备和综合能源基站,并且明确了综合能源基站间以及其与上级电网的互联方式。在该蜂窝拓扑下,分别设计了以经济性为目标和以均衡性为目标的综合能源配电系统运行方法,并且考虑系统的运行构建了运行约束条件。在双碳背景下,相对于单一品类的能源系统,构建电、气或热等多种能源协调互补的综合能源系统,对于系统整体的节能减排具有重要的意义。实现多能互补主要途径在用户消费侧,因此对于电力系统而言,配电系统将很有可能首先演变为综合能源配电系统。而本发明构建的系统能够为未来城市多能源互联与高比例可再生能源接入的配电网结构设计与运行方法提供基础。
2、本发明综合考虑电、气或热多能源的蜂窝拓扑综合能源配电系统和运行方法,各微能源网内的电、气或热多能源可实现广域协同,将提升系统在异质能源层面的供能灵活性;同时电、气或热能源可基于所提出的核心设备互相转化或互为补充,将进一步提升系统在应对极端天气时的韧性。
3、本发明综合能源基站的微能源网采用蜂窝拓扑结构,导致微能源网最多可由6个基站提供功率交互与支撑,供能灵活性与可靠性将大幅提升。相较多微能源网共用一个公共连接单元的拓扑结构,这种分布式的互联结构更加符合能源互联网的理念:一方面,每个柔性互联节点连接的微能源网并不多(2至3个),因此不存在典型的集中式关键节点,避免了核心节点被蓄意攻击的可能;另一方面,对于某个微能源网,其联络通道相对较多(3至6个),因此备用电源点非常多。
4、本发明在提出的蜂窝拓扑综合能源配电系统中,微能源网互联接口具有标准通用特征,有利于新报装微能源网与基站的友好接入。同时,针对不同微能源网内的供电或供气成本差异,运营主体具有更大的议价权,并可根据经济性与碳排放指标选取最优的供能方案,有助于配电系统的市场化进程。
具体实施方式
以下结合附图对本发明做进一步详述。
一种基于蜂窝拓扑的综合能源配电系统,包括多个核心设备和多个综合能源基站,所述核心设备采用能源枢纽站,能源枢纽站的输入端连接能源管网,能源枢纽站的输出端连接用户;所述综合能源基站与若干微能源网相连,一部分核心设备分别连接综合能源基站的输入端,综合能源基站的输出端分别连接另一部分核心设备。
能源枢纽站的输入端与能源管网相连,输出端与用户相连,以满足电、热等多能量形式的负荷需求。如图1所示的两种典型结构包括I型能源枢纽站和II型能源枢纽站,其中I型能源枢纽站由配电变压器、热电联产(combined heat and power, CHP)和燃气锅炉(gasboiler, GB)构成,输出端口的电能由配电变压器和热电联产提供,热能由热电联产和燃气锅炉提供;II型能源枢纽站由配电变压器、中央空调(central air-conditioning, CAC)和热电联产构成,输出端口的电能由配电变压器和热电联产提供,热能由中央空调和热电联产提供。
如图2所示,综合能源智能基站采用蜂窝状网络拓扑结构,即一个基站与三个微能源网相连,综合能源基站还包括电能调控模块和天然气调控模块,其中电能调控模块通过电力软开关(soft open point, SOP)实现各微能源网间以及微能源网与上级配电网的柔性互联与电功率互动;天然气调控模块为综合能源智能基站的扩展单元:天然气调控模块通过关断阀、压缩机与分流控制单元实现微能源网间互联以及与上级天然气管道的联络。由于压缩机与分流控制单元可共同实现天然气流量与压力的灵活分配调节,具有和电力软开关类似的功能,本发明将之称为天然气软开关。
如图3所示,蜂窝综合能源配电系统的下层各微能源网通过综合能源基站形成互联,构成了蜂窝拓扑结构的核心。其中,若干微能源网采用蜂窝状互联方式进行连接,综合能源基站的供能区域为六边形,六边形的每个角均连接其他综合能源基站,当某综合能源基站的微能源网发生故障时,与之互联的综合能源基站根据检测情况进行功率支撑或切断故障。
微能源网通过综合能源基站,可与上层能源网实现互联。当某综合能源基站的微能源网出现严重重载或发生严重故障,导致下层综合能源基站的微能源网无法实现功率支撑时,将由上级综合能源基站的微能源网承担供能任务。
一种如基于蜂窝拓扑的综合能源配电系统的运行方法,包括以经济性为目标的运行方式和以均衡性为目标的运行方式,同时满足运行的约束条件。
以经济性为目标的运行方式可保证运行成本最低。本发明考虑到电力市场运营机制现状,选取综合能源配电系统的总运行成本为视角。随着市场化改革,可以进一步以不同的利益主体(如综合能源基站)的运营成本和收益为运行目标。
总运行成本包括:各综合能源基站的微能源网内购电与购气成本,以及由各综合能源基站向上级电网或气网的购电与购气成本,其目标函数为:
其中,
和
为不同微能源网、基站或元件的序数,
和
分别为微能源网
内部的购电与购气成本,
和
分别为由综合能源基站
向上级电网和气网的购电与购气成本;
为微能源网的个数;
为综合能源基站个数;
为变压器个数;
为中央空调个数;
为热电联产机组个数;
为燃气锅炉的个数;
和
分别为微能源网的电价与气价,
和
分别为上级电网和气网的电价与气价;
为变压器
输出的电功率,
、
和
分别为中央空调
、热电联产机组
和燃气锅炉
输出的电功率,
和
分别为上级电网和气网向综合能源基站
的注入功率;
、
和
分别为中央空调、热电联产机组和燃气锅炉制热时的能量转换效率,
为单位制热耗气系数,即单位kW·h热量所需的天然气立方数。
以均衡性为目标的运行方式可保证各能源枢纽元件的负载率最均衡,有助于平衡各个微能源网的负荷分布,消除重载区。此时决策变量选取各枢纽元件的负载率,目标函数为元件负载率方差最小,其目标函数为:
其中,
、
、
和
分别为变压器
、中央空调
、热电联产机组
和燃气锅炉
的负载率;
为能源枢纽元件的负载率均值。
按照上述两种运行方式进行运行时,需要满足干约束条件,其包括:微能源网功率平衡约束、综合能源基站功率平衡约束、网络多能流约束、微能源网供能元件实时出力约束、微能源网能源枢纽元件功率注入约束、微能源网能源枢纽元件容量约束和综合能源基站端口容量约束。
微能源网功率平衡约束指对于任一微能源网,其内部能源枢纽元件提供的电、热功率应与电、热负荷实时平衡。相关约束包括电功率平衡约束与热功率平衡约束:
其中,
为元件或负荷
属于微能源网
;
为热电联产机组制电时的能量转换效率;
和
分别为第
个电负荷和第
个热负荷。
综合能源基站功率平衡约束指对于任一综合能源基站,由微能源网注入的电功率或天然气功率应与上级电网或气网注入的电功率或天然气功率实时平衡。相关约束包括电功率平衡约束与天然气功率平衡约束:
其中,
为由微能源网经过综合能源基站端口
注入的电功率;
为由微能源网经过综合能源基站端口
注入的天然气功率;
为端口
属于综合能源基站
,即该端口与基站
j相连,
为上级电网向综合能源基站
的注入功率,
为气网向综合能源基站
的注入功率。
网络多能流约束指电力网、天然气网和热力网中各节点的功率与压力应满足能流传输方程。相关约束包括电力网潮流方程、天然气网管道压降方程、热力网水力方程与热力方程:
其中,
和
分别为电力节点
注入的有功和无功,
和
分别为电力节点
和
的电压幅值,
为节点
与节点
相连,
、
和
分别为节点
和
间的电导和电纳和相角差;
为天然气节点
的注入功率,
为天然气管道压降系数,
和
分别为天然气节点
和
的气压,
为天然气流动方向的状态参数,当
时,
;当
时,
。
和
分别为热力网的节点支路关联矩阵和回路支路关联矩阵,
和
分别为管道流量向量和节点流量向量,
为管道节点流量向量,
为热力节点
的注入功率,
为水比热容,
、
和
分别表示管道的始、末端和环境温度,
为管道的热传导系数,
为管道长度,
和
分别为节点流出的热水流量和温度,
和
分别为节点流入的热水流量和温度。
微能源网供能元件实时出力约束指微能源网内供能元件可实时输出功率的最大值应小于其容量。相关约束包括DG和LNG实时出力约束:
其中,
为
实时输出电功率的最大值;
为
实时输出天然气的最大值;
和
分别为
和的
容量。
微能源网能源枢纽元件功率注入约束指对任一微能源网,其内部枢纽元件的输入功率应小于微能源网与综合能源基站的可提供功率,即微能源网供能元件可实时输出功率与综合能源基站向微能源网输出功率之和。包括能源枢纽元件电功率注入约束和天然气功率注入约束:
本约束中相较于综合能源基站功率平衡约束的
和
前增加了负号,这是本约束中,综合能源基站向微能源网的输出功率方向与综合能源基站功率平衡约束中综合能源基站端口的注入功率方向相反。
微能源网能源枢纽元件容量约束指各枢纽元件的输出功率应小于其容量。相关约束包括变压器容量、中央空调容量约束、热电联产机组容量约束和燃气锅炉容量约束:
其中,
为变压器
的容量,即其可输出电功率的上限值;
、
和
分别为中央空调、热电联产机组和燃气锅炉的容量,即其可输出热功率的上限值。
综合能源基站端口容量约束指通过各端口的注入功率应小于其端口容量。相关约束包括与微能源网相连端口的电功率容量和输气容量约束,以及与上级电网/气网相连端口的电功率容量和输气容量约束:
其中,
和
分别为与微能源网相连端口的电功率容量和输气容量;
和
分别为与上级电网和气网相连端口的电功率容量和输气容量。
根据上述一种基于蜂窝拓扑的综合能源配电系统及其运行方法,通过对于综合能源配电网测试系统进行计算,以更加清晰地体现使发明的目的、方法和优势。
如图4所示的综合能源配电网测试系统包含3个微能源网区域,通过4个综合能源基站构成蜂巢状互联结构。图4重在描述各微能源网与综合能源基站的能流互动关系,而非地理位置关系,即4个综合能源基站的地理无需在一起。微能源网内共配备4个含储能单元的分布式电源站、4个储气站与4个能源枢纽站,以满足负荷用能与异质能源转化、分配需求;各元件参数见表1和表2。
表1 元件容量
表2 元件能量转化效率
如图5给出了附图4所示测试系统的等效拓扑结构,其中,图5中的1-4分别对应了图4中的SP1-SP4,图5以测试系统中的SP3为例展示了综合能源基站内部结构及基站、微能源网、上级能源网的联络关系。综合能源基站中,电力SOP与微能源网、上级电网相连的端口容量分别为0.5MVA、1MVA;天然气SOP与微能源网、上级气网相连的端口容量分别为5m3/h、10m3/h。
测试系统的负荷分布取自华北地区供暖期典型电和热负荷值,如表3所示;表4给出了分布式电源站与储气站的实时出力值。
表3 测试系统的负荷分布
表4 分布式电源站与储气站的实时出力上限
设定微能源网内部采用DG供电时的电价为0.2元/kW·h,天然气价6元/m3;上级能源网参考一般工商业电/气价:电价0.5元/kW·h,天然气价8元/m3。
为说明蜂巢拓扑综合能源配电网的运行方法与优势,采用运行经济性为目标为例进行说明。系统结构考虑共母线结构、蜂巢结构(基站接入前)、蜂巢结构(基站接入后)进行对比分析。
首先,按照以经济性为目标的运行方式的目标函数以及约束条件计算各网络结构下能源枢纽元件的供能功率与供能总成本;为方便对比,电和热功率单位均采用MW。如图6给出了共母线结构以及基站接入前和后的蜂巢结构下各元件的供能功率,具体的元件负载率见表5。各结构下的用能总成本分别为2432.15元、2442.71元、2419.84元。
表5共母线结构以及基站接入前和后的蜂巢结构下各元件负载率
如图6可看出:相比于共母线结构和基站接入前的蜂巢结构,基站接入后的蜂巢结构中,MG1和MG3的CAC供热功率有较明显上升(分别上升0.0446MW、0.0295MW,0.0614MW、0.0323MW),变压器供电功率略有上升(分别上升0.0064MW、0.0012MW,0.0088MW、0.0016MW);二者的CHP对应的供热和供电功率均发生了降低。该现象意味着综合能源基站接入后,MG1和MG3有电功率流入,而耗气量减少了。
如图7进一步展示了蜂巢结构下,综合能源基站接入前后各微能源网间能量传输过程。可以看出:基站接入后,分别有0.0733MW和0.0132MW的电功率流入MG1和MG3;而MG2流出电功率0.0865MW。
接着,上述功率传输结果使得基站接入后的蜂巢结构用能本较共母线结构、基站接入前的蜂巢结构分别节约0.51%、0.84%。这是由于综合能源基站接入后,电功率和天然气可由基站在各微能源网间进行灵活分配,实现了能量互济,系统的供能方式更加灵活,可以采用最为经济的运行方法。以下结合图6、7进行具体分析:
(1) 、首先对比基站接入前后的蜂巢结构。综合能源基站接入前,功率只能在微能源网内部传输,优化得到各微能源网独立运行的最优情况。基站接入后,功率可在微能源网间传输,由于电采暖较天然气采暖更为经济,电功率将由MG2流入MG1和MG3,这些流入的电功率将主要被MG1和MG3通过CAC用于供热,另有少量功率被用于供电,系统的天然气耗量得以下降。因此系统的用能总成本降低了。
(2) 、接着对比共母线结构和基站接入后的蜂巢结构。共母线结构中,电功率和天然气在微能源网间可通过功率倒送的方式进行传输,但只能允许少量功率倒送且功率传输具有单向性。而蜂巢结构中,综合能源基站内的SOP单元使得功率在各微能源网间可柔性传输,因此系统的用能总成本可进一步降低。
最后,针对本实施例进行补充说明:
(1) 、若能源价格较本实施例发生变化,电功率和天然气将遵循降低系统用能总成本的原则由基站进行重新分配,虽然各微能源网间的能量传输值会发生改变,但同样能形成新的最优经济运行方案。
(2) 、本实施例考虑到我国电网市场运营机制现状,选取综合能源配电网的总运行成本为视角。未来随着市场化改革,可以进一步以不同的利益主体(如综合能源基站)的运营成本和收益为目标进行研究。
需要强调的是,本发明所述的实施例是说明性的,而不是限定性的,因此本发明包括并不限于具体实施方式中所述的实施例,凡是由本领域技术人员根据本发明的技术方案得出的其他实施方式,同样属于本发明保护的范围。