CN114549232A - 电-热综合能源系统混合能流计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了电‑热综合能源系统混合能流计算方法，包括：获取电‑热综合能源系统混合能流的已知状态量，确定电‑热综合能源系统的电、热平衡节点；根据热力子系统结构，建立计及供水、回水管网热损耗的热力子系统水力、热力工况稳态模型；根据电力子系统的电力参数，建立电力子系统交流潮流模型；建立热电联产机组的热电转换模型并构建以热电联产机组为耦合设备的电‑热综合能源系统混合能流模型；设置电‑热综合能源系统能流模型中待求状态量初始值，并利用牛顿‑拉夫逊法分解迭代求解电‑热综合能源系统的混合能流模型。利用本方法能够对电‑热综合能源系统中多种能流的分布进行快速、准确的计算，有助于综合能源系统的投资规划和调控运行。

Description

电-热综合能源系统混合能流计算方法

技术领域

本发明属于电-热综合能源系统领域，具体涉及电-热综合能源系统的混合能流计算方法。

背景技术

为应对日益严峻的化石能源短缺及环境污染问题，以电力系统为核心、互联网及其他前沿信息技术为基础、包含多种能源耦合互补的能源互联网应运而生。以热电联产机组、电锅炉、热泵为耦合设备的电—热综合能源系统是能源互联网的重要表现形式之一，实现了系统内电能与热能间的转换与互动。电网、供热管网作为综合能源系统中主要的供能网络，如何对其中多能流的分布进行有效计算，是指导综合能源系统投资规划、运行调控及能源交易的基础与依据。

目前针对电-热综合能源系统的研究多以电力系统为核心展开，通过电锅炉、储热、热泵等设备促进电热协调运行与弃风消纳，或利用矩阵形式的能源集线器模型简化系统中的多能转化过程。以上模型中均着重考虑电力系统运行约束，对热力系统只考虑热功率平衡这一条件，忽略了网络约束的影响。在实际运行中，供热网络本身存在着水流量平衡、压力平衡、热量平衡等多方面限制，其影响不可忽略。在电—热综合能源系统混合能流计算的研究方面，现有常用求解方法大都存在计算量大、占用计算机内存过高、难以处理环网等问题。因此，有必要对含电、热的综合能源系统混合能流计算方法展开研究。

发明内容

本发明的目的在于提供电-热综合能源系统的混合能流计算方法，首先建立考虑流量、压力、热量平衡的热力子系统水力-热力稳态模型；再结合热电联产机组热电转换模型、电力子系统交流潮流模型，提出一种基于牛顿法的分解迭代混合能流计算方法。在确定电-热综合能源系统内的热源热出力后，可通过热电联产机组的热电转换模型计算机组电功率输出，进而得到电-热综合能源系统的混合能流解。本发明通过热力子系统-电力子系统状态量的分解迭代过程计算电-热综合能源系统中多种类型能流的运行状态量，从而指导区域内电-热综合能源系统的远期投资规划和调控运行策略设计。

本发明所采用的技术方案是：电-热综合能源系统混合能流分析计算方法，具体操作步骤如下：

步骤1：识别电-热综合能源系统拓扑结构，所述电-热综合能源系统由电力子系统、热力子系统和热电联产机组构成，其中，热力子系统由供水管网和回水管网组成，热电联产机组为电力子系统和热力子系统间的耦合设备，同时向电力子系统和热力子系统供电和供热；

基于电-热综合能源系统拓扑结构，分别获取电力子系统、热力子系统混合能流的已知状态量，并设定电-热综合能源系统的电力子系统、热力子系统平衡节点，其中，混合能流的已知状态信息包括电力子系统的电力参数、热力子系统的水力参数和热力参数；

步骤2：根据热力子系统拓扑结构，生成热力子系统关联参考矩阵和回路矩阵；基于热力子系统的水力参数，建立热力子系统的水力工况稳态模型；基于热力子系统的热力参数，建立计及供水、回水管网传输热损耗的热力子系统热力工况稳态模型；

步骤3：根据电力子系统的电力参数，建立电力子系统的交流潮流模型；

步骤4：建立热电联产机组的热电转换数学模型，并构建以热电联产机组为耦合设备的电-热综合能源系统混合能流模型，混合能流模型由以下4部分依次构成，热力子系统的水力工况稳态模型、热力子系统的热力工况稳态模型、热电联产机组热电转换模型以及电力子系统的交流潮流模型；

步骤5：设置电-热综合能源系统混合能流模型中未知状态量的初始值，利用牛顿-拉夫逊法迭代计算步骤4中电-热综合能源系统混合能流模型并输出最终电热综合能源系统混合能流模型的计算结果。

本发明的特点还在于，

步骤2中热力子系统水力、热力工况稳态模型的具体推导过程如下：

热力子系统的水力工况稳态模型是包括节点水流量平衡方程和回路压降平衡方程的非线性模型。

节点水流量平衡方程是指管网中某一节点的质量流量等于流入该节点与流出该节点的支路质量流量之差，具体表达式为：

式中，

和

分别为支路j和支路k中工质的质量流量；

为节点i处的质量流量；inⁱ和outⁱ分别表示流入节点i和流出节点i的支路集合；上标pipe和node分别表示管道支路和节点；

回路压降平衡方程是指对供热管网中的任一回路，其中所包含的各支路上压降的代数和为0，可表示为如下形式：

式中，h_j为支路j上的水头损失；n_loop表示供热管网中的回路集合；

式(2)中的水头损失h_j可通过下式计算：

式中，s_j为支路j的阻力特性数，表示支路j中通过1kg/h水流量时的水头损失值；

根据热力子系统拓扑结构，生成热力子系统关联参考矩阵A和回路矩阵B，将热力系统水力工况稳态模型用矩阵形式表示为：

式中，m^pipe和m^node分别为各支路质量流量和节点质量流量组成的向量；h为支路水头损失向量；s为各支路的阻力特性数构成的向量。

热力子系统中各节点的供水温度、回水温度及供热功率的分布情况可由热力子系统的热力工况稳态模型计算得出，供水温度、回水温度的分布情况直接反映供热效果的好坏。

热力子系统热力工况稳态模型包括管道支路热传递方程和节点温度混合方程。

由于热力子系统中流动的供热工质质量流量稳定，忽略其分子间的对流以及工质内能随时间的变化，只考虑工质温度的轴向变化，可得支路热传递方程如下：

式中，

分别表示管道j中工质的质量流量和距离管道起始点x处的温度；C_P为水的比热容；T_a为管道周围的环境温度；R_j为管道j多层保温结构的总热阻；

对式(5)分离变量并积分可得管道j末端节点工质的平均温度：

式中，T_start、T_end分别表示管道支路j始、末节点的温度；λ_j为管道j单位长度的导热系数，λ_j＝1/R_j；l_j为管道j的长度；

节点温度混合方程表明，在热力子系统中，流入同一节点的所有管道内的工质在该节点进行充分混合，随后所有流出该节点的管道内工质的温度都等于该混合温度，其具体表达式为：

式中，T_i ^node表示节点i处的混合温度；T_end.j为支路j末端的工质温度，可由式(6)求得。

对于集中供热管网，通常在给定热源供水温度和负荷回水温度的条件下，利用热力子系统水力、热力工况稳态模型确定管道内供热工质的质量流量m_j、各负荷节点的供水温度T_s.i及热源节点的回水温度T_r.source；在各节点热负荷Φ_i已知的条件下，除热源节点外各节点的质量流量

可由下式求得：

式中，T_s.i和T_r.i分别为除热源节点外节点i的供水、回水温度。

步骤3电力子系统的交流潮流模型如下：

式中，P_i、Q_i分别为节点i注入的有功功率和无功功率；U_i、U_j分别为节点i和节点j的电压幅值；n为电力子系统内的节点数；G_ij和B_ij分别为支路ij的电导和电纳值；θ_ij为节点i和节点j之间的相角差。

步骤4中所述热电联产机组作为集中供热的主要热源，一般工作于两种模式：以热定电模式和以电定热模式。冬季集中供暖时的热电联产机组通常工作在以热定电模式下，即以热功率输出来确定机组电功率输出的运行方式，能够有效避免机组供热量的浪费，保证供暖质量，且在电量不足时，可方便向电网购电，故本文热点联产机组选用以热定电模式。在该模式下模式下热电联产机组输出的热功率和电功率间满足如下关系：

其中，Φ_CHP表示热功率，P_CHP表示电功率。

综上，所述电-热综合能源系统混合能流计算方法总体流程如附图1所示。

根据所述电-热综合能源系统混合能流模型的4个依次组成部分，即热力子系统的水力工况稳态模型、热力子系统的热力工况稳态模型、热电联产机组热电转换模型及电力子系统的交流潮流模型，给出所述电-热综合能源系统混合能流模型计算方法的基本步骤如下：

第一步，进行热力子系统的水力、热力工况稳态模型计算，得出热力子系统热源节点处热电联产机组发出的热功率及热力子系统内各节点的温度、流量信息；

第二步，根据热电联产机组的热功率及机组的热电转换模型求得热电联产机组的电功率输出；

第三步，将热电联产机组的电功率输出代入电力子系统的交流潮流模型进行计算，若满足式(11)所述收敛条件，计算结束，输出电-热综合能源系统混合能流解，否则，返回第一步继续进行迭代计算；

||ΔP^(k),ΔQ^(k)||<ε(11)

式中，||ΔP^(k),ΔQ^(k)||表示电力子系统节点功率偏差向量ΔP^(k)、ΔQ^(k)中最大分量的绝对值；k为迭代次数；ε为允许的迭代收敛误差，当采用标幺值进行计算时，取ε＝10^-4。

本发明的有益效果是：

本发明提出的电-热综合能源系统混合能流计算方法，能够通过分析热力子系统拓扑结构及其水力、热力特性，建立计及供水、回水管网热损耗的热力子系统水力、热力工况稳态模型；在此基础上，结合热电联产机组热点转换模型、电力子系统交流潮流模型，构建以热电联产机组为耦合设备的电-热综合能源系统混合能流模型；最后基于牛顿-拉夫逊法，提出一种电-热综合能源系统分解迭代混合能流计算方法。在确定电-热综合能源系统内的热源热出力后，可通过热电联产机组的热电转换模型计算机组电功率输出，进而得到电-热综合能源系统的混合能流解。利用本方法能够对电-热综合能源系统中多种能流的分布进行快速、准确的计算，有助于综合能源系统的投资规划和调控运行。

本发明提出的分解迭代混合能流计算方法，针对电-热综合能源系统中两种热力子系统结构(环网与辐射型热网)，均能以较快速度收敛，具有良好的网络适应性。此外，对于通过热电联产机组耦合的电-热综合能源系统，热能的供需情况发生改变时会影响电力子系统的运行状态，利用传统独立系统的计算方法难以考虑不同能源间的互动特性，应用本发明提出的计算方法可以给出综合能源系统内的混合能流分布情况。

附图说明

图1是本发明电-热综合能源系统混合能流计算方法的流程图；

图2是本发明一实施例中的电-热综合能源系统拓扑结构图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明的电-热综合能源系统混合能流计算方法，如图1所示，具体操作步骤如下：

步骤1：识别电-热综合能源系统拓扑结构，所述电-热综合能源系统由电力子系统、热力子系统和热电联产机组构成，其中，热力子系统由供水管网和回水管网组成，热电联产机组为电力子系统和热力子系统间的耦合设备，同时向电力子系统和热力子系统供电和供热；

基于所述电-热综合能源系统拓扑结构，分别获取电力子系统、热力子系统混合能流的已知状态量，并设定所述电-热综合能源系统的电力子系统、热力子系统平衡节点，其中，所述混合能流的已知状态信息包括所述电力子系统的电力参数、所述热力子系统的水力参数和热力参数；

步骤2：根据所述热力子系统拓扑结构，生成热力子系统关联参考矩阵和回路矩阵；基于所述热力子系统的水力参数，建立热力子系统的水力工况稳态模型；基于所述热力子系统的热力参数，建立计及供水、回水管网传输热损耗的热力子系统热力工况稳态模型；

步骤3：根据所述电力子系统的电力参数，建立电力子系统的交流潮流模型；

步骤4：建立热电联产机组的热电转换数学模型，并构建以热电联产机组为耦合设备的电-热综合能源系统混合能流模型，所述混合能流模型由以下4部分依次构成，热力子系统的水力工况稳态模型、热力子系统的热力工况稳态模型、热电联产机组热电转换模型以及电力子系统的交流潮流模型；

步骤5：设置所述电-热综合能源系统混合能流模型中未知状态量的初始值，利用牛顿-拉夫逊法迭代计算步骤4中电-热综合能源系统混合能流模型并输出最终电热综合能源系统混合能流模型的计算结果。

步骤2中热力子系统水力、热力工况稳态模型的具体推导过程如下：

供热管网水力计算的目的是得到网络中工质的质量流量和压力分布。热力系统水力模型是包括节点水流量平衡方程和回路压降平衡方程的非线性模型。由于供水网络与回水网络拓扑结构相同，所以只针对供水网络进行分析。

节点水流量平衡方程是指管网中某一节点的质量流量等于流入该节点与流出该节点的支路质量流量之差，具体表达式为：

式中，

和

分别为支路j和支路k中工质的质量流量；

为节点i处的质量流量；inⁱ和outⁱ分别表示流入节点i和流出节点i的支路集合；上标pipe和node分别表示管道支路和节点。

回路压降平衡方程是指对供热管网中的任一回路，其中所包含的各支路上压降的代数和为0，可表示为如下形式：

式中，h_j为支路j上的水头损失；n_loop表示供热管网中的回路集合。

式(2)中的水头损失h_j可通过下式计算：

式中，s_j为支路j的阻力特性数，表示支路j中通过1kg/h水流量时的水头损失值。根据图论，引入由供热管网拓扑结构确定的关联参考矩阵A和回路矩阵B，将热网的稳态水力模型用矩阵形式表示为

供热管网的热力模型包括管道支路热传递方程和节点温度混合方程。

支路热传递方程是描述管道中工质温度动态变化过程与传输延时的偏微分方程。由于管道中的供热工质流量稳定，忽略其分子间的对流以及工质内能随时间的变化，只考虑工质温度的轴向变化，可得支路稳态热传递方程如下：

式中，

分别表示管道j中工质的质量流量和距离管道起始点x处的温度；C_P为水的比热容；T_a为管道周围的环境温度；R_j为管道j多层保温结构的总热阻。

对式(5)分离变量并积分可得管道j末端节点工质的平均温度：

式中，T_start、T_end分别表示管道支路j始、末节点的温度；λ_j为管道j单位长度的导热系数，λ_j＝1/R_j；l_j为管道j的长度。

节点温度混合方程表明，在供热管网中，流入同一节点的所有管道内的工质在该节点进行充分混合，随后所有流出该节点的管道内工质的温度都等于该混合温度，其具体表达式为：

式中，T_i ^node表示节点i处的混合温度；T_end.j为支路j末端的工质温度，可由式(6)求得。

对于集中供热管网，通常在给定热源供水温度和负荷回水温度的条件下，利用水力、热力模型确定管道内供热工质的质量流量m_j、各负荷节点的供水温度T_s.load以及热源节点的回水温度T_r.source。在各节点热负荷Φ_i已知的条件下，除热源节点外各节点的质量流量

可由下式求得：

步骤3中电力子系统的交流潮流模型如下：

式中，P_i、Q_i分别为节点i注入的有功功率和无功功率；U_i、U_j分别为节点i和节点j的电压幅值；n为电力子系统内的节点数；G_ij和B_ij分别为支路ij的电导和电纳值；θ_ij为节点i和节点j之间的相角差。

步骤4中热电联产机组作为电-热耦合设备其热电转换的数学模型可表示为如下形式：

热电联产机组作为集中供热的主要热源，一般工作于两种模式：以热定电模式和以电定热模式。冬季集中供暖时的热电联产机组通常工作在以热定电模式下，即以热功率输出来确定机组电功率输出的运行方式，能够有效避免机组供热量的浪费，保证供暖质量，且在电量不足时，可方便向电网购电，故本文热点联产机组选用以热定电模式。在该模式下的热电联产机组产生的电能和热能满足如下关系：

所述步骤4包含以下子步骤：

电-热综合能源系统混合能流计算分为热网潮流计算环节、电热耦合环节和电网潮流计算环节3个部分，求解的基本步骤如下：首先，进行热网潮流计算，得出热网热源节点处热电联产机组发出的热功率及系统内各节点的温度、流量信息；其次，根据机组的热功率求得机组的电功率输出，并将该值代入电网潮流模型；最后，进行电网潮流计算，直至满足收敛条件得到系统的混合能流解。如附图1所示。

实施例

实施例为3节点热网、4节点配电网，通过热电联产耦合构造而成的7节点电-热综合能源系统，拓扑结构如图2所示。其中热源处热电联产供水温度恒定为100℃，节点1、2为热负荷节点，热功率为0.3MW，负荷节点回水温度恒定为50℃，外界环境温度为10℃。图中热电联产机组的热功率输出由节点3处的回水温度和质量流量决定。电网节点4为平衡节点，电压幅值为1.02pu，节点3为热电联产机组接入位置，为PV节点，电压幅值为1.05pu，其余节点为PQ节点，有功负荷均为0.15MW。图2电—热综合能源系统工作于并网模式，热电联产机组工作于以热定电模式，节点3为热网的平衡节点。

利用本文提出的方法对图2系统进行混合能流计算，热网模型经过3次迭代后收敛，并将结果传递给电网模型继续计算，经4次迭代后电网潮流收敛。由仿真结果可知，电力系统内各节点电压均处于1.0057pu和1.05pu之间，未出现电压越限情况；由于热网节点3处存在热源，热力系统中供热温度最低的负荷节点为系统中间位置的节点2。

Claims (6)

1.电-热综合能源系统混合能流计算方法，其特征在于，具体包括如下步骤：

步骤1：识别电-热综合能源系统拓扑结构，所述电-热综合能源系统由电力子系统、热力子系统和热电联产机组构成，其中，热力子系统由供水管网和回水管网组成，热电联产机组为电力子系统和热力子系统间的耦合设备，同时向电力子系统和热力子系统供电和供热；

基于所述电-热综合能源系统拓扑结构，分别获取电力子系统、热力子系统混合能流的已知状态量，并设定所述电-热综合能源系统的电力子系统、热力子系统平衡节点，其中，所述混合能流的已知状态信息包括所述电力子系统的电力参数、所述热力子系统的水力参数和热力参数；

步骤2：根据所述热力子系统拓扑结构，生成热力子系统关联参考矩阵和回路矩阵；基于所述热力子系统的水力参数，建立热力子系统的水力工况稳态模型；基于所述热力子系统的热力参数，建立计及供水、回水管网传输热损耗的热力子系统热力工况稳态模型；

步骤3：根据所述电力子系统的电力参数，建立电力子系统的交流潮流模型；

步骤4：建立热电联产机组的热电转换数学模型，并构建以热电联产机组为耦合设备的电-热综合能源系统混合能流模型，所述混合能流模型由以下4部分依次构成，热力子系统的水力工况稳态模型、热力子系统的热力工况稳态模型、热电联产机组热电转换模型以及电力子系统的交流潮流模型；

步骤5：设置所述电-热综合能源系统混合能流模型中未知状态量的初始值，利用牛顿-拉夫逊法迭代计算步骤4中电-热综合能源系统混合能流模型并输出最终电热综合能源系统混合能流模型的计算结果。

2.根据权利要求1所述的电-热综合能源系统混合能流计算方法，其特征在于，步骤2所述热力子系统水力工况稳态模型、热力工况稳态模型的具体推导过程如下：

热力子系统的水力工况稳态模型是包括节点水流量平衡方程和回路压降平衡方程的非线性模型；

节点水流量平衡方程是指管网中某一节点的质量流量等于流入该节点与流出该节点的支路质量流量之差，具体表达式为：

式中，

和

分别为支路j和支路k中工质的质量流量；

为节点i处的质量流量；inⁱ和outⁱ分别表示流入节点i和流出节点i的支路集合；上标pipe和node分别表示管道支路和节点；

回路压降平衡方程是指对供热管网中的任一回路，其中所包含的各支路上压降的代数和为0，可表示为如下形式：

式中，h_j为支路j上的水头损失；n_loop表示供热管网中的回路集合；

式(2)中的水头损失h_j可通过下式计算：

式中，s_j为支路j的阻力特性数，表示支路j中通过1kg/h水流量时的水头损失值；

热电转换数学模型

根据所述热力子系统拓扑结构，生成热力子系统关联参考矩阵A和回路矩阵B，将热力系统的水力工况稳态模型用矩阵形式表示为：

式中，m^pipe和m^node分别为各支路质量流量和节点质量流量组成的向量；h为支路水头损失向量；s为各支路的阻力特性数构成的向量；

热力子系统中各节点的供水温度、回水温度及供热功率的分布情况可由热力子系统的热力工况稳态模型计算得出，供水温度、回水温度的分布情况直接反映供热效果的好坏。

3.根据权利要求2所述的电-热综合能源系统混合能流计算方法，其特征在于，步骤2所述热力子系统中的热力工况稳态模型的具体推导过程如下：

热力子系统的热力工况稳态模型包括管道支路热传递方程和节点温度混合方程；

由于热力子系统中流动的供热工质质量流量稳定，忽略其分子间的对流以及工质内能随时间的变化，只考虑工质温度的轴向变化，可得支路热传递方程如下：

式中，

分别表示管道j中工质的质量流量和距离管道起始点x处的温度；C_P为水的比热容；T_a为管道周围的环境温度；R_j为管道j多层保温结构的总热阻；

对式(5)分离变量并积分可得管道j末端节点工质的平均温度：

式中，T_start、T_end分别表示管道支路j始、末节点的温度；λ_j为管道j单位长度的导热系数，λ_j＝1/R_j；l_j为管道j的长度；

节点温度混合方程表明，在热力子系统中，流入同一节点的所有管道内的工质在该节点进行充分混合，随后所有流出该节点的管道内工质的温度都等于该混合温度，其具体表达式为：

式中，T_i ^node表示节点i处的混合温度；T_end.j为支路j末端的工质温度，可由式(6)求得；

对于集中供热管网，在给定热源供水温度和负荷回水温度的条件下，利用热力子系统水力、热力工况稳态模型确定管道内供热工质的质量流量m_j、各负荷节点的供水温度T_s.i及热源节点的回水温度T_r.source；在各节点热负荷Φ_i已知的条件下，除热源节点外各节点的质量流量

可由下式求得：

式中，T_s.i和T_r.i分别为除热源节点外节点i的供水、回水温度。

4.根据权利要求1所述的电-热综合能源系统混合能流计算方法，其特征在于，步骤3所述电力子系统的交流潮流模型如下：

式中，P_i、Q_i分别为节点i注入的有功功率和无功功率；U_i、U_j分别为节点i和节点j的电压幅值；n为电力子系统内的节点数；G_ij和B_ij分别为支路ij的电导和电纳值；θ_ij为节点i和节点j之间的相角差。

5.根据权利要求1所述的电-热综合能源系统混合能流计算方法，其特征在于，步骤4中热电联产机组的热电转换数学模型可表示为如下形式：

以热定电模式下热电联产机组输出的热功率和电功率间满足如下关系：

其中，Φ_CHP表示热功率，P_CHP表示电功率。

6.根据权利要求1所述的电-热综合能源系统混合能流计算方法，其特征在于，步骤5具体如下：

根据所述电-热综合能源系统混合能流模型的4个依次组成部分，即热力子系统的水力工况稳态模型、热力子系统的热力工况稳态模型、热电联产机组热电转换模型及电力子系统的交流潮流模型，给出所述电-热综合能源系统混合能流模型计算方法的基本步骤如下：

第一步，进行热力子系统的水力、热力工况稳态模型计算，得出热力子系统热源节点处热电联产机组发出的热功率及热力子系统内各节点的温度、流量信息；

第二步，根据热电联产机组的热功率及机组的热电转换模型求得热电联产机组的电功率输出；

第三步，将热电联产机组的电功率输出代入电力子系统的交流潮流模型进行计算，若满足式(11)所述收敛条件，计算结束，输出电-热综合能源系统混合能流解，否则，返回第一步继续进行迭代计算；

||ΔP^(k),ΔQ^(k)||<ε(11)

式中，||ΔP^(k),ΔQ^(k)||表示电力子系统节点功率偏差向量ΔP^(k)、ΔQ^(k)中最大分量的绝对值；k为迭代次数；ε为允许的迭代收敛误差，当采用标幺值进行计算时，取ε＝10^-4。

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