CN114781102A - 一种城市综合能源系统的能量流建模方法及应用 - Google Patents

Abstract

一种城市综合能源系统的能量流建模方法及应用，包括：确定城市综合能源系统组成设备和网络拓扑结构；建立城市综合能源系统中电力系统能量流模型，包括设备模型和网络模型；基于火积耗散理论和热电比拟理论，建立城市综合能源系统中热力系统能量流模型，包括设备模型和网络模型；基于连接电力、热力系统子模型得到系统整体模型，实现仿真测试和特性分析。本发明针对热力系统中的基础设备：供热管道、换热站和建筑热用户建立了一般形式的能量流模型，准确描述热量在各个部分传输和损失的动态过程，有利于较大规模地模型集成和求解，实现了对电热联合系统的统一描述和特性分析，为后续调度和控制问题构建提供模型基础。

Description

一种城市综合能源系统的能量流建模方法及应用

技术领域

本发明涉及综合能源系统技术领域，尤其涉及一种城市综合能源系统能量流建模方法及应用。

背景技术

城市综合能源系统集成了风电、光伏、火电机组、热电联产机组、电池、储热罐、电热泵、电锅炉等多种形式的供能、能量转换和储能装置，各种能源形式间存在着复杂耦合关系和特性差异。例如，电能比较容易传输但较难存储，而热能比较易于存储但较难传输，因此电力系统和热力系统的物理特性具有良好的互补性。综合能源系统可以充分利用各类形式能源之间的互补特性实现电、气、热等不同能源之间的互联，推动打破传统单一能源发展的技术壁垒、市场壁垒和体制壁垒，实现多能源的互补互济和协调优化，从而有效提升系统整体能源利用效率。

目前，综合能源系统的建模分析研究一般是针对电力和热力系统分别开展的。电力系统一般是基于能量流方法研究电能自身的输运特性，通过欧姆定律和基尔霍夫电压电流定律分别描述元件传输和系统拓扑特性构造电力潮流约束。而热力系统基于工质流方法同时研究伴随工质流动的热能迁移与工质之间的热能传递，在两者的耦合处以互为边界条件的形式体现两者之间的作用和影响。在对不同能源系统模型进行集成时，整体求解的收敛性难以保证，且没有基于电力、热力系统的物理机制，从而无法对综合能源系统开展精确分析与控制设计。

因此，对城市综合能源系统提出一种统一的兼具准确度与简洁性的建模和分析方法，对于系统的整体特性分析和控制系统设计至关重要。

传统的电热综合能源系统中电力、热力子系统模型是基于不同方法进行构建的。电力系统中只有能量传递，不考虑物质传递，因此可以通过能量流的方法基于电学基本定律，考虑元件特性约束和网络拓扑约束，得到电压和电流之间的网络方程。而热力系统中不仅有能量传递，还有物质传递，通过需要考虑机械、流动等多物理过程，其数学模型包含分布参数的偏微分方程和集总参数的非线性方程。在对电力、热力子系统模型进行简单集成时，不仅模型的收敛性无法保证，同时模型整体复杂度较高，带来了巨大的计算负担。因此本发明通过提出一种城市综合能源系统的能量流建模方法，提供了电热综合能源系统统一的建模和分析方法，能够综合考虑模型复杂度和准确性，实现对系统整体的精准建模和特性分析。

发明内容

为了解决现有技术中的不足，本发明公开一种城市综合能源系统能量流建模方法及应用，其技术方案如下：

一种城市综合能源系统的能量流建模方法及应用，其特征为：包括如下步骤：

步骤1：确定城市综合能源系统组成设备和网络拓扑结构；

步骤2：建立城市综合能源系统中电力系统能量流模型，包括设备模型和电力系统网络功率平衡模型；

步骤3：基于火积耗散理论和热电比拟思想，建立城市综合能源系统中热力系统能量流模型，包括设备模型和网络模型；

步骤4：基于连接电力、热力系统子模型得到系统整体模型，实现仿真测试和特性分析。

本发明还公开一种电热综合能源系统，其特征为：采用上述城市综合能源系统的能量流建模方法实现所述系统整体建模和特性分析。

有益效果

与现有技术相比，本发明可以获得包括以下技术效果：

1、综合能源系统中热力系统规模庞大，结构复杂，设备繁多。本发明基于能量流方法，针对热力系统中的基础设备：供热管道、换热站和建筑热用户，分别建立了一般形式的能量流模型，可以准确描述热量在各个部分传输和损失的动态过程，同时有利于较大规模地模型集成和求解。

2、本发明针对电热综合能源系统建立了统一的能量流模型，实现了对电热联合系统的统一描述和特性分析，可为后续调度和控制问题构建提供模型基础。

附图说明

图1为本发明城市综合能源系统示意图；

图2为本发明等效建筑热用户示意图；

图3为本发明环境温度变化曲线示意图；

图4为本发明建筑物内部温度变化曲线示意图。

具体实施方式

实施例1

一种城市综合能源系统的能量流建模方法及应用，其特征为：包括如下步骤：

步骤1：确定城市综合能源系统组成设备和网络拓扑结构；

所述城市综合能源系统的设备主体包括：火电机组、热电联产机组、风电机组、换热站、供热管道，建筑热用户，参见图1所示。综合能源系统中风电机组、火电机组、热电联产机组共同为用户提供电负荷，热电联产机组与供热系统连通为用户提供热负荷；所述供热系统包括一次换热站、一次热网、二次换热站以及二次热网，首先热电联产机组供热抽气通过一次换热站将热量传递给一次热网，一次热网通过二次换热站将热量传递给二次热网，二次热网再通过建筑内散热器将热量传递给建筑物内部，从而满足用户的热负荷需求。

步骤2：建立城市综合能源系统中电力系统能量流模型，包括设备模型和电力系统网络功率平衡模型：

该步骤涉及电力系统基础设备包括火电机组、热电联产机组和风电机组，

其中：火电机组模型为t时刻第i台火电机组输出功率模型如下：

其中：

表示t时刻第i台火电机组输出功率，P_i ^tp，min、P_i ^tp，max表示第i台火电机组输出功率上下约束；

分别表示第i台火电机组的升降负荷速率约束；

热电联产机组模型为t时刻第i台热电联产机组模型如下：

其中：

表示t时刻第i台热电联产机组输出功率，P_i ^chp，min、P_i ^chp，max表示第i台热电联产机组输出功率上下约束；

分别表示第i台热电联产机组的升降负荷速率约束；

风力发电机组模型为t时刻第i台风电机组模型如下：

其中：

表示t时刻第i台风电机组输出功率，

表示t时刻第i台风电机组最大可用功率；

步骤2中涉及的电力系统网络功率平衡模型为：

其中：S^tp、S^chp、S^wp分别表示系统中火电机组数量、热电联产机组数量和风电机组数量；S^el表示电负荷需求数量，

表示t时刻第i处电负荷功率。该模型表示在t时刻系统满足电负荷供需平衡。

步骤3：基于火积耗散理论和热电比拟理论，建立城市综合能源系统中热力系统能量流模型，包括设备模型和网络模型。

该步骤中涉及的电力系统基础设备包括供热管道、换热站和建筑热用户；所述供热管道具体包括一次热网和二次热网，由于一次热网的长度足够长，因此在模型建立中需要考虑对应的热量迁移和漏热过程。

建立一次热网能量流模型的具体方法为：由于流体在管道中的输运需求一定时间，且随着流体在管道内部输运过程中不断与环境进行热交换，因此沿管长方向流体温度也是动态变化的。因此，根据流体输运特性可以建立管道进出口流体温度之间的关系模型。忽略管壁储热和流体之间导热，对一段长度为ΔL的流体微元建立其热平衡方程为：

K(T-T_amb)dΔLdt＝-ρc_pSΔLdT

其中：K、T、T_amb、d、ρ、c_p、S分别表示换热系数、流体温度、环境温度、管道周长、流体密度、流体比热容、管道截面积；ΔL表示流体微元长度，dt表示时间变化值，dT表示温度变化值；该热平衡方程对应的边界条件为：

T(t_inl，t_inl)＝T_inl(t_inl)

其中：T_inl表示管道入口流体温度，t_inl表示该流体微元进入管道的时刻，从而可以得到在t_inl时刻进入管道的流体随时间变化的温度模型为：

其中：τ_flow＝t-t_inl，b＝τ_flow/τ_loss，τ_loss＝ρc_pS/K，θ表示时间积分变量，τ_flow和τ_loss分别表示管道流动和漏热过程的特征时间，b是对应比值，反映了热量迁移特性和热量传递特性的主导地位；同时，流体微元通过管道的总时长τ_flow，t可以用下式来确定：

其中，L表示管道总长，v表示流动速度。τ_flow，t表示管道流动的延迟时间；流体微元从管道入口到出口的总内能变化表达式为：

ΔU(t_inl，τ_flσw，t)＝ρc_pSΔl[T(t_inl，t_inl)-T(t_inl，t_inl+τ_flow，t)]

其中，ΔU(t_inl，τ_flow，t)是流体微元的总内能变化；从而可以得到单位时间内在t_inl时刻流入管道的流体微元流经管道的总漏热量：

其中：

ε_{h，delay，loss}(t_inl，，τ_flow，t)是由于漏热引起的平均传热温度变化，R_h，loss是反映整个管道漏热特性的换热热阻，b_p＝τ_flow，t/τ_loss是管道整体热量迁移特性与热量传递特性之间相对重要程度的度量；

同时，流体出口温度可以表示为

T_outl(t_inl+τ_flow，t)＝T(t_inl，t_inl+τ_flow，t)＝T_inl(t_inl)+ε_loss(t_inl，τ_flow，t)

其中：

在此基础上，引入一个描述时间平移的附加热动势ε_{h，delay，flow}将上述异步能量流模型的出口温度时间平移至当前时刻温度，计算式为：

ε_{h，delay，flow}(t_inl，τ_flow，t)＝T(t_inl，t_inl+τ_flow，t)-T(t_inl-τ_flow，t，t_inl)

平移时间后，瞬时漏热量Φ_{loss，instan}可以得到为

考虑到管道内流体的储热能力，得到管道流体的瞬时热平衡方程为：

其中：

U_p＝G_PST_p＝ρc_pSLT_p

C_h，Ps和T_p分别是管内流体的总热容和平均温度。从而可以得到一次管网的能量流模型，其中ε_h，trans是Φ_loss，trans由于异步模型向同步模型时间平移所需要的附加热动势和热流源，表达式分别为

ε_h，trans＝T_inl-T_p

Φ_loss，trans＝φ_loss-φ_{loss，instan}

所建立的一次管网能量流模型完整反映了管道输运过程中热量的传递、迁移和存储特性。

建立换热站能量流模型和热用户能量流模型的具体方法为：：涉及建筑热用户能量流模型是一种等效建筑模型，包括两部分，一是建筑模型本身，二是一次热网和等效建筑之间的换热模型。等效建筑热用户示意图如图2所示，具体换热过程为：热量首先通过二次换热站由一次热网传递给二次热网，再经过建筑热用户的散热器由二次热网传递给房屋。由于二次热网一般距离热用户较短，所以不考虑二次热网供热管道的蓄热能力，且二次热网与环境的散热过程，则有：

H_hl1＝H_hl2

其中：H_hl1、H_hl2分别表示二次换热站换热量和建筑散热器换热量；

对于二次换热站，假设其采用逆流换热器，基于火积耗散理论可以得到逆流换热器的等效热阻为：

其中：a_p，hl＝k^hlA^hl/G_p，hl，a_hl＝k^hlA^hl/G_hl，G_p，hl＝m^P，hlc_p，G_hl＝m^hlc_p。

表示二次换热站逆流换热器火积耗散热阻，m_p，hl和m_hl分别表示一次热网、二次热网热流体质量流量；c_p表示流体工质比热容，k_hl、A_hl分别表示二次换热站逆流换热器的换热系数和换热面积；T_hl，in、T_hl，out分别表示一次热网流体进入和离开二次换热站的温度；T_h，i、T_h，o分别表示二次热网流体离开、进入二次换热站的温度。

基于能量守恒定量，有如下关系：

从而可以得到

其中：R_en，hl是二次换热站火积热阻的另一种表示形式，该换热器的换热过程可以用温差除以基于火积耗散的热阻表示；从热电比拟原理来说，H_hl1可看作电路中的电流，而温差可以看作是电势差。

步骤3涉及的热力系统二次热网实际运行中，一般通过调节其质量流量来保持建筑物室内温度在人体舒适度范围内相对恒定；因此在建模过程中假设二次热网中配置有比例-积分控制器，该比例-积分控制器输入量为建筑物室内温度与其设定值的差值，经比例-积分环节计算后产生控制增量叠加到二次热网流量设定值一起作为二次热网流量的实际控制量，从而维持建筑物室内温度的相对恒定。

建筑热用户模型主要建立由于房屋温度与环境温度不同导致的制热、制冷需求模型。同样假设建筑热用户散热器为逆流换热器，则基于火积耗散理论可以得到该换热器的等效热阻为：

其中：a_hl2＝k^bA^b/G_hl，a_h＝k^bA^b/G_h，G_hl＝m^hlc_p，G_h＝m^hc_h。m_h表示散热器房屋侧流体质量流量，c_h表示散热器房屋侧流体比热容。k^b、A^b别表示逆流换热器的换热系数和换热面积。在房屋侧假设室内温度保持均匀一致，因此有c_h＝∞，G_h＝∞，a_h＝0。则换热器等效热阻可简化为：

其中：R_en，b是建筑物散热器火积热阻的另一种表示形式；

对建筑物本身根据能量守恒定量可以建立模型如下：

其中，H_b表示建筑物与环境热交换能量，C^b表示建筑物比热容，T_b表示建筑物内部温度，R_b表示建筑物散热过程的等效热阻。

步骤3中涉及的热力系统网络平衡模型为：

T_b，min≤T_b，i，t≤T_b，max

其中：T_b，i，t表示t时刻第i个等效建筑内部温度；T_b，min、T_b，max分别表示符合人体舒适度的室内温度下限和上限。通过将建筑热用户室内温度控制在给定区间内，表明热力系统中的热负荷达到供需平衡。

步骤4：基于连接电力、热力系统子模型得到系统整体模型，实现仿真测试和特性分析。

基于步骤2-3分别得到的电力、热力系统能量流模型，按照供能原理连接，以电力、热力系统网络平衡方程为约束条件，联立求解上述能量流模型，给定输入参数，如火电机组功率，风力发电机组功率，热电联产机组功率，供热机组抽气流量和温度，供热管网基本参数，换热站换热面积和传热系数，建筑物基本参数等，实现给定参数下的系统整体模型的求解仿真。图3表示给定的外界环境温度变化曲线，图4表示对应的三处建筑物内部温度变化曲线。该图表明当外界环境温度随时间变化时，通过二次热网回路中控制器调节二次热网供热质量流量，可以始终保持建筑物室内温度在人体舒适度范围内。

本发明研究电热综合能源系统的统一建模，以能量流为核心，建立和电力系统模型体系相一致的热力系统模型，包括供热管道、换热站和热用户等热力系统基础设备，将热力系统模型融入现有电力系统模型体系中，形成反映电、热不同能流整体平衡特性和输运规律的统一潮流模型。本发明提供的综合能源系统统一能量流方法，兼具模型准确度与简洁性，可为后续综合能源系统的规划设计和优化控制提供良好的模型基础。

Claims (9)

1.一种城市综合能源系统的能量流建模方法，其特征为：包括如下步骤：

步骤1：确定城市综合能源系统组成设备和网络拓扑结构；

步骤2：建立城市综合能源系统中电力系统能量流模型，包括设备模型和网络模型；

步骤3：基于火积耗散理论和热电比拟理论，建立城市综合能源系统中热力系统能量流模型，包括设备模型和网络模型；

步骤4：基于连接电力、热力系统子模型得到系统整体模型，实现仿真测试和特性分析。

2.根据权利要求1所述的城市综合能源系统的能量流建模方法，其特征为：所述步骤1进一步包括如下内容：所述城市综合能源系统的设备主体包括：火电机组、热电联产机组、风电机组、换热站、供热管道，建筑热用户；综合能源系统中风电机组、火电机组、热电联产机组共同为用户提供电负荷，热电联产机组与供热系统连通为用户提供热负荷；所述供热系统包括一次换热站、一次热网、二次换热站以及二次热网，首先热电联产机组供热抽气通过一次换热站将热量传递给一次热网，一次热网通过二次换热站将热量传递给二次热网，二次热网再通过建筑内散热器将热量传递给建筑物内部，从而满足用户的热负荷需求。

3.根据权利要求1所述的城市综合能源系统的能量流建模方法，其特征为：所述步骤2进一步包括如下内容：

该步骤涉及电力系统基础设备包括火电机组、热电联产机组和风电机组，

其中：火电机组模型为t时刻第i台火电机组输出功率模型如下：

其中：

表示t时刻第i台火电机组输出功率，P_i ^tp,min、P_i ^tp,max表示第i台火电机组输出功率上下约束；

分别表示第i台火电机组的升降负荷速率约束；

热电联产机组模型为t时刻第i台热电联产机组模型如下：

其中：

表示t时刻第i台热电联产机组输出功率，P_i ^chp,min、P_i ^chp,max表示第i台热电联产机组输出功率上下约束；

分别表示第i台热电联产机组的升降负荷速率约束；

风力发电机组模型为t时刻第i台风电机组模型如下：

其中：

表示t时刻第i台风电机组输出功率，

表示t时刻第i台风电机组最大可用功率；

电力系统网络功率平衡模型为：

其中：S^tp、S^chp、S^wp分别表示系统中火电机组数量、热电联产机组数量和风电机组数量；S^el表示电负荷需求数量，

表示t时刻第i处电负荷功率。该模型表示在t时刻系统满足电负荷供需平衡。

4.根据权利要求1所述的城市综合能源系统的能量流建模方法，其特征为：所述步骤3进一步包括如下内容：该步骤中涉及的电力系统基础设备包括供热管道、换热站和建筑热用户；所述供热管道具体包括一次热网和二次热网；建立一次热网能量流模型、换热站能量流模型和热用户能量流模型。

5.根据权利要求4所述的所述的城市综合能源系统的能量流建模方法，其特征为：所述一次热网能量流模型的具体方法为：

忽略管壁储热和流体之间导热，对一段长度为ΔL的流体微元建立其热平衡方程为：

K(T-T_amb)dΔLdt＝-ρc_pSΔLdT

其中：K、T、T_amb、d、ρ、c_p、S分别表示换热系数、流体温度、环境温度、管道周长、流体密度、流体比热容、管道截面积；ΔL表示流体微元长度，dt表示时间变化值，dT表示温度变化值；该热平衡方程对应的边界条件为：

T(t_inl,t_inl)＝T_inl(t_inl)

其中：T_inl表示管道入口流体温度，t_inl表示该流体微元进入管道的时刻，从而可以得到在t_inl时刻进入管道的流体随时间变化的温度模型为：

其中：τ_flow＝t-t_inl,b＝τ_flow/τ_loss,τ_loss＝ρc_pS/K,θ表示时间积分变量，τ_flow和τ_loss分别表示管道流动和漏热过程的特征时间，b是对应比值，反映了热量迁移特性和热量传递特性的主导地位；同时，流体微元通过管道的总时长τ_flow,t可以用下式来确定:

其中，L表示管道总长，v表示流动速度。τ_flow,t表示管道流动的延迟时间；流体微元从管道入口到出口的总内能变化表达式为：

ΔU(t_inl,τ_flow,t)＝ρc_pSΔl[T(t_inl,t_inl)-T(t_inl,t_inl+τ_flow,t)]

其中，ΔU(t_inl,τ_flow,t)是流体微元的总内能变化；从而可以得到单位时间内在t_inl时刻流入管道的流体微元流经管道的总漏热量：

其中：

ε_h,delay,loss(t_inl,,τ_flow,t)是由于漏热引起的平均传热温度变化，R_h,loss是反映整个管道漏热特性的换热热阻，b_p＝τ_flow,t/τ_loss是管道整体热量迁移特性与热量传递特性之间相对重要程度的度量；

同时，流体出口温度可以表示为

T_outl(t_inl+τ_flow,t)＝T(t_inl,t_inl+τ_flow,t)＝T_inl(t_inl)+ε_loss(t_inl,τ_flow,t)

其中：

在此基础上，引入一个描述时间平移的附加热动势ε_h,delay,flow将上述异步能量流模型的出口温度时间平移至当前时刻温度，计算式为：

ε_h,delay,flow(t_inl,τ_flow,t)＝T(t_inl,t_inl+τ_flow,t)-T(t_inl-τ_flow,t,t_inl)

平移时间后，瞬时漏热量Φ_loss,instan可以得到为

考虑到管道内流体的储热能力，得到管道流体的瞬时热平衡方程为：

其中：

U_p＝C_PST_p＝ρc_pSLT_p

C_h,PS和T_p分别是管内流体的总热容和平均温度。从而可以得到一次管网的能量流模型，其中ε_h,trans是Φ_loss,trans由于异步模型向同步模型时间平移所需要的附加热动势和热流源，表达式分别为

ε_h,trans＝T_inl-T_p

Φ_loss,trans＝Φ_loss-Φ_loss,instan。

6.根据权利要求4所述的所述的城市综合能源系统的能量流建模方法，其特征为：

建立换热站能量流模型和热用户能量流模型的具体方法为：涉及建筑热用户模型是一种等效建筑模型，包括两部分，一是建筑模型本身，二是一次热网和等效建筑之间的换热模型；具体换热过程为：热量首先通过二次换热站由一次热网传递给二次热网，再经过建筑热用户的散热器由二次热网传递给房屋。由于二次热网一般距离热用户较短，所以不考虑二次热网供热管道的蓄热能力，且二次热网与环境的散热过程，则有：

H_hl1＝H_hl2

其中：H_hl1、H_hl2分别表示二次换热站换热量和建筑散热器换热量；

对于二次换热站，假设其采用逆流换热器，基于火积耗散理论可以得到逆流换热器的等效热阻为：

其中：a_p,hl＝k^hlA^hl/G_p,hl，a_hl＝k^hlA^hl/G_hl，G_p,hl＝m^p,hlc_p，G_hl＝m^hlc_p。

表示二次换热站逆流换热器火积耗散热阻，m_p,hl和m_hl分别表示一次热网、二次热网热流体质量流量；c_p表示流体工质比热容，k_hl、A_hl分别表示二次换热站逆流换热器的换热系数和换热面积；T_hl,in、T_hl,out分别表示一次热网流体进入和离开二次换热站的温度；T_h,i、T_h,o分别表示二次热网流体离开、进入二次换热站的温度；

基于能量守恒定量，有如下关系：

从而可以得到

其中：R_en,hl是二次换热站火积热阻的另一种表示形式，该换热器的换热过程可以用温差除以基于火积耗散的热阻表示；从热电比拟原理来说，H_hl1可看作电路中的电流，而温差可以看作是电势差。

7.根据权利要求4所述的所述的城市综合能源系统的能量流建模方法，其特征为：

建筑热用户模型主要建立由于房屋温度与环境温度不同导致的制热、制冷需求模型；同样假设建筑热用户散热器为逆流换热器，则基于火积耗散理论可以得到该换热器的等效热阻为：

其中：a_hl2＝k^bA^b/G_hl，a_h＝k^bA^b/G_h，G_hl＝m^hlc_p，G_h＝m^hc_h。m_h表示散热器房屋侧流体质量流量，c_h表示散热器房屋侧流体比热容。k^b、A^b别表示逆流换热器的换热系数和换热面积。在房屋侧假设室内温度保持均匀一致，因此有c_h＝∞，G_h＝∞，a_h＝0；则换热器等效热阻可简化为：

其中：R_en,b是建筑物散热器火积热阻的另一种表示形式；

对建筑物本身根据能量守恒定量可以建立模型如下：

其中，H_b表示建筑物与环境热交换能量，C^b表示建筑物比热容，T_b表示建筑物内部温度，R_b表示建筑物散热过程的等效热阻。

8.根据权利要求1所述的城市综合能源系统的能量流建模方法，其特征为：所述步骤4进一步包括如下内容：基于步骤2中得到的电力系统能量流模型和步骤3中得到的热力系统能量流模型，按照供能原理连接，以电力、热力系统网络平衡方程为约束条件，联立求解上述能量流模型，给定输入参数，实现对系统整体模型的求解仿真，并开展对应的特性分析。

9.一种电热综合能源系统，其特征为：采用上述权利要求1-7任一所述城市综合能源系统的能量流建模方法实现所述系统整体建模和特性分析。

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