WO2022000700A1

WO2022000700A1 - 一种气热惯性备用参与园区综合能源系统备用配置方法

Info

Publication number: WO2022000700A1
Application number: PCT/CN2020/107349
Authority: WO
Inventors: 孙维佳; 王�琦; 汤奕
Original assignee: 南京东博智慧能源研究院有限公司
Priority date: 2020-07-03
Filing date: 2020-08-06
Publication date: 2022-01-06
Also published as: LU500360B1; CN111950171A; CN111950171B

Abstract

一种气热惯性备用参与园区综合能源系统备用配置方法，首先建立气惯性备用应对系统功率缺额的出力模型，然后建立热惯性备用应对系统功率缺额的出力模型，最后协同考虑气热惯性备用、发电侧备用、需求侧备用进行园区综合能源备用配置。可以充分利用园区综合能源系统内的气热惯性备用，进而综合多种备用形式，以应对系统功率缺额问题，在保证系统可靠性水平的前提下，提升系统运行经济性。

Description

一种气热惯性备用参与园区综合能源系统备用配置方法

技术领域

本发明涉及一种气热惯性备用参与园区综合能源系统备用配置方法，属于综合能源技术领域。

背景技术

作为电力系统重要的辅助服务，电力系统备用确保系统安全运行并留有一定的充裕度。园区级综合能源系统中，备用主要用于应对新能源出力预测不确定性、负荷预测不确定性、机组故障停运等不确定性因素引起的系统功率缺额问题。在目前电力市场改革的背景下，综合能源系统运行的可靠性和经济性同等重要，有必要摒弃传统的保守备用配置方法，研究综合多种备用形式的综合能源系统备用配置。

考虑到综合能源系统内部电气热多能耦合特性，除传统发电侧备用和需求侧备用外，气热惯性备用也可为系统提供功率支撑，为园区级综合能源系统的备用配置提供了新思路。其中，气惯性备用指气传输管道通过释放管存、降低管压为系统提供备用功率，热惯性备用指热负荷建筑通过牺牲运行舒适度、降低室温为系统提供备用功率。综合多种备用形式，充分考虑气热惯性备用、需求侧备用、发电侧备用的互补配置，在保证系统可靠性水平的前提下，能够提升系统运行经济性，以较小的成本代价优化系统应对系统功率缺额的备用配置。

发明内容

为解决上述问题，本发明提出了一种气热惯性备用参与园区综合能源系统备用配置方法，本发明可以充分利用园区综合能源系统内气热惯性备用参与备用优化配置，以应对系统功率缺额问题，在保证系统可靠性水平的前提下，提升系统运行经济性。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

一种气热惯性备用参与园区综合能源系统备用配置方法，包括如下步骤：

(1)基于天然气管道暂态模型，建立气惯性备用应对系统功率缺额出力模型，具体包括：

1)基于动态天然气流的连续性方程和动量方程，建立天然气管道暂态模型；

2)基于有限元近似的思想，求解天然气管道末端压强响应模型；

3)考虑天然气系统运行约束，构建气惯性备用应对系统功率缺额出力模型；

(2)考虑热力系统热时滞、热损耗、热惯性特性，建立热惯性备用应对系统功率缺额出力模型，具体包括：

a)综合考虑热力系统热时滞、热损耗、热惯性特性，建立热力系统模型；

b)基于时频域变换，求解热负荷建筑室温响应模型；

c)考虑热力系统运行约束，构建热惯性备用应对系统功率缺额出力模型；

(3)综合考虑气热惯性备用、发电侧备用、需求侧备用，以最小化园区综合能源系统备用购买总成本为目标，构建园区综合能源备用模型，进行园区综合能源备用配置。

进一步，步骤(1)具体为：

1)天然气管道暂态模型为：

式中，ρ、v、P分别为天然气的密度、流速、压强，λ、D、θ分别为管道的摩擦系数、内径、管道与水平面的倾角，g为重力加速度，x、t分别为时间变量和空间变量；

2)利用拉普拉斯变换求解天然气管道末端压强响应模型：

式中，A、L、T分别为天然气管道的横截面积、长度和温度，R _M为天然气气体常数，P _out(t)、

分别为随时间t变化的天然气管道末端压强及其一阶、二阶导数，f _out(t)、

分别为随时间t变化的天然气管道末端流量及其一阶导数；

3)气惯性备用应对系统功率缺额出力模型为：

约束条件为：

其中，

和

分别为P _out(t)的上下限，t ₁和t ₂分别为气惯性备用供应的起始和截止时刻，G _M为天然气热力值，f ₁、f ₂分别为管道在t ₁时刻、t ₂时刻的末端流量。

进一步，步骤(2)具体为：

a)热力系统模型为：

式中，τ _n(t)为热负荷建筑m对应的传输管道n随时间t变化的热时滞，l _n为传输管道n的长度，v _n(t)为传输管道n随时间t变化的热水流速，

为热传输过程中传输管道n的热损耗功率，

为传输管道n的管道热损率，T _m(t)和

分别为热负荷建筑m随时间t变化的室内温度和其一阶导数，H _m(t)为随时间t变化的热网络对热负荷建筑m的供热功率，L _m(t)为随时间t变化的热负荷建筑m的热损耗功率，C _A为热负荷建筑的室内空气比热容，M _A为热负荷建筑的室内空气质量，

为热负荷建筑的散热系数，T _out(t)表示随时间t变化的热负荷建筑的室外温度，m＝1,2,...,z，z为园区综合能源系统总热负荷建筑数目；

2)利用拉普拉斯变换求解热负荷建筑室温响应模型：

3)构建热惯性备用应对系统功率缺额的出力模型为：

式中，T _m,c为正常舒适温度，T _m,l为最低舒适温度，

为随时间t变化的热负荷建筑m的热惯性备用，，t ₃、t ₄分别为热惯性备用供应的起始和截止时刻。

进一步，园区综合能源备用模型为：

其中，气热惯性备用数学模型为

a _t、b _t分别为随时间t变化的气惯性、热惯性备用容量价格，

为随时间t变化的气惯性、热惯性投入的备用容量；发电侧备用数学模型为

c _t、d _t为备用市场出清后随时间t变化的备用容量价格和电量价格，R ^S、

分别为随时间t变化的发电侧备用成交容量、实际所投入的备用容量；需求侧备用数学模型为

分别为随时间t变化的需求侧用户i的备用容量价格、电量补偿价格，R ^D,i、

分别为随时间t变化的需求侧用户i需求响应成交容量、实际所投入的备用容量，k为需求侧用户数目。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

本发明在充分考虑综合能源气热系统惯性特性的基础上，利用气热惯性备用参与园区综合能源系统备用配置，综合多种备用形式，实现气热惯性备用、需求侧备用、发电侧备用的互补配置，以应对系统功率缺额问题，在保证系统可靠性水平的前提下，提升系统运行经济性。

附图说明

图1为本发明方法的总流程图；

图2为气惯性系统示意图；

图3为气惯性备用应对系统功率缺额示意图，其中，(a)为末端流量，(b)为末端气压，(c)为气备用功率；

图4为热惯性系统示意图；

图5为热惯性备用应对系统功率缺额示意图，其中，(a)为热源输入功率，(b)为热网供给功率，(c)为室内实际温度，(d)为热备用功率出力。

具体实施方式

以下将结合具体实施例对本发明提供的技术方案进行详细说明，应理解下述具体实施方式仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。

一种气热惯性备用参与园区综合能源系统备用配置方法，如图1所示，包括如下步骤：

(1)基于天然气管道暂态模型，建立气惯性备用应对系统功率缺额模型

天然气管存备用具有负反馈调节特性：系统功率需求增加时，可增加管道末端流量，释放部分管存给燃气机组，缓解系统功率缺额问题，管道压强下降，管存减少；系统功率需求恢复正常时，管道末端流量恢复，传输管道把气源供给的部分天然气存储起来，管道压强重新上升，管存恢复到正常值，如图2所示。考虑到天然气管存的惯性调节特性，可将其视为系统功率缺额的动态备用。

1)基于动态天然气流的连续性方程和动量方程，建立天然气管道暂态模型。

天然气管道传输暂态过程可表征为：

式中，ρ、v、P分别为天然气的密度、流速、压强，λ、D、θ分别为管道的摩擦系数、内径、管道与水平面的倾角，g为重力加速度，x、t分别为时间变量和空间变量。

2)基于有限元近似的思想，求解天然气管道末端压强响应模型。

基于有限元近似的思想，利用下面公式简化：

其中，f _out、f _in分别为管道出口流量、进口流量(kg/s)，P _out、P _in分别为管道出口压强、进口压强(Pa)。

整理可得二阶方程：

分别为随时间t变化的天然气管道末端流量及其一阶导数。

设t ₁时刻系统功率缺额瞬时增加，管道末端流量瞬时从f ₁上升到f ₂。天然气管道末端压强响应过程为阶跃响应和冲激响应的线性叠加结果，可利用拉普拉斯变换求解得出，天然气管道末端流量瞬时增大时，末端气压按负指数曲线降低，管存随之释放。

3)考虑天然气系统运行约束，构建气惯性备用应对系统功率缺额出力模型。

实际运行中，天然气管道末端气压不得超过其运行上下限：

一旦末端气压下降至t ₂时刻低于运行下限，将无法为系统提供备用功率支撑，管道末端流量恢复，末端气压按负指数曲线上升至正常值。

气惯性备用最长供应时间

可定义为：

可得出气备用功率模型R ^G(t)如下：

其中，

和

本发明的实施例中，若取参数分别为v＝5m/s，R _M＝519.1J/(KG·K)，T＝25℃＝273.15K，λ＝0.05，D＝0.5m，A＝0.19635m ²，P _in(t)＝0.3MPa，

G _M＝29.044MJ/kg

设t ₁＝1h时，系统负荷需求瞬时增加，管道末端流量瞬时从正常值f ₁增加到f ₂，其中，f ₁＝1.2kg/s，f ₂＝1.3kg/s。

将以上数据全部带入二阶方程，利用拉普拉斯变换求解可得：

P _out(t)＝173000-[25385-8e ^{-0.04827(t-1*3600)}+25393e ^{-0.0008161(t-1*3600)}]

基于以上推导，为应对系统功率缺额，天然气管道末端流量瞬时增大，末端气压按负指数曲线降低，管存随之释放；一旦末端气压下降至t ₂时刻低于运行下限，将无法为系统继续提供备用功率支撑，天然气管道末端流量恢复正常，末端气压按负指数曲线上升至正常值。可得出末端流量f _out(t)、末端气压p _out(t)、气备用功率R ^G(t)示意图如图3中的(a)至(c)所示。

(2)考虑热力系统热时滞、热损耗、热惯性，建立热惯性备用应对系统功率缺额模型

已知热网中热传递过程如图4。假设采用质调节方式，热源以采暖蒸汽形式向一级换热器传递能量，热源处仅改变热网络供水温度，不改变系统网络流量和流速。正常运行情况下，建筑物始终维持在最优舒适温度；系统发生功率缺额时，主动减少对建筑物供热，建筑物温度不断下降至最低舒适温度以提供功率支撑；热负荷建筑投入热备用时间到达上限时，系统立即恢复对建筑物正常供热，建筑物温度不断上升至最优舒适温度。考虑到热负荷建筑的惯性调节特性，可将其视为系统功率缺额的动态备用。

a)综合考虑热力系统热时滞、热损耗、热惯性特性，建立热力系统模型。

式中，热负荷建筑物m对应传输管道为n管道，传输管道n随时间t变化的热时滞τ _n(t)与传输管道n的长度l _n成正比、与热水流速v _n(t)成反比；热传输过程中传输管道n存在的热损耗功率

与管道热损率

和管道长度l _n成正比；考虑建筑物本身热惯性，T _m(t)表示热负荷建筑m随时间t变化的室内温度，

为T _m(t)的一阶导数，H _m(t)为随时间t变化的热网络对热负荷建筑m的供热功率，L _m(t)为随时间t变化的热负荷建筑m的热损耗功率，C _A为热负荷建筑的室内空气比热容，M _A为热负荷建筑的室内空气质量，

为热负荷建筑的散热系数(与建筑围护结构散热、冷风渗透散热、通风散热均有关)，T _out(t)表示随时间t变化的热负荷建筑的室外温度，m＝1,2,...,z，z为园区综合能源系统总热负荷建筑数目。

b)基于时频域变换，求解热负荷建筑室温响应模型。

假设一定时间内室外温度T _out不变，热力系统模型可简化得到得:

t ₄时刻，设热源供能功率瞬时从正常值H ₁降为最低值H ₂，则可推知：

式中，T _m,c为正常舒适温度，T _m,l为最低舒适温度。

可得出热负荷建筑m室内温度为一阶阶跃响应，温度按负指数曲线下降。

c)考虑热力系统运行约束，构建热惯性备用应对系统功率缺额出力模型。

考虑到实际情况下，热负荷建筑投入热备用功率时间有限，若热惯性备用最长供应时间为

则定义即t ₄时刻，热惯性备用停止为系统填补功率缺额，热负荷建筑将在一定热时滞过程后逐步回升至最优舒适温度。

t ₅＝t ₃+τ _n(t ₃)

式中，t ₅表示考虑热时滞下，热网供给热负荷建筑功率改变的时刻。

依据上文，可得出园区综合能源系统热备用功率模型R ^H(t)为式。

式中，t ₃、t ₄分别为热惯性备用供应的起始和截止时刻。

本发明的实施例中，取传输管道总长度、热水流速分别为l _n＝2000m，v _n(t)＝0.8268m/s。

可求出热时滞为：

取得C _AM _A＝1GJ/℃，

T _m,c＝25℃，T _m,l＝15℃，T _out＝-5℃。

设t ₃＝1h时，系统发生功率缺额，热源供能瞬时下降，如图5中的(a)所示。

假设综合能源园区内共500栋热负荷建筑，则根据前文公式求得：

依据以上分析与计算，热网供应负荷热功率H _m(t)、热负荷建筑内温度T _m(t)、热备用功率

示意图如图5中的(b)至(d)所示。

(3)协同考虑气热惯性备用、发电侧备用、需求侧备用，进行园区综合能源备用配置。

气热惯性备用数学模型为：

式中，a _t、b _t分别为随时间t变化的气惯性、热惯性备用容量价格，

为随时间t变化的气惯性、热惯性投入的备用容量。

发电侧备用数学模型为：

式中，c _t、d _t为备用市场出清后随时间t变化的备用容量价格和电量价格，R ^S、

分别为随时间t变化的发电侧备用成交容量、实际所投入的备用容量。

需求侧备用数学模型为：

式中，

综合考虑气热惯性备用、发电侧备用、需求侧备用，构建园区综合能源备用模型，在保证系统可靠性水平的前提下，以所研究时段内备用购买总费用最低为目标函数：

本发明方案所公开的技术手段不仅限于上述实施方式所公开的技术手段，还包括由以上技术特征任意组合所组成的技术方案。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。

Claims

一种气热惯性备用参与园区综合能源系统备用配置方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)基于天然气管道暂态模型，建立气惯性备用应对系统功率缺额出力模型，具体包括：

1)基于动态天然气流的连续性方程和动量方程，建立天然气管道暂态模型；

2)基于有限元近似的思想，求解天然气管道末端压强响应模型；

3)考虑天然气系统运行约束，构建气惯性备用应对系统功率缺额出力模型；

(2)考虑热力系统热时滞、热损耗、热惯性特性，建立热惯性备用应对系统功率缺额出力模型，具体包括：

a)综合考虑热力系统热时滞、热损耗、热惯性特性，建立热力系统模型；

b)基于时频域变换，求解热负荷建筑室温响应模型；

c)考虑热力系统运行约束，构建热惯性备用应对系统功率缺额出力模型；

(3)综合考虑气热惯性备用、发电侧备用、需求侧备用，以最小化园区综合能源系统备用购买总成本为目标，构建园区综合能源备用模型，进行园区综合能源备用配置。
如权利要求1所述的一种气热惯性备用参与园区综合能源系统备用配置方法，其特征在于，步骤(1)具体为：

1)天然气管道暂态模型为：

式中，ρ、v、P分别为天然气的密度、流速、压强，λ、D、θ分别为管道的摩擦系数、内径、管道与水平面的倾角，g为重力加速度，x、t分别为时间变量和空间变量；

2)利用拉普拉斯变换求解天然气管道末端压强响应模型：

式中，A、L、T分别为天然气管道的横截面积、长度和温度，R _M为天然气气体常数，P _out(t)、
分别为随时间t变化的天然气管道末端压强及其一阶、二阶导数，f _out(t)、
分别为随时间t变化的天然气管道末端流量及其一阶导数；

3)气惯性备用应对系统功率缺额出力模型为：

约束条件为：

其中，
和
分别为P _out(t)的上下限，t ₁和t ₂分别为气惯性备用供应的起始和截止时刻，G _M为天然气热力值，f ₁、f ₂分别为管道在t ₁时刻、t ₂时刻的末端流量。
如权利要求1所述的一种气热惯性备用参与园区综合能源系统备用配置方法，其特征在于，步骤(2)具体为：

a)热力系统模型为：

式中，τ _n(t)为热负荷建筑m对应的传输管道n随时间t变化的热时滞，l _n为传输管道n的长度，v _n(t)为传输管道n随时间t变化的热水流速，
为热传输过程中传输管道n的热损耗功率，
为传输管道n的管道热损率，T _m(t)和
分别为热负荷建筑m随时间t变化的室内温度和其一阶导数，H _m(t)为随时间t变化的热网络对热负荷建筑m的供热功率，L _m(t)为随时间t变化的热负荷建筑m的热损耗功率，C _A为热负荷建筑的室内空气比热容，M _A为热负荷建筑的室内空气质量，
为热负荷建筑的散热系数，T _out(t)表示随时间t变化的热负荷建筑的室外温度，m＝1,2,...,z，z为园区综合能源系统总热负荷建筑数目；

2)利用拉普拉斯变换求解热负荷建筑室温响应模型：

3)构建热惯性备用应对系统功率缺额的出力模型为：

式中，T _m,c为正常舒适温度，T _m,l为最低舒适温度，
为随时间t变化的热负荷建筑m 的热惯性备用，t ₃、t ₄分别为热惯性备用供应的起始和截止时刻。
如权利要求1所述的一种气热惯性备用参与园区综合能源系统备用配置方法，其特征在于，园区综合能源备用模型为：

其中，气热惯性备用数学模型为
a _t、b _t分别为随时间t变化的气惯性、热惯性备用容量价格，
为随时间t变化的气惯性、热惯性投入的备用容量；发电侧备用数学模型为
c _t、d _t为备用市场出清后随时间t变化的备用容量价格和电量价格，R ^S、
分别为随时间t变化的发电侧备用成交容量、实际所投入的备用容量；需求侧备用数学模型为
分别为随时间t变化的需求侧用户i的备用容量价格、电量补偿价格，R ^D,i、
分别为随时间t变化的需求侧用户i需求响应成交容量、实际所投入的备用容量，k为需求侧用户数目。