電/熱/氣綜合能源系統(tǒng)混合潮流計(jì)算方法

劉聰+遲福建+張藝偉+趙志斌+黃永章

摘 要：綜合能源系統(tǒng)是開(kāi)放性一體化實(shí)現(xiàn)多種能源綜合利用的新型系統(tǒng)形式。在綜合能源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)下，傳統(tǒng)的潮流計(jì)算方法已經(jīng)無(wú)法得到多種能源耦合的節(jié)點(diǎn)狀態(tài)量分布情況。本文提出了一種新型的綜合潮流計(jì)算方法，根據(jù)綜合能源系統(tǒng)中電網(wǎng)絡(luò)、熱網(wǎng)絡(luò)、氣網(wǎng)絡(luò)的基本結(jié)構(gòu)，建立各網(wǎng)絡(luò)數(shù)學(xué)模型；改進(jìn)當(dāng)前天然氣網(wǎng)絡(luò)的建模方法，將壓縮機(jī)與網(wǎng)絡(luò)分離；建立綜合能源網(wǎng)絡(luò)雅各比矩陣；將傳統(tǒng)潮流中的Newton-Raphson進(jìn)行改進(jìn)，用于計(jì)算綜合能源互耦的雅各比矩陣，最后將天津市綜合能源新區(qū)本辰區(qū)作為算例，驗(yàn)證算法的有效性。

關(guān)鍵詞：綜合能源；混合；計(jì)算方法；能源系統(tǒng)

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.19.146

1 背景

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人們生活水平的提高，人們對(duì)電力的需求與日俱增，目前中國(guó)正處于從“十二五”進(jìn)入“十三五”的關(guān)鍵時(shí)期，不能單單依靠化石燃料來(lái)滿足人們?nèi)找嬖鲩L(zhǎng)的能源需求。如何減少化石燃料的依賴(lài)，實(shí)現(xiàn)對(duì)能源清潔、高效、穩(wěn)定的使用，一直是國(guó)內(nèi)外學(xué)者重點(diǎn)研究的熱點(diǎn)[1]。綜合能源系統(tǒng)是整合多種能源發(fā)/輸/配/送于一體的新型能源系統(tǒng)[2]。通過(guò)多種能源系統(tǒng)的集成化運(yùn)行，構(gòu)建不同能源系統(tǒng)相互耦合供應(yīng)網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)了熱、氣、電綜合調(diào)度[3]。在IES下基于熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組（combined heat and power， CHP）、風(fēng)/光/儲(chǔ)多能互補(bǔ)系統(tǒng)，天然氣的利用率大幅提升，高品質(zhì)天然氣主要用于發(fā)電，低品質(zhì)天然氣用于供熱、供冷。綜合能源系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了熱/電/氣三中能源的互動(dòng)和轉(zhuǎn)換，但三種能源的耦合使系統(tǒng)的潮流發(fā)生了很大變化。如何準(zhǔn)確、快速、有效的計(jì)算綜合能源系統(tǒng)的潮流問(wèn)題，對(duì)IES的運(yùn)營(yíng)、建設(shè)、規(guī)劃有著重要的意義。

1.1 國(guó)內(nèi)外研究

天然氣-電力（氣/電）和電氣-熱力（熱/電）作為IES中的主要能源網(wǎng)絡(luò)，成為了國(guó)內(nèi)外研究學(xué)者的重點(diǎn)研究領(lǐng)域。文獻(xiàn)[4]研究了發(fā)電廠在天然氣網(wǎng)絡(luò)與電力系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)交互時(shí)的發(fā)電情況，并對(duì)電廠發(fā)電進(jìn)行了風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。文獻(xiàn)[5]通過(guò)負(fù)荷分析和動(dòng)態(tài)仿真實(shí)現(xiàn)了天然氣管網(wǎng)的動(dòng)態(tài)仿真，動(dòng)態(tài)模擬了天然氣-電力網(wǎng)絡(luò)間的相互影響。文獻(xiàn)[6]基于能源集線器理論，提出了IES的三種運(yùn)行方式，基于集線器理論，考慮了各能源網(wǎng)絡(luò)的約束條件，搭建了系統(tǒng)模型。文獻(xiàn)[7]提出了電力、天然氣和區(qū)域供熱系統(tǒng)等不同能源基礎(chǔ)設(shè)施耦合功率流的綜合優(yōu)化方法，搭建了包含任意數(shù)量的發(fā)電、運(yùn)輸、轉(zhuǎn)換模型。文獻(xiàn)[8]通過(guò)分析不同能源的實(shí)時(shí)價(jià)格，建立了多成本，多目標(biāo)的節(jié)能調(diào)度模型，實(shí)現(xiàn)了對(duì)能源的高效使用以及電力經(jīng)濟(jì)的調(diào)度。文獻(xiàn)[9]通過(guò)建立了熱-電聯(lián)合大容量?jī)?chǔ)能動(dòng)態(tài)模型，提出了電/熱互聯(lián)系統(tǒng)的協(xié)調(diào)優(yōu)化控制策略以及綜合能量管理方法。

上述研究表明綜合能源系統(tǒng)中的潮流計(jì)算問(wèn)題已經(jīng)得到了廣泛關(guān)注，但是目前還是存在著以下幾個(gè)問(wèn)題。

（1）研究對(duì)象多為電/氣系統(tǒng)或者電/熱系統(tǒng)，缺少對(duì)電/氣/熱互聯(lián)系統(tǒng)的研究。

（2）當(dāng)前對(duì)于IES的研究主要集中于系統(tǒng)內(nèi)各能源的分配關(guān)系，缺少電/熱/氣系統(tǒng)耦合互動(dòng)關(guān)系的研究。

（3）目前IES潮流計(jì)算方法對(duì)于天然氣網(wǎng)絡(luò)處理方法過(guò)于繁瑣，無(wú)法直接應(yīng)用與實(shí)際的園區(qū)系統(tǒng)，否則會(huì)使計(jì)算量大大增加。

針對(duì)目前存在的3個(gè)問(wèn)題，本文對(duì)熱、電、氣耦合的潮流計(jì)算方法進(jìn)行了研究。首先對(duì)天然氣壓縮機(jī)模型進(jìn)行優(yōu)化，構(gòu)建電網(wǎng)絡(luò)，氣網(wǎng)絡(luò)，熱網(wǎng)絡(luò)及其耦合的數(shù)學(xué)模型。在系統(tǒng)模型基礎(chǔ)上得到綜合能源網(wǎng)絡(luò)的潮流計(jì)算模型。根據(jù)電力系統(tǒng)潮流計(jì)算方法，推導(dǎo)含有綜合能源系統(tǒng)各節(jié)點(diǎn)耦合關(guān)系的雅各比矩陣，根據(jù)Newton-Raphson對(duì)綜合潮流進(jìn)行計(jì)算。最后以北辰區(qū)作為實(shí)例分析，證明算法的實(shí)用性。

1.2 含電、熱、氣的綜合能源系統(tǒng)介紹

綜合能源系統(tǒng)是由電網(wǎng)絡(luò)，熱網(wǎng)絡(luò)，天然氣網(wǎng)絡(luò)以及實(shí)現(xiàn)多網(wǎng)絡(luò)耦合的熱電機(jī)組、燃?xì)忮仩t、電鍋爐等中間設(shè)備組成的，同時(shí)配有電、熱、氣儲(chǔ)能設(shè)備是能量流動(dòng)更加協(xié)調(diào)，如圖1所示。電網(wǎng)絡(luò)發(fā)電設(shè)備、傳輸線以及儲(chǔ)電設(shè)備組成，通常與電網(wǎng)相連來(lái)保證能源系統(tǒng)的穩(wěn)定性。熱網(wǎng)絡(luò)由供熱設(shè)備、傳熱通路以及用戶(hù)端熱負(fù)荷組成。供熱設(shè)備將高溫?zé)崴ㄟ^(guò)傳熱通路供給用戶(hù)端熱負(fù)荷，熱量傳給用戶(hù)后，高溫?zé)崴優(yōu)榈蜏責(zé)崴S后通過(guò)傳熱通路返回?zé)嵩粗匦录訜帷Ｌ烊粴饩W(wǎng)絡(luò)由天然氣源、壓縮機(jī)和用戶(hù)端天然氣負(fù)荷組成。

2 綜合能源系統(tǒng)建模

2.1 電網(wǎng)絡(luò)模型

綜合能源系統(tǒng)電網(wǎng)絡(luò)模型與傳統(tǒng)電力系統(tǒng)電網(wǎng)絡(luò)模型一致，都為經(jīng)典交流模型。各節(jié)點(diǎn)的用無(wú)功功率和有功功率表示[10]，表達(dá)式如下：

公式中P代表網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點(diǎn)的有功功率；U代表網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點(diǎn)電壓；Y代表電網(wǎng)絡(luò)導(dǎo)納矩陣；Q代表網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點(diǎn)的無(wú)功功率[11]。

2.2 熱網(wǎng)絡(luò)模型

2.2.1 供熱通路模型

供熱通路滿足節(jié)點(diǎn)基本原則，即一個(gè)節(jié)點(diǎn)流入量等于流出量；在閉合回路中，通路的流量總和為0。

公式中，分別為熱網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)-支路矩陣，回路-支路矩陣；為壓頭節(jié)點(diǎn)損失的流量；為阻尼常數(shù)矩陣。

2.2.2 熱網(wǎng)絡(luò)中的溫度模型

熱網(wǎng)絡(luò)中供熱通道流動(dòng)的熱水滿足熱力學(xué)基本定律，即流入熱水的能量與流出熱水的熱量能量相同[12]。用溫度表示如下：

公式中表示熱網(wǎng)絡(luò)各節(jié)點(diǎn)的熱功率；表示水的比熱容（4.2×103J/kg·C。）；Ts，T0分別為熱水進(jìn)入節(jié)點(diǎn)之前的溫度和熱水流出節(jié)點(diǎn)時(shí)的溫度；能量在管道中的流動(dòng)情況，，分別表示管道首端和管道末端的溫度，L為傳熱管道的距離； 上式則表示了管道節(jié)點(diǎn)能量守恒。

2.2.3 天然氣網(wǎng)絡(luò)模型

過(guò)往研究中對(duì)于天然氣模型的求解通常采用天然氣管道模型與天然氣壓縮機(jī)模型聯(lián)合求解的方法，由于天然氣壓縮機(jī)的模型是非線性方程組，在聯(lián)合求解時(shí)會(huì)帶來(lái)很大的計(jì)算量。本文在在對(duì)天然氣網(wǎng)絡(luò)建模時(shí)采用壓縮機(jī)、管道分離的方法，天然氣網(wǎng)絡(luò)各節(jié)點(diǎn)不再考慮壓縮機(jī)，從而簡(jiǎn)化了網(wǎng)絡(luò)模型更加利于求解。因此天然氣網(wǎng)絡(luò)模型可以表示為：endprint

該公式表達(dá)了各節(jié)點(diǎn)天然氣管道流量與氣體壓力之間的關(guān)系，其中，為天然氣管道流量；取±1代表管道中流量的方向。表示不同型號(hào)的管道系數(shù)。

2.2.4 熱電聯(lián)產(chǎn)模型

本文主要對(duì)熱電聯(lián)合機(jī)組進(jìn)行研究。表達(dá)式如下：

公式中代表電功率；代表機(jī)組中熱功率所占的比例；代表比例常數(shù)；代表產(chǎn)能所需的天然氣量。

3 綜合能源系統(tǒng)潮流計(jì)算方法

3.1 綜合能源系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)模型

根據(jù)以上電網(wǎng)絡(luò)，熱網(wǎng)絡(luò)，天然氣網(wǎng)絡(luò)的建模，構(gòu)建綜合系統(tǒng)多網(wǎng)絡(luò)模型。

公式中各變量所代表的物理量如下表所示。

3.2 面向綜合潮流的Newton-Raphson算法

本文將傳統(tǒng)電力系統(tǒng)中的Newton-Raphson算法，推廣至綜合能源系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中，其公式如下：

將電網(wǎng)絡(luò)、熱網(wǎng)絡(luò)、天然氣網(wǎng)絡(luò)中的偏移量與節(jié)點(diǎn)狀態(tài)參量帶入迭代公式中，可以的到綜合能源網(wǎng)絡(luò)中的雅各比矩陣：

矩陣中對(duì)角線、、代表節(jié)點(diǎn)自身關(guān)系與其他節(jié)點(diǎn)無(wú)關(guān)；非對(duì)角線代表節(jié)點(diǎn)與其他節(jié)點(diǎn)之間的耦合關(guān)系；在天然氣網(wǎng)絡(luò)中，天然氣流量的波動(dòng)不會(huì)引起電網(wǎng)絡(luò)和熱網(wǎng)絡(luò)的變化，因?yàn)樘烊粴饬坑啥鄠€(gè)平衡點(diǎn)承擔(dān)，不會(huì)對(duì)其他系統(tǒng)產(chǎn)生影響，因此雅各比矩陣中、為0。

由于熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組的存在當(dāng)熱網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)發(fā)生變化時(shí)，電網(wǎng)絡(luò)和天然氣網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)都會(huì)發(fā)生變化，所以，為非0項(xiàng)。

3.3 計(jì)算流程

綜合能源系統(tǒng)冷、熱、電網(wǎng)絡(luò)潮流計(jì)算基本思路如下：讀取綜合系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)各節(jié)點(diǎn)以中間設(shè)備參數(shù)；在算法進(jìn)行迭代之前根據(jù)系統(tǒng)的工作方式，求解得到各節(jié)點(diǎn)的初始溫度、初始流量以及各自對(duì)應(yīng)的電壓值和所需的天然氣量。當(dāng)?shù)瓿梢院螅鶕?jù)更新的狀態(tài)量更新x的值和供氣管道中天然氣的流量，如此重復(fù)迭代直至|Δx|<ε。

4 算例分析

4.1 網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)量介紹

為了證明本文算法的有效性、可靠性，以北辰區(qū)綜合系統(tǒng)為例進(jìn)行模擬仿真。節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)如下圖所示。網(wǎng)絡(luò)耦合節(jié)點(diǎn)為2個(gè)微燃機(jī)電熱聯(lián)產(chǎn)機(jī)組。電網(wǎng)絡(luò)、熱網(wǎng)絡(luò)、天然氣網(wǎng)絡(luò)中的各節(jié)點(diǎn)分別為、和。

4.2 結(jié)果分析

為了更好的模擬現(xiàn)實(shí)情況，綜合系統(tǒng)與大電網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行，因此節(jié)點(diǎn)EB13作為系統(tǒng)的平衡節(jié)點(diǎn)，電網(wǎng)絡(luò)中EB11和EB12是PV節(jié)點(diǎn)，熱網(wǎng)絡(luò)中的HB13是平衡節(jié)點(diǎn)，機(jī)組CHP2工作在熱定電模式，機(jī)組CHP1工作在電定熱模式，仿真結(jié)果如表2所示。

從仿真結(jié)果可以看出，電網(wǎng)絡(luò)各節(jié)點(diǎn)電壓未出現(xiàn)超過(guò)電壓極限的情況，節(jié)點(diǎn)電壓值偏低，因?yàn)樵摴?jié)點(diǎn)與電源端相距較遠(yuǎn)并且負(fù)荷比較大。熱網(wǎng)絡(luò)中HB7，HB8，HB9，HB10距離兩端的熱源較遠(yuǎn)因此溫度最低。

5 結(jié)論

為了更快速、準(zhǔn)確的計(jì)算含電、氣、熱多種能源的綜合能源系統(tǒng)，文本提出了基于Newton-Raphson的綜合潮流計(jì)算方法。通過(guò)電、熱、氣三種網(wǎng)絡(luò)的不同特點(diǎn)，建立了綜合潮流計(jì)算模型；將三種網(wǎng)絡(luò)中的各節(jié)點(diǎn)等效為電力系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中的各負(fù)荷節(jié)點(diǎn)；對(duì)天然氣網(wǎng)絡(luò)管道模型單獨(dú)進(jìn)行求解，減少了模型的復(fù)雜程度；利用Newton-Raphson對(duì)最終得到的耦合雅各比矩陣進(jìn)行求解。最后仿真結(jié)果證明算法能夠快速完成收斂，證明了算法的快速性。實(shí)用性。此外本文算法考慮了不同網(wǎng)絡(luò)之間的互動(dòng)聯(lián)系，能夠快速的得到系統(tǒng)綜合潮流的分布。

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