【《区域综合能源系统物理模型探析概述》2200字】

区域综合能源系统物理模型分析概述对于区域综合能源系统进行选址规划，首先要了解其内部组成的各个成分的特点，在此基础上才能设计合适的算法对选址和运行方案进行选择优化。因此对综合能源系统各组分进行建模是十分必要的。本章节从区域综合能源系统内部的能量转换和传输过程入手，对其中最重要的组成部分——分布式能源站和能量传输网络进行建模分析。运用能源集线器的概念对能源站进行建模，利用能量损失函数对电/气/热传输网络进行分析。1.1分布式能源站综合模型在区域综合能源系统中，由于分布式能源站中存在热电联产机组，产生了多能流耦合环节，为确保选址规划方案的精确性，需要建立包含CHP机组的分布式能源站综合模型。根据目前国内外相关文献参考[24]，本文设计的分布式能源站基本结构如图2-1所示[35]，它包括了电/气能源输入和电/热能源输出。在内部则包含各种能源转换装置，如CHP机组和燃气锅炉，在此基础上，本文还考虑了可再生能源装置，如光伏发电、风机以及电/热储能装置。本课题基于能源集线器模型设计分布式能源站的设备物理模型[36-41]。能源集线器（EnergyHub,EH）是一种为实现多能负荷需求而设计的能量转换单元，它最早由GeidlM和Andersson两位学者提出，与仅能满足单一能源负荷需求的传统能源设备模型不同，EH具有多种接口，以支持支持不同种类能量同时进行传输和转换[42,43]。EH的优势在于以矩阵的形式建立各种能流之间的功率转换模型，既分析了不同能量载体之间的耦合关系，便于进行区域综合能源系统的多能协同优化调度研究，又为使用计算机方法对模型求解提供了空间。EH包含2个基本要素：直接连接和经转换器连接。EH通过转换矩阵将输入矩阵混合输出能源连接：。在能源转换矩阵中，每项为对应输入能源与对应输出能源间的各自转换效率。若某项为1，则表示直接连接；反之，若某项值为0，则意味着对应的两种能源之间互相独立，不存在耦合关系。因此本节主要讨论根据设计的分布式能源站结构，建立合适的转换矩阵来表述能源站内部以及能源站之间的能量流动和转换关系。根据EH扩展框架，对于本文设计的含热电联产系统的分布式能源站，其基本热电解耦矩阵如下[44]： (2-1) ,(2-2)其中，、分别为能源站i的电、热负荷；、分别为上级配电网、配气网对能源站i的输入功率(kW)；、分别表示能源站i中CHP机组、燃气锅炉从配气网购置天然气的系数；、、分别表示CHP的电、热效率，以及燃气锅炉的能量转换效率；、、、分别代表能源站i不同能源储备装置的吸收功率和输出功率(kW)；、则表示能源站i风力发电以及太阳能光伏发电的功率(kW)，其具体表达式如下[45,46]：(2-3)其中，是能源站i的光伏的输出功率；是光强度；是标准条件下的最大功率；是标准条件下的光强度；是功率温度系数；是面板的工作温度；是参考温度[47]。风力涡轮机（WindTurbine,WT）的输出功率可以基于风速计算[48,49]：(2-4)其中，，，和分别是能源站i的风机额定功率，切入风速，额定风速和切断风速。由于系统实际运行过程中，还应当考虑各个能源站之间互相传输能源的情形，因而此处在传统EH模型中在输出侧添加了、分别表示能源站i从其他互联能源站接收和发出的电能、热能总和公式如下：(2-5)(2-6)其中，、、、代表任意两能源站之间的传输电功率以及热功率，包括了与当前能源站连接的所有其他能源中心。图2-1分布式能源站设计结构示意图1.2能源站互联管线传输模型建立准确的能源管网传输模型是实现区域综合能源系统内管网优化布局的关键，准确地计算出能源站传输过程中的损耗，是后续选址规划算法计算结果正确性的重要保障。由于电能传输与热能传输特性具有较大的差异，本文在充分考虑二者区别后，对于电力传输线路网络和热能传输管网分别建立了基于能量损失函数的管线模型。通过能量损失函数来体现不同能量在分布式能源站以及用能负荷之间的传输过程。(1)电力线路传输模型考虑目前现有的区域综合能源系统园区规模，同一系统内各个分布式能源站之间地理距离相对较近，因此可认为电力线路在能量传输时损耗相对较小，故选取以下能量损耗模型对电力线路传输特性进行建模： (2-7) (2-8)其中，为t时段能源站i通过电力线路l传输给能源站j的电功率，为t时段考虑电力损耗后能源站j接收到的电功率，为互联电力线路的集合，为区域综合能源系统内部分布式能源站集合；为电力线路l的损耗函数，为能源站i与能源站j之间电力线路l的长度(m)，为电能损耗系数。(2)热力管道传输模型由于热力管道传输过程相对复杂，涉及相关热力学特性的讨论，为简化计算，本文假定热力网络计算中所需各个管道参数均为非时变的常量，并且所有管道均在额定工况下运行。由热力潮流计算模型可知，在热力传输过程中若考虑热量损失，从能源站i到j的热力管道p在t刻出口水温可以通过下式计算[50]： (2-9)(2-10)其中，表示t时段流入两DES之间传输管道的水温，表示同时对应的管道p环境温度，代表了热力管道保温效果，表示两能源站之间管道p的长度(m)，表示传输介质的比热容(J∙kg-1K-1)，为t时段管道p的流量，包含了全部热力管网。又根据热能流模型，管道中t时段的水流所传输的热功率可根据下式计算： (2-11)其中，表示t时段管道p的水温，联立上述两式，根据事先的假定，此时热力网络中各节点及管道均处于额定工况运行，故。而管道种类已确定且不会变动，因此管道尺寸及相关传输特性中的参数可视为恒定值，从而将损耗函数线性化： (2-12) (2-13)(2-14)(2-15)