【《区域综合能源系统混合潮流模型及算法设计案例》6400字】

区域综合能源系统混合潮流模型及算法设计案例目录TOC\o"1-3"\h\u695区域综合能源系统混合潮流模型及算法设计案例 1120411.1分布式能源站的工作模式分析 158471.2区域综合能源系统混合潮流算法 365401.2.1电力潮流模型 486371.2.2供热网络模型 5235931.2.3混合潮流模型 9对于规模较小的园区级综合能源系统，不需进行潮流分析，可以直接利用传输损耗函数建立能源站互联管网模型进行求解，提高运行效率，而对于大型区域综合能源系统，则必须进行潮流分析，计算潮流分布才可以有效验证能源站及传输管线选址铺设规划方案的可行性和安全性。本文设计仿真系统为提高求解方案的通用性，将在本章节将重点对大型区域综合能源系统混合潮流模型进行分析，首先分析分布式能源站的不同工作模式，然后运用电力潮流模型的分析思路类比建立热力潮流模型，进而建立合适的区域综合能源系统混合潮流模型，最后通过分解求解法对该模型进行求解。1.1分布式能源站的工作模式分析根据图2-1所示的分布式能源站设计结构示意图可以看出：由于CHP机组的存在，导致电力网络和燃气管网以及热力管网发生了耦合，因此本节首先对CHP机组的不同工作模式进行分析[51]，即以热定电(followingthethermalload,FTL)，以电定热(followingtheelectricload,FEL)。设CHP机组最大功率已知为。(1)FTL模式在该模式下，CHP机组消耗的天然气量由热负荷决定。如果热能需求量超过机组最大功率，则由储热装置和燃气锅炉补充。当CHP机组最大功率能满足热负荷需求，即时，热电联产机组能完全满足热负荷需要，此时有：(3-1)(3-2)当热负荷需求大于CHP机组最大功率，但储能装置能满足需求，即，此时有：(3-3)(3-4)(3-5)当热负荷需求大于CHP机组最大功率，且储能装置也不能满足需求，即，此时有：(3-6)(3-7)接下来根据计算燃气锅炉功率以及从配电/气网所需功率、：(3-8)(3-9)(3-10)(2)FEL模式在该模式下，CHP机组消耗的天然气量由电负荷决定，而热负荷由CHP、燃气锅炉和储热装置共同提供。类比FTL模式，可以得到如下结论：当时，有：(3-11)(3-12)当，此时虽然仅靠CHP机组无法满足电负荷需求，但可使用储能装置和可再生能源共同供能从而满足需求，有：(3-13)(3-14)当时，有：(3-15) (3-16)接下来求出电/气网所需功率：(3-17)(3-18)(3-19)1.2区域综合能源系统混合潮流算法本节首先对电力网络和热力网络分别进行分析，并建立对应的潮流模型。然后提出混合潮流的求解思路。根据目前已有的研究工作，混合潮流模型求解算法主要有两种思路，一种是采用综合求解法（integratedelectrical-hydraulic-thermalmethod），即以联立多能流联合矩阵的形式，首先求出多能联合Jaccobi矩阵，然后结合Newton–Raphson算法集中求解，然后，这种方法所需迭代计算次数较少，在网络规模较大时有更快的计算速度，但是对求解算法的设计难度要求较大。另一种是采用分解求解法（decomposedelectrical-hydraulic-thermalmethod），这种方法需要的迭代计算次数会随着网络规模的增加的增大，但优势在于算法设计难度小，各个子系统潮流模型可独立求解，因此可以在现有单一能量潮流分析程序上直接增加其他能源分析模块，各个模块互相解耦也便于调整EH运行模式以及添加不同能源网络的运行约束，大大提高了算法的灵活性。考虑到单个区域综合能源系统的规模多为园区级，网络规模相对较小，因此综合考虑模型计算速度和算法实现难度，本节将采用分解求解法的思路，基于上一节CHP单元的工作模式分析的基础上，以CHP单元作为热力系统和电力系统潮流分析的平衡节点，求解区域综合能源系统的多能混合潮流模型。1.2.1电力潮流模型根据上一节的分析，由各个CHP单元的工作模式可以推导出对应能源站内部的功率传输关系，故本节仅以CHP单元为研究对象，分析电/热传输网络的潮流模型，电力潮流分析采用传统方法进行，除CHP单元为电力平衡节点外，有功功率输出和电压幅值可调的CHP单元归类为PV节点。其他CHP单元（例如微型CHP）被归类为具有给定有功功率和无功功率输出的PQ节点。给定由导纳矩阵描述的电力系统，并给定电压幅度，电压相位角以及有功和无功注入的子集，电功率流将确定其他电压幅度和角度以及有功和无功注入。节点i上的电压U由下式给出： (3-20)其中，是电压幅度，是相位角。由节点i注入网络的电流为：(3-21)其中，是电网中的节点数量；是导纳矩阵，将节点处的电流注入与节点电压相关联。电流注入可以是正向的（进入节点），也可以是负值（流出节点）。因此，在节点i处注入的复功率可按下式计算： (3-22)上式构成了电力潮流方程的极性形式。在节点i处注入网络的特定复功率是电源和负载之间的复功率之差。(3-23)根据公式和，在节点i处注入的复功率不匹配度可表示为特定复功率与注入复功率之差[52]：(3-24)此时可以求出牛顿-拉夫逊方法中的雅克比矩阵各元素,进而求出雅克比矩阵：(3-25) (3-26)(3-27)综上，得到牛顿-拉夫逊法的迭代形式：(3-28)其中，是非平衡节点上的电压角向量;是PQ节点上的电压幅值的矢量；是非平衡节点上有功功率的矢量；是PQ节点上无功功率的向量。1.2.2供热网络模型区域综合能源系统中的热能网络通常由两种传输管道组成，一种是热源向用户输送能量的管道，另一种是从用户侧将低温水回收到热源的管道。在RIES热能网络分析中，需要根据模型中的压力、流量、两种管道端口的温度以及热功率，通过建立热力潮流模型方程并求解，确定热力网络内各个管道的流量分布以及热力节点的出入口温度。根据分解求解法的一般步骤，首先进行供热网络的水力分析，然后在上述分析的基础上进行热力学分析。水力学分析有两种方法，一种是综合考虑所有水力循环，这种方法称为牛顿-拉夫逊法；而另一种方法则分别分析每个循环，这种方法称为哈迪-克罗斯法。综合分析两种算法的实现难度后，本节在类比电力网络潮流模型的基础上，采用牛顿-拉夫逊方法求解RIES综合水力热力模型[53]。1）水力模型分析首先分析水力模型的流量，首先根据流量的连续性原理，在不考虑损耗的情况下，任一节点的汇入流量之和与离开节点的总流量相等。对于整个液压网络，流量的连续性表示为：(3-29)其中，是将节点与分支相关联的网络关联矩阵；是每根管道内质量流量（kg/s）；是通过每个节点从源注入或排放到负载的质量流量（kg/s）。头部损失(headloss)是指由于管道摩擦而导致的压力变化，单位为米(m)。回路压力方程式指出，一个完整的闭合回路，其头部损失总和必须等于零。对于整个液压网络，回路压力方程表示为：(3-30)其中，是将循环与分支相关联的循环发生率矩阵；是头部损失的矢量（m）。沿每条管道的流量与头部损失之间的关系为：(3-31)其中，K是每个管道的阻力系数。K通常在很大程度上取决于管道的直径。管道的阻力系数K由摩擦系数f计算得出。此时回路压力方程可以表示为：(3-32)其中，是管道数。2）热力模型分析热力模型分析的目标在于计算所有节点的温度。每个节点有三种不同的温度：输入温度。输出温度和混合温度。具体位置关系如图3所示。图3-1每个节点相关温度示意图其中，出口温度的定义为，水流从用户侧返回供热源的过程中，与来自其他用户负荷节点的水流混合之前的水温。如果某一条水流在一个汇流节点处不发生混合，那么该用户侧出口温度与该节点的回流温度相等，则出口温度等于该节点处的返回温度。在热力网络模型分析中，各个能源站CHP机组或燃气火炉输送热能的传输温度以及用户节点的输出温度通常是已知的。热能用户负荷一侧的温度严格来说由供应热能的能源站一侧的温度以及环境温度和负荷大小决定。本节中为简化分析难度，假设所有用户侧的温度均为已知量。此时可以计算热功率[54]：(3-33)其中，代表每个节点汇合的热功率（能量流动方向依符号决定），是水的比热容，取4.182×103J∙kg-1∙K-1。使用以下公式计算管道出口处的温度：(3-34)其中，和分别代表管道传输过程中，入口处和出口处的温度（℃），表示铺设热力管道的传热系数（W∙m-1℃-1），代表环境温度（℃），表示热力管道的长度（米），是每条管道内的流量（kg/s）。上式表明，管道传输末端的温度与传输时的流量呈正相关，即传输温度越高，传输过程中沿管道的能量损失越小。令，，，上式可化简为：(3-35)对于多个水流汇合的节点处水流混合温度，关系如下：(3-36)其中，是节点的混合温度（℃），是离开节点的管道内的流量（kg/s），是进水管末端的流动温度（℃），是进入节点的管道内的质量流速（kg/s）。公式表明，离开一个节点并带有多个进水管的水的温度计算为进水流的混合温度，而离开结点的每条管道开始处的温度等于结点处的混合物温度。对于综合能源系统热力网络，热力模型的目标已知所有供热源的发出温度和用户侧的出口温度，并且所有传输管道内的流量也确定的情况下，计算所有用能负荷端的入口温度、出口温度以及所有供热源的回流温度。由于热力系统的数学模型较为复杂，直接计算难度较大。因此本文采用其矩阵形式，便于通过计算机辅助计算。3）水力-热力模型对于综合能源系统网络，水力-热力模型的目标是计算网络内所有的流量分布，以及用能负荷端的输入温度和节点处的汇合温度。类比电力系统潮流分析方法，为补偿用户侧所有负荷需求总和与供热源处发出的功率之间因损耗产生的功率差，首先选择热力系统平衡节点，此时假设热源出口温度和用户侧回收温度已知，并且确定了热力系统平衡节点以外的其他用能负荷的热功率以及网络节点的注入流量。接下来对于其他节点则分成两类情况进行求解：对于注入流量已知的网络节点，将通过水力模型计算其管道流量。然后通过热力模型计算其入口温度和出口温度；对于热功率已知的节点，则通过分解求解法计算其余未知量。1.2.3混合潮流模型基于前文对电力潮流模型和热网络的水力热力模型的分析，本节将利用分解求解法对混合潮流模型进行求解。电力和区域供热网络的组合示意图如图3-1所示。电力和热网络通过耦合组件（CHP单元）链接在一起，这些组件表示为源。这些耦合组件允许能量在两个网络之间流动。热电联产机组同时发电和供热，这些耦合组件增加了电力和供热系统的灵活性，以促进间歇性可再生能源的整合。从建模的角度，可将发电机等效于热输出为零的CHP单元。这些组件通常被用作具有可调节的热功率比的电和热接口。接口的热和电功率输出由等效热电比来描述。常规的电力潮流计算使用单个平衡节点。在对组合网络进行综合分析时，将使用一个电气平衡节点（electricalslackbusbar）和一个热量平衡节点（heatslacknode）。在电网孤岛运行的情况下，选择两个CHP单元作为平衡节点（图3-1中的CHP1和CHP2，以下简称源1和源2）。在图3-2所示的并网模式下，由于选择了电力闲散的节点作为电网连接点，所以电力闲散的节点不会产生热量。因此，并网模式可以看作是孤岛操作的简化特殊情况。除CHP单元为电力平衡节点外，有功功率输出和电压幅值可调的CHP单元归类为PV节点。其他CHP单元（例如微型CHP）被归类为具有给定有功功率和无功功率输出的PQ节点。CHP单元和其他耦合组件允许两个网络之间的能量流动。在孤岛模式下，由源2产生的热功率（在电力平衡节点处）由本机产生的电能确定。类似地，从源1产生的电功率（在热平衡节点处）是热网络的函数。此时只有同时考虑两个网络的互相影响才可以进行分析。区域供热网络的潮流公式类似于电网[55]。表3-1显示了利用电力潮流模型的概念对热力网络中的相关节点进行类比，分别列出了电/热网络的已知变量和未知变量。而表3-2则显示了电力和热功率流中三种类型的节点和节点的对比，其中，每种类型的母线和节点均根据两个已知量进行分类。图3-1孤岛模式下的电力和区域供热网络的组合示意图图3-2并网模式下的电力和区域供热网络的组合示意图表3-1电力网络与热力网络相关变量对比网络类型节点类型已知变量电力网络PV节点PQ节点电力平衡节点其他节点电压幅度无功功率电压相角有功功率热力网络平衡节点供热节点负载节点其他节点管道头部压力供应温度回流温度热功率表3-2电力系统与热力系统潮流相关变量对比电力系统潮流节点热力系统潮流节点PV节点节点PQ节点节点Vθ节点节点为了进行潮流分析，除平衡节点外，还需要指定每个节点的电功率。除了平衡节点外，每个节点都需指定热功率。因此，电气网络和热网络之间的联系是平衡节点处的发电组件（CHP单元）。分析前本节做如下假定：(1)CHP1作为热平衡节点，CHP2作为电力平衡节点；模式1的条件下，CHP1等效为燃气轮机单元，CHP2等效为接地点；在模式2下，CHP1和CHP2均对应于燃气轮机单元；(2)燃气轮机CHP单元在输入功率固定的情况下，会等量的输出热能，并且不必处于额定工况下运行，以灵活响应用户负荷需求变化；(3)CHP单元能量利用率假设为理想情况下的100%；在分解求解法中，电力潮流模型、水力-热力潮流模型可以独立进行求解，并通过耦合组件进行链接。然后迭代求解模型直到计算精度误差足够小在模式1下进行热力潮流模型的分析。接下来根据热力模型的分析结果并结合CHP机组等电热耦合单元，分析电力潮流模型。在模式1下，由于主电网会自动补偿电功率差，并且平衡节点无内能损耗。因此，独立的水力模型，热力模型和电力潮流模型仅按顺序求解一次，无需迭代。而在模式2下，需要依次求解独立的水热混合模型以及电力潮流模型。然后迭代计算，直到求解方案误差精度足够小。使用分解求解法计算混合潮流，首先根据表1已给出的输入数据和初始化变量，使用公式计算热功率以及节点流量。本文规定，来自源1的热平衡节点处的热功率表示为。来自源1的电功率表示为，电力平衡节点处来自源2的热能表示为，来自源2的电功率表示为，此处电功率表示有功功率，因为来自供热源的热功率与其CHP单元产生的有功功率有关。根据分解求解法，可由下式求出： (3-37)其中，是与热平衡节点处的源1相关的网络入射矩阵的一行；和则分别代表源1处的供应温度和回流温度。源1的电功率则由热功率决定，根据相关公式：(3-38)其中，是CHP1的热电比。根据前一节公式，可以求出源2的电功率为：(3-39)在孤岛模式下，源2的热功率由其电功率决定。(3-40)其中，为CHP2单元的热电比。为了使用牛顿-拉夫逊法进行迭代求解，分别定义对于电力网络和热力网络的失配矩阵：(3-41)其中，为电力潮流模型的失配矩阵，即包括有功功率和无功功率的误差，与可由公式得到，分别为有功功率和无功功率的失配函数。类似地，对于热力潮流模型，有：(3-42)其中，为热力潮流模型的失配矩阵，包括了热功率和管道压力的失配函数，特定热功率。类比对于电力潮流模型雅克比矩阵的定义，求得热力潮流模型的雅各比矩阵：(3-43)最终得到迭代求解电力潮流模型和热力潮流模型的牛顿-拉夫逊形式为（电力潮流模型形式公式已给出）：(3-44)综上，可以总结出利用分解求解法进行混合潮流模型分析的步骤如下：1)输入管网传输模型相关参数，并对求解相关变量进行初始化设定；2)根据输入数据和初始化变量，使用公式计算各节点热功率以及节点流量mq3)计算热力潮流模型失配矩阵，进而求出热力网络对应的雅各比矩阵；4)根据3)计算结果，更新管道中的流量；