基于通用能量母线的综合能源系统时序能量流计算方法与流程

本发明涉及综合能源领域，特别涉及一种基于通用能量母线的综合能源系统时序能量流计算方法。

背景技术：

综合能源系统涵盖了电/气/热/冷等多种能源形式，打破了传统供能系统单独规划、单独设计和独立运行的模式，充分发挥多种能量形式间的互联耦合作用，通过不同类型能源的有机协调和协同优化，为分布式可再生能源的高比例消纳与高效利用提供了新的视角和思路，有助于推动能源清洁生产。

随着能源相关技术水平的不断提高，综合能源系统中涉及的能源设备类型、系统运行模式以及耦合环节形式愈发复杂，对综合能源系统的建模分析与优化仿真提出了新的挑战。此外，由于综合能源系统中可再生能源的大量接入，如何分析风能、太阳能等具有强随机性和波动性的能源对综合能源系统的影响，已成为当前综合能源系统的研究热点。开展综合能源系统时序能量流计算相关研究，有助于从系统内部角度反映间歇性、波动性的可再生能源对综合能源系统的经济性和可靠性的影响。

因此，如何对综合能源系统的时序能量流进行计算，以助于开展后续综合能源系统相关研究，对后续系统规划、运行、分析评价等问题的研究与探索具有重要意义。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种基于通用能量母线的综合能源系统时序能量流计算方法，建立基于通用能量母线的综合能源系统模型，实现了对综合能源系统时序能量流的计算求解，为后续综合能源系统规划设计、运行分析、调控策略制定等奠定了基础。

为实现上述目的，本发明实施例提供了如下技术方案：

本发明实施例提供了一种基于通用能量母线的综合能源系统时序能量流计算方法，包括：

对于给定的综合能源系统，输入所述综合能源系统中包含的能源设备的能源形式、能源设备类型、拓扑连接关系，供能设备的输出功率曲线，负荷的输入功率曲线，储能设备的输入输出功率曲线，储能设备及转换环节的效率和能效比，以及能量母线上的分配系数；

根据给定的所述综合能源系统，将所述综合能源系统中的能量流汇集点按能量形式进行分类，并建立对应的能量母线模型；将所述综合能源系统中的能源设备按源设备模型、转换设备模型、储能设备模型以及负荷模型进行分类；根据各所述能源设备的输入输出能量形式以及所述综合能源系统中的实际能量流路径，将分类后的能源设备与各自对应的能量母线模型进行连接，形成综合能源系统通用能量母线模型；

建立所述综合能源系统中可再生能源设备的时序模型、负荷的时序模型以及储能设备的时序模型；

依据所述综合能源系统的结构及参数，建立基于通用能量母线的综合能源系统时序能量流数学模型，所述基于通用能量母线的综合能源系统时序能量流数学模型包括：母线功率平衡方程、转换设备方程以及分配系数方程；

综合所述母线功率平衡方程、所述转换设备方程以及所述分配系数方程，得到基于通用能量母线的综合能源系统时序能量流的最终数学表达形式；

对所述最终数学表达形式进行求解，得到所述综合能源系统中各个支路上的时序能量流。

优选的，所述可再生能源设备的时序模型具体为时序仿真期间的出力曲线；所述负荷的时序模型具体为时序仿真期间的负荷曲线；所述储能设备的时序模型具体包括：电储能模型和热储能模型；

其中，所述电储能模型具体为：

其中，为t时刻所述电储能设备的存电量，为t时刻所述电储能设备的充电功率，ηes,c为所述电储能设备的充电效率，为t时刻所述电储能设备的放电功率，ηes，d为所述电储能设备的放电效率，δt为计算步长；

所述热储能模型具体为：

其中，为t时刻热储能设备的储热量，εhs为所述热储能设备的自放热率，为t时刻所述热储能设备的蓄热功率，为t时刻所述热储能设备的放热功率，δt为计算步长。

优选的，所述母线功率平衡方程具体为：

av^t＝0

其中，a为支路-母线关联矩阵，v^t为t时刻所述综合能源系统中各支路上的能量流组成的向量，amn为矩阵a中的元素；

所述转换设备方程具体为：

bv^t＝0

其中，b为支路-转换设备关联矩阵，bkn为矩阵b中的元素；

所述分配系数方程具体为：

cv^t＝0

其中，c为支路-母线分配系数关联矩阵，cmn为矩阵c中的元素。

优选的，所述最终数学表达形式具体为：

其中，a为支路-母线关联矩阵，b为支路-转换设备关联矩阵，c为支路-母线分配系数关联矩阵，v^t为t时刻所述综合能源系统中各支路上的能量流组成的向量。

可见，本发明实施例提供的一种基于通用能量母线的综合能源系统时序能量流计算方法，综合考虑了系统中能量类型、设备类型、拓扑约束，以及可再生能源、负荷、储能设备的时序模型，通过建立矩阵式的综合能源系统时序能量流平衡方程，包括母线能量平衡方程、转换环节方程以及分配系数方程，实现对全综合能源系统时序能量流的计算求解，为后续综合能源系统规划设计、运行分析、调控策略制定等奠定基础。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的一种基于通用能量母线模型的综合能源系统时序能量流计算方法的流程图；

图2(a)为本发明实施例提供的负荷日输入功率曲线图；

图2(b)为本发明实施例提供的光伏发电以及太阳能热水器日输出功率曲线图；

图2(c)为本发明实施例提供的储热设备的日输出功率曲线图；

图3是根据某园区实际综合能源系统所建立的通用能量母线模型结构图；

图4(a)是本发明实施例时序能量流计算的输出结果中地源热泵的日输出功率曲线；

图4(b)是本发明实施例时序能量流计算的输出结果中储热装置的储能状态曲线；

图4(c)是本发明实施例时序能量流计算的输出结果中蓄热式电锅炉的日输出功率曲线；

图4(d)是本发明实施例时序能量流计算的输出结果中外部电网的日输入功率曲线。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明实施例公开了一种基于通用能量母线的综合能源系统时序能量流计算方法，建立基于通用能量母线的综合能源系统模型，实现了对综合能源系统时序能量流的计算求解，为后续综合能源系统规划设计、运行分析、调控策略制定等奠定了基础。

请参见图1，图1为本发明实施例公开的一种基于通用能量母线的综合能源系统时序能量流计算方法流程示意图，该方法包括：

s101、对于给定的综合能源系统，输入综合能源系统中包含的能源设备的能源形式、能源设备类型、拓扑连接关系，供能设备的输出功率曲线，负荷的输入功率曲线，储能设备的输入输出功率曲线，储能设备及转换环节的效率和能效比，以及能量母线上的分配系数。

具体的，本实施例中，综合能源系统中储能设备和转换环节的效率和能效比以及能量母线上的分配系数如表1所示。

表1储能设备和转换环节的效率和能效比以及能量母线上的分配系数

负荷的日输入功率曲线，储能设备的日输入/输出功率曲线如图2(a)，图2(b)，图2(c)，图2(a)为本发明实施例提供的负荷日输入功率曲线图，图2(b)为本发明实施例提供的光伏发电以及太阳能热水器日输出功率曲线图，图2(c)为本发明实施例提供的储热设备的日输出功率曲线图。

s102、根据给定的综合能源系统，将综合能源系统中的能量流汇集点按能量形式进行分类，并建立对应的能量母线模型；将综合能源系统中的能源设备按源设备模型、转换设备模型、储能设备模型以及负荷模型进行分类；根据各能源设备的输入输出能量形式以及综合能源系统中的实际能量流路径，将分类后的能源设备与各自对应的能量母线模型进行连接，形成综合能源系统通用能量母线模型。

具体的，本实施例中，根据某园区实际综合能源系统所建立的通用能量母线模型结构图如图3所示，综合能源系统中包含的源设备包括外部电网、光伏发电以及太阳能热水机组，转换设备包括冰蓄冷机组、常规冷水机组、地源热泵、蓄热式电锅炉以及换热器，储能设备包括铅酸电池储能、蓄冰槽、蓄冷水箱以及蓄热水箱，负荷则包括电负荷、冷负荷、热负荷以及热水负荷。母线包含四种类型，分别为电母线、冷母线、热母线以及热水母线。

s103、建立综合能源系统中可再生能源设备的时序模型、负荷的时序模型以及储能设备的时序模型。

具体的，本实施例中，作为优选的实施例，可再生能源设备的时序模型具体为时序仿真期间的出力曲线；负荷的时序模型具体为时序仿真期间的负荷曲线；储能设备的时序模型具体包括：电储能模型和热储能模型；

电储能模型具体为：

其中，为t时刻电储能设备的存电量，为t时刻电储能设备的充电功率，ηes,c为电储能设备的充电效率，为t时刻电储能设备的放电功率，ηes，d为电储能设备的放电效率，δt为计算步长；

热储能模型具体为：

其中，为t时刻热储能设备的储热量，εhs为热储能设备的自放热率，为t时刻热储能设备的蓄热功率，为t时刻热储能设备的放热功率，δt为计算步长。

s104、依据综合能源系统的结构及参数，建立基于通用能量母线的综合能源系统时序能量流数学模型，基于通用能量母线的综合能源系统时序能量流数学模型包括：母线功率平衡方程、转换设备方程以及分配系数方程。

具体的，本实施例中，作为优选的实施例，母线功率平衡方程具体为：

av^t＝0(3)

其中，a为支路-母线关联矩阵，v^t为t时刻综合能源系统中各支路上的能量流组成的向量，amn为矩阵a中的元素。

进一步，对于母线功率平衡方程，共有以下几种类型：

第一种类型为电母线功率平衡方程，电母线功率平衡方程的矩阵形式如下式所示：

其中，支路-母线矩阵ae根据定义可得：

ae＝[-1-1111111](6)

支路上的能量流定义如下：

其中，为t时刻外部电网的输入功率；为t时刻光伏发电设备输出功率；为t时刻铅酸电池的输入/输出功率；为t时刻常规冷水机组的输入电功率；为t时刻冰蓄冷机组的输入电功率；为t时刻地源热泵的输入电功率；为t时刻蓄热式电锅炉的输入电功率；为t时刻的电负荷。

第二种类型为冷母线功率平衡方程，冷母线功率平衡方程的具体采用下式表示：

上式中，为t时刻常规冷水机组的输出冷功率；为t时刻冰蓄冷机组的输出冷功率；为t时刻地源热泵机组的输出冷功率；为t时刻冰蓄冷系统蓄冰槽的输入/输出冷功率；为t时刻冰蓄冷系统换热器的输入冷功率；为t时刻冰蓄冷系统的终端输出冷功率；为t时刻地源热泵系统的终端输出冷功率；为t时刻地源热泵系统蓄冷装置的输入/输出冷功率；为t时刻的冷负荷。

第三种类型为热母线功率平衡方程，该方程具体可以采用下式表示：

式中，为t时刻蓄热式电锅炉的输出热功率；为t时刻蓄热式电锅炉系统中蓄热装置的输出热功率；为t时刻蓄热式电锅炉系统中供热换热器的输入热功率；为t时刻蓄热式电锅炉系统中供热水换热器的输入热功率；为t时刻蓄热式电锅炉系统的终端输出热功率；为t时刻地源热泵的输出热功率；为t时刻的热负荷。

第四种类型为热水母线功率平衡方程，热水母线功率平衡方程具体采用下式表示：

其中，为t时刻太阳能热水器的输出热水功率；为t时刻太阳能热水系统中换热器的输入热水功率；为t时刻太阳能热水系统中换热器的输出热水功率；为t时刻蓄热式电锅炉系统中供热水换热器的输出热功率；为t时刻蓄热水箱的输入热水功率；为t时刻蓄热水箱的输出热水功率；为t时刻的热水负荷。

结合以上(5)式至(16)式中的各类型母线上的功率平衡方程，可以得到母线功率平衡方程，如下式：

av^t＝0(17)

具体的，作为优选的实施例，转换设备方程具体为：

bv^t＝0(20)

其中，b为支路-转换设备关联矩阵，bkn为矩阵b中的元素。

具体的，本实施例中，根据各设备的能效比或效率，可以建立如下的转换环节方程：

其中，copec为常规冷水机组的能效比；copic为冰蓄冷机组的能效比；cophp为地源热泵的能效比；ηeb为蓄热式电锅炉的制热效率；ηhe，i为蓄第i个换热器的换热效率；ηhwt为蓄热水箱的蓄热效率。

具体的，本实施例中，作为优选的实施例，分配系数方程具体为：

cv^t＝0(23)

其中，c为支路-母线分配系数关联矩阵，cmn为矩阵c中的元素。

对于本实施例，在电母线和冷母线间存在成环的情况，即两条母线间存在多条可能的通路，在这种情况下，综合能源系统方程中变量与方程数量不对等，仅通过给定负荷无法计算出系统的能流状态，因此需要引入分配系数方程，确定负荷的具体分配比例，分配系数方程具体采用下式表示：

其中，为t时刻常规冷水机组的输出冷功率；为t时刻的冷负荷；为t时刻冰蓄冷系统的终端输出冷功率；α1、α2为冷母线上的分配系数。

s105、综合母线功率平衡方程、转换设备方程以及分配系数方程，得到基于通用能量母线的综合能源系统时序能量流的最终数学表达形式。

具体的，本实施例中，作为优选的实施例，最终数学表达式具体为：

其中，a为支路-母线关联矩阵，b为支路-转换设备关联矩阵，c为支路-母线分配系数关联矩阵，v^t为t时刻综合能源系统中各支路上的能量流组成的向量。

s106、对最终数学表达形式进行求解，得到综合能源系统中各个支路上的时序能量流。

具体的，本实施例中的时序能量流的计算结果请参见图4(a)，图4(b)，图4(c)，图4(d)，图4(a)是本发明实施例时序能量流计算的输出结果中地源热泵的日输出功率曲线；图4(b)是本发明实施例时序能量流计算的输出结果中储热装置的储能状态曲线；图4(c)是本发明实施例时序能量流计算的输出结果中蓄热式电锅炉的日输出功率曲线；图4(d)是本发明实施例时序能量流计算的输出结果中外部电网的日输入功率曲线。

可见，本发明实施例提供的一种基于通用能量母线的综合能源系统时序能量流计算方法，综合考虑了系统中能量类型、设备类型、拓扑约束，以及可再生能源、负荷、储能设备的时序模型，通过建立矩阵式的综合能源系统时序能量流平衡方程，包括母线能量平衡方程、转换环节方程以及分配系数方程，实现对全综合能源系统时序能量流的计算求解，为后续综合能源系统规划设计、运行分析、调控策略制定等奠定基础。

以上对本申请所提供的一种基于通用能量母线的综合能源系统时序能量流计算方法进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本申请的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本申请的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以对本申请进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本申请权利要求的保护范围内。

说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。