一种基于扩展能源集线器的多能耦合系统潮流分析方法与流程

本发明涉及综合能源系统及能源互联网技术领域，尤其涉及一种基于扩展能源集线器的多能耦合系统潮流分析方法。

背景技术：

能源是我国经济可持续发展的重要基础，能源供应系统通常被认为是具有单独能量输出的单独子系统，例如电、热、气或氢。在当前智能电网的愿景中，区域/城市层面的能源系统愈益复杂和多样化，随着多能源低碳技术，如热电联产(combinedheatandpower，chp)、热泵、电锅炉等的普及与发展，电力、热力和天然气网络之间的交互作用变得更加紧密，不同的能量载体间相互耦合，以来满足各种类型的能量需求。显然传统的能源网络分析方法已经不能反映耦合网络的真实性质，将多能源耦合系统视为一个整体变得愈加重要。在该耦合网络中，能量以电能、天然气能、热能、冷能等多种形式进行传播，即一个多种能量流动的高耦合系统称为多能耦合系统(multienergycouplingsystem，mecs)，该系统可实现对能源进行综合梯级利用，已成为我国能源领域的前沿技术之一，发展前景广阔。

mecs将可再生能源设备和电、热储能设备集成化，通过热电联产系统、热泵及燃气锅炉能源转换设备实现气冷热电不同能源间的优势互补与合理配置，进一步提高能源利用效率，增加能源供应的安全性，亦可以通过优化整体运行方式，使能量损失、成本和排放最小化，推动节能、低碳、环保工作，在我国电力结构调整中起非常重要的作用。

目前，多能源网络耦合的重要性在研究和实际应用中正在增长，但国内外研究在进行电气热多能耦合系统的潮流建模与分析时还存在一些不足，如多数设计方案仍以系统电力环节为主，不考虑供热网络的变化特性，通常将网络中热负荷需求作为等效负荷处理，运行方式过于具体，缺乏一般性，难以体现高耦合能源系统的互补特性。在现有研究中，通常使用集线器概念来模拟和优化不同能源载体之间的转换、传输和存储关系，使用交流(ac)潮流方程表示电网，使用水立方程代表等温管道的热网络。但在现实应用中，供热管网中的水温并不处于等温状态，供热网络与能源集线器连接处的出入口节点温度是不相同的，因此只有水力液压方程并不足以模拟热网络，需要加入热力方程单独处理能源集线器连接节点的温度变化。因此需要提出一种通用且灵活的方法来建模和分析基于扩展能源集线器的多能耦合系统。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，提供一种基于扩展能源集线器的多能耦合系统潮流分析方法，实现对基于扩展能源集线器的多能耦合系统的潮流进行分析。

为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：一种基于扩展能源集线器的多能耦合系统潮流分析方法，包括以下步骤：

步骤1、建立扩展能源集线器的通用模型，具体方法为：

所述扩展能源集线器是在不同能量载体之间进行转换、存储和消耗能量的接口，包括x种类型的分布式发电产生的功率s1-sx，y种类型的负荷需求l1-ly以及耦合系统；所述耦合系统与不同类型的能源转换设备相关联；

所述扩展能源集线器包括能源集线器、互连点和能源网络三部分；所述互连点是指从能源集线器到不同种类能源网络的净注入功率接口，其对应于电网中的母线和区域供热网络中的节点；

通过制定负荷需求，在每个能源集线器处提取的耦合矩阵表示耦合系统的净功率输入和耦合装置的效率之间的代数关系，如下公式所示：

其中，lky为第y类能源的负荷需求；pkx.in为第x类能源输入耦合系统的净功率；ekx为第x类能源在储能单元中提供的功率变化量；ck-yx表示为第x类能源输入功率转换为第y类能源负荷的耦合系数；zk-yx表示第x类能源在储能单元中提供的功率转换为第y类能源负荷的耦合系数；k为能源集线器编号；

步骤2、采用混合式液压和管流方程，建立考虑稳态温度下降、质量流量及流动方向变化的通用供热网络模型，包括水力液压模型和热力模型；

将供热网络视为两个独立的液压管网：供水管和回水管网；由于质量流量是水力液压模型和热力模型之间的耦合参数，在建立供热网络的液压部分模型中，采用考虑液压压力和管道流量的混合管道方程方法；

假定供热管网中供水及回水的每个管道全长均为相同的横截面，通过压降守恒方程表示供热网络的水力液压模型，如下公式所示：

其中，hj和hi分别为供热管网节点j和节点i处的液压压力，mji为从节点j流向节点i的质量流量，kij为适用于宽范围的质量流量的压力阻力系数；l为内径为d的热网管道长度，ρ为水的密度，f是摩擦系数，g为重力加速度；

所述摩擦系数f值表示为雷诺数re、绝对表面粗糙度ε与管径d的函数，当雷诺数re＞4000，摩擦系数的精确值使用colebrook方程确定，如下公式所示：

其中，定义雷诺数re如下公式所示：

其中，μ是热网中流动介质的一种黏性系数，为介质常数，mji表示介质的质量流量；

所述热力网络模型包括热功率方程与温度差降方程，其中状态变量包含质量流量m与供回水温度ts和tr；

所述热功率方程由能源集线器k与热力网络交换功率表示，如下式所示：

pk，h＝cpmk(tsk-trk)

其中，pk，h是能源集线器k与热力网络交换的热功率；mk为从能源集线器k流向区域热管网的质量流量；tsk和trk分别为能源集线器k处的供水温度和回水温度；cp为热功率修正常数；

所述温度差降方程考虑在整个管道网络中的热损现象，由管道两端温度表示，如下式所示：

其中，ti.end，ti.start，ts分别为管道终点温度、起始点温度和空气温度，h为热网管道到地面的距离，λ为热网管道的总传热系数；

所述热网管道的总传热系数λ为可变量，取决于热网内部质量流量、所在地面土壤的性质以及所处深度，如下公式所示：

其中，r1，r2分别为热网管道的内半径、外半径；kw，k2，kt分别为管道中水介质的对流系数、热网管道自身的导热系数以及地面土壤的导热系数；

由热功率方程与温度差降方程得出的供热网络热力模型由在给定供热管网节点处输出的质量流量和水温(mout，tout)与所有流入的质量流量和水温(min，tin)关系表示，如下公式所示：

∑(tinmin)＝tout∑(mout)

步骤3、利用耦合矩阵描述不同能量载体的多能耦合系统潮流耦合方程；

利用耦合矩阵来描述不同能源的多能耦合系统潮流耦合方程，通过能源集线器连接的耦合系统净输入功率pkx.in等于各类能源供给站的总功率skx减去相应能源子网络输入功率pkx，如下式：

pkx.in＝skx-pkx

因此，基于扩展能源集线器的多能耦合系统的潮流耦合方程为：

步骤4、建立基于扩展能源集线器的通用多能耦合系统稳态分析模型；

所述建立的基于扩展能源集线器的通用多能耦合系统稳态分析模型包括多能耦合系统潮流节点偏差方程和雅可比矩阵；

在电力与供热网络耦合系统中，假定每个能源集线器配备天然气转电、天然气转热、电转热的能源转换装置，本发明仅限于短时间步长内的潮流分析，因此不需考虑储能及蓄能转置；

由步骤3推导出以任意能源集线器k所连接的电热耦合系统的潮流方程，如下公式所示：

其中，l，s，p和c分别代表负荷需求、能源供给站、能源网络注入和耦合矩阵系数；下标p，q，h和f分别表示有功功率、无功功率，热功率和天然气功率；

能源集线器连接耦合系统节点k处的有功功率，无功功率及热功率的偏差方程如下公式所示：

液压方程中由于热网管道连接点i与j之间存在的液压偏差量δhij如下公式所示：

δhij＝hj-hi-kijmji|mji|

温度差降方程中供水温度与回水节点i处温度的偏差量δtsi如下公式所示：

温度差降方程中回水温度与供水节点j处温度的偏差量δtrj如下公式所示：

其中，mji和mjk分别是从节点j流向节点i和从节点j流向节点k的质量流量；s和r表示区域供热网络的供水和回水管网；ts-ji是在供水管网上的节点i处测量的从节点j流到节点i的水温；tr-jk是在回水管网的节点k处测量的从节点j流到节点k的水温；tsi和trk分别是节点i处的输出供应温度和节点k处的输出返回温度；

将多能耦合系统潮流节点偏差点与未知变量分别表示为如下公式所示：

δf＝[δppδpqδphδhδtsδt]^t

x＝[δθδuδmδhδtsδtr]^t

进而得到多能耦合系统求解方程中的雅克比矩阵，如下公式所示：

步骤5、利用通用多能耦合系统稳态分析模型对高耦合电热网络进行综合潮流求解，具体方法为：

在一个由电力和区域供热网络组成的高度耦合区域能源系统中，假设每个集线器具有耦合电气热三种能源不同转换装置，通过建立电力和区域供热网络的耦合模型以及推导雅可比矩阵公式，从而求解综合电力和区域供热网络的未知变量，具体方法为：

步骤5.1、用户提供包含电力系统参数、供热系统参数及能源转换装置参数的网络数据，确定多能耦合系统的电气热能源负荷需求，进行初始化设置，形成耦合系统的转换矩阵；

步骤5.2、设置采用newton-raphson迭代方法计算的最大迭代次数，分别进行子系统潮流计算；

步骤5.3、通过步骤5.2中使用newton-raphson迭代方法所得的电力子系统及供热子系统中的电压、供回水管道温度及流量等状态变量的迭代值，更新热网管道中的压力阻力系数及总传热系数；

步骤5.4、将获取的热网管道中的压力阻力系数及总传热系数的更新值带入多能耦合系统的雅可比矩阵，进行统一迭代并更新；

步骤5.5、综合潮流求解：计算电功率、热功率及供水管道液压压力的潮流分布值；其中，回水管道液压压力可基于供水管道潮流分布数值通过能源集线器节点转换或单独利用迭代法进行逐步计算，供热网络中回水管道中的质量流量与对应供水管道中的质量流量相同，表示其压降数值相等，方向相反；

步骤5.6、将耦合能源系统中各子网络的潮流计算变量的单位标幺值转换为实际有名值，显示潮流分析结果。

采用上述技术方案所产生的有益效果在于：本发明提供的一种基于扩展能源集线器的多能耦合系统潮流分析方法，基于扩展能源集线器概念，制定了多能耦合系统的能量流稳态分析建模的通用框架，可以模拟不同的系统配置，用户只需输入网络数据，即可自动配置方程组和雅克比矩阵，克服了先前研究的限制。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种基于扩展能源集线器的多能耦合系统潮流分析方法的流程图；

图2为本发明实施例提供的扩展能源集线器的通用结构示意图；

图3为本发明提供的电热耦合网络综合潮流分析求解流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

本实施例以某多能源耦合系统为例，使用本发明的基于扩展能源集线器的多能耦合系统潮流分析方法对该多能源耦合系统的潮流进行分析。

一种基于扩展能源集线器的多能耦合系统潮流分析方法，如图1所示，包括以下步骤：

步骤1、建立扩展能源集线器的通用模型，具体方法为：

所述扩展能源集线器是在不同能量载体之间进行转换、存储和消耗能量的接口，包括x种类型的分布式发电产生的功率s1-sx，y种类型的负荷需求l1-ly以及耦合系统；所述耦合系统与不同类型的能源转换设备相关联；

所述扩展能源集线器如图2所示，包括能源集线器、互连点和能源网络三部分；所述互连点是指从能源集线器到不同种类能源网络的净注入功率接口，其对应于电网中的母线和区域供热网络中的节点；在每个扩展能源集线器中考虑分布式发电及部分储能，并将耦合矩阵与功率注入方程相结合，来建立mecs潮流分析模型；同时，将能源集线器与互连点分开处理，可以更准确地处理热网络的混合水温；

通过制定负荷需求，在每个能源集线器处提取的耦合矩阵表示耦合系统的净功率输入和耦合装置的效率之间的代数关系，如下公式所示：

其中，lky为第y类能源的负荷需求；pkx.in为第x类能源输入耦合系统的净功率；为第x类能源在储能单元中提供的功率变化量；ck-yx表示为第x类能源输入功率转换为第y类能源负荷的耦合系数；zk-yx表示第x类能源在储能单元中提供的功率转换为第y类能源负荷的耦合系数；k为能源集线器编号；

步骤2、采用混合式液压和管流方程，建立考虑稳态温度下降、质量流量及流动方向变化的通用供热网络模型，包括水力液压模型和热力模型；

将供热网络视为两个独立的液压管网：供水管和回水管网；由于质量流量是水力液压模型和热力模型之间的耦合参数，在建立供热网络的液压部分模型中，采用考虑液压压力和管道流量的混合管道方程方法，可以精确地表示泵送单元，此方法中涉及的方程式相对简单且易于计算，使模型具有较快的收敛速度。

假定供热管网中供水及回水的每个管道全长均为相同的横截面，通过压降守恒方程表示供热网络的水力液压模型，如下公式所示：

其中，hj和hi分别为供热管网节点j和节点i处的液压压力，mji为从节点j流向节点i的质量流量，kij为适用于宽范围的质量流量的压力阻力系数；l为内径为d的热网管道长度，ρ为水的密度，f是摩擦系数，g为重力加速度；

所述摩擦系数f值表示为雷诺数re、绝对表面粗糙度ε与管径d的函数，当雷诺数re＞4000，摩擦系数的精确值使用colebrook方程确定，如下公式所示：

其中，定义雷诺数re如下公式所示：

其中，μ是热网中流动介质(例如水)的一种黏性系数，为介质常数，mji表示介质的质量流量；

所述热力网络模型包括热功率方程与温度差降方程，其中状态变量包含质量流量m与供回水温度ts和tr；

所述热功率方程由能源集线器k与热力网络交换功率表示，如下式所示：

pk，h＝cpmk(tsk-trk)

其中，pk，h是能源集线器k与热力网络交换的热功率；mk为从能源集线器k流向区域热管网的质量流量；tsk和trk分别为能源集线器k处的供水温度和回水温度；cp为热功率修正常数；

所述温度差降方程考虑在整个管道网络中的热损现象，由管道两端温度表示，如下式所示：

其中，ti.end，ti.start，ts分别为管道终点温度、起始点温度和空气温度，h为热网管道到地面的距离，λ为热网管道的总传热系数；

所述热网管道的总传热系数λ为可变量，取决于热网内部质量流量、所在地面土壤的性质以及所处深度，如下公式所示：

其中，r1，r2分别为热网管道的内半径、外半径；kw，k2，kt分别为管道中水介质的对流系数、热网管道自身的导热系数以及地面土壤的导热系数；

由热功率方程与温度差降方程得出的供热网络热力模型由在给定供热管网节点处输出的质量流量和水温(mout，tout)与所有流入的质量流量和水温(min，tin)关系表示，如下公式所示：

∑(tinmin)＝tout∑(mout)

步骤3、利用耦合矩阵描述不同能量载体的多能耦合系统潮流耦合方程；

利用耦合矩阵来描述不同能源的多能耦合系统潮流耦合方程，通过能源集线器连接的耦合系统净输入功率pkx.in等于各类能源供给站的总功率skx减去相应能源子网络输入功率pkx，如下式：

pkx.in＝skx-pkx(14)

因此，基于扩展能源集线器的多能耦合系统的潮流耦合方程为：

步骤4、建立基于扩展能源集线器的通用多能耦合系统稳态分析模型；

所述建立的基于扩展能源集线器的通用多能耦合系统稳态分析模型包括多能耦合系统潮流节点偏差方程和雅可比矩阵；

在电力与供热网络耦合系统中，假定每个能源集线器配备天然气转电、天然气转热、电转热的能源转换装置，本发明仅限于短时间步长内的潮流分析，因此不需考虑储能及蓄能转置；

由步骤3推导出以任意能源集线器k所连接的电热耦合系统的潮流方程，如下公式所示：

其中，l，s，p和c分别代表负荷需求、能源供给站、能源网络注入和耦合矩阵系数；下标p，q，h和f分别表示有功功率、无功功率，热功率和天然气功率；

能源集线器连接耦合系统节点k处的有功功率，无功功率及热功率的偏差方程如下公式所示：

液压方程中由于热网管道连接点i与j之间存在的液压偏差量δhij如下公式所示：

δhij＝hj-hi-kijmji|mji|

温度差降方程中供水温度与回水节点i处温度的偏差量δtsi如下公式所示：

温度差降方程中回水温度与供水节点j处温度的偏差量δtrj如下公式所示：

其中，mji和mjk分别是从节点j流向节点i和从节点j流向节点k的质量流量；s和r表示区域供热网络的供水和回水管网；ts-ji是在供水管网上的节点i处测量的从节点j流到节点i的水温；tr-jk是在回水管网的节点k处测量的从节点j流到节点k的水温；tsi和trk分别是节点i处的输出供应温度和节点k处的输出返回温度；

用于求解多变量(由x表示)方程组(由f表示)的newton-raphson迭代方法可以由定义为

-δf＝jx(19)

在该等式中，δf表示偏差方程，而j表示雅可比矩阵。通过计算每个方程相对于每个变量的偏导数来找到j的元素，以类似的方式，将多能耦合系统潮流节点偏差点与未知变量分别表示为如下公式所示：

δf＝[δppδpqδphδhδtsδt]^t(20)

x＝[δθδuδmδhδtsδtr]^t(20)

进而得到多能耦合系统求解方程中的雅克比矩阵，如下公式所示：

步骤5、利用通用多能耦合系统稳态分析模型对高耦合电热网络进行综合潮流求解，如图3所示，具体方法为：

在一个由电力和区域供热网络组成的高度耦合区域能源系统中，假设每个集线器具有耦合电气热三种能源不同转换装置，通过建立电力和区域供热网络的耦合模型以及推导雅可比矩阵公式，从而求解综合电力和区域供热网络的未知变量，具体方法为：

步骤5.1、用户提供包含电力系统参数、供热系统参数及能源转换装置参数的网络数据，确定多能耦合系统的电气热能源负荷需求，进行初始化设置，形成耦合系统的转换矩阵；

步骤5.2、设置采用newton-raphson迭代方法计算的最大迭代次数，分别进行子系统潮流计算；

步骤5.3、通过步骤5.2中使用newton-raphson迭代方法所得的电力子系统及供热子系统中的电压、供回水管道温度及流量等状态变量的迭代值，更新热网管道中的压力阻力系数及总传热系数；

步骤5.4、将获取的热网管道中的压力阻力系数及总传热系数的更新值带入多能耦合系统的雅可比矩阵，进行统一迭代并更新；

步骤5.5、综合潮流求解：计算电功率、热功率及供水管道液压压力的潮流分布值；其中，回水管道液压压力可基于供水管道潮流分布数值通过能源集线器节点转换或单独利用迭代法进行逐步计算，供热网络中回水管道中的质量流量与对应供水管道中的质量流量相同，表示其压降数值相等，方向相反；

步骤5.6、将耦合能源系统中各子网络的潮流计算变量的单位标幺值转换为实际有名值，显示潮流分析结果。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明权利要求所限定的范围。