基于能量网络方程的多能流系统的工作状态评估方法与流程

本发明涉及综合能源系统分析技术领域，特别是涉及一种基于能量网络方程的多能流系统的工作状态评估方法。

背景技术：

风电、光伏等可再生清洁能源的使用成了一种必然趋势,而这些可再生能源不确定性高，发电量不易控制，接入电网容易引起电网波动。因此，仅以电网作为能量传输的载体已渐渐不能满足需求。在这种情况下，以电、热、冷、气多种形式传输能量的能源互联网就有其优越性，目前能源互联网的示范也越来越多。在上述多能网络中，热电联供网络目前发展最为迅速，自20世纪开始，在全球范围内就开始逐步建立热网，目前，热网在丹麦、瑞典、德国、芬兰等欧洲国家都有了一定程度的普及。目前，对于电-热耦合多能流网络的建模和潮流计算已经有了一系列的研究成果。其中，通过评估单元设备的工作状态来对能量系统的分析和优化提供理论指导。现有的评估单元设备的工作状态通常分别采用电网络理论和流体网络理论计算所有设备的工作状况，这种计算方法复杂。而事实上任何形式能量的传递过程都是在基本强度量差的推动下基本广延量的传递，不同类型的能量传输网络具有相同的传递规律。目前行业内还没有研发一种对能源网络内的能源形势建立统一的模型和统一的能量网络方程来求解单元设备的工作状态的方法。

技术实现要素：

针对现有技术存在的上述问题，本发明提供一种基于能量网络方程的多能流系统的工作状态评估方法。

本申请的具体方案如下：

一种基于能量网络方程的多能流系统的工作状态评估方法，包括：

s1，利用热能和电能联合给n个独立的空间加热，建立能量网络，其中，n≥2；所述能量网络包括热水子网络和电力子网络；

s2，利用广义的基尔霍夫强度量定律和基尔霍夫广延量定律对所述能量网络建立能量网络方程组；

s3，联立能量网络方程组与能量系统的约束条件，构成完备的方程组；对能量网络方程组采用标幺制计算方法，将能量网络方程组中不同单位的物理量转化为无量纲参数，统一求解，得到各个单元设备的工作状态。

优选地，n＝2，所述电力子网络包括：电源b1、水泵b2、电网络中线路的等效电阻b5组成的回路c1；电源b1、设置在空间k内的电热器b3、电网络中线路的等效电阻b5组成的回路c2；电源b1、设置在空间l内的电热器b4、电网络中线路的等效电阻b5组成的回路c3；所述热水子网络包括：热源b6、设置在空间k内的散热片b7、热水网络中管网的等效流阻b9和水泵b10组成的回路c4；热源b6、设置在空间l内的的散热片b8、热水网络中管网的等效流阻b9和水泵b10组成的回路c5；

在热水子网络和电力子网络中，选定节点n1、n3、n4、n6、n7利用广义基尔霍夫定律写出5个通量方程，5个通量方程依次为φ1-φ2-φ3-φ4＝0，φ5-φ1＝0，φ6-φ7-φ8＝0，φ9-φ10＝0，φ10-φ6＝0；其中电力子网络的通量φ是电流强度，热水子网络的通量φ是热水体积流量；

将5个通量方程写成能量网络方程，分别为网络关联矩阵a、广延量流量矩阵φ和矩阵方程a·φ＝0的形式，其中，

φ＝[φ1φ2φ3φ4φ5φ6φ7φ8φ9φ10]^t；

在热水子网络和电力子网络中，针对回路c1、c2、c3、c4、c5利用广义基尔霍夫定律写出5个强度量方程，5个强度量方程为△x1+△x2+△x5＝0，-△x2+△x3＝0，-△x3+△x4＝0，△x6+△x7+△x9+△x10＝0，-△x7+△x8＝0；其中电力子网络的强度量x是电压，热水子网络的强度量x是压强，

将5个强度量方程写成网络关联矩阵b、强度量差矩阵△x和矩阵方程b·δx＝0；其中

△x＝[△x1△x2△x3△x4△x5△x6△x7△x8△x9△x10]^t；

所述能量网络中第一类约束条件是两个能量子网之间的耦合关系：水泵将电能转化为热水的压能φ2△x2+φ10△x10＝0；已知两个空间的热负荷分别是pk和pl，热水网所占热负荷比例分别是αk和αl；则两个散热片的输出功率分别是αkpk＝ρcφ7△t和αlpl＝ρcφ8△t，其中ρ和c分别是热水的密度和质量热容，δt是散热片进出口的温差；电热器的热负荷分别是(1-αk)pk＝φ3△x3和(1-αl)pl＝φ4△x4；

所述能量网络中第二类约束条件已知的电源电动势△x1以及设备的特征方程：由传递公理得设备的特性方程△xi＝riφi(i＝5,6,7,9)，其中的ri为电阻或流阻，由设备的特性决定；在稳定的工作状态，所有并联散热片的进出口压差相同，由一台散热片的特性可得到推出压差；

利用上述方程组和上述约束条件采用标幺制计算方法求解，得到能量网络中所有设备的工作状况，所述工作状况为广延量通量和设备两端的强度量差。

优选地，其特征在于，能量系统的约束条件如下：

电源电压是△x1＝-220v，线路等效电阻是r5＝1.0ω。散热片的流阻分别是r6＝1.37×10⁸pa·s/m³，r7＝1.92×10⁸pa·s/m³，热水管网的等效流阻是r9＝0.17×10⁸pa·s/m³。两个空间的热负荷分别是pk＝20kw和pl＝25kw，热水加热所占比例都是α＝0.8，散热片进回水温差都是△t＝15k；常温下水的密度和质量热容量分别取ρ＝980kg/m³和c＝4190j/(kg·k)。由此可知两个散热片的热水体积流量分别是φ7＝0.26×10^-3m³/s和φ8＝0.325×10^-3m³/s，电热器的热负荷φ3△x3＝4.0kw和φ4△x4＝5.0kw；

选定能量网络参数的基准值如下，功率pb＝500w，电压△xb,e＝200v，电流φb,e＝pb/△xb,e＝2.5a，电阻rb,e＝△xb,e/φb,e＝80ω，体积流量φb,f＝0.5×10^-3m³/s，压强△xb,f＝pb/φb,f＝10⁶pa，流阻rb,f＝2×10⁹pa·s/m³。

利用所述基准值写出已知参数的无量纲标幺值：

利用广义的基尔霍夫强度量定律和基尔霍夫广延量定律建立能量网络方程组，联立能量网络方程与能量系统的约束条件，构成完备的方程组，将标幺化后的参数值代入矩阵方程组并利用约束方程可解得：

φ^*＝[22.0250.1989.70112.12622.0251.1700.5200.6501.1701.170]^t

△x^*＝[-1.1000.8250.8250.8250.2750.0800.0500.0500.010-0.140]^t

将这些无量纲参数乘以基准值，统一求解，得到能量网络中各设备的工作状态：

φ＝[55.060.5024.2530.3155.060.585×10^-30.26×10^-30.325×10^-30.585×10^-30.585×10^-3]^t

优选地，每个空间内设置有电热器和散热片，所述利用热能和电能联合给n个独立的空间加热包括：

热能通过管网给每个空间内的散热片提供热能，电能通过每个空间内的电热器转化成热能，电能同时向水泵提供电能，由水泵转化成热水的压能。

优选地，基尔霍夫强度量定律为在能量网络的任何一个回路中，各段线路强度量变化量之和为0；基尔霍夫广延量定律为对于能量网中任何一个节点，流入该节点的广延量等于流出该节点的广延量。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

根据论证，本方案的能量网络方程组的求解方法和利用电网络理论和流体网络理论分别计算单元设备的工作状态的结果一致，从而确保本发明建立的能量网络方程以及相应的求解方法是可靠的。对于较复杂的能量网络，利用方案的方法建立统一的模型和统一的能量网络方程并进行求解，能够很方便的得到网络中各个设备的工作状态。

附图说明

图1为本发明的基于能量网络方程的多能流系统的工作状态评估方法的示意性流程图；

图2为本发明的利用热能和电能联合给2个独立的空间加热，建立的能量网络图；

图3为本发明的电力子网络图。

图4为本发明的热水子网络图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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作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。

参见图1-4、一种基于能量网络方程的多能流系统的工作状态评估方法，包括：

s1，利用热能和电能联合给n个独立的空间加热，建立能量网络，其中，n≥2；所述能量网络包括热水子网络和电力子网络；每个空间内设置有电热器和散热片，所述利用热能和电能联合给n个独立的空间加热包括热能通过管网给每个空间内的散热片提供热能，电能通过每个空间内的电热器转化成热能，电能同时向水泵提供电能，由水泵转化成热水的压能。利用热能和电能联合供热是一种常见的用能方式，其中的用能侧可能有多个热负荷。在本实施例，n＝2，选择两个热负荷建立网络模型，但本发明的理论方法可以推广到多个热负荷系统(加热系统)。利用热水和电联合给两个独立的空间k和空间l加热，其中电源给两个电热器提供电能，热源通过管网给两个散热片提供热能，空间所需的热负荷(热能)由电热器和散热片分担。电力子网络将电源的电能传输到两个空间，通过两个电热器转化成热能。电力子网络同时向水泵提供电能，由水泵转化成热水的压能。热水网络将热源的热能通过散热片和管网分别传递到两个空间，同时消耗压能。两个能量子网络通过水泵和加热空间相互耦合。

s2，利用广义的基尔霍夫强度量定律和基尔霍夫广延量定律对所述能量网络建立能量网络方程组；该方程组的参数是各个单元设备的通量和单元设备两端的强度量差。

s3，联立能量网络方程组与能量系统的约束条件，构成完备的方程组；对能量网络方程组采用标幺制计算方法，将能量网络方程组中不同单位的物理量转化为无量纲参数，统一求解，得到各个单元设备的工作状态，即可评估单元设备的工作状态。

热水子网络和电力子网络分别是流体网络和电网络，热水网络和电网络分别是流体网络和电网络。从能量公理和传递公理看，电网络是能量网络的一个特例，能量网络与电网络有相似的连接方式；电网络中的电压即能量网络的强度量(电压和压强)，电流即能量网络中的广延量(电流和体积流量)。在电网络中，基尔霍夫电压定律和基尔霍夫电流定律是电网络方程的基础，概括了电路中电流和电压分别遵循的基本规律，与电路元件的特性无关，只取决于电路的连接方式，二电路元件特性决定了支路两端电压差与电流的关系；因此，可以得到能量网络的基尔霍夫电压定律和基尔霍夫电流定律，定义为：

(1)基尔霍夫强度量定律：在能量网络的任何一个回路中，各段线(管)路强度量变化量之和为0；

(2)基尔霍夫广延量定律：对于能量网中任何一个节点，流入该节点的广延量等于流出该节点的广延量。

对于一个有b条支路的电网络，共有2b个变量，b个电压值和b个电流值；通过基尔霍夫定律可以写出b个方程，再加上b条支路上电路元件的路特性方程，联立可对该电网络实现求解；利用广义基尔霍夫定律可以写出能量网络方程，从而可以对能量网络中各个支路和节点参数进行求解；求解方法如下：

在本实施例，其特征在于，n＝2，所述电力子网络包括：电源b1、水泵b2、电网络中线路的等效电阻b5组成的回路c1；电源b1、设置在空间k内的电热器b3、电网络中线路的等效电阻b5组成的回路c2；电源b1、设置在空间l内的电热器b4、电网络中线路的等效电阻b5组成的回路c3；所述热水子网络包括：热源b6、设置在空间k内的散热片b7、热水网络中管网的等效流阻b9和水泵b10组成的回路c4；热源b6、设置在空间l内的散热片b8、热水网络中管网的等效流阻b9和水泵b10组成的回路c5；

在热水子网络和电力子网络中，选定节点n1、n3、n4、n6、n7利用广义基尔霍夫定律写出5个通量方程，5个通量方程依次为φ1-φ2-φ3-φ4＝0，φ5-φ1＝0，φ6-φ7-φ8＝0，φ9-φ10＝0，φ10-φ6＝0；其中电力子网络的通量φ是电流强度，热水子网络的通量φ是热水体积流量；

将5个通量方程写成能量网络方程，分别为网络关联矩阵a、广延量流量矩阵φ和矩阵方程a·φ＝0的形式，其中，

φ＝[φ1φ2φ3φ4φ5φ6φ7φ8φ9φ10]^t；

在热水子网络和电力子网络中，针对回路c1、c2、c3、c4、c5利用广义基尔霍夫定律写出5个强度量方程，5个强度量方程为△x1+△x2+△x5＝0，-△x2+△x3＝0，-△x3+△x4＝0，△x6+△x7+△x9+△x10＝0，-△x7+△x8＝0；其中电力子网络的强度量x是电压，热水子网络的强度量x是压强，

将5个强度量方程写成网络关联矩阵b、强度量差矩阵△x和矩阵方程b·δx＝0；其中

△x＝[△x1△x2△x3△x4△x5△x6△x7△x8△x9△x10]^t；

所述能量网络中第一类约束条件是两个能量子网之间的耦合关系：水泵将电能转化为热水的压能φ2△x2+φ10△x10＝0；已知两个空间的热负荷分别是pk和pl，热水网所占热负荷比例分别是αk和αl；则两个散热片的输出功率分别是αkpk＝ρcφ7△t和αlpl＝ρcφ8△t，其中ρ和c分别是热水的密度和质量热容，δt是散热片进出口的温差；电热器的热负荷分别是(1-αk)pk＝φ3△x3和(1-αl)pl＝φ4△x4；

所述能量网络中第二类约束条件已知的电源电动势△x1以及设备的特征方程：由传递公理得设备的特性方程△xi＝riφi(i＝5,6,7,9)，其中的ri为电阻或流阻，由设备的特性决定；在稳定的工作状态，所有并联散热片的进出口压差相同，由一台散热片的特性可得到推出压差；

利用上述方程组和上述约束条件采用标幺制计算方法求解，得到能量网络中所有设备的工作状况，所述工作状况为广延量通量和设备两端的强度量差。

比如，能量系统的约束条件如下：

电源电压是△x1＝-220v，线路等效电阻是r5＝1.0ω。散热片的流阻分别是r6＝1.37×10⁸pa·s/m³，r7＝1.92×10⁸pa·s/m³，热水管网的等效流阻是r9＝0.17×10⁸pa·s/m³。两个空间的热负荷分别是pk＝20kw和pl＝25kw，热水加热所占比例都是α＝0.8，散热片进回水温差都是△t＝15k；常温下水的密度和质量热容量分别取ρ＝980kg/m³和c＝4190j/(kg·k)。由此可知两个散热片的热水体积流量分别是φ7＝0.26×10^-3m³/s和φ8＝0.325×10^-3m³/s，电热器的热负荷φ3△x3＝4.0kw和φ4△x4＝5.0kw；

选定能量网络参数的基准值如下，功率pb＝500w，电压△xb,e＝200v，电流φb,e＝pb/△xb,e＝2.5a，电阻rb,e＝△xb,e/φb,e＝80ω，体积流量φb,f＝0.5×10^-3m³/s，压强△xb,f＝pb/φb,f＝10⁶pa，流阻rb,f＝2×10⁹pa·s/m³。

利用所述基准值写出已知参数的无量纲标幺值：

利用广义的基尔霍夫强度量定律和基尔霍夫广延量定律建立能量网络方程组，联立能量网络方程与能量系统的约束条件，构成完备的方程组，将标幺化后的参数值代入矩阵方程组并利用约束方程可解得：

φ^*＝[22.0250.1989.70112.12622.0251.1700.5200.6501.1701.170]^t

△x^*＝[-1.1000.8250.8250.8250.2750.0800.0500.0500.010-0.140]^t

将这些无量纲参数乘以基准值，统一求解，得到能量网络中各设备的工作状态：

根据论证，本方案的能量网络方程组的求解方法和利用电网络理论和流体网络理论分别计算单元设备的工作状态的结果一致，从而确保本发明建立的能量网络方程以及相应的求解方法是可靠的。

对于较复杂的能量网络，利用方案的方法建立统一的模型和统一的能量网络方程并进行求解，能够很方便的得到网络中各个设备的工作状态。在本方案，电热器和散热片的型号以及两种加热方式所占比例可以选择，每一种选择对应一种不同的工作状态，每一种工作状态又对应不同的能耗和投资，由此可以实现对该能量网络的评估、比较和优化。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。