基于功率守恒的孤岛型综合能源系统联合潮流获取方法与流程

本发明涉及热电联合潮流领域，尤其是涉及一种基于功率守恒的孤岛型综合能源系统联合潮流获取方法。

背景技术：

综合能源系统(integratedenergysystem，ies)是一种高效、可持续的新型能源利用模式。热电联合系统是典型的综合能源系统。热电联供机组(combinedheatandpower，chp)等耦合组件使得热网和电网存在耦合性。为了对热电联合系统进行分析与控制，如何求解热电联合潮流便成为一个关键问题。

潮流计算是分析综合能源系统的基础，多能流的耦合特性使得联合潮流计算复杂化。在处理耦合关系方面，常规解耦法存在可能发散、收敛慢的问题。

《计及回水管网热损失的电热联合系统潮流模型及算法》建立了较为完整的热力系统模型，考虑了回水网络的热损失，并使用前推回代方法计算热电联合潮流。《基于psasp的电热耦合能源系统潮流计算》在求解热电联合潮流时，利用了耦合组件的松耦合关系，在一次迭代过程之中依次单独计算电力潮流和热力潮流。《考虑系统耦合性的综合能源协同优化》使用近似动态规划方法对综合能源系统进行运行优化，并在目标函数中加入拉格朗日算子来处理耦合关系。《区域综合能源系统电/气/热混合潮流算法研究》针对chp运行模式的不同，提出了相对应的不同的潮流算法流程。《电-热-气综合能源系统多能流计算方法》利用牛顿—拉夫逊法求解综合能源系统潮流，根据设定条件列出所有系统的约束等式，进而生成大维度的雅可比矩阵，此时耦合关系体现在一个系统的变量对另一个系统变量的偏导。

上述联合潮流计算方法可分为整体法和解耦法等两类，其主要差别在于如何处理耦合关系。其中，《计及回水管网热损失的电热联合系统潮流模型及算法》和《基于psasp的电热耦合能源系统潮流计算》属于解耦法，利用迭代过程来满足耦合关系，利用了系统间的松耦合关系，求解速度较快，但也存在无法收敛的问题；《考虑系统耦合性的综合能源协同优化》、《区域综合能源系统电/气/热混合潮流算法研究》和《电-热-气综合能源系统多能流计算方法》属于整体法，通过列写电热系统方程，使用牛顿—拉夫逊法求解。由于雅可比矩阵中包含多个系统的变量，维度高且数据存在数量级的差异，使得求解速度较慢，且可能产生病态矩阵；

另一方面，综合能源系统可以分为联网型和孤岛型，其联合潮流计算方法存在明显的不同。其中，联网型综合能源系统的电网平衡节点直接连接主电网，没有与热网耦合，因而易于求解。但孤岛型综合能源系统在平衡节点处可能存在耦合组件，求解更加复杂。为此，以上文献皆对孤岛型综合能源系统开展了研究，但并未对联合潮流的收敛性进行专门研究。

技术实现要素：

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种基于功率守恒的孤岛型综合能源系统联合潮流获取方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种基于功率守恒的孤岛型综合能源系统联合潮流获取方法，包括以下步骤：

1)构建孤岛型综合能源系统拓扑图，并确定热网平衡节点和电网平衡节点，并设定普通热源节点的热功率初值

2)根据普通热源节点的热功率初值通过电网和热网潮流计算获得热网损耗初值和电网损耗初值

3)根据功率守恒构建热网平衡节点的热功率的递推式；

4)在递推式中代入热网损耗初值和电网损耗初值根据不动点迭代原理计算当前步骤热网平衡节点的热功率的稳态估计值

5)以稳态估计值作为电网和热网潮流计算的初值进行潮流计算，更新获得下一步热网损耗值电网损耗值以及热网平衡节点的热功率的稳态估计值

6)判断当前步骤与上一步的热功率的稳态估计值之差的绝对值是否小于设定的收敛精度ε，若是，则表明热电联合潮流收敛，并将当前步骤的热功率的稳态估计值作为最终的热功率值，若否，则表明热电联合潮流不收敛，并返回步骤3)。

所述的步骤3)中，热网平衡节点的热功率的递推式具体为：

其中，pe_slack为电网平衡节点的电功率，pload为电负荷功率，ploss为电网损耗，φh_slack为热网平衡节点的热功率，φload为热负荷功率，φloss为热网损耗，c1、c2分别为热网平衡节点和电网平衡节点的热电功率比，ps′rc为不包含热网平衡节点和电网平衡节点的其他电源功率之和，φs′rc为不包含热网平衡节点和电网平衡节点的其他热源功率之和。

所述的步骤4)具体为：

将热网损耗初值和电网损耗初值作为热网损耗φloss和电网损耗ploss，并令后联立求解，得到热网平衡节点的热功率的稳态估计值

所述的步骤3)中，功率守恒满足：

pe_slack＝pload+ploss-psrc

φh_slack＝φload+φloss-φsrc

其中，psrc为除了平衡节点之外其他电源的功率，φsrc为除了平衡节点之外其他热源的功率。

当稳态估计值为正数时，判定其为可行解，当稳态估计值为负数时，判定其为不可行解，并通过判断稳态估计值的正负获取热电功率比对应的可行域。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

一、本发明采用基于功率守恒原理用线性公式代替常规解耦法中的潮流计算过程，从而减少计算量，加速收敛过程；

二、本发明推导出热网和电网平衡节点的功率递推公式，据此可以分析和预判常规解耦法的收敛性和收敛速度，且可在常规解耦法发散时求得正确解；

三、当联合潮流无可行解时，本发明能够估计出耦合组件参数的可行域，从而方便参数调整。

附图说明

图1为热电联合系统模型示意图。

图2为解耦法计算过程图。

图3为常规解耦法与公式11曲线收敛性质对比图。

图4为功率守恒法流程图。

图5为算例系统拓扑图。

图6为功率守恒法和常规解耦法的φh_slack和pe_slack收敛过程图，其中，图(6a)为φh_slack收敛过程图，图(6b)为pe_slack收敛过程图。

图7为两方法潮流计算次数比较。

图8为热网、电网约束下c1、c2的可行域，其中，图(8a)为c1的可行域，图(8b)为c2的可行域。

图9为常规解耦迭代发散现象。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例

1、热电联合潮流的常规计算方法介绍

为方便以下内容分析，本例采用如图1所示的热电联合系统模型，其中的节点可以分为耦合节点和常规节点。耦合节点处以热电耦合组件联系电网和热网。目前典型的耦合组件有chp、电锅炉、热泵、浸入式加热器等，其热功率和电功率基本符合线性关系，通常以常数c来表示热电功率比。

热电联合系统分为孤岛型和并网型。不失一般性，对于孤岛型系统，设图1中的耦合组件1～2为chp。将节点1的chp选取为热网的平衡节点和电网的pv节点；将节点2的chp选取为热网的普通热源节点和电网的平衡节点。

而对于并网型热电联合系统，电网平衡节点2为接入主电网的母线，与热网节点2不存在热电耦合关系。

1.1整体法联合潮流计算

整体法的典型求解方案为使用牛顿—拉夫逊法列出整个联合系统的雅可比矩阵，求解出热电联合潮流。

该方法存在如下主要问题：雅可比矩阵中包含了电热联合系统所有变量，矩阵维度大，计算量较大；电热联合系统的耦合为松耦合，因此雅可比矩阵为稀疏矩阵。但整体法没有利用此松耦合关系，计算效率不高；整体法涉及到两个系统，矩阵内元素的数量级会有一定的差距，如果不对数据进行适当处理，容易导致病态矩阵而难以求解。

1.2解耦法联合潮流计算

解耦法可以较好的解决上述问题，其核心思想是依次单独求解热力潮流、电力潮流，然后利用耦合组件的关系构成如图2所示的计算过程。

对于并网型热电联合系统，电网平衡节点与热网节点2之间不存在耦合关系，其热功率φ2设为已知量。此时，热网节点1的热功率φ1可由步骤①经热网潮流计算获得，随后由步骤②经耦合关系计算得到电网节点1的电功率p1，再通过步骤③经电网潮流计算得到电网平衡节点的电功率p2。联合潮流计算到此为止，不需要再进行步骤④。可见，在并网模式下基于解耦法的热电联合潮流计算过程是开环的，无需迭代。

但对于孤岛型联合系统，电网平衡节点2与热网节点2之间存在耦合组件。在通过步骤①～③得到p2后，还需满足耦合组件的关系式。此时需通过步骤④计算得到φ2^*，只有当δφ2＝|φ2*-φ2|小于设定值时，才认为热电联合潮流收敛。否则，需重复步骤①～④进行闭环迭代。

2、基于功率守恒原理的解耦方法

由上可见，解耦法相对于整体法更好地利用了热、电网的松耦合关系。但对于孤岛系统，解耦法不一定收敛，或者收敛速度很慢。在收敛较慢的情况下其计算量甚至会超过整体法。为了快速、可靠地求解热电联合潮流，本发明提出了基于功率守恒原理的新计算方法，以下简称为功率守恒法。为便于区分，以下将现有解耦法称为常规解耦法。

2.1功率守恒原理分析方法

电网、热网的平衡节点满足如下功率守恒公式：

pe_slack＝pload+ploss-psrc(1)

φh_slack＝φload+φloss-φsrc(2)

式中：pe_slack为电网平衡节点的电功率，pload为电负荷功率，ploss为电网损耗，psrc为除了平衡节点之外其他电源的功率；φh_slack为热网平衡节点的热功率，φload为热负荷功率，φloss为热网损耗，φsrc为除了平衡节点之外其他热源的功率。

在使用常规解耦法求解热电联合潮流的过程中，除去最后一次迭代需获得电网和热网的全部潮流信息，之前每次迭代进行潮流计算后，实际用到的信息只有平衡节点的热功率与电功率。因而可用上述功率守恒方程替代潮流计算，从而减少计算量。

下面以热网平衡节点为例，推导其热功率的数学递推式。需说明的是，应用同样方法也可得到电网平衡节点的电功率递推式，其具体步骤如下：

1)设第n次迭代时节点1的热功率为

2)设耦合组件1热电功率比为c1，则有：

同时设：

式中：p′src为不包含节点1、2的其他电源功率之和。

3)应用电网功率守恒公式(1)，可得：

4)设耦合组件2热电功率比为c2，则有：

同时设：

式中：φ′src为不包含节点1、2的其他热源功率之和。

5)应用热网功率守恒公式(2)，可得：

至此进行一次完整的循环，可以得到φh_slack的递推式为：

因迭代过程中潮流会发生变化，故上式中不是定值，令在使用功率守恒法之前先进行一次热网和电网潮流的计算，并以得到的来代替式(10)中的则递推式变为：

此时，因pload、p′src、φload和φ′src都已知，故该递推式中只有φh_slack为未知量。由该式的推导过程可见，该递推式模拟了图2中常规解耦法的迭代过程，所不同的过程中不再求解热网和电网潮流。

算例1中将常规解耦法和由递推式(11)生成的曲线在图3中比较。可以发现，虽然递推过程以作为损耗的估计值，导致其稳态解存在误差，但该式的递推过程能够很好地模拟常规解耦法的收敛过程。因此，下面基于该式对常规解耦法的收敛性质进行分析。

2.2常规解耦法的收敛性质分析

忽略递推过程中热损、电损的变化，则式(10)可写为如下形式：

以为自变量求取导数可得：

根据数值分析的不动点迭代法，可得到如下结论：

1)若|γ|<1，则式(12)收敛；反之则发散。

2)若|γ|<1成立，则|γ|越接近1收敛越慢，越接近0收敛越快。

利用上述判据可以对常规解耦法的收敛性进行快速判断。若|γ|<1不成立，则常规解耦法的计算过程会出现每进行一次迭代，φh_slack反而更偏离正确解的现象。需说明的是，此时并不表明φh_slack一定无解，只是迭代过程对初值非常敏感，初值稍微偏离正确解即会发散。

2.3基于功率守恒原理的快速联合潮流计算

对于递推式(11)，直接令：

式(14)表示φh_slack的迭代值不再变化，在物理上表示潮流结果已使图2中的耦合组件关系式得到满足。联立式(11)、(14)，可无需迭代直接得到φh_slack的解。

为了提高精度，以此时的φh_slack作为初值，再次执行图2中的②③④①步骤，获得更为准确的热损和电损值。不断重复此步骤，直至φh_slack收敛。具体过程如图4所示。

下面对上述方法做出三点结论。

(1)由图4可见，本发明基于功率守恒原理的快速联合潮流计算方法也需要迭代，且每次迭代也需进行热网和电网潮流计算。但其迭代的目的是更新热损和电损。

(2)在本方法中，耦合组件关系式已被嵌入式(11)中，φh_slack直接通过联立式(11)、(14)求得，既有效避免了常规解耦法的发散问题，也没有常规解耦过程中的潮流计算。

(3)若耦合组件参数选取不合理，会导致联合潮流无可行解，本方法通过联立式(11)、(14)也可解得φh_slack。此时可根据φh_slack的正负判断其是否为可行解。

当联合潮流无可行解时，本方法的意义在于能够估计出耦合组件参数的可行域，方便调整耦合组件参数，使得联合潮流有可行解。对此将结合算例2讨论。

3、算例分析

图5为算例系统拓扑图。热网含有12个节点，其中包括三个热源：节点2与节点3上为chp供热，节点1根据算例的不同可选为电锅炉或者chp，热源的出口温度设定为70℃。电网含有8个节点，节点2与节点3以chp作为电源，节点1根据算例的不同可选为电锅炉作为负荷或者chp作为电源。选取节点1作为热网的平衡节点，节点2作为电网的平衡节点。

算例1：

设节点1的耦合组件为chp。节点1、2的热电功率比分别为c1和c2。取c1＝1.43，c2＝1.20，根据式(13)有γ＝0.84。另外已知如下条件：热负荷总功率为2,164kwth，节点3的热功率为400kwth，经过一次热网潮流计算得到为70.65kwth；电负荷总功率为1,600kwe，节点3的电功率为300kwe。经过一次电网潮流计算得到为49.64kwe。

设置收敛精度ε＝0.01kwth，图6分别展示了功率守恒法和常规解耦法的φh_slack和pe_slack收敛过程。由图可见，功率守恒法的收敛速度明显快于常规解耦法。

图7在三种收敛精度下对两种方法的潮流计算次数进行了比较。为进一步说明|γ|对于收敛速度的影响，图中还仿真了|γ|＝0.94的情况。由图可见，常规解耦法的计算次数明显大于功率守恒法，且|γ|越接近1其收敛速度越慢。

算例2：

本算例中取c1＝1.60，c2＝1.40。其余条件同算例1。此时γ＝0.88。

在仅完成一次热网和电网潮流计算后(目的是得到热损和电损的初值)，利用功率守恒法可得到φh_slack＝-438.76kwth，这表明在这组耦合组件参数下，热电联合潮流无可行解。

下面对c1、c2进行可行域估计。此时参数c1、c2为变量，φh_slack、pe_slack可表示为c1、c2的函数。chp1为热网平衡节点，运行方式为以热定电。chp2为电网平衡节点，运行方式为以电定热。因此若使联合潮流可行，φh_slack、pe_slack需大于0：

得到c1、c2的可行域如图8(a)所示。

同时，chp的运行功率有上下限，则可将约束条件进一步写为：

得到c1、c2的可行域如图8(b)所示。

算例3：

在本算例中，将节点1的耦合组件改为电锅炉。

已知条件如下：热负荷总功率为2,164kwth，节点3的热功率为400kwth，经过一次热网潮流计算得到为70.61kwth；除节点1之外电负荷总功率为540kwe，节点3的电功率为300kwe，经过一次电网潮流计算得到为49.20kwe。

取c1＝0.77，c2＝-0.80。根据式(12)有γ＝c2/c1＝-1.04。由于|γ|>1，常规解耦法将发散。图9的仿真结果验证了上述结论。

采用本文提出的功率守恒法则可以解决常规解耦法的发散问题。按照图4的流程进行计算，设置收敛精度ε＝0.01kwth。经过四次迭代后联合潮流收敛，得到解为φh_slack＝717.07kwth，pe_slack＝859.66kwe。经验证此结果符合单独的热网、电网潮流与耦合组件热电比，为整个系统的可行解。

本发明的功率守恒法是改进的常规解耦法，其使用递推式描述迭代过程。基于递推式可以一步求解热电联合潮流，代替了常规解耦法繁琐的解耦过程，也解决了常规解耦法发散的问题。经算例验证，功率守恒法是一种快速、可靠的联合潮流求解方法。同时，功率守恒法可以快速判断耦合组件参数是否可行，进一步应用则可以规划耦合组件参数的可行域。