一种电热综合能源系统可行域构建方法与流程

[0001]
本发明涉及电热能源系统领域，具体涉及一种电热综合能源系统可行域构建方法。


背景技术：

[0002]
社会经济的持续发展和能源利用技术的长久变革促进了多能源交叉集成技术的深度融合。电热综合能源系统通过能源梯次利用和多能协调优化而具有低碳排、高能效等特点，已逐渐发展为能源技术发展的一种重要物理形式载体，其相关的技术研究已成为当前的研究热点。
[0003]
诸如电热联产机组、电锅炉和电热泵等耦合设备的广泛应用促进了电网和热网之间的深度耦合，有助于提高系统运行的灵活性和调节能力，但也为电热综合能源系统的在线控制、规划调度等方面带来难度。


技术实现要素：

[0004]
针对现有技术的不足，本发明提出了一种电热综合能源系统可行域构建方法。
[0005]
本发明的目的可以通过以下技术方案实现：
[0006]
一种电热综合能源系统可行域构建方法，包括以下步骤：
[0007]
步骤10：基于差分格式的热力系统动态模型与拓扑特征，建立适用于质调节的热网等值端口模型；
[0008]
步骤20：结合初始条件的分布特征，建立端口式的热网时序动态模型；
[0009]
步骤30：结合所述电热综合能源系统的运行条件的约束，建立所述电热综合能源系统可行域。
[0010]
进一步地，所述步骤1包括以下步骤：
[0011]
根据差分式热网动态模型，建立矩阵式管道温度分布方程；
[0012]
根据隐式差分格式将所述管道温度分布方程矩阵化；
[0013]
构建节点温度关于管道初始/边界条件的解析式；
[0014]
结合所述矩阵化的管道温度分布方程和节点温度混合方程，构造动态热网端口等值模型。
[0015]
进一步地，所述步骤20包括：
[0016]
步骤201：表征管道边界条件，
[0017]
步骤202：推导时序的端口式热网动态模型，
[0018]
步骤203：根据动态热网的等值端口模型，求解相邻时刻下热网的状态分布规律。
[0019]
进一步地，所述步骤201中的管道边界条件可表示为：
[0020][0021]
式中，n为时间上的分段总数。
[0022]
步骤202：根据式(12)，进而推导时序的端口式热网动态模型；将式(12)代入式
(11)，可得到相邻时刻下热网的状态分布规律：
[0023][0024]
n表示向后的时间步长，将式(13)应用至任意k时刻和k+n时刻，时序的端口式热网动态模型可表示为：
[0025][0026]
进一步地，所述步骤3中的所述约束包括：热网拓扑约束、运行约束、负荷需求约束、电网运行约束与热电耦合约束。
[0027]
进一步地，所述步骤3中，根据热网拓扑约束、运行约束、负荷约束和机组运行特性约束，构建热网运行可行域；热网运行可行域可表示为：
[0028][0029]
式中，d
chp
表示耦合机组的流出流量，和分别表示机组流出流量的上下限；和分别表示耦合机组的供水/回水温度，和分别表示耦合机组供水温度的上下限，和分别表示耦合机组回水温度的上下限；t
s,ld,max
和t
s,ld,min
分别表示供水网中负荷供水温度的上下限；t
r,sr
表示回水网中热源的回水温度；f
s/r
(t
gd
,t
bd
)分别为式(14)应用于供水网和回水网中的表达式。
[0030]
进一步地，步骤3中，所述电网可行域可表示为：
[0031][0032]
式中，p
chp
表示耦合机组的电功率输出；c
e
表示耦合机组的电功率输出上限；v表示节点电压幅值，v
max
和v
min
分别表示节点电压幅值的上下限；θ表示节点电压相角；表示根据经典交流潮流方程获取的耦合机组电功率与节点电压相角的关系；
[0033]
结合电热耦合约束，建立电热综合能源系统可行域ω
chp
，可表示为：
[0034][0035]
式中，表示电热耦合约束，根据不同的机组运行特性可表示为不同的方程组。
[0036]
本发明的有益效果：
[0037]
本发明实施例提供的一种基于等值端口模型的电热综合能源系统可行域构建方法，该方法直观的描述了任意两个时刻之间的热网系统的状态分布与演变规律，可精确描
述热网系统的动态过程，避免了多时间断面下的递推过程；通过将系统状态分布描述为外部输入的线性函数，建立了输出量-输入量的数值联系，从而可根据输出量的数值区间计算所需的输入量区间，是一种准确的模型等值，可用于精确刻画机组的运行边界；由于考虑了运行约束和拓扑约束并且避免了热网中节点-温度的交替求解，可直观刻画机组的有效可行域。
附图说明
[0038]
下面结合附图对本发明作进一步的说明。
[0039]
图1为本申请的构建可行域方法的流程图；
[0040]
图2为本发明实施例中采用的热力系统结构图；
[0041]
图3为本发明实施例中机组温度可行域的时序变化过程；
[0042]
图4为本发明实施例中机组出力的有效可行域。
具体实施方式
[0043]
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作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
[0044]
在本申请的一个示例中，提出了一种电热综合能源系统可行域构建方法，该方法包括以下步骤：
[0045]
步骤10：基于差分格式的热力系统动态模型与拓扑特征，建立适用于质调节的热网等值端口模型；
[0046]
步骤20：结合初始条件的分布特征，建立端口式的热网时序动态模型；
[0047]
步骤30：结合所述电热综合能源系统的运行条件的约束，建立所述电热综合能源系统可行域。
[0048]
具体地说，所述的步骤10包括以下步骤：
[0049]
步骤101：根据差分式热网动态模型，建立矩阵式管道温度分布格式。差分式热网可表示为：
[0050][0051][0052]
式中，式中，μ
1-4
表示不同温度分量的系数项；α和β为便于描述构建的系数项；τ和h分别为差分的时空步长；k代表差分的时间步，i表示差分的空间步；m为管道质量流量，v为管道流速，λ为管道导热系数；t
a
为环境温度；c
ρ
为工质比热容；t为管道温度；
[0053]
步骤102：根据隐式差分格式将式(1)矩阵化，可得到动态模型的矩阵表达式：
[0054][0055][0056]
式中，和分别表示k+1时刻和k时刻分段的管道温度向量；m表示管道的空间分段数；表示k时刻管道上各个分段点对应的温度；u和v分别表示为式(2)构成的常系数下三角矩阵；χ和γ分别表示用于刻画管道温度的边界条件的向量。χ用于刻画已知的边界条件集，其中χ
i
＝μ
4
t
a
(1≤i≤m)，对于已知边界条件的管道，χ
0
等于该管道的边界条件，否则χ
0
等于0；γ用于刻画未知的边界条件集，假设a
m
为修正的分段式节点温度-管道起始温度关联矩阵，γ可表示为：
[0057][0058]
式中，为k+1时刻的非源节点温度。
[0059]
步骤103：基于构建基于动态模型的节点温度混合方程，从而构建节点温度关于管道初始/边界条件的解析式。节点温度混合方程可表示为：
[0060][0061][0062][0063]
式中，m
out
为节点净流出流量矩阵，m
out,sr
和m
out,ns
分别为源节点和非源节点的流出流量分量；和分别为k+1时刻源节点和非源节点的温度；分别为节点流入矩阵的不同分量；表示给定边界条件的管道分段的供水温度向量，表示未给定边界条件的管道分段的温度向量；表示分段的节点和流入管道关联矩阵；m
’
表示分段的管道流量。
[0064]
步骤104：结合矩阵式管道温度分布方程和节点温度混合方程，构造动态热网端口等值模型。将管道温度分为已知的边界/初始条件和待求量，式(2)可重写为：
[0065][0066][0067]
式中，和分别为k+1时刻χ中对应于边界条件和待求量的分量；和分别为k+1时刻γ中对应于边界条件和待求量的分量；h和d分别为根据常系数矩阵uv计算
得到地常系数矩阵；h
11/12/21/22
和d
11/12/21/22
分别为h和d中的对应元素；a
m,gd
为关联矩阵a
m
中待求量的对应行。
[0068]
将式(5)和式(10)代入式(9)可得到动态热网的等值端口模型，如下所示：
[0069][0070]
式中，和分别表示k时刻分段的管道温度中已知的边界条件和待求的未知量；w
1-5
为各分量对应的系数矩阵；e为单位矩阵。
[0071]
所述的步骤20包括：
[0072]
步骤201：对于单一的外部输入在一段时间内总是保持不变的特性，在计算时间内可认为边界条件总保持恒定，从而表达管道边界条件的时序分布状态。任意时刻的管道边界条件可表示为：
[0073][0074]
式中，n为时间上的分段总数。
[0075]
步骤202：根据式(12)，进而推导时序的端口式热网动态模型。将式(12)代入式(11)，可得到相邻时刻下热网的状态分布规律
[0076][0077]
假设n表示向后的时间步长，将式(13)应用至任意k时刻和k+n时刻，时序的端口式热网动态模型可表示为
[0078][0079]
所述步骤30包括：
[0080]
步骤301：根据热网拓扑约束、运行约束、负荷约束和机组运行特性约束，构建热网运行可行域。热网运行可行域可表示为：
[0081][0082]
式中，d
chp
表示耦合机组的流出流量，和分别表示机组流出流量的上下限；和分别表示耦合机组的供水/回水温度，和分别表示耦合机组供水
温度的上下限，和分别表示耦合机组回水温度的上下限；t
s,ld,max
和t
s,ld,min
分别表示供水网中负荷供水温度的上下限；t
r,sr
表示回水网中热源的回水温度；f
s/r
(t
gd
,t
bd
)分别为式(14)应用于供水网和回水网中的表达式。
[0083]
步骤302：根据电网运行约束，机组特性约束，建立电网可行域。电网可行域可表示为：
[0084][0085]
式中，p
chp
表示耦合机组的电功率输出；c
e
表示耦合机组的电功率输出上限；v表示节点电压幅值，v
max
和v
min
分别表示节点电压幅值的上下限；θ表示节点电压相角；表示根据经典交流潮流方程获取的耦合机组电功率与节点电压相角的关系。
[0086]
步骤303：结合电热耦合约束，建立电热综合能源系统可行域ω
chp
，可表示为：
[0087][0088]
式中，表示电热耦合约束，根据不同的机组运行特性可表示为不同的方程组。
[0089]
综上所述，本发明实施例提供的一种基于等值端口模型的电热综合能源系统可行域构建方法，该方法直观的描述了任意两个时刻之间的热网系统的状态分布与演变规律，可精确描述热网系统的动态过程，避免了多时间断面下的递推过程；通过将系统状态分布描述为外部输入的线性函数，建立了输出量-输入量的数值联系，从而可根据输出量的数值区间计算所需的输入量区间，是一种准确的模型等值，可用于精确刻画机组的运行边界；由于考虑了运行约束和拓扑约束并且避免了热网中节点-温度的交替求解，可直观刻画机组的有效可行域。
[0090]
在本发明的另一实施例中，以图3所示的热力系统为例，采用上述示例的方法构建可行域。该热力系统中，每根管道分50端，时间步长为40；负荷处供水温度上下限分别为70℃和85℃，回水温度上下限分别为40℃和50℃；热源处供水温度上下限分别为70℃和90℃，回水温度上下限分别为35℃和55℃；环境温度为-10℃，机组电功率和热功率输出的上限均为40mw，系统的管道参数如下表1所示。
[0091]
表1热力系统参数
[0092]
编号首节点尾结点管长/米管径/米导热系数粗糙度流量/kg/s11235000.50.30.0005220.27722317500.50.30.0005151.46233417500.30.30.000582.68342517500.30.30.000568.8155367500.30.30.000568.779
[0093]
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合
适的方式结合。
[0094]
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。