一种可调节电储热锅炉的电网负荷模型的制作方法

本发明属于电网运行与控制技术领域，涉及一种电网负荷模型，尤其涉及一种可调节电储热锅炉的电网负荷模型。

背景技术

新能源电动汽车的广泛使用，将使电网的负荷构成发生变化；以电代煤，大容量电力取暖和供热，使得常规负荷的构成和特性也发生了根本变化；加之大容量储能的应用，各种经济激励措施、电价措施的使用，负荷的外特性进一步发生变化。伴随而来的，是电网负荷的整体特性发生了较大的变化，负荷的随机性和弹性进一步加大，必须采取有效措施，充分挖掘负荷的可调节和可调度能力，实现配电网的协同调度。

电力系统的负荷受到多种外界因素的影响，为且其自身具有随时间不断变化的特点，具有连续性、周期性和不可控制性等特点。因此，掌握用户的用电特点和行为习惯，可以有效的应用于系统的安全评估和运行规划中，对电力系统而言具有重大的意义。使能够使得电力的经济效益达到最大得同时，让用户更加充分的利用好每一度电能，使得资源得到最优化的利用。这不仅有利于电能的合理利用，同时，对环境和一次能源也是一种高效的利用。根据电力系统负荷的特点和性质，可以描述出电力系统的负荷特性曲线，不同行业的划分将导致不同的负荷特性曲线。

电力系统的目标是连续的为众多用户提供优良可靠的电能，满足各种用户的用电需求。传统意义的负荷指的是电网(变电站)所担负的工作负荷。但对于用电客户而言，负荷指的是用户的所有用电设备在电网中连续消耗的功率的和。本设计提出的负荷模型，可以实现削峰填谷，符合电网运行需要的负荷特性，同时该负荷模型可用于电力系统分析的计算中，对实现电网调度运行的经济性具有重要意义。

技术实现要素：

本发明就是针对现有技术存在的缺陷，提供一种可调节电储热锅炉的电网负荷模型，其提出的负荷模型，可以实现削峰填谷，符合电网运行需要的负荷特性，同时该负荷模型可用于电力系统分析的计算中，对实现电网调度运行的经济性具有重要意义。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案，包括：

步骤1、考虑电储热锅炉中的电负荷、热负荷，电与热及热与热之间的转换，及储热罐的体积，流入和流出介质的流量、温度因素，建立可调节电储热锅炉的详细能量转换数学模型；

步骤2、简化步骤1中可调节电储热锅炉的详细能量转换数学模型，建立用于电力系统分析计算用的可调节电储热锅炉的电网负荷模型。

作为本发明的一种优选方案，所述步骤1中，包括：

步骤1.1、计算电储热锅炉的储热罐的储热负荷；

步骤1.2、根据储热罐的储热负荷，计算出储热罐的最大储热量；

步骤1.3、根据步骤1.1中的储热负荷，结合储热罐注入热水的流量和流出热水的流量，计算出供热负荷，再根据供热输出时段与供热负荷的关系，计算出储热罐的供热功率。

作为本发明的另一种优选方案，电储热锅炉为在电力低谷期间,以水为介质将电锅炉产生的热量储存在蓄热装置中,适时供应给用热设备的系统在用电高峰时段就可以不开或者少开电锅炉,从而减少高峰时段用电量,起到移峰填谷的作用；

电储热锅炉为可调节电储热锅炉，该可调节电储热锅炉的电网负荷与介质比热、密度、体积等参数有关，其中介质高度可测，当量温度可控。电储热锅炉通过控制介质高度和当量温度，来调节电储热锅炉的电网负荷。

作为本发明的另一种优选方案，在建立可调节电储热锅炉的详细能量转换数学模型中，计算储热罐的储热量，过程包括：

根据热力学定律计算式有：

qt＝c×mt×δt(1)

其中：

q：代表储热罐储热负荷；

c：代表储热介质的比热；

m：代表储热介质的质量；

δt：代表导致热负荷变化的温度差；

t：代表某一时间段；

储热介质的质量与储热罐的体积密切相关；假定储热罐为规则形状，若储热罐的底面积为s，在t时刻储热罐中水位液面高度为h，在t时刻储热罐中水的当量温度为tt，参考温度为t0，则

mt＝ρ·s·h(2)

δt＝tt-t0(3)

将(2)，(3)代入(1)中可得

qt＝c·ρ·s·h·δt(4)

假定储热罐内水温度按梯度形式分布，从上至下传感器依次为tt¹、tt²、tt³、ttⁿ，则(4)式可变为

整理后，得

比较(4)式与(6)式，定义t时刻储热罐中水的当量温度

则有：

qt＝c·ρ·s·h·δtt

其中：

qt：代表储热罐储热负荷；

c：代表储热介质的比热；

ρ：代表储热介质的密度；

s：代表储热罐的底面积s；

h：代表在t时刻储热罐中水位液面高度为h；

δtt：代表某一时间段导致热负荷变化的温度差。

作为本发明的另一种优选方案，在建立可调节电储热锅炉的详细能量转换数学模型中，计算储热罐的最大储热量；

由于储热罐中水的比热，密度，底面积在储热和供热过程中不变化，在储热罐中水位液面达到最大值，储热罐中计算水温达到最大值，过程包括：

测得储热罐中水量盛满装置时水液面高度hmax；

测得储热罐中水全部为热水且各层温度一致为最大值时的温度值tmax，t0为参考温度；

将数据导入如下公式中，得到最大储热量：

qmax＝c·ρ·s·hmax·(tmax-t0)(8)

作为本发明的另一种优选方案，在建立可调节电储热锅炉的详细能量转换数学模型中，计算储热罐的供热功率包括：

根据功率与能量的计算式

p·t＝q(9)

其中：

p：储热罐的供热功率；

t：储热罐的供热功率输出时段；

q：储热罐的供热负荷；

储热罐在t时段的供热功率pg(t)可由下式计算得到

pg(t)·δt＝qout(t)-qin(t)(10)

其中，qout(t)、qin(t)分别为储热罐在t时刻的流出热负荷和注入热负荷

假定在t时刻储热罐注出口和流入口的流量分别为gout(t)、gin(t)，单位一般按kg/h，水流速度分别为vin(t)、vout(t)，管直径分别为din、dout，则有

根据热水流速与流量的关系式

将(5)式分别代入(11)、(12)式，得到

将(11)、(12)式代入(10)式，可得

其中：

pg(t)：代表储热罐在t时段的供热功率；

c：代表储热介质的比热；

gout(t)、gin(t)：分别代表在t时刻储热罐流出口和注入口的流量，单位一般按kg/h；

tout(t)：代表注入热负荷的温度；

tin(t)：代表流出热负荷的温度；

t0：代表参考温度。

作为本发明的另一种优选方案，步骤2中，简化可调节电储热锅炉的详细能量转换数学模型，建立用于电力系统分析计算用的可调节电储热锅炉的电网负荷模型，最终简化后的电网负荷模型为：

储热罐储热量为：

qt＝c·ρ·s·h·δtt

其中：

qt：代表储热罐储热负荷；

c：代表储热介质的比热；

ρ：代表储热介质的密度；

s：代表储热罐的底面积s；

h：代表在t时刻蓄热罐中水位液面高度为h；

δtt：代表某一时间段导致热负荷变化的温度差；

储热罐的最大储热量为；

qt＝c×mt×δt

其中：

qt：代表某一时间段储热罐储热负荷；

c：代表储热介质的比热；

mt：代表某一时间段储热介质的质量；

δt：代表导致热负荷变化的温度差；

储热罐的供热功率为：

其中：

pg(t)：代表储热罐在t时段的供热功率；

c：代表储热介质的比热；

gout(t)、gin(t)：分别代表在t时刻储热罐流出口和注入口的流量，单位一般按kg/h；

tout(t)：代表注入热负荷的温度；

tin(t)：代表流出热负荷的温度；

t0：代表参考温度。

上述模型中，控制变量为储热罐的等值温度，储热罐注入口和流出口的流量，状态变量为储热罐的供热功率、供热负荷，供热温度由运行人员根据用户需求设定，储热罐水的体积可由即时监测系统得到，其余为常数。

与现有技术相比本发明有益效果。

1.一种可调节电储热锅炉的电网负荷模型，可以实现削峰填谷，符合电网运行需要的负荷特性。

2.一种可调节电储热锅炉的电网负荷模型可用于电力系统分析的计算中，对实现电网调度运行的经济性具有重要意义。

3.通过该负荷模型可以掌握用户的用电特点和行为习惯，可以有效的应用于系统的安全评估和运行规划中，对电力系统而言具有重大的意义。使能够使得电力的经济效益达到最大得同时，让用户更加充分的利用好每一度电能，使得资源得到最优化的利用。这不仅有利于电能的合理利用，同时，对环境和一次能源也是一种高效的利用。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。本发明保护范围不仅局限于以下内容的表述。

图1是本发明电网不加电储热锅炉负荷曲线。

图2是本发明电网加电储热锅炉负荷曲线。

具体实施方式

本发明一种可调节电储热锅炉的电网负荷模型的基本思想是：首先建立可调节电储热锅炉的详细能量转换数学模型，然后进一步简化，建立可调节电储热锅炉的电网负荷模型。

本发明给出的技术方案是：电储热锅炉是指在电力低谷期间,以水为介质将电锅炉产生的热量储存在蓄热装置中,适时供应给用热设备的系统。这样在用电高峰时段就可以不开或者少开电锅炉,从而减少高峰时段用电量。上述模型中，控制变量为储热罐的等值温度，储热罐注入口和流出口的流量，状态变量为储热罐的供热功率，供热负荷、供热温度由运行人员根据用户需求设定，蓄热罐水的体积可由即时监测系统得到，其余为常数。本文首先建立可调节电储热锅炉的详细能量转换数学模型，然后进一步简化，建立可调节电储热锅炉的电网负荷模型。该负荷模型可用于电力系统分析的计算中，对实现电网调度运行的经济性具有重要意义。

其包括以下步骤：

步骤1)考虑电储热锅炉中的电负荷、热负荷，电与热及热与热之间的转换等过程，还有储热罐的体积，流入和流出介质的流量、温度等诸多因素，建立可调节电储热锅炉的详细能量转换数学模型。

(1)蓄热负荷与介质比热、密度、体积等参数有关，其中介质高度可测，当量温度可控。电热锅炉控制系统正式通过控制当量温度，来实现蓄热负荷的控制，因此计算储热罐的储热负荷。

(2)由于蓄热罐中水的比热，密度，底面积在储热和供热过程中不变化，因此，在蓄热罐中水位液面达到最大值，蓄热罐中计算水温达到最大值，根据(1)中储热罐的储热负荷计算公式，计算出储热罐的最大储热量。

(3)根据(1)中储热负荷的计算公式，再结合储热罐注入热水的流量和流出热水的流量，可计算出供热负荷，最后根据供热输出时段与供热负荷的关系，计算出储热罐的供热功率。

步骤2)简化步骤1中可调节电储热锅炉的详细能量转换数学模型，建立用于电力系统分析计算用的可调节电储热锅炉的电网负荷模型。

具体地，电储热锅炉是指在电力低谷期间,以水为介质将电锅炉产生的热量储存在蓄热装置中,适时供应给用热设备的系统在用电高峰时段就可以不开或者少开电锅炉,从而减少高峰时段用电量,起到移峰填谷的作用。且可调节电储热锅炉的电网负荷与介质比热、密度、体积等参数有关，其中介质高度可测，当量温度可控。电储热锅炉通过控制介质高度和当量温度，来调节电储热锅炉的电网负荷。

优选地，考虑电储锅炉的电负荷、热负荷，电与热及热与热之间的转换等过程，还有储热罐的体积，流入和流出介质的流量、温度等诸多因素，建立电锅炉的详细能量转换数学模型。

优选地，在建立可调节电储热锅炉的详细能量转换数学模型中，要计算储热罐的储热量，过程如下：

根据热力学定律计算式有：

qt＝c×mt×δt(1)

其中：

q：代表储热罐储热负荷；

c：代表储热介质的比热；

m：代表储热介质的质量；

δt：代表导致热负荷变化的温度差；

t：代表某一时间段；

储热介质的质量与储热罐的体积密切相关。假定储热罐为规则形状，若储热罐的底面积为s，在t时刻储热罐中水位液面高度为h，在t时刻储热罐中水的当量温度为tt，参考温度为t0，则

mt＝ρ·s·h(2)

δt＝tt-t0(3)

将(2)，(3)代入(1)中可得

qt＝c·ρ·s·h·δt(4)

假定储热罐内水温度按梯度形式分布，从上至下传感器依次为tt¹、tt²、tt³、ttⁿ，则(4)式可变为

整理后，得

比较(4)式与(6)式，定义t时刻储热罐中水的当量温度

则有：

qt＝c·ρ·s·h·δtt

其中：

qt：代表储热罐储热负荷；

c：代表储热介质的比热；

ρ：代表储热介质的密度；

s：代表储热罐的底面积s；

h：代表在t时刻储热罐中水位液面高度为h；

δtt：代表某一时间段导致热负荷变化的温度差。

优选地，在建立可调节电储热锅炉的详细能量转换数学模型中，要计算储热罐的最大储热量，过程如下：

由于储热罐中水的比热，密度，底面积在储热和供热过程中不变化，因此，根据，在储热罐中水位液面达到最大值，储热罐中计算水温达到最大值，过程如下：

(1)测得储热罐中水量盛满装置时水液面高度hmax；

(2)测得储热罐中水全部为热水且各层温度一致为最大值时的温度值tmax，t0为参考温度；

(3)将数据导入如下公式中：

qmax＝c·ρ·s·hmax·(tmax-t0)(8)

优选地，在建立可调节电储热锅炉的详细能量转换数学模型中，要计算储热罐的供热功率，过程如下：

根据功率与能量的计算式

p·t＝q(9)

其中：

p：储热罐的供热功率

t：储热罐的供热功率输出时段

q：储热罐的供热负荷

储热罐在t时段的供热功率pg(t)可由下式计算得到

pg(t)·δt＝qout(t)-qin(t)(10)

其中，qout(t)、qin(t)分别为储热罐在t时刻的流出热负荷和注入热负荷

假定在t时刻储热罐注出口和流入口的流量分别为gout(t)、gin(t)，单位一般按kg/h，水流速度分别为vin(t)、vout(t)，管直径分别为din、dout，则有

根据热水流速与流量的关系式

将(5)式分别代入(11)、(12)式，得到

将(11)、(12)式代入(10)式，可得

其中：

pg(t)：代表储热罐在t时段的供热功率；

c：代表储热介质的比热；

gout(t)、gin(t)：分别代表在t时刻储热罐流出口和注入口的流量，单位一般按kg/h；

tout(t)：代表注入热负荷的温度；

tin(t)：代表流出热负荷的温度；

t0：代表参考温度。

优选地，简化可调节电储热锅炉的详细能量转换数学模型，建立用于电力系统分析计算用的可调节电储热锅炉的电网负荷模型，最终简化后的电网负荷模型为

a.储热罐储热量：

qt＝c·ρ·s·h·δtt

其中：

qt：代表储热罐储热负荷；

c：代表储热介质的比热；

ρ：代表储热介质的密度；

s：代表储热罐的底面积s；

h：代表在t时刻蓄热罐中水位液面高度为h；

δtt：代表某一时间段导致热负荷变化的温度差；

b.储热罐的最大储热量；

qt＝c×mt×δt

其中：

qt：代表某一时间段储热罐储热负荷；

c：代表储热介质的比热；

mt：代表某一时间段储热介质的质量；

δt：代表导致热负荷变化的温度差；

c.储热罐的供热功率：

其中：

pg(t)：代表储热罐在t时段的供热功率；

c：代表储热介质的比热；

gout(t)、gin(t)：分别代表在t时刻储热罐流出口和注入口的流量，单位一般按kg/h；

tout(t)：代表注入热负荷的温度；

tin(t)：代表流出热负荷的温度；

t0：代表参考温度。

优选地，上述模型中，控制变量为储热罐的等值温度，储热罐注入口和流出口的流量，状态变量为储热罐的供热功率、供热负荷，供热温度由运行人员根据用户需求设定，储热罐水的体积可由即时监测系统得到，其余为常数。

举例来说：采用ieee10机36节点系统进行计算分析，在ieee-36节点标准算例基础上添加了1个可调节电储热锅炉，电储热容量为6mwh。

如图1为案例电网不加电储热锅炉负荷曲线，图2为案例电网加电储热锅炉负荷曲线。如图1-2所示，储热的电供热系统提高削峰填谷的效果来自两个方面，一是电储热锅炉增加了用电负荷，二是储热增加了系统调节能力。假设在系统中用电储热锅炉取代一部分原来的燃煤锅炉供热，则用电负荷增加了一部分电储热负荷，反之当供热网功率保持恒定时，利用储热装置供热时，等同于削减了电供热负荷，并且减少燃煤机组的煤耗量。因此该可调节电储热锅炉的电网负荷模型在电网中应用可以带来很大经济效益。

可以理解的是，以上关于本发明的具体描述，仅用于说明本发明而并非受限于本发明实施例所描述的技术方案，本领域的普通技术人员应当理解，仍然可以对本发明进行修改或等同替换，以达到相同的技术效果；只要满足使用需要，都在本发明的保护范围之内。