一种并网运行电热互联综合能源系统潮流计算方法与流程

本发明涉及一种并网运行电热互联综合能源系统潮流计算方法，属于多能互补综合能源系统领域。

背景技术：

电力系统与热力系统是重要的能源供应系统，传统意义上二者基本相互独立，由不同单位和部门独立规划、运行和管理。电力系统与热力系统的互联可以释放综合能源系统的潜在效益，从而为改变能源利用模式推动经济与社会可持续发展带来新机遇。面对当今社会能源结构调整，节能减排压力不断增加的新形势，电热互联综合能源系统应运而生。随着热电联产(combinedheatandpower,chp)机组、热泵、循环泵等耦合元件的应用，电力系统与热力系统间的耦合和互动增强，系统的整体建模和综合分析日益重要。

电力系统潮流分析与计算可以有效反映系统的实时运行状况，是电力系统中最基本的电气计算，但是针对电热互联综合能源系统的潮流计算相对缺乏。chp机组可利用燃气的高品位能量发电，低品位能量供热供冷，用能效率可达80％以上，是现今综合能源系统中最具商业前景的一种运营模式。此外，含有风/光/储的多能互补系统，也往往作为一种常用手段，平抑可再生能源发电的功率波动。而对于这类问题的研究，潮流计算是需要考虑的最基本问题之一，电热互联综合能源系统的潮流计算是后续规划和运行的理论基础。

技术实现要素：

发明目的：本发明的目的在于解决现有电热互联综合能源系统的潮流计算相对缺乏的问题。

技术方案：为实现上述技术目的，本发明通过以下技术方案实现：

一种并网运行电热互联综合能源系统潮流计算方法，包括以下步骤：

步骤1：建立耦合元件模型，包括：chp机组模型、热泵模型、循环泵模型；

步骤2：把电力系统和热力系统纳入统一的分析决策体系，建立电热互联综合能源系统模型，电热互联综合能源系统模型包括电力系统模型、热力系统水力模型和热力模型；

步骤3：采用牛顿-拉夫逊法计算并网运行的电热互联综合能源系统的潮流，分析耦合元件对电热互联综合能源系统潮流的影响；

进一步地，所述步骤1具体包括以下步骤：

步骤101：依据chp机组热电比是否变化，可分为定热电比和变热电比两种类型，表达式如下：

式中：和cm分别为定热电比chp机组的电出力、热出力和定热电比；和cz分别为变热电比chp机组的电出力、热出力和变热电比；ηe为变热电比chp机组的冷凝效率；fin为燃料输入速率；其中，cm为一恒定值，而cz为一个变化的值，但是在实际某个时段内，cz保持不变；

步骤102：建立热泵模型，热泵的电热转换效率为：

式中：ηhp为热泵电热转换效率；php和hhp分别为热泵消耗的有功功率和相应的热出力。

热泵与chp机组串联改善系统热出力；其中，γ为热泵消耗的有功功率占chp机组电出力的百分数；psource和hsource分别为热泵与chp机组联合系统的电、热出力；

步骤103：建立循环泵模型，循环泵消耗有功功率使热力系统中的水不断地循环；循环泵消耗的有功功率pp为：

pp＝mpghp/10⁶ηp(4)

式中：mp为流过循环泵的流量；g为重力加速度；hp为网络的压头损失；ηp为循环泵的效率。

进一步地，所述步骤2具体包括以下步骤：

步骤201：建立电力系统模型，其节点的功率表达式如下：

式中：p、q为节点的有功功率和无功功率；y为节点导纳矩阵；u&为节点电压相量；

步骤202：热网水力模型可以由流量连续性方程、回路压头方程和压头损失方程来描述，即：

ahm＝mq(6)

bhhf＝0(7)

hf＝km|m|(8)

式中：ah为热网节点-支路网络关联矩阵；m为热网管道流量；mq为注入节点的流量；bh为热网回路-支路环路关联矩阵；hf为由管道摩擦造成的压头损失；k为管道的阻力系数，在很大程度上取决于管道的直径；

步骤203：热力模型的求解主要涉及供热温度ts、输出温度t0和回热温度tr，供热温度ts表示热水注入节点之前的温度，输出温度t0表示热水流出节点时的温度，回热温度tr表示热水流出节点并与其他管道的热水混合汇入回收管道之后的温度；热网热力模型可以由节点热量方程、管道温度降落方程和节点混合温度方程来描述，即：

h＝cpmq(ts-t0)(9)

(∑mout)tout＝∑(mintin)(11)

式中：h为热负荷消耗或热源提供的热量；cp为水的比热容；tstart和tend分别为管道起点和终点热水的温度；ta为环境温度；λ为管道的热传导系数；l为管道长度；mout和min分别为流出和注入节点的流量；tout和tin分别为流出和注入节点的热水的温度。

进一步地，所述步骤3中，采用牛顿-拉夫逊法电热互联综合能源系统潮流计算基于电力系统潮流方程(5)和热力系统水力-热力方程(6)～(11)，并计入系统间能量的流动(1)～(4)；电热互联综合能源系统潮流计算的牛顿-拉夫逊法迭代形式和修正方程如下：

xⁱ⁺¹＝xⁱ-j^-1δf(12)

式中：i是迭代次数；f为输入变量；x为状态变量；θ和v分别为电力系统节点电压的幅值和相角构成的矩阵；m和t分别为热力系统管道流量和节点温度(供热温度和回热温度)构成的矩阵；j为雅克比矩阵，由电力子阵je，电热子阵jeh，热电子阵jhe，热力子阵jhe组成：

进一步地，所述步骤3中，分析耦合元件对电热互联综合能源系统潮流分布的影响；

在实际电热互联综合能源系统运行中，步骤一耦合元件有以下三种不同耦合方式：

耦合方式一：仅chp机组，即电力系统与热力系统仅通过热电联产机组互联；

耦合方式二：chp机组和循环泵，即在耦合方式一的基础上，计入与热电联产机组相连的循环泵。

耦合方式三：chp机组、循环泵和热泵，即在耦合方式二的基础上，热泵与热电联产机组串联构成联合系统为电热互联综合能源系统供电供热；

采用牛顿-拉夫逊法计算上述三种耦合方式下系统的潮流分布，分析耦合元件对电热互联综合能源系统潮流分布的影响。

有益效果：与已有技术相比，本发明的有益效果为：

1)本发明将电力系统和热力系统纳入统一的分析决策体系，建立了电热互联综合能源系统模型。电力系统与热力系统是重要的能源供应系统，系统的互联可以释放综合能源系统的潜在效益，在电热互联综合能源系统中，电力系统和天然气系统相互影响相互制约，单独的电力系统或热力系统分析已经难以适用，系统的整体建模为后续综合分析提供了可能。

2)本发明通过牛顿-拉夫逊法潮流计算分析耦合元件对电热互联综合能源系统潮流的影响。电热互联综合能源系统的潮流计算将为后续的规划、分析、运行奠定理论基础，耦合元件分析有助于挖掘综合能源系统潜力，对于提高电热能源供应系统的灵活性，促进间歇性可再生能源的一体化具有重要意义。

附图说明

图1为本发明chp机组的电热特性；

图2为本发明热泵与chp机组联合系统的电热特性；

图3为本发明的算法流程图；

图4为本发明测试算例拓扑结构图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案作进一步说明。

一种并网运行电热互联综合能源系统潮流计算方法，包括以下步骤：

步骤1：研究电力系统与热力系统之间的耦合和互动机理，建立耦合元件模型，包括：chp机组模型、热泵模型、循环泵模型。

步骤2：把电力系统和热力系统纳入统一的分析决策体系，建立电热互联综合能源系统模型，包括：电力系统模型、热力系统水力模型和热力模型；

步骤3：牛顿-拉夫逊法计算并网运行的电热互联综合能源系统的潮流，分析耦合元件对电热互联综合能源系统潮流的影响。

步骤1具体包括以下步骤：

步骤101：chp机组利用燃气的高品位能量发电，低品位能量供热供冷，用能效率可达80％以上。图1为chp机组的电热特性，依据其热电比是否变化，可分为定热电比(如燃气轮机、往复式内燃机)和变热电比(如抽气式汽轮机)两种类型，表达式如下：

式中：和cm分别为定热电比chp机组的电出力、热出力和定热电比；和cz分别为变热电比chp机组的电出力、热出力和变热电比；ηe为变热电比chp机组的冷凝效率；fin为燃料输入速率。其中，cm为一恒定值，而cz为一个变化的值，但是在实际某个时段内，cz保持不变。

步骤102：热泵是一种利用高位能使热量从低位热源流向高位热源的节能装置，电热转换效率为：

式中：ηhp为热泵电热转换效率；php和hhp分别为热泵消耗的有功功率和相应的热出力。

热泵常与chp机组串联改善系统热出力，如图2所示。其中，γ为热泵消耗的有功功率占chp机组电出力的百分数；psource和hsource分别为热泵与chp机组联合系统的电、热出力。

步骤103：循环泵消耗有功功率使热力系统中的水不断地循环。循环泵一般位于热电厂，用于维持供热管网和回热管网之间的压差，循环泵消耗的有功功率pp为：

pp＝mpghp/10⁶ηp(4)

式中：mp为流过循环泵的流量；g为重力加速度；hp为网络的压头损失；ηp为循环泵的效率。

步骤2具体包括以下步骤：

步骤201：电力系统模型用经典的交流潮流模型描述，其节点的功率表达式如下：

式中：p、q为节点的有功功率和无功功率；y为节点导纳矩阵；u&为节点电压相量。

步骤202：热力系统中水力模型用于确定管道流量。水力模型与电力系统模型存在很多相似之处，表1类比电力系统与热力系统基本定律。

表1电力系统与热力系统基本定律类比

热网水力模型可以由流量连续性方程、回路压头方程和压头损失方程来描述，即：

ahm＝mq(6)

bhhf＝0(7)

hf＝km|m|(8)

式中：ah为热网节点-支路网络关联矩阵；m为热网管道流量；mq为注入节点的流量；bh为热网回路-支路环路关联矩阵；hf为由管道摩擦造成的压头损失；k为管道的阻力系数，在很大程度上取决于管道的直径。

步骤203：热力模型的求解主要涉及以下三种温度，供热温度ts表示热水注入节点之前的温度，输出温度t0表示热水流出节点时的温度，回热温度tr表示热水流出节点并与其他管道的热水混合汇入回收管道之后的温度。热网热力模型可以由节点热量方程、管道温度降落方程和节点混合温度方程来描述，即：

h＝cpmq(ts-t0)(9)

(∑mout)tout＝∑(mintin)(11)

式中：h为热负荷消耗或热源提供的热量；cp为水的比热容；tstart和tend分别为管道起点和终点热水的温度；ta为环境温度；λ为管道的热传导系数；l为管道长度；mout和min分别为流出和注入节点的流量；tout和tin分别为流出和注入节点的热水的温度。

步骤3具体包括以下步骤：

步骤301：牛顿-拉夫逊法计算并网运行的电热互联综合能源系统的潮流。

牛顿-拉夫逊法电热互联综合能源系统潮流计算基于电力系统潮流方程(5)和热力系统水力-热力方程(6)～(11)，并计入系统间能量的流动(1)～(4)。图3为本发明的算法流程图。电热互联综合能源系统潮流计算的牛顿-拉夫逊法迭代形式和修正方程如下：

xⁱ⁺¹＝xⁱ-j^-1δf(12)

式中：i是迭代次数；f为输入变量；x为状态变量；θ和v分别为电力系统节点电压的幅值和相角构成的矩阵；m和t分别为热力系统管道流量和节点温度(供热温度和回热温度)构成的矩阵；j为雅克比矩阵，由电力子阵je，电热子阵jeh，热电子阵jhe，热力子阵jhe组成：

步骤302：分析耦合元件对电热互联综合能源系统潮流分布的影响。

在实际电热互联综合能源系统运行中，步骤一耦合元件有以下三种不同耦合方式：

(1)耦合方式一：仅chp机组，即电力系统与热力系统仅通过热电联产机组互联。

(2)耦合方式二：chp机组和循环泵，即在(1)的基础上，计入与热电联产机组相连的循环泵。

(3)耦合方式三：chp机组、循环泵和热泵，即在(2)的基础上，热泵与热电联产机组串联构成联合系统为电热互联综合能源系统供电供热，如图2所示。

采用步骤301牛顿-拉夫逊法计算上述三种耦合方式下系统的潮流分布，分析耦合元件对电热互联综合能源系统潮流分布的影响。

本发明测试算例为并网运行电热互联综合能源系统，系统拓扑结构如图3所示。该系统包含4个电网节点和3个热网节点，热力系统的供热网络和回收网络对称。电力系统中电网节点4为电网平衡节点，与外部大电网相连。热力系统中热网节点3为热网平衡节点，与电网节点3通过耦合元件相连。

采用本发明所提牛顿-拉夫逊法计算上述三种耦合方式下电热互联综合能源系统的潮流分布，计算结果如表2所示。

表2潮流计算结果

考虑到并网运行模式下，热力系统不受电力系统的影响。因此，不管是何种耦合方式，热力系统的潮流计算结果完全相同，因此只比较电力系统潮流计算结果和系统的有功损耗ploss/mw。这里的程序运行时间取100次计算时间的平均值。

系统运行于耦合方式一和耦合方式二的潮流计算结果相差在10^-2数量级，这表明循环泵对电力系统和热力系统相互作用的影响比较小。电网节点4注入有功功率p4为负的值，系统有功功率返送入大电网，此时该电热互联综合能源系统相当于大电网的电源。当该系统运行于耦合方式三时，热电联产机组40％的电出力用于驱动热泵，导致提供给电网负荷的电出力大幅减少，需要大电网额外补充部分有功功率，电网节点4注入有功功率p4为正的值。电力潮流的这种变化直接导致耦合方式三的电压相角发生降落。

上述仿真结果验证本文所提方法的可行性和有效性，电力系统和热力系统通过不同的耦合方式可灵活运行于多种模式，电热互联综合能源系统的潮流计算将为后续的规划、分析、运行奠定理论基础。