一种综合能源系统负荷安全域的生成方法与流程

本发明涉及一种综合能源系统负荷安全域的生成方法，属于综合能源系统安全分析技术领域。

背景技术：

近年来，综合能源系统的运用使能源使用效率不断提升，其中燃气机组也因其碳排放量少、动态响应快速、建设周期短，使其在冷热电三联供系统中运用比重逐步增加。随着综合能源系统的不断开发与推广，电力系统、天然气系统、热力系统、能量枢纽之间的的耦合性也不断增大。另一方面，电转气技术、储电技术、储热技术的发展也给各能量流的相互转化成为可能。电力系统、天然气系统、热力系统、能量枢纽之间的的耦合互联也促进新能源的大规模并网，具体表现在燃气轮机组利用其快速的动态响应特性，降低新能源出力的波动带来的影响。因此，综合能源系统是人类社会向低碳、可持续能源系统转变的必经之路。

然而，电力系统、天然气系统、热力系统、能量枢纽之间的深度耦合给综合能源安全运行带来了潜在的风险。例如8.15台湾地区大停电事件，该事件的根源在于：1)工作人员操作气阀失误，供气中断10分钟；2)电力系统、天然气系统、热力系统、能量枢纽之间的的深度耦合。由于燃气机组缺少了燃料供应，导致燃气机组跳机，又因为燃气轮机发电比重较大，大量电源的缺失导致大规模的停电事故。天然气加压站因为失去可靠电力供应，致使天然气网络输气能力进一步降低，即事故从气网蔓延至电网后，又反过来使气网进一步瘫痪，最终导致一场巨大停电事故。

事实上，当电力系统、天然气系统、热力系统、能量枢纽之间具有深度耦合性时，燃气轮机的发电比重不仅取决于自身装机容量，也取决于电力网、天然气网、热力网、能量枢纽的安全约束，而传统的电力系统静态安全域难以体现这点。

技术实现要素：

针对现今综合能源系统研究领域，本发明介绍了一种综合能源系统负荷安全域的生成方法，首先借助电力系统安全域，建立天然气系统、热力系统、能量枢纽安全域模型，再分析综合能源系统最大负荷潮流解的存在性及综合能源系统鞍结分岔特征，最后得到综合能源系统负荷安全域。

本发明采用如下技术方案：

一种综合能源系统负荷安全域的生成方法，该方法包括如下步骤：

步骤1：基于电力系统安全域，建立天然气系统、热力系统、能量枢纽安全域模型；

步骤2：分析综合能源系统最大负荷潮流解的存在性及综合能源系统鞍结分岔特征；

步骤3：根据综合能源系统中各分支系统安全域模型生成综合能源系统负荷安全域。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定；

图1是本发明分析流程图。

具体实施方式

本发明介绍了一种综合能源系统负荷安全域的生成方法。首先借助电力系统安全域，建立天然气系统、热力系统、能量枢纽安全域模型，再分析综合能源系统最大负荷潮流解的存在性及综合能源系统鞍结分岔特征，最后得到综合能源系统负荷安全域。

本发明包括以下步骤：

步骤1：基于电力系统安全域，建立天然气系统、热力系统、能量枢纽安全域模型

(1)电力系统安全域模型已被广泛研究，本发明将直接应用，细节不再赘述。

电力系统静态安全域ωss

ωss＝{y|存在一个满足fi(x)＝y和g(x)≤0的x}

式中x表示母线电压幅值向量和相角向量；y表示有功功率向量和无功功率的注入向量。

(2)天然气系统安全域模型

天然气系统的静态安全约束主要包括节点压力约束、管道流量约束、节点供应约束，即

式中：和分别为节点压力约束的上、下限；为管道输送流量的最大值；和分别为气源流量供应约束的上、下限。

(3)热力系统安全域模型

供热网络支路的模型分为水力模型和热力模型两部分。

一般管道的静态水力模型:

式中:为支路流量；hf为由摩擦造成的支路压降；k为阻抗系数。

一般管道的静态热力模型:

式中:φ中为负荷得到或热源提供的热量；c^p为水的比热容；为流过负荷或热源的流量；ts为对应节点供水侧的温度；to为对应节点回水侧的温度；tstart为某支路起始处的水温；tend为该支路终点处的水温；ta为环境温度；l为支路管道长度；λ为管道单位长度的传热系数；tout为实际流出某个节点的水的温度；tin为实际流入该节点的水的温度。三个公式分别表示：热量和温度的关系；支路起始处和终点处水的温度关系，说明存在热损耗；热水在节点的理想混合，流入节点的水的温度不同，流出节点的水的温度相同。

供热系统的安全约束一般包括节点压力、供回水温度、管道流量，考虑各约束和上述静态热力模型，最终得到热力系统安全域模型。

(4)能量枢纽安全域模型

假设能量转换元件j的输入和输出能量形式分别为k1和k2，那么该元件的输入输出功率关系为：

式中ηj为系统元件j的能量转换效率或者性能系数；i表示第i层的系统。

能量转换元件输入(或输出)约束为：

式中和分别代表系统元件j、关于能量形式k1的输入功率下限和上限。

步骤2：分析综合能源系统最大负荷潮流解的存在性及综合能源系统鞍结分岔特征

首先找到综合能源系统中分支系统之间的能量交换规律，再利用能量交换具有的联系，列写方程组，通过matlab仿真，能得到综合能源系统最大负荷潮流解，结合综合能源系统鞍结分岔特征，分析得出综合能源系统具备负荷安全域。

步骤3：根据综合能源系统中各分支系统安全域模型得到综合能源系统负荷安全域

联立步骤1所述的综合能源系统中各分支系统的安全域模型，将不同能流系统的所有等式方程和不等式方程列在一起作为整体求解，得到综合能源系统负荷安全域，具体为：

式中表示综合能源系统由4个能流子系统组成，下标表示不同的子系统，x表示状态变量，fi(xi)(i＝1,2,3,4)是综合能源子系统i的方程，g(x1,x2,x3,x4)＝0是耦合部分的方程组，a≤h(x1,x2,x3,x4)≤b是各子系统之间的负荷相互制约不等式方程组，a、b表示负荷上下限。

在满足等式约束和不等式约束的条件下，得到综合能源系统最大负荷潮流解，从而分析生成综合能源系统负荷安全域。

据此就得到一种综合能源系统负荷安全域生成方法。

以上实施方案仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明的保护范畴。