一种计及碳储能并网控制的配电网韧性增强方法及装置

本发明属于电力系统新型储能领域。

背景技术：

1、随着全球气候变化引发极端天气事件的频率增加，电力系统作为现代经济社会的关键基础设施，对人类社会和经济的平稳运行起着至关重要的作用。因此，如果因自然灾害导致电力系统出现广泛的故障或崩溃，将会对国家经济产生显著的影响。储能设备具有灵活的容量配置、快速的响应速度和稳定的输出功率等优点，一般情况下，主要用于调节电力系统的峰谷值、调整频率、缓解阻塞现象、控制电压支撑和无功功率等。在极端自然灾害发生时，储能设备也可以作为紧急能源，为重要的负荷节点提供供电保障。压缩气体储能系统通过压缩气体储存多余的电能，需要时通过涡轮释放高压气体进行发电。压缩气体储能技术具有容量大、使用寿命长、运行成本低等优点。其中，为了提高衡量储能系统性能的储能效率和能量密度，利用二氧化碳作为工作流体的压缩二氧化碳储能系统具有广阔的发展前景。提出计及碳储能的配电网韧性增强技术及装置，该装置基于碳储能实际热力学模型进行并网控制，碳储能电站最优运行过程中的大容量充放电功率也可提高电网在各种扰动下的韧性。

2、存在问题如下：一、现有文献主要针对集中在优化压缩二氧化碳储能系统的结构和参数，鲜有针对二氧化碳储能运行并网控制技术优化策略的研究。二、鲜有文献关注结合二氧化碳在非理想气体条件下的实际物性特点研究碳储能电站的控制技术。三、目前的碳储能并网控制技术在考虑经济性时未考虑碳储能电站基于不同电价场景下的年实际运行小时数问题。

技术实现思路

1、本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。

2、为此，本发明的目的在于提出一种计及碳储能并网控制的配电网韧性增强方法，用于提供碳储能并网控制的配电网韧性增强技术。

3、为达上述目的，本发明第一方面实施例提出了一种计及碳储能并网控制的配电网韧性增强方法，包括：

4、基于热力学分析构建碳储能模型；

5、对所述碳储能模型进行线性拟合；

6、以使碳储能的收益最大化为目标，对线性拟合后的碳储能模型设置输入参数和变量，描述优化目标和约束条件。

7、另外，根据本发明上述实施例的一种计及碳储能并网控制的配电网韧性增强方法还可以具有以下附加的技术特征：

8、进一步地，在本发明的一个实施例中，所述基于热力学分析构建碳储能模型，包括：

9、构建压缩机模型、构建涡轮机模型、换热系统建模、储气室建模；

10、进一步地，在本发明的一个实施例中，所述构建压缩机模型，包括：

11、将压缩机的总功耗用公式表示为：

12、

13、式中，为t时段碳储能电站的总充电功率，为t时段二氧化碳的充电质量流量。nc为压缩机级数，cp,k为k级压缩机入口处的二氧化碳定压比热容，为k级压缩机的二氧化碳进口温度，为k级压缩机的压缩比，r为二氧化碳的比热比，为t时刻压缩机的等熵效率，ηc,m为压缩机的机械效率；

14、压缩机的运行阈值范围表示为：

15、

16、式中，为t时刻压缩机状态变量，和分别为压缩机运行质量流量最小值与最大值；

17、压缩机的压缩比表示为：

18、

19、式中，和分别为k级压缩机出口压强与进口压强；

20、计算k级压缩机出口温度表示为：

21、

22、进一步地，在本发明的一个实施例中，所述构建涡轮机模型，包括：

23、将碳储能电站总放电功率表示为:

24、

25、式中，为t时段碳储能电站的总放电功率，为t时段二氧化碳的放电质量流量。ng为涡轮机级数，为k级涡轮机的二氧化碳进口温度，为k级涡轮机的压缩比，为t时刻涡轮机的等熵效率，ηg,m为涡轮机的机械效率；

26、对碳储能电站充电过程的二氧化碳质量流量作限制，表示为：

27、

28、式中，为t时刻涡轮机状态变量，和分别为涡轮机运行质量流量最小值与最大值；

29、涡轮机的膨胀比表示为：

30、

31、式中和分别为k级涡轮机出口压强与进口压强；

32、碳储能电站的放电过程，二氧化碳的温度表示为：

33、

34、进一步地，在本发明的一个实施例中，所述换热系统建模，包括：

35、引入换热器的能效参数，并假设换热器中热流体的热容与冷流体的热容相等，换热系统表示为：

36、

37、

38、

39、式中，为充电过程中换热介质吸热功率；为放电过程中二氧化碳吸热功率，tcold和tot分别为冷热换热介质温度，ε为换热系数，为蓄热装置蓄热量。

40、进一步地，在本发明的一个实施例中，所述储气室建模，包括：

41、将高压储气室气体质量表示为：

42、

43、式中，和分别为t时刻高压储气室与低压储气室气体质量；

44、采用pr方程来表征二氧化碳储气室内气体压力与质量的关系：

45、

46、式中，p为气体压强，r为理想气体常数，t为气体温度，vm为气体摩尔体积，a，b和α为方程修正系数；

47、基于pr方程推导出气体质量与压强的关系；

48、

49、

50、式中，nlp表示二氧化碳的摩尔量，表示二氧化碳的摩尔质量，为常数；

51、储气室二氧化碳压强约束表示为：

52、

53、

54、php,min，php,max，plp,min，plp,max分别为高压储气室和低压储气室压强上下限值。

55、进一步地，在本发明的一个实施例中，所述对所述碳储能模型进行线性拟合，包括：

56、通过pr方程计算气体压力与二氧化碳密度的关系，得到储气室二氧化碳质量和压力的实际参数，然后分段进行线性拟合；

57、充电功率与质量流率的线性模型表示为:

58、

59、

60、

61、

62、放电功率模型和气藏模型与充电功率表示为：

63、

64、

65、

66、进一步地，在本发明的一个实施例中，所述描述优化目标和约束条件，包括：

67、使跨临界压缩二氧化碳储能电站收益最大化的目标函数表示为:

68、

69、

70、

71、

72、式中，和分别表示碳储能电站的能源套利收入，有功储备收益和运维成本，和分别表示用于能源套利的储能电站功率，和分别表示用于有功储备的储能电站功率，γap为储备利用率，为t时刻电价，和分别表示有功储备保持收益和有功储备使用收益，和分别代表碳储能电站总运行功率，vom和sw分别为碳储能电站的维护成本与开关成本。

73、进一步地，在本发明的一个实施例中，所述描述优化目标和约束条件，还包括：

74、将碳储能电站总功率由储备使用和能源套利的约束条件表示为：

75、

76、

77、耗电量和发电量的上限和下限的约束条件表示为：

78、

79、

80、碳储能电站运行状态和开关状态约束表示为：

81、

82、

83、

84、其中，和均为二进制变量；

85、换热系统蓄热量上限约束。

86、

87、为达上述目的，本发明第二方面实施例提出了一种计及碳储能并网控制的配电网韧性增强装置，包括以下模块：

88、构建模块，用于基于热力学分析构建碳储能模型；

89、线性化模块，用于对所述碳储能模型进行线性拟合；

90、优化模块，用于以使碳储能的收益最大化为目标，对线性拟合后的碳储能模型设置输入参数和变量，描述优化目标和约束条件。

91、本发明实施例提出的计及碳储能并网控制的配电网韧性增强方法，考虑碳储能过程实际热力学参数实现碳储能电站最优运行策略，以碳储能电站运行过程中的可调节的大容量充放电功率增强电网韧性。提出了碳储能电站能源套利模型，以碳储能电站运行收益最大化为目标，由峰谷电价引导，形成削峰填谷的机制。考虑碳储能电站运维成本与储备服务收益，根据模型优化求解结果，得到储能电站基于不同峰谷场景的最优运行策略。