劉聰+遲福建+張藝偉+趙志斌+黃永章

摘 要：綜合能源系統(tǒng)是開放性一體化實(shí)現(xiàn)多種能源綜合利用的新型系統(tǒng)形式。在綜合能源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)下，傳統(tǒng)的潮流計(jì)算方法已經(jīng)無法得到多種能源耦合的節(jié)點(diǎn)狀態(tài)量分布情況。本文提出了一種新型的綜合潮流計(jì)算方法，根據(jù)綜合能源系統(tǒng)中電網(wǎng)絡(luò)、熱網(wǎng)絡(luò)、氣網(wǎng)絡(luò)的基本結(jié)構(gòu)，建立各網(wǎng)絡(luò)數(shù)學(xué)模型；改進(jìn)當(dāng)前天然氣網(wǎng)絡(luò)的建模方法，將壓縮機(jī)與網(wǎng)絡(luò)分離；建立綜合能源網(wǎng)絡(luò)雅各比矩陣；將傳統(tǒng)潮流中的Newton-Raphson進(jìn)行改進(jìn)，用于計(jì)算綜合能源互耦的雅各比矩陣，最后將天津市綜合能源新區(qū)本辰區(qū)作為算例，驗(yàn)證算法的有效性。

關(guān)鍵詞：綜合能源；混合；計(jì)算方法；能源系統(tǒng)

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.19.146

1 背景

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人們生活水平的提高，人們對電力的需求與日俱增，目前中國正處于從“十二五”進(jìn)入“十三五”的關(guān)鍵時(shí)期，不能單單依靠化石燃料來滿足人們?nèi)找嬖鲩L的能源需求。如何減少化石燃料的依賴，實(shí)現(xiàn)對能源清潔、高效、穩(wěn)定的使用，一直是國內(nèi)外學(xué)者重點(diǎn)研究的熱點(diǎn)[1]。綜合能源系統(tǒng)是整合多種能源發(fā)/輸/配/送于一體的新型能源系統(tǒng)[2]。通過多種能源系統(tǒng)的集成化運(yùn)行，構(gòu)建不同能源系統(tǒng)相互耦合供應(yīng)網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)了熱、氣、電綜合調(diào)度[3]。在IES下基于熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組（combined heat and power， CHP）、風(fēng)/光/儲多能互補(bǔ)系統(tǒng)，天然氣的利用率大幅提升，高品質(zhì)天然氣主要用于發(fā)電，低品質(zhì)天然氣用于供熱、供冷。綜合能源系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了熱/電/氣三中能源的互動和轉(zhuǎn)換，但三種能源的耦合使系統(tǒng)的潮流發(fā)生了很大變化。如何準(zhǔn)確、快速、有效的計(jì)算綜合能源系統(tǒng)的潮流問題，對IES的運(yùn)營、建設(shè)、規(guī)劃有著重要的意義。

1.1 國內(nèi)外研究

天然氣-電力（氣/電）和電氣-熱力（熱/電）作為IES中的主要能源網(wǎng)絡(luò)，成為了國內(nèi)外研究學(xué)者的重點(diǎn)研究領(lǐng)域。文獻(xiàn)[4]研究了發(fā)電廠在天然氣網(wǎng)絡(luò)與電力系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)交互時(shí)的發(fā)電情況，并對電廠發(fā)電進(jìn)行了風(fēng)險(xiǎn)評估。文獻(xiàn)[5]通過負(fù)荷分析和動態(tài)仿真實(shí)現(xiàn)了天然氣管網(wǎng)的動態(tài)仿真，動態(tài)模擬了天然氣-電力網(wǎng)絡(luò)間的相互影響。文獻(xiàn)[6]基于能源集線器理論，提出了IES的三種運(yùn)行方式，基于集線器理論，考慮了各能源網(wǎng)絡(luò)的約束條件，搭建了系統(tǒng)模型。文獻(xiàn)[7]提出了電力、天然氣和區(qū)域供熱系統(tǒng)等不同能源基礎(chǔ)設(shè)施耦合功率流的綜合優(yōu)化方法，搭建了包含任意數(shù)量的發(fā)電、運(yùn)輸、轉(zhuǎn)換模型。文獻(xiàn)[8]通過分析不同能源的實(shí)時(shí)價(jià)格，建立了多成本，多目標(biāo)的節(jié)能調(diào)度模型，實(shí)現(xiàn)了對能源的高效使用以及電力經(jīng)濟(jì)的調(diào)度。文獻(xiàn)[9]通過建立了熱-電聯(lián)合大容量儲能動態(tài)模型，提出了電/熱互聯(lián)系統(tǒng)的協(xié)調(diào)優(yōu)化控制策略以及綜合能量管理方法。

上述研究表明綜合能源系統(tǒng)中的潮流計(jì)算問題已經(jīng)得到了廣泛關(guān)注，但是目前還是存在著以下幾個(gè)問題。

（1）研究對象多為電/氣系統(tǒng)或者電/熱系統(tǒng)，缺少對電/氣/熱互聯(lián)系統(tǒng)的研究。

（2）當(dāng)前對于IES的研究主要集中于系統(tǒng)內(nèi)各能源的分配關(guān)系，缺少電/熱/氣系統(tǒng)耦合互動關(guān)系的研究。

（3）目前IES潮流計(jì)算方法對于天然氣網(wǎng)絡(luò)處理方法過于繁瑣，無法直接應(yīng)用與實(shí)際的園區(qū)系統(tǒng)，否則會使計(jì)算量大大增加。

針對目前存在的3個(gè)問題，本文對熱、電、氣耦合的潮流計(jì)算方法進(jìn)行了研究。首先對天然氣壓縮機(jī)模型進(jìn)行優(yōu)化，構(gòu)建電網(wǎng)絡(luò)，氣網(wǎng)絡(luò)，熱網(wǎng)絡(luò)及其耦合的數(shù)學(xué)模型。在系統(tǒng)模型基礎(chǔ)上得到綜合能源網(wǎng)絡(luò)的潮流計(jì)算模型。根據(jù)電力系統(tǒng)潮流計(jì)算方法，推導(dǎo)含有綜合能源系統(tǒng)各節(jié)點(diǎn)耦合關(guān)系的雅各比矩陣，根據(jù)Newton-Raphson對綜合潮流進(jìn)行計(jì)算。最后以北辰區(qū)作為實(shí)例分析，證明算法的實(shí)用性。

1.2 含電、熱、氣的綜合能源系統(tǒng)介紹

綜合能源系統(tǒng)是由電網(wǎng)絡(luò)，熱網(wǎng)絡(luò)，天然氣網(wǎng)絡(luò)以及實(shí)現(xiàn)多網(wǎng)絡(luò)耦合的熱電機(jī)組、燃?xì)忮仩t、電鍋爐等中間設(shè)備組成的，同時(shí)配有電、熱、氣儲能設(shè)備是能量流動更加協(xié)調(diào)，如圖1所示。電網(wǎng)絡(luò)發(fā)電設(shè)備、傳輸線以及儲電設(shè)備組成，通常與電網(wǎng)相連來保證能源系統(tǒng)的穩(wěn)定性。熱網(wǎng)絡(luò)由供熱設(shè)備、傳熱通路以及用戶端熱負(fù)荷組成。供熱設(shè)備將高溫?zé)崴ㄟ^傳熱通路供給用戶端熱負(fù)荷，熱量傳給用戶后，高溫?zé)崴優(yōu)榈蜏責(zé)崴?，隨后通過傳熱通路返回?zé)嵩粗匦录訜帷Ｌ烊粴饩W(wǎng)絡(luò)由天然氣源、壓縮機(jī)和用戶端天然氣負(fù)荷組成。

2 綜合能源系統(tǒng)建模

2.1 電網(wǎng)絡(luò)模型

綜合能源系統(tǒng)電網(wǎng)絡(luò)模型與傳統(tǒng)電力系統(tǒng)電網(wǎng)絡(luò)模型一致，都為經(jīng)典交流模型。各節(jié)點(diǎn)的用無功功率和有功功率表示[10]，表達(dá)式如下：

公式中P代表網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點(diǎn)的有功功率；U代表網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點(diǎn)電壓；Y代表電網(wǎng)絡(luò)導(dǎo)納矩陣；Q代表網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點(diǎn)的無功功率[11]。

2.2 熱網(wǎng)絡(luò)模型

2.2.1 供熱通路模型

供熱通路滿足節(jié)點(diǎn)基本原則，即一個(gè)節(jié)點(diǎn)流入量等于流出量；在閉合回路中，通路的流量總和為0。

公式中，分別為熱網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)-支路矩陣，回路-支路矩陣；為壓頭節(jié)點(diǎn)損失的流量；為阻尼常數(shù)矩陣。

2.2.2 熱網(wǎng)絡(luò)中的溫度模型

熱網(wǎng)絡(luò)中供熱通道流動的熱水滿足熱力學(xué)基本定律，即流入熱水的能量與流出熱水的熱量能量相同[12]。用溫度表示如下：

公式中表示熱網(wǎng)絡(luò)各節(jié)點(diǎn)的熱功率；表示水的比熱容（4.2×103J/kg·C。）；Ts，T0分別為熱水進(jìn)入節(jié)點(diǎn)之前的溫度和熱水流出節(jié)點(diǎn)時(shí)的溫度；能量在管道中的流動情況，，分別表示管道首端和管道末端的溫度，L為傳熱管道的距離； 上式則表示了管道節(jié)點(diǎn)能量守恒。

2.2.3 天然氣網(wǎng)絡(luò)模型

過往研究中對于天然氣模型的求解通常采用天然氣管道模型與天然氣壓縮機(jī)模型聯(lián)合求解的方法，由于天然氣壓縮機(jī)的模型是非線性方程組，在聯(lián)合求解時(shí)會帶來很大的計(jì)算量。本文在在對天然氣網(wǎng)絡(luò)建模時(shí)采用壓縮機(jī)、管道分離的方法，天然氣網(wǎng)絡(luò)各節(jié)點(diǎn)不再考慮壓縮機(jī)，從而簡化了網(wǎng)絡(luò)模型更加利于求解。因此天然氣網(wǎng)絡(luò)模型可以表示為：endprint

該公式表達(dá)了各節(jié)點(diǎn)天然氣管道流量與氣體壓力之間的關(guān)系，其中，為天然氣管道流量；取±1代表管道中流量的方向。表示不同型號的管道系數(shù)。

2.2.4 熱電聯(lián)產(chǎn)模型

本文主要對熱電聯(lián)合機(jī)組進(jìn)行研究。表達(dá)式如下：

公式中代表電功率；代表機(jī)組中熱功率所占的比例；代表比例常數(shù)；代表產(chǎn)能所需的天然氣量。

3 綜合能源系統(tǒng)潮流計(jì)算方法

3.1 綜合能源系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)模型

根據(jù)以上電網(wǎng)絡(luò)，熱網(wǎng)絡(luò)，天然氣網(wǎng)絡(luò)的建模，構(gòu)建綜合系統(tǒng)多網(wǎng)絡(luò)模型。

公式中各變量所代表的物理量如下表所示。

3.2 面向綜合潮流的Newton-Raphson算法

本文將傳統(tǒng)電力系統(tǒng)中的Newton-Raphson算法，推廣至綜合能源系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中，其公式如下：

將電網(wǎng)絡(luò)、熱網(wǎng)絡(luò)、天然氣網(wǎng)絡(luò)中的偏移量與節(jié)點(diǎn)狀態(tài)參量帶入迭代公式中，可以的到綜合能源網(wǎng)絡(luò)中的雅各比矩陣：

矩陣中對角線、、代表節(jié)點(diǎn)自身關(guān)系與其他節(jié)點(diǎn)無關(guān)；非對角線代表節(jié)點(diǎn)與其他節(jié)點(diǎn)之間的耦合關(guān)系；在天然氣網(wǎng)絡(luò)中，天然氣流量的波動不會引起電網(wǎng)絡(luò)和熱網(wǎng)絡(luò)的變化，因?yàn)樘烊粴饬坑啥鄠€(gè)平衡點(diǎn)承擔(dān)，不會對其他系統(tǒng)產(chǎn)生影響，因此雅各比矩陣中、為0。

由于熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組的存在當(dāng)熱網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)發(fā)生變化時(shí)，電網(wǎng)絡(luò)和天然氣網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)都會發(fā)生變化，所以，為非0項(xiàng)。

3.3 計(jì)算流程

綜合能源系統(tǒng)冷、熱、電網(wǎng)絡(luò)潮流計(jì)算基本思路如下：讀取綜合系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)各節(jié)點(diǎn)以中間設(shè)備參數(shù)；在算法進(jìn)行迭代之前根據(jù)系統(tǒng)的工作方式，求解得到各節(jié)點(diǎn)的初始溫度、初始流量以及各自對應(yīng)的電壓值和所需的天然氣量。當(dāng)?shù)瓿梢院?，根?jù)更新的狀態(tài)量更新x的值和供氣管道中天然氣的流量，如此重復(fù)迭代直至|Δx|<ε。

4 算例分析

4.1 網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)量介紹

為了證明本文算法的有效性、可靠性，以北辰區(qū)綜合系統(tǒng)為例進(jìn)行模擬仿真。節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)如下圖所示。網(wǎng)絡(luò)耦合節(jié)點(diǎn)為2個(gè)微燃機(jī)電熱聯(lián)產(chǎn)機(jī)組。電網(wǎng)絡(luò)、熱網(wǎng)絡(luò)、天然氣網(wǎng)絡(luò)中的各節(jié)點(diǎn)分別為、和。

4.2 結(jié)果分析

為了更好的模擬現(xiàn)實(shí)情況，綜合系統(tǒng)與大電網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行，因此節(jié)點(diǎn)EB13作為系統(tǒng)的平衡節(jié)點(diǎn)，電網(wǎng)絡(luò)中EB11和EB12是PV節(jié)點(diǎn)，熱網(wǎng)絡(luò)中的HB13是平衡節(jié)點(diǎn)，機(jī)組CHP2工作在熱定電模式，機(jī)組CHP1工作在電定熱模式，仿真結(jié)果如表2所示。

從仿真結(jié)果可以看出，電網(wǎng)絡(luò)各節(jié)點(diǎn)電壓未出現(xiàn)超過電壓極限的情況，節(jié)點(diǎn)電壓值偏低，因?yàn)樵摴?jié)點(diǎn)與電源端相距較遠(yuǎn)并且負(fù)荷比較大。熱網(wǎng)絡(luò)中HB7，HB8，HB9，HB10距離兩端的熱源較遠(yuǎn)因此溫度最低。

5 結(jié)論

為了更快速、準(zhǔn)確的計(jì)算含電、氣、熱多種能源的綜合能源系統(tǒng)，文本提出了基于Newton-Raphson的綜合潮流計(jì)算方法。通過電、熱、氣三種網(wǎng)絡(luò)的不同特點(diǎn)，建立了綜合潮流計(jì)算模型；將三種網(wǎng)絡(luò)中的各節(jié)點(diǎn)等效為電力系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中的各負(fù)荷節(jié)點(diǎn)；對天然氣網(wǎng)絡(luò)管道模型單獨(dú)進(jìn)行求解，減少了模型的復(fù)雜程度；利用Newton-Raphson對最終得到的耦合雅各比矩陣進(jìn)行求解。最后仿真結(jié)果證明算法能夠快速完成收斂，證明了算法的快速性。實(shí)用性。此外本文算法考慮了不同網(wǎng)絡(luò)之間的互動聯(lián)系，能夠快速的得到系統(tǒng)綜合潮流的分布。

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