PDF《含冷热电三联供的微能源网能量流计算及综合仿真》

含冷热电三联供的微能源网能量流计算及综合仿真 马腾飞,吴俊勇,郝亮亮 ( 北京交通大学电气工程学院,北京市

1 0

0 0

4 4 ) 摘要:首先给出了微能源网的定义, 然后基于能源集线器的概念, 建立了冷热电三联供( C CH P) 系 统的能量流模型;

并将其作为配电网与天然气网的耦合节点, 推导了适用于天然气网能量流计算的 有限元节点法, 提出了一种电―气耦合微能源网的能量流计算方法.

提出了 C CH P供能率的指标. 以o p e n D S S和MAT L A B为平台, 对含 C CH P的微能源网进行综合仿真, 分别计算了以电定热和 以热定电两种典型运行方式下夏季典型日的逐时能量流.计算结果表明, 所提出的能量流计算和 综合仿真方法可用于分析微能源网的能量流, C CH P 供能率指标可以反映微能源网电―气能源的 耦合程度. 关键词:能源互联网;

微能源网;

能源集线器;

天然气网;

有限元节点法;

能量流;

o p e n D S S;

供 能率 收稿日期:

2 0

1 6 G

0 4 G

2 6;

修回日期:

2 0

1 6 G

0 8 G

0 3. 上网日期:

2 0

1 6 G

1 0 G

1 7. 国家电网公司科技项目( S G T YHT /

1 5 G J S G

1 9

1 ) .

0 引言 全球能源安全、 环境污染等问题迫使人们改变 现有能源消费模式, 电、 气、 热等多种形式能源的综 合利用对于提高能源利用效率、 降低能源利用成本 有重要意义[

1 ] .文献[ 2] 提出了 能源互联网 的概 念, 为多能源系统的理论体系 分析提供了新思路. 能源互联网中, 能源供应呈现多样性, 不同能源形式 之间相互耦合, 为用户提供冷、 热、 电、 气等多种形式 的能源.构建由电、 热、 气等不同形式能源在生产、 传输、 消费等多个环节进行协同优化, 多能互补的综 合能源系统是能源互联网发展的必经之路[

3 ] .多种 形式能源之间相互耦合的研究对于安全用能、 提高 能源利用效率具有重要意义.目前电力系统和天然 气网络相互耦合组成的微能源网是最常见的能源耦 合形式之一, 研究该类微能源网的能量流计算问题 是分析其稳定性、 可靠性的基础.对此国内外学者 已经展开研究, 并取得了一些成果. 目前对于电力―天然气网络组成的微能源网能 量流的求解方法主要分为统一求解法和分解求解法 两类.统一求解法即建立电力―天然气混联系统的 混合潮流方程, 运用牛顿―拉夫逊等数值 解法进行 统一求解.分解求解法是在考虑两系统耦合因素的 基础上将电力潮流和天然气系统潮流分别求解.文献[

4 ] 将电力潮流的概念推广到电―气互 联能源系统, 采用牛顿迭代法计算分析了其最优潮流问 题. 文献[

5 G

6 ] 考虑了电力和天然气网络之间燃气轮机 的耦合, 计算分析了电―气混合 系统的能量流.文献[

7 ] 研究了电力和天然气混合网络的最优潮流计 算.文献[

8 G

9 ] 在统一框架下建立了电力天然气混 合系统的潮流方程, 探究了耦合系统的潮流算 法. 文献[

1 0 ] 运用牛顿―拉夫逊 法建立了电―气混联综合能源系统的稳态潮流求解模型, 并分析了其概率 能量流.文献[

1 1 ] 以电―气互联系统的总运行成本 为优化目标探究了互联系统的概率最优潮流问题. 然而, 文献[

4 G

1 1] 均采用统一求解法将不同能 量流的方程列在一起作为整体运用牛顿―拉夫逊法 求解, 计算工作量大, 计算速度慢, 而且不同能量流 系统的数值差异大, 在求取雅可比矩阵时可能出现 不可逆的情况, 导致方法失效.文献[

1 2] 考虑不同 耦合形式和能源供应模式下电力网络和燃气管网的 相关约束, 给出了区域综合能源系统的完全解耦、 部 分耦合以及完全耦合3种运行模式, 虽然探究了混 合潮流算法, 然而计算量大, 迭代次数比较多, 耦合 紧密时收敛性难以保证.此外, 现有文献大多基于 单一时间断面进行能量流计算, 当耦合单元的负荷 变化时, 系统能量流会相应地发生变化, 现有计算仿 真方法无法快速准确地对微能源网的能量流进行多 时间断面计算, 甚至实时仿真. 本文采用分解求解法, 以能源集线器作为电力 系统与天然气系统的耦合环节, 充分利用 o p e n D S S

2 2 第4 0卷第2 3期2016年1 2月1 0日Vol.40N o .

2 3D e c .

1 0,

2 0

1 6 D O I :

1 0.

7 5

0 0 / A E P S

2 0

1 6

0 4

2 6

0 0

5 h t t p : / / ww w. a e p s G i n f o . c o m 在潮流分析方面具有多种分析计算模式( 日潮流、 年 潮流、 短期潮流) 及求解速度快等优点, 以openDSS和MAT L A B为平台进行联合仿真, 提出一种电―气 耦合的微能源网能量流计算方法, 实现了多时间断 面稳态能量流的快速求解.此外提出冷热电三联供 ( C CH P) 供能率的指标, 用于评估微能源网中电网 和气网的耦合程度.

1 微能源网概念和能源集线器模型介绍 1.

1 微能源网的概念 微能源网是一种微型综合能源互联系统, 是能 源互联网的重要组成部分.微能源网通过电力网、 天然气网、 热力网、 氢气网、 交通网等系统互联, 通过 优化设计和协调运行, 实现多能互补和替代用能, 因 地制宜, 充分利用当地的光伏、 风电、 地热等可再生 能源, 满足终端用户的冷、 热、 电、 气等多种能源需 求, 降低用户的综合用能成本, 提高能源 的利用效 率, 降低污染物排放, 最终实现安全、 可靠、 清洁、 高效、 环境友好和可持续发展的微型综合能源互联系 统. 1.

2 能源集线器 能源集线器是由瑞士苏黎世联邦理工学院的 A n d e r s o n教授提出的模型[

1 3] , 该模型将用能需求 抽象为冷、 热、 电三类, 可用于描述多能源系统中能 源、 负荷、 网络之间的交换、 耦合关系.基于能源集 线器概念提出了一个含有微燃机、 吸收式制冷机、 锅 炉等设备的 C CH P系统, 参见附录 A 图A1.微燃 机消耗天然气发电, 为居民区提供电能, 不足部分由 电网供给.微燃机产生的余热一部分用于供热, 另 一部分进入溴化锂吸收式制冷机为居民区供冷, 余 热不足部分由锅炉补充.其能源转换关 系描述如 下. 1.

3 微燃机模型 微燃机产生的热量与输出电功率之间的关系 为: QMT( t) = Pe( t) ( 1- η e- η l ) η e (

1 ) 式中: QMT( t) 为t时刻的微燃机排气余热量;

Pe( t) 为t时刻微燃机的输出电功率;

η e 为微燃机的发电 效率, 取0. 3;

η l 为微燃机的热损失系数, 取2%. 微燃机消耗的天然气量可表示为: VMT( t) = Pe( t) Δ t η e LN G (

2 ) 式中: VMT( t) 为t时刻微燃机消耗的天然气量;

LN G 为天然气的低位热值, 取9.

7 8( kW?h) / m3 ;

Δ t 为 时间步长, 取1h. 1.

4 锅炉模型 燃气锅炉供热量与额定供热量之间的关系式 为: QG B=RG B ηG B (

3 ) 式中: QG B为锅炉的输出热量值;

RG B 为锅炉的额定 供热量;

ηG B 为锅炉的热效率, 取0. 9. 锅炉消耗天然气量可表示为: VG B( t) = QG B( t) Δ t ηG B LN G (

4 ) 式中: VG B( t) 为锅炉t时刻消耗的天然气量;

QG B( t) 为锅炉t时刻的输出热量值. 1.

5 溴化锂制冷机模型 烟气型溴化锂制冷机是利用燃气发电机组产生 出来的高温烟气做功推动制冷机工作, 将烟气内所 含能量转换为制冷量.其单位时间制冷量可表示 为: Ra( t) =Qi( t) CO P (

5 ) 式中: CO P为溴化锂制冷机制冷系数, 取1.

3 8;

Ra( t) 为t时刻制冷量;

Qi( t) 为t时刻加热源热量. 1.

6 系统运行约束条件 t 时刻微燃机发电功率、 锅炉供热量及吸收式 制冷机制冷量受到其额定容量限制: Pe( t) ≤Pe n (

6 ) Qg b( t) ≤Qg e n (

7 ) Ra( t) ≤Ra n (

8 ) 式中: Pe n为微燃机t时刻额定功率;

Qg e n为锅炉t时 刻额定供热量;

Ra n为吸收式制冷机t 时刻额定制冷 量. 此外系统在t时刻满足电、 热、 冷能量平衡: Pe( t) +Pg r i d( t) =Ed( t) (

9 ) QMT( t) +QG B( t) =Qd( t) +Qi( t) (

1 0 ) Ra( t) =Rd( t) (

1 1 ) 式中: Pg r i d( t) 为t 时刻电网的供电功率;

Ed( t) 为t 时刻的电负荷;

Qd( t) 为t 时刻的热负荷, 由微燃机 和锅炉供热;

Rd( t) 为t 时刻的冷负荷, 由吸收式制 冷机供冷.

2 微能源网能量流稳态计算模型 2.

1 天然气管网稳态计算模型 目前在燃气管网能量流计算中常用的方法有节 点法、 管段法和环能法3种[

1 4] .其中节点法又分为 牛顿―拉夫逊法和有限元 节点法.牛顿―拉夫逊法 对于初值的选取比较苛刻, 而有限元节点法采用一 般迭代法, 可以在较大范围内选取初值[

1 5] , 本文采 用有限元节点法将非线性方程组线性化来求解. 采用有向

图表示天然气管网的拓扑结构, 支路

3 2 马腾飞, 等 含冷热电三联供的微能源网能量流计算及综合仿真 表示管道.支路方向表示天然气流向, 若与实际流 向相同则为正值, 相反则为负值.支路与节点的关 联性质可以用关联矩阵描述.支路―节点关联矩阵 A 的元素a i, j( i=1, 2, ?, n, j=1, 2, ?, m, 其中, n 为节点数, m 为管道数) 定义如下: a i, j=

0 支路j 与节点i无关联

1 支路j 与节点i关联且方向流入节点

1 支路j 与节点i关联且方向流出节点 ì ? í ? ? ? ? (

1 2 ) 将关联矩阵A 中参考节点所在行划去, 则为降 阶关联矩阵.根据基尔霍夫定律[

1 6] , 天然气管网满 足以下特性[

1 7 ] .

1 ) 节点方程 由基尔霍夫第一定律, 任何一个节点的流量代 数和为零.这就是说在任何节点的负荷等于流入、 流出该节点支路流量之和, 用矩阵形式表示为: A Q= q (

1 3 ) 式中: q 为天然气管网中燃气负荷向量;

Q 为支路流 量向量.

2 ) 回路方程 由基尔霍夫第二定律, 沿着任何一个闭合回路 的压力降为零.一个闭合回路的起点和终点是同一 点, 因此沿着整个回路的压力降为零, 用矩阵可表示 为: BΔ P=0 (

1 4 ) 式中: B 为回路关联矩阵;

Δ P 为管道压降向量, 其 元素可以由该管道起点和终点的压强差求得. 将关联矩阵A 转置, 再乘上节点相对压强的列 向量即等于各管道的压强降, 即ΔP=AT P (

1 5 ) 式中: P 为相对于参考节点的压强. 2.

2 有限元节点法数学模型推导 根据? 城镇燃气设计规范(

2 0

0 2版) ? [

1 6] , 高中压 燃气管道压降基本计算公式为: P2 1-P2 2=1.

2 7*1

0 1

0 λ Q

2 d5 ρ

0 T........