一種電?熱耦合系統(tǒng)中熱網(wǎng)的區(qū)間潮流計算方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種電?熱耦合系統(tǒng)中熱網(wǎng)的區(qū)間潮流計算方法，屬于多能流耦合系統(tǒng)的運行安全分析技術領域。該方法采取區(qū)間潮流的分析方法，一方面在多種能源系統(tǒng)耦合運行的發(fā)展趨勢下，考慮了風電不確定性對其他能源網(wǎng)(熱力網(wǎng)絡)穩(wěn)態(tài)運行的影響，為耦合能源系統(tǒng)的安全穩(wěn)定控制或管道規(guī)劃提供了依據(jù)；另一方面避免了大量的數(shù)據(jù)統(tǒng)計和復雜的數(shù)學模型及計算，同時該方法只需要區(qū)間信息，不需要估計隸屬度信息等，避免了因人為假設的主觀性帶來的誤差。該方法可以應用于電?熱耦合多能流系統(tǒng)的能量管理中，當系統(tǒng)存在安全問題或潛在風險時給出安全警告，有助于提高電?熱耦合多能流系統(tǒng)運行的安全性。
【專利說明】
一種電-熱耦合系統(tǒng)中熱網(wǎng)的區(qū)間潮流計算方法
技術領域
[0001] 本發(fā)明涉及一種電-熱耦合系統(tǒng)中熱網(wǎng)的區(qū)間潮流計算方法，尤其涉及一種基于 風電不確定的電-熱耦合系統(tǒng)中熱網(wǎng)的區(qū)間潮流計算方法，屬于多能流耦合系統(tǒng)的運行安 全分析技術領域。
【背景技術】
[0002] 隨著環(huán)境污染和能源資源的限制，可再生清潔能源的廣泛應用成為未來電力能源 供應的必然趨勢，而這些可再生能源不確定性高，發(fā)電量不易控制，接入電網(wǎng)容易引起電網(wǎng) 波動。因此，僅以電網(wǎng)作為能量傳輸?shù)妮d體已漸漸不能滿足需求。在這種情況下，以電、熱、 冷、氣多種形式傳輸能量的能源互聯(lián)網(wǎng)就有其優(yōu)越性。在上述多能網(wǎng)絡中，熱電聯(lián)供網(wǎng)絡目 前發(fā)展最為迅速，自20世紀開始，在全球范圍內(nèi)就開始逐步建立熱網(wǎng)，目前，熱網(wǎng)在丹麥、瑞 典、德國、芬蘭等歐洲國家都有了一定程度的普及。目前，對于熱電聯(lián)合網(wǎng)絡的建模和潮流 計算已經(jīng)有了一系列的研究成果。
[0003]在目前所有可再生能源中，風能因其環(huán)境友好、技術成熟、零燃料成本且可持續(xù)等 優(yōu)勢，成為了最具競爭力的形式之一。近些年來風電在我國得到了快速的發(fā)展。然而，風力 發(fā)電機的出力會受到實時的風力資源隨機變化的限制，無法提供連續(xù)穩(wěn)定的功率，因此風 電是一種具有波動性、隨機性、間歇性和難以調度性的不可靠電源。在如今多能源耦合系統(tǒng) 統(tǒng)一運行模式的趨勢下，各種能源之間的相互聯(lián)系和交互作用更加緊密，迫切需要研究風 力發(fā)電機組并網(wǎng)后其不確定性對其他能源網(wǎng)絡安全性的影響。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0004] 本發(fā)明的目的是提出一種電-熱耦合系統(tǒng)中熱網(wǎng)的區(qū)間潮流計算方法，其中考慮 風電不確定性，并避免了大量的數(shù)據(jù)統(tǒng)計、復雜的計算以及過多人為假設造成的偏差，分析 風電接入后的電-熱耦合系統(tǒng)中熱網(wǎng)的穩(wěn)態(tài)運行區(qū)間。
[0005] 本發(fā)明提出的電-熱耦合系統(tǒng)中熱網(wǎng)的區(qū)間潮流計算方法，包括以下步驟：
[0006] (1)建立電-熱耦合系統(tǒng)耦合運行的穩(wěn)態(tài)數(shù)學模型，包括：
[0007] (1-1) 一個電-熱耦合系統(tǒng)中的電力系統(tǒng)潮流方程如下：
[0008]
[0009]
[0010]其中，P1為電力系統(tǒng)中第i個節(jié)點的注入有功功率，Q1為電力系統(tǒng)中第i個節(jié)點的注 入無功功率，Glj為與電力系統(tǒng)的節(jié)點導納矩陣Y中第i行、第j列相對應的電導，Blj為與電力 系統(tǒng)的節(jié)點導納矩陣Y中第i行、第j列相對應的電納，電力系統(tǒng)節(jié)點導納矩陣Y從電網(wǎng)調度 中心獲取；
[0011] (1 -2) -個電-熱耦合多能流系統(tǒng)中熱網(wǎng)的管道壓力損失方程如下：
[0012] Δ Hi = Simi I mi I，
[0013]其中，Δ H1為熱網(wǎng)中第1條管道的壓力損失，S1為第1條管道的阻力特性系數(shù)， 取值范圍為[l0,500]Pa/(kg/s)2，mi為第1條管道的流量；
[0014] (1-3)-個電-熱耦合多能流系統(tǒng)中熱網(wǎng)的循環(huán)栗水力特性方程如下：
[0015] Hp = Ho-Spm2，
[0016] 其中，Hp為循環(huán)栗揚程，Ho為循環(huán)栗靜揚程，Sp為循環(huán)栗阻力系數(shù)，Ho和&由循環(huán)栗 的出廠說明書獲取，m為流過循環(huán)栗的流量；
[0017] (1-4)-個電-熱耦合多能流系統(tǒng)中熱網(wǎng)管道熱量損失方程如下：
[0018]
[0019] 其中，Teu為熱網(wǎng)中的第1條管道的末端溫度，Thj為第1條管道的首端溫度，Ta,A 第1條管道所在的環(huán)境溫度，nu為第1條管道的流量,L1為第1條管道的長度，CP為水的比熱 容，比熱容的取值為4182焦耳/(千克·攝氏度），λ為熱網(wǎng)管道單位長度的傳熱系數(shù)，λ從電-熱耦合多能流系統(tǒng)的能量管理系統(tǒng)中獲??；
[0020] (1-5)-個電-熱耦合多能流系統(tǒng)中熱網(wǎng)中多管道匯合點的溫度方程：
[0021]
[0022]其中，也《為流出多管道匯合點的流量，（為流入多管道匯合點的流量，Tmjt為流出 多管道匯合點的水的溫度，Tin為流入多管道匯合點的水的溫度，Qj是多管道匯合點的熱功 率；
[0023] (1-6)-個通過電-熱聯(lián)供機組耦合的電力系統(tǒng)與熱網(wǎng)之間的耦合方程：
[0024]
[0025] 其中，ρ為電-熱聯(lián)供機組的有功功率，q為電-熱聯(lián)供機組的熱功率，Pk為電-熱聯(lián) 供機組運行可行域近似多邊形的第k個頂點的橫坐標，Qk為電-熱聯(lián)供機組運行可行域近似 多邊形的第k個頂點的縱坐標，ak為組合系數(shù)
NK為電-熱聯(lián)供機組的 運行可行域近似多邊形的頂點個數(shù)，電-熱聯(lián)供機組運行可行域近似多邊形從電-熱聯(lián)供機 組的出廠說明書中獲取；
[0026] (1-7) -個通過循環(huán)栗耦合的電力系統(tǒng)與熱網(wǎng)之間的耦合方程。
[0027]
[0028] 其中，Pp為循環(huán)栗消耗的有功功率，g為重力加速度，％為循環(huán)栗效率，％的取值范 圍0~l，mP為流過循環(huán)栗的流量，Hp為循環(huán)栗的揚程；
[0029] (2)通過電力系統(tǒng)中風電場的歷史紀錄數(shù)據(jù)，獲取風電場的歷史最小風速X和最大 風速V的風速變化區(qū)間[U];
[0030] (3)根據(jù)電力系統(tǒng)中風電場的風力渦輪機的出力曲線，以及上述風速的變化區(qū)間 [H]，得到風電出力的變化區(qū)間
[0031]
[0032]其中，P1W為第1個風電機組的的有功出力，風力渦輪機的出力曲線由風力渦輪機的 出廠說明書獲取；
[0033] (4)設定電力系統(tǒng)與熱網(wǎng)穩(wěn)態(tài)安全運行的約束條件，包括：
[0034] (4-1)電力系統(tǒng)中非風力發(fā)電機組的輸出功率于或等于該非風力發(fā)電機組 出廠銘牌上給出的最大功率P tT :
[0035] ifO
[0036] (4-2)電力系統(tǒng)第i個節(jié)點的電壓幅值Ui在設定的電力系統(tǒng)安全運行電壓的上、下 限值之內(nèi)，蟲為第i個節(jié)點額定電壓的0.95倍，￡7；為第i個節(jié)點額定電壓的1.05倍：
[0037] Ui ^Ui
[0038] (4-3)電力系統(tǒng)中第1條線路的傳輸容量小于或等于設定的電力系統(tǒng)安全運行傳 輸容量的最大值昆：
[0039] S,<St·,
[0040] (4-4)熱網(wǎng)中第1條管道的流量m小于或等于熱網(wǎng)安全運行流量的上限值碑：
[0041 ] O < in, < ITh ；
[0042] (4-5)熱網(wǎng)中換熱站回水溫度T在設定的熱網(wǎng)安全運行回水溫度的上、下限值I，f 之間：
[0043] T<T<f ；
[0044] (5)利用內(nèi)點法，在上述步驟(3)給定的風電功率的變化區(qū)|W
3,根據(jù)上 述步驟（1)的電-熱耦合系統(tǒng)耦合運行的穩(wěn)態(tài)方程和上述步驟(4)的電力系統(tǒng)與熱網(wǎng)穩(wěn)態(tài)安 全運行的穩(wěn)態(tài)約束方程，求解得到熱網(wǎng)區(qū)間潮流，即得到電-熱耦合系統(tǒng)中熱網(wǎng)中換熱站回 水溫度T、管道流量m的運行范圍。
[0045] 本發(fā)明提出的電-熱耦合系統(tǒng)中熱網(wǎng)的區(qū)間潮流計算方法，其特點和效果是:本方 法采取區(qū)間潮流的分析方法，一方面在多種能源系統(tǒng)耦合運行的發(fā)展趨勢下，考慮了風電 不確定性對其他能源網(wǎng)（熱力網(wǎng)絡)穩(wěn)態(tài)運行的影響，為耦合能源系統(tǒng)的安全穩(wěn)定控制或管 道規(guī)劃提供了依據(jù)；另一方面避免了大量的數(shù)據(jù)統(tǒng)計和復雜的數(shù)學模型及計算，同時該方 法只需要區(qū)間信息，不需要估計隸屬度信息等，避免了因人為假設的主觀性帶來的誤差。該 方法可以應用于電-熱耦合多能流系統(tǒng)的能量管理中，當系統(tǒng)存在安全問題或潛在風險時 給出安全警告，有助于提高電-熱耦合多能流系統(tǒng)運行的安全性。
【具體實施方式】
[0046] 本發(fā)明提出的電-熱耦合系統(tǒng)中熱網(wǎng)的區(qū)間潮流計算方法，包括以下步驟：
[0047] (1)建立電-熱耦合系統(tǒng)耦合運行的穩(wěn)態(tài)數(shù)學模型，包括：
[0048] (1-1) 一個電-熱耦合系統(tǒng)中的電力系統(tǒng)潮流方程如下：
[0049]
[0050]
[0051]其中，P1為電力系統(tǒng)中第i個節(jié)點的注入有功功率，Q1為電力系統(tǒng)中第i個節(jié)點的注 入無功功率，Gij為與電力系統(tǒng)的節(jié)點導納矩陣Y中第i行、第j列相對應的電導，Bij為與電力 系統(tǒng)的節(jié)點導納矩陣Y中第i行、第j列相對應的電納，電力系統(tǒng)節(jié)點導納矩陣Y從電網(wǎng)調度 中心獲取；
[0052] (1-2)-個電-熱耦合多能流系統(tǒng)中熱網(wǎng)的管道壓力損失方程如下：
[0053] Δ Hi = Simi |mi I，
[0054] 其中，Δ H1為熱網(wǎng)中第1條管道的壓力損失，S1為第1條管道的阻力特性系數(shù)， 取值范圍為[l0,500]Pa/(kg/s)2，mi為第1條管道的流量；
[0055] (1-3) -個電-熱耦合多能流系統(tǒng)中熱網(wǎng)的循環(huán)栗水力特性方程如下：
[0056]
[0057] 其中，Hp為循環(huán)栗揚程，Ho為循環(huán)栗靜揚程，Sp為循環(huán)栗阻力系數(shù)，Ho和&由循環(huán)栗 的出廠說明書獲取，m為流過循環(huán)栗的流量；
[0058] (1-4)一個電-熱耦合多能流系統(tǒng)中熱網(wǎng)管道熱量損失方程如下：
[0059]
[0060] 其中，Te,1為熱網(wǎng)中的第1條管道的末端溫度，Th,1為第1條管道的首端溫度，Ta,1為 第1條管道所在的環(huán)境溫度，nu為第1條管道的流量,L 1為第1條管道的長度，CP為水的比熱 容，比熱容的取值為4182焦耳/(千克·攝氏度），λ為熱網(wǎng)管道單位長度的傳熱系數(shù)，λ從電-熱耦合多能流系統(tǒng)的能量管理系統(tǒng)中獲?。?br>[0061] (1-5)-個電-熱耦合多能流系統(tǒng)中熱網(wǎng)中多管道匯合點的溫度方程：
[0062]
[0063]其中，、為流出多管道匯合點的流量，九為流入多管道匯合點的流量，Tciut為流出 多管道匯合點的水的溫度，Tin為流入多管道匯合點的水的溫度，Qj是多管道匯合點的熱功 率；
[0064] (1 -6) -個通過電-熱聯(lián)供機組耦合的電力系統(tǒng)與熱網(wǎng)之間的耦合方程：
[0065]
，
[0066] 其中，ρ為電-熱聯(lián)供機組的有功功率，q為電-熱聯(lián)供機組的熱功率，Pk為電-熱聯(lián) 供機組運行可行域近似多邊形的第k個頂點的橫坐標，Qk為電-熱聯(lián)供機組運行可行域近似 多邊形的第k個頂點的縱坐標，ak為組合系數(shù)，
NK為電-熱聯(lián)供機組的 運行可行域近似多邊形的頂點個數(shù)，電-熱聯(lián)供機組運行可行域近似多邊形從電-熱聯(lián)供機 組的出廠說明書中獲?。?br>[0067] (1-7) -個通過循環(huán)栗耦合的電力系統(tǒng)與熱網(wǎng)之間的耦合方程。
[0068]
[0069] 其中，Pp為循環(huán)栗消耗的有功功率，g為重力加速度，％為循環(huán)栗效率，％的取值范 圍0~l，mP為流過循環(huán)栗的流量，Hp為循環(huán)栗的揚程；
[0070] (2)通過電力系統(tǒng)中風電場的歷史紀錄數(shù)據(jù)，獲取風電場的歷史最小風速X和最大 風速f的風速變化區(qū)間[1可；
[0071] (3)根據(jù)電力系統(tǒng)中風電場的風力渦輪機的出力曲線，以及上述風速的變化區(qū)間 [心可，得到風電出力的變化區(qū)間
[0072]
[0073] 其中，P1W為第1個風電機組的的有功出力，風力渦輪機的出力曲線由風力渦輪機的 出廠說明書獲?。?br>[0074] (4)設定電力系統(tǒng)與熱網(wǎng)穩(wěn)態(tài)安全運行的約束條件，包括：
[0075] (4-1)電力系統(tǒng)中非風力發(fā)電機組的輸出功率于或等于該非風力發(fā)電機組 出廠銘牌上給出的最大功率P n=:
[0076]
[0077] (4-2)電力系統(tǒng)第i個節(jié)點的電壓幅值仏在設定的電力系統(tǒng)安全運行電壓的上、下 限值少、G之內(nèi)，蟲為第i個節(jié)點額定電壓的0.95倍，G為第i個節(jié)點額定電壓的1.05倍： [0078] Ui^V%
[0079] (4-3)電力系統(tǒng)中第1條線路的傳輸容量小于或等于設定的電力系統(tǒng)安全運行傳 輸容量的最大值冢:：
[0080] .S；, < S1 ；
[0081] (4-4)熱網(wǎng)中第1條管道的流量m小于或等于熱網(wǎng)安全運行流量的上限值碎.
[0082] 0 < m, < Irii ；
[0083] (4-5)熱網(wǎng)中換熱站回水溫度T在設定的熱網(wǎng)安全運行回水溫度的上、下限值I，F(xiàn) 之間：
[0084]
[0085] (5)利用內(nèi)點法，在上述步驟(3)給定的風電功率的變化區(qū)間[€in,Gl]內(nèi)，根據(jù)上 述步驟（1)的電-熱耦合系統(tǒng)耦合運行的穩(wěn)態(tài)方程和上述步驟(4)的電力系統(tǒng)與熱網(wǎng)穩(wěn)態(tài)安 全運行的穩(wěn)態(tài)約束方程，求解得到熱網(wǎng)區(qū)間潮流，即得到電-熱耦合系統(tǒng)中熱網(wǎng)中換熱站回 水溫度T、管道流量m的運行范圍。
【主權項】
1. 一種電-熱耦合系統(tǒng)中熱網(wǎng)的區(qū)間潮流計算方法，其特征在于該方法包括以下步驟： (1)建立電-熱耦合系統(tǒng)耦合運行的穩(wěn)態(tài)數(shù)學模型，包括： (1-1) 一個電-熱耦合系統(tǒng)中的電力系統(tǒng)潮流方程如下：其中，P1為電力系統(tǒng)中第i個節(jié)點的注入有功功率，Q1為電力系統(tǒng)中第i個節(jié)點的注入無 功功率，Gij為與電力系統(tǒng)的節(jié)點導納矩陣Y中第i行、第j列相對應的電導，Bij為與電力系統(tǒng) 的節(jié)點導納矩陣Y中第i行、第j列相對應的電納，電力系統(tǒng)節(jié)點導納矩陣Y從電網(wǎng)調度中心 獲??； (1-2)-個電-熱耦合多能流系統(tǒng)中熱網(wǎng)的管道壓力損失方程如下： A Hi = Simi |mi |， 其中，A Hi為熱網(wǎng)中第1條管道的壓力損失，Si為第1條管道的阻力特性系數(shù)，Si的取值 范圍為[l〇,500]Pa/(kg/s)2，mi為第1條管道的流量； (1-3)-個電-熱耦合多能流系統(tǒng)中熱網(wǎng)的循環(huán)栗水力特性方程如下： Hp = H〇-SPm2, 其中，Hp為循環(huán)栗揚程，Ho為循環(huán)栗靜揚程，SP為循環(huán)栗阻力系數(shù)，HdPSP由循環(huán)栗的出 廠說明書獲取，m為流過循環(huán)栗的流量； (1-4) 一個電-熱耦合多能流系統(tǒng)中熱網(wǎng)管道熱量損失方程如下：其中，Te>1為熱網(wǎng)中的第1條管道的末端溫度，Th>1為第1條管道的首端溫度，T a>1為第1條 管道所在的環(huán)境溫度，nu為第1條管道的流量，Li為第1條管道的長度，CP為水的比熱容，比熱 容的取值為4182焦耳/(千克·攝氏度），λ為熱網(wǎng)管道單位長度的傳熱系數(shù)，λ從電-熱耦合 多能流系統(tǒng)的能量管理系統(tǒng)中獲??； (1-5)-個電-熱耦合多能流系統(tǒng)中熱網(wǎng)中多管道匯合點的溫度方程： 其中，'為流出多管道匯合點的流量，九為流入多管道匯合點的流量，Tout為流出多管 道匯合點的水的溫度，Tin為流入多管道匯合點的水的溫度，Qj是多管道匯合點的熱功率； (1-6)-個通過電-熱聯(lián)供機組耦合的電力系統(tǒng)與熱網(wǎng)之間的耦合方程： ρ=Σμ pt' ? = Σ/!?ι akQk ^ 其中，P為電-熱聯(lián)供機組的有功功率，q為電-熱聯(lián)供機組的熱功率，pk為電-熱聯(lián)供機組 運行可行域近似多邊形的第k個頂點的橫坐標，Qk為電-熱聯(lián)供機組運行可行域近似多邊形 的第k個頂點的縱坐標，a k為組合系數(shù)，^^^^，(^々^，疆為電-熱聯(lián)供機組的運行可 行域近似多邊形的頂點個數(shù)，電-熱聯(lián)供機組運行可行域近似多邊形從電-熱聯(lián)供機組的出 廠說明書中獲?。? (1-7) -個通過循環(huán)栗耦合的電力系統(tǒng)與熱網(wǎng)之間的耦合方程。其中，Pp為循環(huán)栗消耗的有功功率，g為重力加速度，nP為循環(huán)栗效率，％的取值范圍ο~ 1，mP為流過循環(huán)栗的流量，ΗΡ為循環(huán)栗的揚程； (2) 通過電力系統(tǒng)中風電場的歷史紀錄數(shù)據(jù)，獲取風電場的歷史最小風速X和最大風速 7的風速變化區(qū)間[):.▽]; (3) 根據(jù)電力系統(tǒng)中風電場的風力渦輪機的出力曲線，以及上述風速的變化區(qū)間[1「1 得到風電出力的變化區(qū)間 P ' <r P11 <T P11 ^ min. ~ 1 i 一·^ max. ? 其中，if為第1個風電機組的的有功出力，風力渦輪機的出力曲線由風力渦輪機的出廠 說明書獲??； (4) 設定電力系統(tǒng)與熱網(wǎng)穩(wěn)態(tài)安全運行的約束條件，包括： (4-1)電力系統(tǒng)中非風力發(fā)電機組的輸出功率if"小于或等于該非風力發(fā)電機組出廠 銘牌上給出的最大功率 pi? < p'ien . (4-2)電力系統(tǒng)第i個節(jié)點的電壓幅值Ui在設定的電力系統(tǒng)安全運行電壓的上、下限值 少、^；之內(nèi)，蟲為第i個節(jié)點額定電壓的0.95倍，彷為第i個節(jié)點額定電壓的1.05倍： (4-3)電力系統(tǒng)中第1條線路的傳輸容量小于或等于設定的電力系統(tǒng)安全運行傳輸容 量的最大值5", .S： < S,； (4-4)熱網(wǎng)中第1條管道的流量m小于或等于熱網(wǎng)安全運行流量的上限值洱: 0. m, < in,； (4-5)熱網(wǎng)中換熱站回水溫度T在設定的熱網(wǎng)安全運行回水溫度的上、下限值I，F(xiàn)之間： T <T <Τ； (5) 利用內(nèi)點法，在上述步驟(3)給定的風電功率的變化區(qū)間內(nèi)，根據(jù)上述步 驟(1)的電-熱耦合系統(tǒng)耦合運行的穩(wěn)態(tài)方程和上述步驟(4)的電力系統(tǒng)與熱網(wǎng)穩(wěn)態(tài)安全運 行的穩(wěn)態(tài)約束方程，求解得到熱網(wǎng)區(qū)間潮流，即得到電-熱耦合系統(tǒng)中熱網(wǎng)中換熱站回水溫 度T、管道流量m的運行范圍。
【文檔編號】G06Q50/06GK106056478SQ201610408979
【公開日】2016年10月26日
【申請日】2016年6月12日
【發(fā)明人】孫宏斌, 郭慶來, 王彬, 喬錚, 潘昭光
【申請人】清華大學