一种电‑热耦合系统中热网的区间潮流计算方法

摘要

本发明涉及一种电‑热耦合系统中热网的区间潮流计算方法，属于多能流耦合系统的运行安全分析技术领域。该方法采取区间潮流的分析方法，一方面在多种能源系统耦合运行的发展趋势下，考虑了风电不确定性对其他能源网(热力网络)稳态运行的影响，为耦合能源系统的安全稳定控制或管道规划提供了依据；另一方面避免了大量的数据统计和复杂的数学模型及计算，同时该方法只需要区间信息，不需要估计隶属度信息等，避免了因人为假设的主观性带来的误差。该方法可以应用于电‑热耦合多能流系统的能量管理中，当系统存在安全问题或潜在风险时给出安全警告，有助于提高电‑热耦合多能流系统运行的安全性。

说明书

技术领域

本发明涉及一种电-热耦合系统中热网的区间潮流计算方法，尤其涉及一种基于风电不确定的电-热耦合系统中热网的区间潮流计算方法，属于多能流耦合系统的运行安全分析技术领域。

背景技术

随着环境污染和能源资源的限制，可再生清洁能源的广泛应用成为未来电力能源供应的必然趋势，而这些可再生能源不确定性高，发电量不易控制，接入电网容易引起电网波动。因此，仅以电网作为能量传输的载体已渐渐不能满足需求。在这种情况下，以电、热、冷、气多种形式传输能量的能源互联网就有其优越性。在上述多能网络中，热电联供网络目前发展最为迅速，自20世纪开始，在全球范围内就开始逐步建立热网，目前，热网在丹麦、瑞典、德国、芬兰等欧洲国家都有了一定程度的普及。目前，对于热电联合网络的建模和潮流计算已经有了一系列的研究成果。

在目前所有可再生能源中，风能因其环境友好、技术成熟、零燃料成本且可持续等优势，成为了最具竞争力的形式之一。近些年来风电在我国得到了快速的发展。然而，风力发电机的出力会受到实时的风力资源随机变化的限制，无法提供连续稳定的功率，因此风电是一种具有波动性、随机性、间歇性和难以调度性的不可靠电源。在如今多能源耦合系统统一运行模式的趋势下，各种能源之间的相互联系和交互作用更加紧密，迫切需要研究风力发电机组并网后其不确定性对其他能源网络安全性的影响。

发明内容

本发明的目的是提出一种电-热耦合系统中热网的区间潮流计算方法，其中考虑风电不确定性，并避免了大量的数据统计、复杂的计算以及过多人为假设造成的偏差，分析风电接入后的电-热耦合系统中热网的稳态运行区间。

本发明提出的电-热耦合系统中热网的区间潮流计算方法，包括以下步骤：

(1)建立电-热耦合系统耦合运行的稳态数学模型，包括：

(1-1)一个电-热耦合系统中的电力系统潮流方程如下：

$P^i=U_i\underset{j\in i}{\Sigma }{U}_j\left(G_{ij}cos\right({\theta }_i-{\theta }_j)+B_{ij}sin({\theta }_i-{\theta }_j\left)\right),i,j=1,2,...n$

$Q^i=U_i\underset{j\in i}{\Sigma }{U}_j\left(G_{ij}\sin \right({\theta }_i-{\theta }_j)-B_{ij}\cos ({\theta }_i-{\theta }_j\left)\right),i,j=1,2,...n$

其中，Pⁱ为电力系统中第i个节点的注入有功功率，Qⁱ为电力系统中第i个节点的注入无功功率，G_ij为与电力系统的节点导纳矩阵Y中第i行、第j列相对应的电导，B_ij为与电力系统的节点导纳矩阵Y中第i行、第j列相对应的电纳，电力系统节点导纳矩阵Y从电网调度中心获取；

(1-2)一个电‐热耦合多能流系统中热网的管道压力损失方程如下：

ΔH_l＝S_lm_l|m_l|，

其中，ΔH_l为热网中第l条管道的压力损失，S_l为第l条管道的阻力特性系数，S_l的取值范围为[10,500]Pa/(kg/s)²，m_l为第l条管道的流量；

(1-3)一个电‐热耦合多能流系统中热网的循环泵水力特性方程如下：

H_P＝H₀-S_pm²，

其中，H_P为循环泵扬程，H₀为循环泵静扬程，S_p为循环泵阻力系数，H₀和S_p由循环泵的出厂说明书获取，m为流过循环泵的流量；

(1-4)一个电‐热耦合多能流系统中热网管道热量损失方程如下：

$T_{e,l}=(T_{h,l}-T_{a,l})e^{-\frac{{\mathrm{\lambda L}}_l}{C_p{m}_l}}+T_{a,l}$

其中，T_e,l为热网中的第l条管道的末端温度，T_h,l为第l条管道的首端温度，T_a,l为第l条管道所在的环境温度，m_l为第l条管道的流量，L_l为第l条管道的长度，C_p为水的比热容，比热容的取值为4182焦耳/(千克·摄氏度)，λ为热网管道单位长度的传热系数，λ从电-热耦合多能流系统的能量管理系统中获取；

(1-5)一个电‐热耦合多能流系统中热网中多管道汇合点的温度方程：

$\left(\Sigma {\stackrel{·}{m}}_{out}\right)T_{out}=\Sigma \left({\stackrel{·}{m}}_{in}{T}_{in}\right)-Q_J,$

其中，为流出多管道汇合点的流量，为流入多管道汇合点的流量，T_out为流出多管道汇合点的水的温度，T_in为流入多管道汇合点的水的温度，Q_J是多管道汇合点的热功率；

(1-6)一个通过电‐热联供机组耦合的电力系统与热网之间的耦合方程：

$p={\Sigma }_{k=1}^{NK}{\alpha }^k{P}^k,q={\Sigma }_{k=1}^{NK}{\alpha }^k{Q}^k,$

其中，p为电-热联供机组的有功功率，q为电-热联供机组的热功率，P^k为电-热联供机组运行可行域近似多边形的第k个顶点的横坐标，Q^k为电-热联供机组运行可行域近似多边形的第k个顶点的纵坐标，α^k为组合系数，0≤α^k≤1，NK为电-热联供机组的运行可行域近似多边形的顶点个数，电-热联供机组运行可行域近似多边形从电-热联供机组的出厂说明书中获取；

(1-7)一个通过循环泵耦合的电力系统与热网之间的耦合方程。

$P_p=\frac{m_P{\mathrm{gH}}_p}{{10}^6{\eta }_P}$

其中，P_P为循环泵消耗的有功功率，g为重力加速度，η_P为循环泵效率，η_P的取值范围0～1，m_P为流过循环泵的流量，H_P为循环泵的扬程；

(2)通过电力系统中风电场的历史纪录数据，获取风电场的历史最小风速v和最大风速的风速变化区间

(3)根据电力系统中风电场的风力涡轮机的出力曲线，以及上述风速的变化区间得到风电出力的变化区间

$P_{min}^w\le P_l^w\le P_{max}^w,$

其中，P_l^w为第l个风电机组的的有功出力，风力涡轮机的出力曲线由风力涡轮机的出厂说明书获取；

(4)设定电力系统与热网稳态安全运行的约束条件，包括：

(4-1)电力系统中非风力发电机组的输出功率小于或等于该非风力发电机组出厂铭牌上给出的最大功率

$P_i^{gen}\le P_{max}^{gen};$

(4-2)电力系统第i个节点的电压幅值U_i在设定的电力系统安全运行电压的上、下限值U_i、之内，U_i为第i个节点额定电压的0.95倍，为第i个节点额定电压的1.05倍：

${\underset{‾}{U}}_i\le U_i\le {\bar{U}}_i;$

(4-3)电力系统中第l条线路的传输容量小于或等于设定的电力系统安全运行传输容量的最大值

$S_l\le {\bar{S}}_l;$

(4-4)热网中第l条管道的流量m_l小于或等于热网安全运行流量的上限值

$0\le m_l\le {\bar{m}}_l;$

(4-5)热网中换热站回水温度T在设定的热网安全运行回水温度的上、下限值T，之间：

$\underset{‾}{T}\le T\le \bar{T};$

(5)利用内点法，在上述步骤(3)给定的风电功率的变化区间内，根据上述步骤(1)的电-热耦合系统耦合运行的稳态方程和上述步骤(4)的电力系统与热网稳态安全运行的稳态约束方程，求解得到热网区间潮流，即得到电-热耦合系统中热网中换热站回水温度T、管道流量m的运行范围。

本发明提出的电-热耦合系统中热网的区间潮流计算方法，其特点和效果是：本方法采取区间潮流的分析方法，一方面在多种能源系统耦合运行的发展趋势下，考虑了风电不确定性对其他能源网(热力网络)稳态运行的影响，为耦合能源系统的安全稳定控制或管道规划提供了依据；另一方面避免了大量的数据统计和复杂的数学模型及计算，同时该方法只需要区间信息，不需要估计隶属度信息等，避免了因人为假设的主观性带来的误差。该方法可以应用于电-热耦合多能流系统的能量管理中，当系统存在安全问题或潜在风险时给出安全警告，有助于提高电-热耦合多能流系统运行的安全性。

具体实施方式

本发明提出的电-热耦合系统中热网的区间潮流计算方法，包括以下步骤：

(1)建立电-热耦合系统耦合运行的稳态数学模型，包括：

(1-1)一个电-热耦合系统中的电力系统潮流方程如下：

$P^i=U_i\underset{j\in i}{\Sigma }{U}_j\left(G_{ij}cos\right({\theta }_i-{\theta }_j)+B_{ij}sin({\theta }_i-{\theta }_j\left)\right),i,j=1,2,...n$

$Q^i=U_i\underset{j\in i}{\Sigma }{U}_j\left(G_{ij}\sin \right({\theta }_i-{\theta }_j)-B_{ij}\cos ({\theta }_i-{\theta }_j\left)\right),i,j=1,2,...n$

其中，Pⁱ为电力系统中第i个节点的注入有功功率，Qⁱ为电力系统中第i个节点的注入无功功率，G_ij为与电力系统的节点导纳矩阵Y中第i行、第j列相对应的电导，B_ij为与电力系统的节点导纳矩阵Y中第i行、第j列相对应的电纳，电力系统节点导纳矩阵Y从电网调度中心获取；

(1-2)一个电‐热耦合多能流系统中热网的管道压力损失方程如下：

ΔH_l＝S_lm_l|m_l|，

其中，ΔH_l为热网中第l条管道的压力损失，S_l为第l条管道的阻力特性系数，S_l的取值范围为[10,500]Pa/(kg/s)²，m_l为第l条管道的流量；

(1-3)一个电‐热耦合多能流系统中热网的循环泵水力特性方程如下：

H_P＝H₀-S_pm²，

其中，H_P为循环泵扬程，H₀为循环泵静扬程，S_p为循环泵阻力系数，H₀和S_p由循环泵的出厂说明书获取，m为流过循环泵的流量；

(1-4)一个电‐热耦合多能流系统中热网管道热量损失方程如下：

$T_{e,l}=(T_{h,l}-T_{a,l})e^{-\frac{{\mathrm{\lambda L}}_l}{C_p{m}_l}}+T_{a,l}$

其中，T_e,l为热网中的第l条管道的末端温度，T_h,l为第l条管道的首端温度，T_a,l为第l条管道所在的环境温度，m_l为第l条管道的流量，L_l为第l条管道的长度，C_p为水的比热容，比热容的取值为4182焦耳/(千克·摄氏度)，λ为热网管道单位长度的传热系数，λ从电-热耦合多能流系统的能量管理系统中获取；

(1-5)一个电‐热耦合多能流系统中热网中多管道汇合点的温度方程：

$\left(\Sigma {\stackrel{·}{m}}_{out}\right)T_{out}=\Sigma \left({\stackrel{·}{m}}_{in}{T}_{in}\right)-Q_J,$

其中，为流出多管道汇合点的流量，为流入多管道汇合点的流量，T_out为流出多管道汇合点的水的温度，T_in为流入多管道汇合点的水的温度，Q_J是多管道汇合点的热功率；

(1-6)一个通过电‐热联供机组耦合的电力系统与热网之间的耦合方程：

$p={\Sigma }_{k=1}^{NK}{\alpha }^k{P}^k,q={\Sigma }_{k=1}^{NK}{\alpha }^k{Q}^k,$

其中，p为电-热联供机组的有功功率，q为电-热联供机组的热功率，P^k为电-热联供机组运行可行域近似多边形的第k个顶点的横坐标，Q^k为电-热联供机组运行可行域近似多边形的第k个顶点的纵坐标，α^k为组合系数，0≤α^k≤1，NK为电-热联供机组的运行可行域近似多边形的顶点个数，电-热联供机组运行可行域近似多边形从电-热联供机组的出厂说明书中获取；

(1-7)一个通过循环泵耦合的电力系统与热网之间的耦合方程。

$P_p=\frac{m_P{\mathrm{gH}}_p}{{10}^6{\eta }_P}$

其中，P_P为循环泵消耗的有功功率，g为重力加速度，η_P为循环泵效率，η_P的取值范围0～1，m_P为流过循环泵的流量，H_P为循环泵的扬程；

(2)通过电力系统中风电场的历史纪录数据，获取风电场的历史最小风速v和最大风速的风速变化区间

(3)根据电力系统中风电场的风力涡轮机的出力曲线，以及上述风速的变化区间得到风电出力的变化区间

$P_{min}^w\le P_l^k\le P_{max}^w,$

其中，P_l^w为第l个风电机组的的有功出力，风力涡轮机的出力曲线由风力涡轮机的出厂说明书获取；

(4)设定电力系统与热网稳态安全运行的约束条件，包括：

(4-1)电力系统中非风力发电机组的输出功率小于或等于该非风力发电机组出厂铭牌上给出的最大功率

$P_i^{gen}\le P_{max}^{gen};$

(4-2)电力系统第i个节点的电压幅值U_i在设定的电力系统安全运行电压的上、下限值U_i、之内，U_i为第i个节点额定电压的0.95倍，为第i个节点额定电压的1.05倍：

${\underset{‾}{U}}_i\le U_i\le {\bar{U}}_i;$

(4-3)电力系统中第l条线路的传输容量小于或等于设定的电力系统安全运行传输容量的最大值

$S_l\le {\bar{S}}_l;$

(4-4)热网中第l条管道的流量m_l小于或等于热网安全运行流量的上限值

$0\le m_l\le {\bar{m}}_l;$

(4-5)热网中换热站回水温度T在设定的热网安全运行回水温度的上、下限值T，之间：

$\underset{‾}{T}\le T\le \bar{T};$

(5)利用内点法，在上述步骤(3)给定的风电功率的变化区间内，根据上述步骤(1)的电-热耦合系统耦合运行的稳态方程和上述步骤(4)的电力系统与热网稳态安全运行的稳态约束方程，求解得到热网区间潮流，即得到电-热耦合系统中热网中换热站回水温度T、管道流量m的运行范围。