一种综合能源系统中气热系统惯性特征的评估方法及模型

摘要

本发明涉及综合能源系统领域，尤其是一种综合能源系统中气热系统惯性特征的评估方法，通过分析综合能源系统中气热系统物理原理，分别建立表征天然气末端压强与末端流量变化关系的二阶暂态模型、表征热负荷建筑室内温度与热网供热功率变化关系的一阶暂态模型，继而将天然气末端压强、热负荷建筑室内温度统一视为惯性变化参数，将天然气末端流量、热网供热功率统一视为瞬时变化参数，统一求解得暂态响应模型，在此基础上，统一分析综合能源系统气热惯性特征，同时考虑实际综合能源系统惯性变化参数约束条件，进一步精细化建模，评估实际综合能源系统气热惯性特征。本发明可合理的评估综合能源系统气热惯性特征。

说明书

技术领域

本发明涉及综合能源系统领域，尤其是一种综合能源系统中气热系统惯性特征的评估方法及模型。

背景技术

近年来，由于环境污染、能源危机日益严重，综合能源系统发展迅速。综合能源系统中电气热多能系统交互运行，能够提高能源利用效率、促进新能源消纳，同时，综合能源系统多能耦合使其具有多时间尺度特征，其中，天然气系统、热力系统的慢动态特性蕴含着丰富的灵活性，可以充分挖掘气热系统惯性特征，通过协调优化为综合能源系统安全可靠运行提供支撑。

针对天然气系统，已有研究从天然气管道气管存角度出发，挖掘综合能源系统灵活性，用于综合能源系统备用配置、调频策略、可靠性评估等不同场景。系统发生功率波动时，由于天然气末端压强无法瞬时改变，天然气管道的管存特性能够起到一定缓冲作用，为外部提供一定时间尺度的功率支撑，从而提高系统运行稳定性。

针对热力系统，已有研究从热传输管道热时滞特性、热负荷建筑温度舒适度区间等角度出发，挖掘综合能源系统灵活性，用于综合能源系统优化运行、备用配置、灵活性评估等不同场景。一方面，热传输管道较长，热能传输存在一定时间差；另一方面，热负荷建筑内用户存在温度舒适度区间，两者均起到一定缓冲作用，能够帮助系统安全稳定运行，但现有研究技术仍然存在不足之处，已有研究尚未对气热系统蕴含的惯性特征进行充分挖掘，仅开展一般定性研究，缺乏精细化建模，缺乏针对气热惯性特征的统一分析，为此，本发明提出了一种综合能源系统中气热系统惯性特征的评估方法及模型。

发明内容

为解决现有技术中的问题，本发明提出了一种综合能源系统中气热系统惯性特征的评估方法及模型。

为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：

一种综合能源系统中气热系统惯性特征的评估方法及模型，包括以下步骤：

建立描述气体末端压强与末端流量变化关系的气体系统暂热模型以及描述热负荷建筑室内温度与热网供热功率变化关系的热力系统暂态模型；

根据气体系统暂热模型和热力系统暂热模型建立反映惯性变化参数与瞬时变化参数关系的暂态响应模型，所述惯性变化参数包括气体末端压强和热负荷建筑室内温度，所述瞬时变化参数包括气体末端流量和热网供热功率；

根据所述暂态响应模型判断气热系统是否具备惯性特征。

在一些实施例中，所述气体系统暂热模型包括：

其中，S为气体管道横截面积，L为气体管道长度，R

在一些实施例中，所述热力系统暂态模型包括：

其中，C

在一些实施例中，所述暂态响应模型包括：

其中，y(t)表示t时刻的惯性变化参数，z(t)表示t时刻的瞬时变化参数，A、B、C、D和E为转换成所述暂态响应模型中惯性变化参数/瞬时变化参数前相应的系数，F为所述暂态响应模型中的常量，当暂态响应模型用于描述气惯性暂态响应过程时，参数满足：

当暂态响应模型用于描述热惯性暂态响应过程时，参数满足：

A＝0，B＝C

在一些实施例中，所述暂态响应模型的方程转化到拉普拉斯域，并通过拉普拉斯逆变换转化为时域结果：

根据时域结果进行判断，若综合能源系统惯性变化参数气体末端压强和热负荷建筑室内温度均无法瞬时变化，而是相对缓慢地以负指数形式变化，则气热系统具备惯性特征。

在一些实施例中，所述惯性变化参数的约束条件为：y

若系统发生功率缺额，t

若t

一种用于评估综合能源系统中气热系统惯性特征的模型，包括：

在一些实施例中，所述惯性变化参数包括气体末端压强和热负荷建筑室内温度，所述瞬时变化参数包括气体末端流量和热网供热功率。

在一些实施例中，所述模型还包括气热惯性统一模型，所述气热惯性统一模型用于反应气热系统的惯性特征应用于综合能源系统功率调节的参数特征。

在一些实施例中，所述气热惯性统一模型对惯性变化参数的约束条件为：y

若系统发生功率缺额，t

若t

本发明的有益效果：

1、本发明通过对气热系统蕴含的惯性特征进行充分挖掘，并开展精细化建模，从而有效量化综合能源系统蕴含的灵活性；

2、本发明考虑到气惯性和热惯性本质相似性，针对气热惯性特征进行统一分析；

3、本发明通过对天然气系统蕴含的灵活性或热力系统蕴含的灵活性开展综合评估和协调优化，以实际应对综合能源系统功率缺额问题，提高系统运行的可靠性和经济性。

附图说明

图1为本发明流程图；

图2为本发明惯性变化参数与瞬时变化参数关系示意图；

图3为本发明综合能源系统气热惯性特征示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

参照图1-3，一种综合能源系统中气热系统惯性特征的评估方法及模型，具体包括以下步骤：

S1，基于综合能源系统中气热系统物理原理，例如，以天然气为例，分别建立气热系统暂态模型，得到描述天然气末端压强与末端流量变化关系的二阶暂态方程以及描述热负荷建筑室内温度与热网供热功率变化关系的一阶暂态方程；

考虑到天然气管道暂态传输过程，利用有限元近似方法，整理得到描述天然气末端压强与末端流量变化关系的二阶暂态模型：

其中，S为天然气管道横截面积，L为天然气管道长度，R

考虑热负荷建筑物热损耗、热惯性，假设室外温度维持T

其中，C

S2，将天然气末端压强、热负荷建筑室内温度统一视为惯性变化参数，将天然气末端流量、热网供热功率统一视为瞬时变化参数，统一求解气热系统暂态方程后，得到反映惯性变化参数与瞬时变化参数关系的暂态响应模型；

依据以上气热系统暂态模型，天然气末端压强、热负荷建筑室内温度均可视为惯性变化参数，天然气末端流量、热网供热功率均可视为瞬时变化参数，据此，气热系统暂态模型可简化为统一形式的常微分方程如下：

其中，y(t)表示惯性变化参数，z(t)表示瞬时变化参数，其中A、B、C、D、E和F分别可由气热系统暂态模型方程直接获得，当暂态响应模型用于描述气惯性暂态响应过程时，参数满足：

当暂态响应模型用于描述热惯性暂态响应过程时，参数满足：A＝0，B＝C

将该方程转化到拉普拉斯域如下：

As

求解后通过拉普拉斯逆变换将其转化为时域结果：

上式反映了惯性变化参数和瞬时变化参数的关系，由上述惯性变化参数响应模型可知，当瞬时变化参数以阶跃函数形式变化时，惯性变化参数将以负指数形式变化，因此，综合能源系统中，气热系统具备的惯性特征在于，无论系统发生瞬时功率缺额或功率恢复，惯性变化参数都无法瞬时变化，而是相对缓慢地以负指数形式变化。

所述步骤S3中综合能源系统气热惯性特征统一分析，其特征在于，综合能源系统气热惯性特征为：系统发生瞬时功率缺额或功率恢复时，气热瞬时变化参数发生阶跃式变化，而气热惯性变化参数相对缓慢地以负指数形式变化；

具体来说，系统发生功率缺额时，惯性变化参数缓慢偏离正常值，可在较长时间内不越限；但是，系统功率恢复时，惯性变化参数亦需要缓慢恢复到正常值，系统在较长时间内无法运行在正常状态。惯性变化参数与瞬时变化参数关系如图2所示；

S3，分析综合能源系统中气热系统具备的惯性特征，无论系统发生瞬时功率缺额或功率恢复，惯性变化参数都无法瞬时变化，而是相对缓慢地以负指数形式变化，在此基础上统一分析综合能源系统气热惯性特征；

S4，考虑实际综合能源系统惯性变化参数约束条件，进行精细化建模，构建系统气热惯性统一模型以研究功率支撑大小、连续投入时间、连续修正时间之间的复杂耦合关系，评估实际综合能源系统气热惯性特征；

考虑到实际系统惯性参数约束条件：

y

其中，y

系统发生功率缺额时，惯性变化参数不断降低，为避免惯性变化参数越限，对投入时间进行约束，假设t

y(t

则最长投入时间max_ON可表示为：

max_ON＝t

最长投入时间max_ON与瞬时变化参数z的变化幅度有关，而瞬时变化参数的变化幅度直接反映了气热惯性功率支撑R

此外，系统发生功率恢复时，惯性变化参数无法瞬时恢复，因此无法立即再次为外部系统提供功率支撑，需要一定时间对系统状态进行修正，因此对修正时间进行约束，假设t

t

假设t

y(t

则最短修正时间min_OFF可表示为：

min_OFF＝t

最短修正时间min_OFF与功率恢复时系统惯性变化参数y状态有关，因此与功率恢复前的功率支撑大小R

t

综上，综合能源系统中，气热惯性统一模型包括最长连续运行时间、最短间隔时间约束，体现了功率支撑大小、连续投入时间、连续修正时间之间的复杂耦合关系，综合能源系统气热惯性特征评估示意图如图3所示。

运用于实际园区级综合能源系统中，该综合能源系统中电气热多能耦合，在一个实施例中，天然气系统中，例如，天然气管道横截面积为0.19635m

热力系统中，例如，热负荷建筑室内空气比热容与热负荷建筑室内空气质量的乘积为1GJ/℃，热负荷建筑室内建筑散热系数为0.5075Kj/(s·℃)，热负荷建筑室外温度为-5℃；

利用本发明综合能源系统气热惯性特征评估方法，分别求出气热系统惯性变化参数变化过程如下：

P

结果显示，综合能源系统惯性变化参数天然气末端压强、热负荷建筑室内温度均无法瞬时变化，而是相对缓慢地以负指数形式变化，这一特点反映了综合能源系统中气热系统具备的惯性特征；

本发明通过对气热系统蕴含的惯性特征进行充分挖掘，并开展精细化建模，从而有效量化综合能源系统蕴含的灵活性，考虑到气惯性和热惯性本质相似性，针对气热惯性特征进行统一分析，通过对天然气系统蕴含的灵活性或热力系统蕴含的灵活性开展综合评估和协调优化，以实际应对综合能源系统功率缺额问题，提高系统运行的可靠性和经济性。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。