[發明專利]考慮天然氣系統熱力過程的電-氣互聯系統概率能流分析方法

有效

• 申請號: 201811633617.1
• 申請日: 2018-12-29
• 公開（公告）號: CN109800968B
• 公開（公告）日: 2020-11-06
• 發明（設計）人: 楊知方;包詩媛;余娟;代偉;郭林;馬夢楠;覃明星
• 申請（專利權）人: 重慶大學
• 主分類號: G06Q10/06
• 分類號: G06Q10/06;G06Q50/06
• 代理公司: 重慶縉云專利代理事務所(特殊普通合伙) 50237
• 代理人: 王翔

1.考慮天然氣系統熱力過程的電-氣互聯系統概率能流分析方法，其特征在于，主要包括以下步驟：

1)建立電-氣互聯系統的概率能流模型；電-氣互聯系統的概率能流模型包括節點平衡方程和不確定因素模型；節點平衡方程包括天然氣系統模型、電力系統模型和耦合元件燃氣輪機的能量轉換模型；

不確定因素包括電力系統節點i的普通有功負荷P_D,i、電力系統節點i的普通無功負荷Q_D,i、天然氣系統節點n的普通氣負荷F_D,n和電力系統節點i的風電出力P_W,i；不確定因素中電/氣負荷被建模為正態分布，風速被建模為威布爾分布；

利用非時序蒙特卡洛模擬法對電-氣互聯系統進行抽樣，得到所述樣本數據；所述樣本數據包括電負荷、氣負荷和風速；

2)建立考慮天然氣系統熱力過程的設備模型；所述設備模型包括天然氣管道模型、壓縮機模型和調壓器模型；

所述天然氣管道模型包括天然氣管道熱力模型和天然氣管道流量模型；

所述壓縮機模型包括壓縮機熱力模型和壓縮機流量模型；

所述調壓器模型包括調壓器熱力模型和調壓器流量模型；

建立天然氣管道模型的主要步驟如下：

2.1)天然氣水平管道m₁n₁的氣體流動守恒方程如下所示：

其中，p和T分別為天然氣的壓力和溫度；Z和R分別為天然氣的壓縮因子和氣體常數；λ為摩擦系數；x為當前位置與管道起點的距離；和分別為管道的內徑和截面積；為流過管道的質量流量；

2.2)與管道起點位置距離x處的天然氣溫度T(x)如下所示：

式中，為計算系數；T_s為環境溫度；T_m1為從天然氣系統節點m₁流出的天然氣的溫度；η_JT為焦耳-湯姆遜系數；p_m1和p_n1分別為天然氣管道支路中首節點m₁與末節點n₁的氣壓；為天然氣管道m₁n₁的長度；

其中，如下所示：

式中，為天然氣管道m₁n₁的傳熱系數；ρ₀為天然氣在標準狀態下的密度；C_p為天然氣的恒壓熱容；為流過天然氣管道m₁n₁的標準狀態下的體積流量；為天然氣管道m₁n₁的內徑；

2.3)將天然氣溫度T作為狀態變量，則公式(1)改寫為下式：

2.4)將公式(2)和公式(3)帶入公式(4)中，得到：

2.5)標準狀態下體積流量與質量流量的轉換關系如下所示：

氣體常數R如下所示：

2.6)將公式(6)和公式(7)帶入公式(5)中，得到適用于非等溫條件的代數形式的管道流量模型，即：

式中，T₀為標準狀態下天然氣溫度；p₀為標準狀態下天然氣壓力；λ為摩擦系數；

2.7)根據公式(5)，管道熱力模型，即天然氣管道m₁n₁出口處氣體溫度的計算式如下所示：

壓縮機熱力模型如下所示：

式中，T_m2為從天然氣系統壓縮機節點m₂流出的天然氣的溫度；為壓縮機m₂n₂出口處氣體溫度；p_m2和p_n2分別為天然氣壓縮機支路中首節點m₂與末節點n₂的氣壓；為多變指數；

調壓器熱力模型如下所示：

式中，T_m3為從天然氣系統調壓器節點m₃流出的天然氣的溫度；為調壓器m₃n₃出口處氣體溫度；p_m3和p_n3分別為天然氣調壓器支路中首節點m₃與末節點n₃的氣壓；為調壓器孔徑和管道內徑的比值；為調壓器系數；

調壓器流量模型如下所示：

式中，為調壓器系數；為流過調壓器的流量；

壓縮機流量模型如公式(13)和公式(14)所示：

式中，為壓縮機消耗的能量；為壓縮機消耗與工作效率有關的常數；為流過壓縮機的流量；

式中，為壓縮機消耗的流量；和分別為壓縮機的能量轉換參數；

3)建立天然氣系統模型，包括天然氣系統的節點熱力平衡模型和天然氣系統的節點流量平衡模型；

天然氣系統的節點熱力平衡如下所示：

式中，m∈n表示節點m與節點n相鄰；F_G,n和T_G,n分別為天然氣系統節點n的氣源注入流量和該氣源天然氣的溫度；m＝m₁,m₂,m₃；n＝n₁,n₂,n₃；

符號函數sgn₁(m,n)的取值如下所示：

天然氣系統節點的流量平衡模型如下所示：

式中，F_D,n和F_GAS,n分別為天然氣系統節點n的普通氣負荷和燃氣輪機消耗的氣流量；N_m為天然氣系統節點的總數；

符號函數sgn₂(m,n)的取值如下所示：

電力系統模型包括電力系統節點有功功率平衡方程和無功功率平衡方程；

電力系統節點有功功率平衡方程如下所示：

式中，P_G,i和P_GAS,i為電力系統節點i的常規機組和燃氣輪機的有功出力；P_D,i為電力系統節點i的普通有功負荷；P_W,i為電力系統節點i的風電出力；

電力系統節點無功功率平衡方程如下所示：

式中，Q_G,i和Q_GAS,i分別為電力系統節點i的常規機組和燃氣輪機的無功出力；Q_D,i為電力系統節點i的普通無功負荷；Q_C,i為電力系統節點i的并聯無功補償裝置的出力；V_i和θ_i分別為電力系統節點i的電壓幅值和相角；G_ij和B_ij為節點導納矩陣的第i行第j列元素的實部和虛部；N_e為電力系統節點總數；θ_ij為電力系統節點i和電力系統節點j的相角差；

耦合元件燃氣輪機的能量轉換模型如下所示：

式中，GHV為天然氣高熱值；α_i,n、β_i,n和γ_i,n為連接電力系統節點i和天然氣系統節點n的燃氣輪機的能量轉換參數；

4)將樣本數據輸入到電-氣互聯系統的概率能流模型中，計算電-氣互聯系統的能流；

5)建立風險指標模型；所述風險指標模型包括水合物生成概率、氣壓越上限概率、氣壓越下限概率和氣溫越上限概率；

建立風險指標模型的主要步驟如下：

5.1)計算節點n的水合物生成概率PHF_n，即：

式中，P_n(x)為節點n處于系統狀態x的概率；H_1,n為節點n生成水合物的狀態的集合；X為節點n生成水合物的狀態；

5.2)計算節點n的氣壓越上限概率PNHPV_n，即：

式中，H_2,n為節點n氣壓越上限的狀態集合；

5.3)計算節點n的氣壓越下限概率PNLPV_n，即：

式中，H_3,n為節點n氣壓越下限的狀態集合；

5.4)計算節點n的氣溫越上限概率PNHTV_n，即：

式中，H_4,n為節點n氣溫越上限的狀態集合；

6)將電-氣互聯系統的能流輸入到風險指標模型中，計算電-氣互聯系統的風險指標；電-氣綜合能源系統統一能流模型是一組以X＝[θ_i,V_i,p_m,T_m]^T作為系統狀態變量的非線性方程；

7)收斂判斷，即判斷是否達到最大抽樣次數k，若是，則結束，若否，則返回步驟1)。