[發(fā)明專利]一種用于綜合能源系統(tǒng)調(diào)度的供熱網(wǎng)絡(luò)水路建模方法

有效

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• 申請日: 2020-02-22
• 公開（公告）號: CN111414721B
• 公開（公告）日: 2021-10-15
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 孫宏斌;郭慶來;王彬;陳彬彬;潘昭光;吳文傳
• 申請（專利權(quán)）人: 清華大學(xué)
• 主分類號: G06F30/28
• 分類號: G06F30/28;G06F113/08;G06F119/08;G06F119/14
• 代理公司: 北京清亦華知識產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(普通合伙) 11201
• 代理人: 羅文群

1.一種用于綜合能源系統(tǒng)調(diào)度的供熱網(wǎng)絡(luò)水路建模方法，其特征在于，該方法包括以下步驟：

(1)建立供熱網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備模型，包括以下步驟：

(1-1)建立供熱網(wǎng)絡(luò)中熱力管道模型，包括以下步驟：

(1-1-1)建立描述水在熱力管道中一維流動過程的質(zhì)量守恒方程和動量守恒方程：

上式中，ρ、v和p分別為水的密度、流速和壓力，λ、D和θ分別為熱力管道的摩擦系數(shù)、內(nèi)徑和傾角，g為重力加速度，t和x分別表示時(shí)間和空間；

(1-1-2)根據(jù)水為不可壓縮流體，建立水的密度關(guān)于時(shí)間和空間的微分方程：

(1-1-3)忽略步驟(1-1-1)的動量守恒方程中的對流項(xiàng)即并將阻力項(xiàng)中的流速平方項(xiàng)進(jìn)行增量線性化近似，即令v²≈2v_basev-v_base²，式中v_base為熱力管道中水的流速基值，取值為設(shè)計(jì)工況中的流速；

(1-1-4)將步驟(1-1-2)和步驟(1-1-3)代入步驟(1-1-1)中，得到以下方程：

上式中，G為水的質(zhì)量流量，G＝ρvA，A為熱力管道的橫截面積，G_base為流速基值對應(yīng)的質(zhì)量流量基值，即G_base＝ρv_baseA；

(1-1-5)根據(jù)步驟(1-1-4)，建立熱力管道微元dx兩端的流量差和壓力降方程：

dG＝0

上式中，dG為熱力管道微元的兩端流量差，dp為熱力管道微元的兩端壓降；

(1-1-6)根據(jù)步驟(1-1-5)的熱力管道微元dx兩端的流量差和壓力降方程，得到熱力管道中的水阻R_h、水感L_h和水壓源E_h，R_h、L_h和E_h的計(jì)算方程如下：

R_h＝λG_base/(ρA²D)

L_h＝1/A

E_h＝ρgsinθ-λG_base²/(2ρA²D)

從而，將熱力管道微元dx表示為一段包括3個(gè)元件的水路，進(jìn)而整個(gè)熱力管道表示為一個(gè)分布參數(shù)水路；

(1-1-7)根據(jù)(1-1-6)的熱力管道分布參數(shù)水路的元件參數(shù)，建立熱力管道集總參數(shù)水路的元件參數(shù)：

R＝R_hl

L＝L_hl

E＝E_hl

上式中，R為熱力管道的集總參數(shù)水路中的水阻，L為熱力管道的集總參數(shù)水路中的水感，E為熱力管道的集總參數(shù)水路中的水壓源，l為熱力管道的長度；

(1-1-8)將熱力管道集總參數(shù)水路的激勵進(jìn)行傅里葉變換，分解為多個(gè)不同頻率的正弦穩(wěn)態(tài)激勵，建立正弦穩(wěn)態(tài)激勵中的每一個(gè)頻率分量ω對應(yīng)的集總參數(shù)頻域水路的代數(shù)方程：

p_l＝p₀-(R+jωL)G₀-E

G_l＝G₀

上式中，p₀和G₀分別為熱力管道首端的壓力和流量，p_l和G_l是熱力管道末端的壓力和流量；

(1-2)建立供熱網(wǎng)絡(luò)中流量控制閥模型，包括以下步驟：

(1-2-1)建立流量控制閥兩側(cè)壓差p和質(zhì)量流量G之間的方程：

p＝k_vG²

上式中，k_v為閥門的開度系數(shù)，G為水的質(zhì)量流量；

(1-2-2)對步驟(1-2-1)中的質(zhì)量流量平方項(xiàng)G²進(jìn)行增量線性化近似，即G²＝2G_baseG-G_base²，從而將步驟(1-2-1)的流量控制閥兩側(cè)壓差p和質(zhì)量流量G之間的方程轉(zhuǎn)化為下式：

p＝2k_vG_base·G-k_vG_base²

(1-2-3)根據(jù)步驟(1-2-2)，定義流量控制閥的水阻R_v和水壓源E_v，R_v和E_v的計(jì)算方程如下：

R_v＝2k_vG_base

E_v＝-k_vG_base²

(1-3)建立供熱網(wǎng)絡(luò)中增壓泵模型，包括以下步驟：

(1-3-1)建立在給定轉(zhuǎn)速下增壓泵兩側(cè)的壓差p和水的質(zhì)量流量G之間的方程：

上式中，k_p1、k_p2和k_p3為增壓泵固有的系數(shù)，由增壓泵出廠銘牌獲取或進(jìn)行外特性測試并擬合獲取，ω_p是增壓泵的旋轉(zhuǎn)頻率；

(1-3-2)對步驟(1-3-1)中的質(zhì)量流量平方項(xiàng)G²進(jìn)行增量線性化近似，即G²＝2G_baseG-G_base²，從而將步驟(1-3-1)轉(zhuǎn)化為下式：

(1-3-3)根據(jù)步驟(1-3-2)，定義增壓泵的水阻R_p和水壓源E_p，R_p和E_p的計(jì)算方程如下：

R_p＝-(2k_p1G_base+k_p2ω_p)

(2)建立供熱網(wǎng)絡(luò)的水力支路特性，包括以下步驟：

(2-1)基于步驟(1)中建立的熱力管道、流量控制閥和增壓泵的模型，建立供熱網(wǎng)絡(luò)的水力支路的特性方程：

G_b＝y(tǒng)_b(p_b-E_b)

式中，G_b為水力支路中與流速基值對應(yīng)的質(zhì)量流量基值，p_b為水力支路兩端的水壓差，y_b為水力支路中的水阻和水感構(gòu)成的支路導(dǎo)納，E_b是水力支路中水壓源的總和；

(2-2)將供熱網(wǎng)絡(luò)中所有水力支路的水力支路方程寫成矩陣形式如下：

G_b＝y(tǒng)_b(p_b-E_b)

式中，G_b為各條水力支路中與流速基值對應(yīng)的質(zhì)量流量基值組成的列向量，p_b為各條水力支路兩端的水壓差組成的列向量，y_b為各條水力支路中的水阻和水感構(gòu)成的支路導(dǎo)納組成的對角矩陣，E_b是各條水力支路中水壓源總和組成的列向量；

(3)建立供熱網(wǎng)絡(luò)的水力拓?fù)浼s束，包括以下步驟：

(3-1)定義供熱網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)-支路關(guān)聯(lián)矩陣A_h，該矩陣是一個(gè)n行、m列的矩陣，其中n為供熱網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)數(shù)，m為供熱網(wǎng)絡(luò)中的支路數(shù)，用(A_h)_i,j表示(A_h)_i,j中第i行、第j列的元素，用(A_h)_i,j＝0表示支路j與節(jié)點(diǎn)i不相連，用(A_h)_i,j＝1表示支路j從節(jié)點(diǎn)i流出，用(A_h)_i,j＝-1表示支路j流入節(jié)點(diǎn)i；

(3-2)根據(jù)類基爾霍夫電流定律，建立供熱網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)質(zhì)量守恒方程：

A_hG_b＝G_n

上式中，G_n為由每個(gè)節(jié)點(diǎn)的水流注入構(gòu)成的列向量，若供熱網(wǎng)絡(luò)為閉式網(wǎng)絡(luò)，則G_n＝0；

(3-3)根據(jù)類基爾霍夫電壓定律，建立供熱網(wǎng)絡(luò)的回路壓降方程：

上式中，p_n為由每個(gè)節(jié)點(diǎn)的水壓值構(gòu)成的列向量；

(4)建立供熱網(wǎng)絡(luò)的動態(tài)水力網(wǎng)絡(luò)方程，包括以下步驟：

(4-1)將步驟(3-2)和步驟(3-3)建立的水力拓?fù)浼s束代入步驟(2-2)建立的支路特性方程，得到未約簡形式的供熱網(wǎng)絡(luò)水力網(wǎng)絡(luò)方程如下：

(4-2)定義廣義節(jié)點(diǎn)導(dǎo)納矩陣Y_h和廣義節(jié)點(diǎn)注入向量G′_n如下：

G′_n＝G_n+A_hy_bE_b

(4-3)將步驟(4-2)中定義的Y_h和G′_n代入步驟(4-1)中的未約簡形式的供熱網(wǎng)絡(luò)水力網(wǎng)絡(luò)方程，得到以下形式的供熱網(wǎng)絡(luò)中水力網(wǎng)絡(luò)方程如下：

Y_hp_n＝G′_n

上述水力網(wǎng)絡(luò)方程描述了供熱網(wǎng)絡(luò)的水力動態(tài)；

(5)刪除供熱網(wǎng)絡(luò)水路模型中的水感元件，按照步驟(4)重新計(jì)算廣義節(jié)點(diǎn)導(dǎo)納矩陣Y_h，并只取頻域中的零頻率分量，使動態(tài)水路模型退化為穩(wěn)態(tài)水路模型，該穩(wěn)態(tài)水路模型即為用于綜合能源系統(tǒng)控制的供熱網(wǎng)絡(luò)水路模型。