[發明專利]計及精細化熱網模型的電熱綜合能源系統優化調度方法

有效

• 申請號: 202010620645.0
• 申請日: 2020-06-30
• 公開（公告）號: CN111815042B
• 公開（公告）日: 2022-02-18
• 發明（設計）人: 劉洪;趙晨曉;葛少云;李吉峰;劉靜儀
• 申請（專利權）人: 天津大學
• 主分類號: G06Q10/04
• 分類號: G06Q10/04;G06Q10/06;G06Q50/06;H02J3/00;H02J3/06
• 代理公司: 天津市北洋有限責任專利代理事務所 12201
• 代理人: 吳學穎

1.一種計及精細化熱網模型的電熱綜合能源系統優化調度方法，其特征在于，包括以下過程：

第一步：構建考慮精細化阻力的熱網水力模型

1)流量連續性方程

Am＝m_q

式中，A為供熱網絡的節點-支路關聯矩陣；m為管道水流量，單位為kg/s；m_q為流出節點水流量，單位為kg/s；

2)回路壓力方程

Bh＝0

h＝R_a(L+L_d)

式中，B為供熱網絡的回路-支路關聯矩陣，h為管道壓力損失，單位為Pa；R_a為比摩阻，單位為Pa/m；L為管道長度，單位為m；L_d為局部阻力當量長度，單位為m；ε為管道絕對粗糙度值，單位為m；m為管道熱水的水流量，單位為t/h；ρ為水的密度，單位為kg/m³；D為管道直徑，單位為mm；ξ為局部阻力系數；λ為管道阻力系數；

第二步：構建考慮熱網動態特性的熱力模型

1)節點熱功率模型

φ＝C_pm_q(T_s-T_o)

式中，φ為節點熱功率，單位為kW；C_p為水的比熱容，單位為MJ/kg·℃；T_s為供水溫度，即熱水注入負荷節點之前的溫度，單位為℃；T_o為輸出溫度，即熱水流出負荷節點時的溫度，單位為℃；

2)節點溫度混合模型

(∑m_out)T_out＝∑(m_inT_in)

式中，m_out為節點下游管道的水流量，T_out為節點下游管道始端溫度，m_in為節點上游管道的水流量，T_in為節點上游管道末端溫度；

3)管道動態傳熱模型

式中，T_i(x,t)為距離管道i始端x處在時間t時刻的管道溫度，單位℃；A_i為管道i的橫截面積，單位為m²；k_i為管道i的熱傳遞系數，單位為W/m·℃；T_g為環境溫度，單位為℃；m_i為管道i中熱水的水流量，單位為kg/s；

第三步：進行電熱綜合能源系統時序潮流計算

1)參數初始化

在每個時段內的潮流計算中，首先更新系統內各個變量的初始狀態；其次，確定電網平衡節點處CHP機組所提供水流量m_gs；然后在時間段內進行熱網潮流計算，得到機組所提供的電功率；繼而進行電網潮流計算，判斷是否滿足收斂條件，不滿足則交替進行電網和熱網的潮流計算，直至滿足收斂條件；其中，電網平衡節點處CHP機組所提供水流量m_gs更替步驟如下：

①設定初始迭代時水流量初值m_gs；

②進行熱網潮流計算，通過節點熱功率模型計算得到電網平衡節點處CHP機組供熱功率φ_gs，h；

③進行電網潮流計算得到電網平衡節點處CHP機組所提供的電功率P_gs，從而得到供熱功率φ_gs，e；

④若φ_gs，h與φ_gs，e間誤差滿足誤差要求，則潮流計算結束；若不滿足，則根據φ_gs，e與節點回水溫度T_r更替其提供的水流量m_gs，返回步驟②進行計算；

2)進行考慮精細化阻力的熱網水力潮流計算

采用牛頓-拉夫遜法對熱網水力模型進行求解，迭代方程如下式：

式中，k為迭代次數；m為管道1到管道n_pipe的管道水流量；J_h為熱網雅克比矩陣；ΔF為節點誤差矩陣中的n_pipe個方程；n_pipe為熱網管道數目；

3)進行考慮熱網動態特性的熱網熱力潮流計算

①管道節點計算順序判別

a)設置節點/管道計算順序序號初值i_j＝0，i_g＝0；

b)節點溫度計算順序序號加1，即i_j＝i_j+1，得到第i_j層進行溫度計算的節點編號為O_j{i_j}＝{x|x為熱源節點}；

c)管道溫度計算順序序號加1，即i_g＝i_g+1，得到第i_g層進行溫度計算的管道編號為O_g{i_g}＝{y|y為O_j{i_g}中各個節點的下游管道}；

d)判斷上游管道溫度是否已知，若已知，則該節點的溫度可在i_j下一層進行計算；若未知，則該節點的溫度不可計算；根據O_g{i_g}得到各管道下游節點編號N_m＝{z|z為O_g{i_g}中各個管道的下游節點}，從中篩選出可進行溫度計算的節點編號N_c＝{t|t為z中上游管道溫度已知的節點}；

e)i_j＝i_j+1，O_j{i_j}＝{N_c}；

f)判斷是否所有節點的供回水溫度已經得到計算。若所有節點的供水溫度已經得到計算，則結束計算順序的判別；若還存在節點的供水溫度沒有計算，則返回步驟b)；

其中，供水溫度計算順序判別式如下式所示：

O_sg{i_sg}＝{y|y為O_sj{i_sj}中各個節點的下游管道}i_sg＝i_sj

式中，O_sj為節點供水溫度計算順序；O_sg為管道供水溫度計算順序；i_sj為節點供水溫度計算順序序號；i_sg為管道供水溫度計算順序序號；

其中，回水溫度計算順序判別式如下式所示：

O_rg{i_rg}＝{y|y為O_rj{i_rj}中各個節點的下游管道}i_rg＝i_rj

式中，O_rj為節點回水溫度計算順序；O_rg為管道回水溫度計算順序；i_rj為節點回水溫度計算順序序號；i_rg為管道回水溫度計算順序序號；

②管道節點暫態特性判別

管道內熱能傳輸的時間延遲如下式所示：

式中，S_i為管道i的時間延遲；s_E,ik為管道i在管道供熱路徑E_i{k}中的時間延遲；E_i為包含管道i的路徑；N_E,i為包含管道i的路徑個數；E_i{k}為包含管道i的第k個路徑；s_j為管道j內的時間延遲，計算公式如下式：

式中，L_j為管道j的長度，m_j為管道j的水流量，D_j為管道j的直徑；

管道暫態特性判別公式如下式：

式中，ΔT為用戶調節周期；T_i為管道i的暫態特性系數，T_i為0時管道i存在暫態特性，為1時管道i不存在暫態特性；

節點暫態特性判別公式如下式：

式中，F_j為節點j的暫態特性系數，F_j為0時節點j存在暫態特性，F_j為1時節點j不存在暫態特性；

③管道溫度計算

a)通過初始化得管道始端邊界溫度T(0，t)和初始時刻的邊界溫度T(x，0)；

b)根據管道動態傳熱模型，使用T(x，t-Δt)和T(x-Δx，t)按時間步長Δt和距離步長Δx依次求解管道溫度T(x，t)；

c)根據步驟b)中的管道末端溫度和節點溫度混合方程式，求解節點供回水溫度；

d)由節點供回水溫度作為節點下游管道的T(0，t)，T(x，0)由穩態潮流計算或上一時刻內管道溫度分布所得，然后返回步驟b)進行計算，直至得到所有管道供回水溫度；

4)電熱耦合環節

在電熱綜合能源系統熱網潮流計算結束后，即得到熱源處CHP機組的供熱功率，而通過CHP機組供電功率與供熱功率之間的對應關系，即得到熱網平衡節點處CHP機組的供電功率，從而進行電網潮流計算；

CHP機組采用定熱電比燃氣輪機或可變熱電比的抽凝式機組，定熱電比燃氣輪機供電功率與供熱功率關系如下式所示：

φ_CHP＝c_mP_CHP

式中，φ_CHP為CHP機組供熱功率，P_CHP為CHP機組供電功率，c_m為CHP機組熱電比；

可變熱電比的抽凝式CHP機組的供電功率和供熱功率在一定范圍內變化，根據不同的需求和調度策略進行調節；

5)電網潮流計算

電網交流穩態模型如下式所示：

式中，P_i和Q_i分別為節點i的注入有功功率和無功功率，單位為kW和kVar；U_i和U_j分別為節點i、j電壓，單位為kV；G_ij和B_ij為節點導納矩陣參數，G_ij為電導，B_ij為電納，單位為S；θ_ij為節點i與節點j間相角差，單位為°；

采用牛頓—拉夫遜法求解，迭代方程如下式所示：

式中，U為節點電壓幅值，θ為節點相角差，J_e為電力系統雅克比矩陣，ΔP為節點注入有功功率與電負荷有功功率之差，ΔQ為節點注入無功功率與電負荷無功功率之差；

第四步：進行電熱綜合能源系統優化調度

1)構建優化調度模型

調度目標函數如下式所示：

min C＝C_tu+C_g

C_g＝c_g(q_CHP+q_GB)

式中，C為綜合能源系統運行費用；C_tu為燃煤機組的煤耗費用，a_i、b_i、c_i為燃煤機組成本系數；Ω_tu為燃煤機組集合；為燃煤機組i在時段t的發電功率；C_g為購氣成本，c_g為單位購氣價格，q_CHP和q_GB為設備消耗的氣流量；

約束條件包括電力系統約束和熱力系統約束，其中，電力系統約束包括節點功率平衡約束、機組出力功率約束、機組爬坡約束、儲能相關約束、支路潮流約束；熱力系統約束包括CHP機組約束、熱網網絡動態特性約束，剩下的約束均為所構建的等式模型約束；

2)采用遺傳算法對優化調度模型進行求解，在滿足約束條件的前提下，優化得到調度目標函數最優情況下系統各設備的實時出力，在已知機組出力的前提下計算電網平衡節點和熱網平衡節點處CHP機組的出力，從而得到系統經濟性，篩選出經濟性最優的方案作為優化調度的結果。