一种电气综合能源系统动态仿真方法技术方案

本发明专利技术公开了一种电气综合能源系统动态仿真方法，属于能源系统建模与运行仿真领域,包括：10)建立电气综合能源系统动态模型，包括电力系统的非线性交流潮流模型、天然气系统的非线性动态模型和耦合元件的非线性动态模型；20)推导天然气平均流速的近似解析式和由变系数偏微分方程组描述的天然气系统动态模型，构建由变系数偏微分方程组描述的天然气系统动态模型仿真策略；30)建立基于自适应变步长的动态天然气系统模型的求解策略，提出电气综合能源系统的动态仿真方法。能源系统的动态仿真方法。能源系统的动态仿真方法。

【技术实现步骤摘要】
一种电气综合能源系统动态仿真方法


[0001]本专利技术涉及能源系统建模与运行仿真领域，具体涉及一种电气综合能源系统动态仿真方法。

技术介绍

[0002]由于世界范围内的能源危机和环境问题，供热系统由传统的煤炭供应逐渐向电力、燃气供应转变以提高能源利用效率和降低碳排放。在此背景下，电气综合能源系统得到广泛发展。其中，燃气轮机等耦合设备用于协同分优化、联合控制的关键设备。然而，电力系统和天然气系统之间的紧密耦合也增加了级联故障的风险，并对电力系统造成了额外的威胁。某地暴风雪引发了一场深远的安全事故，规模停电导致超过400万居民的生活中断，暴露了电气综合能源系统的脆弱性。因此对电热综合能源系统的运行仿真分析进行综合分析具有重要意义。
[0003]现有研究一般通过忽略电气综合能源系统内设备的动态特性、以及设备和网络的非线性进行分析，且主要关注于单向耦合的系统，所采用的仿真方法精度低、应用范围较小，为此，需要研究更全面、更准确的动态仿真方法，以满足日益紧密耦合的电力系统和天然气系统发展需求。

技术实现思路

[0004]针对现有技术的不足，本专利技术提出了一种电气综合能源系统动态仿真方法。
[0005]本专利技术的目的可以通过以下技术方案实现：
[0006]步骤10)建立电气综合能源系统动态模型，包括电力系统的非线性交流潮流模型、天然气系统的非线性动态模型和耦合元件的非线性动态模型；
[0007]步骤20)推导天然气平均流速的近似解析式和由变系数偏微分方程组描述的天然气系统动态模型，构建由变系数偏微分方程组描述的天然气系统动态模型仿真策略；
[0008]步骤30)建立基于自适应变步长的动态天然气系统模型的求解策略，提出电气综合能源系统的动态仿真方法。
[0009]进一步地，所述的步骤10)具体包括：
[0010]步骤101)建立电力系统的非线性交流潮流模型，包含节点功率守恒和支路功率守恒方程：
[0011][0012][0013]式中，i和j分别表示节点编号，U
i
表示节点i的电压幅值，P
i
节点i的净注入有功功率，Q
i
节点i的净注入无功功率，G
ij
和B
ij
表示节点i和节点j之间的电导与电纳，θ
ij
表示节点
i和节点j之间的相角差，P
l,ij
和Q
l,ij
表示节点i和节点 j之间的传输的有功功率和无功功率，V
e
表示电力系统节点集。
[0014]步骤102)建立天然气系统的非线性动态模型，包含管道质量守恒方程、管道动量守恒方程、天然气状态方程、节点质量守恒方程、节点压力连续性方程，分别如式(3)、式(4)、式(5)、式(6)和式(7)所示。
[0015][0016][0017]p＝ρc2ꢀꢀꢀ
(5)
[0018][0019][0020]式中，x和t分别表示空间和时间变量，p和q分别表示管道压力和管道质量流量，pn和qn分别表示节点压力和节点质量流量，c为声速，S为管道截面积，D为管道内径，λ为管道摩阻系数，ρ为天然气密度，V
g
表示天然气系统节点集，表示流入节点k的管道集，表示从节点k流出的管道集，p
i,Nx
表示管道i的出口压力，p
n,0
表示管道n的入口压力，q
i,0
表示管道i的入口质量流量。
[0021]步骤103)建立耦合元件的动态模型，包含电转气模型和燃气轮机模型。电转气设备消耗有功功率产生天然气，其数学模型可表示为：
[0022][0023]式中，P
pg,t
、q
pg,t
和p
pg,t
分别为t时刻电转气设备的消耗电功率、输出天然气得质量流量和压力，h
g
为天然气的单位热值，η
pg
为电转气设备的转换效率。
[0024]燃气轮机模型由压缩机部分、燃烧室部分和汽轮机部分组成。其中，压缩机模型可表示为：
[0025][0026][0027][0028]式(9)描述了压缩机出口温度和入口温度关系，式(10)描述了压缩机出口压力和入口压力关系，式(11)描述了压缩机的消耗电功率；上式中，和分别表示压缩机入口和出口温度，和分别表示压缩机入口和出口压力， K
cp1
表示压缩机压比，K
cp2
表示压缩机的绝热效率，K
cp3
表示压缩机的等熵空气系数，K
cp4
表示压缩机的压缩系数，η
cp
为压缩机的机械效率，q
a,t
表示压缩机的输入空气的质量流量。
[0029]燃烧室模型可表示为：
[0030][0031]式中，C
a
和C
s
分别为空气和混合烟气的比热容，q
g,t
为输入燃烧室的天然气流量，为燃烧室出口温度，K
cc1
为燃烧室储热系数，K
cc2
为天然气的低位热值；根据燃气轮机内各元件的连接关系，燃烧室出口温度即为汽轮机入口温度，压缩机出口压力即为汽轮机入口温度，可表示为：
[0032][0033]式中，表示汽轮机的入口温度，表示汽轮机的入口压力；汽轮机模型可表示为：
[0034][0035][0036]P
gt,t
＝K
tb3
(P
tb,
t
‑
P
cp,t
) (16)
[0037]上式中，表示汽轮机的出口温度，表示汽轮机的出口压力，K
tb1
表示等熵天然气系数，K
tb2
表示汽轮机内效率，K
tb3
表示燃气轮机整体机械效率，P
tb,t
为汽轮机产生的电功率，P
gt,t
为燃气汽轮机输出的有效电功率。
[0038]采用隐式欧拉法将式离散化，可得到：
[0039][0040]式中，Δt为时间步长。
[0041]进一步地，所述的步骤20)具体包括：
[0042]步骤201)推导天然气平均流速解析式。首先，质量流量与流速的关系可表示为：
[0043]q＝Svρ
ꢀꢀꢀ
(18)
[0044]采用平均流速将式中的非线性项线性化，有如下关系式：
[0045][0046]式中，w表示平均流速。基于此，采用平均流速线性化的关键在于建立w 的解析式。对式中第一个等式的两侧乘流速v对空间x的偏微分，并将所得式在区间[x1,x2]内进行积分，可得到式成立的一个必要条件为：
[0047][0048]式中，x1和x2表示管道的任意位置，v(x,t)表示t时刻管道x处的流速，w(x,t) 表示t时刻管道间[x1,x2]的平均流本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种电气综合能源系统动态仿真方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤10)建立电气综合能源系统动态模型，包括电力系统的非线性交流潮流模型、天然气系统的非线性动态模型和耦合元件的非线性动态模型；步骤20)推导天然气平均流速的近似解析式和由变系数偏微分方程组描述的天然气系统动态模型，构建由变系数偏微分方程组描述的天然气系统动态模型仿真策略；步骤30)建立基于自适应变步长的动态天然气系统模型的求解策略，提出电气综合能源系统的动态仿真方法。2.根据权利要求1所述的电气综合能源系统动态仿真方法，其特征在于，所述步骤10)建立电气综合能源系统动态模型，包括电力系统的非线性交流潮流模型、天然气系统的非线性动态模型和耦合元件的非线性动态模型，包括以下步骤：步骤101)建立电力系统的非线性交流潮流模型，包含节点功率守恒和支路功率守恒方程：程：式中，i和j分别表示节点编号，U
i
表示节点i的电压幅值，P
i
节点i的净注入有功功率，Q
i
节点i的净注入无功功率，G
ij
和B
ij
表示节点i和节点j之间的电导与电纳，θ
ij
表示节点i和节点j之间的相角差，P
l,ij
和Q
l,ij
表示节点i和节点j之间的传输的有功功率和无功功率，V
e
表示电力系统节点集；步骤102)建立天然气系统的非线性动态模型，包含管道质量守恒方程、管道动量守恒方程、天然气状态方程、节点质量守恒方程、节点压力连续性方程，分别如式(3)、式(4)、式(5)、式(6)和式(7)所示：(5)、式(6)和式(7)所示：p＝ρc2ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(5)(5)式中，x和t分别表示空间和时间变量，p和q分别表示管道压力和管道质量流量，pn和qn分别表示节点压力和节点质量流量，c为声速，S为管道截面积，D为管道内径，λ为管道摩阻系数，ρ为天然气密度，V
g
表示天然气系统节点集，表示流入节点k的管道集，表示从节点k流出的管道集，p
i,Nx
表示管道i的出口压力，p
n,0
表示管道n的入口压力，q
i,0
表示管道i的入口质量流量；步骤103)建立耦合元件的动态模型，包含电转气模型和燃气轮机模型；电转气设备消
耗有功功率产生天然气，其数学模型可表示为：式中，P
pg,t
、q
pg,t
和p
pg,t
分别为t时刻电转气设备的消耗电功率、输出天然气得质量流量和压力，h
g
为天然气的单位热值，η
pg
为电转气设备的转换效率；燃气轮机模型由压缩机部分、燃烧室部分和汽轮机部分组成；其中，压缩机模型可表示为：为：为：式(9)描述了压缩机出口温度和入口温度关系，式(10)描述了压缩机出口压力和入口压力关系，式(11)描述了压缩机的消耗电功率；上式中，和分别表示压缩机入口和出口温度，和分别表示压缩机入口和出口压力，K
cp1
表示压缩机压比，K
cp2
表示压缩机的绝热效率，K
cp3
表示压缩机的等熵空气系数，K
cp4
表示压缩机的压缩系数，η
cp
为压缩机的机械效率，q
a,t
表示压缩机的输入空气的质量流量；燃烧室模型可表示为：式中，C
a
和C
s
分别为空气和混合烟气的比热容，q
g,t
为输入燃烧室的天然气流量，为燃烧室出口温度，K
cc1
为燃烧室储热系数，K
cc2
为天然气的低位热值；根据燃气轮机内各元件的连接关系，燃烧室出口温度即为汽轮机入口温度，压缩机出口压力即为汽轮机入口温度，可表示为：式中，表示汽轮机的入口温度，表示汽轮机的入口压力；汽轮机模型可表示为：表示汽轮机的入口压力；汽轮机模型可表示为：P
gt,t
＝K
tb3
(P
tb,t
‑
P
cp,t
)
ꢀꢀꢀꢀꢀ
(16)上式中，表示汽轮机的出口温度，表示汽轮机的出口压力，K
tb1
表示等熵天然气系数，K
tb2
表示汽轮机内效率，K
tb3
表示燃气轮机整体机械效率，P
tb,t
为汽轮机产生的电功率，P
gt,t
为燃气汽轮机输出的有效电功率；采用隐式欧拉法将式离散化，可得到：
式中，Δt为时间步长。3.根据权利要求2所述的电气综合能源系统动态仿真方法，其特征在于，所述步骤20)推导天然气平均流速的近似解析式和由变系数偏微分方程组描述的天然气系统动态模型，构建由变系数偏微分方程组描述的天然气系统动态模型仿真策略，包括以下步骤：步骤201)推导天然气平均流速解析式；首先，质量流量与流速的关系可表示为：q＝Svρ
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(18)采用平均流速将式中的非线性项线性化，有如下关系式：式中，w表示平均流速；基于此，采用平均流速线性化的关键在于建立w的解析式；对式中第一个等式的两侧乘流速v对空间x的偏微分，并将所得式在区间[x1,x2]内进行积分，可得到式成立的一个必要条件为：式中，x1和x2表示管道的任意位置，v(x,t)表示t时刻管道x处的流速，w(x,t)表示t时刻管道间[x1,x2]的平均流速；定义V1(x,t)和V2(x,t)分别为v(x,t)2和w(x,t)v(x,t)的原函数，可解得V1(x,t)和V2(x,t)分别为：将式(21)代入式(19)，可解得管道间[x1,x2]的平均流速w(x,t)为：步骤202)推导由变系数偏微分方程组描述的天然气系统动态模型，进一步建立其离散式；将式(19)和式(22)代入式(4)，变系数天然气模型的动量守恒方程为：采用中心隐式格式将式(3)和式(23)离散化，可得到：式中，Δx和Δt分别为离散的空间和时间步长，N
x
和N
t
表示空间和时间步数，和表示(j+1)Δt时刻管道iΔx处的压力和质量流量，和表示jΔt时刻管道iΔx处
...

【专利技术属性】
技术研发人员：顾伟，张苏涵，陆海，罗恩博，
申请(专利权)人：云南电网有限责任公司电力科学研究院，
类型：发明
国别省市：