学术简报|考虑供热系统建模的综合能源系统最优能流计算方法

北京交通大学电气工程学院、丹佛大学电气与计算机工程系的研究人员张义志、王小君等,在2019年第3期《电工技术学报》上撰文指出,随着社会经济的发展与技术的进步,综合能源系统已成为未来能源领域变革的重要发展趋势之一,其中以热电联供为代表的电热耦合综合能源系统发展迅速。

电热系统的联合优化可以提高燃料利用效率,节省运行成本,但当前电热耦合系统能流研究主要针对于电力系统,对供热系统的管网特性、热负荷与用户温度需求的关联特性考虑得还不够精细,无法充分反映电热系统的实际运行特性。

该文基于热力管网支路特性及散热器、换热器等关键设备的稳态模型,考虑供热系统能量传输与管网约束,建立了供热系统稳态能流计算的精细化模型。在此基础上,以热电联供机组电热出力与电锅炉出力为调节变量,提出了一种基于内点法的电热耦合综合能源系统最优能流求解方法,能够更加准确地反映系统运行特性并实现系统经济运行。最后进行算例测试,验证所提最优能流计算方法的可行性与有效性。

近年来,以能源互联为特征的能源革命已经蓄势待发,以电网为核心主干平台,包含多种能源形式的耦合互补互联系统快速发展,其中以热电联产机组作为核心能源中枢的电热耦合综合能源系统应用最为广泛,是能源互联互补的主要表现形式之一,也是目前我国能源结构调整的重要发展方向。关于电力系统与供热系统耦合的综合能源系统的研究,对于打破原有供能系统单独规划、单独运行的既有模式,实现能源系统的多能互补集成优化具有重要意义。

电热耦合系统是综合能源系统的主要表现形式之一,包括电力系统与供热系统,涉及常规发电机组、热电联供机组、锅炉、换热装置等多种设备类型,同时还包括电力、热力传输网络。建立电热耦合综合能源系统的能流模型,利用混合能流技术实现对系统内部多种能源的协调优化管理,通过各类耦合元件充分发挥不同能源之间的互补替代能力,能够有效提高能源利用效率,实现电热耦合系统的经济运行。

目前,电力系统与供热系统其各自独立系统的分析方法已经相对完善。传统电力系统潮流、最优潮流模型及相关算法已经较为成熟,同时对于微电网及交直流电网的潮流与最优潮流技术也取得了一定的进展。供热系统的建模方法也有了相应的发展,文献[8,9]提出了集中供热系统的建模方法,但未能较好地结合电力系统,难以反映电热耦合综合能源系统的实际运行过程。

现有综合能源系统的研究多以电力系统为核心进行分析,文献[10,11]考虑热电机组出力特性和储能系统分析了电热联合调度对促进风电消纳的影响。文献[12,13]基于能量集线器模型提出了综合能源系统潮流计算方法和日前调度方法。文献[14]对于电热耦合系统提出了统一求解与顺序求解的两种混合潮流计算方法。文献[15]对电、热、冷负荷进行了细分,提出了基于内点法的经济优化调度模型

但是,以上研究中的大部分模型只考虑到能量平衡,网络平衡尤其是供热管网平衡考虑不足。供热系统作为综合能源系统的重要组成部分,也同样存在线路传输能力及节点状态量的约束,只考虑能量平衡无法反映系统实际运行状态。尤其对于区域级综合能源系统,供热管网的传输约束将直接影响整个系统的能流分布,因此在计算综合能源系统能流时需要在电力系统潮流的基础上进一步考虑供热系统的管网平衡和传输约束。

在考虑网络约束的电热耦合系统研究方面,文献[16]在区域综合能源系统最优潮流计算中考虑了配电网重构对控制运行成本的影响,但在模型中着重考虑了电力系统的相关约束,对气、热网络约束考虑较少。文献[17]提出了供热管网分布参数模型,参照电力系统模型热网模型进行调整,提出了电热耦合网络协同规划方法;文献[18]在电力系统相关约束的基础上对热力管网结构进行分析,考虑了网络拓扑的约束,建立了电热耦合系统潮流计算方法;文献[19]考虑了供热系统回水管网的温度损失,建立了含多分支辐射状热网电热耦合系统最优能流模型

但上述研究在供热系统建模时大多只考虑一级热网供水网络约束,少部分考虑了一级热网回水网络约束,在供热方程中只考虑管道沿程温度损失,普遍缺少热负荷的描述,无法精确反映热网实际运行情况。

本文重点考虑供热系统管网特性,计及热力管网约束,考虑供回水网络不对称及多热源场景,利用换热器、散热器等关键设备运行特性,建立热负荷与热用需求及实际换热过程的联系,构建了更加精细的供热系统模型。考虑联供机组及电锅炉等电热耦合元件,建立电热耦合综合能源系统最优能流模型,基于内点法对模型进行求解,并通过算例验证了模型和求解算法的正确性。

学术简报|考虑供热系统建模的综合能源系统最优能流计算方法

图1供热系统结构示意图

学术简报|考虑供热系统建模的综合能源系统最优能流计算方法

图4 33节点配电网结构

学术简报|考虑供热系统建模的综合能源系统最优能流计算方法

图5 45节点热网结构

结论

本文通过对供热系统的精细化建模,在电热耦合系统的能流计算中计入热网传输约束与损耗的影响,利用换热器、散热器运行特性建立了较为准确的一级热网热负荷模型,提出了考虑供热系统建模的电热耦合综合能源系统最优能流模型及计算方法。通过算例验证,所提方法能够通过调节联供机组及负荷侧电锅炉出力等进行电热能量系统的互补转换,提高了能源利用效率。

接下来将进一步考虑热泵、储能、光伏等系统对最优能流计算的影响,并考虑概率特性,研究综合能源系统的概率最优能流。

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考虑供热系统建模的综合能源系统最优能流计算方法

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