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考慮供熱系統建模的綜合能源系統最優能流計算方法

2019-03-22    來源:中國節能網
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[ 導讀 ]:在考慮網絡約束的電熱耦合系統研究方面,文獻[16]在區域綜合能源系統最優潮流計算中考慮了配電網重構對控制運行成本的影響,但在模型中著重考慮了電力系統的相關約束
 北京交通大學電氣工程學院、丹佛大學電氣與計算機工程系的研究人員張義志、王小君等,在2019年第3期《電工技術學報》上撰文指出,隨著社會經濟的發展與技術的進步,綜合能源系統已成為未來能源領域變革的重要發展趨勢之一,其中以熱電聯供為代表的電熱耦合綜合能源系統發展迅速。
 
電熱系統的聯合優化可以提高燃料利用效率,節省運行成本,但當前電熱耦合系統能流研究主要針對于電力系統,對供熱系統的管網特性、熱負荷與用戶溫度需求的關聯特性考慮得還不夠精細,無法充分反映電熱系統的實際運行特性。
 
該文基于熱力管網支路特性及散熱器、換熱器等關鍵設備的穩態模型,考慮供熱系統能量傳輸與管網約束,建立了供熱系統穩態能流計算的精細化模型。在此基礎上,以熱電聯供機組電熱出力與電鍋爐出力為調節變量,提出了一種基于內點法的電熱耦合綜合能源系統最優能流求解方法,能夠更加準確地反映系統運行特性并實現系統經濟運行。最后進行算例測試,驗證所提最優能流計算方法的可行性與有效性。
 
近年來,以能源互聯為特征的能源革命已經蓄勢待發,以電網為核心主干平臺,包含多種能源形式的耦合互補互聯系統快速發展,其中以熱電聯產機組作為核心能源中樞的電熱耦合綜合能源系統應用最為廣泛,是能源互聯互補的主要表現形式之一,也是目前我國能源結構調整的重要發展方向。關于電力系統與供熱系統耦合的綜合能源系統的研究,對于打破原有供能系統單獨規劃、單獨運行的既有模式,實現能源系統的多能互補集成優化具有重要意義。
 
電熱耦合系統是綜合能源系統的主要表現形式之一,包括電力系統與供熱系統,涉及常規發電機組、熱電聯供機組、鍋爐、換熱裝置等多種設備類型,同時還包括電力、熱力傳輸網絡。建立電熱耦合綜合能源系統的能流模型,利用混合能流技術實現對系統內部多種能源的協調優化管理,通過各類耦合元件充分發揮不同能源之間的互補替代能力,能夠有效提高能源利用效率,實現電熱耦合系統的經濟運行。
 
目前,電力系統與供熱系統其各自獨立系統的分析方法已經相對完善。傳統電力系統潮流、最優潮流模型及相關算法已經較為成熟,同時對于微電網及交直流電網的潮流與最優潮流技術也取得了一定的進展。供熱系統的建模方法也有了相應的發展,文獻[8,9]提出了集中供熱系統的建模方法,但未能較好地結合電力系統,難以反映電熱耦合綜合能源系統的實際運行過程。
 
現有綜合能源系統的研究多以電力系統為核心進行分析,文獻[10,11]考慮熱電機組出力特性和儲能系統分析了電熱聯合調度對促進風電消納的影響。文獻[12,13]基于能量集線器模型提出了綜合能源系統潮流計算方法和日前調度方法。文獻[14]對于電熱耦合系統提出了統一求解與順序求解的兩種混合潮流計算方法。文獻[15]對電、熱、冷負荷進行了細分,提出了基于內點法的經濟優化調度模型。
 
但是,以上研究中的大部分模型只考慮到能量平衡,網絡平衡尤其是供熱管網平衡考慮不足。供熱系統作為綜合能源系統的重要組成部分,也同樣存在線路傳輸能力及節點狀態量的約束,只考慮能量平衡無法反映系統實際運行狀態。尤其對于區域級綜合能源系統,供熱管網的傳輸約束將直接影響整個系統的能流分布,因此在計算綜合能源系統能流時需要在電力系統潮流的基礎上進一步考慮供熱系統的管網平衡和傳輸約束。
 
在考慮網絡約束的電熱耦合系統研究方面,文獻[16]在區域綜合能源系統最優潮流計算中考慮了配電網重構對控制運行成本的影響,但在模型中著重考慮了電力系統的相關約束,對氣、熱網絡約束考慮較少。文獻[17]提出了供熱管網分布參數模型,參照電力系統模型對熱網模型進行調整,提出了電熱耦合網絡協同規劃方法;文獻[18]在電力系統相關約束的基礎上對熱力管網結構進行分析,考慮了網絡拓撲的約束,建立了電熱耦合系統潮流計算方法;文獻[19]考慮了供熱系統回水管網的溫度損失,建立了含多分支輻射狀熱網的電熱耦合系統最優能流模型。
 
但上述研究在供熱系統建模時大多只考慮一級熱網供水網絡約束,少部分考慮了一級熱網回水網絡約束,在供熱方程中只考慮管道沿程溫度損失,普遍缺少熱負荷的描述,無法精確反映熱網實際運行情況。
 
本文重點考慮供熱系統管網特性,計及熱力管網約束,考慮供回水網絡不對稱及多熱源場景,利用換熱器、散熱器等關鍵設備運行特性,建立熱負荷與熱用需求及實際換熱過程的聯系,構建了更加精細的供熱系統模型。考慮聯供機組及電鍋爐等電熱耦合元件,建立電熱耦合綜合能源系統最優能流模型,基于內點法對模型進行求解,并通過算例驗證了模型和求解算法的正確性。
 
 
圖1供熱系統結構示意圖
圖4 33節點配電網結構
圖5 45節點熱網結構
結論
 
本文通過對供熱系統的精細化建模,在電熱耦合系統的能流計算中計入熱網傳輸約束與損耗的影響,利用換熱器、散熱器運行特性建立了較為準確的一級熱網熱負荷模型,提出了考慮供熱系統建模的電熱耦合綜合能源系統最優能流模型及計算方法。通過算例驗證,所提方法能夠通過調節聯供機組及負荷側電鍋爐出力等進行電熱能量系統的互補轉換,提高了能源利用效率。
 
接下來將進一步考慮熱泵、儲能、光伏等系統對最優能流計算的影響,并考慮概率特性,研究綜合能源系統的概率最優能流。
 
關鍵詞: 供熱
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