电/热/气综合能源系统混合潮流计算方法

刘聪+迟福建+张艺伟+赵志斌+黄永章

摘 要：综合能源系统是开放性一体化实现多种能源综合利用的新型系统形式。在综合能源系统结构下，传统的潮流计算方法已经无法得到多种能源耦合的节点状态量分布情况。本文提出了一种新型的综合潮流计算方法，根据综合能源系统中电网络、热网络、气网络的基本结构，建立各网络数学模型；改进当前天然气网络的建模方法，将压缩机与网络分离；建立综合能源网络雅各比矩阵；将传统潮流中的Newton-Raphson进行改进，用于计算综合能源互耦的雅各比矩阵，最后将天津市综合能源新区本辰区作为算例，验证算法的有效性。

关键词：综合能源；混合；计算方法；能源系统

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.19.146

1 背景

随着经济的发展和人们生活水平的提高，人们对电力的需求与日俱增，目前中国正处于从“十二五”进入“十三五”的关键时期，不能单单依靠化石燃料来满足人们日益增长的能源需求。如何减少化石燃料的依赖，实现对能源清洁、高效、稳定的使用，一直是国内外学者重点研究的热点[1]。综合能源系统是整合多种能源发/输/配/送于一体的新型能源系统[2]。通过多种能源系统的集成化运行，构建不同能源系统相互耦合供应网络，实现了热、气、电综合调度[3]。在IES下基于热电联产机组（combined heat and power， CHP）、风/光/储多能互补系统，天然气的利用率大幅提升，高品质天然气主要用于发电，低品质天然气用于供热、供冷。综合能源系统实现了热/电/气三中能源的互动和转换，但三种能源的耦合使系统的潮流发生了很大变化。如何准确、快速、有效的计算综合能源系统的潮流问题，对IES的运营、建设、规划有着重要的意义。

1.1 国内外研究

天然气-电力（气/电）和电气-热力（热/电）作为IES中的主要能源网络，成为了国内外研究学者的重点研究领域。文献[4]研究了发电厂在天然气网络与电力系统网络交互时的发电情况，并对电厂发电进行了风险评估。文献[5]通过负荷分析和动态仿真实现了天然气管网的动态仿真，动态模拟了天然气-电力网络间的相互影响。文献[6]基于能源集线器理论，提出了IES的三种运行方式，基于集线器理论，考虑了各能源网络的约束条件，搭建了系统模型。文献[7]提出了电力、天然气和区域供热系统等不同能源基础设施耦合功率流的综合优化方法，搭建了包含任意数量的发电、运输、转换模型。文献[8]通过分析不同能源的实时价格，建立了多成本，多目标的节能调度模型，实现了对能源的高效使用以及电力经济的调度。文献[9]通过建立了热-電联合大容量储能动态模型，提出了电/热互联系统的协调优化控制策略以及综合能量管理方法。

上述研究表明综合能源系统中的潮流计算问题已经得到了广泛关注，但是目前还是存在着以下几个问题。

（1）研究对象多为电/气系统或者电/热系统，缺少对电/气/热互联系统的研究。

（2）当前对于IES的研究主要集中于系统内各能源的分配关系，缺少电/热/气系统耦合互动关系的研究。

（3）目前IES潮流计算方法对于天然气网络处理方法过于繁琐，无法直接应用与实际的园区系统，否则会使计算量大大增加。

针对目前存在的3个问题，本文对热、电、气耦合的潮流计算方法进行了研究。首先对天然气压缩机模型进行优化，构建电网络，气网络，热网络及其耦合的数学模型。在系统模型基础上得到综合能源网络的潮流计算模型。根据电力系统潮流计算方法，推导含有综合能源系统各节点耦合关系的雅各比矩阵，根据Newton-Raphson对综合潮流进行计算。最后以北辰区作为实例分析，证明算法的实用性。

1.2 含电、热、气的综合能源系统介绍

综合能源系统是由电网络，热网络，天然气网络以及实现多网络耦合的热电机组、燃气锅炉、电锅炉等中间设备组成的，同时配有电、热、气储能设备是能量流动更加协调，如图1所示。电网络发电设备、传输线以及储电设备组成，通常与电网相连来保证能源系统的稳定性。热网络由供热设备、传热通路以及用户端热负荷组成。供热设备将高温热水通过传热通路供给用户端热负荷，热量传给用户后，高温热水变为低温热水，随后通过传热通路返回热源重新加热。天然气网络由天然气源、压缩机和用户端天然气负荷组成。

2 综合能源系统建模

2.1 电网络模型

综合能源系统电网络模型与传统电力系统电网络模型一致，都为经典交流模型。各节点的用无功功率和有功功率表示[10]，表达式如下：

公式中P代表网络中各节点的有功功率；U代表网络中各节点电压；Y代表电网络导纳矩阵；Q代表网络中各节点的无功功率[11]。

2.2 热网络模型

2.2.1 供热通路模型

供热通路满足节点基本原则，即一个节点流入量等于流出量；在闭合回路中，通路的流量总和为0。

公式中，分别为热网络中节点-支路矩阵，回路-支路矩阵；为压头节点损失的流量；为阻尼常数矩阵。

2.2.2 热网络中的温度模型

热网络中供热通道流动的热水满足热力学基本定律，即流入热水的能量与流出热水的热量能量相同[12]。用温度表示如下：

公式中表示热网络各节点的热功率；表示水的比热容（4.2×103J/kg·C。）；Ts，T0分别为热水进入节点之前的温度和热水流出节点时的温度；能量在管道中的流动情况，，分别表示管道首端和管道末端的温度，L为传热管道的距离； 上式则表示了管道节点能量守恒。

2.2.3 天然气网络模型

过往研究中对于天然气模型的求解通常采用天然气管道模型与天然气压缩机模型联合求解的方法，由于天然气压缩机的模型是非线性方程组，在联合求解时会带来很大的计算量。本文在在对天然气网络建模时采用压缩机、管道分离的方法，天然气网络各节点不再考虑压缩机，从而简化了网络模型更加利于求解。因此天然气网络模型可以表示为：endprint

该公式表达了各节点天然气管道流量与气体压力之间的关系，其中，为天然气管道流量；取±1代表管道中流量的方向。表示不同型号的管道系数。

2.2.4 热电联产模型

本文主要对热电联合机组进行研究。表达式如下：

公式中代表电功率；代表机组中热功率所占的比例；代表比例常数；代表产能所需的天然气量。

3 综合能源系统潮流计算方法

3.1 综合能源系统网络模型

根据以上电网络，热网络，天然气网络的建模，构建综合系统多网络模型。

公式中各变量所代表的物理量如下表所示。

3.2 面向综合潮流的Newton-Raphson算法

本文将传统电力系统中的Newton-Raphson算法，推广至综合能源系统网络中，其公式如下：

将电网络、热网络、天然气网络中的偏移量与节点状态参量带入迭代公式中，可以的到综合能源网络中的雅各比矩阵：

矩阵中对角线、、代表节点自身关系与其他节点无关；非对角线代表节点与其他节点之间的耦合关系；在天然气网络中，天然气流量的波动不会引起电网络和热网络的变化，因为天然气量由多个平衡点承担，不会对其他系统产生影响，因此雅各比矩阵中、为0。

由于热电联产机组的存在当热网络中节点发生变化时，电网络和天然气网络中的节点都会发生变化，所以，为非0项。

3.3 计算流程

综合能源系统冷、热、电网络潮流计算基本思路如下：读取综合系统网络各节点以中间设备参数；在算法进行迭代之前根据系统的工作方式，求解得到各节点的初始温度、初始流量以及各自对应的电压值和所需的天然气量。当迭代完成以后，根据更新的状态量更新x的值和供气管道中天然气的流量，如此重复迭代直至|Δx|<ε。

4 算例分析

4.1 网络状态量介绍

为了证明本文算法的有效性、可靠性，以北辰区综合系统为例进行模拟仿真。节点网络如下图所示。网络耦合节点为2个微燃机电热联产机组。电网络、热网络、天然气网络中的各节点分别为、和。

4.2 结果分析

为了更好的模拟现实情况，综合系统与大电网并网运行，因此节点EB13作为系统的平衡节点，电网络中EB11和EB12是PV节点，热网络中的HB13是平衡节点，机组CHP2工作在热定电模式，机组CHP1工作在电定热模式，仿真结果如表2所示。

从仿真结果可以看出，电网络各节点电压未出现超过电压极限的情况，节点电压值偏低，因为该节点与电源端相距较远并且负荷比较大。热网络中HB7，HB8，HB9，HB10距离两端的热源较远因此温度最低。

5 结论

为了更快速、准确的计算含电、气、热多种能源的综合能源系统，文本提出了基于Newton-Raphson的综合潮流计算方法。通过电、热、气三种网络的不同特点，建立了综合潮流计算模型；将三种网络中的各节点等效为电力系统网络中的各负荷节点；对天然气网络管道模型单独进行求解，减少了模型的复杂程度；利用Newton-Raphson对最终得到的耦合雅各比矩阵进行求解。最后仿真结果证明算法能够快速完成收敛，证明了算法的快速性。实用性。此外本文算法考虑了不同网络之间的互动联系，能够快速的得到系统综合潮流的分布。

参考文献：

[1]贾宏杰，王丹，徐宪东等.区域综合能源系统若干问题研究[J]. 电力系统自动化，2015，39（07）：198-207.

[2]姚建国，高志远，杨胜春.能源互联网的认识和展望[J].电力系统自动化，2015，39（23）：9G14.

[3]曾鸣，杨雍琦，刘敦楠等.能源互联网“源-网-荷-储”协调优化运营模式及关键技术[J].电网技术，2016，40（01）：114-124.

[4]Sahin C，Shahidehpour M，Erkmen I.Generation risk assessment in volatile conditions with wind，hydro，and natural gas units[J].Applied energy，2012（96）：4-11.

[5]张义斌.天然气-电力混合系统分析方法研究[D].北京：中国电力科学研究院，2005.

[6]徐宪东，贾宏杰，靳小龙等.区域综合能源系统电/气/热混合潮流算法研究[J].中国电机工程学报，2015，35（14）：3634-3642.

[7]Geidl M，Andersson G.Optimal power flow of multiple energy carriers[J].IEEE Transactions on Power Systems，2007，22（01）： 145-155.

[8]周任軍，冉晓洪，毛发龙等.分布式冷热电三联供系统节能协调优化调度[J].电网技术，2012（06）：8-14.

[9]徐飞，闵勇，陈磊等.包含大容量储热的电-热联合系统[J]. 中国电机工程学报，2014，34（29）：5063-5072.

[10]电力系统分析基础[J].

[11]Moeini-Aghtaie M，Abbaspour A，Fotuhi-Firuzabad M，et al. A decomposed solution to multiple-energy carriers optimal power flow[J].IEEE Transactions on Power Systems，2014， 29（02）：707-716.

[12]Sharif A，Almansoori A，Fowler M，et al.Design of an energy hub based on natural gas and renewable energy sources[J].International Journal of Energy Research，2014，38（03）：363-373.endprint