一种应对电网功率缺额的综合能源惯性支撑方法与流程

1.本发明涉及综合能源技术领域，具体的说是一种应对电网功率缺额的综合能源惯性支撑方法。


背景技术：

2.近年来，可再生能源在电力系统中的大量接入导致系统惯性降低，为电网运行带来一系列频率稳定问题的挑战；同时由于可再生能源本身具有波动性、不确定性与不可控性的特点，使得电网供给侧与需求侧的功率平衡难以维持。考虑到综合能源系统内部电气热多能耦合特性，在电网故障产生功率缺额时，除了传统发电侧出力可以提供功率支撑外，气、热惯性出力也可以为系统提供支撑，为应对电网功率缺额提供了新思路。其中，气惯性出力指短时间内释放天然气管道内的部分气管存为电网功率缺额提供惯性支撑；热惯性出力指利用热水管道传输的延时性以及热负荷建筑侧的热模糊性，牺牲部分用户舒适度为电网功率缺额提供惯性支撑。综合多种出力形式，充分考虑综合能源系统柔性能源的惯性特征，在保障系统可靠性水平的前提下，能够提升系统运行的经济性与环保性，以更小的成本代价优化应对电网功率缺额的综合能源惯性支撑方法。虽然现有技术中已有相关综合能源惯性支撑方法，但是其难以保证环保性，如申请公布号为：cn111950171a，名称为一种气热惯性备用参与园区综合能源系统备用配置方法，具体包括了建立气惯性备用应对系统功率缺额出力模型、建立热惯性备用应对系统功率缺额出力模型、构建园区综合能源备用模型，虽然实现了气热惯性备用、需求侧备用、发电侧备用的互补配置，在保证系统可靠性水平的前提下，提升系统运行经济性，但是其没有充分考虑到低碳化的问题，环保性较差。


技术实现要素：

3.本发明提出了一种应对电网功率缺额的综合能源惯性支撑方法，充分利用综合能源系统内气热惯性的功率支撑特性参与应对电网功率缺额，在保障系统可靠性水平的前提下，提升系统运行经济性与环保性。
4.为了解决上述问题，本发明是通过以下技术方案来实现的：
5.本发明是一种应对电网功率缺额的综合能源惯性支撑方法，其特征在于，包括如下步骤：
6.步骤1，建立综合能源园区热惯性功率支撑模型，具体包括：
7.步骤1.1，建立热力系统的管道模型与负荷侧建筑模型；
8.步骤1.2，求解热源功率波动下的负荷侧建筑温度响应公式；
9.步骤1.3，基于热力系统模型仿真的热惯性平缓热源处能量波动的潜力，对热惯性在电网功率缺额场景下的响应特性进行函数拟合；
10.步骤2，建立综合能源园区气惯性功率支撑模型，具体包括：
11.步骤2.1，基于天然气连续、动量方程，建立天然气管道动态模型；
12.步骤2.2，求解天然气管道末端负荷突增或突减情况下的管道内压强响应公式；
13.步骤2.3，基于天然气系统模型仿真的气惯性为能量波动提供缓冲空间的特征，对气惯性在电网功率缺额场景下的响应特性进行函数拟合；
14.步骤3，结合传统应对电网功率缺额出力形式、综合能源气惯性出力、热惯性出力，在电网发生频率下跌等功率缺额故障时，以应对电网功率缺额总成本最小为优化目标，构建应对电网功率缺额的综合能源惯性支撑模型，进行应对电网功率缺额的综合能源惯性支撑。
15.本发明的进一步改进在于：步骤1.1具体为：
16.步骤1.11，热力系统管道模型：
[0017][0018]
式中，p为传输管道，l
p
为传输管道长度，v
p
为热水流速，τ
p
为t时刻向热网输入的热能在t τ时刻产生的热时滞，μ
p
为传输管道的热损率，h
loss,p
为热传输过程中产生的热损耗，h
in,t
为t时刻流入热网的功率，h
out,t τ
为t τ
[0019]
时刻流出热网的功率；
[0020]
步骤1.12，热力系统负荷侧模型：
[0021][0022]
式中，b为热负荷建筑，t
b,t δt
和t
b,t
分别表示热负荷建筑b在t时刻、t 1时刻的室内温度，t
out,t
表示t时刻室外温度；h
b,t
为t时刻热网给热建筑t的供热功率，h
loss,b
为热建筑热损耗功率，c为室内空气比热容，m为室内空气质量，ε
loss
为热建筑散热系数。
[0023]
本发明的进一步改进在于：步骤1.2热源功率波动下的负荷侧建筑温度响应公式为：
[0024][0025]
式中，tb(t)为热负荷建筑b在t时刻的温度，hb(t)为t时刻热网对热建筑b的供热功率。
[0026]
本发明的进一步改进在于：步骤1.3中的函数拟合为：
[0027][0028]
式中，m1、n1、u1、v1均为常数系数，p
r,h
为热惯性应对功率缺额的响应功率，t
r,h
为热惯性应对功率缺额的响应时间。
[0029]
本发明的进一步改进在于：步骤3中电网功率缺额的综合能源惯性支撑模型为：
[0030]
mincostf(t)＝c
grf
(t) c
hrf
(t) c
com
(t) c
he
(t) c
sf
(t) c
cb
(t)
[0031]
式中，costf(t)为t段时间应对电网功率缺额总成本，气惯性出力数学模型为：
[0032]cgrf
(t)＝c
gr
rg(t)，
[0033]
热惯性出力数学模型为：
[0034]chrf
(t)＝c
hr
rh(t)，
[0035]cgr
和c
hr
分别为气、热惯性出力价格，rg(t)和rh(t)分别为t时刻气、热惯性出力大小；
[0036]
发电侧出力数学模型为：
[0037]csf
(t)＝cs(t)rs(t)，
[0038]cs
(t)为t时刻发电侧出力分时电价，rs(t)为t时刻发电侧出力大小，考虑到热负荷功率变化会对用户舒适度产生影响，c
com
(t)为牺牲用户侧舒适度产生的成本，其数学模型为：
[0039][0040]ccom
(n)为用户舒适度在第n类响应水平下的成本，n为用户舒适度成本阶梯价格的总阶梯数，为在第n类响应水平下热负荷侧当前热功率偏离原始热功率的差值；考虑到热电联产机组运行在不同热电比下的能源利用率不同，
[0041]che
(t)为不同热电比下消耗天然气产生的热电比成本，其数学模型为：
[0042][0043]che
(a)为热电比改变至不同值下的出力成本，m为热电比成本阶梯价格的总阶梯数；
[0044]
碳排放数学模型为：
[0045]ccb
(t)＝[q
chp
(t) qe(t)]pc，
[0046]
pc为单位碳交易成本，q
chp
(t)和qe(t)分别为热电联产机组和传统发电机组的碳排放量。
[0047]
本发明的有益效果是：本发明充分考虑了综合能源系统气热惯性特征，挖掘了气热惯性应对电网功率缺额时响应功率与响应时间形式的统一性，并利用统一形式的气热惯性协同传统发电侧出力应对电网功率缺额，提供综合能源惯性支撑，实现能源利用形式的多元化与低碳化，在保证系统可靠性水平的前提下，提升系统运行经济性和环保性。
附图说明
[0048]
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。
[0049]
图1为本发明方法的总流程图；
[0050]
图2为热惯性系统示意图；
[0051]
图3为热惯性应对系统功率缺额响应图；
[0052]
图4为简化热力系统模型图，
[0053]
图5为仿真结果及热惯性应对功率缺额响应拟合函数图；
[0054]
图6为气惯性系统示意图；
[0055]
图7为气惯性应对系统功率缺额响应图；
[0056]
图8为简化天然气系统图；
[0057]
图9为仿真结果及气惯性应对功率缺额响应拟合函数图。
具体实施方案
[0058]
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细说明。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
[0059]
本发明是1一种应对电网功率缺额的综合能源惯性支撑方法，包括如下步骤：
[0060]
步骤1，建立综合能源园区热惯性功率支撑模型：
[0061]
已知热网中热传递过程如图2所示。综合能源系统中，热能为柔性需求能源，其惯性特征主要体现在以下两个方面：1)由于传输管道较长，热能从热源向负荷侧传输过程存在热延迟，通常持续数分钟至数小时；2)即使热源处产生小范围功率波动，负荷侧也能在一段时间内保持舒适温度，直至其温度越过舒适范围的上限或下限。在电网产生功率缺额时，可主动将供给至电锅炉的电临时转掉至变压器一侧，牺牲部分热负荷建筑侧的用户舒适度以应对电网功率缺额，直至电网恢复正常运行，热负荷建筑侧温度逐渐恢复。基于上述考虑，步骤1具体为：
[0062]
步骤1.1，建立热力系统的管道模型与负荷侧建筑模型。
[0063][0064]
式中，p为传输管道，l
p
为传输管道长度，v
p
为热水流速，τ
p
为t时刻向热网输入的热能在t τ时刻产生的热时滞。μ
p
为传输管道的热损率，h
loss,p
为热传输过程中产生的热损耗。h
in,t
为t时刻流入热网的功率，h
out,t τ
为t τ时刻流出热网的功率。b为热负荷建筑，t
b,t δt
和t
b,t
分别表示热负荷建筑b在t时刻、t 1时刻的室内温度，t
out,t
表示t时刻室外温度；h
b,t
为t时刻热网给热建筑t的供热功率，h
loss,b
为热建筑热损耗功率，c为室内空气比热容，m为室内空气质量，ε
loss
为热建筑散热系数。
[0065]
步骤1.2，求解热源功率波动下的负荷侧建筑温度响应公式；
[0066]
假设一定时间内室外温度t
out,t
不变，热力系统模型可简化得到：
[0067][0068]
对简化热力系统模型作拉普拉斯变换可得到：
[0069][0070]
假设热网络给热负荷建筑b供热功率在t1时刻瞬时减少，从正常值h
b,1
下降到h
b,2
，该过程可表示如下：
[0071]
hb(t-t1)＝(h
b,2-h
b,1
)ε(t-t1) h
b,1
[0072]
对已作拉普拉斯变换的简化热力系统方程作反拉普拉斯变换，并将上述公式代入，可得热负荷建筑室内温度响应模型如下：
[0073][0074]
可得出热负荷建筑b室内温度响应函数按负指数曲线下降。如图3所示，当热网输入在t1时刻从h
b,1
下降至h
b,2
时，负荷侧温度有延时地以负指数形式从t
b,1
下降至t
b,2
。
[0075]
步骤1.3，基于热力系统模型仿真的热惯性平缓热源处能量波动的潜力，对热惯性在电网功率缺额场景下的响应特性进行函数拟合；
[0076]
已知图4为简化热力系统模型图，在该热力系统中进行功率缺额仿真得如图5中实线的仿真结果图。为了确定热惯性应对电网功率缺额时支撑功率与支撑时间的关系，选取如下函数对仿真结果进行拟合：
[0077][0078]
式中，取m1＝1.002e 05，n1＝3.328e 04、u1＝-0.8539、v1＝-0.009589。
[0079]
为了验证以上数据与热惯性应对功率缺额的响应功率p
r,h
与响应时间t
r,h
实际结果一致，图5中应用该数据作出函数曲线(如虚线所示)，结果与实际曲线吻合。
[0080]
步骤2，建立综合能源园区气惯性功率支撑模型：
[0081]
已知气网中天然气传递过程如图6所示。综合能源系统中，天然气为柔性需求能源，其惯性特征主要体现在以下两个方面：1)气管存可以在短时间内被释放以满足突然增加的负荷需求，使得管道末端流量增加，压强下降；2)由于气管存具有缓解管道中能量波动的作用，当负荷需求变化引起管道末端压强变化时，会存在一定延时。当电网产生功率缺额时，可迅速释放管道中的气管存，利用chp机组增发电功率以应对电网功率短缺。chp机组消耗气管存增发电功率的同时也会相应增发热功率，该部分热功率一部分可与电锅炉减产的热功率相抵消，另一部分将影响热负荷建筑侧的用户舒适度。当电网恢复正常运行时，热负荷建筑侧温度逐渐恢复。基于上述考虑，步骤2具体为：
[0082]
步骤2.1，基于天然气连续、动量方程，建立天然气管道动态模型；
[0083][0084]
式中，ρ、v、p分别为天然气的密度、流速、压强，λ、d、θ分别为管道的摩擦系数、内径、管道与水平面的倾角，g为重力加速度，x、t分别为时间变量和空间变量。
[0085]
步骤2.2，求解天然气管道末端负荷突增或突减情况下的管道内压强响应公式；
[0086]
定义f为管道流量，则天然气压强、天然气密度、管道流量间满足关系如下：
[0087][0088]
式中，rm为气体常数与摩尔质量的商，t为天然气温度，v为气体流速,a为管道横截面积。考虑到v2微分项对管道压降影响很小，该项忽略不计，同时认为管道与水平面倾角θ为零，则可得到天然气管道暂态模型如下：
[0089][0090]
基于有限元近似的思想，利用以下公式简化上文建立的天然气暂态模型：
[0091][0092]
式中，f
out
、f
in
分别为管道出口流量、进口流量，p
out
、p
in
分别为管道出口压强、进口压强。假设气源采用恒压力控制模式。将上述公式代入天然气管道暂态模型中并进行求导合并，可得天然气管道末段压强响应过程的二阶方程：
[0093][0094]
假设负荷需求在t1时刻瞬时增加，管道末端流量f
out
瞬时从正常值f1下降到f2，该过程可用如下公式表示：
[0095]fout
(t-t1)＝(f
2-f1)ε(t-t1) f1[0096]
为了使得求解过程更加简洁，记a1＝al/rmt，a2＝aλυl/2drmt，a3＝a/l，b1＝λυ/2d，b2＝ap
in
/l，将上述公式代入然气管道末段压强响应过程的二阶方程并对其作拉普拉斯变换，可得：
[0097][0098]
记-x1和-x2为等式a1s2 a2s a3＝0的两个根，代入前述负荷需求变化公式f
out
(t-t1)＝(f
2-f1)ε(t-t1) f1并作反拉普拉斯变换，可得天然气管道末端压强响应公式如下：
[0099][0100]
可得出天然气管道末端压强响应函数按负指数曲线下降。如图7所示，当管道末端流量在t1时刻从f2上升至f1时，管道末端压强有延时地以负指数形式从p1下降至p2。
[0101]
步骤2.3，基于天然气系统模型仿真的气惯性为能量波动提供缓冲空间的特征，对气惯性在电网功率缺额场景下的响应特性进行函数拟合；
[0102]
已知图8中为简化天然气系统模型图，在该天然气系统中进行仿真得到图9中实线为仿真结果图。为了确定气惯性应对电网功率缺额时支撑功率与支撑时间的关系，，选取如下函数对仿真结果进行拟合：
[0103][0104]
式中，取m2＝6.388e 04、n2＝-0.2256、u2＝3785、v2＝-0.005624。
[0105]
为了验证以上数据与气惯性应对功率缺额的响应功率p
r,g
与响应时间t
r,g
实际结果一致，图9中应用该数据作出函数曲线(如虚线所示)，结果与实际曲线吻合。
[0106]
可见气惯性与热惯性响应功率与响应时间具有统一形式，能以相同的数学模型形式为电网功率缺额提供惯性支撑。
[0107]
步骤3，协同考虑气热惯性出力、发电侧出力，进行应对电网功率缺额惯性支撑；
[0108]
其中，气惯性出力数学模型为：
[0109]cgrf
(t)＝c
gr
rg(t)
[0110]
式中，c
gr
为气惯性出力价格，为rg(t)t时刻气惯性出力大小。
[0111]
热惯性出力数学模型为：
[0112]chrf
(t)＝c
hr
rh(t)
[0113]
式中，c
hr
为热惯性出力价格，rh(t)为t时刻热惯性出力大小。
[0114]
发电侧出力数学模型为：
[0115]csf
(t)＝cs(t)rs(t)
[0116]
式中，cs(t)为t时刻发电侧出力分时电价，rs(t)为t时刻发电侧出力大小。
[0117]
用户舒适度数学模型为：
[0118][0119]
式中，考虑到热负荷功率变化会对用户舒适度产生影响，c
com
(t)为牺牲用户侧舒适度产生的成本，c
com
(n)为用户舒适度在第n类响应水平下的成本，n为用户舒适度成本阶梯价格的总阶梯数，为在第n类响应水平下热负荷侧当前热功率偏离原始热功率的差值。
[0120]
chp机组热电比数学模型为：
[0121][0122]
式中，考虑到chp机组运行在不同热电比下的能源利用率不同，c
he
(t)为不同热电比下消耗天然气产生的热电比成本，c
he
(a)为热电比改变至不同值下的出力成本。m为热电比成本阶梯价格的总阶梯数。
[0123]
碳排放数学模型为：
[0124]ccb
(t)＝[q
chp
(t) qe(t)]pc[0125]
式中，pc为单位碳交易成本，q
chp
(t)和qe(t)分别为chp机组和传统发电机组的碳排放量。
[0126]
综合考虑气热惯性成本，发电侧成本，用户舒适度成本，热电比成本，碳排放成本，构建应对电网功率缺额的综合能源惯性支撑模型，在保障系统可靠性水平的前提下，以所研究故障时段内提供功率支撑总成本最低为目标函数：
[0127]
min costf(t)＝c
grf
(t) c
hrf
(t) c
com
(t) c
he
(t) c
sf
(t) c
cb
(t)。
[0128]
相对于现有技术，本发明在增强系统运行经济性的同时还充分考虑到了环保性，实现了能源利用形式的多元化与低碳化。
[0129]
本发明方案所公开的技术手段不仅限于上述实施方式所公开的技术手段，还包括由以上技术特征任意组合所组成的技术方案。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰。这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。