计及下垂控制的孤岛电热综合能源潮流计算系统及方法

1.本发明涉及计及下垂控制的孤岛电热综合能源潮流计算系统及方法，属于综合能源系统建模仿真技术领域。


背景技术：

2.综合能源系统被国际能源界誉为30～50年后人类社会能源供用最可能的承载方式，已成为国际能源领域关注的热点。综合能源系统潮流计算研究主要集中在电气、电热以及电热气系统。研究各个子系统的潮流分布，是探究多能量互补特性、多系统协同规划、各系统优化调度以及协同管理等的重要前提，因此分析电热、电气等子系统对多潮流研究具有重要意义。
3.电热综合能源系统潮流计算包括电网潮流计算、热网潮流计算等，具有高非线性、迭代矩阵阶数高的特点，在考虑耦合单元采用下垂控制策略运行后，进一步加大了求解的复杂程度。目前，关于下垂控制的研究主要集中在电力系统方面。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供计及下垂控制的孤岛电热综合能源潮流计算系统及方法，可以在保证仿真精度并降低求解难度的同时，进一步提升求解速度。
5.为达到上述目的，本发明是采用下述技术方案实现的：
6.第一方面，本发明提供了计及下垂控制的孤岛电热综合能源潮流计算方法，包括：
7.选定电网下垂平衡节点、下垂pv节点和热网平衡节点；
8.给定系统频率、电压幅值、相角、下垂pv节点注入有功功率的初始值；
9.根据给定系统频率，更新负荷功率和线路参数，计算节点导纳矩阵；
10.对电热综合能源系统进行牛顿拉夫逊法潮流计算，输出潮流计算结果；
11.更新电网下垂平衡节点的有功功率和电压幅值、系统角频率、下垂pv节点的有功功率和电压幅值；
12.判断电网潮流是否收敛：
13.响应于电网潮流不收敛时，重新根据给定系统频率，更新负荷功率和线路参数，计算节点导纳矩阵；
14.响应于电网潮流收敛时，根据电热耦合设备模型，通过电网下垂平衡节点电功率，计算热网对应节点的热功率；
15.进行水力计算和热力计算，更新节点供热温度；
16.根据前后更新的节点温度误差绝对值是否满足收敛精度，判断热网潮流是否收敛：
17.响应于热网潮流收敛时，根据电热耦合设备模型，通过热网平衡节点热功率，计算对应的电网下垂pv节点的电功率；
18.响应于热网潮流不收敛时，将更新后的节点供热温度、回热温度作为初始值，重新进行水力计算和热力计算；
19.根据电网下垂pv节点电功率与电网下垂pv节点有功功率初始值的误差绝对值，判断电热潮流是否满足收敛精度：
20.响应于电热潮流满足收敛精度，输出电热综合能源潮流解；
21.响应于不收敛，将更新后的电网下垂pv节点电功率作为初始值，重新给定系统频率、电压幅值、相角。
22.进一步的，根据给定系统频率，更新负荷功率和线路参数，计算节点导纳矩阵，包括：
23.更新负荷功功率公式为：
[0024][0025]
其中：p
lk
和q
lk
分别表示节点k的负荷有功、无功功率，p
kn
和q
kn
分别表示节点k的负荷额定有功、无功功率，f与fn表示节点k的实际频率与额定频率，k
pf
和k
qf
则是代表频率对有功无功的影响系数，vk表示节点k电压幅值，α、β表示电压对有功无功的影响系数；
[0026]
更新线路参数公式为：
[0027][0028]
其中：ωn、ωk分别表示电网额定角频率、实测角频率，xk、bk表示实测频率下的电抗与电纳值，x0、b0表示额定频率下的电抗与电纳值。
[0029]
进一步的，更新电网下垂平衡节点的有功功率和电压幅值、系统角频率、下垂pv节点的有功功率和电压幅值，包括：
[0030]
通过下垂pv节点功率和有功功率下垂系数更新电网下垂平衡节点的有功功率；
[0031]
根据下垂平衡节点的有功功率，通过p-ω型下垂控制方程更新系统角频率，通过q-v型下垂控制方程更新下垂平衡节点电压幅值；
[0032]
根据系统角频率，通过p-ω型、q-v型下垂控制方程更新下垂pv节点的有功功率和电压幅值。
[0033]
进一步的，通过下垂pv节点功率和有功功率下垂系数更新电网下垂平衡节点的有功功率，公式为：
[0034][0035]
其中：p
gk
表示下垂平衡节点k的有功功率，p
gt
表示下垂pv节点t的有功功率，m
pt
表示节点t的有功功率下垂系数。
[0036]
进一步的，根据下垂平衡节点的有功功率，通过p-ω型下垂控制方程更新系统角频率，通过q-v型下垂控制方程更新下垂平衡节点电压幅值，所述下垂控制方程为：
[0037][0038]
其中：i是采用下垂控制策略的节点编号，ωi是节点i的运行角频率值，vi是节点i的电压幅值，ω
i0
、v
i0
是节点i空载运行时的角频率与电压值，m
pi
、n
qi
是节点i的有功-频率与无功-电压下垂控制系数，p
gi
、q
gi
分别是节点i注入电网的有功与无功功率。
[0039]
进一步的，进行水力计算和热力计算，更新节点供热温度，包括：
[0040]
给定节点供热温度、回热温度、管段流量初始值，通过水力计算求解各管段的流量，公式为：
[0041][0042]
am＝mq[0043]
bhf＝0
[0044]
其中：m
qi
为节点i流量，φi为节点热负荷功率，c
p
为水的比热容，t
si
为节点的供热温度，t
oi
为节点的返回温度，m为管道流量，mq为节点流量，a为基本关联矩阵，b为基本回路矩阵，hf为管道压降。
[0045]
进一步的，进行水力计算和热力计算，更新节点供热温度，还包括：
[0046]
根据水力计算的管段流量，从热源温度作为起点，直接代数计算，更新供热和回热节点温度，公式为：
[0047][0048]
(∑m
out
)t
out
＝∑(m
in
t
in
)
[0049]
其中：ta为环境温度，λ为管道传热系数，c
p
为水的比热容；m
in
、m
out
和t
in
、t
out
分别为流入和流出混合节点的质量流量和温度，t
end
为管道末端温度，t
start
为管道首端温度，e为自然指数，m为管道质量流量，l为管道长度。
[0050]
第二方面，本发明提供了计及下垂控制的孤岛电热综合能源潮流计算系统，包括计及下垂控制的孤岛电网潮流计算模块模块、耦合单元计算模块和热网潮流计算模块，其中：
[0051]
所述计及下垂控制的孤岛电网潮流计算模块模块包括：
[0052]
网络参数更新模块：通过p-ω型下垂控制方程更新系统角频率；根据系统角频率更新线路、负荷模型；
[0053]
常规潮流计算模块：选择一个采用下垂控制的电热耦合设备作为下垂平衡节点，其余下垂节点看作常规潮流计算的下垂pv节点，进行常规潮流计算；
[0054]
下垂节点更新模块：根据常规潮流计算的结果，对作为平衡节点的下垂节点有功功率进行更新，通过p-ω型下垂控制方程更新系统角频率，通过q-v型下垂控制方程更新平衡节点电压幅值；分别通过p-ω、q-v型控制方程更新作为pv节点的下垂节点的有功功率和电压幅值；
[0055]
所述耦合单元计算模块用于根据电热耦合单元的数学模型，响已知耦合节点热功率，则根据数学模型求解耦合节点电功率；若已知耦合节点电功率，则根据数学模型求解耦
合节点热功率；
[0056]
所述热网潮流计算模块包括：
[0057]
水力计算模块：根据供热温度、回热温度、返回温度、节点热功率，求解各管段的流量；
[0058]
热力计算模块：根据水力计算求解的管段流量，计算节点的供热温度和回热温度。
[0059]
第三方面，本发明提供了计及下垂控制的孤岛电热综合能源潮流计算装置，包括处理器及存储介质；
[0060]
所述存储介质用于存储指令；
[0061]
所述处理器用于根据所述指令进行操作以执行根据上述任一项所述方法的步骤。
[0062]
第四方面，本发明提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现上述任一项所述方法的步骤。
[0063]
与现有技术相比，本发明所达到的有益效果：
[0064]
本发明针对计及下垂控制的孤岛电热综合能源潮流计算复杂、实现难度大等问题，将该潮流分解成3个计算模块：计及下垂控制的孤岛电网潮流计算、耦合单元计算、热网潮流计算；考虑各个模块计算特点，对计及下垂控制的孤岛电网潮流计算模块和热网潮流计算模块进一步细分；通过对3个计算模块的交替迭代求解，显著降低了计算的矩阵阶数、内存占用，加快了求解速度。
附图说明
[0065]
图1是本发明实施例一提供的计及下垂控制的孤岛电热综合能源潮流计算求解流程图；
[0066]
图2是本发明实施例一提供的计及下垂控制的孤岛电热综合能源潮流计算系统模块分解示意图；
[0067]
图3是本发明实施例一提供的计及下垂控制的孤岛电热综合能源系统结构示意图。
具体实施方式
[0068]
下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
[0069]
实施例一：
[0070]
请参阅图1，本实施例提供了一种计及下垂控制的孤岛电热综合能源潮流计算方法，包括：
[0071]
(1)首先，对电网部分进行潮流计算，选择一个采用下垂控制的电热耦合设备作为电网下垂平衡节点，其余下垂节点看作常规潮流计算的pv节点(下垂pv节点)；在下垂pv节点中选择一个采用下垂控制的电热耦合设备作为热网平衡节点；给定系统频率、电压幅值、相角、下垂pv节点注入有功功率的初始值；
[0072]
(2)根据给定系统频率，更新负荷功率和线路参数，计算节点导纳矩阵，其中：
[0073]
更新负荷功功率公式为：
[0074][0075]
其中：p
lk
和q
lk
分别表示节点k的负荷有功、无功功率，p
kn
和q
kn
分别表示节点k的负荷额定有功、无功功率，f与fn表示节点k的实际频率与额定频率，k
pf
和k
qf
则是代表频率对有功无功的影响系数，vk表示节点k电压幅值，α、β表示电压对有功无功的影响系数。
[0076]
更新线路参数公式为：
[0077][0078]
其中：ωn、ωk分别表示电网额定角频率、实测角频率，xk、bk表示实测频率下的电抗与电纳值，x0、b0表示额定频率下的电抗与电纳值。
[0079]
(3)进行牛顿拉夫逊法潮流计算，输出潮流计算结果；
[0080]
(4)通过下垂pv节点功率和有功功率下垂系数更新电网下垂平衡节点的有功功率，计算公式为：
[0081][0082]
其中：p
gk
表示下垂平衡节点k的有功功率，p
gt
表示下垂pv节点t的有功功率，m
pt
表示节点t的有功功率下垂系数。
[0083]
(5)根据步骤(4)计算的下垂平衡节点的有功功率，通过p-ω型下垂控制方程更新系统角频率；通过q-v型下垂控制方程更新下垂平衡节点电压幅值，下垂控制方程为：
[0084][0085]
其中：i是采用下垂控制策略的节点编号，ωi是节点i的运行角频率值，vi是节点i的电压幅值，ω
i0
、v
i0
是节点i空载运行时的角频率与电压值，m
pi
、n
qi
是节点i的有功-频率与无功-电压下垂控制系数，p
gi
、q
gi
分别是节点i注入电网的有功与无功功率。
[0086]
(6)根据步骤(5)计算的系统角频率，通过p-ω型、q-v型下垂控制方程更新下垂pv节点的有功功率和电压幅值；
[0087]
(7)判断电网潮流是否收敛，若不收敛，返回步骤(2)；若收敛，根据电热耦合设备模型，通过电网下垂平衡节点电功率，计算热网对应节点的热功率；
[0088]
(8)其次，将热网潮流计算分解成水力计算和热力计算两个子问题进行求解；给定节点供热温度、回热温度、管段流量初始值，通过水力计算求解各管段的流量，计算公式为：
[0089][0090]
am＝mq[0091]
bhf＝0
[0092]
其中：m
qi
为节点i流量，φi为节点热负荷功率，c
p
为水的比热容，t
si
为节点的供热温度，t
oi
为节点的返回温度，m为管道流量，mq为节点流量，a为基本关联矩阵，b为基本回路矩阵，hf为管道压降。
[0093]
(9)进行热力计算，根据水力计算的管段流量，从热源温度作为起点，直接代数计算，更新供热和回热节点温度；
[0094][0095]
(∑m
out
)t
out
＝∑(m
in
t
in
)
[0096]
其中：ta为环境温度，λ为管道传热系数，c
p
为水的比热容；m
in
、m
out
和t
in
、t
out
分别为流入和流出混合节点的质量流量和温度，t
end
为管道末端温度，t
start
为管道首端温度，e为自然指数，m为管道质量流量，l为管道长度；
[0097]
(10)根据步骤(9)前后更新的节点温度误差绝对值是否满足收敛精度，判断是否收敛；若收敛，根据电热耦合设备模型，通过热网平衡节点热功率，计算对应的电网下垂pv节点的电功率；若不收敛，返回步骤(8)，将更新后的节点供热温度、回热温度作为初始值；
[0098]
(11)根据步骤(10)计算的电网下垂pv节点电功率与步骤(1)给定的电网下垂pv节点有功功率初始值的误差绝对值，判断是否满足收敛精度；若收敛，输出电热综合能源潮流解；若不收敛，返回步骤(1)，将更新后的电网下垂pv节点电功率作为初始值。
[0099]
上述方法计算中，将计及下垂控制的孤岛电热综合能源潮流计算复杂问题逐步分解成3个子问题进行求解：计及下垂控制的孤岛电网潮流计算、耦合单元计算、热网潮流计算。在计及下垂控制的孤岛电网潮流中进一步将问题分解为电网参数更新、常规电网潮流计算、下垂节点更新；在热网潮流中采用分立求解，仅对水力计算进行迭代求解，而热力计算根据水力计算的结果进行代数运算；总体而言，降低了求解难度和计算机内存占用，显著提高了求解效率。
[0100]
实施例二：
[0101]
计及下垂控制的孤岛电热综合能源潮流计算系统，可实现实施例一所述的计及下垂控制的孤岛电热综合能源潮流计算方法，请参阅图2-3，电力系统、热力系统、以及采用下垂控制策略的电热耦合单元组成了计及下垂控制的孤岛电热综合能源系统，其中电力系统与热力系统通过电热耦合单元进行耦合。其中，计及下垂控制的孤岛电热综合能源潮流计算系统包括：
[0102]
计及下垂控制的孤岛电网潮流计算模块：对电网部分进行潮流计算，选择一个采用下垂控制的电热耦合设备作为电网下垂平衡节点，其余下垂节点看作常规潮流计算的pv节点(下垂pv节点)；在下垂pv节点中选择一个采用下垂控制的电热耦合设备作为热网平衡节点；根据常规潮流计算的结果，对作为平衡节点的下垂节点有功功率进行更新，通过p-ω型下垂控制方程更新系统角频率，通过q-v型下垂控制方程更新平衡节点电压幅值；分别通过p-ω、q-v型控制方程更新作为pv节点的下垂节点的有功功率和电压幅值；根据系统角频率更新负荷、线路模型。
[0103]
计及下垂控制的孤岛电网潮流计算模块包括：
[0104]
网络参数更新模块：通过p-ω型下垂控制方程更新系统角频率；根据系统角频率更新线路、负荷模型；
[0105]
常规潮流计算模块：选择一个采用下垂控制的电热耦合设备作为下垂平衡节点，其余下垂节点看作常规潮流计算的pv节点，进行常规潮流计算；
[0106]
下垂节点更新模块：根据常规潮流计算的结果，对作为平衡节点的下垂节点有功功率进行更新，通过p-ω型下垂控制方程更新系统角频率，通过q-v型下垂控制方程更新平衡节点电压幅值；分别通过p-ω、q-v型控制方程更新作为pv节点的下垂节点的有功功率和电压幅值。
[0107]
耦合单元计算模块：根据电热耦合单元的数学模型，若已知耦合节点热功率，则根据数学模型求解耦合节点电功率；若已知耦合节点电功率，则根据数学模型求解耦合节点热功率。
[0108]
热网潮流计算模块：水力计算求解管道流量；热力计算求解管网节点温度。
[0109]
具体的，热网潮流计算模块包括：
[0110]
水力计算模块：根据供热温度、回热温度、返回温度、节点热功率，求解各管段的流量；
[0111]
热力计算模块：根据水力计算求解的管段流量，计算节点的供热温度和回热温度。
[0112]
实施例三：
[0113]
本发明实施例还提供了计及下垂控制的孤岛电热综合能源潮流计算装置，可实现实施例一所述的计及下垂控制的孤岛电热综合能源潮流计算方法，包括处理器及存储介质；
[0114]
所述存储介质用于存储指令；
[0115]
所述处理器用于根据所述指令进行操作以执行下述方法的步骤：
[0116]
选定电网下垂平衡节点、下垂pv节点和热网平衡节点；
[0117]
给定系统频率、电压幅值、相角、下垂pv节点注入有功功率的初始值；
[0118]
根据给定系统频率，更新负荷功率和线路参数，计算节点导纳矩阵；
[0119]
对电热综合能源系统进行牛顿拉夫逊法潮流计算，输出潮流计算结果；
[0120]
更新电网下垂平衡节点的有功功率和电压幅值、系统角频率、下垂pv节点的有功功率和电压幅值；
[0121]
判断电网潮流是否收敛：
[0122]
响应于电网潮流不收敛时，重新根据给定系统频率，更新负荷功率和线路参数，计算节点导纳矩阵；
[0123]
响应于电网潮流收敛时，根据电热耦合设备模型，通过电网下垂平衡节点电功率，计算热网对应节点的热功率；
[0124]
进行水力计算和热力计算，更新节点供热温度；
[0125]
根据前后更新的节点温度误差绝对值是否满足收敛精度，判断热网潮流是否收敛：
[0126]
响应于热网潮流收敛时，根据电热耦合设备模型，通过热网平衡节点热功率，计算对应的电网下垂pv节点的电功率；
[0127]
响应于热网潮流不收敛时，将更新后的节点供热温度、回热温度作为初始值，重新进行水力计算和热力计算；
[0128]
根据电网下垂pv节点电功率与电网下垂pv节点有功功率初始值的误差绝对值，判
断电热潮流是否满足收敛精度：
[0129]
响应于电热潮流满足收敛精度，输出电热综合能源潮流解；
[0130]
响应于不收敛，将更新后的电网下垂pv节点电功率作为初始值，重新给定系统频率、电压幅值、相角。
[0131]
实施例四：
[0132]
本发明实施例还提供了一种计算机可读存储介质，可实现实施例一所述的计及下垂控制的孤岛电热综合能源潮流计算方法，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现下述方法的步骤：
[0133]
选定电网下垂平衡节点、下垂pv节点和热网平衡节点；
[0134]
给定系统频率、电压幅值、相角、下垂pv节点注入有功功率的初始值；
[0135]
根据给定系统频率，更新负荷功率和线路参数，计算节点导纳矩阵；
[0136]
对电热综合能源系统进行牛顿拉夫逊法潮流计算，输出潮流计算结果；
[0137]
更新电网下垂平衡节点的有功功率和电压幅值、系统角频率、下垂pv节点的有功功率和电压幅值；
[0138]
判断电网潮流是否收敛：
[0139]
响应于电网潮流不收敛时，重新根据给定系统频率，更新负荷功率和线路参数，计算节点导纳矩阵；
[0140]
响应于电网潮流收敛时，根据电热耦合设备模型，通过电网下垂平衡节点电功率，计算热网对应节点的热功率；
[0141]
进行水力计算和热力计算，更新节点供热温度；
[0142]
根据前后更新的节点温度误差绝对值是否满足收敛精度，判断热网潮流是否收敛：
[0143]
响应于热网潮流收敛时，根据电热耦合设备模型，通过热网平衡节点热功率，计算对应的电网下垂pv节点的电功率；
[0144]
响应于热网潮流不收敛时，将更新后的节点供热温度、回热温度作为初始值，重新进行水力计算和热力计算；
[0145]
根据电网下垂pv节点电功率与电网下垂pv节点有功功率初始值的误差绝对值，判断电热潮流是否满足收敛精度：
[0146]
响应于电热潮流满足收敛精度，输出电热综合能源潮流解；
[0147]
响应于不收敛，将更新后的电网下垂pv节点电功率作为初始值，重新给定系统频率、电压幅值、相角。
[0148]
本领域内的技术人员应明白，本技术的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本技术可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本技术可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、cd-rom、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
[0149]
本技术是参照根据本技术实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序
指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
[0150]
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
[0151]
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
[0152]
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。