一种综合能源系统多能网络动态储能特性量化方法及系统

1.本发明属于综合能源系统运行控制技术领域，具体涉及一种综合能源系统多能网络动态储能特性量化方法及系统。


背景技术：

2.综合能源系统具有整合多种能源资源，协同管理异质能流，实现能量的多能互补和梯级利用的优点，是实现“双碳”目标的关键技术之一。流体输运网络是综合能源系统“源网荷储”的重要组成部分，也是深度参与综合能源系统规划与调控的重要环节。综合能源系统中的流体能流包括天然气、热水、冷水、蒸汽、压缩空气。不同于电力输运网络，流体在网络中输运时存在可压缩性和延迟性，其供应和利用不需要实现实时平衡，从而为流体输运网络储能和综合能源系统调节灵活性的提升提供了实现的可能。充分利用流体输运网络的储能能力，能够在不额外增加储能设备的基础上，实现综合能源系统能源利用效率、用户需求响应能力、系统运行经济性和环保性的提升，进一步促进可再生能源消纳，助力“双碳”目标的实现。
3.然而，目前对流体输运网络动态储能能力和储能特性的理解和分析不够充分，无法助力实现综合能源系统的灵活性调度。因此，从流体输运网络动态建模出发，进一步揭示其动态储能特性，评估其储能能力是其在综合能源系统调度领域应用的前提和基础。为了进一步发挥流体输运网络的储能能力，需要建立综合能源系统输运网络储能特性量化评估方法。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种综合能源系统多能网络动态储能特性量化方法及系统，本发明量化了综合能源系统中输运网络的储能特性及能力，能够为综合能源系统调度优化提供基础。
5.本发明采用以下技术方案实现：
6.一种综合能源系统多能网络动态储能特性量化方法及系统，包括以下步骤：
7.步骤s1，根据质量、动量、能量守恒方程，建立含拓扑结构的流体网络动态模型并求解；
8.步骤s2，建立广义储能模型，计算流体网络的储能特征参数；
9.步骤s3，建立流体输运网络储能特性量化方法，利用量化指标评估其储能能力和利用率；
10.步骤s4，利用建立的流体输运网络储能特性量化方法评估同一流体不同输运网络或同一输运网络不同运行工况。
11.在步骤s1的根据质量、动量、能量守恒方程，建立含拓扑结构的流体网络动态模型并求解中：
12.步骤s11，建立流体输运动态模型
[0013][0014]
其中：
[0015][0016][0017]
式中，下标i代表能流i，能流包括天然气、压缩空气、热水、冷水、蒸汽；ρi为密度，kg/m3；vi为速度，m/s；pi为压力，mpa；ui为比内能，j/kg；gi为重力加速度，m/s2；θi为管道倾斜角，
°
；λi为阻力系数；di为管径，m；ki为换热系数，w/(m2·
k)；ti为流体温度，k；t
i,r
为环境温度，k。
[0018]
对于气体类能流，如天然气、压缩空气，气体温度在输运过程中不发生变化，联合质量、动量方程实现对气体类能流输运过程的描述；对于液体类能流，如热水、冷水，液体密度在输运过程中不发生变化，联合动量、能量方程实现对液体类能流输运过程的描述；对于特殊能流蒸汽，其密度和温度在输运过程中都会受到源侧供应和环境的影响而发生变化，需联合质量、动量、能量方程才能实现对其输运过程的描述。
[0019]
步骤s12，建立流体网络输运动态模型
[0020]
根据图论，定义节点-支路矩阵描述流体拓扑结构
[0021][0022][0023]
式中，ai为能流i的节点-支路关联矩阵；n为节点数；m为支路数；a
nm
为节点n和支路m的关联系数。
[0024]
同时建立能流i的流体网络约束
[0025]
针对天然气、压缩空气，对于能流i的流体网络中的任一节点j，建立流量平衡方程
[0026]
∑g
i,j
(t) ∑g
o,j
(t)＝0
[0027]
式中：∑g
i,j
(t)为t时刻流入节点j的质量流量，kg/s；∑g
o,j
(t)为t时刻流出节点j的质量流量，kg/s。
[0028]
针对热水和冷水，其节点能量平衡方程为
[0029]
∑e
i,j
(t) ∑e
o,j
(t)＝0
[0030]
式中：e
i,j
(t)为流入节点j的能量，j；e
o,j
(t)为流出节点j的能量，j。
[0031]
针对蒸汽，其网络约束应同时包括流量平衡和能量平衡。
[0032]
联合步骤s11中的公式即可建立含拓扑结构的流体网络输运动态模型，描述流体输运过程；
[0033]
步骤s13，为简化计算，将气体类流体和特殊流体都视为理想气体且不考虑相变，引入理想气体状态方程简化模型。根据流体特性，选择合适的常微分方程、偏微分方程求解方法或有限差分法对流体网络输运动态模型进行求解，获得流体密度、速度、温度在时间、空间上的分布。
[0034]
在步骤s2的建立广义储能模型，计算流体网络的储能特征参数中：
[0035]
步骤s21，建立广义储能模型。将流体网络储能比拟为广义的蓄能装置，采用实时蓄/放能速率、实时蓄/放能量、实时总蓄能量、最大/最小蓄能量、必须蓄能量、初始蓄能量描述广义储能模型的蓄放能特性；
[0036]
步骤s22，基于步骤s1流体网络输运动态模型求解结果，计算广义储能模型储能特征参数。
[0037]
实时蓄/放能速率描述实时供需不平衡性。当供大于需时，实时蓄/放能速率为正，说明广义储能模型正在蓄能；当供小于需时，实时蓄/放能速率为负，说明广义储能模型正在放能。
[0038]srt
(t)＝μ
in
(t)-μ
out
(t)
[0039]
式中，s
rt
(t)为实时蓄/放能速率；μ
in
(t)、μ
out
(t)分别为t时刻注入、流出流体能量。
[0040]
实时蓄/放能量描述广义储能模型在运行过程中围绕初始蓄能量的波动，初始蓄能量是广义储能模型在调度初始点时网络内存储的能量。最大、最小蓄能量描述广义储能模型储能上、下限，共同构成了流体网络的最大蓄能能力及实时蓄/放能量的约束
[0041][0042]
式中，为实时蓄/放能量；dt为时间步长；为最大蓄能量；为最小蓄能量；为初始蓄能量；为实时总蓄能量；s
max
为最大蓄能能力。
[0043]
对气体类流体，其最大/最小蓄能量描述为
[0044][0045]
式中，r
g,i
为气体常数；分别为广义储能模型进出口的最大压力；分别为广义储能模型进出口的最小压力；mi为第i个管道的面积，m2；li为第i个管道的长度，m；t为气体温度，k；为第i个管道的平均密度，kg/m3；np为管道数。
[0046]
对于液体类流体，其最大/最小蓄能量描述为
[0047][0048]
式中，为平均比热容，j/(kg
·
k)；g为流量，kg/s；t
smax
、t
smin
分别为供水的最高、最低温度，k；t
rmax
、t
rmin
分别为回水的最高、最低温度，k。
[0049]
对于蒸汽流体，其最大/最小蓄能量描述为
[0050][0051]
必须蓄能量描述运行中为满足需求侧的供给，广义储能模型必须存储的能量。qs为能流总供应曲线，qc为能流总需求曲线，广义储能模型的蓄能量描述为供需差的积分
[0052][0053]
式中，δsd(t)为蓄能曲线。则必须蓄能量描述为
[0054]
se＝qa-qb
[0055]
式中，qa，qb分别是蓄能曲线的最高点和最低点。
[0056]
需要说明的是，蒸汽输运网络动态模型的求解计算较为复杂，现有的简化计算包括忽略蒸汽温度变化和忽略蒸汽密度变化两种。对于忽略蒸汽温度变化的简化求解，其广义储能模型的蓄放热特性计算方法和气体类能流相同；对于忽略蒸汽密度变化的简化求解，其广义储能模型的蓄放热特性计算方法和液体类能流相同。
[0057]
在步骤s3的建立流体输运网络储能特性量化评估模型，评估其储能能力和利用率中：
[0058]
建立流体输运网络储能特性量化评估模型，包括满足度和综合利用率两个评估指标。满足度为广义储能模型的最大蓄能能力对系统调度需求的满足情况，用于评估特定广义储能模型的蓄能潜力及其在调度过程中的蓄放能冗余量
[0059][0060]
式中，χ为满足度。
[0061]
综合利用率评估实际运行过程中，系统调度策略对广义储能模型的储能能力的利用情况。首先计算正利用率和负利用率
[0062][0063]
式中，η

为正利用率；η-为负利用率。
[0064]
其次，计算正利用率和负利用率的最大值和平均值
[0065][0066][0067]
式中，td为调度周期；为正利用率的最大值；为负利用率的最大值；为正利用率的平均值；为负利用率的最大值。
[0068]
利用专家评估法综合评估广义储能模型的利用率，计算综合利用率指标
[0069][0070][0071]
式中，η为综合利用率；wk为第k项利用率的权重；ηk为第k项利用率。η1为正利用率的最大值；η2为正利用率的平均值；η3为负利用率的最大值；η4为负利用率的平均值。其中，权重由专家评估法给出。
[0072]
在步骤s4的利用建立的流体输运网络储能特性量化评估同一流体不同输运网络或同一输运网络不同运行工况中：
[0073]
步骤s41，输入同一能流的不同输运网络，根据步骤s1-s3计算多个输运网络的满足度。满足度越大，广义储能模型越能满足调度策略中的蓄放能需求，即输运网络的设计与实际运行调度更匹配；当满足度小于1时，说明广义储能模型不足以支撑系统的调度需求，需额外配置储能设备。满足度可用于评估同一能流不同输运网络的网络规划，也可用于能流输运网络的规划方案评估。在经济性相同的情况下，满足度越高，说明网络规划越合理。
[0074]
步骤s42，输入同一能流同一输运网络的不同运行工况，根据步骤s1-s3计算不同运行工况下的综合利用率，以评估不同运行工况及其调度方案对于输运网络蓄能能力的利用情况。综合利用率高的工况，说明广义储能模型深度参与调度，其蓄能能力利用更充分，调度策略对广义储能模型的设计配置利用更充分。
[0075]
本发明还提供一种综合能源系统输运网络储能特性量化评估系统，所述系统包括数据处理模块、流体网络输运动态模型建模及求解模块、广义储能模型建模及计算模块、储能特性量化评估模块；将上述模块分别进行模块封装，建立数据传输通道；
[0076]
所述的数据处理模块处理输入的综合能源系统流体输运网络参数及运行数据，并将处理好的数据传输到流体网络输运动态模型建模及求解模块；
[0077]
所述的流体网络输运动态模型建模及求解模块根据流体特性建立含拓扑结构的流体网络动态模型，对质量、动量、能量方程进行简化，并选取求解方法求解流体网络动态模型，将密度、速度和温度的时空分布数据传输到广义储能模型计算模块；
[0078]
所述的广义储能模型建模及计算模块用于建立广义储能模型，计算流体网络蓄放能特性，计算实时蓄/放能速率、实时蓄/放能量、实时总蓄能量、最大/最小蓄能量、必须蓄能量、初始蓄能量共6个关键参数，并将计算结果传输到储能特性量化评估模块；
[0079]
所述的储能特性量化评估模块计算满足度和综合利用率两个指标，并针对同一流体不同输运网络从储能潜力方面进行评估，对同一输运网络不同运行工况从储能综合利用率方面进行评估分析，分别获得量化评估结果。
[0080]
本发明的有益效果是：
[0081]
本发明建立了一种综合能源系统多能网络动态储能特性量化方法及系统，基于质量、动量、能量三个守恒方程和流体网络拓扑结构建立了流体输运网络动态模型，并根据流体特性对模型进行简化，选取合适的求解方式进行求解；建立广义储能模型以量化流体输运网络储能特性，基于密度、速度和温度的时空分布求解结果，计算流体输运网络储能特征参数；建立广义储能模型储能评估体系，采用满足度和综合利用率评估规划和调度中广义储能模型的储能潜力和储能利用率，用于评估分析同一流体不同输运网络或同一输运网络不同运行工况的储能情况，为流体输运网络参与综合能源系统调度优化提供模型和约束基础，从而增加综合能源系统的调节灵活性。
附图说明
[0082]
图1为本发明的量化评估流程图；
[0083]
图2为某蒸汽系统的输运网络结构图；
[0084]
图3为某蒸汽系统的实时蓄放能速率图；
[0085]
图4为某蒸汽系统的正利用率和负利用率结果；
具体实施方式
[0086]
为了使本发明的内容更容易被清楚地理解，下面结合具体实例和附图对本发明的技术方案做进一步介绍。如图1所示，本发明的技术方法包括4个步骤：
[0087]
步骤s1，根据质量、动量、能量守恒方程，建立含拓扑结构的流体网络动态模型并求解；
[0088]
步骤s2，建立广义储能模型，计算流体网络的储能特征参数；
[0089]
步骤s3，建立流体输运网络储能特性量化评估模型，评估其储能能力和利用率；
[0090]
步骤s4，利用建立的流体输运网络储能特性量化方法评估模型对同一流体不同输运网络或同一输运网络不同运行工况进行评估分析。
[0091]
下面结合图2所示的拓扑结构的蒸汽系统对本发明进行进一步介绍。选取其在12月两个运行工况，工况1和工况2，作为研究案例。
[0092]
在步骤s1的根据质量、动量、能量守恒方程，建立蒸汽系统含拓扑结构的流体网络动态模型并求解：
[0093]
步骤s11，建立蒸汽输运动态模型
[0094][0095]
其中：
[0096][0097][0098]
式中，下标i代表蒸汽；ρi为密度，kg/m3；vi为速度，m/s；pi为压力，mpa；ui为比内能，j/kg；gi为重力加速度，m/s2；θi为管道倾斜角，
°
；λi为阻力系数；di为管径，m；ki为换热系数，w/(m2·
k)；ti为流体温度，k；t
i,r
为环境温度，k。
[0099]
步骤s12，建立蒸汽网络输运动态模型
[0100]
根据图论，定义节点-支路矩阵描述流体拓扑结构
[0101][0102][0103]
式中，ai为蒸汽的节点-支路关联矩阵；n为节点数；m为支路数；a
nm
为节点n和支路m的关联系数。
[0104]
同时建立蒸汽网络约束
[0105]
对于蒸汽网络中的任一节点j，建立流量平衡方程
[0106]
∑g
i,j
(t) ∑g
o,j
(t)＝0
[0107]
式中：∑g
i,j
(t)为t时刻流入节点j的质量流量，kg/s；∑g
o,j
(t)为t时刻流出节点j
的质量流量，kg/s。
[0108]
节点能量平衡方程为
[0109]
∑e
i,j
(t) ∑e
o,j
(t)＝0
[0110]
式中：e
i,j
(t)为流入节点j的能量，j；e
o,j
(t)为流出节点j的能量，j。
[0111]
联合步骤s11中的公式即可建立含拓扑结构的蒸汽网络输运动态模型，描述蒸汽输运过程；
[0112]
步骤s13，为简化计算，将蒸汽流体视为理想气体且不考虑相变，引入理想气体状态方程简化模型。
[0113]
pi＝ρ
irg,i
ti[0114]
式中，r
g,i
为气体常数，根据iapws-if97求得。
[0115]
同时，忽略蒸汽传输过程中的温度变化，采用蒸汽网络进口和出口的平均温度来计算。基于以上两个假设，对蒸汽网络输运动态模型进行求解。
[0116]
步骤s2，建立广义储能模型，计算蒸汽网络的储能特征参数：
[0117]
步骤s21，建立广义储能模型。将蒸汽网络储能比拟为广义的蓄能装置，采用实时蓄/放能速率、实时蓄/放能量、实时总蓄能量、最大/最小蓄能量、必须蓄能量、初始蓄能量描述广义储能模型的蓄放能特性；
[0118]
步骤s22，基于步骤s1蒸汽网络输运动态模型求解结果，计算广义储能模型储能特征参数。由于忽略了蒸汽的温度变化，其储能特征参数计算方法和气体类流体类似。
[0119]
实时蓄/放能速率描述实时供需不平衡性。当供大于需时，实时蓄/放能速率为正，说明广义储能模型正在蓄能；当供小于需时，实时蓄/放能速率为负，说明广义储能模型正在放能。
[0120]srt
(t)＝μ
in
(t)-μ
out
(t)
[0121]
式中，s
rt
(t)为实时蓄/放能速率；μ
in
(t)、μ
out
(t)分别为t时刻注入、流出流体能量。
[0122]
实时蓄/放能量描述广义储能模型在运行过程中围绕初始蓄能量的波动，初始蓄能量是广义储能模型在调度初始点时网络内存储的能量。最大、最小蓄能量描述广义储能模型储能上、下限，共同构成了蒸汽网络的最大蓄能能力及实时蓄/放能量的约束
[0123][0124]
式中，为实时蓄/放能量；dt为时间步长；为最大蓄能量；为最小蓄能量；为初始蓄能量；为实时总蓄能量；s
max
为最大蓄能能力。案例中的实时蓄/放能速率如图3所示，其中c/df描述实时蓄/放能速率，n1和n65为图2中的两个蒸汽热源节点出力，s1和s2分别为工况1和工况2。
[0125]
蒸汽网络的最大/最小蓄能量描述为
[0126][0127]
式中，分别为广义储能模型进出口的最大压力；分别为广义储能模型进出口的最小压力；mi为第i个管道的面积，m2；li为第i个管道的长度，m；为第i个管道的平均温度，k；为第i个管道的平均密度，kg/m3；np为管道数。本案例中蒸汽网络的最大蓄热量和最小蓄热量分别为18949.98kg和11509.68kg。
[0128]
必须蓄能量描述运行中为满足需求侧的供给，广义储能模型必须存储的能量。qs为蒸汽总供应曲线，qc为蒸汽总需求曲线，广义储能模型的蓄能量描述为供需差的积分
[0129][0130]
式中，δsd(t)为蓄能曲线。则必须蓄能量描述为
[0131]
se＝qa-qb
[0132]
式中，qa，qb分别是蓄能曲线的最高点和最低点。
[0133]
以0.5小时为调度周期，本案例中蒸汽系统的必须蓄热量为42.25kg。
[0134]
步骤s3，建立蒸汽输运网络储能特性量化评估模型，评估其储能能力和利用率：
[0135]
建立蒸汽输运网络储能特性量化评估模型，包括满足度和利用率两个评估指标。满足度为广义储能模型的最大蓄能能力对系统调度需求的满足情况，用于评估特定广义储能模型的蓄能潜力及其在调度过程中的蓄放能冗余量
[0136][0137]
式中，χ为满足度。根据必须蓄热量和最大/最小蓄热量可以算得本案例中的满足度为1.
[0138]
综合利用率评估实际运行过程中，系统调度策略对广义储能模型的储能能力的利用情况。首先计算正利用率和负利用率
[0139][0140]
式中，η

为正利用率；η-为负利用率。如图4所示。
[0141]
其次，计算正利用率和负利用率的最大值和平均值
[0142]
[0143][0144]
式中，td为调度周期；为最大正利用率；为最大负利用率；为平均正利用率；为平均负利用率。
[0145]
利用专家评估法综合评估广义储能模型的利用率，计算综合利用率指标
[0146][0147][0148]
式中，η为综合利用率；wk为第k项利用率的权重；ηk为第k项利用率。η1为正利用率的最大值；η2为正利用率的平均值；η3为负利用率的最大值；η4为负利用率的平均值。其中，权重由专家评估法给出。
[0149]
其中，工况1中，最大正利用率为0.15％，最大负利用率为-42.73％，平均正利用率为0.01％，平均负利用率为-14.59％；工况2中，最大正利用率为2.63％，最大负利用率为-11.15％，平均正利用率为0.54％，平均负利用率为-4.25％。利用专家评估法确定各利用率的权重分别为0.33,0.33,0.02,0.02。则工况1的综合利用率为1.20％，工况2的综合利用率为1.35％。说明工况2的综合利用率更高，对蒸汽网络的蓄能能力利用更加充分。结合图3，在2800s处，热源侧有个强烈的波动但未反映在用户侧，这是由于蒸汽网络利用了蓄能能力吸收了源侧波动产生的效益，印证了工况2综合利用率更高的结论。
[0150]
本发明方法通过建立流体输运网络的广义储能模型和储能评估体系量化评估流体输运网络的储能能力和储能利用率，为流体输运网络参与综合能源系统调度优化提供模型和约束基础，从而增加综合能源系统的调节灵活性。