[发明专利]一种电-气综合能源系统的天然气网络静态等值模型

权利要求书

1.一种电-气综合能源系统的天然气网络静态等值模型，其特征在于，主要包括以下步骤：

1)确定所述电-气综合能源系统；所述电-气综合能源系统由电力网络和天然气网络组成；

2)建立考虑燃气轮机组等值有功出力限制的约束等值模型，主要步骤如下：

2.1)确定考虑燃气轮机组等值有功出力限制的约束等值模型的目标函数，即任意燃气轮机组组合消耗天然气流量最大的目标函数：

式中，分别为燃气轮机组组合消耗天然气流量的最大值；上标(1，2，...，N)表示燃气轮机组组合中燃气轮机的数目；F_NGUi为第i台燃气轮机的耗气量；Max表示取最大值；i和j为任意燃气轮机序号；N为天然气网络中燃气轮机总数；

第i台燃气轮机的耗气量F_NGUi如下所示：

式中，P_NGUi为第i台燃气轮机的有功输出；α_i、β_i和γ_i为第i台燃气轮机的耗气系数；N为天然气网络中燃气机轮机的数量；GHV为高热值；i为任意燃气轮机；

2.2)建立天然气网络约束等值等式，即天然气网络的节点流量平衡方程，即：

式中，F_Sm为天然气节点m的气源流量；F_NGUm为天然气节点m的燃气轮机消耗的流量；F_Lm为天然气节点m的气负荷；N_m为天然气网络中节点总数；m和n为天然气节点；n∈m表示天然气节点n为与天然气节点m相连的节点；F_mn为天然气管道流量；F_Cmn为流过压缩机的流量；τ_Cmn为压缩机天然气流量；sgn_τ(m,n)为符号函数；

符号函数sgn_τ(m,n)的取值如下所示：

式中，π_m和π_n分别为节点m和n的气压；m和n为天然气节点；

天然气管道流量F_mn如下所示：

式中，k_mn为和天然气管道内径、长度、效率、压缩因子相关的常数；s_mn表示天然气管道流量方向；π_m和π_n分别为节点m和n的气压；m和n为天然气节点；

其中，天然气管道流量方向s_mn如下所示：

式中，π_m和π_n分别为节点m和n的气压；m和n为天然气节点；

压缩机天然气流量τ_Cmn如下所示：

式中，α_Cmn、β_Cmn和γ_Cmn均为功率转化效率常数；H_Cmn为压缩机消耗的功率；

压缩机消耗的功率H_Cmn如下所示：

式中，B_mn为压缩机系数；Z_mn为压缩机压缩因子相关的常数；π_m和π_n分别为节点m和n的气压；F_Cmn为流过压缩机的流量；

2.3)建立天然气网络约束等值不等式；所述天然气网络约束等值不等式主要包括气源容量不等式、节点气压不等式和压缩机气压变比不等式；

气源容量不等式如下所示：

式中，为气源容量下限；为气源容量上限；N_S为天然气网络中气源总数；a为任意气源序号；

节点气压不等式如下所示：

式中，为节点气压下限；为节点气压上限；N_m为天然气网络中节点总数；d为任意节点序号；

压缩机气压变比不等式如下所示：

式中，为压缩机气压变比上限；为压缩机气压变比下限；N_P为天然气网络中压缩机总数；e为任意压缩机序号；

2.4)根据目标函数、天然气网络约束等值等式和天然气网络约束等值不等式建立燃气轮机组的约束等值有功输出最优模型；燃气轮机组的约束等值有功输出最优模型的输出即为燃气轮机最大等值有功输出；

燃气轮机最大等值有功输出如下所示：

式中，P_NGUi为第i台燃气轮机的有功输出；上标(1，2，...，N)表示燃气轮机组组合中燃气轮机的数目；i和j为任意燃气轮机序号；N为天然气网络中燃气轮机总数；

3)建立天然气网络的气损等值模型，主要步骤如下：

3.1)追踪天然气网络中燃气轮机供气路径；

3.2)根据第i台燃气轮机供气路径的总气损灵敏度确定天然气网络中燃气轮机供气路径的优先级；气损灵敏度越低，对应的燃气轮机供气路径优先级越高；

g号压缩机相对于i号燃气轮机的气损灵敏度如下所示：

式中，上标g表示传输过程中的第g台压缩机；H_Cmn为压缩机消耗的功率；F_NGUi为第i台燃气轮机的耗气量；τ_Cmn为压缩机天然气流量；

将公式(7)、(8)代入(13)中，计算得到g号压缩机相对于i号燃气轮机的气损灵敏度如下所示：

式中，F_NGUi为第i台燃气轮机的耗气量；β_Cmn和γ_Cmn均为功率转化效率常数；为通过g号压缩机的负荷能量流；其中中间系数可通过下式表示：

式中，为g号压缩机系数；Z_mn为压缩机压缩因子相关的常数；π_m和π_n分别为节点m和n的气压；

根据g号压缩机相对于i号燃气轮机的气损灵敏度计算第i台燃气轮机供气路径的总气损灵敏度第i台燃气轮机供气路径的总气损灵敏度如下所示：

式中，N_R为第i台燃气轮机供气路径中的压缩机数目；为g号压缩机相对于i号燃气轮机的气损灵敏度；g为传输过程中的第g台压缩机；

3.3)计算压缩机气损，主要步骤如下：

3.3.1)选择u号燃气轮机优先级最高的路径，计算该路径的最大可供气量

u号燃气轮机优先级最高的路径的最大可供气量如下所示：

式中，S_m为气源供给v号燃气轮机的可供气量；N_X为由S_m供给的燃气轮机数目；F_NGUu为第u台燃气轮机的耗气量；F_NGUv为第v台燃气轮机的耗气量；u和v为任意由S_m供给的燃气轮机序号；

3.3.2)计算由燃气轮机导致的压缩机气损Loss_Cmn；由燃气轮机导致的压缩机气损Loss_Cmn如下所示：

式中，为由燃气轮机和天然气负荷造成的压缩机气损；为由天然气负荷造成的压缩机气损；N_C为气流流过压缩机的燃气轮机数目；k为气流流过压缩机的燃气轮机序号；为供气点供给第k台燃气轮机的天然气量；α_Cmn、β_Cmn和γ_Cmn均为功率转化效率常数；F_L-Cmn为气流流过压缩机的天然气负荷量；

3.3.3)分别根据公式19和公式20计算k号燃气轮机造成的压缩机气损和k号燃气轮机造成的所有压缩机气损

k号燃气轮机造成的压缩机气损如下所示：

式中，Loss_Cmn为由燃气轮机导致的压缩机气损；N_C为气流流过压缩机的燃气轮机数目；k为任意气流流过压缩机的燃气轮机序号；

k号燃气轮机造成的所有压缩机气损如下所示：

式中，为k号燃气轮机造成的压缩机气损；N_m为天然气网络中节点总数；m和n为天然气节点；k为任意气流流过压缩机的燃气轮机序号；

3.3.4)分别根据公式21和公式22计算k号燃气轮机仍需的天然气量和气源的剩余可用容量

k号燃气轮机仍需的天然气量如下所示：

式中，F_NGUk为第k台燃气轮机的耗气量；k为任意气流流过压缩机的燃气轮机序号；

气源的剩余可用容量如下所示：

式中，N_X为由S_m供给的燃气轮机数目；F_NGUv为第v台燃气轮机的耗气量；S_m为气源供给v号燃气轮机的可供气量；

3.3.5)若此时k号燃气轮机天然气需求量为0，则由公式(18)-公式(20)计算得到的气损为最终压缩机气损值；若k号燃气轮机天然气需求量不为0，则返回步骤3.1寻找优先级次高的供气路径继续计算，直到i的天然气需求量为0；

4)根据考虑燃气轮机组等值有功出力限制的约束等值模型和天然气网络的气损等值模型建立天然气网络静态潮流最优等值模型。