[发明专利]考虑天然气系统热力过程的电-气互联系统概率能流分析方法

权利要求书

1.考虑天然气系统热力过程的电-气互联系统概率能流分析方法，其特征在于，主要包括以下步骤：

1)建立电-气互联系统的概率能流模型；电-气互联系统的概率能流模型包括节点平衡方程和不确定因素模型；节点平衡方程包括天然气系统模型、电力系统模型和耦合元件燃气轮机的能量转换模型；

不确定因素包括电力系统节点i的普通有功负荷P_D,i、电力系统节点i的普通无功负荷Q_D,i、天然气系统节点n的普通气负荷F_D,n和电力系统节点i的风电出力P_W,i；不确定因素中电/气负荷被建模为正态分布，风速被建模为威布尔分布；

利用非时序蒙特卡洛模拟法对电-气互联系统进行抽样，得到所述样本数据；所述样本数据包括电负荷、气负荷和风速；

2)建立考虑天然气系统热力过程的设备模型；所述设备模型包括天然气管道模型、压缩机模型和调压器模型；

所述天然气管道模型包括天然气管道热力模型和天然气管道流量模型；

所述压缩机模型包括压缩机热力模型和压缩机流量模型；

所述调压器模型包括调压器热力模型和调压器流量模型；

建立天然气管道模型的主要步骤如下：

2.1)天然气水平管道m₁n₁的气体流动守恒方程如下所示：

其中，p和T分别为天然气的压力和温度；Z和R分别为天然气的压缩因子和气体常数；λ为摩擦系数；x为当前位置与管道起点的距离；和分别为管道的内径和截面积；为流过管道的质量流量；

2.2)与管道起点位置距离x处的天然气温度T(x)如下所示：

式中，为计算系数；T_s为环境温度；T_m1为从天然气系统节点m₁流出的天然气的温度；η_JT为焦耳-汤姆逊系数；p_m1和p_n1分别为天然气管道支路中首节点m₁与末节点n₁的气压；为天然气管道m₁n₁的长度；

其中，如下所示：

式中，为天然气管道m₁n₁的传热系数；ρ₀为天然气在标准状态下的密度；C_p为天然气的恒压热容；为流过天然气管道m₁n₁的标准状态下的体积流量；为天然气管道m₁n₁的内径；

2.3)将天然气温度T作为状态变量，则公式(1)改写为下式：

2.4)将公式(2)和公式(3)带入公式(4)中，得到：

2.5)标准状态下体积流量与质量流量的转换关系如下所示：

气体常数R如下所示：

2.6)将公式(6)和公式(7)带入公式(5)中，得到适用于非等温条件的代数形式的管道流量模型，即：

式中，T₀为标准状态下天然气温度；p₀为标准状态下天然气压力；λ为摩擦系数；

2.7)根据公式(5)，管道热力模型，即天然气管道m₁n₁出口处气体温度的计算式如下所示：

压缩机热力模型如下所示：

式中，T_m2为从天然气系统压缩机节点m₂流出的天然气的温度；为压缩机m₂n₂出口处气体温度；p_m2和p_n2分别为天然气压缩机支路中首节点m₂与末节点n₂的气压；为多变指数；

调压器热力模型如下所示：

式中，T_m3为从天然气系统调压器节点m₃流出的天然气的温度；为调压器m₃n₃出口处气体温度；p_m3和p_n3分别为天然气调压器支路中首节点m₃与末节点n₃的气压；为调压器孔径和管道内径的比值；为调压器系数；

调压器流量模型如下所示：

式中，为调压器系数；为流过调压器的流量；

压缩机流量模型如公式(13)和公式(14)所示：

式中，为压缩机消耗的能量；为压缩机消耗与工作效率有关的常数；为流过压缩机的流量；

式中，为压缩机消耗的流量；和分别为压缩机的能量转换参数；

3)建立天然气系统模型，包括天然气系统的节点热力平衡模型和天然气系统的节点流量平衡模型；

天然气系统的节点热力平衡如下所示：

式中，m∈n表示节点m与节点n相邻；F_G,n和T_G,n分别为天然气系统节点n的气源注入流量和该气源天然气的温度；m＝m₁,m₂,m₃；n＝n₁,n₂,n₃；

符号函数sgn₁(m,n)的取值如下所示：

天然气系统节点的流量平衡模型如下所示：

式中，F_D,n和F_GAS,n分别为天然气系统节点n的普通气负荷和燃气轮机消耗的气流量；N_m为天然气系统节点的总数；

符号函数sgn₂(m,n)的取值如下所示：

电力系统模型包括电力系统节点有功功率平衡方程和无功功率平衡方程；

电力系统节点有功功率平衡方程如下所示：

式中，P_G,i和P_GAS,i为电力系统节点i的常规机组和燃气轮机的有功出力；P_D,i为电力系统节点i的普通有功负荷；P_W,i为电力系统节点i的风电出力；

电力系统节点无功功率平衡方程如下所示：

式中，Q_G,i和Q_GAS,i分别为电力系统节点i的常规机组和燃气轮机的无功出力；Q_D,i为电力系统节点i的普通无功负荷；Q_C,i为电力系统节点i的并联无功补偿装置的出力；V_i和θ_i分别为电力系统节点i的电压幅值和相角；G_ij和B_ij为节点导纳矩阵的第i行第j列元素的实部和虚部；N_e为电力系统节点总数；θ_ij为电力系统节点i和电力系统节点j的相角差；

耦合元件燃气轮机的能量转换模型如下所示：

式中，GHV为天然气高热值；α_i,n、β_i,n和γ_i,n为连接电力系统节点i和天然气系统节点n的燃气轮机的能量转换参数；

4)将样本数据输入到电-气互联系统的概率能流模型中，计算电-气互联系统的能流；

5)建立风险指标模型；所述风险指标模型包括水合物生成概率、气压越上限概率、气压越下限概率和气温越上限概率；

建立风险指标模型的主要步骤如下：

5.1)计算节点n的水合物生成概率PHF_n，即：

式中，P_n(x)为节点n处于系统状态x的概率；H_1,n为节点n生成水合物的状态的集合；X为节点n生成水合物的状态；

5.2)计算节点n的气压越上限概率PNHPV_n，即：

式中，H_2,n为节点n气压越上限的状态集合；

5.3)计算节点n的气压越下限概率PNLPV_n，即：

式中，H_3,n为节点n气压越下限的状态集合；

5.4)计算节点n的气温越上限概率PNHTV_n，即：

式中，H_4,n为节点n气温越上限的状态集合；

6)将电-气互联系统的能流输入到风险指标模型中，计算电-气互联系统的风险指标；电-气综合能源系统统一能流模型是一组以X＝[θ_i,V_i,p_m,T_m]^T作为系统状态变量的非线性方程；

7)收敛判断，即判断是否达到最大抽样次数k，若是，则结束，若否，则返回步骤1)。