[发明专利]一种基于前推回代法的电-热-气综合能源系统潮流计算方法

权利要求书

1.一种基于前推回代法的电-热-气综合能源系统潮流计算方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：分析分布式能源大量接入电网对电网节点类型的影响，采用影响因子矩阵法改进传统前推回代算法，实现对含有大量PV节点的配电网潮流解算；

步骤101：电力系统分布式电源接入的影响；

针对分布式能源接入问题，采用影响因子矩阵法对PV节点处无功功率进行修正，改进电力系统的前推回代算法；

步骤102：所述的前推回代法分为包括前推和回代两个部分；

步骤103：针对步骤101中分布式能源接入问题，采用影响因子矩阵法对PV节点处无功功率进行修正，公式如下：

其中，I为影响因子矩阵，通过节点电压与节点转移电抗求得，其阶数即为网络中PV节点个数；ΔV为PV节点电压变化量，ΔQ为无功功率补偿量；

步骤104：采用改进后的前推回代法对配电网模型进行潮流解析，判断所有的电压是否满足PV节点的收敛判定条件，若不满足则对注入无功功率通过公式(3)进行修正；所述PV节点的收敛判定条件为:

式中，为本次计算得到的第i个PV节点处的节点电压；U_schi为第i个PV节点处的给定节点电压幅值；ε_pv为收敛精度；

迭代至各节点均满足精度要求，计算结束，输出结果；否则继续迭代直至收敛；

步骤2：搭建热力系统热管网等元件模型，并对热网进行解耦；基于步骤1的算法，运用热电比拟的思想，将用于电力系统潮流计算的前推回代法推广至热力系统潮流解算中；

步骤201：热力系统建模；热力系统模型分为水力模型和热力模型；

所述水力模型采用流量连续性方程描述，即流向一个节点的热水的质量流率等于流出该节点的热水与注入该节点的热水质量流率之和，由式(5)来表示：

式中，为管道内热水质量流率kg/s；为注入该节点的热水的质量流率，热源节点为负，负荷节点为正；表示流入该节点的热水质量流率之和，表示流入该节点的热水质量流率之和；

所述热力模型用来描述节点热功率和温度、管道内热水质量流率之间的关系，其中描述每个节点的温度状态有三种变量,分别为供热温度T_s、回热温度T_r和出口温度T_o；

考虑到热能，温差以及比热容的关系，每个节点消耗的热功率由下式表示：

式中，Φ为每个节点消耗的热功率，热源节点为负，负荷节点为正；C_p为水的比热容；

热水在管道中流动过程中会有热量的损失，沿着水流方向温度逐渐降低，管道末端温度与管道始端温度关系用管道温降公式描述：

T'_end＝T'_startΨ (7)

T'_start＝T_start-T_a (8)

T'_end＝T_end-T_a (9)

Ψ＝exp[-λL_h/(C_pm)] (10)

式中，T_end和T_start分别为沿着水流方向管道的末端温度和始端温度；T_a为环境温度；T'_start和T'_end分别为沿着水流方向管道温度与室温的末端温差和始端温差；Ψ为管道温降系数；λ为管道单位长度的总传热系数；L_h为管道长度；C_p为水的比热容；m为热水的质量流率；

步骤202：热力系统供热网和回热网解耦；

热力系统供热网及回热网拓扑结构相同，对其进行解耦；汇集之前各管道热水温度不一定相同，汇集后的热水温度由下式计算，设定流出该节点的管道始端温度与流向该节点的所有管道热水混合后的温度相等；

(∑m_out)T_out＝∑(m_inT_in)(11)

式中，T_out为从节点流出的热水温度即流向该节点热水的混合温度；m_out为从节点流出的各管道中热水的质量流率kg/s；T_in为流向该节点的各管道末端温度；m_in为流向该节点的各管道中热水的质量流率kg/s；

步骤203：电力系统节点通常分为已知电压幅值与相角的平衡节点、已知有功功率与无功功率的PQ节点和已知有功功率与电压幅值的PV节点；根据已知量的不同将热力系统节点作如下划分如表1所示；两个系统节点类别的类比如表2所示；

表1热力系统节点类型及变量

表2电力系统和热力系统节点类别的类比

从表中可以看出，电力系统与热力系统在节点分类以及模型参数上存在相似性，具体类比方法在步骤204中给出；

步骤204：结合步骤201热力系统管道模型以及步骤1改进后的电力系统前推回代算法，采用热电比拟的思想，将用于电力系统潮流计算的前推回代算法推广至热力系统潮流解算中：以热水质量流率类比电流，供热温度类比电压，进行热力系统前推回代潮流计算，计算出热力系统平衡节点总的热功率；

步骤3：搭建天然气系统燃气网络以及压缩机等元件模型；基于步骤1的算法，运用比拟的思想，实现天然气系统的前推回代法潮流解算；

步骤301：天然气系统建模主要包含天然气管道的建模以及压缩机的建模；

其中天然气管道模型常用天然气稳态气流方程描述，选取适用于高压管道的建模公式，更加符合城市能源网的实际情况；

Panhandle‘A’公式如下：

Weymouth公式如下：

上述公式的参数解析如表3所示；

表3稳态气流方程公式参数列表

对公式(12)与公式(13)进行变换，将天然气管道固有的参数集中为管道常数，公式(12)可写成：

其中，K为管道常数E_f为管道效率系数；

公式(13)可写成：

其中，

压缩机在改变出口气压的同时，采用下式描述：

式中：HP为压气机消耗功率W；p^o，pⁱⁿ分别为压缩机的出口和入口压力Bar；fⁱⁿ为入口流量m³/s；η为整个压缩机的效率；α为多变指数；

考虑天然气热值与功率的关系，压气机消耗的功率可视为消耗入口天然气的气流量：

HP＝qL_com (17)

式中：q为天然气热值，一般取39KJ/m³；L_com为压气机消耗的天然气流量(m³/s)；

步骤302：采用比拟的思想给出天然气系统的前推回代算法；电力系统节点通常分为已知电压幅值与相角的平衡节点、已知有功功率与无功功率的PQ节点和已知有功功率与电压幅值的PV节点；因此根据已知量的不同将天然气系统节点作如下划分，如表4所示；

表4电力系统和天然气系统节点类别的类比

步骤303：结合步骤301天然气系统模型以及步骤1的电力系统前推回代算法，以管道气流量类比电流，节点气压类比电压，节点气负荷类比节点功率，结合压气机处迭代求解，进行天然气系统前推回代潮流计算，从而计算出天然气系统平衡节点总的气负荷；

步骤4：对各系统间耦合部分进行求解计算；综合步骤1-3实现电-热-气综合能源系统整体的前推回代法潮流结算；

步骤401：各系统间耦合部分建模求解；

依据热电联产机组热电比是否为一个确定值，将热电联产机组分为如下两种形式：

式中：P_CHP为热电联产机组的电出力；H_CHP为热电联产机组的热出力；c_m为定热电比；c_z为变热电比；η_e为热电联产机组的冷凝效率；F_in为燃料输入速率；

在通常情况下，热电联产机组以定热电比运行；相应的，燃气轮机组的工作特性由下式描述：

其中，L为天然气流量，q为天然气热值MJ/m³，η为转换效率；

步骤402：将步骤2热力系统以及步骤3天然气系统的平衡节点所需功率通过耦合元件转化为耦合节点的电网负荷，最终在电力系统中加以运算，具体为：通过步骤401中耦合元件将热力系统以及天然气系统平衡节点的热总功率以及气流量转换为电力系统消耗的负荷功率；进一步修正电力系统的节点负荷，再通过步骤1对电力系统进行潮流计算，最终实现区域综合能源网的整体潮流计算。

2.根据权利要求1所述的一种基于前推回代法的电-热-气综合能源系统潮流计算方法，其特征在于，步骤102所述前推回代法包括的前推和回代两部分，具体如下：

从末端节点开始功率前推，对每条支路，由受端节点的注入功率和支路阻抗数据计算送端前一节点支路的功率，直到完成首节点功率的计算时停止为功率前推；功率变化量ΔS如下：

其中，P、Q分别为节点的注入有功、无功功率；U为节点电压；R+jX为支路阻抗，R为支路电阻，X为支路电抗；

从首节点开始，对每条支路，由送端节点的节点电压和支路功率计算受端节点的节点电压，直到完成所有末端节点电压的计算时停止为电压回代；电压变化量实部虚部如下：

其中，ΔU为电压变化量实部虚部，jδU为电压变化量虚部。