一種綜合能源系統(tǒng)概率能量流分析方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 發(fā)明涉及一種綜合能源系統(tǒng)概率能量流分析方法，屬于綜合能源系統(tǒng)監(jiān)測及不確 定分析技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 相比于其他一次能源，天然氣經(jīng)濟環(huán)保、儲量豐富，聯(lián)合循環(huán)燃氣輪機發(fā)電比重 近年來逐步提升，因此有必要研宄電力系統(tǒng)（electricpowersystem，EPS)與天然氣系統(tǒng) (naturalgassystem，NGS)之間的相互影響。此外，集成了電力、天然氣等多種能源形式的能 源集線器（energyhub，EB)有望進一步加深EPS、NGS之間的耦合。由EPS、NGS(或其他能 源系統(tǒng)）組成的綜合能源系統(tǒng)（integratedenergysystems，IES)的構(gòu)建是人類向更經(jīng)濟、 環(huán)保、高效的能源系統(tǒng)轉(zhuǎn)變的必經(jīng)之路。
[0003] 現(xiàn)有文獻關(guān)于IES的研宄大致可分為以下幾個方面：
[0004] 1)IES建模與能量流分析；2)IES協(xié)調(diào)規(guī)劃；3)IES協(xié)調(diào)運行；4)IES市場協(xié)調(diào)博 弈；5)IES可靠性分析。
[0005] 值得引起注意的是，IES中大量的不確定性因素，包括電（氣）負荷波動、間歇性 能源出力波動、發(fā)電機故障、線路（管道）故障、市場的不確定性等，對上述歸納的IES的分 析、規(guī)劃、優(yōu)化、市場博弈、可靠性等方面的影響是不可忽略的，現(xiàn)有確定性分析方法顯然難 以滿足上述需求。不確定性因素對于電力網(wǎng)絡(luò)的影響及分析方法已有較多研宄，相比而言， 不確定性因素對IES的影響分析的研宄則相對較少。
[0006] 在EPS中，根據(jù)輸入隨機變量的統(tǒng)計特征，通過概率潮流計算可得輸出隨機變量 的統(tǒng)計特征，從而為定量分析、評估不確定性因素對EPS的影響奠定了基礎(chǔ)。概率潮流的求 解方法包括模擬法、解析法和近似法，其中模擬法中最為常見的蒙特卡羅模擬一般用于檢 驗概率潮流方法的準(zhǔn)確性；解析法中半不變量法計算效率高，在概率潮流中得到了廣泛應(yīng) 用；近似法中最具代表性的點估計法的優(yōu)點在于無需獲知輸入量與輸出量具體的函數(shù)關(guān)系 式，且易于處理相關(guān)性輸入變量。目前概率潮流在EPS中得到了廣泛研宄，但對于IES的概 率潮流（能量流）分析，國內(nèi)外鮮有相關(guān)研宄報道。
[0007] 為此，本發(fā)明將概率潮流的概念推廣到電-氣混聯(lián)綜合能源系統(tǒng)的概率能量流分 析中。首先建立了IES穩(wěn)態(tài)能量流模型，接著分析了EPS、NGS中的不確定因素及其概率分 布，然后采用蒙特卡羅模擬法求解IES概率能量流。最后，實際系統(tǒng)的算例測試驗證了本發(fā) 明方法的有效性與實用性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] 發(fā)明目的：本發(fā)明提出一種綜合能源系統(tǒng)概率能量流分析方法，對綜合能源系統(tǒng) 中不確定性因素進行分析，提高綜合能源系統(tǒng)的可靠性。
[0009] 技術(shù)方案：一種綜合能源系統(tǒng)概率能量流分析方法，包括以下步驟：
[0010] 電力系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)建模；
[0011] 天然氣系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)建模；
[0012] 能源集線器建模；
[0013] 電力系統(tǒng)與天然氣系統(tǒng)之間耦合；
[0014] 綜合能源系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)能量流分析；
[0015] 分析綜合能源系統(tǒng)中不確定因素的概率分布；
[0016] 隨機生成N次隨機模擬的輸入變量，并求解N次綜合能源系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)能量流。
[0017] 優(yōu)選地，所述電力系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)建模包括：
[0018] 對于EPS中輸電支路i j，支路i j的有功功率Pp無功功率％分別為：
[0019]?^.= (gsi+giJ)Vi2-giJViVJsin0ij-bijViVjCos0ij
[0020] Qij=_(bsi+bJV^+bijViVjSin0ij-gijViVjCos0u
[0021] 式中：V、0分別為節(jié)點電壓幅值與相角，gpbg分別為支路型等效電路的電導(dǎo)、電 納，gsi、bsi分別為節(jié)點i側(cè)對地電導(dǎo)、電納，
[0022] 根據(jù)各支路功率，可得節(jié)點注入有功功率Pp無功功率Qi:
【主權(quán)項】
1. 一種綜合能源系統(tǒng)概率能量流分析方法，其特征在于，包括以下步驟： 電力系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)建模； 天然氣系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)建模； 能源集線器建模； 電力系統(tǒng)與天然氣系統(tǒng)之間耦合； 綜合能源系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)能量流分析； 分析綜合能源系統(tǒng)中不確定因素的概率分布； 隨機生成N次隨機模擬的輸入變量，并求解N次綜合能源系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)能量流。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的綜合能源系統(tǒng)概率能量流分析方法，其特征在于，所述電力 系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)建模包括： 對于EPS中輸電支路ij，支路ij的有功功率Pp無功功率Qij分別為： Pij= (g.i+gijOV^-gijViVjsin Θ jj-bijViVjCos Θ Qij= -(b JbijO ViWbijViVjSin Θ ^gijViVjC0s Θ u 式中：V、Θ分別為節(jié)點電壓幅值與相角，gu、bu分別為支路型等效電路的電導(dǎo)、電納， gSi、bsi分別為節(jié)點i側(cè)對地電導(dǎo)、電納， 根據(jù)各支路功率，可得節(jié)點注入有功功率Pi、無功功率Qi:
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的綜合能源系統(tǒng)概率能量流分析方法，其特征在于，所述天然 氣系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)建模包括： 對于NGS中輸氣管道m(xù)n (本發(fā)明默認m、η為天然氣節(jié)點），管道m(xù)n流量Fmn為：
式中：η為節(jié)點壓力，為與管道內(nèi)徑、長度、效率、壓縮因子等相關(guān)的常數(shù)；Snm反應(yīng) 了管道流量方向； 加壓站通過壓縮機升高壓力，需要消耗額外的能量。當(dāng)壓縮機由燃氣輪機驅(qū)動時，燃氣 輪機消耗的流量可等效為加壓站的氣負荷，且主要由升壓比以及流過加壓站的流量決定：
式中：為流過加壓站的流量；壓縮機消耗的電能，HP ;Bk、Zk為常數(shù)，Bk取決于 壓縮機溫度、效率，Zk取決于壓縮因子；τ。。_為燃氣輪機消耗的流量；α、β、γ為能量轉(zhuǎn) 化效率常數(shù)； NGS中各節(jié)點的流量平衡方程為：
式中：Fm為節(jié)點m的注入流量。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的綜合能源系統(tǒng)概率能量流分析方法，其特征在于，所述電力 系統(tǒng)與天然氣系統(tǒng)之間耦合包括三個方面： 1) 燃氣輪機 燃氣輪機組以NGS中的天然氣為燃料，向EPS中的電負荷供電。因此燃氣輪機組是EPS 中的電源，而在NGS中相當(dāng)于氣負荷； 燃氣輪機的輸入天然氣流量與輸出電功率呈如下關(guān)系：
式中：Hg;i為燃氣輪機輸入熱量值；P u為燃氣輪機向EPS節(jié)點i輸出功率；F=/為NGS 中節(jié)點m等效氣負荷；GHV=1015BTU/SCF，為高熱值；ag i、f3g i、Yg;i由燃氣輪機的耗熱 率曲線決定； 2) 電機驅(qū)動壓縮機 加壓站的壓縮機除采用燃氣輪機驅(qū)動外，也可采用電力（變頻電機）驅(qū)動。當(dāng)壓縮機 消耗的能量由EPS供應(yīng)時，此時壓縮機可視為EPS中的等效電負荷：
式中：Pe=為EPS中節(jié)點i驅(qū)動壓縮機k的等效電負荷，基準(zhǔn)功率取IOOMVA ; 3) 能源集線器 EB的能量輸入可看成EPS與NGS的等效負荷，當(dāng)EB輸出側(cè)負荷波動時會同時影響EPS 與NGS的運行狀態(tài)。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的綜合能源系統(tǒng)概率能量流分析方法，其特征在于，所述綜合 能源系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)能量流分析包括： 依據(jù)EPS、NGS的穩(wěn)態(tài)能量流方程，以及EPS、NGS之間的耦合，可得IES非線性穩(wěn)態(tài)能量 流方程，然后采用牛頓法求解非線性方程，可得IES的實時運行狀態(tài)。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的綜合能源系統(tǒng)概率能量流分析方法，其特征在于，所述綜合 能源系統(tǒng)中不確定因素的概率分布包括： 1)負荷的隨機性 IES的負荷包含電負荷、氣負荷以及熱負荷。一般而言，正態(tài)分布可以較好地描述負荷 預(yù)測誤差的不確定性，即：
式中：?為（電、氣、熱）負荷功率；A,、σ/;,分別為負荷功率的數(shù)學(xué)期望、標(biāo)準(zhǔn)差； f (EJ為負荷功率的概率密度函數(shù)； 2)風(fēng)電場出力的隨機性 本發(fā)明采用雙參數(shù)威布爾分布模型描述風(fēng)速的隨機性，即：
式中：vw為風(fēng)速；kw、cw分別為威布爾分布的形狀、尺度參數(shù)； 根據(jù)風(fēng)速，風(fēng)電場輸出有功Pw可近似表示為：
式中：Pn為風(fēng)機額定功率；V μ、vN、v。。分別為切入風(fēng)速、額定風(fēng)速、切出風(fēng)速；k f P w/ (VN_Vci);讓2 - -k JVci 〇
【專利摘要】本發(fā)明公布了一種綜合能源系統(tǒng)概率能量流分析方法。本發(fā)明將廣泛應(yīng)用于電力系統(tǒng)(EPS)的概率潮流的概念推廣到IES的概率能量流分析中，定量評估了綜合能源系統(tǒng)(電、氣、熱)負荷以及風(fēng)電場出力的不確定性對綜合能源系統(tǒng)狀態(tài)量概率分布的影響，從而為綜合能源系統(tǒng)后續(xù)的網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃、穩(wěn)態(tài)分析、優(yōu)化調(diào)度、實時控制、安全分析等方面奠定了基礎(chǔ)。
【IPC分類】H02J3-00
【公開號】CN104734147
【申請?zhí)枴緾N201510115215
【發(fā)明人】陳 勝, 衛(wèi)志農(nóng), 孫國強, 孫永輝, 臧海祥, 陳妤, 楚云飛
【申請人】河海大學(xué)
【公開日】2015年6月24日
【申請日】2015年3月16日