考虑光热热电联产与电锅炉的电‑气‑热互联系统风险评估方法技术方案

本发明专利技术公开一种考虑光热热电联产与电锅炉的电‑气‑热互联系统风险评估方法。建立基于耦合元件STCHP和EB的能流模型、弃风弃光和电/气/热负荷削减综合最小优化模型；其次，建立电‑气‑热互联系统的电力/气量/热力不足期望和弃风/弃光期望的系统级风险指标；再次，在所建的能流模型、负荷削减模型和评估指标的基础上，进一步考虑元件故障、电/气/热负荷、风电功率和光电功率等多种随机性因素，提出考虑光热热电联产和电锅炉的电‑气‑热互联系统风险评估的步骤与流程图；最后，在MATLAB平台上通过程序实现考虑光热热电联产和电锅炉的电‑气‑热互联系统风险评估的计算与分析工作。

Electric gas thermal interconnection system risk assessment method and thermal cogeneration considering electric boiler

The invention discloses a heat cogeneration electric boiler and considering the electric gas thermal interconnection system risk assessment method. The establishment of energy flow model, the coupling element STCHP and EB abandoned abandoned wind light and electricity / gas / thermal integrated optimization model based on minimum load shedding; secondly, the establishment of electric gas thermal power system interconnection / gas / thermal system level risk indicators of expectations and expectations of the light abandoned abandoned wind /; again, in the the basic flow model, load shedding model and evaluation indicators, further consideration of component failure, electricity / gas / thermal load, wind power and photovoltaic power and other random factors, put forward steps and flow chart of gas thermal interconnected system of risk assessment of electric thermal cogeneration and electric boiler considerations; finally, in the MATLAB platform through the program of calculating and analyzing the gas thermal interconnected system of risk assessment of electric thermal cogeneration and electric boiler into account.

【技术实现步骤摘要】
考虑光热热电联产与电锅炉的电-气-热互联系统风险评估方法
本专利技术属于综合能源系统领域，目的是实现电-气-热互联系统风险评估，具体涉及基于光热热电联产(solarthermalCHPplants，STCHP)和电锅炉(electricboiler，EB)的能流模型、弃风弃光和电/气/热负荷削减综合最小优化模型、电-气-热互联系统风险评估指标等内容。
技术介绍
近年来，随着各种燃料类型的热电联产、燃气发电机组、燃气锅炉、电锅炉等传统耦合元件规模的不断扩大，电力、天然气、热力系统间的耦合关系愈加深化。耦合元件STCHP利用了清洁能源光热，同时配置储热，打破了传统热电联产“以热定电”的运行模式，并且同EB一样具有高效的能源转换特性。随着风、光在电-气-热互联系统中的接入比例逐渐升高，电-气-热互联系统的不确定性激增，当风电、光伏过剩时，STCHP和EB可以为弃风弃光电量的大量转换与存储提供新的解决思路，提升新能源的消纳空间。当风、光不足时，STCHP和EB可以有效调节系统供电、供气、供热的风险水平。因此，需要提出一种含STCHP和EB的电-气-热互联系统风险评估方法来合理量化系统中风、光等不确定性因素带来的影响。然而，含STCHP和EB的电-气-热互联系统具有规模大、设备类型繁多、设备运行特性各异等特征，使得其风险评估的建模和计算复杂度大大增加。目前，电-气-热互联系统风险评估的研究多局限于电、气、热子系统，忽略了电力、天然气、热力系统间的耦合与转化关系，难以实现系统供电、供气、供热风险水平以及弃风弃光严重程度的准确量化。因此，亟需开展考虑STCHP和EB的电-气-热互联系统风险评估的研究。目前针对考虑STCHP和EB的电-气-热互联系统风险评估方面的研究还处于起步阶段。风险评估包括三个基本步骤：系统状态选取、系统状态分析、风险指标计算，其中系统状态分析包括能流计算和负荷削减计算两部分内容。从能流模型来看，现有研究仅考虑了常规热电联产和燃气发电机组等传统耦合元件，未考虑具有光热、电、气、热紧密耦合作用的STCHP和具有高效电转热特性的EB对电-气-热互联系统能流分布的影响，也未考虑系统弃风弃光等因素；从负荷削减优化模型来看，现有电-气-热互联系统的研究中多以综合能源成本最小为优化目标，未考虑系统负荷削减和弃风弃光的问题，也未考虑耦合元件STCHP和EB在系统中的功率控制特性，无法实现电-气-热互联系统电/气/热负荷削减和弃风弃光综合最小的优化计算。从风险指标来看，现有研究基于电-气-热互联系统提出负荷削减概率、严重程度的系统级指标，但未对电-气-热互联系统中负荷削减和弃风弃光的严重程度进行量化分析。
技术实现思路
本专利技术的目的是针对现有研究对电-气-热互联系统风险评估能流模型、负荷削减优化模型、风险指标考虑不足的问题，提出了一种考虑STCHP和EB的电-气-热互联系统风险评估方法。现有风险评估存在以下问题：一是忽略了实际系统中存在的“弃风限电”、“弃光限电”现象，二是没有考虑STCHP和EB装置的耦合转换特性，三是缺乏系统供电、供气、供热风险水平的有效量化指标。本专利技术针对以上问题，提出相应改进措施：在能流模型中，将风电场弃风功率、光伏电场弃光功率、STCHP装置有功出力和EB装置消耗电功率引入电力系统有功平衡方程，将STCHP装置消耗气流量和EB装置输出热功率分别引入天然气系统流量平衡方程和热力系统热功率平衡方程；在负荷削减模型中，以弃风弃光和电/气/热负荷削减综合最小为优化目标，目标函数中包括电/气/热负荷削减量、弃风弃光量等变量；在风险评估指标中，建立可评估系统弃风弃光严重程度和供电、供气、供热风险水平的系统级指标。为实现本专利技术目的而采用的技术方案是这样的：本专利技术首先计及弃风弃光现象、STCHP和EB装置的耦合转换特性，建立基于耦合元件STCHP和EB的能流模型、弃风弃光和电/气/热负荷削减综合最小优化模型；其次，建立电-气-热互联系统的电力/气量/热力不足期望和弃风/弃光期望的系统级风险指标；再次，在所建的能流模型、负荷削减模型和评估指标的基础上，进一步考虑元件故障、电/气/热负荷、风电功率和光电功率等多种随机性因素，提出考虑光热热电联产和电锅炉的电-气-热互联系统风险评估的步骤与流程图；最后，在MATLAB平台上通过程序实现考虑光热热电联产和电锅炉的电-气-热互联系统风险评估的计算与分析工作。其具体方法步骤如下：(1)建立基于耦合元件STCHP和EB装置的能流模型1-1)STCHP和EB的多能流模型STCHP是将光能和天然气作为输入，是既能生产电能，又可以对用户供热的厂站。在STCHP的热功率输出侧配置储热装置，可以打破传统热电联产“以热定电”的运行模式。图1为STCHP的运行模式图，建立STCHP的多能流模型方程式如下：ΦSF,k＝ηSF,kSSF,kR,k＝1,2,...,Nb(1)ΦSF,k+FSCPT,kGHV＝PSCPT,k/ηSCPT,k,k＝1,2,...,Nb(2)PSCPT,k＝HSCPT,k/νSCPT,k,k＝1,2,...,Nb(3)HSCPT,k＝ΦSCPT,k+SSH,k-SEH,k,k＝1,2,...,Nb(4)SSH,kSEH,k＝0,k＝1,2,...,Nb(5)式中，式(1)为聚光集热装置的光热转换关系式；式(2)和(3)为热电联产机组消耗天然气、光热与输出电功率和热功率的关系式；式(4)为STCHP的供热功率、输出热功率与储热的关系式；式(5)为储热的工作模式方程。其中，ΦSF,k、SSF,k、ηSF,k为STCHPk聚光集热装置的吸收热功率、镜场面积和工作效率；R为光照辐射度；PSTCHP,k、FSTCHP,k、ΦSTCHP,k为STCHPk的有功出力、消耗气流量和供热功率；vCHP,k、ηSF,k、HCHP,k为STCHPk的热电比、转化效率和输出热功率；SSH,k、SEH,k为储热装置的储热功率、放热功率；GHV为天然气的高热值；Nb为STCHP的数目。EB是具有高效电转热特性的耦合元件，EB装置可将富余风、光转化为热功率，注入热力系统的供热管道。EB的电热转换关系满足如下方程式：ΦEB,k＝ηEB,kPEB,k,k＝1,2,...,Neb(6)式中，PEB,k、ΦEB,k、ηEB,k为EBk的有功出力、供热功率和转化效率；Neb为EB的数目。1-2)基于耦合元件STCHP和EB能流模型在电力系统、天然气系统、热力系统以及各耦合元件(STCHP、EB、热电联产(CHP)、燃气发电机组(GFG)、燃气锅炉(GB))的数学模型基础上，将风电场弃风功率ΔPW,i、光伏电场弃光电功率ΔPPV,i引入电力系统功率平衡方程，构建考虑EB和STCHP的电-气-热互联系统能流模型：其中，式(7)、(8)分别是电力系统有功、无功平衡方程，式(9)是天然气系统流量平衡方程,式(10)是热力系统节点热功率平衡方程，式(11)是热力-水力环路方程，式(12)和式(13)是热力系统负荷节点温度平衡方程。其中，θi、Vi为电力系统节点i的电压相角和电压幅值；PG,i、PGAS,i、PSTCHP,i、PCHP,i为电力系统节点i的非燃气机组、GFG、STCHP和CHP的有功出力本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种考虑光热热电联产与电锅炉的电‑气‑热互联系统风险评估方法，其特征在于，包括以下步骤:(1)建立所述基于耦合元件STCHP和EB装置的能流模型1‑1)STCHP和EB的多能流模型建立STCHP的多能流模型方程式如下：ΦSF,k＝ηSF,kSSF,kR,k＝1,2,...,Nb  (1)ΦSF,k+FSCPT,kGHV＝PSCPT,k/ηSCPT,k,k＝1,2,...,Nb   (2)PSCPT,k＝HSCPT,k/νSCPT,k,k＝1,2,...,Nb   (3)HSCPT,k＝ΦSCPT,k+SSH,k‑SEH,k,k＝1,2,...,Nb   (4)SSH,kSEH,k＝0,k＝1,2,...,Nb   (5)式中，式(1)为聚光集热装置的光热转换关系式；式(2)和(3)为热电联产机组消耗天然气、光热与输出电功率和热功率的关系式；式(4)为STCHP的供热功率、输出热功率与储热的关系式；式(5)为储热的工作模式方程。其中，ΦSF,k、SSF,k、ηSF,k为STCHPk聚光集热装置的吸收热功率、镜场面积和工作效率；R为光照辐射度；PSTCHP,k、FSTCHP,k、ΦSTCHP,k为STCHPk的有功出力、消耗气流量和供热功率；vCHP,k、ηSF,k、HCHP,k为STCHPk的热电比、转化效率和输出热功率；SSH,k、SEH,k为储热装置的储热功率、放热功率；GHV为天然气的高热值；Nb为STCHP的数目。EB的电热转换关系满足如下方程式：ΦEB,k＝ηEB,kPEB,k,k＝1,2,...,Neb   (6)式中，PEB,k、ΦEB,k、ηEB,k为EBk的有功出力、供热功率和转化效率；Neb为EB的数目。1‑2)基于耦合元件STCHP和EB能流模型在电力系统、天然气系统、热力系统以及各耦合元件的数学模型基础上，将风电场弃风功率ΔPW,i、光伏电场弃光电功率ΔPPV,i引入电力系统功率平衡方程，构建考虑EB和STCHP的电‑气‑热互联系统能流模型：...

【技术特征摘要】
1.一种考虑光热热电联产与电锅炉的电-气-热互联系统风险评估方法，其特征在于，包括以下步骤:(1)建立所述基于耦合元件STCHP和EB装置的能流模型1-1)STCHP和EB的多能流模型建立STCHP的多能流模型方程式如下：ΦSF,k＝ηSF,kSSF,kR,k＝1,2,...,Nb(1)ΦSF,k+FSCPT,kGHV＝PSCPT,k/ηSCPT,k,k＝1,2,...,Nb(2)PSCPT,k＝HSCPT,k/νSCPT,k,k＝1,2,...,Nb(3)HSCPT,k＝ΦSCPT,k+SSH,k-SEH,k,k＝1,2,...,Nb(4)SSH,kSEH,k＝0,k＝1,2,...,Nb(5)式中，式(1)为聚光集热装置的光热转换关系式；式(2)和(3)为热电联产机组消耗天然气、光热与输出电功率和热功率的关系式；式(4)为STCHP的供热功率、输出热功率与储热的关系式；式(5)为储热的工作模式方程。其中，ΦSF,k、SSF,k、ηSF,k为STCHPk聚光集热装置的吸收热功率、镜场面积和工作效率；R为光照辐射度；PSTCHP,k、FSTCHP,k、ΦSTCHP,k为STCHPk的有功出力、消耗气流量和供热功率；vCHP,k、ηSF,k、HCHP,k为STCHPk的热电比、转化效率和输出热功率；SSH,k、SEH,k为储热装置的储热功率、放热功率；GHV为天然气的高热值；Nb为STCHP的数目。EB的电热转换关系满足如下方程式：ΦEB,k＝ηEB,kPEB,k,k＝1,2,...,Neb(6)式中，PEB,k、ΦEB,k、ηEB,k为EBk的有功出力、供热功率和转化效率；Neb为EB的数目。1-2)基于耦合元件STCHP和EB能流模型在电力系统、天然气系统、热力系统以及各耦合元件的数学模型基础上，将风电场弃风功率ΔPW,i、光伏电场弃光电功率ΔPPV,i引入电力系统功率平衡方程，构建考虑EB和STCHP的电-气-热互联系统能流模型：其中，式(7)、(8)分别是电力系统有功、无功平衡方程，式(9)是天然气系统流量平衡方程,式(10)是热力系统节点热功率平衡方程，式(11)是热力-水力环路方程，式(12)和式(13)是热力系统负荷节点温度平衡方程。其中，θi、Vi为电力系统节点i的电压相角和电压幅值；PG,i、PGAS,i、PSTCHP,i、PCHP,i为电力系统节点i的非燃气机组、GFG、STCHP和CHP的有功出力；QG,i、QGAS,i、QSTCHP,i、QCHP,i为电力系统节点i的非燃气机组、GFG、STCHP和CHP的无功出力；PD,i、QD,i为电力系统节点i的有功功率和无功功率；PW,i、QW,i为电力系统节点i风电场的有功和无功功率；PPV,i、QPV,i为电力系统节点i光伏电站的有功和无功功率；ΔPW,i、ΔPPV,i为电力系统节点i风电场的弃风功率、光伏电站的弃光电功率；PEB,i为电力系统节点i的EB消耗电功率；QC,i为电力系统节点i的并联无功补偿器输出无功功率；Gij、Bij为电力系统节点导纳矩阵的第i行第j列元素的实部和虚部；πi和πj为天然气系统节点i和j的节点气压；FG,i、FD,i为天然气系统节点i的气源注入气流和节点气负荷；FGAS,i、FCHP,i、FSTCHP,i、FGB,i为天然气系统节点i的燃气机组、CHP、STCHP和燃气锅炉的消耗天然气气流；Cr、τr为天然气系统压缩机r流过的流量和消耗的流量；Air、Eir、Tir为天然气节点-管道关联矩阵、节点-压缩机关联矩阵和节点-压缩机入口节点关联矩阵的第i行第r列元素；sij、kr为天然气管道r的气流方向和管道常数；ΦD,i、ΦG,i、ΦCHP,i、ΦSTCHP,i、ΦGB,i、ΦEB,i为热力系统节点i的热负荷、燃煤热源、CHP、STCHP、燃气锅炉和EB的供热功率；Mh、kh为热力系统供热管道h的流量和阻力系数；Ts,i、Tr,i和Ts,f、Tr,f分别为热力系统节点i和节点f的供水、回水温度；Blh为热力系统回路供热管道关联矩阵第l行第h列元素；As,ef、Ar,ef为热力系统供水和回水网络结构矩阵第e行第f列元素；Dih为热力系统节点-供热管道关联矩阵中第i行第h列元素；bs,e、br,e为热力系统供水温度和回水温度相关系数；kh为热力系统供热管道h的阻力系数；SHC为水的比热容。Nn_e、Nn_g、Nn_h、Nf分别为电力系统节点、天然气系统节点、热力系统节点和热力系统网络回路的数目。本步骤所提基于耦合元件STCHP和EB的能流模型(1)-(13)是一组非线性方程组，根据给定的运行条件，采用牛顿法有效求解该模型的状态变量x＝[θi,Vi,πm,,Mh,Ts,Tr]T。(2)弃风弃光和电/气/热负荷削减综合最小优化模型建立考虑弃风弃光和电/气/热负荷削减综合最小优化模型来实现该目标。2-1)目标函数式中，前一括号代表系统电/气/热负荷削减量之和，后一括号代表系统弃风、弃光电量之和。其中，Ce,i是电负荷节点i的负荷削减变量；Cg,i是气负荷节点i的负荷削减变量；Ch,i是热力系统节...

【专利技术属性】
技术研发人员：余娟，郭林，马梦楠，严梓铭，颜伟，赵霞，
申请(专利权)人：重庆大学，
类型：发明
国别省市：重庆,50