一种基于平衡变换理论的综合能源系统简化模型设计方法技术方案

本发明专利技术公开了一种基于平衡变换理论的综合能源系统简化模型设计方法，包括如下步骤：建立锅炉、汽轮机、发电机、天然气管道、储能电池和风机的动态模型与电网络方程；联立所有动态模型与电网络方程，得到用高阶非线性微分‑代数方程组描述的综合能源系统整体复杂模型；通过模型线性化和接口扩展得到用一般微分方程组描述的综合能源系统的高阶线性微分方程；使用平衡变换理论对高阶线性模型进行降维简化，得到综合能源系统的简化模型。本发明专利技术所提的模型简化方法可以在不影响刻画综合能源系统主要动态特性的前提下降低模型复杂度，为综合能源系统仿真平台和控制算法建立提供模型基础。

A Simplified Model Design Method for Integrated Energy System Based on Balanced Transform Theory

【技术实现步骤摘要】
一种基于平衡变换理论的综合能源系统简化模型设计方法
本专利技术属于综合能源系统建模
，具体涉及一种基于平衡变换理论的综合能源系统简化模型设计方法。
技术介绍
能源是人类赖以发展的基础，考虑到化石能源的不可再生性，融合电、气、热、水和冷等多种异质能源的综合能源系统在未来将成为主要的能源承载机构，可以实现能源利用效率的提升、提高供能可靠性。为了分析综合能源系统异质能流动态过程中的交互转换关系，需要对综合能源系统进行统一建模。传统综合能源系统往往仅考虑稳态条件下的基于代数方程的模型建立，无法准确刻画出多种异质能流在生产与转换过程中的动态特性。为了分析综合能源系统的暂态变化过程，需要对其进行动态模型建立。然而，综合能源系统包含多种能量生产与转换设备，加剧了动态模型的复杂度，需要对其进行简化。综合能源系统模型简化的关键是保留对系统输出影响较大的系统状态变量，同时截断其余状态变量。本专利技术使用平衡变换理论对模型进行简化，平衡过程是基于对矩阵进行一系列的相似变换而不改变矩阵的特征值，其优点在于可以很好的保持原系统的可控性、客观性、稳定性和输入输出的动态响应特性，并且容易得出降阶模型与原系统本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于平衡变换理论的综合能源系统简化模型设计方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一，建立锅炉、汽轮机、发电机、天然气管道、储能电池和风机的动态模型与电网络方程；步骤二，联立所有动态模型与电网络方程，得到用高阶非线性微分‑代数方程组描述的综合能源系统整体复杂模型；步骤三，通过模型线性化和接口扩展得到综合能源系统的高阶线性微分方程；步骤四，使用平衡变换理论对高阶线性模型进行降维简化。

【技术特征摘要】
1.一种基于平衡变换理论的综合能源系统简化模型设计方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一，建立锅炉、汽轮机、发电机、天然气管道、储能电池和风机的动态模型与电网络方程；步骤二，联立所有动态模型与电网络方程，得到用高阶非线性微分-代数方程组描述的综合能源系统整体复杂模型；步骤三，通过模型线性化和接口扩展得到综合能源系统的高阶线性微分方程；步骤四，使用平衡变换理论对高阶线性模型进行降维简化。2.根据权利要求1所述的基于平衡变换理论的综合能源系统简化模型设计方法，其特征在于，所述锅炉模型为：式中，Pb.out为蒸气管道出口压力；Pb,in为蒸气管道入口压力；DQ为单位时间锅炉受热面的有效吸热量；cb,n为蒸气管道的蓄热系数；DT为单位时间进入汽轮机的蒸气流量；Cb为锅炉汽包的蓄热系数；Tb为锅炉燃烧和传热时间常数；Bin为单位时间进入锅炉的燃料量；分别为Pb,out、Pb.in、DQ的一阶导数变量。3.根据权利要求1所述的基于平衡变换理论的综合能源系统简化模型设计方法，其特征在于，所述汽轮机模型为：式中，PH为高压缸的等效转矩；PML为中低压缸的等效转矩；Pt,out为蒸气管道出口压力；μ为汽门开度；TH为高压缸时间常数；TML为中低压缸时间常数；Tμ为汽门执行机构时间常数；α为高压缸等效转矩占汽轮机总转矩的百分比；μt,in为汽轮机系统的输入；分别为PH、PML、μ的一阶导数变量。4.根据权利要求1所述的基于平衡变换理论的综合能源系统简化模型设计方法，其特征在于，所述发电机模型为：式中，δ为发电机功角；ω为发电机转子转速；为电网频率折算后对应转速；Pg,in为汽轮机输出至发电机的机械功率；Pg,out为发电机电磁功率；Tg为发电机时间常数；为ω的一阶导数；Vgd、Vgq分别为发电机机端电压在发电机d、q轴分量；Igd、Igq分别为发电机机端电流在发电机d、q轴分量；Vgx、Vgy为发电机机端电压在发电机同步旋转轴x、y轴分量；Igx、Igy为发电机机端电流在发电机同步旋转轴x、y轴分量；x'd、xq分别为发电机的d、q轴电抗，E′gq为发电机q轴暂态电势；PgE为发电机的电磁功率。5.根据权利要求1所述的基于平衡变换理论的综合能源系统简化模型设计方法，其特征在于，所述天然气管道模型为：式中，Pgp,in表示任意时刻的天然气管道入口压力值；Pgp,out表示任意时刻的天然气管道出口压力值；Mgp,in表示天然气管道入口流量；Mgp,out为天然气管道出口流量；Pst为天然气管道系统稳态运行时天然气管道出口压力；Mst为天然气管道系统稳态运行时天然气管道出口流量；An为天然气管道的横截面积；c为天然气流速；L为天然气管道长度；f为摩擦系数；Dn为管道直径；分别为Pgp,out和Mgp,in的一阶导数。6.根据权利要求1所述的基于平衡变换理论的综合能源系统简化模型设计方法，其特征在于，所述储能电池模型为：式中，Is,in、Vs,in、Vs,out、Is,out分别为储能功率调节系统中斩波器的输入电流、输入电压、输出电压和输出电流；Lb和Cd分别为储能电池中等效能量存储器件电感器的电感和电容器的电容；mc为双象限两级DC/DC转换器的连续调制指数；Td为储能控制电路中开关模式功率器件的导通时间；分别为Is,in和Vs,out的一阶导数。7.根据权利要求1所述的基于平衡变换理论的综合能源系统简化模型设计方法，其特征在于，所述风机模型为：式中，Iw,g,θ1,ω1,Iw,e,θ2,ω2分别为风力发电机电枢电流、塔式电机的安装角位置、塔式电机绕塔筒旋转的角速度、塔式电动机电枢电流、三叶片迎风风力涡轮机叶片的弧度位置和风力涡轮机叶片的旋转角速度；分别为Iw,g,θ1,ω1,Iw,e,θ2,ω2的一阶导数；R1,R2分别为塔式电动机电枢电阻、风力发电机电枢电阻；L1,L2分别为塔式电动机电枢电感、风力发电机电枢电感；uw,e,uw,g分别为塔式电动机电枢电压、风力发电机电枢电压；m1,m2分别为塔质量、叶片质量；lc为风力涡轮机叶片长度；k1和k2分别为塔式电动机反电动势常数和风力发电机反电动势常数；kb1和kb2分别为叶片旋转速度接近零时涡轮机叶片和塔式电机绕塔筒旋转的弹簧效应系数；km为塔式电动机磁通量常数；bb1为风机阻尼减震器的阻尼。8.根据权利要求1所述的基于平衡变换理论的综合能源...

【专利技术属性】
技术研发人员：郑涛，陈玉慧，姚家豪，吴烁民，曹敬，陈春宇，王丙文，王颖，杨宇峰，王鹴，柳纲，程炜，池亚微，
申请(专利权)人：国电南瑞科技股份有限公司，国电南瑞南京控制系统有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏,32