考虑相关性的电-热-氢综合能源系统区间能流计算方法技术方案

本发明专利技术提出一种考虑相关性的电‑热‑氢综合能源系统区间能流计算方法，首先，结合电力网络模型、热力网络模型、氢气网络模型以及耦合设备模型，建立综合能源系统稳态能流模型；其次，采用平行四边形模型处理区间变量间的相关性，以获得更精确的能流区间边界；接着，结合综合能源系统模型和相关性模型，建立综合能源区间能流优化模型，针对含多能流方程的优化模型存在的求解复杂、耗时长的问题，采用线性优化方法和确定性能流方法交替迭代计算区间能流结果。本发明专利技术能在提高区间能流计算效率的同时保证计算计算结果的准确性。

【技术实现步骤摘要】
考虑相关性的电-热-氢综合能源系统区间能流计算方法
本专利技术属于综合能源系统
，尤其涉及一种考虑相关性的电-热-氢综合能源系统区间能流计算方法。
技术介绍
综合能源系统可以实现多种能源之间灵活转换，有利于提高可再生能源的利用效率。能流计算是综合能源系统运行分析的重要基础，然而，综合能源系统中可再生能源、电负荷、热负荷、氢负荷都存在不确定性，给系统的运行状态带来了不确定性，因此，有必展开对综合能源系统的不确定能流的研究。不确定能流包括概率能流、模糊能流和区间能流。在区间能流计算中，变量的不确定性用区间描述，建模简单，只需知道输入变量的上下界便可获得能流的区间范围，具有很好的工程实用性。综合能源系统区间能流计算方法多由电力系统区间潮流计算方法推广而来。由于综合能源系统的能流方程的高维度、强非线性特点，采用基于区间分析的能流计算方法容易导致保守性和收敛性问题。另一种常用的方法为直接优化法，将区间能流模型转化成最大化和最小化两类优化问题直接求解。由于气、热网络的复杂非线性特性，含多能流方程的优化问题本质上是非凸、非线性优化问题，直接求解的难度较大，耗时较长，将模型线性化求解又难以保证精度。因此，直接优化法区间能流计算需要平衡求解难度和求解精度的问题。在实际的能源系统中，变量之间的相关性是广泛存在的，如受气候因素影响风光资源之间存在互补特性，同一地区的同类负荷受环境和社会等因素的影响同时增大或减小，受运行策略的影响耦合设备转换的能量与可再生能源出力的变化具有相同趋势等。为获得更加准确的计算结果，在能流计算中还应考虑相关性因素的影响。
技术实现思路
针对现有技术的空白，本专利技术提出了一种考虑相关性的电-热-氢综合能源系统区间能流计算方法，建立区间能流直接优化模型，通过线性优化和确定性能流交替迭代计算的方法求解直接优化模型，在降低计算难度的同时保证计算精度，并采用平行四边形模型处理区间变量的相关性以获得更准确的能流计算结果，为综合能源系统运行分析提供有效的计算工具。首先，结合电力网络模型、热力网络模型、氢气网络模型以及耦合设备模型，建立综合能源系统稳态能流模型；其次，采用平行四边形模型处理区间变量间的相关性，以获得更精确的能流区间边界；接着，结合综合能源系统模型和相关性模型，建立综合能源区间能流优化模型，针对含多能流方程的优化模型存在的求解复杂、耗时长的问题，采用线性优化方法和确定性能流方法交替迭代计算区间能流结果。本专利技术能在提高区间能流计算效率的同时保证计算计算结果的准确性。本专利技术具体采用以下技术方案：一种考虑相关性的电-热-氢综合能源系统区间能流计算方法，其特征在于：步骤S1：结合电力网络模型、热力网络模型、氢气网络模型以及耦合设备模型，建立电-热-氢耦合系统稳态模型；步骤S2：建立平行四边形模型处理区间变量间的相关性；步骤S3：将综合能源系统的区间能流问题转化为最大化和最小化两类优化问题；步骤S4：通过线性优化与确定性能流交替迭代的方法求解状态变量的区间边界，输出综合能源系统区间能流结果。进一步地，步骤S1具体包括以下步骤：步骤S11：建立电力网络模型：用交流潮流表示的电力系统节点功率平衡方程为:式中，Pi、Qi为节点i处注入的有功功率和无功功率；Ui、Uj为节点i、j处的电压幅值；θij＝θi-θj，θi、θj为节点i、j处的电压相角；Gij、Bij为节点导纳矩阵第i行，第j列的实部和虚部；SN为节点集合；步骤S12：建立热力网络模型：热力系统的水力方程为：式中，Ah为供热网络的节点-支路关联矩阵；m为各管道流量；mq为各节点流出的流量；Bh为供热管网的回路-支路关联矩阵；K为热网管道的阻力系数矩阵；热力系统的热力方程为：式中，Φ为热网各节点功率；Cp为水的比热容；Ts为供热温度，表示热水注入节点之前的温度；To为输出温度，表示热水流出节点时的温度；Tstart为管道始端温度；Tend为管道末端温度；Ta为环境温度；λ为管道的热传输系数；Lh为管道长度；mout、Tout分别为流出节点的管道流量和温度，和min、Tin分别为流入节点的管道流量和温度；步骤S13：建立氢气网络模型：氢气网络的管道流量方程为：式中，定义为管道r的压力降；i、j为管道r的始、末端节点编号；sij用于表征氢气的流动方向，当pi＞pj时取+1，否则取－1；Kr为氢气管道r的管道常数；氢气网络的流量连续性方程为：Agf＝G(5)式中，Ag为氢气网络的节点-支路关联矩阵；f为各管道氢气流量；G为各节点氢气流量；记氢气网络的管流方程表示为：步骤S14：建立耦合设备模型：耦合元件包括耗电式压缩机、氢燃料电池和P2G设备；耗电式压缩机的功率消耗模型为：式中，Pcom为压缩机消耗的电功率；Zin为压缩机入口的压缩系数；为压缩机入口气体温度；pout、pin为压缩机出口、入口压力；fcom为流过压缩机的流量；为氢气热值；R为理想气体常数；为氢气分子质量；α为多变系数；氢燃料电池热电联产系统的燃气耗量与热、电产出关系为：式中，GHFC为HFC消耗的氢气量；ΦHFC、PHFC为产出的热、电功率；ηΦ,HFC、ηP,HFC为产热效率、产电效率；P2G设备消耗的电功率与产氢量、产热量之间的关系为：ΦP2G＝ηΦ,P2GPP2G(11)式中，GP2G、ΦP2G为P2G设备的产氢量与产热量，PP2G为P2G设备的输入功率；ηG,P2G、ηΦ,P2G为P2G设备的制氢效率和产热效率；步骤S15：建立电-热-氢综合能源系统稳态模型；结合氢气网络模型、热力网络模型、电力网络模型以及耦合设备模型，综合能源系统稳态能流模型为：1.式中，x＝[θ；U；m；Ts；Tr；Π]T，表示综合能源系统能流的状态变量；Pi＝PG,i+PHFC,i+PR,i-PL,i-PP2G,i，表示电网节点注入的有功功率，PG,i、PR,i、PL,i节点i处发电机、可再生能源、电负荷注入的有功功率；Qi＝QG,i-QL,i，表示电网节点注入的无功功率；QG,i、QL,i分别为节点i处发电机、负荷的无功功率；Φ＝ΦS+ΦHFC+ΦP2G-ΦL，表示热网节点功率，ΦS、ΦL分别表示热源功率和热负荷功率；G＝GS+GP2G-GHFC-GL，表示氢网节点流量，GS、GL分别表示氢气源流量和氢气负荷流量。进一步地，步骤S2具体包括以下步骤：步骤S21：设不确定变量X为区间变量，则其中，X为区间下界，为区间上界；记区间中值为XC，区间半径为XW，则有：步骤S22：获取区间变量X1,X2,…,Xm间的相关系数矩阵，式中，ρij表示Xi和Xj之间的相关系数(i,j∈1,2,…,m)，ρij与由Xi和Xj构成的平行四本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种考虑相关性的电-热-氢综合能源系统区间能流计算方法，其特征在于：/n步骤S1：结合电力网络模型、热力网络模型、氢气网络模型以及耦合设备模型，建立电-热-氢耦合系统稳态模型；/n步骤S2：建立平行四边形模型处理区间变量间的相关性；/n步骤S3：将综合能源系统的区间能流问题转化为最大化和最小化两类优化问题；/n步骤S4：通过线性优化与确定性能流交替迭代的方法求解状态变量的区间边界，输出综合能源系统区间能流结果。/n

【技术特征摘要】
1.一种考虑相关性的电-热-氢综合能源系统区间能流计算方法，其特征在于：
步骤S1：结合电力网络模型、热力网络模型、氢气网络模型以及耦合设备模型，建立电-热-氢耦合系统稳态模型；
步骤S2：建立平行四边形模型处理区间变量间的相关性；
步骤S3：将综合能源系统的区间能流问题转化为最大化和最小化两类优化问题；
步骤S4：通过线性优化与确定性能流交替迭代的方法求解状态变量的区间边界，输出综合能源系统区间能流结果。


2.根据权利要求1所述的考虑相关性的电-热-氢综合能源系统区间能流计算方法，其特征在于：
步骤S1具体包括以下步骤：
步骤S11：建立电力网络模型：
用交流潮流表示的电力系统节点功率平衡方程为:



式中，Pi、Qi为节点i处注入的有功功率和无功功率；Ui、Uj为节点i、j处的电压幅值；θij＝θi-θj，θi、θj为节点i、j处的电压相角；Gij、Bij为节点导纳矩阵第i行，第j列的实部和虚部；SN为节点集合；
步骤S12：建立热力网络模型：
热力系统的水力方程为：



式中，Ah为供热网络的节点-支路关联矩阵；m为各管道流量；mq为各节点流出的流量；Bh为供热管网的回路-支路关联矩阵；K为热网管道的阻力系数矩阵；
热力系统的热力方程为：



式中，Φ为热网各节点功率；Cp为水的比热容；Ts为供热温度，表示热水注入节点之前的温度；To为输出温度，表示热水流出节点时的温度；Tstart为管道始端温度；Tend为管道末端温度；Ta为环境温度；λ为管道的热传输系数；Lh为管道长度；mout、Tout分别为流出节点的管道流量和温度，和min、Tin分别为流入节点的管道流量和温度；
步骤S13：建立氢气网络模型：
氢气网络的管道流量方程为：



式中，定义为管道r的压力降；i、j为管道r的始、末端节点编号；sij用于表征氢气的流动方向，当pi＞pj时取+1，否则取－1；Kr为氢气管道r的管道常数；
氢气网络的流量连续性方程为：
Agf＝G(5)
式中，Ag为氢气网络的节点-支路关联矩阵；f为各管道氢气流量；G为各节点氢气流量；
记氢气网络的管流方程表示为：



步骤S14：建立耦合设备模型：
耦合元件包括耗电式压缩机、氢燃料电池和P2G设备；
耗电式压缩机的功率消耗模型为：



式中，Pcom为压缩机消耗的电功率；Zin为压缩机入口的压缩系数；为压缩机入口气体温度；pout、pin为压缩机出口、入口压力；fcom为流过压缩机的流量；为氢气热值；R为理想气体常数；为氢气分子质量；α为多变系数；
氢燃料电池热电联产系统的燃气耗量与热、电产出关系为：






式中，GHFC为HFC消耗的氢气量；ΦHFC、PHFC为产出的热、电功率；ηΦ,HFC、ηP,HFC为产热效率、产电效率；
P2G设备消耗的电功率与产氢量、产热量之间的关系为：



ΦP2G＝ηΦ,P2GPP2G(11)
式中，GP2G、ΦP2G为P2G设备的产氢量与产热量，PP2G为P2G设备的输入功率；ηG,P2G、ηΦ,P2G为P2G设备的制氢效率和产热效率；
步骤S15：建立电-热-氢综合能源系统稳态模型；
结合氢气网络模型、热力网络模型、电力网络模型以及耦合设备模型，综合能源系统稳态能流模型为：



式中，x＝[θ；U；m；Ts；Tr；Π]T，表示综合能源系统能流的状态变量；Pi＝PG,i+PHFC,i+PR,i-PL,i-PP2G,i，表示电网节点注入的有功功率，PG,i、PR,i、PL,i节点i处发电机、可再生能源、...

【专利技术属性】
技术研发人员：江岳文，陈宇辛，
申请(专利权)人：福州大学，
类型：发明
国别省市：福建;35