考虑氢能注入下的电力天然气系统联合优化潮流计算方法技术方案

本发明专利技术涉及一种考虑氢能注入下的电力天然气系统联合优化潮流计算方法，包括：构建考虑氢能注入下的天然气系统模型，系统模型包括天然气负荷模型、天然气气源模型、天然气管道内的稳态潮流模型、天然气节点能量守恒模型和天然气混合模型；建立耦合元件模型，耦合元件模型包括电转气设施模型和燃气机组模型；建立电力系统模型；基于天然气系统模型、耦合元件模型和电力系统模型，构建考虑氢能注入下的稳态电力天然气联合优化模型；对考虑氢能注入下的稳态电力天然气联合优化模型进行求解，获得电力天然气系统的优化控制策略及运行状态。其能够用于计算考虑氢能注入下的电力天然气系统联合系统优化控制策略和运行状态，为确保其安全运行提供支撑。安全运行提供支撑。安全运行提供支撑。

【技术实现步骤摘要】
考虑氢能注入下的电力天然气系统联合优化潮流计算方法


[0001]本专利技术涉及综合能源
，尤其是指一种考虑氢能注入下的电力天然气系统联合优化潮流计算方法。

技术介绍

[0002]氢能作为一种清洁高效的能源，在近期逐渐作为天然气的替代能源收到许多国家的重视。英国政府在其近期发布的能源白皮书宣布，其正在与工业界紧密合作，以在2030年前实现5GW的低碳氢能产量。绿氢通常由富余的可再生能源发电通过电转气技术制备，因而被认为是实现能源系统零碳化的重要能源形式之一。氢气可通过多种形式运输，其中一种是通过注入现有的天然气管道来进行管道运输。该形式不仅可以利用现有基础设施从而避免进一步投资，而且可促进先有天然气系统脱碳。
[0003]然而，在现有天然气传输系统中掺氢也会带来一定的安全隐患和技术问题：1、由于氢能相较于其他气体的更低燃点和更高燃烧率，因而更加容易造成火灾隐患；2、传统的天然气用能设备通常是按照原有天然气成分进行设计和调试。若通过掺氢使得天然气成分发生变化，可能会使用能设备在非理想状态下工作，从而造成非理想燃烧；3、在天然气网架中，管道、阀门、压缩机等设备也通常针对原有的天然气成分设计，掺氢会影响天然气成分从而对管道等表面材料寿命产生影响；4、在天然气系统的不同位置注氢会影响天然气潮流和节点气压。

技术实现思路

[0004]为此，本专利技术所要解决的技术问题在于克服现有技术中天然气传输系统中掺氢会带来一定的安全隐患的技术缺陷。
[0005]为解决上述技术问题，本专利技术提供了一种考虑氢能注入下的电力天然气系统联合优化潮流计算方法，包括：
[0006]构建考虑氢能注入下的天然气系统模型，所述系统模型包括天然气负荷模型、天然气气源模型、天然气管道内的稳态潮流模型、天然气节点能量守恒模型和天然气混合模型；
[0007]建立耦合元件模型，所述耦合元件模型包括电转气设施模型和燃气机组模型；
[0008]建立电力系统模型；
[0009]基于天然气系统模型、耦合元件模型和电力系统模型，构建考虑氢能注入下的稳态电力天然气联合优化模型；
[0010]对所述考虑氢能注入下的稳态电力天然气联合优化模型进行求解，获得电力天然气系统的优化控制策略及运行状态。
[0011]作为优选的，所述天然气负荷模型为：其中，为由能量描述的天然气节点i上的天然气负荷，为天然气节点i上原本由流量速率描述的天然气负荷，
GCV
gas
为天然气的总热值。
[0012]作为优选的，所述天然气气源模型为：其中，为天然气节点i上由能量描述的天然气供应。为原天然气系统中由流量速率描述的天然气节点i上的天然气供应，GCV
is
为节点i的天然气源供应的天然气总热值；
[0013]作为优选的，所述天然气管道内的稳态潮流模型为其中，q
i,j
为天然气节点i和j之间的天然气管道的标况下的天然气流量速率，R
air
为空气的气体常数，T
STP
和p
STP
标况的温度和气压，p
i
为天然气节点i的气压，D
i,j
、F
i,j
、L
i,j
分别为管道的直径、范宁系数和长度，S
i,j
为管道内气体的相对密度，T为天然气的温度，Z
i,j
为天然气的压缩系数。
[0014]作为优选的，所述天然气节点能量守恒模型和天然气混合模型为：
[0015][0016][0017][0018]其中，为链接天然气节点i的电力节点的集合，为电力节点j
e
上的电转气设施单位时间所消耗的天然气对应的能量，为电力节点j
e
上的燃气机组的集合，为电力节点j
e
上第j
gfu
个燃气机组的单位时间消耗的天然气所对应的能量，为天然气潮流方向为流入天然气节点i的天然气节点j
in
的集合，为天然气潮流方向为流出天然气节点i的天然气节点j
out
的集合，和分别为从天然气节点j
in
流至i和从i流至j
out
的天然气潮流的能量，和分别为从天然气节点j
in
流至i和从i流至j
out
的天然气潮流的流量速率，GCV
i
为天然气节点i的总热值；
[0019]令天然气潮流流向为从天然气节点i至j，则混合后的气体相对密度和总热值为：
[0020][0021][0022]其中，M
gas
、M
hy
和M
air
分别为天然气、氢气和空气的相对分子质量；
[0023]和分别为氢气和天然气在天然气节点i的占比：
[0024][0025][0026]其中，为电力节点j
e
的电转气设施的产量。
[0027]作为优选的，所述电转气设施模型包括：电转气设施消耗电力来产生氢气，电转气的转换关系为
[0028]其中，和分别为节点i上的电转气设施的电力消耗功率和能量转换效率；
[0029]所述燃气机组模型包括：
[0030]其中，和分别为节点i上燃气机组j的发电功率、天然气消耗速率和能量转换效率。
[0031]作为优选的，所述电力系统模型根据直流模型来建立：
[0032][0033]其中，为节点i上非燃气机组的集合，为节点i上的非燃气机组j的发电功率，为节点i的电力负荷，g
i,j
为节点i到j的电力潮流，θ
i
为节点i的相角，θ
j
为节点j的相角，X
i,j
为电力线路i,j的电抗。
[0034]作为优选的，所述考虑氢能注入下的稳态电力天然气联合优化模型的目标为最小化运行成本C
T
，优化变量包括：天然气源的产气速率节点气压p
i
、非燃气机组的发电功率电压相角θ
i
、燃气机组的发电功率电转气设施的氢气生产速率以及氢气和天然气的占比和
[0035]数学模型为：
[0036][0037]其中，EB和GB分别为电力节点和天然气节点的集合，cst
i,j
(
·
)为节点i上非燃气机组j的成本函数，ρ
i
为天然气节点i上天然气源的天然气供应价格，μ为生产绿氢的补贴价值。
[0038]作为优选的，所述考虑氢能注入下的稳态电力天然气联合优化模型满足约束条件，所述约束条件包括：
[0039]Wobbe指标
[0040]其中，ξ
i
的范围在5％
‑
10％之间；
[0041]天然气成分和总热值约束：
[0042][0043]β
min
≤GCV
i
≤β<本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种考虑氢能注入下的电力天然气系统联合优化潮流计算方法，其特征在于，包括：构建考虑氢能注入下的天然气系统模型，所述系统模型包括天然气负荷模型、天然气气源模型、天然气管道内的稳态潮流模型、天然气节点能量守恒模型和天然气混合模型；建立耦合元件模型，所述耦合元件模型包括电转气设施模型和燃气机组模型；建立电力系统模型；基于天然气系统模型、耦合元件模型和电力系统模型，构建考虑氢能注入下的稳态电力天然气联合优化模型；对所述考虑氢能注入下的稳态电力天然气联合优化模型进行求解，获得电力天然气系统的优化控制策略及运行状态。2.根据权利要求1所述的考虑氢能注入下的电力天然气系统联合优化潮流计算方法，其特征在于，所述天然气负荷模型为：其中，为由能量描述的天然气节点i上的天然气负荷，为天然气节点i上原本由流量速率描述的天然气负荷，GCV
gas
为天然气的总热值。3.根据权利要求1所述的考虑氢能注入下的电力天然气系统联合优化潮流计算方法，其特征在于，所述天然气气源模型为：其中，为天然气节点i上由能量描述的天然气供应。为原天然气系统中由流量速率描述的天然气节点i上的天然气供应，GCV
is
为节点i的天然气源供应的天然气总热值。4.根据权利要求1所述的考虑氢能注入下的电力天然气系统联合优化潮流计算方法，其特征在于，所述天然气管道内的稳态潮流模型为其中，q
i,j
为天然气节点i和j之间的天然气管道的标况下的天然气流量速率，R
air
为空气的气体常数，T
STP
和p
STP
标况的温度和气压，p
i
为天然气节点i的气压，D
i,j
、F
i,j
、L
i,j
分别为管道的直径、范宁系数和长度，S
i,j
为管道内气体的相对密度，T为天然气的温度，Z
i,j
为天然气的压缩系数。5.根据权利要求1所述的考虑氢能注入下的电力天然气系统联合优化潮流计算方法，其特征在于，所述天然气节点能量守恒模型和天然气混合模型为：其特征在于，所述天然气节点能量守恒模型和天然气混合模型为：其特征在于，所述天然气节点能量守恒模型和天然气混合模型为：其中，为链接天然气节点i的电力节点的集合，为电力节点j
e
上的电转气设施单位
时间所消耗的天然气对应的能量，为电力节点j
e
上的燃气机组的集合，为电力节点j
e
上第j
gfu
个燃气机组的单位时间消耗的天然气所对应的能量，为天然气潮流方向为流入天然气节点i的天然气节点j
in
的集合，为天然气潮流方向为流出天然气节点i的天然气节点j
out
的集合，和分别为从天然气节点j
in
流至i和从i流至j
out
的天然气潮流的能量，和分别为从天然气节点j
in
流至i和从i流至j
out
的天然气潮流的流量速率，GCV
i
为天然气节点i的总热值；令天然气潮流流向为从天然气节点i至j，则混合后的气体相对密度和总热值为：令天然...

【专利技术属性】
技术研发人员：王盛，史文博，陈光，邹风华，王林钰，马亚辉，江海燕，陈浩，陈爱康，
申请(专利权)人：国网苏州城市能源研究院有限责任公司，
类型：发明
国别省市：