技术领域
[0001] 本
发明涉及多能互补综合能源系统领域，特别是涉及一种城市综合能源网统一平台潮流计算方法。
背景技术
[0002] 随着传统的能源模式发展到今天，化石能源枯竭与环境污染问题日益严重。基于以上问题，各地均开展综合能源系统的研究与建设。综合能源系统可以更好的实现能源的互联、互通与互济，是能源互联网的载体，对提高能源利用率实现能源可持续供应具有重要意义，因此开发
可再生能源，建设综合能源系统已经呈现出全球发展的趋势。
[0003] 但是综合能源系统成分复杂涵盖面广，这既是优势，但也导致模型分析较为困难。于此同时综合能源系统的常用求解方法分为统一求解法和顺序求解法。但是这两种方法都相对计算复杂，对于地区范围较大的，诸如城市配
电网规模的综合能源系统来说很容易造成无解的问题。因此需要对综合能源系统模型进行等效和简化。而电
力系统潮流计算等相关研究分析方法以及较为完善，因此考虑将综合能源系统中所包含的电、热、气等众多种类能源统一至电平台上进行分析计算，可以实现模型的巨大简化，降低计算难度，同时为后续的分析优化等问题提供了便利。
[0004] 因此本发明提出了一种城市综合能源网统一平台潮流计算方法。该方法模型更贴近于调度层面便于
可视化展示，同时也可以体现电力系统在综合能源系统中的核心地位。
发明内容
[0005] 本发明针对上述问题，考虑到综合能源系统模型复杂、分析不便等问题，本发明提出一种城市综合能源网统一平台潮流计算方法，将多种异质能源转化至电平台进行统一分析，在
精度要求范围内尽可能的简化模型从而减少计算量；同时考虑到配电网
辐射状的网络结构以及单相的潮流流动，选取更为适宜的前推回代法进行分析，具有良好的收敛性。
[0006] 为了达到上述目的，本发明提供了一种城市综合能源网统一平台潮流计算方法，其具体步骤包括：
[0007] S1：了解综合能源系统中各类异质能源并建立各类异质能源耦合至系统中的相应模型，所述模型包括
热电联产、
燃气轮机组、换热器、电蓄热、电制氢和电动
汽车等，其中各类异质能源以
节点分布式电源或负荷的形式接入系统中；
[0008] 所述热电联产机组的模型根据热电比是否为一个确定值，可将其分为如下两种形式：
[0009]
[0010]
[0011] 式中：PCHP为热电联产机组的电出力，HCHP为热电联产机组的热出力，cm为定热电比，cz为变热电比，ηe为热电联产机组的冷凝效率，Fin为
燃料输入速率；这里需要注意的是cz虽然是一个变化的值，但是可以根据实际情况，在某个时段内会保持不变，在通常情况下，热电联产机组以定热电比运行；所述热电联产机组在电热耦合的节点处电功率以及热功率的分配，实现了两种不同种类能源
电能和
热能的耦合；
[0012] 所述燃气轮机就是一种常见的热电联产单元，燃
汽轮机组通过将
天然气管道末端节点的天然气转化为电能实现了电气耦合，并为电力系统提供有功与无功；所述燃气轮机可以视作固定热电比的情况如方程(1)所示，所述燃气轮机的工作特性可用方程(3)描述：
[0013]
[0014] 其中L为天然气流量，q为天然气热值，单位为MJ/m3，η为转换效率；
[0015] 建立换热器模型，所述换热器在
传热过程中，其特征温差ΔTave和换热量Q之间满足类似欧姆定律的关系，即：
[0016]
[0017] 其中特征温差ΔTave为换热器两端
温度差，可视为换热器两端冷热
流体的进出口平均温度的差值；R为换热器的耗
散热阻，一般采用逆流换热器时，R的表达式为：
[0018]
[0019] 式中：Gu为用户端
循环水的
热容量流，是循环水的
质量流量mu和热容cp的乘积；au＝KA/Gu；Gh为储热装置中循环水的热容量流，是储热装置中循环水质量流量mh和热容ch的乘积；ah＝KA/Gh，K和A分别为换热器的换热系数和换热面积；
[0020] 建立电蓄热与电制氢模型，所述电蓄热与电制氢模型都是储能装置，电蓄热模型的热储能过程将电功率转换为热功率，一般处于电节点末端等效为一个储热的电负荷，电蓄热模型处于放热过程时位于电热耦合节点处，产生的热能为其他热节点供能；电蓄热模型的储热和放热过程可以类比做电容的充放电过程：
[0021] 对于电容的充放电过程来说：
[0022]
[0023] 式中：I为
电流，dU/dt为
电压对时间的变化率，C为电容；
[0024] 那么对于电蓄热模型的热储能过程来说：
[0025]
[0026] 其中，M为储热装置中热水的总质量，cP为水的
比热容，Q为换热量，电蓄热的放热过程中可用电热转换系数Ceh来描述：
[0027]
[0028] 式中：Peh和Heh分别为电蓄热的放热过程中的电功率和热功率；
[0029] 电制氢模型中储氢环节可近似看作
电解水的过程，近似视为“电容”或者恒功率源；氢储能中用氢环节可以视为注入的功率源；
[0030] 建立
电动车模型，所述单个电动车充电过程可简化视为恒功率模型，即忽略暂态过程，将电动车模型视为PQ节点处的固定负荷；
[0031] S2：将所述各类异质能源模型统一纳入电力系统的分析决策体系，即考虑所述各类异质能源模型在电力系统潮流分析计算中所扮演的
角色，建立综合能源网统一至电平台的同质化等效模型；
[0032] 对配电网各
母线节点而言，所述热电联产机组、电蓄热的放热过程和电制氢的用氢环节等电、气、热过程均可视为注入功率源，电动汽车、换热器、电蓄热的储热过程、电制氢的储氢环节等各类储能过程可以视为电负荷；
[0033] S3：对于断面潮流而言，忽略电动汽车储能的暂态过程，可以将所述电动汽车视为容量已知的电负荷，因此可以根据功率源等效的不同将恒定有功与
无功功率的节点视为PQ节点；将已知有功功率和电压幅值的节点视为PV节点，即所述燃气轮机可根据分轴结构燃气轮机中对励磁方式的控制方式不同可作不同的等效，当控制方式为电压控制时可等效为PV节点，当控制方式为功率因数控制时可等效为PQ节点；电制氢的用氢环节，做
燃料电池时被等效为PV节点；所述热电联产机组，一般通过燃气轮机组实现并用控制功率因数的方式，因此视为PQ节点；
[0034] S4：对于某一确定节点各种异质能源的具体情况分析计算时，可将换热器视为“
电阻”，储热装置视为“电容”，从而实现模型简化进而可以构建系统整体的
能量平衡方程，简单电热互联系统的整体约束方程如下：
[0035] Ptp(t)+Pchp(t)+Pw(t)＝Pel(t)+Peh(t) (9)
[0036]
[0037] 式中：Ptp(t)为火
电机组电出力，Pchp(t)为热电联产机组电出力，Pw(t)为
风机电出力，Pel(t)为系统原有电负荷，Peh(t)为引入电加热装置而新增的电负荷，公式(10)中M为储热装置中热水的总质量，cP为水的比热容；Tu，i为热用户的回水温度，Td，o(t)为储热装置水温，R为换热器等效耗散热阻；
[0038] S5：对所述在简单电热互联系统的整体约束方程下的综合能源网统一至电平台的同质化等效模型采用前推回代法进行分析计算，传统的前推回代法只适用于配电网PQ节点的潮流计算，对于模型简化而带来的PV节点问题，需要对
算法进行改进，这里采用影响因子矩阵的修正方法，由于PV节点有功功率与电压幅值已知，因此可通过无功补偿改变无功功率进而使电压相角满足要求，可以发现改变某一节点无功补偿，各节点的电压变化量与无功补偿量呈近似于线性关系：
[0039]
[0040]
[0041] 对上式进行简化：
[0042]
[0043] 其中节点2为PV节点，V1和V2分别为两个节点的电压，ΔQ2为节点2处注入的无功补偿，Q2为节点2初始无功功率，P2为节点2初始有功功率，补偿后电压幅值相应变为V′2，ΔV2为补偿后的节点2的电压差，R12+jX12为节点间的转移阻抗；可以看出，无功补偿量与电压变化量的比值为一常数，以此为
基础构建影响因子矩阵I，其中：
[0044]
[0045] Iij为影响因子矩阵对应第i行第j列元素，通过对所有PV节点无功功率进行修正，获得各节点电压修正量，可以写成：
[0046] ΔU＝IΔQ (15)
[0047] ΔU为PV节点电压
不平衡向量；ΔQ为PV节点无功补偿量向量；I表示影响因子矩阵，阶数即为网络中PV节点个数；
[0048] S6：判断所有的电压是否满足收敛判定条件，若不满足则对注入无功功率进行修正，PV节点的收敛判定条件为：
[0049]
[0050] 式中 为本次计算得到的第i个PV节点处的节点电压，Uschi为第i个PV节点处的给定节点电压幅值，εpq为收敛精度；
[0051] S7：
迭代至各节点均满足精度要求，计算结束，输出潮流计算的相关结果；否则返回至S5重新进行计算直到各节点均满足精度要求。
[0052] 优选方式下，对于所述前推回代法中的产生的弱环网问题，采用解环的处理方法，对于负荷侧按固定比例分配的环网，可以按照这个比例分配负荷进行直接解环；若这个比例系数无法确定，即在环网选择一个节点，在此节点断开使网络变为辐射型，然后采用前面所述的前推回代法进行潮流计算；
[0053] 显然对于断开的节点处：
[0054]
[0055] 式中：P1与P2为解环后新生成的两个节点分别注入的有功功率，Q1与Q2为解环后新生成的两个节点分别注入的无功功率，P和Q是原环网支路上流动的有功与无功。
[0056] 优选方式下，所述前推回代法中对影响因子矩阵进行拟合时，拟合曲线虽然拟合度较高，但是无功变化量对影响因子矩阵较为敏感，因此需要尽可能保证拟合精度，采用最小二乘法对对无功在500-1000kvar附近取点拟合，所得斜率即为影响因子矩阵对应数据；
[0057] 最小二乘法计算公式如下：其中x，y为自变量与因变量，k为拟合斜率。
[0058]
[0059] 优选方式下，前推回代法包括前推和回代两个过程，首先各节点电压赋初值，然后进行功率前推：从末端节点开始功率前推，对每条支路，由受端节点的注入功率和支路阻抗数据计算送端前一节点支路的功率，直到完成首节点功率的计算时停止，功率变化量如下：
[0060]
[0061] 其中P、Q为分别为节点的注入有功、无功功率；U为节点电压；R+jX为支路阻抗；
[0062] 电压回代：从首节点开始，对每条支路，由送端节点的节点电压和支路功率计算受端节点的节点电压，直到完成所有末端节点电压的计算时停止；电压变化量
实部虚部如下：
[0063]
[0064] 本发明的有益效果是：本发明提出了一种综合能源系统统一电平台的等效及分析方法，该方法模型更贴近于调度层面便于可视化展示，同时也可以体现电力系统在综合能源系统中的核心地位，该方法为综合能源系统的分析与计算具有重要意义。
附图说明
[0065] 图1为燃气轮机电热出力示意图；
[0066] 图2为单个换热器模型及其等效模型示意图；
[0067] 图3为简单电热互联系统示意图；
[0068] 图4为14节点配电网示意图；
[0069] 图5为33节点配电网示意图；
[0070] 图6为电压幅值与无功补偿量关系曲线。
具体实施方式
[0071] 本发明一种城市综合能源网统一平台潮流计算方法，其具体步骤包括：
[0072] S1：了解综合能源系统中各类异质能源并建立各类异质能源耦合至系统中的相应模型，所述模型包括热电联产、燃气轮机组、换热器、电蓄热、电制氢和电动汽车等，其中各类异质能源以节点分布式电源或负荷的形式接入系统中；
[0073] 所述热电联产机组的模型根据热电比是否为一个确定值，可将其分为如下两种形式：
[0074]
[0075]
[0076] 式中：PCHP为热电联产机组的电出力，HCHP为热电联产机组的热出力，cm为定热电比，cz为变热电比，ηe为热电联产机组的冷凝效率，Fin为燃料输入速率；这里需要注意的是cz虽然是一个变化的值，但是可以根据实际情况，在某个时段内会保持不变，在通常情况下，热电联产机组以定热电比运行；所述热电联产机组在电热耦合的节点处电功率以及热功率的分配，实现了两种不同种类能源电能和热能的耦合；
[0077] 所述燃气轮机就是一种常见的热电联产单元，将天然气的
化学能转化为电能和热能，如图1所示，燃汽轮机组通过将天然气管道末端节点的天然气转化为电能和热能，实现了电气耦合，并为电力系统提供有功与无功；所述燃气轮机可以视作固定热电比的情况如方程(1)所示，所述燃气轮机的工作特性可用方程(3)描述：
[0078]
[0079] 其中L为天然气流量，g为天然气热值，单位为MJ/m3，η为转换效率；
[0080] 建立换热器模型，换热器是将热流体能量传递给冷流体的设备，又称
热交换器；所述换热器在传热过程中，其特征温差ΔTave和换热量Q之间满足类似欧姆定律的关系，即：
[0081]
[0082] 其中特征温差ΔTave为换热器两端温度差，如图2所示，可视为换热器两端冷热流体的进出口平均温度的差值；R为换热器的耗散热阻，一般采用逆流换热器时，R的表达式为：
[0083]
[0084] 式中：Gu为用户端循环水的热容量流，是循环水的质量流量mu和热容cp的乘积；au＝KA/Gu；Gh为储热装置中循环水的热容量流，是储热装置中循环水质量流量mh和热容ch的乘积；ah＝KA/Gh，K和A分别为换热器的换热系数和换热面积；
[0085] 耗散热阻的引用实现了热学模型以电学元件形式的建模与分析，为电热综合系统的同质化分析奠定了基础；热力系统中的换热器可以等效为类似“电阻”的形式接于各节点之间；
[0086] 建立电蓄热与电制氢模型，所述电蓄热与电制氢模型都是储能装置，电蓄热模型的热储能过程将电功率转换为热功率，一般处于电节点末端等效为一个储热的电负荷，电蓄热模型处于放热过程时位于电热耦合节点处，产生的热能为其他热节点供能；电蓄热模型的储热和放热过程可以类比做电容的充放电过程：
[0087] 对于电容的充放电过程来说：
[0088]
[0089] 式中：I为电流，dU/dt为电压对时间的变化率，C为电容；
[0090] 那么对于电蓄热模型的热储能过程来说：
[0091]
[0092] 其中，M为储热装置中热水的总质量，cP为水的比热容，Q为换热量，电蓄热的放热过程中可用电热转换系数Ceh来描述：
[0093]
[0094] 式中：Peh和Heh分别为电蓄热的放热过程中的电功率和热功率；
[0095] 电制氢模型中储氢环节可近似看作电解水的过程，近似视为“电容”或者恒功率源；氢储能中用氢环节可以视为注入的功率源，可以视为类似燃气轮机的模型方法；
[0096] 建立电动车模型，近年来电动汽车的发展规模越来越大，电动汽车充换电的实质仍是电负荷和电储能即电源，且现阶段多为充电使用；所述单个电动车充电过程可简化视为恒功率模型，即忽略暂态过程，将电动车模型视为PQ节点处的固定负荷；
[0097] S2：将所述各类异质能源模型统一纳入电力系统的分析决策体系，即考虑所述各类异质能源模型在电力系统潮流分析计算中所扮演的角色，建立综合能源网统一至电平台的同质化等效模型；
[0098] 对配电网各母线节点而言，所述热电联产机组、电蓄热的放热过程和电制氢的用氢环节等电、气、热过程均可视为注入功率源，电动汽车、换热器、电蓄热的储热过程、电制氢的储氢环节等各类储能过程可以视为电负荷；
[0099] S3：对于断面潮流而言，忽略电动汽车储能的暂态过程，可以将所述电动汽车视为容量已知的电负荷，因此可以根据功率源等效的不同将恒定有功与无功功率的节点视为PQ节点；将已知有功功率和电压幅值的节点视为PV节点，即所述燃气轮机可根据分轴结构燃气轮机中对励磁方式的控制方式不同可作不同的等效，当控制方式为电压控制时可等效为PV节点，当控制方式为功率因数控制时可等效为PQ节点；电制氢的用氢环节，做
燃料电池时被等效为PV节点；所述热电联产机组，一般通过燃气轮机组实现并用控制功率因数的方式，因此视为PQ节点；
[0100] S4：对于某一确定节点各种异质能源的具体情况分析计算时，可将换热器视为“电阻”，储热装置视为“电容”，从而实现模型简化进而可以构建系统整体的能量平衡方程，简单电热互联系统的整体约束方程如下：
[0101] Ptp(t)+Pchp(t)+Pw(t)＝Pel(t)+Peh(t) (9)
[0102]
[0103] 式中：Ptp(t)为火电机组电出力，Pchp(t)为热电联产机组电出力，Pw(t)为风机电出力，Pel(t)为系统原有电负荷，Peh(t)为引入电加热装置而新增的电负荷，公式(10)中M为储热装置中热水的总质量，cP为水的比热容；Tu，i为热用户的回水温度，Td，o(t)为储热装置水温，R为换热器等效耗散热阻；
[0104] 上述公式不仅包含了电力系统中的火电、热电和风电出力以及电负荷，而且同时包含了供热系统的储热和供热负荷约束；不仅考虑能量输运过程中的守恒性，同时满足热量传递过程中的不可逆性，反映了电热互联系统整体规律，相交互为边界的耦合方式大大简化了模型以及计算量；模型包括了电、热两个主要能源系统，同时包括提供电出力的分布式电源，实现了电热简单系统的同质化建模；进一步，利用配电网配气网拓扑结构相似以及电转气技术与燃汽轮机组的双向耦合，配合综合能源网中其他各类分布式电源与负荷，实现综合能源网的同质化建模与分析；
[0105] S5：对所述在简单电热互联系统的整体约束方程下的综合能源网统一至电平台的同质化等效模型采用前推回代法进行分析计算，传统的前推回代法只适用于配电网PQ节点的潮流计算，对于模型简化而带来的PV节点问题，需要对算法进行改进，这里采用影响因子矩阵的修正方法，由于PV节点有功功率与电压幅值已知，因此可通过无功补偿改变无功功率进而使电压相角满足要求，可以发现改变某一节点无功补偿，各节点的电压变化量与无功补偿量呈近似于线性关系：
[0106]
[0107]
[0108] 对上式进行简化：
[0109]
[0110] 其中节点2为PV节点，V1和V2分别为两个节点的电压，ΔQ2为节点2处注入的无功补偿，Q2为节点2初始无功功率，P2为节点2初始有功功率，补偿后电压幅值相应变为V′2，ΔV2为补偿后的节点2的电压差，R12+jX12为节点间的转移阻抗；可以看出，无功补偿量与电压变化量的比值为一常数，以此为基础构建影响因子矩阵I，其中：
[0111]
[0112] Iij为影响因子矩阵对应第i行第j列元素，通过对所有PV节点无功功率进行修正，获得各节点电压修正量，可以写成：
[0113] ΔU＝IΔQ (15)
[0114] ΔU为PV节点电压不平衡向量；ΔQ为PV节点无功补偿量向量；I表示影响因子矩阵，阶数即为网络中PV节点个数；
[0115] S6：判断所有的电压是否满足收敛判定条件，若不满足则对注入无功功率进行修正，PV节点的收敛判定条件为：
[0116]
[0117] 式中 为本次计算得到的第i个PV节点处的节点电压，Uschi为第i个PV节点处的给定节点电压幅值，εpq为收敛精度；
[0118] S7：迭代至各节点均满足精度要求，计算结束，输出潮流计算的相关结果；否则返回至S5重新进行计算直到各节点均满足精度要求。
[0119] 优选方式下，对于所述前推回代法中的产生的弱环网问题，采用解环的处理方法，对于负荷侧按固定比例分配的环网，可以按照这个比例分配负荷进行直接解环；若这个比例系数无法确定，即在环网选择一个节点，在此节点断开使网络变为辐射型，然后采用前面所述的前推回代法进行潮流计算；
[0120] 显然对于断开的节点处：
[0121]
[0122] 式中：P1与P2为解环后新生成的两个节点分别注入的有功功率，Q1与Q2为解环后新生成的两个节点分别注入的无功功率，P和Q是原环网支路上流动的有功与无功。
[0123] 优选方式下，所述前推回代法中对影响因子矩阵进行拟合时，拟合曲线虽然拟合度较高，但是无功变化量对影响因子矩阵较为敏感，因此需要尽可能保证拟合精度，采用最小二乘法对对无功在500-1000kvar附近取点拟合，所得斜率即为影响因子矩阵对应数据；
[0124] 最小二乘法计算公式如下：其中x，y为自变量与因变量，k为拟合斜率。
[0125]
[0126] 前推回代算法收敛度高，迭代次数少，因此可以通过多次迭代对无功进行补偿。由于此方法仅需要计算影响因子矩阵并进行电压修正，求解过程简单且影响因子矩阵无需迭代，因此可以通过较少次数迭代来提高电压修正精度而无需重新计算影响因子矩阵，具有收敛度高，收敛速度快等优点。
[0127] 优选方式下，前推回代法包括前推和回代两个过程，首先各节点电压赋初值，然后进行功率前推：从末端节点开始功率前推，对每条支路，由受端节点的注入功率和支路阻抗数据计算送端前一节点支路的功率，直到完成首节点功率的计算时停止，功率变化量如下：
[0128]
[0129] 其中P、Q为分别为节点的注入有功、无功功率；U为节点电压；R+jX为支路阻抗；
[0130] 电压回代：从首节点开始，对每条支路，由送端节点的节点电压和支路功率计算受端节点的节点电压，直到完成所有末端节点电压的计算时停止；电压变化量实部虚部如下：
[0131]
[0132] 以图4所示14节点配电网进行简单分析，并以图5所示33节点配电网示意图为例进行计算，电压基准值为12.66KV，其中考虑到系统中各类异质能源到电平台的转化，节点8、12、15、19、27均可视为PV节点，对于电压幅值分别为：
[0133]节点 8 12 15 19 27
电压幅值 0.945 0.935 0.925 0.997 0.947
[0134] 对应影响因子矩阵为：
[0135]
[0136] 取误差精度为10-7，经过6次迭代后程序收敛，各PV节点参数如下，其中有铭值单位为V：
[0137]
[0138]
[0139] 各节点对应无功功率补偿如下，单位为kvar：
[0140] 节点 8 12 15 19 27无功补偿 -100.6788 409.6690 -18.1789 337.6927 -99.1766
[0141] 可以看出该方法计算含有多个PV节点的配电网潮流计算，电压误差等级不足1mV，并与
牛顿拉夫逊法潮流计算进行对比，各节点最大误差为0.000328％，验证了该方法的准确性。
[0142] 以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉
本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
