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
专利汇可以提供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专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本 发明 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 。，下面是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专利的具体信息内容。
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系统简化模型设计方法，其特征在于，所述电网络方程为：
式中，Uxy＝[Ux Uy]T表示Ux和Uy的合并向量转置，表示发电机的机端电压，Ux、Uy为发电机机端电压在电力系统同步旋转轴x、y轴分量， 表示 和 的合并向量
转置，表示发电机的接口电压， 为发电机接口电压在电力系统同步旋转轴x、y轴分量，Ixy＝[Ix Iy]T表示Ix和Iy的合并向量转置，表示为发电机的机端电流，Ix、Iy为发电机机端电流在电力系统同步旋转轴x、y轴分量； 表示 和 的合并向量转置，
表示为发电机的接口电流， 为发电机接口电流在电力系统同步旋转轴x、y轴分量；
Z1、Z2、Z3、Z4表示区域电网等效二端口网络复阻抗。
9.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，所述步骤二，具体为：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：
式中，f(·)代表综合能源系统的微分方程部分；g(·)代表综合能源系统的代数方程部分；xs代表综合能源系统的状态变量，u代表综合能源系统的控制输入， 代表xs的一阶导数；w代表综合能源系统的辅助变量；ys代表综合能源系统的输出变量。
10.根据权利要求9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xs包括锅炉的状态变量[Pb,in Pb,out]、汽轮机的状态变量[PH μ]T、发电机的状态变量[δ ω]T、天然气管道的状态变量[Pgp,out Mgp,in]T、储能电池的状态变量[Is,in Vs,out]T与风机的状态变量[Iw,g,ω1,Iw,e,ω2]T；u包括锅炉单位时间燃料输入Bin、汽轮机输入μt,in、汽轮机输出至发电机的机械功率Pg,in、天然气管道入口压力Pgp,in、储能电池的输入Is,in和风机的输入[θ1 θ2]T；w包括锅炉的辅助变量DT、汽轮机的辅助变量Pt,out、发电机的辅助变量[Igx Igy]T、天然气管道的辅助变量Mst、Pst、储能电池的辅助变量Td以及综合能源系统接入电力系统网络的辅助变量电压 电流 ys包括单位时间锅炉受热面的有效吸热量DQ、汽轮机中低压缸等效转矩输出PML、发电机的输出Vgx、Vgy、天然气管道的输出Mgp,out、储能电池的输出Is,out和风机的输出uw,g。
11.根据权利要求9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，所述步骤三中，通过对步骤二中综合能源系统整体复杂模型进行线性化处理得到综合能源系统在综合能源系统运行平衡点附近的线性微分-代数方程：
式中，Δ代表偏移量符号，A、B1、B2、C1、C2、D1、D2、D3和D4分别代表线性化后不同变量对应的矩阵；将上述平衡点附近的线性微分-代数方程的输出Δys和 合并，输入Δu和合并，即对线性微分-代数方程进行输入输出接口扩展得到扩展线性微分-代数方程：
式中，B1和B2的合并矩阵为B＝[B1 B2]T，D1、D2、D3和D4的合并矩阵为 C＝
[C1 C2]， 表示Δys和 的合并向量转置； 表示Δu
和 的合并向量转置。
12.根据权利要求11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，所述步骤四中，使用格拉姆矩阵对高阶线性模型进行降维简化，对步骤三中的扩展线性微分-代数方程引入平衡变换矩阵T，令Δxs＝TΔx， 分别代表单位时间内综合能源系统的状态变量偏移量和输出变量偏移量，将 代入扩展线性微分-代数方程求出平衡变换后的微分-代数方程：
式中， 其余变量含义同扩展微分-代数方
程；
求解李雅普诺夫方程：
得到可控Gram矩阵 和可观Gram矩阵 为：
diag代表对角阵，σ1,σ2,…,σn分别表示Hankel矩阵奇异值，σ1,σ2,…,σn为n阶对角矩阵其对角线元素，并且满足σ1≥σ2≥…≥σn＞0，n为方形矩阵阶数，将小于奇异值σk的状态截去，平衡变换后的微分-代数方程分解写做：
式中，
i×j
R 表示i*j阶线性实数空间，其中空
间元素为i*j阶矩阵，i表示行数，j表示列数，R为实数域，k,p,q∈(0,n)；
是线性空间Ri×j中的矩阵， 为线性空间Rk×p中的矩阵， 为
线性空间R(n-k)×p中的矩阵， 为线性空间Rq×k中的矩阵， 为线性空间Rq×(n-k)中的矩阵，为平衡变换后按照是否能观能控进行
矩阵分块后得到的矩阵； 是 的一阶导数；截去状态变量 得到系统的
简化模型：
系统阶数由原来的n降低为k。
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
技术领域
背景技术
发明内容
置，表示为发电机的接口电流， 为发电机接口电流在电力系统同步旋转轴x、y轴分量；Z1、Z2、Z3、Z4表示区域电网等效二端口网络复阻抗。
u和 的合并向量转置。
间元素为i*j阶矩阵，i表示行数，j表示列数，R为实数域，k,p,q∈(0,n)；
是线性空间Ri×j中的矩阵， 为线性空间Rk×p中的矩阵， 为
线性空间R(n-k)×p中的矩阵， 为线性空间Rq×k中的矩阵， 为线性空间Rq×(n-k)中的矩阵，为平衡变换后按照是否能观能控进行
矩阵分块后得到的矩阵； 是 的一阶导数；截去状态变量 得到系统的简
化模型：
具体实施方式
量转置，表示为发电机的接口电流， 为发电机接口电流在电力系统同步旋转轴x、y轴分量；Z1、Z2、Z3、Z4表示区域电网等效二端口网络复阻抗。
变量Pt,out、发电机的辅助变量[Igx Igy]、天然气管道的辅助变量Mst、Pst、储能电池的辅助变量Td以及综合能源系统接入电力系统网络的辅助变量电压 电流 ys包括单位时间
锅炉受热面的有效吸热量DQ、汽轮机中低压缸等效转矩输出PML、发电机的输出Vgx、Vgy、天然气管道的输出Mgp,out、储能电池的输出Is,out和风机的输出uw,g。
u和 的合并向量转置，其余变量含义同上述线性微分-代数方程。
间元素为i*j阶矩阵，i表示行数，j表示列数，R为实数域，k,p,q∈(0,n)；
i×j k×p
是线性空间R 中的矩阵， 为线性空间R 中的矩阵， 为
线性空间R(n-k)×p中的矩阵， 为线性空间Rq×k中的矩阵， 为线性空间Rq×(n-k)中的矩阵，为平衡变换后按照是否能观能控进行
矩阵分块后得到的矩阵； 是 的一阶导数；截去状态变量 得到系统的简
化模型：
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