[发明专利]基于电-气互联综合能源系统暂态模型的能量流仿真方法

说明书

本发明公开一种基于电‑气互联综合能源系统暂态模型的能量流仿真方法，包括以下内容：1)考虑天然气管网慢过程的动态特性，建立天然气管网暂态模型；2)采用隐式有限差分法，将描述天然气管道气流动态特性的时空偏微分方程差分为代数方程表达式；3)通过燃气轮机和电转气技术耦合电网和天然气管网，并建立其暂态模型；4)利用牛顿‑拉夫逊法求解电‑气互联综合能系统多时段暂态能量流；5)在综合能源系统中测试其性能。本发明提供的方法有效地提高了计算精度，能够更准确地描述天然气系统实时运行状态。

技术领域

本发明涉及一种电力系统和天然气系统能量流仿真方法，对电-气互联综合 能源系统能量流进行仿真，属于电力系统技术领域。

背景技术

随着社会发展，能源消耗不断增加，随之而来的化石能源短缺及环境污染等 问题不容忽视。天然气作为一种清洁能源，具有储量丰富、高效环保等优点，在 世界范围内得到大量开发。燃气轮机是电力系统和天然气系统传统的耦合元件， 随着新型燃气轮机和联合循环燃气轮机的快速发展，电力系统和天然气系统的联 系日趋紧密。近年来出现的电转气技术为电力储能提供了新的方向，具有极大的 应用前景，同时，该技术的使用也使电-气互联综合能源系统能量的双向流动成 为可能。

随着电力系统和天然气系统之间的耦合加深，一方面，天然气系统的不确定 性对电力系统的稳定运行提出了挑战，另一方面，天然气系统对电力系统具有削 峰填谷和辅助调频等积极作用，因此研究电力系统和天然气系统的联合仿真具有 重要意义。与电力系统潮流计算类似，能量流计算是研究电-气互联综合能源系 统的基础，然而，电网与气网在动态时间尺度上存在显著差异，目前电-气互联 综合能源系统能量流计算主要基于天然气系统稳态能量流模型，忽略了天然气管 网慢过程的动态特性，可能导致能量流计算结果偏离真实运行状态。

发明内容

发明目的：本发明针对现有电-气互联综合能源系统能量流计算存在的问题， 即电网与气网在动态时间尺度上存在显著差异，扰动下电网能够在瞬间(秒级)恢 复至稳定状态，而气网在扰动下由当前状态过渡至下一个稳定状态需要数分钟甚 至数小时，在进行综合能源系统能量流计算时基于天然气系统稳态模型，忽略天 然气管网慢动态特性，可能导致能量流计算所得数据不能准确描述系统实际运行 状态，提出一种基于电-气互联综合能源系统暂态模型的能量流仿真方法，其中 建立了完整的暂态模型，并通过牛顿-拉夫逊法求解其能量流，有效提高了仿真 精度。

技术方案：一种基于电-气互联综合能源系统暂态模型的能量流仿真方法， 包括以下步骤：

(1)考虑天然气管网慢过程的动态特性，即天然气管道存储和天然气慢流 动速率，建立由表征质量守恒、能量守恒和牛顿第二定律的偏微分方程描述的天 然气管网暂态模型；

(2)采用隐式有限差分法，考虑管道分段步长Δl和时间步长Δt，将描述天 然气管道气流动态特性的时空偏微分方程差分为一系列代数方程表达式；

(3)通过耦合元件(燃气轮机和电转气技术)耦合电网和天然气管网，构 建电气互联综合能源系统，并基于天然气系统暂态模型和电力系统稳态模型建立 其暂态模型；

(4)以综合能源系统稳态模型计算所得变量值作为变量初值，利用牛顿- 拉夫逊法求解电-气互联综合能系统多时段暂态能量流；

(5)在综合能源系统中测试其性能。

作为优化，步骤(1)所述建立天然气管网暂态模型具体步骤如下：

步骤1.1：暂态天然气管道流量模型由表征质量守恒、能量守恒和牛顿第二 定律的偏微分方程描述，其中，假设管道天然气流量温度与环境温度相等，即不 存在能量交换，因此能量守恒公式可以忽略。具体描述如下：