[发明专利]考虑光热热电联产与电锅炉的电-气-热互联系统风险评估方法

摘要

本发明公开一种考虑光热热电联产与电锅炉的电‑气‑热互联系统风险评估方法。建立基于耦合元件STCHP和EB的能流模型、弃风弃光和电/气/热负荷削减综合最小优化模型；其次，建立电‑气‑热互联系统的电力/气量/热力不足期望和弃风/弃光期望的系统级风险指标；再次，在所建的能流模型、负荷削减模型和评估指标的基础上，进一步考虑元件故障、电/气/热负荷、风电功率和光电功率等多种随机性因素，提出考虑光热热电联产和电锅炉的电‑气‑热互联系统风险评估的步骤与流程图；最后，在MATLAB平台上通过程序实现考虑光热热电联产和电锅炉的电‑气‑热互联系统风险评估的计算与分析工作。

主权项

一种考虑光热热电联产与电锅炉的电‑气‑热互联系统风险评估方法，其特征在于，包括以下步骤:(1)建立所述基于耦合元件STCHP和EB装置的能流模型1‑1)STCHP和EB的多能流模型建立STCHP的多能流模型方程式如下：ΦSF,k＝ηSF,kSSF,kR,k＝1,2,...,Nb  (1)ΦSF,k+FSCPT,kGHV＝PSCPT,k/ηSCPT,k,k＝1,2,...,Nb   (2)PSCPT,k＝HSCPT,k/νSCPT,k,k＝1,2,...,Nb   (3)HSCPT,k＝ΦSCPT,k+SSH,k‑SEH,k,k＝1,2,...,Nb   (4)SSH,kSEH,k＝0,k＝1,2,...,Nb   (5)式中，式(1)为聚光集热装置的光热转换关系式；式(2)和(3)为热电联产机组消耗天然气、光热与输出电功率和热功率的关系式；式(4)为STCHP的供热功率、输出热功率与储热的关系式；式(5)为储热的工作模式方程。其中，ΦSF,k、SSF,k、ηSF,k为STCHPk聚光集热装置的吸收热功率、镜场面积和工作效率；R为光照辐射度；PSTCHP,k、FSTCHP,k、ΦSTCHP,k为STCHPk的有功出力、消耗气流量和供热功率；vCHP,k、ηSF,k、HCHP,k为STCHPk的热电比、转化效率和输出热功率；SSH,k、SEH,k为储热装置的储热功率、放热功率；GHV为天然气的高热值；Nb为STCHP的数目。EB的电热转换关系满足如下方程式：ΦEB,k＝ηEB,kPEB,k,k＝1,2,...,Neb   (6)式中，PEB,k、ΦEB,k、ηEB,k为EBk的有功出力、供热功率和转化效率；Neb为EB的数目。1‑2)基于耦合元件STCHP和EB能流模型在电力系统、天然气系统、热力系统以及各耦合元件的数学模型基础上，将风电场弃风功率ΔPW,i、光伏电场弃光电功率ΔPPV,i引入电力系统功率平衡方程，构建考虑EB和STCHP的电‑气‑热互联系统能流模型：PG,i+PGAS,i+PCHP,i+PSTCHP,i+PW,i+PPV,i-PEB,i-PD,i-ΔPW,i-ΔPPV,i-ViΣj=1NeVj(Gijcosθij+Bijsinθij)=0,∀i=1,2,...,Nn_e---(7)]]>QG,i+QGAS,i+QCHP,i+QSTCHP,i+QW,i+QPV,i+QC,i-QD,i-ViΣj=1NeVj(Gijsinθij-Bijcosθij)=0,∀i=1,2,...,Nn_e---(8)]]>FG,i-FGAS,i-FCHP,i-FSTCHP,i-FGB,i-FD,i-Σr=1NpEirCr-Σr=1NpTirτr-Σr=1N1Airkrsij(sij(πi2-πj2))=0,∀i=1,2,...,Nn_g---(9)]]>ΦG,i+ΦCHP,i+ΦSCPT,i+ΦGB,i+ΦEB,i-ΦD,i-SHCΣh=1NvDihMh(Ts,i-Tr,i)=0,∀i=1,2,...,Nn_h---(10)]]>Σh=1NvBlhkhMh|Mh|=0,∀l=1,2,...,Nf---(11)]]>Σf=1NhAs,efTs,f-bs,e=0,∀e=1,2,...,Nn_h---(12)]]>Σf=1NhAr,efTr,f-br,e=0,∀e=1,2,...,Nn_h---(13)]]>其中，式(7)、(8)分别是电力系统有功、无功平衡方程，式(9)是天然气系统流量平衡方程,式(10)是热力系统节点热功率平衡方程，式(11)是热力‑水力环路方程，式(12)和式(13)是热力系统负荷节点温度平衡方程。其中，θi、Vi为电力系统节点i的电压相角和电压幅值；PG,i、PGAS,i、PSTCHP,i、PCHP,i为电力系统节点i的非燃气机组、GFG、STCHP和CHP的有功出力；QG,i、QGAS,i、QSTCHP,i、QCHP,i为电力系统节点i的非燃气机组、GFG、STCHP和CHP的无功出力；PD,i、QD,i为电力系统节点i的有功功率和无功功率；PW,i、QW,i为电力系统节点i风电场的有功和无功功率；PPV,i、QPV,i为电力系统节点i光伏电站的有功和无功功率；ΔPW,i、ΔPPV,i为电力系统节点i风电场的弃风功率、光伏电站的弃光电功率；PEB,i为电力系统节点i的EB消耗电功率；QC,i为电力系统节点i的并联无功补偿器输出无功功率；Gij、Bij为电力系统节点导纳矩阵的第i行第j列元素的实部和虚部；πi和πj为天然气系统节点i和j的节点气压；FG,i、FD,i为天然气系统节点i的气源注入气流和节点气负荷；FGAS,i、FCHP,i、FSTCHP,i、FGB,i为天然气系统节点i的燃气机组、CHP、STCHP和燃气锅炉的消耗天然气气流；Cr、τr为天然气系统压缩机r流过的流量和消耗的流量；Air、Eir、Tir为天然气节点‑管道关联矩阵、节点‑压缩机关联矩阵和节点‑压缩机入口节点关联矩阵的第i行第r列元素；sij、kr为天然气管道r的气流方向和管道常数；ΦD,i、ΦG,i、ΦCHP,i、ΦSTCHP,i、ΦGB,i、ΦEB,i为热力系统节点i的热负荷、燃煤热源、CHP、STCHP、燃气锅炉和EB的供热功率；Mh、kh为热力系统供热管道h的流量和阻力系数；Ts,i、Tr,i和Ts,f、Tr,f分别为热力系统节点i和节点f的供水、回水温度；Blh为热力系统回路供热管道关联矩阵第l行第h列元素；As,ef、Ar,ef为热力系统供水和回水网络结构矩阵第e行第f列元素；Dih为热力系统节点‑供热管道关联矩阵中第i行第h列元素；bs,e、br,e为热力系统供水温度和回水温度相关系数；kh为热力系统供热管道h的阻力系数；SHC为水的比热容。Nn_e、Nn_g、Nn_h、Nf分别为电力系统节点、天然气系统节点、热力系统节点和热力系统网络回路的数目。本步骤所提基于耦合元件STCHP和EB的能流模型(1)‑(13)是一组非线性方程组，根据给定的运行条件，采用牛顿法有效求解该模型的状态变量x＝[θi,Vi,πm,,Mh,Ts,Tr]T。(2)弃风弃光和电/气/热负荷削减综合最小优化模型建立考虑弃风弃光和电/气/热负荷削减综合最小优化模型来实现该目标。2‑1)目标函数minf=(Σi=1Nd_eλe,iCe,i+Σi=1Nd_gλg,iCg,i+Σi=1Nd_hλh,iCh,i)+(Σi=1Nwλw,iΔPW,i+Σi=1Npvλpv,iΔPPV,i)---(14)]]>式中，前一括号代表系统电/气/热负荷削减量之和，后一括号代表系统弃风、弃光电量之和。其中，Ce,i是电负荷节点i的负荷削减变量；Cg,i是气负荷节点i的负荷削减变量；Ch,i是热力系统节点i的热负荷削减变量；ΔPW,i是风电场i的弃风变量；ΔPPV,i是光伏电场i的弃光变量；λe,i为表征各电负荷重要性的权重因子，λg,i为表征各气负荷重要性的权重因子，λh,i为表征各热负荷重要性的权重因子，λw,i为表征各风电场弃风严重性的权重因子，λpv,i为表征光伏电场弃光电严重性的权重因子。Nd_e是电负荷节点的总数，Nd_g是气负荷节点的总数，Nd_h是热负荷节点的总数，Nw是风电场的总数，Npv是光伏电场的数目。2‑2)等式约束构建如下等式约束：PG,i+PGAS,i+PCHP,i+PSTCHP,i+PW,i+PPV,i+Ce,i-PEB,i-PD,i-ΔPW,i-ΔPPV,i-ViΣj=1NeVj(Gijcosθij+Bijsinθij)=0,∀i=1,2,...,Nn_e---(15)]]>QG,i+QGAS,i+QCHP,i+QSTCHP,i+QW,i+QPV,i+QC,i+Ce,i(QD,i/PD,i)-QD,i-ViΣj=1NeVj(Gijsinθij-Bijcosθij)=0,∀i=1,2,...,Nn_e---(16)]]>FG,i+Cg,iGHV-FCHP,i-FGAS,i-FSTCHP,i-FD,i-Σr=1NpEirCr-Σr=1NpTirτr-Σr=1N1Airkrsij(sij(πi2-πj2))=0,∀i=1,2,...,Nn_g---(17)]]>ΦG,i+ΦCHP,i+ΦSTCHP,i+ΦGB,i+ΦEB,i+Ch,i-ΦD,i-SHCΣh=1NvDihMh(Ts,i-Tr,i)=0,∀i=1,2,...,Nn_h---(18)]]>式中，热力系统的热力‑水力环路方程、供水/回水温度平衡方程均与第一部分能流模型中的相同，耦合元件的各变量仍满足式(1)‑(6)。2‑3)不等式约束构建如下不等式约束：xmin≤x≤xmax   (19)式中，x＝[Ce,i，Cg,i，Ch,i，ΔPW,i，ΔPPV,i，PSTCHP,i，QSTCHP,i，SSH,k，SEH,k，PEB,i，FGB,i，PGAS,i，QGAS,i，PCHP,i，QCHP,i，PG,i，QG,i，FG,i，ΦG,i，ΦCHP,i，ΦSTCHP,i，ΦGB,i，ΦEB,i，Vi，πi，Ts,i，Tr,i，Tl，Rr，Mh]T。其中，Tl是输电线路l流过的功率；Rr是压缩机支路r的压缩比。(3)表征弃风弃光严重性和可靠性水平的风险评估指标3‑1)弃风/弃光电量不足期望指标EWPA为系统弃风期望值(MW)，该指标用以反映系统中弃风现象的严重程度；EPVA为弃光电期望值(MW)，该指标用以反映系统中弃光电现象的严重程度。以上指标的表达式为：EWPA=Σx∈G1P(x)ΔPW(x)---(20)]]>EPVA=Σx∈G2P(x)ΔPPV(x)---(21)]]>式中，P(x)为系统状态x的概率；G1、G2分别为出现弃风、弃光电现象的状态集合；ΔPW(x)、ΔPPV(x)分别为系统状态x的弃风量、弃光电量，以上计算公式如下：ΔPW(x)=Σi=1NwΔPW,i---(22)]]>ΔPPV(x)=Σi=1NpvΔPPV,i---(23)]]>3‑2)电力/气量/热力不足期望指标EEDHN为系统电力不足期望值(MW)，该指标用以反映系统中对电负荷的供应水平；EGDHN为气量不足期望值(MW)，该指标用以反映系统中对气负荷的供应水平；EHDHN为热力不足期望值(MW)，该指标用以反映系统中对热负荷的供应水平。以上指标的表达式为：EEDNS=Σx∈G3P(x)Ce(x)---(24)]]>EGDNS=Σx∈G4P(x)Cg(x)---(25)]]>EHDNS=Σx∈G5P(x)Ch(x)---(26)]]>式中，P(x)为系统状态x的概率；G3为出现电负荷削减的状态集合；G4为出现气负荷削减的状态集合；G5为出现热负荷削减的状态集合。Ce(x)为系统状态x的电负荷削减量，Cg(x)为系统状态x的气负荷削减量，Ch(x)为系统状态x的热负荷削减量，以上计算公式如下：Ce(x)=Σi=1Nd_eCe,i---(27)]]>Cg(x)=Σi=1Nd_gCg,i---(28)]]>Ch(x)=Σi=1Nd_hCh,i---(29)]]>(4)考虑STCHP和EB的电‑气‑热互联系统风险评估步骤完成以上3个步骤的工作之后，就基于构建的数学模型进行系统风险评估。