PDF《计及热惯性和运行策略的综合能源系统可靠性评估方法》

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a e p s - i n f o . c o m 计及热惯性和运行策略的综合能源系统可靠性评估方法 吕佳炜,张沈习,程浩忠 ( 电力传输与功率变换控制教育部重点实验室( 上海交通大学) ,上海市

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4 0 ) 摘要:计及综合能源系统多时间尺度, 考虑热力子系统的热惯性和多能互济的基本运行策略, 提出 了综合能源系统可靠性评估方法.首先, 基于能源集线器模型对综合能源系统多能互济的特性进 行分析, 计算得到不同时间断面内各子系统支援容量, 基于此推导出能流互济可靠性增益指标.其次, 对热惯性进行准稳态建模, 利用分析描述不同形式能源的品味差异和具体特征, 以此设置系统 基本运行策略.最后, 通过基于马尔可夫链的蒙特卡洛方法计算综合能源系统的可靠性.基于德 国某用户级综合能源系统的仿真结果表明: 当某一子系统能流输入不足时, 互济运行将带来较大的 可靠性增益;

当前不考虑热惯性的综合能源系统可靠性评估方法较为保守. 关键词:综合能源系统;

可靠性评估;

能流互济可靠性增益;

热惯性;

运行策略;

马尔可夫链 收稿日期:

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修回日期:

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2 2. 上网日期:

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0 7. 国家重点研发计划资 助项目(

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上海市青年科技英才扬帆计划资助项目(

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0 引言 在传统化石能源储量有限和环境污染问题日益 严重的双重压力下, 粗放的能源利用模式与环境保 护之间的体制机制性矛盾日益凸显.在此背景下, 得益于能 源转换技术的不断发展, 综合能源系统(integratede n e r g ys y s t e m, I E S) 应运而生. I E S是 指在规划、 设计、 建设和运行过程等过程中, 通过对 各类能源的产生、 分配、 转换、 消费、 存储等环节进行 有机协调与优化后, 所形成的能源产供消一体化系 统[

1 - 2] .然而, I E S设备种类繁杂, 运行特性各异, 同 时伴随着能量的双向流动, 使得其可靠性的评估更 为复杂[

3 -

4 ] . 当前, 针对I E S 可靠性评估问题, 国 内外的研 究主要集中在电―气或冷―热―电这两类能源系统. 文献[

5 ] 建立了燃气―电力互联系统的可靠性模型, 计算 了联合循环发电厂可提供的最大电量. 文献[

6 ] 以能源集 线器模型为基础, 提出了一种I E S 可靠性评估方法.文献[ 7] 利用马尔可夫模型对建 筑中冷―热―电联产系统的可靠性进行了量化分析, 证明了冷―热―电联产对提升系统可靠性 的积极作 用.文献[ 8] 采用模块化建模方法, 对冷―热―电系 统进行仿真分析, 证明了基于微型燃气轮机的热电 联产对提高系统可靠性的积极作用.文献[ 9] 将概 率潮流思想用于I E S概率能流分析中, 分析了电力 系统和天然气系统中不确定因素对I E S 运行的影 响.文献[

1 0 ] 提出了一种考虑负荷随机性和能源品 味差异的综合能源系统可靠性评估方法.文献[

1 1 ] 提出了计及可靠性的电―气―热能量枢纽配置模型, 计算了 能源枢纽最优容量配置.上述研究表明, I E S的可靠性评估已受到国内外学者的广泛关注, 但仍然存在以下问题: ①当前研究大多从稳态角度 分析系统可靠性, 对多时间尺度下的评估仍然不够 完善;

②现有可靠性评估方法只考虑了元件故障情 况, 而在实际运行过程中, 能源品味差异和系统运行 策略等因素对可靠性也有较大影响.因此需要基于 时间尺度差异、 能源品味差异和系统运行策略, 展开 I E S的可靠性评估. 本文首先分析了多能互济机制, 把I E S等效为 不同能流相互联络的互联系统, 推导出能流互济可 靠性增益这一指标.其次, 对热惯性进行准稳态建 模, 根据能源品味差异设置系统运行基本策略, 通过 基于马尔可夫链的蒙特卡洛模拟方法计算I E S 的 可靠性.最后, 通过实际算例进行仿真分析, 验证本 文所提模型、 指标、 方法的有效性.

1 能流互济的可靠性增益 I E S能流互济的本质是充分利用不同形式能源 的互济能力对各环节协同优化, 以提升系统可靠性. 基于此, 本节提出了能流互济可靠性增益的概念及 其计算方法.

9 第4 2卷第2 0期2018年1 0月2 5日Vol.42N o .

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1 能源集线器模型 为描述I E S 中不同能流的协同运行机制, 文献[

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1 3 ] 引入了能源集线器模型以刻画不同形式 能源的耦合关系.在该模型下, I E S被抽象为包含 多种形式能源输入、 能源转换设备集和多种形式能 源输出的双端口网络. 能源集线器模型可分为 配―转―用 三部分, 定 义耦 合矩阵C表示能流转换过程以描述三者的关系. L =C E (

1 ) 即Lα Lβ ? Lω é ? ê ê ê ê ê ù ? ú ú ú ú ú = Cα α Cβ α … Cω α Cα β Cβ β … Cω β ? ? ? Cα ω Cβ ω … Cω ω é ? ê ê ê ê ê ù ? ú ú ú ú ú Eα Eβ ? Eω é ? ê ê ê ê ê ù ? ú ú ú ú ú 式中: α, β, …, ω 分别代表不同能源种类.E 和L 分别为能流输入和输出矩阵;

C 为耦合矩阵, 包括能 源转化效率和优化调度因子.用i 和j 表示能流转 换路径, i, j∈{ α, β, …, ω} 1.

2 能流互济可靠性增益 相比独立运行的传统能源系统, I E S具有多能 互济的特征, 即对于给定的用户需求, 其能源输入可 能并不唯一.从可靠性角度看, 多能互济的本质就 是不同形式的能源子系统通过能源转换设备形成了 互联系统, 各子系统的可靠性较孤立运行时均有提 升.计算不同子系统的可靠性指标, 通过可靠性二 维概率数组图[

1 4 ] 可直观表示能流互济的可靠性增 益, 如图1所示. 图1 系统可靠性二维概率数组图 F i g .

1 D i a g r a mo f t w od i m e n s i o n a lp r o b a b i l i t yf o r s y s t e mr e l i a b i l i t y 图1 ( a ) 为考虑能流互济前系统可靠性的二维 概率数组图.Oα 和Pα 分别表示α 子系统的停运容 量和对应概率, OO 和PO 分别表示其他子系统的停 运容量和对应概率, Lα 和Rα 分别表示α 子系统的 最大负荷和备用容量, Lo t h e r s和Ro t h e r s分别表示其他 子系统的最大负荷和备用容量.图中阴影部分 W 区域表示α 子系统和其他子系统的停运容量均未超 过各自备用容量, I E S正常工作;

X 区域表示α 子系 统停运容量超出备用, 其他子系统正常工作;

Y 区域 表示其他子系统停运容量超出备用, α 子系统正常 工作;

Z 区域表示两子系统停运容量均大于各自备 用容量.考虑能流互济后, 当某一子系统供能不足, 可通过能源转换设备接受其他子系统的支援.假设 能源转换设备容量和相互支援容量无限制, 则系统 可靠性的二维概率数组图如图1 ( b ) 所示. 对比图1( a ) 和( b) 的阴影部分可知, I E S正常 工作的区域增加了 X ″和Y ″部分, 其中 X ″部分表明 当α 子系统停运容量超出备用容量时, 其余系统将 通过能源转换设备进行支援, 提高α 子系统可靠性. 因此在考虑能流互济后, 不同子系统之间能够相互 支援, 系统备用容量变大, I E S可靠性得到了阶梯形 的增益. 在实际运行过程中, 应考虑支 援容量的限制. 支援容量受设备限制, 定义最大转换容量矩阵ξm a x 来表征能源转换设备最大转换容量. ξm a x= ξ α α, m a x ξ β α, m a x … ξ ω α, m a x ξ α β, m a x ξ β β, m a x … ξ ω β, m a x ? ? ? ξ α ω, m a x ξ β ω, m a x … ξ ω ω, m a x é ? ê ê ê ê ê ù ? ú ú ú ú ú (

2 ) 式中: ξ i j, m a x表示将能流i 转换为j 的能源转换设备 的最大转换容量, 其中i, j∈{ α, β, …, ω} . 考虑到不同运行策略下, 各子系统的重要程度 不同, 支援优先顺序不同, 各子系统可获得的支援容 量为: ξs u p , α =∑ ω i= β m i n { ρ i α ξ i α, m a x, η i α ρ i n p u t , i( Ei -Li -S i α ) } (

3 ) 式中: ξ s u p , α 为系统α 可获得的支援容量;

ρ i α 表示从能 流i到α 的转换设备工作状态, ρ i n p u t , i 为能流i 输入 状态, ρ i α , ρ i n p u t , i ∈{ 0, k1, k2, …, k n , 1} , 0表示设备 故障, k n 为降额运行系数,

1 表示设备正常工作;

ξ i α, m a x为最大转换容量;

Ei 为能流i 输入容量;

Li 为 能流i输出容量;

S i α 为优先等级高于α 的子系统所 需的支援容量, 优先级由运行策略决定;

η i α 为能源 转换效率. 综上, 各子系统的能流互济可靠性增益为: Δ Pα =P( L>

m i n { ρ i n p u t( Lα +Rα) , ρ α α ξ α α, m a x} ) - P( L >

m i n{ ρ i n p u t ( Lα +Rα ) , ρ α α ξ α α, m a x } + ξ s u p , α) (

4 ) 式中: Δ Pα 为能流互济可靠性增益;

ξ α α, m a x为同种能 流转换设备的最大转换容量;

L 为子系统实际负荷.

2 热惯性模型 I E S中不同能源的传输特性和时间尺度不同.

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2 0 ) ・能源转型与电力支撑・ h t t p : / / ww w. a e p s - i n f o . c o m 例如电能传输可在瞬时完成, 其状态变化处于同一 时间断面;

而热能传输速度慢, 能量的传输和变换横 跨多个时间断面, 因此, 不同能源中断供应后对用户 造成的后果也将不同.当各子系统独立运行时, 电 能供应中断将立刻导致用电设备停运, 不能满足用 户需求;

冷、 热等惯性较大的负荷, 其用能本质是在 一段时间内获得或保持一定温度, 即允许温度在一 定范围内波动[

1 5 ] , 因此, 用户对于供能中断的反馈 具有滞后性. 图2描述了能流输入充足的情况下, 当加热元 件状态变化时, 介质温度的变化趋势.图中加热元 件工作状态为随机变量, Tm a x和Tm i n分别表示用户 可接受的最高温度和最低温度.当加热元件正常工 作时, 加热功率大于散热功率, 热容器中介质温度由 初始温度逐步上升, 当上升到可接受最高温度 Tm a x 时, 调整输入容量, 使得加热功率等于散热功率, 保 证介质温度不再变化;

当加热元件故障时, 热容器不 断与周围环境交换热量, 介质温度逐步降低, 直到加 热元件再次正常工作, 介质温度才会上升.分别基 于元件状态和介质温度评估供热系统工作状态, 如图2所示, 图中阴影表示正常状态, 空白表示故障状 态.基于加热元件状态评估系统可靠性时, 若加热 元件故障, 则判定系统故障;

基于介质温度评估系统 可靠性时, 若加热元件故障, 介质温度将逐步下降而 非突变, 只要温度处于用户可接受范围内, 则判定系 统正常.二者的区别在于加热元件状态为

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1 变量, 元件由正常变为故障时其状态会发生突变, 而介 质温度则是连续变量, 不会发生突变.因此, 基于介 质温度的热网可靠性评估模型更为精确. 图2 热惯性示意图 F i g .

2 D i a g r a mo f t h e r m a l i n t e r t i a 为了描述温度变化的惯性过程, 采用线性能量 平衡法[

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1 8] , 对热惯性过程进行建模.假设任意时 刻热水罐内热水温度均匀且只有一个加热元件, 则 任意时刻的温度变化趋势为: C d T d t =-R( T( t) -Ta( t) ) - c e q( t) ( Td-Ti n) +Pt h( t) (

5 ) 式中: C 为热容量;

R 为容器热阻;

T( t) 和Ta( t) 分 别为t时刻热水温度和环境温度;

c e 为水的比热容;

q( t) 为t时刻用水速率;

Td 为热水期望温度;

Ti n为 进入系统的冷水温度;

Pt h( t) 为t时刻加热功率. 热平衡方程描述了热水温度与环境温度、 加热 功率间的惯性关系.为简化计算, 可对热惯性模型 进行准 稳态处理.首先, 将一个典型日平均分为D个时段, 时段序号为i, 则可根据各时段热负荷及 其余参数计算每个时刻的热水使用量为: q( i) = kw Pt h e( i) -R( T( i) -Ta( i) ) c e( Td-Ti n) i∈D (

6 ) 式中: Pt h e( i) 为i 时段的热负荷;

kw 为热水负荷比 例系数. 假设各时段温度变化率恒定, 则热水温度满足: T( i+1 ) =T( i) + d Ti d t Δ t (

7 ) d Ti d t =

1 C [ -R( T( i) -Ta( i) ) - c e q( i) ( Td-Ti n) +Pa c t u a l( i) ] (

8 ) 式中: Δ t为各时段持续时间;

Pa c t u a l( i) 为i时段的实 际加热功率.

3 I E S基本运行策略 I E S的运行策略涉及能流调度, 其本质是一个 寻优过程.在进行I E S可靠性评估时, 也应考虑其 运行策略.根据各子系统能否独立满足用能需求, 将I E S工作状态划分为正常状态和 危险状态.基 于现有运行策略[

1 0] 和不同能源品味差异, 本文设置 I E S基本运行策略如下.

1 ) 同种能源之间相互供应的优先程度最高 能源的转换必然伴随着损耗和延迟, 因此在能 流输入能够满足负荷需求的情况下, 优先使用同种 能源.

2 ) 依据能源品味等要素确定各子系统重要程度 为电力>

天然气>

热 为实现I E S中不同能流间的科学比较, 采用分 析法计算各子系统能流的值.是系统或物质流、 能 量流达到 与参考环境平衡时所产生的最大功[

1 9] . 它反映了能量转换的不可逆损失和能量传递的方向 性, 揭示能量利用过程的本质, 描述了能流 质 的 差异.

1 1 吕佳炜, 等 计及热惯性和运行策略的综合能源系统可靠性评估方法 在I E S 中, 电能可将全部能量用于做功, 因此 电能值等于其能量值, 即ex,e= e e (

9 ) 式中: e x , e为电能值;

e e 为电能的比能量值. 天然气能量的本质是燃烧产生的化学, 可通过 系数[

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2 2 ] 计算得到: e x , c= e c σ (

1 0 ) 式中: e x , c为天然气值;

e c 为燃料的比能量值;

σ 为系 数, 常见能源的系数见附录 A 表A1. 热水计算方法为: e x , t h= 1- T0 Th ? è ? ? ? ÷Δ q (

1 1 ) 式中: e x , t h为热水值;

T0 为基准温度;

Th 为热水温 度;

Δ q 为单位质量热水所含热量. 综上, 电能、 天然气相对热能, 单位值更高, 易于 转化利用, 应当具有较高的优先级. 对电能和天然气进行进一 步的比较.从安全性、 经济性、 环保性、 便捷性这4个一级指标和用能 伤亡人数、 故障率、 修复率、 单位能量购买成本、 二氧 化碳 排放量、 ................