PDF《计及回水管网热损失的电热联合系统潮流模型及算法》

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a e p s G i n f o . c o m 计及回水管网热损失的电热联合系统潮流模型及算法 刘述欣1,

2 ,戴赛3 ,胡林献1 ,丁强3 ,王其祥1 ( 1. 哈尔滨工业大学电气工程及自动化学院,黑龙江省哈尔滨市

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0 1;

2. 国网烟台供电公司,山东省烟台市

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0 0;

3. 中国电力科学研究院有限公司,北京市

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8 9 ) 摘要:电力系统、 热力系统联合优化运行已成为提高电力系统调峰能力及风电消纳率的有效途径 之一.在详细分析热网拓扑结构及其水力、 热力模型基础上, 建立了计及热网回水管网热损失的热 网递推模型.研究了热电机组、 电锅炉等耦合元件模型, 建立了电热联合系统潮流模型.通过分析 热网运行方式, 提出了热网潮流的前推回代计算方法.模型可方便处理多分支辐射热网及其电锅 炉等能量转换装置, 且计算过程中无需解算热网水力模型, 无需复杂的网络编号, 也不用形成导纳 矩阵, 具有编程简单、 计算速度快等特点.实例分析表明, 回水管网热损失较大, 计算中不可忽略, 且合理选择热源出口参数可提高电网风电消纳率. 关键词:电热联合系统;

潮流计算;

热网递推模型;

前推回代法;

回水管网热损失 收稿日期:

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修回日期:

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1 4. 上网日期:

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0 3. 国家电网公司科技项目 考虑安全与经济的热电联合优化调 度关键技术研究与应用 .

0 引言 随着风电装机容量的不断增长, 弃风问题也越 来越严重[

1 ] .由于热网负荷与风电场出力的变化趋 势大致呈同向特性, 而热网负荷、 风电场出力与电网 负荷的变化趋势大致呈反向特性[

2 ] , 各种解耦热电 机组热电耦合, 通过电力系统与热力系统协调优化 运行来提高电力系统调峰能力及风电消纳率的方案 被不断提出[

3 ] . 电热联合系统是典型的多能量流网络系统, 其 潮流计算是其他各种分析计算的基础.但有别于成 熟的电力系统潮流计算, 目前国内外涉及电热联合 系统潮流计算的研究不多.文献[

4 G 5] 提出了几种 热网建 模方法, 但模型简单、 模拟程度不高. 文献[

6 ] 建立了一种较为完备的热网 模型, 但不能快速、 简洁地求解模型.文献[

7 ] 针对多热源环状热网 水力工况分析所涉及的非平面网及故障工况供回水 管网不对称的问题, 基于图论提出了一种建立空间 热网拓扑结构的方法. 现有方法的一大特点是热力系统模型完全参照 电力系统构建, 如参照基尔霍夫电流方程及欧姆定 律方程分别建立了流量连续方程、 压强损失方程和 热网热力模型.但输电网与热网有很大差别, 如高 压输电网是环网而热网是辐射状;

输电网三相对称 不需要考虑回线损耗, 而热网的供水、 回水管网上都 有热损失.为了统一电网和热网模型, 传统热力系 统模型不得不假设了一个回水混合温度, 并将整个 回水管网温度固定在这个温度.传统热网模型不仅 与实际热力系统不符, 而且会造成较大的计算误差. 文献[

8 ] 建立了含热网约束的电热能源集成系统运 行优化模型, 虽然考虑了回水节点的温度差异, 但其 计算模型需建立复杂的关联求解矩阵, 计算速度慢 且计算量大. 本文首先研究热网的水力、 热力模型, 分析实际 供热网络的辐射状结构特点及其运行方式, 提出了 计及回水管网热损失的热力系统潮流计算递推模型 及其快速算法;

然后研究了热力系统、 电力系统耦合 模型, 热电机组发电功率和电锅炉消耗电功率的计 算方法, 以及电热联合系统潮流计算过程;

最后通过 算例及其与传统模型的对比分析, 验证了本文算法 的正确性与有效性.

1 热力系统传统模型 1.

1 热力系统结构 热力系统由热源、 热网和热负荷组成, 其中热网 又由拓扑结构完全相同的供水网络和回水网络组 成[

4 G 5] , 其结构如附录 A 图A1所示. 热网络变量包括各节点压强h i、 各负荷需水量 Li、 节点i和j 之间的管道水流量mi j.热量传输过

7 7 第4 2卷第4期2018年2月2 5日Vol.42N o . 4F e b .

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3 程中, 由于管道粗糙, 管道中的热水需克 服管壁做 功, 加上管道向外散热, 因此从热源节点到热负荷节 点会有热损耗.在热负荷i 处, 热水通过热交换器 为用户提供热量, 继而将冷却的水通过回水网络返 回产热源, 进行下一次加热.供、 回水网络中各管道 流量近似一致, 但由于2个网络中水温不同, 会影响 水的密度、 黏度、 雷诺数等[

6 G 8] , 造成2个网络中水流 量略有不同.为简化计算, 一般对此忽略不计[ 9] . 1.

2 热网水力模型 热网水力模型用于确定各管道水流量及各节点 的注入水流量.供水网络与回水网络拓扑相同, 所 以只针对供水网络进行分析.水力模型中存在水流 量连续方程及压强损失方程, 分别对应于电力系统 的基尔霍夫电流方程及欧姆定律方程[ 6,

1 0 G

1 1] .

1 ) 流量连续方程.流量连续方程是指水流进入 节点的水流量等于流出节点的水流量加上节点消耗 的水流量, 其具体公式为: A m=mq (

1 ) 式中: A 为管道支路相对于节点的关联矩阵;

m 为 供水管道水流量;

mq 为节点注入水流量.

2 ) 压强损失方程.压强损失方程表征管道内压 强损失与水流量的关系[

6 ] , 其具体方程为: h f=Km| m| (

2 ) 式中: K 为各个供水管道的阻抗系数, K 值主要取 决于管道直径、 液体物理性质[

1 1] , 具体求解公式如 式(

3 ) 所示. K= ε D (

3 ) 式中: ε 为管道的绝对粗糙度值;

D 为管道的直径. 水力模型可视作一个普通的水管道网络, 水管 道网络求解有2种基本方法, 即压强法[ 4, 7,

1 0 ] 和环流 法[

1 0,

1 2 ] , 分别 对应电路中的节点电压法和节点电流法. 1.

3 热网热力模型 热力模型确定热网节点温 度.热网节点包含2个温度信息( 见附录 A 图A2) : 各节点供给( 负荷 输入) 温度Ts i、 各节点返回( 负荷输出) 温度 Tr i. 影响节点返回温度 Tr i 的主要因素为: 节点供给温 度Ts i、 外界自然温度, 以及热负荷的大小. 供水管网各节点温度为: Ts i=( Ts j-Te n) e x p - λ d i j Cp mi j ? è ? ? ? ÷ +Te n (

4 ) 式中: Te n为外界自然温度;

λ 为管道每米传输阻抗;

d i j为管道传输距离;

Cp 为水的比热容. 传统模型忽略回水管网热损失, 将各节点回水 温度统一至回水混合温度: Tr i = ∑ n i=1 ? è ?Tr i ∑ n j=1, j≠ i mi j ? ? ÷ ∑ n i=1 mi j (

5 ) 式中: n 为节点数. 利用水力模型求得各供水管道的水流量数据, 在热力模型中考虑热网热量关系、 热传递、 热损等条 件后确定热网节点的两个温度信息.对于热力系统 潮流计算, 热力模型与水力模型缺一不可, 热力模型 决定各节点的温度数据, 水力模型决定........