基于能路理论的综合能源系统多能源优化研究

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随着经济的发展,综合能源系统已成为学术界和工业界关注的焦点。能源消耗的不断增长带来了环境污染、化石燃料稀缺、燃料成本不断增高等问题。为了解决能源问题和实现“双碳”目标,全世界很多国家对能源系统开展了相关的研究。综合能源系统可以提高能源效率,促进可再生能源利用,但包含多种能源的形式、复杂运行的模式和紧密耦合的环节,给其建模和潮流计算带来了挑战。电、气、热多能源网络是综合能源系统的主要组成部分,能路理论可以导出多能源网络的耦合矩阵和模型方程,应用到综合能源系统多能源优化和运行,以提高综合用能效率。因此,本文主要研究电路、热路、气路模型的动态性能和综合能源系统多能源优化方法,主要内容如下:(1)“智能电网”的应用已经扩展到供热网络,热路模型求解对于综合能源系统的研究意义重大。热路模型偏微分方程计算量大,求解复杂,不仅要考虑热损失,还要考虑热传递延时。本文从电路模拟的角度推导出供热网络的热路模型,针对不同条件下热路模型不同的问题,提出了热路的分数阶模型。采用基于自然变换的Adomian多项式分解算法对分数阶模型进行求解,得到热网损耗和传输延时。结果表明,热路分析理论能够描述热网复杂的动态特性,计算过程简单、快速、准确。(2)天然气应用愈来愈广泛,管道输送也变得复杂,由于气体与管道内壁之间的摩擦,以及气体与环境之间的传热,燃气的气压和流量随位置和时间动态改变,天然气网络动态特性给综合能源系统建模带来了巨大挑战。根据能路理论建立了一种天然气管道的简化模型,对简化模型应用拉普拉斯变换,将偏微分方程的解转化成易求解的代数形式。根据所求解的代数形式,提出了一种天然气管道的二端口模型,二端口两端气压和流量之间的关系可以用一个转移矩阵表示,转移矩阵中包括气阻、气感、气容和气导四个分布参数。根据气路二端口模型,可以快速得到气路方程的解。结果表明,气路模型的解不但可以描述气压和流量的动态响应,还能描述天然气管道倾角对气压的影响。(3)能源枢纽(EH)在实现综合能源系统互补协调和优化方面表现出巨大潜力。能源枢纽是一种多输入多输出装置,内部结构复杂,耦合矩阵难以描述,随着能量流变得越来越复杂,输入与输出之间映射关系的建模方法难以在计算机中自动生成。针对这一问题,本文提出了一种基于能路图的标准化矩阵建模方法,首先将能源枢纽简化为能路图,再将能路图转换成对应拓扑的信号流图。在此基础上,根据基尔霍夫广廷量定律建立能量约束方程。其次,基于所提出的能源枢纽模型,构建了一个电、气、热多能源双层优化模型,实现成本最小和利润最大。通过联合使用Karush-Kuhn-Tucker(KKT)最优条件、松弛技术和线性化方法,将该模型转化为混合整数线性规划模型(MILP)。最后,使用CPLEX求解器在MATLAB中求解该混合整数线性规划模型。结果表明,综合能源系统多能源优化方法可以有效地对多种能源进行优化配置,减少用能成本。(4)微电网是综合能源系统的末端,结构灵活、运行方式多变,增加了其建模和控制的难度。需求响应(DR)能增加微电网控制的灵活性,但负载通常难以预测,对应于不确定性负荷需求响应的系统能源管理方法仍需要做进一步研究。首先,提出了一种基于能路图的微电网系统自动建模方法,在能路图中,支路由逻辑变量和状态变量表示,输入节点和支路的参数,可以很容易地生成微电网的能量约束方程。其次,提出一种基于概率的需求响应方法,解决随机负荷参与需求响应不确定性问题。最后,将能量约束方程和基于概率的需求响应方法应用于微电网的多目标能源管理系统。结果表明,包含需求响应的多目标能源管理方法可以显著降低柴油发电机组的启动次数,减少微电网的运行成本。对比分析电、热、气模型,揭示三种异质能源具有相似的数学模型形式。通过电、气、热耦合的综合能源系统和考虑需求响应的微电网能源管理方法两个案例,验证了多能源系统优化方法的有效性。本文为推动综合能源系统多能源优化管理提供支持。
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