电-气区域综合能源系统能流计算及其收敛性调整

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综合能源系统(integrated energy system,IES)可实现电能、天然气能源和热能等多能源的协同供应,有效提高分布式可再生能源的就地消纳能力,在满足用户需求的前提下减少对外电网的依赖,得到了广泛的研究与关注。电-气区域综合能源系统由电力系统、天然气系统及能量中心构成,实现区域范围内配电网、配气网、区域能量中心及其它区域能源系统之间的互补支撑。确定性多能流计算是IES分析与运行的重要基础,可为其设备选址定容、运行决策和故障分析等提供依据。本文研究电-气区域综合能源系统的多能流计算及其收敛性调整,主要工作如下:1)进行电-气区域综合能源系统能流计算。基于分解求解的思想,对能源集线器(energy hub,EH)进行节点类型处理,并从常规能流计算机理上展开,分析电力系统的节点功率方程、天然气系统的节点压力方程与环路流量方程。建立电力系统、天然气系统的常规能流模型,以及压缩机与燃气轮机的数学模型。采用Newton-Raphson(NR)法对电-气区域综合能源系统能流进行分解求解。最后,进行算例分析。2)提出一种电-气区域综合能源系统能流差异化求解方法。针对电-气区域综合能源系统中EH运行模式的多样性,及电力系统与天然气系统能流特性的差异,分解求解电力系统与天然气系统,基于解析函数递推求解电力系统能流,采用线性逼近法求解天然气系统能流。求解电力系统能流中,基于节点功率方程建立电力节点的解析函数方程,将待求量的解析函数展开成幂级数形式,利用递推方法计算出其有限项幂级数的系数,再构造有限项幂级数的Padé近似式判断解的可行性。最后,通过算例分析验证所提方法的正确性和有效性。3)提出一种电力系统与天然气系统能流收敛性诊断与调整方法。分析电力系统、天然气系统能流计算不收敛的算法机理与物理机理,在此基础上,利用NR法迭代计算过程中修正值的变化特征,识别系统中导致能流计算不收敛的不平衡量类型与主要节点。对于电力系统,考虑其有功功率与无功功率的强耦合特性,采用平衡节点电压幅值调节法以及电力节点类型转换法解决其能流计算不收敛问题;对于天然气系统,考虑其系统流量特性,采用天然气节点压力调整方式,通过调整气源或压缩机的出口压力以解决其能流计算不收敛问题。最后,通过算例验证所提方法正确性和可行性,为电-气区域综合能源系统的多能流收敛性分析及调整提供理论基础。4)提出一种电-气区域综合能源系统多能流收敛性解耦调整方法。分析电-气区域综合能源系统的收敛性影响因素,并在综合能源系统多能流解耦计算方式的基础上,分开对电力系统和天然气系统的能流计算进行收敛性判定,及不平衡量类型与主要节点的识别,再进行收敛解耦调整。其中,针对系统有功功率不平衡导致的能流计算不收敛的情况,采用多EH电力平衡机调整方式,将以电定热工作模式下的EH作为电力平衡机,以分摊系统的有功不平衡功率。最后,通过算例分析验证所提方法的正确性和有效性。
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