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

专利类型：发明专利 

语 言：中文 

申 请 号：CN201711000231.2 

申 请 日：20171024 

发 明 人：余娟郭林马梦楠严梓铭颜伟赵霞 

申 请 人：重庆大学 

申请人地址：400044 重庆市沙坪坝区沙正街174号 

公 开 日：20180223 

公 开 号：CN201711000231.2 

代 理 人：王翔 

代理机构：重庆大学专利中心 50201 

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：Φ_SF,k＝η_SF,kS_SF,kR,k＝1,2,...,N_b??(1)Φ_SF,k+F_SCPT,kGHV＝P_SCPT,k/η_SCPT,k,k＝1,2,...,N_b???(2)P_SCPT,k＝H_SCPT,k/ν_SCPT,k,k＝1,2,...,N_b???(3)H_SCPT,k＝Φ_SCPT,k+S_SH,k?S_EH,k,k＝1,2,...,N_b???(4)S_SH,kS_EH,k＝0,k＝1,2,...,N_b???(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，Φ_SF,k、S_SF,k、η_SF,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；P_STCHP,k、F_STCHP,k、Φ_STCHP,k为STCHPk的有功出力、消耗气流量和供热功率；v_CHP,k、η_SF,k、H_CHP,k为STCHPk的热电比、转化效率和输出热功率；S_SH,k、S_EH,k为储热装置的储热功率、放热功率；GHV为天然气的高热值；N_b为STCHP的数目。EB的电热转换关系满足如下方程式：Φ_EB,k＝η_EB,kP_EB,k,k＝1,2,...,N_eb???(6)式中，P_EB,k、Φ_EB,k、η_EB,k为EBk的有功出力、供热功率和转化效率；N_eb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ΔP_W,i、光伏电场弃光电功率ΔP_PV,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：$\begin{array}{c}{P}_{G,i}+P_{GAS,i}+P_{CHP,i}+P_{STCHP,i}+P_{W,i}+P_{PV,i}-P_{EB,i}-P_{D,i}-{\mathrm{\Delta P}}_{W,i}-{\mathrm{\Delta P}}_{PV,i}-V_i\underset{j=1}{\overset{N_e}{\Sigma }}{V}_j(G_{ij}{\mathrm{cos\theta }}_{ij}+B_{ij}{\mathrm{sin\theta }}_{ij})=0,\\ \forall i=1,2,\mathrm{...},N_{n\_e}\end{array}---\left(7\right)$$\begin{array}{c}{Q}_{G,i}+Q_{GAS,i}+Q_{CHP,i}+Q_{STCHP,i}+Q_{W,i}+Q_{PV,i}+Q_{C,i}-Q_{D,i}-V_i\underset{j=1}{\overset{N_e}{\Sigma }}{V}_j(G_{ij}{\mathrm{sin\theta }}_{ij}-B_{ij}{\mathrm{cos\theta }}_{ij})=0,\\ \forall i=1,2,\mathrm{...},N_{n\_e}\end{array}---\left(8\right)$$F_{G,i}-F_{GAS,i}-F_{CHP,i}-F_{STCHP,i}-F_{GB,i}-F_{D,i}-\underset{r=1}{\overset{N_p}{\Sigma }}{E}_{ir}{C}_r-\underset{r=1}{\overset{N_p}{\Sigma }}{T}_{ir}{\tau }_r-\underset{r=1}{\overset{N_1}{\Sigma }}{A}_{ir}{k}_r{s}_{ij}\sqrt{\left(s_{ij}\right({\pi }_i^2-{\pi }_j^2\left)\right)}=0,\forall i=1,2,...,N_{n\_g}---\left(9\right)$${\Phi }_{G,i}+{\Phi }_{CHP,i}+{\Phi }_{SCPT,i}+{\Phi }_{GB,i}+{\Phi }_{EB,i}-{\Phi }_{D,i}-SHC\underset{h=1}{\overset{N_v}{\Sigma }}{D}_{ih}{M}_h(T_{s,i}-T_{r,i})=0,\forall i=1,2,...,N_{n\_h}---\left(10\right)$$\underset{h=1}{\overset{N_v}{\Sigma }}{B}_{lh}{k}_h{M}_h\left|M_h\right|=0,\forall l=1,2,...,N_f---\left(11\right)$$\underset{f=1}{\overset{N_h}{\Sigma }}{A}_{s,ef}{T}_{s,f}-b_{s,e}=0,\forall e=1,2,...,N_{n\_h}---\left(12\right)$$\underset{f=1}{\overset{N_h}{\Sigma }}{A}_{r,ef}{T}_{r,f}-b_{r,e}=0,\forall e=1,2,...,N_{n\_h}---\left(13\right)$其中，式(7)、(8)分别是电力系统有功、无功平衡方程，式(9)是天然气系统流量平衡方程,式(10)是热力系统节点热功率平衡方程，式(11)是热力?水力环路方程，式(12)和式(13)是热力系统负荷节点温度平衡方程。其中，θ_i、V_i为电力系统节点i的电压相角和电压幅值；P_G,i、P_GAS,i、P_STCHP,i、P_CHP,i为电力系统节点i的非燃气机组、GFG、STCHP和CHP的有功出力；Q_G,i、Q_GAS,i、Q_STCHP,i、Q_CHP,i为电力系统节点i的非燃气机组、GFG、STCHP和CHP的无功出力；P_D,i、Q_D,i为电力系统节点i的有功功率和无功功率；P_W,i、Q_W,i为电力系统节点i风电场的有功和无功功率；P_PV,i、Q_PV,i为电力系统节点i光伏电站的有功和无功功率；ΔP_W,i、ΔP_PV,i为电力系统节点i风电场的弃风功率、光伏电站的弃光电功率；P_EB,i为电力系统节点i的EB消耗电功率；Q_C,i为电力系统节点i的并联无功补偿器输出无功功率；G_ij、B_ij为电力系统节点导纳矩阵的第i行第j列元素的实部和虚部；π_i和π_j为天然气系统节点i和j的节点气压；F_G,i、F_D,i为天然气系统节点i的气源注入气流和节点气负荷；F_GAS,i、F_CHP,i、F_STCHP,i、F_GB,i为天然气系统节点i的燃气机组、CHP、STCHP和燃气锅炉的消耗天然气气流；C_r、τ_r为天然气系统压缩机r流过的流量和消耗的流量；A_ir、E_ir、T_ir为天然气节点?管道关联矩阵、节点?压缩机关联矩阵和节点?压缩机入口节点关联矩阵的第i行第r列元素；s_ij、k_r为天然气管道r的气流方向和管道常数；Φ_D,i、Φ_G,i、Φ_CHP,i、Φ_STCHP,i、Φ_GB,i、Φ_EB,i为热力系统节点i的热负荷、燃煤热源、CHP、STCHP、燃气锅炉和EB的供热功率；M_h、k_h为热力系统供热管道h的流量和阻力系数；T_s,i、T_r,i和T_s,f、T_r,f分别为热力系统节点i和节点f的供水、回水温度；B_lh为热力系统回路供热管道关联矩阵第l行第h列元素；A_s,ef、A_r,ef为热力系统供水和回水网络结构矩阵第e行第f列元素；D_ih为热力系统节点?供热管道关联矩阵中第i行第h列元素；b_s,e、b_r,e为热力系统供水温度和回水温度相关系数；k_h为热力系统供热管道h的阻力系数；SHC为水的比热容。N_{n_e}、N_{n_g}、N_{n_h}、N_f分别为电力系统节点、天然气系统节点、热力系统节点和热力系统网络回路的数目。本步骤所提基于耦合元件STCHP和EB的能流模型(1)?(13)是一组非线性方程组，根据给定的运行条件，采用牛顿法有效求解该模型的状态变量x＝[θ_i,V_i,π_m,,M_h,T_s,T_r]^T。(2)弃风弃光和电/气/热负荷削减综合最小优化模型建立考虑弃风弃光和电/气/热负荷削减综合最小优化模型来实现该目标。2?1)目标函数$\begin{array}{cc}\min & f=\left(\underset{i=1}{\overset{N_{d\_e}}{\Sigma }}{\lambda }_{e,i}{C}_{e,i}+\underset{i=1}{\overset{N_{d\_g}}{\Sigma }}{\lambda }_{g,i}{C}_{g,i}+\underset{i=1}{\overset{N_{d\_h}}{\Sigma }}{\lambda }_{h,i}{C}_{h,i}\right)+\left(\underset{i=1}{\overset{N_w}{\Sigma }}{\lambda }_{w,i}{\mathrm{\Delta P}}_{W,i}+\underset{i=1}{\overset{N_{pv}}{\Sigma }}{\lambda }_{pv,i}{\mathrm{\Delta P}}_{PV,i}\right)\end{array}---\left(14\right)$式中，前一括号代表系统电/气/热负荷削减量之和，后一括号代表系统弃风、弃光电量之和。其中，C_e,i是电负荷节点i的负荷削减变量；C_g,i是气负荷节点i的负荷削减变量；C_h,i是热力系统节点i的热负荷削减变量；ΔP_W,i是风电场i的弃风变量；ΔP_PV,i是光伏电场i的弃光变量；λ_e,i为表征各电负荷重要性的权重因子，λ_g,i为表征各气负荷重要性的权重因子，λ_h,i为表征各热负荷重要性的权重因子，λ_w,i为表征各风电场弃风严重性的权重因子，λ_pv,i为表征光伏电场弃光电严重性的权重因子。N_{d_e}是电负荷节点的总数，N_{d_g}是气负荷节点的总数，N_{d_h}是热负荷节点的总数，N_w是风电场的总数，N_pv是光伏电场的数目。2?2)等式约束构建如下等式约束：$\begin{array}{c}{P}_{G,i}+P_{GAS,i}+P_{CHP,i}+P_{STCHP,i}+P_{W,i}+P_{PV,i}+C_{e,i}-P_{EB,i}-P_{D,i}-{\mathrm{\Delta P}}_{W,i}-{\mathrm{\Delta P}}_{PV,i}-V_i\underset{j=1}{\overset{N_e}{\Sigma }}{V}_j(G_{ij}{\mathrm{cos\theta }}_{ij}+B_{ij}{\mathrm{sin\theta }}_{ij})=0,\\ \forall i=1,2,\mathrm{...},N_{n\_e}\end{array}---\left(15\right)$$\begin{array}{c}{Q}_{G,i}+Q_{GAS,i}+Q_{CHP,i}+Q_{STCHP,i}+Q_{W,i}+Q_{PV,i}+Q_{C,i}+C_{e,i}(Q_{D,i}/P_{D,i})-Q_{D,i}-V_i\underset{j=1}{\overset{N_e}{\Sigma }}{V}_j(G_{ij}{\mathrm{sin\theta }}_{ij}-B_{ij}{\mathrm{cos\theta }}_{ij})=0,\\ \forall i=1,2,\mathrm{...},N_{n\_e}\end{array}---\left(16\right)$$\begin{array}{c}{F}_{G,i}+\frac{C_{g,i}}{GHV}-F_{CHP,i}-F_{GAS,i}-F_{STCHP,i}-F_{D,i}-\underset{r=1}{\overset{N_p}{\Sigma }}{E}_{ir}{C}_r-\underset{r=1}{\overset{N_p}{\Sigma }}{T}_{ir}{\tau }_r-\underset{r=1}{\overset{N_1}{\Sigma }}{A}_{ir}{k}_r{s}_{ij}\sqrt{\left(s_{ij}\left({\pi }_i^2-{\pi }_j^2\right)\right)}=0,\\ \forall i=1,2,\mathrm{...},N_{n\_g}\end{array}---\left(17\right)$${\Phi }_{G,i}+{\Phi }_{CHP,i}+{\Phi }_{STCHP,i}+{\Phi }_{GB,i}+{\Phi }_{EB,i}+C_{h,i}-{\Phi }_{D,i}-SHC\underset{h=1}{\overset{N_v}{\Sigma }}{D}_{ih}{M}_h(T_{s,i}-T_{r,i})=0,\forall i=1,2,...,N_{n\_h}---\left(18\right)$式中，热力系统的热力?水力环路方程、供水/回水温度平衡方程均与第一部分能流模型中的相同，耦合元件的各变量仍满足式(1)?(6)。2?3)不等式约束构建如下不等式约束：x^min≤x≤x^max???(19)式中，x＝[C_e,i，C_g,i，C_h,i，ΔP_W,i，ΔP_PV,i，P_STCHP,i，Q_STCHP,i，S_SH,k，S_EH,k，P_EB,i，F_GB,i，P_GAS,i，Q_GAS,i，P_CHP,i，Q_CHP,i，P_G,i，Q_G,i，F_G,i，Φ_G,i，Φ_CHP,i，Φ_STCHP,i，Φ_GB,i，Φ_EB,i，V_i，π_i，T_s,i，T_r,i，T_l，R_r，M_h]^T。其中，T_l是输电线路l流过的功率；R_r是压缩机支路r的压缩比。(3)表征弃风弃光严重性和可靠性水平的风险评估指标3?1)弃风/弃光电量不足期望指标EWPA为系统弃风期望值(MW)，该指标用以反映系统中弃风现象的严重程度；EPVA为弃光电期望值(MW)，该指标用以反映系统中弃光电现象的严重程度。以上指标的表达式为：$EWPA=\underset{x\in G_1}{\Sigma }P\left(x\right){\mathrm{\Delta P}}_W\left(x\right)---\left(20\right)$$EPVA=\underset{x\in G_2}{\Sigma }P\left(x\right){\mathrm{\Delta P}}_{PV}\left(x\right)---\left(21\right)$式中，P(x)为系统状态x的概率；G₁、G₂分别为出现弃风、弃光电现象的状态集合；ΔP_W(x)、ΔP_PV(x)分别为系统状态x的弃风量、弃光电量，以上计算公式如下：${\mathrm{\Delta P}}_W\left(x\right)=\underset{i=1}{\overset{N_w}{\Sigma }}{\mathrm{\Delta P}}_{W,i}---\left(22\right)$${\mathrm{\Delta P}}_{PV}\left(x\right)=\underset{i=1}{\overset{N_{pv}}{\Sigma }}{\mathrm{\Delta P}}_{PV,i}---\left(23\right)$3?2)电力/气量/热力不足期望指标EEDHN为系统电力不足期望值(MW)，该指标用以反映系统中对电负荷的供应水平；EGDHN为气量不足期望值(MW)，该指标用以反映系统中对气负荷的供应水平；EHDHN为热力不足期望值(MW)，该指标用以反映系统中对热负荷的供应水平。以上指标的表达式为：$EEDNS=\underset{x\in G_3}{\Sigma }P\left(x\right)C_e\left(x\right)---\left(24\right)$$EGDNS=\underset{x\in G_4}{\Sigma }P\left(x\right)C_g\left(x\right)---\left(25\right)$$EHDNS=\underset{x\in G_5}{\Sigma }P\left(x\right)C_h\left(x\right)---\left(26\right)$式中，P(x)为系统状态x的概率；G₃为出现电负荷削减的状态集合；G₄为出现气负荷削减的状态集合；G₅为出现热负荷削减的状态集合。C_e(x)为系统状态x的电负荷削减量，C_g(x)为系统状态x的气负荷削减量，C_h(x)为系统状态x的热负荷削减量，以上计算公式如下：$C_e\left(x\right)=\underset{i=1}{\overset{N_{d\_e}}{\Sigma }}{C}_{e,i}---\left(27\right)$$C_g\left(x\right)=\underset{i=1}{\overset{N_{d\_g}}{\Sigma }}{C}_{g,i}---\left(28\right)$$C_h\left(x\right)=\underset{i=1}{\overset{N_{d\_h}}{\Sigma }}{C}_{h,i}---\left(29\right)$(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。 

关 键 词：锅炉;热互联系统;光热热电联产;互联系统风险评估方法;能流模型;弃风;弃光;计算;建立;优化;随机性;公开;分析;气量;热力;MATLAB;STCHP;风电;耦合;期望; 

法律状态：生效 

IPC专利分类号：G06Q10/06;G06Q10/00;G06Q50/06;G06Q50/00;G06F17/50;G06F17/00;G;G06;G06Q;G06F;G06Q10;G06Q50;G06F17;G06Q10/06;G06Q10/00;G06Q50/06;G06Q50/00;G06F17/50;G06F17/00