中国电力 ›› 2024, Vol. 57 ›› Issue (11): 48-61.DOI: 10.11930/j.issn.1004-9649.202305091
王占博1(), 张思瑞1, 姜铭渝2, 夏越2(
), 高胜强3, 卜帅羽3
收稿日期:
2023-05-22
出版日期:
2024-11-28
发布日期:
2024-11-27
作者简介:
王占博(1996—),男,硕士研究生,从事综合能源系统建模仿真及优化控制,E-mail:xiaozb966@163.com基金资助:
Zhanbo WANG1(), Sirui ZHANG1, Mingyu JIANG2, Yue XIA2(
), Shengqiang GAO3, Shuaiyu BU3
Received:
2023-05-22
Online:
2024-11-28
Published:
2024-11-27
Supported by:
摘要:
热力网络是多能源系统的重要组成部分。电网和热网建模机理和时间尺度存在较大差异,传统电力系统暂态仿真程序难以直接应用于电-热多能源系统动态仿真。根据电-热类比方法,采用基本电气元件构建了热力管道热路和水路等效电路模型。同时,基于查表法构建了计及设备运行特性的空气源热泵等效电路模型。为提高仿真效率,进一步提出了基于电磁-机电暂态建模框架的电-热多能源系统动态仿真方法。电网采用机电暂态建模,热网采用电磁暂态建模,空气源热泵模型作为接口模型,完成电网模型和热网模型之间的数据交互。电网模型与热网模型均采用毫秒级及以上仿真步长,实现了高效的多能源系统动态仿真。最后通过算例分析验证了所提模型和仿真方法的有效性。
王占博, 张思瑞, 姜铭渝, 夏越, 高胜强, 卜帅羽. 电磁-机电暂态混合仿真在多能源系统动态建模中的应用研究[J]. 中国电力, 2024, 57(11): 48-61.
Zhanbo WANG, Sirui ZHANG, Mingyu JIANG, Yue XIA, Shengqiang GAO, Shuaiyu BU. Application of Electromagnetic and Electromechanical Transient Simulation to Dynamic Modeling of Multi-energy System[J]. Electric Power, 2024, 57(11): 48-61.
类 | 电气量 | 热力量 | ||
势 | 电压 | 温度 | ||
流 | 电流 | 热流 焓流 | ||
阻 | 电阻 | 热阻 | ||
容 | 电容 | 热容 |
表 1 电-热类比关系
Table 1 Analogy between the electrical and thermal quantities
类 | 电气量 | 热力量 | ||
势 | 电压 | 温度 | ||
流 | 电流 | 热流 焓流 | ||
阻 | 电阻 | 热阻 | ||
容 | 电容 | 热容 |
管道参数 | 数值 | |
水的密度 | 988 | |
水的比热容 | ||
水的质量流量 | 1.45 | |
管道内径 | 0.065 | |
金属管壁外径 | 0.076 | |
保温层外径 | 0.14 | |
对流传热系数 | 80 | |
金属管壁导热率 | 15 | |
保温层导热率 | ||
土壤温度 | 283 | |
达西摩擦因子 | 0.025 |
表 2 管道参数
Table 2 Parameters of pipe
管道参数 | 数值 | |
水的密度 | 988 | |
水的比热容 | ||
水的质量流量 | 1.45 | |
管道内径 | 0.065 | |
金属管壁外径 | 0.076 | |
保温层外径 | 0.14 | |
对流传热系数 | 80 | |
金属管壁导热率 | 15 | |
保温层导热率 | ||
土壤温度 | 283 | |
达西摩擦因子 | 0.025 |
管道起点 | 管道终点 | 管道直径/m | 管道长度/m | |||
0 | 1 | 0.219 | 60 | |||
1 | 2 | 0.159 | 50 | |||
1 | 3 | 0.219 | 40 | |||
3 | 4 | 0.159 | 80 | |||
3 | 5 | 0.219 | 60 | |||
5 | 6 | 0.133 | 30 | |||
5 | 7 | 0.219 | 100 | |||
7 | 8 | 0.133 | 20 | |||
7 | 9 | 0.133 | 60 |
表 3 热网参数
Table 3 Parameters of heat network
管道起点 | 管道终点 | 管道直径/m | 管道长度/m | |||
0 | 1 | 0.219 | 60 | |||
1 | 2 | 0.159 | 50 | |||
1 | 3 | 0.219 | 40 | |||
3 | 4 | 0.159 | 80 | |||
3 | 5 | 0.219 | 60 | |||
5 | 6 | 0.133 | 30 | |||
5 | 7 | 0.219 | 100 | |||
7 | 8 | 0.133 | 20 | |||
7 | 9 | 0.133 | 60 |
节点i | 节点j | 支路阻抗/Ω | 节点j负荷/(kV·A) | |||
1 | 2 | |||||
2 | 3 | 14.250+j | ||||
2 | 4 | |||||
4 | 5 | 24.770+j | ||||
4 | 6 | |||||
6 | 7 | 26.125+j | ||||
6 | 8 | |||||
8 | 9 | 35.720+j | ||||
8 | 10 | 33.250+j |
表 4 配电网参数
Table 4 Parameters of distribution network
节点i | 节点j | 支路阻抗/Ω | 节点j负荷/(kV·A) | |||
1 | 2 | |||||
2 | 3 | 14.250+j | ||||
2 | 4 | |||||
4 | 5 | 24.770+j | ||||
4 | 6 | |||||
6 | 7 | 26.125+j | ||||
6 | 8 | |||||
8 | 9 | 35.720+j | ||||
8 | 10 | 33.250+j |
1 | 屈小云, 吴鸣, 李奇, 等. 多能互补综合能源系统综合评价研究进展综述[J]. 中国电力, 2021, 54 (11): 153- 163. |
QU Xiaoyun, WU Ming, LI Qi, et al. Review on comprehensive evaluation of multi-energy complementary integrated energy systems[J]. Electric Power, 2021, 54 (11): 153- 163. | |
2 | 张敏, 王金浩, 常潇, 等. 考虑可再生能源不确定性的热-电耦合微能源系统多目标鲁棒规划方法[J]. 中国电力, 2021, 54 (4): 119- 129, 140. |
ZHANG Min, WANG Jinhao, CHANG Xiao, et al. A multi-objective robust planning method for thermal-electrical coupling micro-energy system considering the uncertainty of renewable energy[J]. Electric Power, 2021, 54 (4): 119- 129, 140. | |
3 | 张思瑞, 李昊, 张庆, 等. 考虑配电网容量约束和建筑热惰性的城市换热站电制热补热优化配置方法[J]. 现代电力, 2023, 40 (2): 249- 258. |
ZHANG Sirui, LI Hao, ZHANG Qing, et al. Optimal configuration method of electric heating and supplementary heating in urban heat exchange station considering constraints of distribution network capacity and building thermal inertia[J]. Modern Electric Power, 2023, 40 (2): 249- 258. | |
4 | 夏越, 陈颖, 杜松怀, 等. 综合能源系统多时间尺度动态时域仿真关键技术[J]. 电力系统自动化, 2022, 46 (10): 97- 110. |
XIA Yue, CHEN Ying, DU Songhuai, et al. Key technologies for multi-time-scale dynamic time-domain simulation of integrated energy system[J]. Automation of Electric Power Systems, 2022, 46 (10): 97- 110. | |
5 | 孙浩, 陈永华. 综合能源系统多能流联合仿真技术研究[J]. 华电技术, 2020, 42 (5): 66- 72. |
SUN Hao, CHEN Yonghua. Research on multiple energy flow co-simulation technology applied in integrated energy system[J]. Huadian Technology, 2020, 42 (5): 66- 72. | |
6 |
LIU X Z, WU J Z, JENKINS N, et al. Combined analysis of electricity and heat networks[J]. Applied Energy, 2016, 162, 1238- 1250.
DOI |
7 | 吴琼, 吴彦琪, 任洪波, 等. 基于双向耦合的综合能源系统电热联合潮流计算[J]. 热力发电, 2021, 50 (4): 14- 22. |
WU Qiong, WU Yanqi, REN Hongbo, et al. Power flow calculation of combined electric and thermal for integrated energy system based on two-way coupling[J]. Thermal Power Generation, 2021, 50 (4): 14- 22. | |
8 | 张义志, 王小君, 和敬涵, 等. 考虑供热系统建模的综合能源系统最优能流计算方法[J]. 电工技术学报, 2019, 34 (3): 562- 570. |
ZHANG Yizhi, WANG Xiaojun, HE Jinghan, et al. Optimal energy flow calculation method of integrated energy system considering thermal system modeling[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2019, 34 (3): 562- 570. | |
9 | 陈彬彬, 孙宏斌, 尹冠雄, 等. 综合能源系统分析的统一能路理论(二): 水路与热路[J]. 中国电机工程学报, 2020, 40 (7): 2133- 2142, 2393. |
CHEN Binbin, SUN Hongbin, YIN Guanxiong, et al. Energy circuit theory of integrated energy system analysis(II): hydraulic circuit and thermal circuit[J]. Proceedings of the CSEE, 2020, 40 (7): 2133- 2142, 2393. | |
10 | 杨经纬, 张宁, 康重庆. 多能源网络的广义电路分析理论: (一)支路模型[J]. 电力系统自动化, 2020, 44 (9): 21- 32. |
YANG Jingwei, ZHANG Ning, KANG Chongqing. Analysis theory of generalized electric circuit for multi-energy networks: part one branch model[J]. Automation of Electric Power Systems, 2020, 44 (9): 21- 32. | |
11 |
杨经纬, 张宁, 康重庆. 多能源网络的广义电路分析理论: (二)网络模型[J]. 电力系统自动化, 2020, 44 (10): 10- 21.
DOI |
YANG Jingwei, ZHANG Ning, KANG Chongqing. Analysis theory of generalized electric circuit for multi-energy networks: part two network model[J]. Automation of Electric Power Systems, 2020, 44 (10): 10- 21.
DOI |
|
12 |
LAN T, STRUNZ K. Modeling of the enthalpy transfer using electric circuit equivalents: theory and application to transients of multi-carrier energy systems[J]. IEEE Transactions on Energy Conversion, 2019, 34 (4): 1720- 1730.
DOI |
13 |
YANG J W, ZHANG N, BOTTERUD A, et al. On an equivalent representation of the dynamics in district heating networks for combined electricity-heat operation[J]. IEEE Transactions on Power Systems, 2020, 35 (1): 560- 570.
DOI |
14 | CENGEL Y A. Introduction to thermodynamics and heat transfer[M]. New York, NY, USA: McGraw-Hill Science/Engineering/Math, 2007. |
15 | PEREZ-MORA N, BAVA F, ANDERSEN M, et al. Solar district heating and cooling: a review[J]. WILEY, 2018, (4): 3888. |
16 | ISERMANN R. Mechatronic systems: fundamentals[M]. London: Springer-Verlag, 2005. |
17 |
FREITAS C J. The issue of numerical uncertainty[J]. Applied Mathematical Modelling, 2002, 26 (2): 237- 248.
DOI |
18 | GAUTSCHI W. Numerical analysis[M]. An introduction birkhauser. Barton, Mass, USA, 1997. |
19 |
易成星, 杨伟, 张晋. 基于相量算法的STATCOM在风机无功补偿中的应用[J]. 电网与清洁能源, 2014, 30 (9): 92- 97, 101.
DOI |
YI Chengxing, YANG Wei, ZHANG Jin. Application of a STATCOM based on the phasor algorithm in the reactive compensation of wind generators[J]. Power System and Clean Energy, 2014, 30 (9): 92- 97, 101.
DOI |
|
20 |
陈垣, 张波, 谢帆, 等. 电力电子化电力系统多时间尺度建模与算法相关性研究进展[J]. 电力系统自动化, 2021, 45 (15): 172- 183.
DOI |
CHEN Yuan, ZHANG Bo, XIE Fan, et al. Research progress of interrelationship between multi-time-scale modeling and algorithm of power-electronized power system[J]. Automation of Electric Power Systems, 2021, 45 (15): 172- 183.
DOI |
|
21 |
周淑慧, 孙慧, 王晨龙, 等. 政策驱动下的中国北方农村地区清洁取暖方式[J]. 天然气工业, 2020, 40 (3): 146- 156.
DOI |
ZHOU Shuhui, SUN Hui, WANG Chenlong, et al. Policy-driven clean heating modes in the rural areas of the Northern China[J]. Natural Gas Industry, 2020, 40 (3): 146- 156.
DOI |
|
22 | 国家质量监督检验检疫总局, 中国国家标准化管理委员会. 低压流体输送用焊接钢管: GB/T 3091—2015[S]. 北京: 中国标准出版社, 2016. |
23 | 国家质量监督检验检疫总局, 中国国家标准化管理委员会. 设备及管道绝热设计导则: GB/T 8175—2008[S]. 北京: 中国标准出版社, 2009. |
24 | 中国建筑标准设计研究院, 上海建筑设计研究院有限公司. 国家建筑标准设计图集08K507-108R418-1, 管道与设备绝热-保温[S]. 北京: 中国计划出版社, 2008. |
25 | 核工业第二设计研究院. 03S401: 管道和设备保温、防结露及电伴热[S]. 北京: 中国计划出版社, 2003. |
26 |
WANG Y R, YOU S J, ZHANG H, et al. Thermal transient prediction of district heating pipeline: optimal selection of the time and spatial steps for fast and accurate calculation[J]. Applied Energy, 2017, 206, 900- 910.
DOI |
27 |
STEVANOVIC V D, ZIVKOVIC B, PRICA S, et al. Prediction of thermal transients in district heating systems[J]. Energy Conversion and Management, 2009, 50 (9): 2167- 2173.
DOI |
28 | ISERMANN R, MÜNCHHOF M. Identification of dynamic systems: an introduction with applications[M]. Berlin, Heidelberg: Springer Berlin Heidelberg, 2011. |
29 | 赵可沦, 江境宏, 邓进, 等. 基于遗忘因子递推最小二乘法的锂电池等效电路模型参数辨识方法[J]. 电子测量技术, 2022, 45 (23): 53- 58. |
ZHAO Kelun, JIANG Jinghong, DENG Jin, et al. Parameter identification method of lithium battery equivalent circuit model based on forgetting factor recursive least squares[J]. Electronic Measurement Technology, 2022, 45 (23): 53- 58. | |
30 |
CHAUDHRY S R, AHMED-ZAID S, DEMERDASH N A. An artificial-neural-network method for the identification of saturated turbogenerator parameters based on a coupled finite-element/state-space computational algorithm[J]. IEEE Transactions on Energy Conversion, 1995, 10 (4): 625- 633.
DOI |
31 | ZHOU S, WANG D Z, LI Y. Parameter identification of permanent magnet synchronous motor based on modified- fuzzy particle swarm optimization[J]. Energy Reports, 2023, 9, 873- 879. |
32 |
LIU X Z, MANCARELLA P. Modelling, assessment and Sankey diagrams of integrated electricity-heat-gas networks in multi-vector district energy systems[J]. Applied Energy, 2016, 167, 336- 352.
DOI |
33 |
GABRIELLI P, GAZZANI M, MARTELLI E, et al. Optimal design of multi-energy systems with seasonal storage[J]. Applied Energy, 2018, 219, 408- 424.
DOI |
34 | 崔杨, 郭福音, 付小标, 等. 供用能转换促进风电消纳的综合能源系统源荷协调优化调度[J]. 电网技术, 2022, 46 (4): 1437- 1447. |
CUI Yang, GUO Fuyin, FU Xiaobiao, et al. Source-load coordinated optimal dispatch of integrated energy system based on conversion of energy supply and use to promote wind power accommodation[J]. Power System Technology, 2022, 46 (4): 1437- 1447. | |
35 | 朱振山, 陈哲盛, 盛明鼎. 基于柔性行动器-评判器的园区综合能源系统运行优化[J]. 高电压技术, 2022, 48 (12): 4949- 4958. |
ZHU Zhenshan, CHEN Zhesheng, SHENG Mingding. Operation optimization of park-level integrated energy system based on soft actor-critic[J]. High Voltage Engineering, 2022, 48 (12): 4949- 4958. |
[1] | 刘清泉, 杨鹏, 李铁成, 王献志, 文明浩. 应对继电保护多场景的数字仿真测试方法[J]. 中国电力, 2025, 58(2): 118-125. |
[2] | 童和钦, 许剑冰, 梁师哲, 麦成, 徐海波. 面向稳控系统E1通道的网络靶场实验台的设计与实现[J]. 中国电力, 2024, 57(9): 71-79. |
[3] | 徐树文, 卓谷颖, 李壮, 刘敏, 穆清. 基于PSD-BPA数据的ADPSS大电网电磁暂态转换建模方法与软件实现[J]. 中国电力, 2024, 57(8): 182-189. |
[4] | 黄莉, 梁云, 黄辉, 孙晓艳, 王珊, 杨玉强. 基于代理模型的电力电缆温度场快速计算方法及其应用[J]. 中国电力, 2024, 57(5): 178-187. |
[5] | 魏艳慧, 张连康, 许逢源, 韩颜泽, 朱远惟, 李国倡. 绝缘隔板对空气间隙放电光谱特性的影响及电荷演变机理[J]. 中国电力, 2024, 57(3): 126-134. |
[6] | 万明元, 任鑫, 王渡, 金亚飞, 王志刚, 王廷举, 杨昌宏, 刘昊坤. 100 MW级联式S-CO2循环动态特性研究[J]. 中国电力, 2024, 57(12): 169-177. |
[7] | 董子凡, 任劼帅, 殷建刚, 陈隽, 文雅钦, 李劲彬. GIS双断口隔离开关不停电试验电场分布及击穿特性[J]. 中国电力, 2023, 56(9): 168-177. |
[8] | 刘文杰, 彭慈华, 姚剑, 贾腾, 代彦军. 直膨式太阳能PVT热泵热水系统运行性能仿真与分析[J]. 中国电力, 2023, 56(3): 23-29. |
[9] | 曹斌, 苏珂, 原帅, 肖谭南, 陈颖. 基于微分代数神经网络的含新能源区域电网端口动态特性学习方法[J]. 中国电力, 2023, 56(2): 23-31. |
[10] | 何海林, 史华勃, 王顺亮, 马俊鹏, 刘天琪. 用于大规模机电-电磁暂态仿真模型自动转化的分层布局方法[J]. 中国电力, 2022, 55(9): 111-120. |
[11] | 鄂志君, 李振斌, 杨帮宇, 刘伟, 姚维平. 交直流混合电网仿真初始化方法[J]. 中国电力, 2022, 55(8): 178-183. |
[12] | 刘赫川, 周孝信, 杨小煜, 李亚楼, 李雄. 考虑天然气季节性存储的综合能源系统年度运行方式研究[J]. 中国电力, 2022, 55(4): 145-155. |
[13] | 孙艳霞, 方是文, 李震. 海上风电经交流电缆汇集送出系统暂态无功电压建模及特性分析[J]. 中国电力, 2022, 55(4): 166-174. |
[14] | 蔡维正, 郭昆丽, 刘璐雨, 吴朝俊. 基于一阶LADRC控制的直驱风机次同步振荡抑制策略[J]. 中国电力, 2022, 55(4): 175-184. |
[15] | 文贤馗, 李翔, 邓彤天, 钟晶亮, 王锁斌, 刘石. 先进压缩空气储能系统的余热回收和利用[J]. 中国电力, 2022, 55(2): 28-34. |
阅读次数 | ||||||
全文 |
|
|||||
摘要 |
|
|||||