灵活可拓展的综合能源仿真系统及其多样化数据集构建策略和案例

汇报人：孙秋野单位：沈阳工业大学2024.7.14 报告提纲 1研究背景与研究自的2系统构建原则与系统介绍3多样化数据集构建4基础应用测试案例与结果分析5开源信息 1研究背景与研究目的 1.1能源电力转型与综合能源系统 新型电力系统优势： ·科学建设新型电力系统： 电力电源清洁化电力系统柔性化电力系统数字化电力系统电力电子化 为保证系统安全稳定和经济运行，新型电力系统面临灵活性，韧性、稳定性、可靠性、经济性等多项性能要求和挑战 以“电源、电网、负荷、储能”为整体规划的新型电力运行模式可提高新能源发电量消纳能力和电网安全运行水平 能源电力转型 转型面临挑战 综合能源系统(IntegratedEnergySystem，IEs）是融合清洁化、智能化、去中心化、综合化等新要素形成的能源新业态，可以突破电力系统转型的瓶颈问题。 1研究背景与研究自的 1研究背景与研究自的 1.3传统能源系统仿真案例 在能源领域的研究历程中，公共的能源系统仿真测试案例提供了标准化的公共资料这对推动能源系统的研究与发展有看重要的影响 热力系统 燃气系统 电力系统 巴厘岛32节点热力系统 IEEE-118总线电力系统 比利时20节点燃气系统 15节点燃气系统 IEEE-33总线电力系统 1研究背景与研究自的 1.3综合能源系统仿真测试案例 口现有系统存在的不足 不实际：现有测试案例直接在多个独立的能源子系统之间添加耦合设备，没有具体的应用对象与研究场景，与实际系统的特征严重不符 不完整：现有测试案例中各能源子系统之间在覆盖的区域规模、系统容量、整体负荷等方面存在明显的等级差异，系统耦合假设不满足实际需求； 不匹配：在部分研究中采用的实际能源系统，往往出于隐私性、保密性等原因，并不能够提供完整的系统结构、参数或运行数据。 建立综合能源仿真系统：可满足综合能源系统多样化的研究需求 研究人员可以基于这些仿真测试系统对提出的新技术、新方法进行测试验证对推动综合能源系统的发展与应用具有重要意义 研究目的 报告提纲 1研究背景与研究自的2系统构建原则与系统介绍3多样化数据集构建4基础应用测试案例与结果分析5开源信息 2系统构建原则与系统介绍 2系统构建原则与系统介绍 2.1系统构建原则实原性 实原性：在系统的构建过程中，应考虑到系统中所包含的各个环节需受到实际外部环境条件的约束使其符合实际能源系统的特征 2系统构建原则与系统介绍 2.1系统构建原则规范性 规范性：系统中包含的网络拓扑布局、能源设备配置系统参数设计等环节，在其构建过程中均参考了国外、国家、省区市、行业、企业等相关设计规范 2系统构建原则与系统介绍 2.1系统构建原则功能性与复杂性 功能性：系统能够满足综合能源系统多样化仿真测试的需求，如多能流计算测试、经济优化调度测试、系统性能评估等。可提供在研究工作中所必需的系统拓扑结构、系统参数、运行数据等资料 复杂性：系统具有一定的节点规模，网络结构较为复杂，有多个环节可以参与到系统调节中来，同时系统在不同的研究领域中还设计了丰富的研究场景。 2系统构建原则与系统介绍 2.1系统构建原则灵活性 灵活性：系统内部包含了电、热、冷、气等多种能源子系统，多种能源耦合设备，以及不同的可再生能源渗透率情况，可根据研究需求，选择不同的能源子系统组合、能源设备组合、以及可再生能源占比等。 电、热、冷、气等多种能源子系统： 2系统构建原则与系统介绍 2.2IES-133系统概况总体架构 系统总体介绍 系统类别：电-气-热-冷综合能源系统 系统规模：区域综合能源系统（面积约30平方千米） 系统构成：配电网、燃气网、供热网、供冷网各子系统间的耦合设备 该仿真系统是基于中压配电网、中压燃气A级网级供热网、一级供冷网，深度融合形成的区域级综合能源系统 2系统构建原则与系统介绍 2.2IES-133系统概况设计理念 综合考虑当前研究热点及关键技术，设计满足能源产输储用体化的综合能源仿真系统 2系统构建原则与系统介绍 系统满足综合能源系统的核心特征一多能互补、多网融合、多环节耦合、分布式储能、可响应负荷 2系统构建原则与系统介绍 2.3能源网络 2系统构建原则与系统介绍 2.3能源网络配电网 口配电网设计思路 初始结构一辐射式结构 采用IEEE-33节点配电网、IEEE-69节点配电网等标准系统相同的辐射式结构 源端由N1节点处的配电站进行供电，共包含3条主干线 供电可靠性较差 添加新的线路，即N9-N20线路在N19节点和N27节点处分别接入1台集中式风机电站和1台CCHP单元 形成多变电站供电的单环网结构 在N35-N47之间设置联络线，采用闭环设计开环运行的方式 仿真系统综合考虑辐射式、环形式、联络线式三种接线方式设计配电网拓扑结构，有效提高系统可靠性 2系统构建原则与系统介绍 2.3能源网络配电网 口配电网一拓扑结构 口电力系统介绍 系统等级：10kV中压配电网 接线方式：辐射式、环形式、联络线式系统构成：109节点-110线路（含1条联络线）系统基本参数： 负荷节点 数量：58最大负荷：100MW峰值负荷：82MW 源节点 配电站：数量：1容量：100MVA风机电站：数量：5总装机容量：27MW光伏电站：数量：15总装机容量：17.2MWCCHP:数量：1容量：20MW 配电网最终呈现形式109节点-110线路的10kv中压配电网 2系统构建原则与系统介绍 2.3能源网络配电网 口配电网能流基本模型 电网交流模型 节点功率平衡方程 基本电力网络稳态潮流一一网络中各节点的有功功率、无功功率的功率注入和功率损耗达到平衡。 综合能源系统一一电力网络与气网、热网、冷网通过耦合设备实现了能量的链接，需计及耦合设备的产电和用电情况。 2系统构建原则与系统介绍 2.3能源网络燃气网 口燃气网设计思路 仿真系统采取环形辐射式相结合的布线方式设计燃气网，有效保证供气可靠性 2系统构建原则与系统介绍 2.3能源网络燃气网 口燃气系统介绍 系统等级：中压A级网布线方式：环形辐射式相结合系统构成：98节点-98线路压力范围：0.2MPa-0.4MPa系统基本参数： 负荷节点 数量：50最大负荷：6010m3/h峰值负荷：5405m3/h 燃气站：数量：2容量：12000m3/h电转气：数量：1容量：4MW 燃气网最终呈现形式98节点-98线路的中压A级燃气网 2系统构建原则与系统介绍 2.3能源网络燃气网 口燃气网能流基本模型 节点流量平衡方程一满足基尔霍夫第一定律 2系统构建原则与系统介绍 2.3能源子网络供热网 口供热网一拓扑结构 口供热系统介绍 系统等级：一级供热网布线方式：环形辐射式相结合系统构成：103节点-103线路水温范围：供水温度120℃，回水温度70℃ 系统基本参数： 数量：52最大负荷：58MW峰值负荷：51MW 供热站：数量：2容量：80MWCCHP:数量：1容量：20MW电锅炉：数量：2容量：1.1MW气锅炉：数量：3容量：3MW 仿真系统采取环形辐射式相结合的布线方式，设计了101节点-101线路的一级供热网 2系统构建原则与系统介绍 2.3能源子网络供热网 口供热网能流基本模型 热力系统的基本能流方程 供热网修正方程 C,Tiw Jood = bh热力系统的水力模型描述了供热网节点热功率与环路压力之间的关系，热工模型则是给出了供水温度和回水温度的求解方法 热力系统雅可比矩阵 热力系统的偏差方程 由热功率偏差方程、环路压力偏差方程、供水温度偏差方程以及回水温度偏差方程构成： 2系统构建原则与系统介绍 2.3能源子网络供冷网 口供冷网一拓扑结构 口供冷系统介绍 系统等级：一级供冷网布线方式：辐射式系统构成：9节点-8线路水温范围：供水温度7℃，回水温度12℃系统基本参数： 负荷节点 数量：4最大负荷：15MW峰值负荷：14.6MW CCHP:数量：1容量：30MW电制冷：数量：1容量：2MW 仿真系统采取辐射式布线方式，设计了9节点-8线路的一级供冷网 2系统构建原则与系统介绍 2.3能源子网络供冷网 口供冷网能流基本模型 供冷系统的基本能流方程 供冷网修正方程 节点冷功率偏差方程环路压力偏差方程冷水供水温度偏差方程冷水回水温度偏差方程 2系统构建原则与系统介绍 2.3能源网络详细参数 口能源网络相关参数设置 2系统构建原则与系统介绍 2.4系统节点 2系统构建原则与系统介绍 2.4系统节点总体概况 口系统节点总体概况 系统节点能源属性计及电气热冷，功能属性考虑能源供应、储能、多能耦合、多能负荷 2系统构建原则与系统介绍 2.4系统节点供能节点 口传统能源设备配置概况 高比例新能源节点，满足清洁低碳可发展的理念 2系统构建原则与系统介绍 2.4系统节点耦合节点 口能源耦合节点设计思路 CCHP：供冷网平衡单元，可根据季节灵活调节供冷、供热、供电P2G：连接WT1，消纳过剩电能转换为燃气，输送至燃气网电锅炉、气锅炉：作为高可靠性需求热负荷的备用供热装置电制冷设备：作为高可靠性需求冷负荷的备用供冷装置 口设备配置概况 能源耦合程度高，实现系统多能可协调 2系统构建原则与系统介绍 2.4系统节点储能节点 储能节点设计思路 口储能设备配置概况 分布式储能节点设计，实现系统灵活程度可调节 2系统构建原则与系统介绍 2.4系统节点负荷节点 电、气、热、冷能源需求均含可控负荷参与需求响应，扩展系统的灵活调节范围 2系统构建原则与系统介绍 2.5系统设备 2系统构建原则与系统介绍 2系统构建原则与系统介绍 2.5系统设备新能源发电设备 口新能源发电设备 风机电站 运行功率模型 调频备用功率模型 风力发电的本质是将机械能转化为电能，风力发电的输出功率如下所示： 风机在时刻的最大输出功率和最小输出功率 0V<VeipRv(t)Cp,Ver<v<VCp(2,β)= 0.220.4β5Pw (0)=PV,<V<Veo10.035元元+0.08ββ+10v>Veo 风机调频的上，下有功备用功率： 式中，PwT(t)为风机在t时刻的实际输出功率；P。为风机的额定输出功率；p为空气密度；RwT为叶片半径；v为外界实际风速；Cp为风能捕获系数；Vei、Ve、Vc。分别为风机的切入风速、额定风速、切出风速。 2系统构建原则与系统介绍 2.5系统设备新能源发电设备 口新能源发电设备 分类 光伏电站 运行功率模型 1)PQ型分布式光伏发电电源模型 光伏发电是以太阳能为能量源的发电技术，其输出功率主要受环境温度，光照辐射强度等因素的影响 其输出功率如下所示： 2)PV型分布式光伏发电电源模型 [Ppv=-P,O=U,-Qmax，Q+4Q≤-Q..Q+0,-0m≤Q'+Q-Qm-Qmmn0V+0"0-AQ-X"UAU 式中，Ppv(t)为光伏电池在t时刻的输出功率；Pa为光伏电池在额定工况下的最大电功率；Gac()为t时刻的光照辐射强度；K.为功率温度系数：T为参考温度；Gmax为标准测试条件下的光照强度，取值为1000W/m?；T（）为光伏电池在t时刻的表面温度；T为环境温度；G(t)为光伏电池在t时刻接收到光照辐射强度。 3PI型分布式光伏发电电源模型 2系统构建原则与系统介绍 2.5系统设备新能源发电设备 2系统构建原则与系统介绍 2.5系统设备新能源发电设备 口新能源发电设备可拓展设备 光热电站简化结构图 光热电站 运行模型 光场部分的光-热能量转换关系如下所示： 式中，Hp(0)为光场在时刻接收到的太阳能热功率；s为光-热转换效率；Ss为光热电站的光场总面积：R()为r时刻的光照直接辐射指数：H