多能源网络能量流计算方法研究

作     者：蔡钦钦 

作者单位：华北电力大学(北京) 

学位级别：硕士

导师姓名：朱永强;李琰

授予年度：2022年

学科分类：080802[工学-电力系统及其自动化] 0808[工学-电气工程] 08[工学] 

主      题：多能源网络 能量流计算 牛顿-拉夫逊法 差分法 

摘      要：在能源供需多元化和能源耦合愈加密切的背景下,多能源网络（或在工程上被广泛称为综合能源系统）以其能够实现能源互补互济、提高能源综合利用效率等优势,被国内外广泛关注与应用。在多能源网络的众多研究方向中,能量流计算是其规划设计与优化分析的重要基础性工作。本文以电力网络、流体网络、传热网络组成的能源耦合网络为研究主体,研究了涵盖多种能源网络且具有普遍适用性的多能源网络能量流计算模型和求解算法。主要工作如下:从实际能源系统抽象出概念模型,提出了多能源网络模型和表示方法,充实了多能源网络的理论基础。该理论体系涉及多能源网络的基本状态量、基本元件、立体拓扑结构和网络方程。将状态量分为强度量和广延量两大类,归纳出阻性元件、容性元件、感性元件、延时元件和转换元件五类基本元件的概念模型,并用图形符号和数学表达式进行描述。提出了多能源网络的立体拓扑结构,总结了能源网络中在稳态条件下节点广延量守恒和回路强度量差降为零两个基本定律。从分析稳态能量传递入手,构建了多能源网络中关于支路两端节点强度量和支路广延量的能量传递方程,进而推导出电力网络、流体网络、传热网络的支路传递方程,并对各能源网络中的设备及能源网络之间的转换设备进行了建模。利用牛顿-拉夫逊迭代算法求解多能源网络的强度量和广延量,并分析能源网络的损耗问题。在算例中,完成了单个能源网络的分解求解和多能源网络的统一求解并进行对比分析。考虑到实际运行中,在能量传递过程中变量随时间、空间均发生动态变化,传递关系由简单的代数方程转变为偏微分运算。本文在推导不同能源形式的支路动态波动传递方程的基础上,利用拉普拉斯变换求出变量在复频域的通解,通过有限差分法将能量传递的偏微分方程转换为代数方程。在算例分析中,采用了差分法计算出多能源网络的时域动态能量流变化情况,计算单条支路和整个网络的随时空变化下的强度量和广延量。综上所述,本文的研究工作围绕多能源网络的基础理论以及稳态和动态能量流的计算展开,建立了能量传递模型,分析了能量流动的稳态/动态规律,并通过算例验证了计算方法的可行性。希望本文的工作能为多能源网络理论与能量协同计算领域的研究提供参考,服务于中国能源互联网络的建设。