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2018《浙江电力》知网下载TOP10论文(二)电力-天然气综合能源系统建模与仿真

2019-02-25 12:09 17
电力-天然气综合能源系统建模与仿真

常晓勇

1,2

,王玉婷

1,2

,陈福锋

1,2

,李玉平

1,2

,徐程骥

1,2

本文引文信息:常晓勇, 王玉婷, 陈福锋等. 电力-天然气综合能源系统建模与仿真[J]. 浙江电力, 2018, 37(7):13-18.

0 引言

能源问题和环境问题是人类21世纪面临的两大难题,制约着人类社会的可持续发展。近年来,虽然我国的智能电网建设不断取得突破性进展,但是人们逐渐意识到,单独依靠智能电网仍然无法很好地解决大规模可再生能源的消纳问题

[1]

。此外,随着社会能源消耗总量的不断增长,采用传统的各能源系统单独规划、建设、运行的发展模式无法实现不同能源形式之间的优势互补,影响能源的综合利用效率,不利于降低能源整体成本

[2]

。为此,提出了综合能源系统的概念。

综合能源系统是指在规划、建设和运行等过程中,通过对能源的产生、传输与分配(能源供应网络)、转换、存储和消费等环节实施有机协调与优化,进而形成的能源产供销一体化系统,是能源互联网的重要载体

[3]

。综合能源系统主要由供电、供气、供冷/热、电气化交通等不同能源系统组成,利用先进的信息网络和通信技术,实现多种能源系统的深度融合和紧密互动,促进能源及设备的高效利用,提高能源系统安全性和可靠性。通常,按照地理范围可把综合能源系统分为跨区综合能源系统、区域综合能源系统和终端能源系统

[4]

除了上述研究方向以外,综合能源系统中各能源网络相互之间的动态影响问题也是一个需要研究的重要课题。然而,目前国内外针对该课题的研究成果还不是很多。文献[10]通过建立天然气网络的动态仿真模型,研究了天然气网络和电力网络之间的相互影响,然而文中主要侧重天然气网络的研究,对电力网络进行了简化,并且只考虑了能量通过燃气轮机发电系统从天然气网络向电力网络流动的情况,并未考虑能量从电力网络向天然气网络流动的情况。

随着燃气轮机发电技术和P2G(电转气)技术的快速发展和应用,天然气系统在能源系统中的重要性越来越显著,天然气网络与电力网络之间的耦合也越来越紧密。因此,本文选取电-气互联的终端能源系统为研究对象,基于MATLAB/Simulink仿真软件搭建了包含电力网络、天然气网络和耦合环节(微型燃气轮机发电系统和P2G系统)的终端能源系统仿真平台,在此基础上研究了微电网动态过程对天然气供应网络的影响。

1 电-气互联终端能源系统建模

以一个简化的终端能源系统为研究对象,系统拓扑如图1所示。该系统主要由一个交流微电网和一个天然气供应网络组成,二者之间通过一个微型燃气轮机发电系统和一个P2G系统相互耦合。其中,微电网由光伏发电系统、储能系统和负载等部分组成,通过PCC(公共连接点)的升压变压器接入上一级配电网,具有孤岛运行和并网运行2种不同模式;天然气供应网络为一个简单的低压供气网络,通过一个调压阀接入上一级天然气网,调压阀同时负责对网络内的管道压力进行动态调节,维持管道压力在规定范围内。

1 电-气互联终端能源系统拓扑

图1所示系统中,微型燃气轮机作为天然气网络中的负荷,利用天然气燃烧做功,驱动同步发电机发电,同时作为微电网中的电源为电力负载供电;P2G系统作为微电网中的负载,根据电化学反应和催化反应,将电能转化为氢气和甲烷,同时作为天然气网络中的气源,将生成的气体注入天然气网络进行存储或供其他负载使用。

1.1 微电网建模

针对微电网中的光伏发电系统,首先采用文献[11]中的方法建立光伏组件的数学模型,其次将光伏组件进行串联和并联后组成光伏阵列,最后通过电压源型DC-AC变流器接入微电网。通过对DC-AC变流器直流侧母线电压进行闭环调节,实现光伏发电的MPPT(最大功率点跟踪)控制[12]。

针对微电网中的电池储能系统,采用等效电路的建模方法搭建了电池单体模型

[13]

。电池阵列通过双向DC-AC变流器接入微电网。当微电网运行于并网模式时,电池储能系统采用PQ控制,根据微电网中央控制单元下发的功率指令,进行有功功率和无功功率调节;当微电网运行于孤岛模式时,电池储能系统配合微电网中的微型燃气轮机发电系统和光伏发电系统,参与微电网的电压和频率调节。1.2 天然气网络建模

采用文献[10]中的建模方法,将天然气流假设为一维流体,利用质量守恒定律和牛顿第二运动定律,得到表示动态天然气流的连续性方程和动量方程。采用有限元近似的思想,将连续性方程和动量方程由偏微分方程转化为常微分方程:

式中:p为压力;A为管道的横截面积;c为天然气中声音的传播速度;M为以质量计量的天然气流量;D为管道直径;f为摩擦系数;L为管道的长度。

天然气网络中调压阀的功能是维持其出口压力在设定值,为了模拟调压阀的动态特性,采用简化模型为:

1.3 耦合环节建模

微型燃气轮机发电系统中主要包括微型燃气轮机、发电机和变流器。微型燃气轮机主要由压气机、燃烧室和透平组成,采用单轴型结构

[14]

。根据微型燃气轮机各部分的数学模型建立微型燃气轮机的整体模型,微型燃气轮机驱动永磁同步发电机发电,然后经过整流器、逆变器及滤波器并入微电网。微型燃气轮机发电系统拓扑如图2所示。其中永磁同步发电机与微型燃气轮机同轴,由于其转速较高,需要首先经过AC-DC变流器将高频交流转换为直流,再经过DC-AC变流器将直流转换为工频交流。

如图2所示的控制器中,AC-DC变流器采用转速控制:ω

g

为测量到的发电机转速,与额定转速ω

n

比较,对误差进行PI控制,得到q轴参考信号i

sqref

,d轴参考信号i

sdref

=0;根据永磁同步发电机的三相电压u

sabc

、三相电流i

sabc

和相角θ

s

,进行dq变换得到d轴电流i

sd

和q轴电流i

sq

,分别与i

sdref

和i

sqref

比较,对误差进行PI控制,输出AC-DC变流器的SPWM控制信号。DC-AC变流器采用功率控制:根据DC-AC变流器输出三相电压u

abc

、三相电流i

abc

和相角θ,进行dq变换得到电压的d轴分量u

d

和q轴分量u

q

,以及电流的d轴分量 i

d

和 q 轴分量 i

q

; 根据 u

d

, u

q

, i

d

, i

q

计算得到DC-AC变流器输出有功功率P

grid

和无功功率Q

grid

,分别与参考值进行比较,经过PI控制,得到d轴参考信号i

dref

和q轴参考信号 i

qref

;i

dref

和i

qref

分别与i

d

和i

q

进行比较,经过PI控制,输出DC-AC变流器的SPWM控制信号。

2 微型燃气轮机发电系统拓扑

P2G技术是指利用电能将H

2

O和CO

2

转化为H

2

或CH

4

的过程。P2G的实现过程主要包括电解水和氢气甲烷化2个步骤,如图3所示。其中,微电网中的电能首先需要通过AC-DC转换为直流,其次输入P2G系统。

3 P2G系统拓扑

对于水电解环节,针对目前小容量装置中普遍采用的PEM(聚合物电解质膜)水电解技术,采用一种基于等效模型的建模方法,根据实验数据得到装置中单体的I-V外特性表达式和H

2

产生速率表达式,从而得到其数学模型

[15]

。模型单体的外特性和制氢速率如图4所示。电解水装置根据其容量大小由若干个单体共同组成。

4 聚合物电解质电解水模型单体特性曲线

目前关于甲烷化反应装置动态运行过程的研究成果较少,因此在建模过程中忽略了这部分的动态过程。

2 电-气互联终端能源系统仿真

为了对文中所搭建的仿真模型的动态特性进行验证,在MATLAB/Simulink仿真平台中按照图1所示系统搭建了仿真模型,设计了不同算例,分别进行仿真和分析。

2.1 算例1

当微电网中分布式光伏发电系统的输出功率不足时,微型燃气轮机发电系统投入运行,采用功率控制模式进行发电,此时P2G系统处于退出运行状态。研究了微型燃气轮机发电系统输出有功功率波动时对天然气网络的影响,仿真波形如图5所示。其中,当t=20 s时,微型燃气轮机发电系统输出有功功率由额定值下降50%。根据图5中的仿真波形可知,当微型燃气轮机发电系统输出的有功功率发生波动时,其需要的天然气量也随之波动,由于天然气动态流动是一个具有很大惯性时间常数的长时间过程,因此天然气网络中各节点的压力值会受到微型燃气轮机发电系统进气口流量波动的影响,产生相应的波动,并且这种波动现象会由节点2开始,由近及远依次进行传播。

5 算例1仿真波形

2.2 算例2

当微电网中分布式光伏发电系统输出有功充足时,微型燃气轮机发电系统退出,P2G系统投入运行。研究了P2G系统的动态过程对天然气网络的影响,仿真波形如图6所示。其中,当t=20 s时,P2G系统的输出由额定值下降50%。由图6的仿真结果可知,与微型燃气轮机发电系统相似,P2G系统的动态过程同样会对天然气网络的气体压力产生影响。图6中,由于P2G系统输出的气体流量突然减少,导致其接入节点(节点3)的气压突然降低,由于天然气动态流动的大惯性时间常数特性,与节点3相邻的节点2和节点4的气压在经过一段延时后也会发生相应的波动,并且天然气网络各节点的气压波动需要一个较长的过渡过程才能逐渐恢复稳定。

图6 算例2仿真波形

3 结语

针对电-气互联综合能源系统中电力网络与天然气网络在动态运行过程中的相互影响进行了初步研究。选取一个微电网和天然气网络相互耦合的终端能源系统,研究了系统中各组成单元的数学模型,并在MATLAB/Simulink仿真平台上完成了系统仿真模型的搭建。在此基础上,通过仿真研究了微电网的动态过程对天然气网络的影响,分析了微电网和天然气网络之间的耦合环节。分析了当微型燃气轮机发电系统和P2G系统的输出发生波动时天然气管道中气体压力的动态变化过程。研究成果为进一步分析综合能源系统的动态过程提供了理论基础,为深入研究综合能源系统的运行控制和故障特征提供了试验平台。

作者简介:常晓勇(1988),男,博士,从事电力系统保护与控制、新能源发电、微电网研究工作。

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