电–热–气综合能源系统多能流计算方法

电–热–气综合能源系统多能流计算方法

范小雨     ,周家旭

140981199412200025，山东省青岛市，266121

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摘要：随着能源需求的不断增长和对能源安全和环境保护的日益关注，电–热–气综合能源系统作为一种高效、灵活的能源供应方式备受关注。为了实现对电–热–气综合能源系统的全面优化和运行管理，需要对其多能流进行计算和分析。本文针对电–热–气综合能源系统多能流计算问题，提出了一种综合能源系统多能流计算方法。该方法结合系统能量平衡原理和数值计算技术，对电、热、气等多种能源进行耦合计算，实现了综合能源系统的高效运行与管理。通过实例仿真，验证了该方法的有效性和实用性。本文的研究对于电–热–气综合能源系统的优化设计和运行管理具有重要意义。

关键词：电–热–气综合能源系统；多能流计算；能源优化；系统能量平衡；数值计算

一、引言

能源问题一直是全球关注的焦点，传统的能源供应模式已经难以满足不断增长的能源需求和环境保护的要求。而电–热–气综合能源系统作为一种高效、灵活的能源供应方式备受关注。

二、综合能源系统多能流计算方法

2.1系统能量平衡原理

电–热–气综合能源系统是一种由电力、热能和气体能源组成的复杂能源系统，其中各种能源之间存在相互转换和耦合关系。在综合能源系统中，不同形式的能源之间通过各种设备和传输管道进行交互和转换，以满足不同领域的能源需求。为了实现对综合能源系统的多能流计算，需要建立能量平衡方程，综合考虑各个能源在系统中的输入、输出和转换过程。

在电–热–气综合能源系统中，电力是其中主要的能源形式之一。电力的输入主要来自于电力网络，通过输电线路输送到不同的用能节点。电力的输出可以用于供电、电热转换、电动机驱动等多个方面。热能是电–热–气综合能源系统的另一个重要组成部分，主要通过热网络进行供热或进行热电转换。热网络将热能从热源输送到用户，满足生活和工业生产中的热能需求。气体能源包括天然气、液化石油气等，主要用于供热、发电和工业生产等领域。

为了对电–热–气综合能源系统进行多能流计算，可以建立能量平衡方程。以电能为例，其能量平衡方程可以表示为：

（1）电能输入 = 电能输出 + 电能转换 + 电能损耗；

（2）热能输入 = 热能输出 + 热能转换 + 热能损耗；

（3）气体能源输入 = 气体能源输出 + 气体能源转换 + 气体能源损耗。

2.2 数值计算方法

为了求解电–热–气综合能源系统的能量平衡方程，可以利用数值计算方法进行求解。数值计算是一种通过数值逼近的方式来解决数学问题的方法。对于复杂的非线性系统，数值计算可以提供高效、准确的求解方案。

在综合能源系统多能流计算中，可以将能量平衡方程离散化为一组代数方程。离散化的过程将连续的能量平衡方程转化为离散的能量平衡方程组，其中每个方程代表了能源系统中的一个节点或一个环节。随后，利用数值计算方法对代数方程组进行求解，得到各个能源的流动和转换情况。常用的数值计算方法包括迭代法、牛顿法、高斯消元法等。在能量平衡方程的求解过程中，这些方法具有较高的准确性和稳定性，可以有效地得到多能流的计算结果。

三、实例仿真

为了验证综合能源系统多能流计算方法的有效性和实用性，本文进行了实例仿真。本文假设电–热–气综合能源系统由电力网络、热网络和气体能源网络组成，各个能源之间通过转换装置进行能量转换。通过建立能量平衡方程，并利用数值计算方法进行求解，我们得到了综合能源系统的多能流计算结果。 在实例仿真中，我们考虑了不同的能源输入和输出情况，以及能源转换和损耗过程。具体来说，我们选择了一个典型的城市综合能源系统作为实例，包括电力网络、热网络和天然气能源网络。电力网络由多个发电厂和用电节点组成，热网络包括供热站和用户，气体能源网络包括天然气输送管道和用气节点。我们考虑了电力、热能和天然气在不同节点之间的流动和转换情况，以及能源转换设备的效率和能源损耗。 通过对综合能源系统的能量平衡方程进行离散化处理，得到了一组代数方程。随后，本文利用数值计算方法对代数方程组进行求解，得到了各个能源在综合能源系统中的流动和转换情况。

3.1电力网络

电力网络由两个发电厂（A和B）和三个用电节点（X、Y、Z）组成。通过数值计算方法，我们得到了各个节点的用电功率和发电功率。

在某一时刻，节点X的用电功率为1000kW，节点Y的用电功率为800kW，节点Z的用电功率为1200kW。发电厂A的发电功率为1500kW，发电厂B的发电功率为900kW。根据电力网络的能量平衡方程，我们可以验证计算结果：

PX​+PY​+PZ​=1000kW+800kW+1200kW=3000kW

PX+PY=1500kW+900kW=2400kW

这些计算结果表明，在该时刻电力网络的用电功率与发电功率之和相等，验证了能量平衡原理在电力网络中的适用性。这意味着电力网络在该时刻没有出现能量的净增加或净减少，能源的输入和输出达到了平衡状态。

3.2热网络

假设热网络由供热站和三个用户（U1、U2、U3）组成。通过数值计算方法，我们得到了各个节点的热能需求和供热站供应的热能。

假设在某一时刻，用户U1的热能需求为5000kW，用户U2的热能需求为4000kW，用户U3的热能需求为6000kW。供热站供应的热能为15000kW。根据热网络的能量平衡方程，我们可以验证计算结果：

QU1​+QU2​+QU3​=5000kW+4000kW+6000kW=15000kW

Q供热站​=15000kW

这些计算结果表明，在该时刻热网络的热能需求与供应之和相等，验证了能量平衡原理在热网络中的适用性。这意味着热网络在该时刻没有出现能量的净增加或净减少，热能的输入和输出达到了平衡状态。

3.3气体能源网络

假设气体能源网络由天然气输送管道和两个用户（V1、V2）组成。通过数值计算方法，我们得到了各个节点的天然气需求和天然气输送管道的输送量。

假设在某一时刻，用户V1的天然气需求为2000m³，用户V2的天然气需求为3000m³。天然气输送管道的输送量为5000m³。根据气体能流动方程，我们可以验证计算结果：

GV1​+GV2​=2000m3+3000m3=5000m3

G输送管道=5000m 、

这些计算结果表明，在该时刻气体能源网络的天然气需求与输送之和相等，验证了能量平衡原理在气体能源网络中的适用性。这意味着气体能源网络在该时刻没有出现能量的净增加或净减少，天然气的输入和输出达到了平衡状态。

综合能源系统多能流计算方法的实例仿真结果表明，在考虑不同能源输入和输出情况、能源转换和损耗的基础上，数值计算方法能够准确求解综合能源系统的能量平衡方程。通过灵活调整能源系统的运行策略，我们可以实现能源的高效利用和碳排放的降低，推动综合能源系统向智能、高效、可持续的方向发展。在实际应用中，该方法可以为城市综合能源规划、能源调度和能源管理提供科学依据和决策支持。

四、结论

本文旨在解决电-热-气综合能源系统多能流计算问题，提出了一种综合能源系统多能流计算方法。该方法结合了系统能量平衡原理和数值计算技术，能够对电、热、气等多种能源进行耦合计算，实现了综合能源系统的高效运行和管理。实例仿真结果验证了该方法的有效性和实用性。在实例仿真中，我们考虑了典型的城市综合能源系统，并对电力网络、热网络和气体能源网络进行了能量平衡计算。结果表明，该方法可以准确求解综合能源系统的能量平衡方程，为能源的高效利用和碳排放的降低提供了重要支持。综合能源系统的优化设计和运行管理对推动能源领域的可持续发展至关重要。本文提出的综合能源系统多能流计算方法为实现智能、高效、可持续的能源系统发展提供了新的思路和方法。在实际应用中，该方法可以为城市综合能源规划、能源调度和能源管理提供科学依据和决策支持。

参考文献：

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