[系统建模与仿真]系统建模与仿真技术在分布式能源系统中的应用

《系统建模与仿真》课程论文 学号：201141102xxx

系统建模与仿真技术在分布式能源系统中的应用

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摘要 半个多世纪来，建模与仿真技术在各类应用需求的牵引及有关学科技术的推动下，已经发展形成了较完整的专业技术体系，并迅速地发展为一项通用性、战略性技术。它与高性能计算（High-Performance Computing ）一起，正成为继理论研究和实验研究之后第三种认识、改造客观世界的重要手段。分布式能源系统是相对传统的集中式供能的能源系统而言的，传统的集中式供能系统采用大容量设备、集中生产，然后通过专门的输送设施(大电网、大热网等) 将各种能量输送给较大范围内的众多用户；而分布式能源系统则是直接面向用户，按用户的需求就地生产并供应能量，具有多种功能，可满足多重目标的中、小型能量转换利用系统。而系统建模与仿真技术在分布式能源系统中的应用是非常广泛且不可或缺的，由于篇幅问题本文仅对当前系统建模与仿真技术在分布式能源系统中的各种应用作简要介绍。

关键词 系统建模 仿真 分布式 能源系统 冷热电联产

1. 相关简介

1.2系统建模与仿真技术简介

现代建模与仿真技术是以相似原理、模型理论、系统技术、信息技术以及建模与仿真应用领域的有关专业技术为基础，以计算机系统、与应用相关的物理效应设备及仿真器为工具，利用模型参与已有或设想的系统进行研究、分析、设计、加工生产、试验、运行、评估、维护、和报废（全生命周期）活动的一门多学科的综合性技术。

1.3分布式能源系统简介

分布式发电指的是通过规模不大、分布在负荷附近的发电设施经济、高效可靠地发电，是相对于传统集中式发电而言。常见的分布式发电技术包括风力发电、太阳能光伏发电、小水电、柴油发电机、燃料电池、微型燃气轮机、生物质能发电、地热发电、海洋能发电、燃料电池及各种储能技术。其中发展很快且已相当成熟的技术是风力发电技术和太阳能光伏发电技术；另外，常见的有储能技术有抽水蓄能电站、压缩空气储能、铅酸电池、镉镍电池、锂电池、金属氢化物镍(MH-Ni)电池、液流电池[2～43、钠硫(NAS)电池、飞轮储能、超导磁储能、超级电容器储能等等。

2. 分布式能源系统中的建模与仿真

2.1基于常规能源的冷热电三联供分布式能源的系统建模

冷热电三联供分布式能源系统（CCHP ）由于其高效、清洁、可靠的优点在能源行业日益受到重视系统建模是CCHP 系统的重要研究方向。

2.1.1 CCHP系统的工作流程

CCHP 系统有多种系统配置可以选择。对于低品位的能源，采用吸收式制冷机制冷利用。一种燃气轮机+ 余热直燃溴化锂制冷机组的三联供系统，该系统能够流程图如图1 所示。

在图1 所示系统中，电负荷由燃气轮机发电机组和蒸汽联合循环发电机组提供。热负荷由汽轮机的排汽提供。而溴化锂机组利用燃气轮机排气中的能力提供冷负荷。该系统燃用天然气的冷热电三联产系统能实现能源的梯级利用, 一次能源利用率可以达到75 %～83 %。

2.1.2 CCHP 控制模型

对于CCHP 系统可以采用机理法和辨识法建立面向过程的数学模型，通常的做法是按照系统的流程将CCHP 系统分解为若干子系统，然后将每一个子系统或者一个设备作为对象建立较精确的模块模型, 各模块之间通过质量及能量平衡方程联系起来。这类模型可以作为控制模型用于实现对系统的控制和自动化运行。

2.1.3 CCHP 系统运行模型

控制模型的特点是可以实现对于对象的较为精确的描述，为系统的控制提供依据。而三联供系统的特性是高度非线性化的，传统的热力学模型无法准确描述其运行特性。CCHP 系统的优势在于冷、热、电三大系统的整合运行，相互利用。所以要发挥CCHP 系统在经济性和可靠性方面的优势，就必须建立系统的运行模型。对于这一类模型，国内文献中常用的建模方法有人工神经网络法。

2.1.4 CCHP 经济性评价模型

三联供系统首要的优势在于可以实现对能源的分级深度利用。冷热电联供系统不仅提高了低品位热能的利用率，更重要的是提高了能源综合利用率。联供系统通过不同循环的有机整合可以在满足用户需求的同时实现能源的综合梯级利用，使能源的利用率达到85%以上而传统的发电厂能源有效利用率仅为30%～40%。因此，CCHP 可以大大提高能源利用效率。但是对于一个具体的能源需求问题，需要对于三联供系统的经济性做出定量的评价。传统系统的经济性评价是基于单一能量品种的，而CCHP 涉及到热、电、冷3 种能量形式。这就需要建立基于全系统的CCHP 系统综合经济性评价模型。毕庆生在文献[6]中在“单耗分析”理论的基础上，针对具有多电源供电，多热（冷）源的供热（制冷）的天然气CCHP 系统，建立了系统在热电运行方式和冷电运行方式下的不同环节的燃料附加单耗，燃料单耗及成本单耗的计算模型，并利用该模型对案例进行了计算和分析，指出了案例中各个环节（设备）存在的附加单耗过大的原因。为今后系统的各环节（设备）改造和运行优化提供了依据。

2.1.5 CCHP 系统优化模型

对系统的评价的可以指导运行，优化运行[16]。CCHP 系统能够的优化模型是目前国内

外文献热衷的热点问题。其中用到的方法有：数学规划法、矩阵建模法、计算机辅助法等。其中数学规划法是以实际运行需求为依据，设置经济性、环保性的目标函数和被优化参数，在一定的约束条件下建立系统的优化模型。

2.1.6 CCHP 能源规划模型

针对相同的能源需求，CCHP 系统可以有多种不同的方案选择。为了发挥CCHP 系统的潜能，必须科学合理地对采用的设备类型和系统方案进行比较分析，从而选择最佳的设备和方案，更好地满足目标用户的能源需求。另外还需要对选定的系统根据能源需求的变化确定最佳的运行策略。这一类问题称为CCHP 系统的能源规划问题，其定义为：基于有限的技术资金和资源的情况下建设生态可持续的CCHP 先进能量系统。

2.2可再生能源分布式发电系统的建模与仿真

随着能源危机日益临近，新能源已经成为今后世界上的主要能源之一，风光互补系统应运而生。风光互补系统是一套发电应用系统，该系统是利用太阳能电池方阵、风力发电机（将交流电转化为直流电）将发出的电能存储到蓄电池组中，当用户需要用电时，逆变器将蓄电池组中储存的直流电转变为交流电，通过输电线路送到用户负载处。是风力发电机和太阳电池方阵两种发电设备共同发电，构成分布式电源。

可以看出，整个系统由分布式发电单元、储能单元、电力电子变流装置、能量监控与管理系统、负荷及输电线路等部分组成。分布式发电系统的并网运行将对电力系统运行特性、电网结构及继电保护等产生很大的影响。为了研究分布式发电系统各发电和储能单元的控制策略运行特性及并网运行后与电力系统的相互影响，首先要建立分布式发电系统详细的稳态和暂态数学模型。目前国内外对各种的分布式发电技术和储能技术的建模已经开展了很多研究。篇幅限制仅作简要介绍。

2.2.1风光互补系统模型

本文在电磁暂态仿真软件PSCAD/EMTDC；；平台上建立了的风光互补并网发电系统结构，其结构如图2所示。该系统由风力发电机组、太阳能光伏阵列、阻塞二极管、整流电路、Boost 斩波电路、逆变电路、配电网及交流负载组成。在具有公共电网的地区，光伏发电系统和风力发电系统与电网连接并网运行，可以省去储能装置，大幅降低造价，而且具有更高的发电效率和更好的环保性能。阻塞二极管串联在太阳能光伏阵列电路中起单向导通的作用。

图2 风光互补并网发电系统结构图

2.2.2 PWM变流器数学模型

分布式发电单元和储能单元需要通过电力电子变流装置与电网相联，本文首先建立这部分的数学模型。用于分布式发电系统的PWM 变流器能量可双向流动，当PWM 变流器从电网吸收电能时，它运行于整流(AC／DC) 工作状态；当PWM 变流器向电网输出电能时，它运行于有源逆变(DC／AC) 工作状态，其网侧电流和功率因数都可控的。三相PWM 变流器的学模型可采用两种形式：采用开关函数描述的数学模型和采用占空比描述的数学模型。采用开关函数描述的数学模型较适合于变流器的波形仿真，采用占空比描述的数学模型适合于控制系统设计。

2.2.3负荷的数学模型

负荷是电力系统的重要组成部分，虽然对于每一种负荷，要建立它的准确模型并不困难，然而，在电力系统分析中，需要知道的是反映某一节点的全部负荷，即综合负荷动态性能的数学模型。由于综合负荷有各种不同种类的负荷组成，不仅其组成情况随时都在变化，而且各个节点的负荷组成情况也不相同，因此要准确获得负荷的数学模型是很困难的。文献[114]对电力系统负荷建模研究现状进行了总结。文中特别讨论了特殊元件和行业的负荷建模。如电力机车、加热和制冷负荷、含有谐波的电力电子设备、居民恒温负荷、空调负荷等等。最简单的负荷模型是将负荷用恒定阻抗模拟。进一步描述负荷的数学模型可以分为静态特性模型和动态特性模型。

3. 结束语

综观全文不难看出，建模仿真技术已作为人们认识、改造客观世界的重要手段。同时，建模与仿真技术在各类分布式能源系统中应用需求的牵引及有关学科技术的推动下，建模仿真技术不再是某一学科或领域的分支，它已经发展形成为较完整的综合性学科专业体系，并迅速地发展为一项通用性、战略性技术。因此系统建模仿真学科已成为进一步推进分布式能源系统发展的重要推动力。