面向可再生能源集成的综合能源系统熵态理论和分析方法

2024年5月11日2研究背景力争2030年前实现碳达峰综合能源多能耦合提高能效综合能源带来的问题和挑战可再生能源弃风弃光难以量化多重影响因素能量退化输运损耗多能耦合能量退化输运损耗多能耦合传统能源系统传统能源系统综合能源系统综合能源系统4研究背景卡诺定理卡诺定理克劳修斯熵或克劳修斯熵或5描述在能量损失过程中产生的熵增量，衡量不可逆过程导致有效能量(烟)损失。进一步扩展和完善了熵理论，阐明了有效量(烟)与熵之间的内在联系，这也是熵态模型理论基础中的一个关键要素。(1854-1926)(1859-192事件或序列中的不确定性程度的度量指标，进而描述随机变量的分散性特征。对于能源系统，当可再生能源出力的波动性和不确定性增大时，所对应信息熵值也随之7熵理论指标的应用熵类别“熵”标化系统影响因素系统能量效率(烟损)碳排与固碳作用热力学熵碳熵不确定因素的无序化特征机理评估可观可控交叉熵信息熵综合决策体系权重参数综合成本指标评价熵权熵权碳指标..不确定性..8“抑熵增效”重点关注物理重点关注物理信息会经济熵态调控综合供能熵增抑制水平提升熵态调控综合供能熵增抑制水平提升分散分布9燃气系统燃气系统转化环节电力线路损耗电力系统热源热源热力系统负荷回退化1:管线损耗C首端燃气管道C末端退化2:混合损耗退化2:混合损耗热力系统：非等温介质混合(如：负荷回水点)燃气系统：异质燃料混合(如：燃气混入绿氢)盒Ta菊出水-40℃退化3:转化损耗1.转化设备的能量损耗△em失=(1-7效率)e%x2.能量形式的品质改变电(高质)>>热(低质)品质下降气(中质)>>电(高质)品质升高形成能量输运过程中的不确定性导致的损失若RE实际出力>负荷预测总和则实际供能>预测用能负荷预测总和920MW若RE实际出力<负荷预测总和则实际供能<预测用能损耗产生熵增广义信息势信息流广义信息功信息等效热力学熵增信息势信息流估定性过程划分的微观中能量最状态数目信息势信息流估定性过程划分的微观中能量最状态数目环境温度态的概率信息功→特殊烟损→信息等效热力学熵增概念概念产生传统热力学熵增的元件定义为热力学熵增源2产生信息等效热力学熵增的元件称为信息熵增源采用如下模型表达(单位取kW/K):起源起源烟损具有叠加性→熵增源可叠加热力学和信息学叠加熵增源熵增流：输运路径上导致的累计熵增熵增流：输运路径上导致的累计熵增可ExergyEntropyincrease-二下支路首端熵增流在支路传输过程中存在熵增，则支路末端熵增流大于首端。2节点熵增：维持烟流流入节点的累计熵增=注入节点熵增流之和采用如下模型表达(单位取kW/K):网络节点(通用模型)末段负荷节点(特殊位置)首段源节点(特殊位置)能源站天然气系统热力系统力系统7-5-3算例系统拓扑及烟流分布(注意!不是潮流分布)TableB2VoltageandpowerTableB2Voltageandpower电压(kVzrad)有功(kW无功(lovar)00右功(kW)无功(kvar)右功报耗(kW)无功报耗(lcvar)lEEE203,66246690.0G调势(AWhmh气流(m²bG8G调势(AWhmh气流(m²bG8气流(m²hh)G9G甘道起点终点水沸(kg/s)道起点BHHMMH₂H450450小时小时800020004000800020004000小时小时小时环境温度00k000000lsO补充负荷节点---补充支路电力LE6G熵sa000000000000l0唑Hl—供水网络回水网络能源站0.013900.10380.00140.0782lIl5H₂750.12300.0013能源站E₄O0000天然气系统热力系统电力系统0.23850.15130.2077能源站IES熵态计算模型：熵态网络与熵态方程0000000.2750.12300.001300.44080.10310.10310.00080.00060.10380.00140.07820.05320.05260.035900.0870.18860.1886000090.15000.O07.00000.0000+1.2954042820000+0.00000.00009●●配电网节点●配气网节点●供水网节点●回水网节点O补充节点●能源站节点支路熵增流09sd019oee—eeN,L熵增流熵增流下段支路首端惊增联立熵态方程1fsfsASAS四AS四一熵态关系3.1:节点流出熵增流流向支路熵态关系3.2:节点流出熵增流流向负荷熵态关系3.2路e²燥增路e²燥增节点ee△see熵态方程2和3基于熵态网络、熵态关系与对应的熵态方程的求解流程示意图熵态关系1“熵增源两端熵增流”熵态关系3熵态关系1“熵增源两端熵增流”熵态关系3熵熵态网络节点求解方程组求解方程组熵态关系2“节点注入与流出平衡”列向量列向量列向量熵态关系熵态关系“节点流出分配关系”熵态方程组-熵态熵态计算结果节点熵增支路熵增流负荷熵增列向量列向量列向量ES总熵增能源转化设备ES熵增流熵态网络模型d0?pios0ef支路烟流eL负荷烟A节点支路关联矩阵△Sn节点熵增△Sf支路熵增流节点(局部)熵态平衡定律(熵态关系2)一个封闭或孤立的综合能源系统熵态机理模型中，各节点总输入与总输出熵增流相等，即系统节热负构2气测1气鱼荷1配气月支路→60HHHHHnESESEEE0.05360.000150.03000.62300.62350.000GGG0.000000.000.00000.00000.00000.00000.0000H,n整体(源-荷)熵态平衡定律(熵态关系2)电熵态计算模型整体(源-荷)平衡关系验证比较ESES₂ESIESESESESES₂ESIESESESES₂ESES"类6分力田株店力HHHH传技热力境热力)nH.荷抗热力编增热力)HnH HH点2出点2出009GH54nhHH108 0000*04517840上级电热赛3配电网节点·配气同常点●侯水网节点回水网节点-配电网支+配气网支十供水网支路配电网节点·配气同常点●侯水网节点回水网节点-配电网支+配气网支十供水网支路一回水网支露499232375李家熙，王丹*,贾宏杰.面向综合能源系统的烟流机理与分析方法[J].电力系统自动化，2022,46(12):163-173.李家熙，王丹*,周天烁，贾宏杰.面向综合能源系统的烟流计算模型[J].电力系统自动化，2022,46(24):45-56.王丹*,周天烁，李家熙，贾宏杰.面向能源转型的高烟综合能源系统理论与应用[J].电力系统自动化，2022,46(17):114-131.JiaxiLi,DanWang*,HongjieJia,etal.MechanismAnalysisandUnifiedCalculationModelofExergySystem|J].AppliedEnergy,Vol.3李家熙，王丹*,贾宏杰，李宜哲.面向可再生能源集成的综合能源系统熵态机理和分析方法[J].电力系统自动化，2022,47(09),47-58.周天烁，王丹，李家熙，李宜哲，贾宏杰.面向综合能源系统的烟流追踪模型与计算方法[J].电力系统自动化，2023,47(17):75-88.李宜哲，王丹