基于有限元的模型降阶方法在半实物分布式能源系统中的应用.pdf

中文摘要 摘 要 随着世界各国能源需求的不断增加以及对污染物排放、碳排放控制的不断收 紧，开发高效、环境友好的新型能源系统势在必行。在目前各类能源供应方式中， 分布式能源系统作为一种清洁高效的能源生产方式，在国内外得到高度重视并成 为能源领域的重点研究发展方向之一。分布式能源系统的动态特性仿真、优化和 控制成为热门的研究方向，对系统及其组成部分建立精确、高效的动态数学模型 具有十分重要的意义。 在分布式能源系统的研究中，采用半实物的研究方法具有独特的优势，但由 于该系统中同时存在实物部件与数学模型，便要求模型具有严格的实时性。采用 有限元方法建立的模型能够详细展现出部件内部物理参数的分布情况，具有很高 的精度。但受限于计算机性能，有限元模型需要消耗大量求解时间而不能满足实 时计算的要求。以往半实物系统中的数学模型则由于要实时计算通常采用简化模 型而无法获取部件内部物理场的详细信息。为此,本文提出了一种在半实物仿真系 统中应用本征正交分解与伽辽金投影相结合实现模型降阶的方法，将有限元模型 与半实物系统有机地结合在一起。 本文的主要工作包括，以换热器为对象，首先建立包括换热器传热过程的有 限元全阶模型并对其算法进行验证，收集其在采样点处板内温度分布作为样本， 将收集到的样本所在函数空间作为降阶模型所在的空间，并通过本征正交分解的 方法获得该降阶空间的一组正交基函数并截断。其次通过伽辽金投影的方法将全 阶模型投影至该降阶空间之中，使模型自由度降低。最后将获得的降阶模型与 APROS(Advanced Process Simulation) 中建立的过程仿真模型通过OPC 协议实现实 时通信，实现两者之间数据的实时交换，并在此过程中检验了降阶模型计算的实 时性、准确性及接入降阶模型的混合发电系统的动态特性。 从本文介绍的模型降阶方法所建立的降阶模型可以在满足实时性的前提下保 证足够的计算精度，为半实物系统中应用高精度和高速计算的实时模型奠定了坚 实的基础。 关键词：半实物仿真；降阶模型；换热器；分布式能源系统 I 英文摘要 Abstract With the increasing demand for energy and constraining of pollutant and carbon emission around the world, the development of new type energy systems which are efficient and environmentally friendly is particularly important. Distributed energy system, as a clean and efficient energy production mode among energy supply, has been attached great importance at home and abroad and becomes one of the key research and development directions in the field of energy. Dynamic characteristics simulation, optimization and control of distributed energy systems have become a popular research direction, as a result, it is of great significanc