计及电-气双向耦合的综合能源配电网优化重构

摘要：综合能源系统是实现电网、气网以及热网等多种能源系统深度融合,利用能量耦合互补等优势提升整个系统能源利用效率的有效形式。为提升综合能源系统优化运行能力,本文首先基于电转气技术与天然气发电技术,构建了的电-气双向耦合综合能源系统总体模型。进而考虑配电网重构技术（Distribution Network Reconfiguration Technology,DNR）中拓扑结构灵活可控这一特性,在配电子系统中引入开关变量、系统运行总费用最低这一目标函数及网络辐射状拓扑结构等约束,建立了配电子系统重构模型。从降低模型求解复杂性的角度,应用二阶锥松弛、乘积变量线性化及分段线性化等方法,将原始综合能源配电网重构非凸非线性模型转化为混合整数二阶锥规划（Mixed integer second-order cone programming,MISOCP）问题求解。仿真结果表明,在电-气双向耦合的综合能源系统中应用配电网重构技术,能够降低综合能源系统运行费用,同时有效支撑了配电子系统电压与配气子系统气压。     

考虑气电网络架构的沼-风-光综合能源微网优化调度

传统能源系统不考虑多种能源之间的协同和互补,仅对电、气、热中的某种能源进行分析和利用。文中采用能量枢纽的概念表示各能源之间的耦合关系,同时考虑气电网络架构的运行约束。在实现各能源间转化、转移和存储等协同工作的基础上,建立含沼-风-光的综合能源微网优化模型,并对其优化调度进行了研究。为保证该模型的可求解性,对其中的电力系统潮流约束采用二阶锥松弛方法,对气管网约束进行泰勒展开,将原模型转换成凸规划模型。在由TEST6节点系统、6节点天然气系统和1台沼气池装置组成的综合能源微网测试系统上进行仿真分析,结果表明,考虑气电网络架构的调度优化结果满足实际运行要求,且该综合能源微网系统在可持续性、经济性和稳定性方面都具有一定的优越性。     

基于混合整数二阶锥的配电-气网联合规划

提出了一种考虑配电网重构及小时级潮流变化的配电-气网(EGDN)联合规划模型。一方面,融入配电网重构来优化系统的运行状态,两网协同规划能发挥不同能源间的互补共济作用,提升系统的可靠性和运行效率;另一方面,所提模型考虑小时级配电网和配气网的潮流方程,以精细化描述系统的运行状态。为了求解该非线性非凸模型,适当松弛原问题,将其转换为可直接求解的混合整数二阶锥规划(MISOCP)问题。仿真结果表明所提规划模型显著提升了系统的可靠性,降低了相关设备的配置容量,减少了能量传输损耗,降低了总体规划与运行费用,证明了MISOCP模型与简单的混合整数线性规划模型相比,更能获得满足实际工程需求的规划方案。     

计及需求响应与动态气潮流的电-气综合能源系统优化调度

文中提出了一种考虑需求侧负荷响应及动态天然气潮流的电—气综合能源系统优化调度新模型。一方面,该模型融入能源需求响应以优化次日的电、气负荷曲线,发挥不同能源间的互补共济作用,提升系统运行效率。引入价格型和替代型两类响应对需求侧响应进行精细化描述,前者表现价格引导的同类能源需求在不同时间点间的转移作用,后者表现不同能源需求在同时间点上的互补替代效应。另一方面,该模型考虑复杂动态天然气潮流方程以描述系统运行状态。为求解此强非凸非线性模型,将原问题松弛为可直接求解的二阶锥凸优化问题,并采用连续锥优化方法保证松弛的严格性。仿真结果表明,需求响应的引入可提升综合能源系统运行的经济性。与稳态天然气潮流相比,动态天然气潮流可更准确地反映天然气系统的动态发展过程。     

计及新能源出力不确定性的电气综合能源系统协同优化

随着波动性强的新能源大规模接入配电网,主网下网功率波动增强,危及主网运行安全。为了有效降低新能源消纳对配电网的不利影响,建立了考虑新能源出力不确定性的电气综合能源系统协同优化模型。其中,动态场景方法被用来刻画新能源出力的不确定性,优化目标为最小化全系统运行成本和主网下网功率波动量。模型中考虑了温控负荷调节能力及配电网交流潮流和天然气网潮流等约束。利用分段线性化和二阶锥松弛方法,将模型转化为混合整数二阶锥规划问题。最后,在IEEE 33节点配电网和23节点气网构成的电气综合能源系统进行夏季和冬季算例仿真,验证了利用惯性更大的气网平抑主网下网功率波动的有效性。同时,仿真结果表明利用温控负荷调节能力可降低系统成本,且确保系统运行的安全。     

市场环境下含氢储能的售电公司优化调度

电力市场可促进新能源的充分消纳，为能源互联网的高效运行提供平台。市场环境下的氢储能系统不仅具有充电、放电的双向调节性能，还可以通过售氢服务参与市场行为。售电公司作为售电侧改革的焦点，可以通过氢储能平抑由可再生能源不确定性引起的风险，增加收益。文章首先针对含售氢服务的储氢站进行系统建模，全面考虑制氢、发电和售氢3种工作模式；其次，综合考虑配网安全运行要求以及售电公司运营经济性，以售电公司日前收益最大为目标，建立含氢储能的售电公司优化调度模型。利用二阶锥松弛技术将原混合整数非凸非线性模型转化为混合整数二阶锥规划模型，在商业优化软件GAMS 中调用Cplex求解器进行求解。算例表明，氢储能的参与可为售电公司带来较大收益，并且质子交换膜燃料电池并网逆变器产生的无功功率可为配电网提供多样化辅助服务。     

考虑跨区能流交互计划的多区域电-气综合能源系统分散调度方法

针对多区域电-气互联系统优化调度问题,提出考虑联络线、联络管道能流交互计划的分散式调度方法。首先,利用二阶锥松弛方法将气网潮流方程线性化;在区域间,通过优化联络线与联络管道能流交互计划,对机组出力进行优化配置以促进互联区域的风电消纳,并以单个区域为决策主体建立满足联络线与联络管道约束的集中式优化模型。然后,分析了多区域电-气互联系统能量流解耦机制,并基于标准交替方向乘子法,得到分散式优化算法,即同步交替方向乘子法(synchronous-alternating direction method of multipliers,S-ADMM),再利用上述算法对集中式模型进行重构,建立一种完全分散式的调度模型。最后,在不同规模的多区域电-气互联系统中开展算例分析,其结果表明:所提算法有较优的收敛性;通过联络线与联络管道的互联方式使系统运行最优;多区域电-气互联系统可改变联络线峰谷差率,使各区域发电资源达到配置最优,并减少了区域弃风量,降低了运行成本,可为多区域能源系统优化运行提供参考。     

计及分布式电源精确特性的配电网动态无功优化

提出一种精确计及分布式电源DG特性的配电网动态无功优化的有效方法。根据不同类型DG的运行控制方式,用二阶锥松弛适当处理PQ、PV、PI和PQ(V)4种类型DG的并网潮流约束,将非凸的交流潮流方程近似地转化为凸的二阶锥约束,并通过设置优化目标函数驱使松弛误差趋近于0,把配电网的动态无功优化问题转化为凸的混合整数二阶锥规划问题。降低求解复杂度,提高优化精度,保证全局最优,保证支路电压、电流安全约束同时考虑储能装置,离散无功补偿电容器作用于配电网的约束。以多时段有功网损最小为优化目标,建立计及分布式电源精确特性的配电网动态无功优化模型,根据调度周期内预测的各时段的DG出力和负荷曲线,以IEEE69节点系统为例进行仿真实验,验证所提方法的有效性。     

综合负荷聚合商参与的配电—气能源系统供需互动均衡模型

在综合能源系统背景下,提出一种基于主从博弈机制的配电—气能源系统与多个综合负荷聚合商的互动均衡模型。考虑次日能源价格的制定,配电—气系统以总利润最大化为目标求解日前最优能流。在价格机制作用下,综合负荷聚合商通过优化能源配置降低自身能源购置成本,从而实现配电—气系统与综合负荷聚合商的互利共赢。为求取主从博弈均衡解,采用二阶锥松弛(SOCP)和罚凸凹过程(PCCP)消除配电—气系统优化模型中的非凸源,并应用KKT条件和强对偶理论将原模型转化为单层凸优化模型。由此通过迭代求解混合整数二阶锥规划问题逐渐缩紧配气网管道气流松弛域,最终获得博弈均衡解。最后,以IEEE 33节点配电网和20节点配气网构成的系统为例进行仿真说明,所得结果验证了文中模型及方法的有效性。     

考虑新能源接入的配电网两阶段有功无功协调降损方法

随着新能源的大规模并网，因其具有的波动性和不确定性，给配电网的降损工作带来新挑战。提出基于二阶锥规划的配电网日前日内两阶段有功无功协调降损方法。利用二阶锥规划对潮流模型进行松弛，并对非线性离散设备进行线性化，使该问题成为一个非凸的混合整数规划问题；考虑配电网有功无功的强耦合性，在日前阶段通过有功无功协调配合降低配电网的网损，并利用日前阶段慢响应设备的优化结果以及日内短时间尺度的新能源出力预测，对配电网系统进行日内阶段的滚动无功降损优化，保证系统安全运行的同时也满足了经济性需求；通过在改进的IEEE 33节点系统上进行仿真计算，验证所提方法的可行性。     

一种用于电-气互联系统运行优化的动态收缩凸松弛算法

提出了一种动态收缩凸松弛算法来解决电-气互联系统的运行优化问题.模型建立中,考虑了新能源与储能元件接入以及管存和气流方向等运行约束.所提算法利用了二阶锥松弛和凸包松弛的方法将非凸约束转换为凸约束,并通过动态收缩求解算法将电-气互联系统的运行优化问题转化为精确松弛域内的混合整数二阶规划问题加以求解.算例测试中,分别以修改的IEEE 39节点与IEEE 118节点电力系统和比利时20节点天然气系统组成的2个电-气互联系统为例,通过仿真验证了该算法有较佳的松弛精度和较快的计算速度.     

电力体制改革下的多虚拟电厂联合优化调度策略

虚拟电厂间通过签订双边合同进行交易,能够实现功率互补,提高合作双方的灵活性和经济性。考虑虚拟电厂运行约束及配电网安全约束条件,建立计及配电网线路开关重构的虚拟电厂优化调度模型,同时考虑多虚拟电厂之间的电量交易,建立合同电价优化定价策略。为了使模型可解,采用二阶锥规划,将复杂的非凸非线性问题转化为一个典型的混合整数二阶锥模型,极大地提高了求解效率。为了增强合作性,引入合作满意度的概念,使得制定的合同电价达到双方满意度均衡状态下最优。最后对实际算例进行测试,结果表明:多虚拟电厂联合调度能够有效缓解可再生能源出力波动造成的收益风险,提高整体收益;满意度概念的引入可以制定出令双方都有意向签订的最优合同电价;所采用的二阶锥模型提高了计算效率。     

基于参数线性规划的电-气综合能源系统最优能量流算法

电-气综合能源系统(integrated electricity-gas system,IEGS)的最优能量流(optimal energy flow,OEF)计算是其优化规划与运行分析的基础。针对现有电-气综合能源系统最优能量流求解方法存在的数据交互频繁、收敛性差以及难以保证隐私性等问题,提出了一种基于参数线性规划的电-气综合能源系统最优能量流计算方法。首先,建立计及有功网损的电力网络最优直流潮流模型,以及基于二阶锥松弛的天然气网络最优潮流模型。其次,基于参数线性规划理论,建立了电-气耦合功率与电力网络潮流最优解的关联函数。然后,将该关联函数传递至天然气系统中进行联合优化,并返回电-气耦合功率信息至电力系统中求解,分别得到最优能量流的天然气流与电力潮流结果。仿真分析表明所提方法能够通过单次信息交互准确求解最优能量流,同时交互信息量较小且不包含隐私信息,适用于最优能量流的分解式计算。     

计及不确定性因素的分布式电源与电动汽车充电站协调优化

高渗透率分布式电源与电动汽车负荷接入配电系统给电网的安全经济运行带来了显著影响。基于这一背景,文中对传统配电系统规划模型进行改进,使其能有效应对配电系统中分布式电源与电动汽车充电站的协调优化问题。应用离散化的多状态模型表征可再生资源的不确定性,构建以系统网损最小为优化目标的协调配置模型,并使用二阶锥松弛技术对所建优化模型进行等价处理。基于IEEE 33节点配电系统,对所建模型的有效性进行验证,结果表明所提方法可有效计及可再生资源不确定性的影响,制定满足工程实际应用需求的协调优化方案。     

基于交替方向乘子法的输-配-天然气系统分布式优化调度

随着电力网络与天然气网络耦合程度的加深以及传统配电网向主动配电网的转变,传统输配电气分离下的优化调度无法充分利用各种资源的灵活控制能力,不能获得整体最优解.因此,考虑电气耦合下的输配气协同优化,提出一种输-配-天然气系统优化调度模型.此外,考虑到未来输电系统运营中心、配电系统运营中心与天然气系统运营中心之间的独立性,为了保护各运营中心的信息隐私,提出了一个基于交替方向乘子法的分布式求解框架求解所提模型.为了确保分布式求解算法的收敛性,利用二阶锥松弛方法将气网优化问题转化为凸优化问题.算例结果表明,考虑电气耦合的输配气协同优化能够充分利用主动配电网中的多能耦合资源和储能资源,促进可再生能源消纳,提升系统总体运行经济性.此外,所提分布式求解算法的精确性和收敛性也得到了验证.