计及高阶方程分段线性化的港口电-氢综合能源系统优化调度

在现有的基础设施及市场需求量背景下，氢气通过天然气掺氢管道输送为主、移动式储氢输送为辅是较好的选择。建立考虑气体组分与流量变化关系的动态模型，分析混氢天然气输送的动态特性；构建储氢罐的水网航运模型，即各港口之间的内河运输通过船舶实现规模化运氢；提出基于气网-水网协同的多时间尺度滚动优化策略，对不同时间维度下的负荷需求波动进行精细化调度与平抑，同时降低运行成本。仿真算例结果验证了所提模型的有效性和合理性。     

计及氢气注入与压缩因子的综合能源系统能流计算

为实现“双碳”目标,综合能源系统(integrated energy systems, IES)成为了近几年的重要研究方向之一,然而传统的IES能流计算已经无法精确地反映电制气(power-to-gas, P2G)技术带来的氢气注入天然气网络后的混合燃气的参数变化对IES的影响。为此,在传统天然气系统稳态分析方法的基础上加入了SRK(Soawk-Redlich-Kwong)气体状态方程,将压缩因子作为状态变量,提出可以反映氢气注入天然气系统,对气体流量和混合燃气热值产生影响的稳态分析方法。以此为基础,提出了计及氢气注入与压缩因子的电-热-气IES能流分解求解计算方法。最后通过算例验证了所提方法可有效反映混合燃气的参数变化对IES的影响。     

考虑碳排放和混合燃烧特性的氢混燃机精细化建模及应用EI北大核心CSCD

随着混氢天然气技术发展,氢混燃机成为未来电-混氢天然气城市综合能源系统的关键技术节点。为此,该文分别对混氢天然气网和氢混燃机进行特性分析,并搭建考虑多气体组分混合的混氢天然气网与氢混燃机耦合架构。从多学科信息融合角度出发,采用阿伦尼乌斯方程和系统热力学分别对氢混燃机的碳排放和混合燃烧出力特性精细化建模,并基于实例参考范围验证所提模型的合理性。在此基础上,将氢混燃机模型应用到优化调度中,以系统总运行成本最低为目标函数,计及城市配电网、混氢天然气网以及用户单元内部运行约束,建立电-混氢天然气城市综合能源系统优化调度模型。以耦合混氢天然气系统的某实际城市配电网为算例进行验证,结果表明,基于电转气的天然气网掺氢运输和本地储氢供应均能有效提高电网的可再生能源消纳水平,其风电利用率之差不超过2.12%,但前者的总运行成本比后者少4.31%,能够降低系统总运行成本的同时有效促进用户侧低碳减排。     

含氢能气网掺混运输的综合能源系统优化研究

随着能源结构的不断调整,各能源子系统集成耦合的综合能源系统成为重要的发展方向。电转气（P2G）技术的发展缓解了可再生能源发电波动性大、弃风弃光严重的现象,加强了电网和天然气管网的耦合性,因此电-气综合能源系统的协同优化十分必要。在保证安全的前提下,将制得的氢气掺混进入天然气管网进行远距离运输,使天然气管网成为可再生能源的搬运工,充分缓解能源时空供需矛盾,提高了能源利用率,提升系统经济性。本文建立了掺氢电-气综合能源系统的数学模型,并以经济性为目标对系统协同运行优化问题进行求解。算例针对华中地区某电-气综合能源系统分析了不同掺氢比情况下系统的优化结果,并与不同储氢容量的本地储氢系统进行了对比,结果表明气网掺氢和本地储氢均能提高系统的经济性,且气网掺氢收益优于本地储氢,但掺氢导致电网侧的成本和气网侧的收益同时上升,实际运行中需综合考虑气价定价策略与系统的气网结构选择最大掺氢比,从而使系统达到经济性最优。     

电-气多能源微网能流差异化求解

多能源微网可实现配网/用户侧的多能源互联,是实现能源利用提质增效的重要切入点.本文针对多能源微网中EH运行模式的多样性,及电力网络与天然气网络能流特性的差异,提出一种电-气多能源微网能流差异化求解方法:分解求解电力网络与天然气网络,基于解析函数递推求解电力网络能流,采用线性逼近法求解天然气网络能流.对EH进行节点类型处理,建立其能流计算模型;求解电力网络时,构造电力节点的解析函数方程,将未知变量的解析函数表示成幂级数,递推求解出其有限项幂级数的系数,再构造有限项幂级数的Padé近似式判断解的可行性.对电-气多能源微网算例系统采用所提方法进行能流计算,验证其正确性和有效性.     

计及辅助服务的电-气-氢综合能源系统优化调度

氢能是中国能源行业低碳化转型的重要支撑。电制氢技术可将电网难以消纳的新能源转换成绿氢注入天然气管道,实现绿氢的远距离传输与利用。文中提出一种计及绿氢注入的电-气综合能源系统优化调度模型,且计及电网辅助服务以支撑高比例新能源消纳。首先,建立了计及绿氢注入及管道管存的天然气系统准动态运行模型;然后,构建了计及调峰与灵活备用的辅助服务的综合能源系统灵活运行模型。最后,算例测试量化评估了电制氢及多能协同对于支撑新能源消纳及提高系统运行灵活性的价值,并且分析了新能源渗透率、管道掺氢比限制对于综合能源系统调度结果的影响机理。     

基于气网动态代理模型的电–气综合能源系统最优能流计算EI北大核心CSCD

在电-气综合能源系统最优能流计算中,管道参数均一化假设使得物理模型难以精确刻画气网动态过程。为此,该文提出一种基于气网动态代理模型的电–气综合能源系统最优能流计算模型。基于神经网络拟合气网流量、气压关系,提取神经网络参数构建气网动态代理模型;提出基于气网最大时间常数的滚动代理模型构建方法;将含非线性激活函数的气网动态代理模型等价转化为混合整数线性规划模型,并与电力系统潮流模型结合,建立电–气综合能源系统最优能流模型。将所提模型在配网级电–气综合能源系统中验证分析,结果表明:较之于基于管道参数均一化假设的物理模型、气网全时段代理模型,所提方法精度高,降低了代理模型规模与模型训练代价。     

考虑气网掺氢与低碳奖赏的气电耦合系统优化调度

针对气电耦合系统的优化调度问题,建立含气网掺氢的气电耦合系统模型,并考虑电制氢的精细化模型、掺氢气网的运行状态变化和严格的掺氢安全限制;同时在阶梯型碳交易机制的基础上,提出赏罚阶梯型碳交易机制,在碳配额出现剩余时设置阶梯型奖赏;进一步地综合考虑碳交易成本和运行成本,建立气电耦合系统低碳优化调度模型。最后,基于改进的IEEE 39节点电网模型和比利时20节点气网模型组成的系统进行仿真,采用CPLEX求解器对调度模型进行求解。通过分析对比4种调度场景的结果,验证了所提模型在降低碳排放、控制总成本和消纳弃风方面的有效性,分析了掺氢气网中不同热值计算方式和奖赏基准价格对调度结果的影响,并进行了奖赏基准价格的参考定价分析。     

含氢能气网掺混输运的综合能源系统优化研究

电转气技术的发展缓解了弃风弃光问题,提高了电网和天然气管网的耦合性。在保证安全的前提下,将制得的氢气掺混进入天然气管网进行远距离运输,使天然气管网成为可再生能源的搬运工,能充分缓解能源的时空供需矛盾,提高能源利用率和系统经济性。文中建立了掺氢电-气综合能源系统经济性分析模型,针对华中地区某电-气综合能源系统分析了不同掺氢比下的系统经济性,并与不同储氢容量的本地储氢系统进行了对比。结果表明气网掺氢和本地储氢均能提高系统的经济性,且气网掺氢收益优于本地储氢。但掺氢会导致电网侧的成本和气网侧的收益同时上升,实际运行中须综合考虑燃气定价策略与系统气网结构选择最大掺氢比,从而使系统经济性达到最优。     

用于提升电–气两网调节能力的微网集群协调运行模型

针对单一多能源微网受能源类型、自身容量制约,难以充分实现多种能源高效利用和协调控制的问题,该文基于多能源微网能量交互策略建立可提升电-气两网调节能力的微网集群优化运行模型。首先建立以电热冷、电气氢、电热气氢、电热冷气氢等不同能源类型运行时多能源微网能量供给、转换特性的统一模型;然后在统一模型的基础上,建立满足电-气两网调节需求的多能源微网集群系统运行优化模型;随后以多能源微网集群的总运行成本最小和能源利用效率最大为优化目标,使用改进的区域局部搜索NSGA-Ⅱ算法(NSGA-Ⅱ-RLS)对建立的微网集群优化模型进行求解;最后,基于改进的IEEE14节点系统和天然气网络6节点系统,构建可提升电–气两网运行调节能力的多能源微网集群运行仿真模型。仿真结果表明,所提多能源微网集群系统能够有效提升电-气两网调节能力,实现多能源微网集群系统的多能互补运行。     

基于供冷/热系统质-量调节的区域综合能源系统动态最优能流计算

区域综合能源系统(regional integrated energy system,RIES)的最优能流计算是求解RIES的设备配置、优化调度、故障分析等问题的基础。考虑供冷/热和供气管道传输能量的动态特性,建立RIES动态最优能流计算模型,其中基于特征线法获得了供冷/热管道和供气管道动态偏微分方程的代数解析解。针对基于供冷/热系统质–量调节模式下管道能量传输时滞变量造成RIES的动态能流计算模型难以求解的问题,提出采用分段插值法获得供冷/热管道两端节点温度之间关系的近似表达式并加入动态最优能流计算模型中。此外,针对优化模型中供冷/热系统的流量与温度相乘的双线性项,提出一种能够缩紧松弛间隙的分段凸包络松弛方法将原混合整数非线性优化模型转化为混合整数二次约束规划模型,能够在保证计算精度的同时实现高效求解。最后以某个RIES算例进行分析,验证了所提方法的计算准确性和高效性,并与常用的质调节模式相比,表明在供冷/热系统质–量调节模式下能找到经济性更优的RIES运行点。     

含电转气的多能源中心协调优化运行策略

电转气技术的应用使得电力网络与天然气网络实现双向闭环能量流动,可以促进间歇性清洁能源的消纳。可将电转气细分为电转氢气、氢气转天然气2个过程并加入储氢设备以更好地协调电能-氢能-天然气能三者之间的能量流动。以系统运行成本最低及最大程度接纳风电为目标,计及电转气、天然气管网、各能源设备等运行约束构建了含电转气的多能源中心协调优化运行模型。模型对天然气网络潮流的非线性约束进行了线性化处理,加入权重系数将双目标优化问题转化为单目标优化进行求解。最后为了验证所建立模型的有效性和可行性,选取了4节点的多能源网络系统进行实例仿真分析,通过调用YALMIP工具箱的分支界定法进行模型求解,并对不同权重系数下不同场景系统的运行成本及风电消纳率进行了分析,结果证明电转气在多能源中心运行中的可行性,且电转气的中间产物氢气利用需求越高,风电消纳的程度越大。     

含电转气的多能源中心协调优化运行策略

电转气技术的应用使得电力网络与天然气网络实现双向闭环能量流动,可以促进间歇性清洁能源的消纳。可将电转气细分为电转氢气、氢气转天然气2个过程并加入储氢设备以更好地协调电能-氢能-天然气能三者之间的能量流动。以系统运行成本最低及最大程度接纳风电为目标,计及电转气、天然气管网、各能源设备等运行约束构建了含电转气的多能源中心协调优化运行模型。模型对天然气网络潮流的非线性约束进行了线性化处理,加入权重系数将双目标优化问题转化为单目标优化进行求解。最后为了验证所建立模型的有效性和可行性,选取了4节点的多能源网络系统进行实例仿真分析,通过调用YALMIP工具箱的分支界定法进行模型求解,并对不同权重系数下不同场景系统的运行成本及风电消纳率进行了分析,结果证明电转气在多能源中心运行中的可行性,且电转气的中间产物氢气利用需求越高,风电消纳的程度越大。     

基于随机响应面的电-气互联系统概率最优能流计算方法

电-气互联系统(IEGS)作为一种新型能源供给模式,极具发展潜力.本文提出了一种基于随机响应面的电-气互联系统概率最优能流计算方法.首先,以IEGS总运行成本为目标,考虑电力系统、天然气系统的运行约束,并将电转气细分为电转氢气与电转天然气两种电-气耦合模式,建立了最优能流模型;然后,结合IEGS中不确定性因素的概率特性,建立概率最优能流模型,并采用随机响应面法与内点法求解.最后,以IEEE 39节点系统与20节点天然气系统组成的IEGS为例进行分析,仿真结果验证了本文所提方法的可行性.     

电力-天然气集成能源系统的统一规划模型与Benders解耦方法

近年来随着天然气发电渗透率的逐步提高,电力系统规划和运行时就需要适当考虑天然气系统的影响。同时,多能源互联代表了未来能源系统的发展趋势之一。这样,电力系统和天然气系统的统一规划和运行就成为值得研究的重要问题。在此背景下,在考虑天然气系统稳态潮流模型的基础上,对电-气集成能源系统的统一规划进行了初步探索。首先,研究了考虑电力系统和天然气系统边界条件约束的电-气集成能源系统的统一规划问题,对燃气电厂、输电线路、天然气供给站、天然气管道的选址和定容进行优化,构造了混合整数非凸非线性规划模型。接着,采用Benders解耦将该混合整数非凸非线性规划问题简化为双层主、子问题,并分别采用高效的商业求解器CPLEX和IPOPT迭代求解。最后,采用所构建的包括54节点电力系统和19节点天然气网络相互耦合的电-气集成能源系统,说明了所发展的基于Benders解耦的统一规划模型的可行性。     

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。     

考虑电解槽动态制氢效率的氢网运行优化EI北大核心CSCD

随着对减碳需求的持续关注,氢经济迅速发展。氢气管网运输能够解决氢气规模化利用的难题,氢网运行的理论研究将为其应用奠定坚实基础。为此,该文对氢网及相关设备运行展开研究。首先,为弥补现有电解制氢效率理论研究的不足,对电解槽动态制氢效率进行精细化建模,该模型同时考虑制氢功率和老化对制氢效率的影响。在此基础上,以满足氢网负荷需求、氢网络及相关设备运行约束为前提,以实现氢网一天的购电成本最小为优化目标,构建考虑电解槽制氢效率特性的氢网运行优化模型,并进一步将其转化成线性化模型以便于求解。最后,基于某工业园区20节点氢气网络,详细分析氢网潮流分布、电解槽运行策略以及储氢罐容量对氢网运行成本的影响。结果表明:考虑电解槽动态制氢效率的氢网运行策略会降低氢网实际运行成本,合理配置储氢罐容量有利于氢网效益的最大化。     

考虑管存动态特性的电-气-热综合能源系统低碳经济调度

电转气(P2G)和热电联产机组(CHP)作为综合能源系统耦合元件,是实现清洁低碳电力的重要途径.基于此,从P2G和CHP的协同机理着手,建立了考虑气管网储能特性的电-气-热互联综合能源日前调度模型.模型目标函数以日前调度成本、弃风成本和污染物治理成本之和最小,并计及了电网、气网约束条件,重点关注天然气系统管网的储气空间,以挖掘其管存动态特性.针对模型存在的非线性约束,采用二阶锥松弛和分段线性化将模型转化为混合整数凸优化问题进行求解.通过一个IEEE33节点电网和比利时20节点天然气网耦合的综合能源系统进行算例分析,结果验证了P2G和CHP的联合调度可以提升综合能源系统多项性能,管网动态特性对系统经济性具有积极作用.     

基于强化多目标差分进化算法的电-气互联系统最优潮流计算

随着综合能源系统的提出,电网和天然气网之间联系越来越紧密.为了保证电-气互联系统的安全、经济运行,需要对其进行联合规划研究.首先根据系统具有大规模、多维、非凸、非线性等特性,提出一种电-气能源互联系统的多目标优化调度模型;其次,针对多目标求解算法中种群收敛性和分布性冲突不断加剧的现象,提出一种加强非支配解占优关系的多目标差分进化算法;最后,以IEEE 30节点电力系统和比利时20节点天然气系统为例,说明了所提算法能够对所考虑的目标函数产生分布良好的帕累托最优前沿,而且可以在高维目标求解中得到一组较好的优化解,以此满足不同工况下系统的运行要求.     

考虑多设备最优能流路径的电-气互联系统运行优化

为满足用户在多能负荷实时需求下对能源的优化管理,提出一种考虑多设备最优能流路径的运行优化方法。首先,考虑实时能源价格和逐时负荷,建立基于能源集线器理论的能源中心模型,模型含多台能源转换设备以提供灵活的能流路径选择;然后,以系统购能成本最小为目标、能源分配系数为优化变量,计及设备容量、网络潮流等约束建立最优潮流模型,应用遗传算法进行求解;最后,采用8节点的配电网和9节点的天然气互联系统作为算例,基于本文所提方法进行建模并求解。算例结果表明实时能源价格的需求响应下,对能流路径的优化能有效降低系统购能成本,实际运行中,设备转换效率的变化能够影响系统能流路径的改变。