基于MICP的多能耦合综合能源系统可再生能源消纳能力研究

受限于电力系统资源禀赋,可再生能源消纳能力瓶颈始终制约着可再生能源的大力发展。近年来蓬勃发展的综合能源系统因其多能耦合属性,可将电力系统盈余电量转移至气/热/氢等其他能源子系统进行消纳,为可再生能源消纳提供了全新思路。然而,由于综合能源系统多能耦合复杂、规模大、维度高、非凸非线性强,如何准确评估其可再生能源消纳能力是一项难题。基于电/气/热/冷等能源子系统物理特性构建了综合能源系统可再生能源消纳模型,以评估多能耦合作用下系统对可再生能源的消纳能力极限;然后,提出凸松弛及近似方法将混合整数非线性规划原问题转化为混合整数锥规划问题,实现模型的有效求解;最后,以改进的IEEE-39节点电力系统和比利时20节点天然气系统为基础构建了电-气-氢-热-风-光耦合综合能源系统算例,论证了多能耦合对于可再生能源消纳的提升作用,并深入挖掘了不同节点对于可再生能源的接纳能力差异。     

计及需求侧管理的电—气集成能源系统协同规划

随着电转气技术的发展,电力系统与天然气系统间的耦合程度不断增强,传统电力系统与天然气系统独立规划的模式已不能满足电—气集成能源系统(IEGES)的需要。另一方面,实施需求侧管理可以优化电力负荷轮廓、实现削峰填谷、提升消纳间歇性可再生能源发电的能力,有利于整个IEGES的安全与经济运行。在此背景下,对计及需求侧管理的IEGES的协同规划问题进行了探讨。首先,基于用户满意度对需求侧管理建模,并以包括投资成本、运行成本和需求侧管理补偿费用的总成本最小为优化目标,建立IEGES中燃气机组、电转气设备、输电线路和天然气管道选址规划的混合整数非线性规划模型。然后,为加快求解速度,对模型中的非线性部分进行线性化处理,将原混合整数非线性规划问题转化为混合整数线性规划问题,并采用AMPL/CPLEX商业求解器求解。最后,以由修改的IEEE 39节点电力系统与比利时20节点天然气系统耦合形成的IEGES为例,对所构造的模型和采用的方法进行说明,并考察了其在节约成本和消纳风电方面的影响。     

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.     

考虑电转气消纳水电的水-电-气系统低碳鲁棒优化调度

针对电力系统调节能力不足引起的汛期弃水问题以及负荷侧存在的不确定性问题,本文构建了水-电-气多能源系统协同低碳鲁棒优化调度模型,并给出模型的求解方法。所提模型将电力系统中的水电机组、燃气机组、火电机组同水电系统、天然气系统进行协同建模,考虑电转气技术将电力系统无法消纳的水电转化为天然气,存储至天然气系统中,对水-电-气多能源系统联合运行时消纳水电的能力进行分析。针对模型中的非线性约束,基于分段线性化法和泰勒级数展开方法将模型转化为混合整数线性模型;针对模型中的不确定性参数,运用列与约束生成方法将其转化为主-子问题框架,采用Gurobi求解器进行快速求解。采用改进的6节点电网-7节点气网系统进行算例分析,结果验证了所提模型能够充分利用不同能源系统间的互补特性提高电力系统的调节能力,促进水电的消纳,降低电力系统的运行成本并实现电力系统的低碳运行。     

计及电转气耦合的电-气互联系统机组组合线性模型研究

针对电-气互联系统,考虑电转气技术和燃气轮机的双向耦合,研究其机组组合问题。以全系统综合运行成本最低为目标,考虑电力系统和天然气系统多种安全约束,建立电-气互联系统机组组合模型,并对其进行线性化得到线性模型。选取某6节点电力系统与10节点天然气系统耦合的电-气互联系统为例,分别计算非线性模型与线性化模型并比较其求解效率。同时分析了计及电转气和不计及电转气两种场景下系统运行成本和运行状态。仿真结果表明线性模型提高了电-气互联系统机组组合求解效率,电转气的应用也有助于提高电-气混联系统的经济性。     

考虑P2G的电-气综合能源系统分布式最优能量流

由电力系统和天然气系统耦合构成的电-气综合能源系统是“能源互联网”的重要组成部分,是实现能源低碳、高效、环保利用的关键环节。本文提出了一种考虑电转气(power to gas, P2G)的电-气综合能源系统分布式最优能量流模型及分布式求解算法。首先对P2G技术中的电转甲烷技术进行简单的概述;其次,以电-气综合能源系统的运行成本为优化目标,综合考虑电力系统、天然气系统运行约束及能量耦合约束,建立电-气综合能源系统的最优能量流(optimal energy flow, OEF)模型;针对电力系统和天然气系统归属于不同利益主体的特点,提出了基于交替方向乘子法(alternating direction multiplier method, ADMM)的OEF模型求解方法;最后,在IEEE-39节点电力系统和修改的比利时20节点天然气系统组成的电-气综合能源系统进行算例分析,仿真结果表明,考虑P2G的OEF模型可充分提高系统运行经济性,本文的模型求解算法在保证精度的情况下大大提高了计算的求解速度。     

考虑风电消纳能力的电-气集成系统多目标运行优化

摘 要：以电力-天然气集成系统为代表的综合能源系统可以充分利用各类能源载体的运行特性,提升电力系统接纳间歇性可再生能源发电的能力。另一方面,电-气集成系统的整体运行费用、消纳间歇性可再生能源发电能力和网络损耗与风电等间歇性可再生能源发电的渗透水平率密切相关,因此有必要对考虑风电消纳能力的电-气集成系统多目标优化运行策略展开研究。首先,以最小化电-气集成系统运行费用、弃风成本和网络损耗为目标函数,建立考虑风电消纳能力的电-气集成系统运行优化的多目标混合整数非线性优化模型。接着,对优化模型中的非线性约束条件进行线性化处理,将原模型转化为混合整数线性规划问题。然后,利用基于增强ε约束的多目标优化方法求解所建立的优化模型,获得帕累托最优解集,并采用模糊综合评估方法寻找最优折中解。最后,利用修改的IEEE 39节点电力系统和比利时20节点天然气系统所构成的电-气集成系统对所提方法的可行性和有效性进行验证。     

考虑电转气设备和风电场协同扩建的气电互联综合能源系统规划

随着电转气技术的发展和燃气机组占比的日益提高,电力、天然气系统间的耦合程度逐渐加深。在此背景下,对气电互联综合能源系统扩建规划时,考虑投建发电机组、输电线路、天然气气井、输气管道、风电场、电转气设备,并探究电转气设备和风电场协同扩建对系统扩建方案、风电消纳和经济性的影响。在计及电力、天然气系统相关运行约束的前提下,建立以系统投资运行总成本之和最小为目标的气电互联综合能源系统长期协调规划扩建模型;通过分段线性法将该模型转化为混合整数规划模型进行求解;通过IEEE 24节点的电力系统和12节点的天然气系统组成的算例系统验证所提模型的有效性,结果表明合理的电转气设备和风电场协同投建可以减少输电线路阻塞和输电线路的过度投建,提高系统经济性和运行安全性。     

基于机会约束规划的电气互联综合能源系统随机最优潮流

综合能源系统是未来能源利用的发展趋势,其中电力系统和天然气系统的联系最为紧密,但随机因素的增加也给综合能源系统的安全稳定运行带来了挑战。针对电-气互联综合能源系统的最优潮流问题,考虑风电场出力的随机性以及电力负荷、天然气负荷的随机性,建立其机会约束规划模型,并采用基于半不变量法和内点法的启发式算法进行求解。采用修改的IEEE 30节点电力网络与比利时20节点天然气网络构建电-气互联综合能源系统,分析比较了不同置信度水平和不同波动性情形下系统运行状态以及运行成本的变化,并与确定性情形对比,结果表明机会约束规划模型有助于提高电-气互联综合能源系统运行的安全性。     

基于分段线性化与改进二阶锥松弛的电-气互联系统多目标优化调度

该文以考虑电转气设备与燃气轮机的电-气互联系统为研究对象,建立以系统运行成本、污染气体排放量、系统削峰填谷指标及购电购气费用为优化对象的四目标优化调度模型。通过分段线性化及改进二阶锥松弛将混合整数非凸非线性模型转换为混合整数凸优化模型,并通过增强ε-约束实现目标降维,形成三目标优化问题,利用法线平面交叉法得到一系列均匀分布的Pareto前沿,根据熵权双基点法筛选出最优运行方案。最后,在改进的IEEE30节点电力系统与比利时20节点天然气系统上进行仿真计算,结果表明通过该文建立的模型能得到有效的优化运行方案,为调度人员决策提供参考。     

基于交替方向乘子法的电-气互联系统分布式协同规划

逐渐增多的燃气机组和日益发展的电转气技术使得电力、天然气系统的耦合愈加紧密,因而对电力、天然气系统的规划也需要考虑两个系统的耦合作用。目前中国的电力系统、天然气系统分属不同的投资决策主体,两个系统通常只进行部分信息交互。针对这一特点,基于交替方向乘子法构建了电-气互联系统的分布式协同规划算法。首先考虑电力系统和天然气系统的相关运行约束,建立了以燃气机组、电转气为耦合元素的电-气互联系统的集中协同规划模型;其次,采用交替方向乘子法在电力系统源、网协同规划子问题和天然气网络规划子问题的基础上,通过耦合变量的信息传递,构建了两个子问题交替迭代求解的机制。最后以修改的IEEE 39节点电力系统和比利时20节点天然气系统所构成的电-气互联系统为例,说明了所提方法的可行性和有效性。     

考虑风光出力不确定性的电–气互联系统脆弱线路辨识

在电力系统和天然气系统紧密耦合的背景下,任意子系统中任意脆弱线路的扰动或故障都可能会传播到另一个子系统,进而引起整个电–气互联系统的故障。为此,提出一种电–气互联系统脆弱线路辨识方法。首先,提出考虑风光出力不确定性的电–气互联系统协调调度随机优化模型,求解得到电–气互联系统故障前后的运行状态;而后,基于局部集中度和潮流变化熵分别从拓扑结构脆弱性和运行特性脆弱性两方面分析电–气互联系统中线路的脆弱性,构建综合考虑线路拓扑结构脆弱性和运行特性脆弱性的电–气互联系统线路脆弱度指标,对互联系统的脆弱线路进行辨识。通过计算脆弱线路断开后互联系统的测地线脆弱度(geodesic vulnerability)及供需不平衡量,对所辨识的脆弱线路进行评估。6节点电网–7节点气网和24节点电网–20节点气网2个电–气互联系统的算例分析结果验证了所提脆弱线路辨识方法的有效性。     

考虑气电联合需求响应的气电综合能源配网系统协调优化运行

在未来多能互补、综合能源系统的背景下,传统配电网和配气网独立调度运行的模式已经不能满足多种能源互补的运行要求。为此,该文提出气电综合能源配网系统最优潮流的凸优化方法,即利用二阶锥规划方法对配电网潮流方程约束进行处理,并提出运用增强二阶锥规划与泰勒级数展开相结合的方法对天然气潮流方程约束进行处理,进而将非线性的气电综合能源配网系统优化调度问题转化为混合整数二阶锥规划模型,为气电综合能源配网的气/电协调优化运行和规划设计提供支撑。同时在配网系统中引入气电联合需求响应来提高系统调度的可控性和灵活性,从而更好的消纳新能源,以达到配网系统的优化运行。仿真结果表明,运用增强二阶锥规划与泰勒级数展开相结合的方法能更好提高配气网的二阶锥松弛精度,且考虑气电联合需求响应能够提高综合能源配网系统运行的经济性和新能源的消纳能力。     

考虑相依特性的电-气互联网络故障评估方法

随着电网和天然气网的耦合程度不断加深,电网与天然气网间的相依特性引发了新的系统安全运行问题,增加了电-气互联网络发生连锁故障的风险.为此,提出了一种考虑电网与天然气网间相依特性的电-气互联网络故障传播的影响分析方法.分析电-气互联网络的相依特性以及故障在两网间的传播机理;基于此分析电网与天然气网不同耦合程度下故障在两网间的传播特性;进而建立计及天然气网慢动态特性的电-气互联网络准稳态潮流模型,从系统供能效率与供能可靠性角度,采用负荷损失率和全局网络效能损失率指标评估分析电-气互联网络的故障传播及其对系统运行的影响,以此构建电-气互联网络连锁故障评估模型.     

气网动态潮流下多能源网与能量枢纽的联合调度

天然气系统与电力系统的时间响应特性之间存在显著差异,若在综合能源系统优化调度模型中进一步融入天然气系统动态潮流模型,则能够更精确地描述其实际运行状态。为此,建立了考虑气网动态过程的电力-天然气耦合系统,该系统基于能量枢纽相耦合,并在能量枢纽中引入考虑负荷特性的需求响应模型,提出了考虑需求响应的多能源网与能量枢纽的联合优化调度方法。通过对网络模型与能量枢纽模型进行线性化处理来降低模型复杂度,并采用分解求解法进行多能流潮流计算。以含有2个能量枢纽的综合能源系统为算例进行仿真分析,结果表明考虑气网动态潮流的模型能更准确地描述实际运行状态,且考虑需求响应对于降低峰谷差、提高经济效益效果显著。     

基于碳交易机制的电—气互联综合能源系统低碳经济运行

燃气轮机等发电技术为低碳电力提供了一条有效途径,"能源互联网"的提出也使得天然气网络与电力网络的联系更加紧密。文中提出了一种电—气互联综合能源系统的联合经济运行模型,并引入碳交易机制,以综合能源系统发电能源成本与碳交易成本之和最小为目标函数,综合考虑了天然气网络和电力网络的安全约束。采用修改的IEEE 30节点电力网络与比利时20节点天然气网络进行算例分析,通过燃气轮机建立两个网络之间的耦合,分析比较了基于碳交易机制的电—气互联综合能源系统和单纯火电机组电力系统低碳经济模型下的运行状态,验证了所提出模型的有效性。最后,分析了碳交易价格、天然气价格及天然气网络约束对系统运行的影响。     

含电转气的电-气互联系统多目标优化调度

在“能源互联网”背景下,提出一种计及经济、碳排放和削峰填谷目标的电-气互联系统多目标优化调度模型,通过电转气装置和燃气轮机的相互配合,电-气互联系统可实现风电消纳能力提高,系统碳排放降低以及净电力负荷曲线平滑等目的。采用改进的广义法线边界交叉法求解电-气互联系统多目标优化调度模型的Pareto前沿,为调度人员提供多样化的决策解选择。此外,针对传统多目标决策方法没有计及目标间的相关性,而不能有效协调多维相互冲突的目标,提出一种马氏距离双基点法用于选取折中解,以提高多目标决策的科学性。最后,采用修改的IEEE 39节点电网与比利时20节点气网耦合的电-气互联系统为仿真算例,验证所提模型的优越性以及广义法线边界交叉法和马氏距离双基点法对此多目标优化调度问题的适用性。     

需求响应下基于近似动态规划的气电联合系统经济调度

气电联合系统协同运行能显著提高能源利用效率,其运行优化得到了广泛关注。文章建立了考虑需求响应（demand response,DR）的气电联合系统经济调度模型,并提出了基于近似动态规划（approximate dynamic programming, ADP）算法的联合系统经济调度策略。首先,采用粒子群（particle swarm optimization ,PSO）优化算法对用户侧的负荷曲线进行优化,从而最小化用户补偿费用和峰谷差率;随后建立线性化的气电联合系统运行模型,借助ADP算法求解。以Grave 6节点电力系统和14节点天然气网络进行仿真分析。仿真结果验证了所提模型和求解算法的有效性,考虑供需两侧的气电联合优化能提高能源利用效率。