综合能源系统潮流及最优潮流计算模型与方法综述

综合能源系统（IES）对促进能源互补利用、提高综合能源利用率具有重要意义,多能流潮流分析关乎IES的规划、运行和控制。本文探究了IES潮流及最优潮流的研究现状,从计算模型和方法2个方面展开综述。介绍IES的发展、结构、多能流计算模型,分别概括和总结IES潮流及最优潮流的问题和求解方法,综合全文,指出当前IES多能流计算的不足及今后的研究趋势和展望。结果表明:目前缺乏对于电-热-气IES的多能流建模与算法的深入探究,较少涉及准稳态及暂态模型,未充分考虑多种能源的互动;能源集线器虽然能够统一描述耦合环节,但应根据实际情况深化耦合环节的建模方法;IES配置多元储能装置能够进一步提高能效率,便于灵活调用能源,但目前的模型很少计及储能装置;现有潮流及最优潮流的算法不够丰富,较少涉及多目标最优潮流,其安全可靠评估体系有待进一步完善。     

电–热–气综合能源系统多能流计算方法

为缓解环境污染,提高终端用能效率,综合能源系统(integrated energy system,IES)已成为我国能源结构调整的重要方向。在IES框架下,传统以电力系统为对象的潮流计算方法将难以满足对互相耦合的能量流分析的需求。提出了一种适用于含电、热、气的IES的扩展Newton-Raphson多能流计算方法。首先,分别建立了IES中电力、热力和天然气网络的数学模型;针对现有方法对含压缩机的天然气网络建模的繁冗性问题,计及不同的控制方式,提出了改进的实用化处理方法;在此基础上,进一步构建了IES多能流计算模型,考虑IES中电力系统并网和孤岛2种运行方式,推导并得出了反映多能源耦合关系的雅可比矩阵。算例验证了该方法在不同运行场景下对多能流进行计算和互动特性分析的有效性。     

考虑热动态和碳交易的电-气-热综合能源系统协调调度

随着电-气-热综合能源系统(IES)内多类型能源转换设备广泛接人,热网动态特性对系统运行影响日益显著,能源低碳转型战略的实施使得碳排放成为IES运行关注的焦点之一.对此,文章开展考虑热动态和碳交易的电-气-热IES协调调度的研究.基于动稳态模型构建的供热网络潮流结果,研究其动稳态差异;进一步面向当前碳交易市场发展需求在IES运行中考虑碳交易,构建以购能成本、运行成本及碳交易成本等综合成本最低为目标的电-气-热IES协调调度模型,从多环节挖掘节能减排潜力;构建算例系统进行仿真分析,结果表明,考虑热动态特性和碳交易的IES多网络耦合协调调度,能量跨时空转移特征明显,且有效降低碳排放,实现其能源综合、高效利用的目标.     

含P2H、P2G电-气-热综合能源系统多能流算法

作为综合能源系统研究的基础,多种能源协同运行的综合能源系统多能流计算方法的研究有重要的研究价值。该文首先给出了电转热（power to heat, P2H）和电转气（power to gas, P2G）设备等耦合单元的数学模型,并根据P2H的工作特性,给出了热电联产机组（combined heat and power, CHP）联合P2H模型;之后,给出了2种电-气-热综合能源系统多能流计算的算法——含多种耦合单元的多能流联立求解算法和考虑各子系统物理特性的差异及综合能源系统的可扩展性的新型交替迭代多能流计算方法。算例分析表明,2种算法均适用于电-气-热综合能源系统的多能流计算。     

计及异质气体混合的电–气–热综合能源系统能量流计算方法

随着环境污染与化石能源枯竭的问题凸显,电–气–热多能互补的综合能源系统(integrated energy systems,IES)成为了研究热点。针对IES能量流计算中数学模型详细性问题以及未来电制气(power-to-gas,P2G)广泛应用带来的异质气体注入问题,构建了能反映不同气体成分下P2G效率与不同温度条件下电热泵(electric heat pump,EHP)能效的详细模型,考虑了不同成分气体注入对气体参数与系统运行状态的影响以及相应的建模,在传统天然气系统稳态分析方法的基础上介绍了可以反映异质气体注入对网络状态影响的稳态分析方法。以此为基础提出了计及异质气体混合与耦合元件详细模型的电–气–热IES能量流交替迭代计算方法,并采用电力系统分析综合程序(power system analysis software package,PSASP)实现电力系统的潮流计算。最后通过仿真算例验证了所提方法的有效性。     

基于参数灵敏度的综合能源系统安全控制策略研究

该文基于电–气综合能源系统(integratedenergy system,IES)子系统间的参数灵敏度矩阵,探究IES变量间的交互耦合机理,提出一种IES静态安全控制策略。首先,构建电–气耦合的IES模型,并采用Newton-Raphson法求解IES多能流方程;在此基础上,利用多能流计算过程中的雅可比矩阵信息及变量间的耦合关系,计算IES中电压、气压、支路潮流、管道流量对控制变量燃气轮机出力、压缩机出口压力的参数灵敏度矩阵,定量描述电、气互联系统间交互耦合机理;然后,提出一种IES静态安全控制策略,在保证系统负荷供应的前提下,对IES越限元件基于参数灵敏度矩阵计算压缩机出口压力及燃气轮机出力的控制量,进而调整控制元件的运行状态使其满足IES安全运行要求;最后,通过IES 4-12算例对所提方法进行分析、验证,结果验证了所提方法的正确性和有效性。     

基于消息总线的综合能源系统时间序列潮流的协同仿真方法

综合能源系统(Integrated Energy System, IES)中存在复杂的能量耦合关系和多重扰动变量,这给多能流联合潮流计算提出了新的挑战。首先从耦合元件和耦合变量的角度,分析了运用分解法求解联合潮流的思路。然后提出了基于消息总线的电、热、气联合潮流的协同仿真架构,建立了仿真子系统之间的消息发布与订阅机制。接着,为了满足仿真子系统之间迭代的要求以及时间序列潮流计算的要求,提出了IES协同仿真的时间同步规则。最后,以一个典型的区域IES为例进行了仿真计算。结果表明,该方法能支持多能流的时间序列潮流计算,且实现了协同仿真的收敛性。     

计及相关性的电-气-热综合能源系统概率最优能量流

由电力系统、天然气系统和热力系统耦合构成的综合能源系统(IES)是"能源互联网"的重要组成部分,是构建更加经济、环保、高效能源系统的必经之路。该文提出了一种计及相关性的电-气-热IES概率最优能量流计算方法。首先,以IES运行成本为优化目标,综合考虑电力系统、天然气系统、热力系统的运行约束及能量耦合约束,建立了IES最优能量流模型;针对IES中风电接入背景下的不确定性因素,并考虑其相关性,建立IES概率最优能量流模型,并采用基于Nataf变换的三点估计法对该模型进行求解。对由修改的IEEE 24节点电力系统、比利时20节点天然气系统和巴里岛32节点热力系统构成的IES进行仿真分析,仿真结果验证了该文所建立模型的可行性与有效性。     

考虑系统耦合性的综合能源协同优化

综合能源系统(IES)具有多能耦合的特点,可实现电、热、天然气等能源的综合利用,可以最大化地发挥各能源间的协同作用和互补效益。在此背景下,文中构建了一种耦合电能、热能以及天然气能的IES结构,并给出能源耦合度等定义用于IES耦合性的定量分析;建立了以成本为目标的IES优化运行模型,优化模型同时考虑了电、热、天然气网络约束;针对系统运行时的电、热、天然气耦合问题,提出一种基于拉格朗日松弛的协同优化方法,实现了IES多能源优化时的解耦处理;最后,基于71节点的IES测试系统进行仿真分析,验证了所提模型及方法的有效性,并对IES优化结果与系统耦合性的映射关系做了定量分析。     

面向区域综合能源服务的电-水联合潮流

现有关于综合能源系统潮流的研究大多以电力、热力、燃气系统耦合形成的多能系统为研究主体,而少量关于电-水联合系统潮流的研究又存在耦合方式单一、模型适应性差等问题。为此面向区域供电、供水综合服务商,提出配电网、配水网耦合形成的区域电-水联合系统的潮流模型和计算方法。提出2种用户级电-水能源集线器模型以描述终端用户综合用能行为产生的电-水关联关系;在此基础上,考虑电-水之间的泵站耦合和用户级能源集线器2种耦合方式,以及水负荷的水压特性,提出区域电-水联合潮流模型及计算方法;用2个不同规模的区域电-水联合系统验证了所提潮流计算方法的有效性,并对比分析了用户级电-水能源集线器及水负荷水压特性对联合潮流的影响。     

计及相关性的电-气互联区域综合能源系统概率多能流计算

可再生能源的规模化接入增加了电-气互联区域综合能源系统中的不确定性,同时随着电力系统和天然气系统耦合程度的加深,耦合环节负荷的波动对整个电-气互联区域综合能源系统能流产生的影响日趋显著。首先,建立基于能源集线器模型的电-气互联区域综合能源系统稳态多能流计算模型;在此基础上,考虑可再生能源出力、电力系统负荷、天然气系统负荷和耦合环节负荷的波动性,并计及电力系统负荷和天然气系统负荷间的相关性,提出电-气互联区域综合能源系统中输出状态变量半不变量的计算方法;最后使用Cornish-Fisher级数展开法来拟合输出状态变量,得到输出状态变量的概率分布。在修改后的IEEE 33节点配电网络与天然气11节点网络耦合而成的电-气互联区域综合能源系统上进行算例分析,验证了所提方法的有效性、快速性和实用性,同时分析了耦合环节负荷不同波动水平和电力系统负荷与天然气系统负荷间相关性水平对概率多能流计算结果的影响。     

综合能源系统多能流潮流计算模型与方法综述

综合能源系统对提高能源利用率、实现能源可持续发展具有重要意义。多能流潮流计算是综合能源系统规划、运行、控制的重要基础工作。为了使相关领域工作者更好地开展综合能源系统方面的研究工作,该文以综合能源系统的多能流潮流计算为对象开展综述,从计算模型和求解方法 2个角度,对当前的研究工作和进展进行梳理。首先,对多能流潮流计算问题进行介绍;然后,对电-气-热综合能源系统的多能流潮流计算模型进行分类和总结,在此基础上,对模型的求解方法进行概括和总结;最后,提出当前综合能源系统多能流潮流计算方面存在的问题,并给出一些建议。     

计及静态安全因素的电-热多能流计算方法

多能流含义为多种类型的能量流,包括能量流的相互耦合、转换和传输,例如冷、热、电、气等多种能源形式。其中以电热联供为代表的电热耦合多能流系统发展最为迅速,带来诸多效益的同时也使安全问题更加突出。文中考虑安全因素提出电-热多能流系统计算方法。建立电力网络、热力网络模型、耦合元件模型,基于安全因素考虑构建预想故障集合,采用分布式顺序潮流求解算法进行求解。针对电力网络中并网和孤岛两种运行方式进行分析,通过实际算例验证了所提算法的优越性。     

计及电-气-热综合能源系统的输配协同优化调度

具有强不确定性特征的风电渗透于各级电网,而传统的电、气、热能源系统相互分离、输配电网分级调度的运行模式难以挖掘全网资源实现全局最优的调度策略,从而影响风电的消纳能力。为此,提出了计及电-气-热综合能源系统的输配协同机组组合模型。首先,根据电-气-热IES多能耦合特性和输-配物理互联特征构建协同优化框架,确定全网统一分析和分布式优化的基本思路。在此基础上,对电-气-热三网耦合系统的输配协同优化调度进行逐层建模。然后,基于此模型,以联络线交换功率作为耦合变量,将其等效为虚拟能源站,并采用目标级联分析法实现对考虑电-气-热IES的主动配电网与输电网的解耦和分布并行优化求解。此外,针对天然气管道气流Weymouth方程的非凸性,采用增量分段方法将本文模型转换为混合整数线性规划问题。最后,以T6D2系统和T118D10系统为例,验证了所提模型和方法的有效性。     

基于最大熵原理的电-气综合能源系统概率能量流分析

随着电力系统与天然气系统间耦合程度的日益增强,能源系统间的不确定性因素对电-气综合能源系统(integrated energy systems,IES)运行状态的影响日趋显著,需在其能量流分析中予以考虑。为此,提出一种基于最大熵原理的电-气综合能源系统概率能量流计算方法。首先,考虑燃气机组和电驱动压缩机作为耦合元件,构建电力系统和天然气系统的稳态能量流模型,并提出对应的顺序求解方法;然后,基于风电和不同系统负荷的不确定性模型,提出输出状态变量半不变量的计算方法;在此基础上,基于最大熵原理法计算得到不同系统中节点和支路状态量的概率密度;最后,采用IES 118-20节点和IES 2383-60节点综合能源测试系统对所提算法的准确性和有效性进行分析验证,结果表明,所提算法可实现电–气综合能源系统概率能量流的快速准确计算。     

电-气互联综合能源系统安全分析与优化控制研究综述

综合能源系统为提高能源利用效率、多能互补及构建低碳可持续能源系统奠定了基础,然而值得注意的是,深度耦合的多能源系统亦面临着不可忽视的运行风险,尤其当耦合系统之间缺乏有效的协同安全控制策略。鉴于此,综述了电-气互联综合能源系统安全分析与优化控制研究,介绍了电-气互联综合能源系统稳态与暂态潮流模型,包括非线性、线性及凸松弛模型;介绍了电-气互联综合能源系统安全分析研究,包括状态估计、安全评估、可靠性分析及韧性分析;介绍了电-气互联综合能源系统优化控制研究,提出了多时段滚动预防与校正控制模型;展望了电-气互联综合能源系统安全分析与优化控制未来可深入研究的方向。     

基于多能流解耦算法的综合能源系统N-1静态安全分析

综合能源框架下,各能源子系统间的能量交互更加频繁,多能流协同运行在提高运行能效的同时,也使传统面向单一能源子系统的安全性分析方法难以适用,有必要针对电—气—热的综合能源系统静态安全问题进行深入分析。首先,建立含电、气、热的综合能源系统数学模型,计算综合能源系统静态多能流;其次,针对综合能源系统耦合元件提出互济控制模式和保护控制模式两种控制模式;在此基础上,建立预想事故集,对综合能源系统进行静态N-1安全校核;通过分析综合能源系统的静态N-1安全校核结果,探究耦合元件退出运行以及耦合元件不同控制模式对综合能源系统运行安全性的影响;最后,通过IES 14节点测试系统算例对所提出的综合能源系统N-1静态安全分析方法的准确性和有效性进行了分析、验证。     

阶梯式碳交易机制下计及电-气-热综合能源系统需求响应优化运行

随着能源耦合的发展及我国碳市场的不断完善,传统电力需求响应已经不能满足双碳背景下多能耦合综合能源系统（IES）的发展现状。为了更深入地挖掘需求侧响应在节能减排中的作用,本文提出一种阶梯式碳交易机制下计及电-气-热IES需求响应的优化运行模型。首先将负荷分为价格类和替代类,分别建立价格替代和热能替代需求响应模型;其次考虑IES参与碳交易市场,结合热电联产机组（CHP）和燃气锅炉（GB）的实际碳排放量,引入阶梯式碳交易机制引导IES控制碳排放;最后以购能成本、阶梯式碳交易成本与运维成本之和最小为目标函数,建立电-气-热IES优化运行模型,并通过四种场景对所建立的模型进行验证。通过对需求侧响应负荷占比及阶梯式碳交易基价和区间长度的分析发现,合理地分配价格型、替代型负荷占比,以及碳交易基价和区间长度,有利于提升系统运行的经济性。     

基于时间序列与耦合分析的区域综合能源系统多能潮流计算方法

由于区域综合能源系统中存在电、热等难以耦合分析的多种能源潮流,提出基于时间序列与耦合分析的区域综合能源系统多能潮流计算方法。首先,利用时间序列分析该系统的调频特性,获取该系统的运行频率,并构建区域综合能源系统稳态网络模型。然后,分别计算电力系统与热力系统潮流,并通过电热耦合分析,得到该系统多能潮流计算结果。最后经实验验证：该方法可以精确计算热力系统中不同管道的供热温度与回热温度,还能够计算得出电力系统运行时的电压、有功功率与无功功率,实现较为全面的多能潮流计算。     

考虑碳-绿证耦合机制的电-气-热综合能源系统分布式鲁棒低碳经济调度

为了保护综合能源系统中不同运营主体的信息隐私,权衡系统运行低碳性和经济性,解决天然气网络鲁棒模型难以求解的问题,提出了考虑碳-绿证耦合机制的电-气-热综合能源系统分布式鲁棒低碳经济调度方法。考虑天然气网络和热力网络的动态特性、碳-绿证耦合机制,构建综合能源系统动态低碳经济调度模型;为了保护各网络运营商的数据隐私,根据能量耦合关系对综合能源系统解耦,建立电-气-热网络的分布式协同优化模型;在此基础上,考虑风电出力和多能负荷的不确定性,提出基于一致性交替方向乘子法的分布式鲁棒优化框架,并利用二阶锥对偶理论与交替优化方法实现含二阶锥约束和二元变量的鲁棒子问题求解。以修改的IEEE 39节点电力网络、比利时20节点天然气网络和15节点热力网络为算例进行仿真分析,验证所提方法能够在源荷不确定性条件下实现综合能源系统各网络分散自治运行,同时兼顾系统运行的低碳性和经济性。