电-气综合能源系统能流计算的改进方法

综合能源系统框架下,电力和天然气系统紧密耦合,有必要开展电-气综合系统的能流计算。现有电-气综合系统能流计算方法多以Newton法为核心算法,对初值依赖性强,而现有研究并未有效解决天然气系统的初值问题;此外,现有研究对电-气互动特性的分析亦不充分。为此,该文提出从能流算法和互动特性两个方面改进现有研究。算法方面,结合遗传算法(GA)的全局搜索和Newton法的局部搜索能力,提出电-气综合系统能流计算的混合GA-Newton法;互动特性方面,考虑燃气机组和P2G两种耦合方式,提出"以气定电"和"以电定气"两种电-气互动模式。分别用14节点天然气系统以及IEEE-57节点系统和14节点天然气系统构成的电-气综合系统两个算例验证了所提改进方法对电-气综合系统能流计算和互动特性分析的有效性。     

基于BFGS信赖域算法的电-气综合能源系统能流计算

电-气综合能源系统能流计算的计算方法多为牛顿法,具有初值敏感性问题,若初值选取不当会造成计算不收敛。现有研究中天然气系统(natural gas system, NGS)的计算初值选取问题还未有适用的解决方法。从能流算法方面入手,提出基于BFGS信赖域算法的电-气综合能源系统能流计算方法,利用BFGS(Broyden-Fletcher-Goldfarb-Shanno)信赖域算法对初值依赖性不高特点,求取NGS的能流分布,解决使用Newton法进行计算时潮流计算容易不收敛的问题。基于6节点天然气系统和19节点电-气综合能源系统的算例,验证了方法的准确性和有效性     

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...     

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。     

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。     

含DFIG风电场电-气耦合系统的概率连续混合潮流方法及其负荷裕度分析

针对含双馈感应式风机(DFIG)风电场电-气耦合多能流系统的最大负荷裕度及其耦合影响问题,考虑天然气管网的动态特性,建立考虑DFIG稳态模型和能源路由器(EH)的含参连续混合潮流模型;采用随机响应面法(SRSM)拟合DFIG出力,结合预估-校正及电-气系统耦合交替迭代获取电力系统负荷节点的有功功率-电压曲线、天然气系统流量-气压曲线及其负荷裕度期望值;定义电压-负荷、气压-流量灵敏度,可分别跟随电力系统负荷节点有功功率-电压曲线、天然系统气流量-气压曲线的获取,定义电-气耦合环节中天然气系统节点压强-EH节点注入电功率和电力系统节点电压-EH节点天然气注入流量灵敏度,从而定量评估电-气耦合下电力系统、天然气系统和电-气耦合环节的薄弱节点及EH耦合程度。含DFIG风电场的IEEE 14节点电力系统和22节点天然气系统通过11个EH耦合而成的电-气系统的算例仿真结果验证了所提模型、算法和所定义负荷裕度灵敏度指标的正确性和有效性。     

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。     

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。     

缓减电压暂降影响的电-气综合能源系统储气装置选址定容方法

针对电力系统故障导致的电压暂降通过电-气耦合设备对系统造成多次影响的问题,提出了一种缓减电压暂降影响的电-气综合能源系统储气装置选址定容方法。分析了电力系统发生电压暂降事件对电-气综合能源系统的影响;基于灵敏度分析提出了天然气系统储气装置选址方法;综合考虑投资成本与效益,以安装储气装置后效益的最大值为目标函数,确定储气装置最佳配置方案。通过对由IEEE 14节点电力系统和11节点天然气系统构成的电-气综合能源系统进行算例分析,验证了该缓减方法的正确性与有效性。     

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。     

考虑电-气耦合综合能源需求响应的电网调度决策方法研究

随着天然气发电的迅速发展,天然气网络与电力网络愈发耦合。天然气存储运营商作为天然气市场的参与主体之一,拥有存储、释放天然气的能力,在综合能源系统中可以实现对电网的跨网支持。然而,目前尚缺乏考虑电-气耦合综合能源需求响应的电网调度决策方法。建立了一种考虑电-气耦合综合能源需求响应参与电网运行的调度模型,该模型分别以电气双网连接点燃气机组最大出力可减少量以及跨网响应资源成本最优为目标函数,计及电网负荷平衡、储气成本等约束,为电气双网跨网资源的调度提出了一种新的机制与方法。     

考虑不确定性的综合能源博弈规划

随着电力系统与天然气系统的耦合性不断增强,以电网为核心的综合能源系统应运而生。然而在不确定条件下,当前规划方法仍无法保证各厂商的利益最优,因此本文提出了基于非合作博弈论的电-气系统的协同规划方法。首先,以各能量单元和电、气网公司作为独立的利益团体,以其年净收益最大为优化目标,建立电-气综合系统中风电机组,燃气机组、电转气机组、输电线路和天然气管道的综合非线性规划模型。针对风电、负荷的不确定性,以及经典两阶段鲁棒优化的保守性问题,提出了一种改进的两阶段鲁棒优化方法——期望场景最优,任意场景可行。最后,以修改的IEEE39节点电力系统与比利时20节点天然气系统构造电-气网络,验证了模型及算法的有效性。     

基于加权最小绝对值的电-气综合能源系统抗差状态估计

天然气可大规模存储的特性及电制氢技术的支撑使得电—气综合能源系统受到了国内外的普遍关注。为实现对电—气综合能源系统的全面、实时和精确感知,需要构建电—气综合能源系统状态估计(IES-SE),而IES-SE依赖于电—气耦合模型建模、压缩机支路建模及电—气两种能流的联合估计建模。在电—气耦合模型建模方面,引入了燃气轮机和电制氢机组以考虑电—气两种能流的双向转化;在压缩机支路建模方面,提出一种新的压缩机约束模型,不仅可考虑压缩机元件对气压的约束,也可考虑燃气压缩机的耗气量。在此基础上,构建了基于加权最小绝对值的电—气综合能源系统抗差状态估计模型,并给出了其求解方法。仿真算例验证了所提出的电气耦合模型、压缩机支路模型及电—气IES-SE的有效性。     

基于统一潮流建模及灵敏度分析的电-气网络相互作用机理

随着燃气轮机和电转气技术的发展,电网和天然气网的耦合程度不断加深,两者之间的相互影响受到了密切关注。从潮流算法与灵敏度分析两方面针对现有电-气网耦合机理研究的不足进行改进。首先,建立了电网-天然气网统一潮流模型,并采用变量压缩的方法简化了方程维数,基于管存模型考虑了天然气传输的慢时间尺度特性。同时,为避免传统牛顿法应用于天然气网潮流求解对状态初值选择的敏感性,提出采用牛顿下山法对统一潮流模型进行求解。其次,基于灵敏度分析并以电-气耦合节点气压-注入功率灵敏度为关键表征量,提出用于电网-天然气网耦合作用机理分析的综合灵敏度指标,以期为2个网络联合运行提供决策帮助。算例分析验证了所提算法的有效性,综合对比探究了燃气轮机和电转气耦合环节下电网-天然气网的相互作用特性,并验证了天然气网的管道存储特性在应对系统扰动时的积极作用。     

计及供气充裕性的电-气互联综合能源系统低碳经济调度

在发展能源互联网和低碳电力背景下,综合能源系统成为节能减排的重要支撑技术,随着电力和天然气系统耦合程度不断加深,天然气供气充裕性对系统影响越来越大.在此背景下,提出一种计及供气充裕性的电-气互联系统优化调度模型,采用气荒因子协调机组调度,建立以系统运行成本、环境污染、弃风光量以及失负荷成本为目标的优化调度模型.通过算例结果分析证明了电-气互联综合能源系统中计及天然气系统供气充裕性的必要性,验证了所提模型可以实现系统可靠、低碳、经济运行的目标,同时表明P2G技术能够消纳过剩新能源,实现互联系统总体经济最优.     

考虑天然气系统初值优化的综合能源系统改进多能流计算方法

多能流计算是综合能源系统规划和运行等工作的重要基础,目前基于牛顿-拉夫逊法的多能流求解算法对初值依赖性较强,且天然气系统的初值给定缺少有效方法。首先,在天然气系统稳态能流模型基础上,基于分段线性化方法构建了天然气管道流量方程的线性化模型;在此基础上,建立了天然气系统初值优化模型以获得优良的初值,模型中采用线性化后的管道流量方程以简化模型复杂度;最后,结合传统的牛顿-拉夫逊法,提出了考虑天然气系统初值优化的综合能源系统改进多能流计算方法及计算流程。在2个规模不同的综合能源系统上进行算例测试,仿真结果验证了所提方法能有效改善算法的收敛性和收敛速度,对于规模较大的系统效果更为显著。     

电-气互联综合能源系统多时段暂态能量流仿真

考虑到气网的慢动态特性,研究了电-气互联综合能源系统的多时段暂态能量流仿真,其中电网采用稳态潮流模型,气网采用暂态能量流模型。运用隐式有限差分法将天然气系统暂态能量流方程转化为非线性代数方程组,然后用牛顿法求解以非线性代数方程组描述的综合能源系统的多时段暂态能量流方程。同时,计及了电力系统与天然气系统2个层面的耦合,即燃气轮机与电转气(P2G)技术。最后,基于修改的IEEE 24节点电力系统和比利时20节点天然气系统,计算其多时段暂态能量流。仿真结果表明,在短时间尺度研究中,天然气系统的稳态模型与暂态模型的计算结果存在显著差异。除此之外,还定量评估了P2G对风电消纳的积极影响。     

考虑天然气季节性存储的综合能源系统年度运行方式研究

为研究电气耦合日益加深的综合能源系统中能量供给的充足性和安全性,需要对其年度运行方式进行仿真。提出一种多时间尺度的综合能源系统年度生产模拟方法,考虑天然气存储等季节性波动因素,优化电气耦合系统年度运行方式,在因清洁供暖而导致天然气消耗大幅增加的算例系统中对该方法进行验证,同时评估大规模季节性天然气存储对综合能源系统年度运行方式的影响并给出建议。在此基础上,分析冷热电联产装置逐渐增加的装机量对电气耦合系统的影响。结果表明：冷热电联产机组可以降低季节性天然气存储装置的工作强度,包括减少工作时间以及降低存储量。造成这种影响的主要原因是三联供机组的制冷模式与电制冷相比效率更高,减少了天然气消耗量。     

电-气互联系统建模与运行优化研究方法评述

基于燃气轮机和电转气(P2G)双向耦合的电-气互联系统(IEGS)是实现高比例可再生能源消纳、提升终端能源利用效率的重要载体。首先,基于电力-天然气流传输特性的对比,阐述了IEGS的内涵及其优势。其次,介绍了IEGS中耦合新设备——P2G的技术原理和建模方法。进一步,围绕IEGS能流建模求解和优化运行调度2个维度,总结综述了相关技术的研究进展。关于优化运行调度的研究进展,主要从基础调度模型、计及系统随机性、计及能流差异性、计及运营管理机制、模型非线性处理方法等5个方面展开论述。最后,对未来IEGS建模和运行优化的研究进行了展望。