考虑电转气的电-气耦合系统协同优化规划方法

以燃气机组和电转气(P2G)设施构成的电力-天然气耦合系统提高了不同能源系统的互动性。为实现规划年耦合系统的安全经济运行,文中提出了以年投资成本、年运行成本之和最小为目标的考虑P2G的电-气耦合系统优化规划方法。该优化方法可得到规划年燃气机组、P2G厂站、电力线路、燃气管道的投建状态和典型日燃气机组、P2G厂站的最优出力。然后,基于所提方法对7节点天然气和9节点电力系统进行不同场景的建模计算。最后,免疫算法解算结果表明,P2G厂站位置的合理规划可降低天然气网络管道的建设成本,燃气机组和P2G厂站的出力调整可降低系统的运行成本。     

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。     

考虑天然气-电力耦合的多能源系统风电消纳分析

燃气-蒸汽联合循环机组将电热冷气等多种能源系统耦合成多能源系统,电转气(P2G)技术应用于消纳弃风,进一步加强了电力与天然气2个系统间的耦合。文中探讨了P2G的消纳弃风原理,研究了P2G设备的启停控制策略,并建立了基于P2G的气电耦合模型和天然气管网储气模型,构建了考虑天然气-电力耦合运行的多能源系统协同优化调度模型。最后通过算例仿真,分析了计及天然气-电力耦合的多能源系统的消纳弃风效果,以及天然气管网储气能力与P2G配置容量的关系。研究表明,充分利用天然气管网的储气能力可进一步消纳弃风,且管网储气能力越强,系统配置的P2G容量可越小。     

计及风电出力随机特性的电-气综合能源系统随机优化

不断成熟的电转气 （power to gas, P2G） 技术和燃气机组为电力系统和天然气系统的双向耦合和闭环运行, 进而形成电-气综合能源系统 （integrated electricity-gas energy system, IEGES） 奠定了基础。IEGES的发展有助于提升电力系统和天然气系统运行的灵活性, 并为消纳风电等间歇性可再生能源发电提供新途径。在此背景下, 研究了含P2G装置和燃气机组的IEGES的随机优化策略。首先, 构建了计及风电出力随机特性的IEGES随机优化模型, 以运行成本最小化为优化目标, 并考虑了电力系统和计及管存影响的天然气系统的相关运行约束。其中, 利用快速搜索密度聚类算法对历史风速数据进行场景聚类, 以处理风电出力的随机特性。然后, 采用AMPL/IPOPT商业求解器求解所建立的随机优化模型。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IEGES为例, 对所构建的优化模型和采用的求解方法进行说明。     

含电转气过程的电-气网络联合优化运行

面对可再生能源发电的间歇性问题,电转气(Power-to-Gas,P2G)技术可将短期过剩电能转化为气体燃料,利用现有天然气网络进行储存、传输和再利用,为可再生能源的大规模消纳提供新的方式。另一方面,P2G技术的应用可引导电力系统和天然气系统的进一步融合,推动安全经济、清洁高效的未来能源体系的建立。本文针对含P2G过程的电-气互联系统,在综合考虑系统运行的能量流平衡、能量转换限制及天然气管网储气要求等约束的基础上,以提高可再生能源利用和系统运行经济性为目标,提出了含P2G过程的电-气系统联合运行优化模型。通过算例研究,验证了所提模型的有效性,分析了P2G过程对电-气系统联合运行的影响,并展示了其在提升系统可再生能源消纳方面的潜力。     

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。     

一种考虑天然气系统动态过程的气电联合系统优化运行模型

由于环境污染和能源短缺问题的凸显,天然气-电力耦合形成的多能源互联系统因其清洁、高效引起了众多关注。然而天然气系统运行和电力系统运行属于2个不同的时间尺度,其耦合系统运行须考虑这一因素的影响。针对这一问题,推导了天然气系统动态潮流方程,考虑气电联合系统双边能量转换关系,建立了耦合系统的多时段优化运行模型,并在一定假设情况下,对模型进行了合理的线性化处理,使得该模型可以很好地反映耦合系统中天然气侧系统的动态过程,且能适用于大规模问题求解要求。最后通过仿真算例验证了所提模型的合理性和有效性。     

基于PSO-Newton法的电-气综合能源系统能流计算

在全球能源形势日趋严峻的情况下,传统单一的电力系统能源结构已经无法满足发展的需求。随着电解制取天然气(P2G)技术及燃气轮机技术的迅速发展,电力系统与天然气系统的联系变得紧密起来。能流计算作为电-气系统耦合分析的基础与关键,对其研究显得尤为重要。文中首先分析了电力系统与天然气系统数学模型,针对牛顿(Newton)法中较难解决天然气系统对压力初值的选取问题,提出利用粒子群(PSO)算法对压力初值进行优选;然后利用Newton法顺序求解电-气综合能源系统(IES)的能流;最后在由IEEE 14节点配电系统和14节点天然气系统组成的电-气耦合系统中验证了所提方法的可行性和准确性。     

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.     

考虑液化天然气供应风险的气电联合系统运行分析

天然气是一种重要的清洁能源,燃气机组在电力系统运行中也具有非常重要的作用。随着国际液化天然气(liquefied natural gas,LNG)贸易的快速增长,LNG接收站作为一种新型气源的比例也将持续增加。尽管有一些研究工作考虑了天然气-电网系统的联合协调优化,但其并未考虑LNG气源在供应上的特殊性。LNG受到船运、LNG储罐等条件的影响形成供应风险,而这种风险也将影响到天然气-电网联合系统在多日(周、甚至月)运行计划上的安排。为此,构建了一个以多日为优化周期的气电联合系统运行模型,考虑了天然气系统与电力系统的协调耦合,对LNG的气源供应风险进行了建模分析,并提出了在不同供应场景下的目标函数构建方法;以比利时20节点天然气系统和IEEE-39节点电力系统为基础构造算例,验证了所提出模型的有效性,并对气电联合系统在不同LNG供应场景下的运行方式与效益进行了全面的分析。     

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。     

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。     

弃风参与电网调频的电转气-储气-燃气轮机容量优化配置

电转气(P2G)技术为消纳可再生能源提供了新的途径,然而,投资成本高、经济性较差的问题限制了P2G技术的应用与发展。为实现弃风资源的消纳与P2G经济性的提升,首先提出通过P2G技术用弃风生产天然气,经储气罐存储并通过燃气机组(NGGU)发电参与调频的运行场景,并提出了各装置的协调运行策略。其次,根据上述运行策略,构建了P2G、储气罐、NGGU参与调频过程的成本–收益模型,以最大化净收益为目标实现各装置的容量优化配置。最后,以某风电场实际弃风、某自动发电控制(AGC)机组实际下发指令为参考,利用粒子群优化算法进行规划计算。结果分析了利用风电场弃风与P2G技术在P2G、储气与NGGU容量优化配置下参与电力市场调频辅助服务经济性与可行性。     

基于并行ADMM的分布式电-气能量流多目标协同优化

在能源互联网的背景下,电力系统与天然气系统互联以实现能量双向流动,此时对电-气耦合系统的电-气能量流进行协同优化很有必要。同时,为协调电力系统与天然气系统在多个目标下的矛盾冲突,需考虑如何实现多目标下系统最优调度运行。针对以上问题,并考虑到电力系统与天然气系统通常隶属于分布自治的经营主体,文章提出一种基于并行交替方向乘子法(Alternating Direction Method of Multipliers,ADMM)的分布式电-气能量流多目标协同优化算法,利用分解协同交互机制实现电力流与天然气流的分布式多目标并行优化,并针对算法的原理、收敛性能以及相关参数对算法的影响对该算法进行深入探讨。最终,在基于IEEE 39节点电力网络和Belgian 20天然气网络搭建的电-气耦合能源系统上进行仿真测试,仿真结果验证了所述算法的有效性     

考虑电转气消纳风电的电–气综合能源系统双层优化调度

电转气(power-to-gas,P2G)技术使电力网络与天然气网络的单向耦合转变为双向耦合,其运行特性为风电消纳提供了有效途径。该文提出一种考虑电转气合理利用弃风并考虑天然气系统优化运行的电力–天然气综合能源系统双层优化调度模型。首先,介绍含电转气的天然气系统运行模型;其次,以基于价格的含电转气的天然气系统优化调度为上层模型,基于直流潮流的含风电和电转气的电力系统经济调度为下层模型,构建电–气综合能源系统双层调度模型;再次,根据下层模型的Karush-Kuhn-Tucher(KKT)条件将双层模型转化为单层模型,并对非线性方程进行线性化,从而将非线性模型转化为混合整数线性规划(mix-integerlinear programming,MILP)问题,并调用CPLEX求解器进行求解;最后,通过算例分析验证所提出模型的合理性与有效性,并证明电转气可以有效提高电网的风电消纳能力。     

考虑能源重复转换的综合能源系统经济运行

在综合能源系统中引入电转气（power to gas,P2G）设备加强了电力和天然气网络间的耦合,减少了弃风弃光现象,但也使可再生能源在进行优化调度时发生能源重复转换,降低用能效率,产生能源损耗。在此背景下,提出了一种减少能源重复转换的双层优化调度模型,引入KKT条件将双层模型转化为单层模型,优化得到了协调各转换设备的调度运行计划及系统最小运行成本。在算例中采用4种不同的典型场景对系统进行验证,结果表明：所提优化调度模型能够在提高可再生能源消纳的情况下,降低系统运行成本,提高用能效率,与未考虑能源重复转换的传统调度模型相比经济性有显著提高。     

含电转气的电-气-热系统协同调度与消纳风电效益分析

电转气技术的应用加深了电力网络与天然气网络之间的耦合,使这2个系统之间的能量流动由单向变为双向。电转气技术提升了多能源系统优化运行的灵活性,为电力系统消纳间歇性可再生能源发电提供了新途径。在此背景下,提出了一种含电转气设备的电-气-热多能源系统优化调度模型,并分析了消纳风电的经济效益。首先,介绍了电转气技术及其应用情况,以及能源中心的概念和数学模型。之后,在考虑电转气设施、电力系统和天然气系统特征的基础上,建立了多能源系统的优化调度模型,并利用AMPL/IPOPT求解器求解。最后,用算例系统对所构造的多能源系统优化调度模型和采用的求解方法做了说明,并分析了电转气技术对提升电力系统消纳风电能力所产生的经济效益。     

极端事件下电力-天然气耦合系统故障连锁传播仿真分析

随着能源转型的不断推进,电力系统和天然气系统通过燃气机组和天然气电力驱动设备紧密双向耦合。非常规灾害下,两系统的双向耦合可能导致故障跨能源系统传播,加剧停电危机。2021年2月,美国得州因极寒天气引发了故障在电力系统和天然气系统间连锁传播现象,造成了巨大的损失和恶劣的社会影响。首先,文章从电力-天然气耦合的视角下,对得州大规模限电事件的原因进行分析。其次,构造了电力-天然气耦合系统案例,采用基于事件触发的信息交互模式,通过联合仿真对极端事件下故障跨系统传播进行分析,以期直观体现非常规事件下电力-天然气耦合系统的故障传播过程。最后,提出了一种故障阻断策略。通过仿真分析表明,所提方法可有效抑制故障传播,增强系统的防御力。     

含P2G和混合电储能的矿山综合能源系统多目标优化调度

为了提高分布式光伏消纳能力、优化矿山能源利用效率,提出一种基于电转气(P2G)技术和煤层气发电技术的光-储-气-废弃矿井抽蓄多能耦合矿山综合能源系统(MIES),该系统将弃光电量通过电解水制CH4作为煤层气发电的补充,并采用混合电储能平抑光伏出力波动.在对多能耦合MIES进行分析的基础上,构建矿山电、气、热、冷不同能源转换装置的数学模型,并以总运行成本和弃光电量最小为目标,建立MIES协调优化调度模型.不同运行场景下的调度结果表明,所提模型能实现协调调度,提高弃光电量的消纳,降低总运行成本.对不同储能模式下P2G和混合电储能装置之间互补协调能力的分析结果表明,所提模型能提升系统运行灵活性,实现能源最优经济利用.     

考虑季节互补特性的电–气综合能源系统容量规划EI北大核心CSCD

冬季天然气供应紧张问题已愈发严峻,同时风电在冬季的消纳问题也成为风力发电并网的瓶颈之一,亟需探索季节储能措施。分析温带季风气候地区中电力系统和天然气系统在春秋、夏、冬3种典型季节场景下的季节互补特性及其运行特征,剖析其中可以挖掘的耦合效益,提出一种考虑季节互补特性的电-气综合能源系统电源容量规划方法,以投资成本、运行成本、弃风成本的总成本最小为目标,细化天然气结算方式,使用内嵌模拟运行的方式模拟电-气耦合系统在季节和日内2个尺度上出力和负荷特征的耦合。经修改后的IEEE39节点电力系统和比利时20节点天然气系统组成的测试系统,验证了所提规划模型可以利用季节互补效益促进新能源消纳和提升系统运行效率,达到季节性“储能”的效果,并分析了风电渗透率和气价水平波动对规划结果的影响。