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。     

具有电转气装置的电-气混联综合能源系统的协同规划

近年来随着天然气发电比重的不断增加和电转气(power to gas,P2G)技术的逐步成熟,电力系统和天然气系统的耦合程度随之加深,只针对电力系统的规划方法已经不能满足电-气混联综合能源系统的规划和运行需求。在此背景下,考虑热电联产(combined heat and power,CHP)机组和电转气装置,对电-气混联综合能源系统的协同规划问题做了些初步研究。首先,引入能源中心概念,其中能源载体可从某种形式转换成其他形式,如热电联产机组,并对能源中心进行建模。在此基础上,构建了包含能源中心和电转气装置等的综合能源系统的非线性模型并进行线性化处理。之后,以电-气混联综合能源系统的投资成本、运行成本以及表征可靠性的能量短缺成本之和最小为规划目标,采用基于通用代数建模系统(general algebraic modeling system,GAMS)平台的CPLEX求解器对常规发电机组、热电联产机组、电转气厂站、燃气锅炉、输电线路和天然气管道的选址定容问题进行优化,并对规划方案的可靠性以及电转气厂站消纳间歇性可再生能源的效益进行评估。最后,用综合能源模拟系统对所提出的方法做了说明。     

计及P2G和CCS的园区级电-热-气综合能源系统多目标优化

碳捕集和可再生能源利用已经成为减少碳排放的重要措施。但捕集到的二氧化碳利用方式不明确,弃风弃光现象频发,限制了上述2种措施的减排效果。文章通过耦合电转气(power to gas, P2G)技术和碳捕集系统(carbon capture system,CCS),将其扩展到园区级电-热-气综合能源系统中,建立了一种高比例可再生能源渗透水平下的经济低碳多目标优化模型,在多情景下模拟分析了该综合能源系统在某工业园区的运行效果。结果表明,该耦合能源系统排放的大部分CO₂可以被有效捕获并送往P2G装置用于合成燃气,为利用CO₂提供了新的思路,同时显著提高了系统对可再生能源的消纳能力。对P2G设备容量的敏感性分析表明,单纯增加P2G容量虽然能减少弃能率,但会增加碳排放,因此对P2G的容量规划应当综合考虑可再生能源可用量与碳排放之间的关系。     

碳-绿色证书交易机制下考虑回收P2G余热和需求响应的PIES优化调度

为进一步促进园区级综合能源系统(park integrated energy system, PIES)的可再生能源消纳和碳减排,优化园区级综合能源系统的运行总成本,提出一种碳-绿色证书交易机制下考虑回收电转气(power to gas, P2G)余热和需求响应的园区级综合能源系统优化调度模型。首先,考虑阶梯式碳交易机制和绿色证书交易制度,以促进可再生能源的消纳和碳减排。其次,引入回收余热的电转气设备,优化电-热-气耦合关系来提高系统消纳可再生能源和碳减排水平。然后,建立含可削减、转移、替代负荷的需求侧响应模型,指导用户的用能方式由高能耗、高污染向低碳、可持续转变。最后,以购能成本、弃风惩罚成本、需求响应补偿成本、阶梯式碳交易成本、绿色证书交易收益之和最小为目标,构建PIES优化调度模型。算例结果表明,该模型可以有效促进可再生能源消纳和碳减排并降低系统运行成本。     

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。     

计及P2H的电-热互联综合能源系统概率能量流分析

电转热(P2H)技术可以平抑分布式可再生能源发电功率波动,促进光伏发电的消纳与电-热互联综合能源系统的协同运行。建立了含光伏的电-热互联综合能源系统概率能量流模型,采用Nataf变换对相关非正态的光伏输入随机变量进行抽样,并与拉丁超立方采样相结合,定量评估P2H对电力系统和热力系统概率能量流的影响。实际巴厘岛的算例分析结果验证了所建立模型的有效性。在含光伏的电-热互联综合能源系统中,P2H可促进分布式可再生光伏的消纳,并有效增强系统的安全性。     

计及多能源多需求响应手段的园区综合能源系统优化调度模型

清洁能源消纳是影响园区综合能源系统（park integrated energy system， PIES）可持续发展的问题之一，基于此，文章构建了以设计峰谷分时电/热价为依托的综合型价格需求响应模型和以电转气（power to gas， P2G）、电制冷机（electric refrigerator， ER）、电锅炉（electric boiler， EB）为依托的转换型需求响应模型。首先构建了由能源供应中心和能源转换中心构成的耦合冷、热、电、气的园区综合能源系统及其交易策略；其次，在考虑综合型价格和转换型需求响应的基础上，构建了以出力、需求响应前后能量平衡等为约束条件，以系统净收益最大为目标函数的优化调度模型；然后，从经济和环境两方面构建了绩效评估指标；最后，进行了实例分析，验证了所建模型具有提高清洁能源消纳量和系统经济性的作用。     

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.     

计及碳成本的电-气-热-氢综合能源系统经济运行策略

为构建低碳可持续能源系统,推动我国未来能源系统转型,文章聚焦能源系统中低碳与清洁,建立了考虑经济与碳排放的电-气-热-氢综合能源系统日前调度模型。首先,在综合能源系统网络中,考虑负荷不确定性建立了电网潮流模型以及热网、气网的动态潮流模型。在能量转换设备中考虑到氢能的清洁、高效、安全等优点,引入电转氢(power to hydrogen, P2H)设备和氢储能设备。考虑到燃气轮机、燃料电池等余热浪费,引入有机朗肯循环(organic Rankine cycle, ORC)余热发电将剩余热能转化为电能,提高能源利用效率。其次,考虑以系统运行成本和环境成本为目标函数,给出电-气-热-氢的综合能源系统最优运行调度方案。最后针对多种优化运行模式进行仿真分析,结果表明,文章提出的电-气-热-氢综合能源系统优化运行策略能够有效保证运行的经济性和环保性。     

P2X技术进展及其参与电力系统运行优化模拟研究

电转气(power to x,P2X)是电能向热、冷、气等能源形式转换的前沿技术理念.从P2X的基本概念出发,对P2X技术体系进行了综述,评价了各类主要技术的经济性与发展潜力,提出了电力系统视角下P2X的角色与价值.进而构建了考虑P2X灵活性负荷的电力系统运行模拟优化模型,并以华北地区远景目标年为场景,对电采暖、电制氢...     

考虑P2G的多能源系统优化运行研究*

电转气技术(P2G)的出现给多能源系统中风电消纳问题带来了新的解决方案,而目前P2G设备的运行成本的高昂又与实现充分的弃风消纳存在矛盾。基于此,文中在考虑P2G设备运行成本的基础上,提出了一种计及分段弃风成本的多能源优化运行模型。首先,本文基于能源中心的概念,分析了包含P2G设备等多种能源转换装置在内的多能源系统模型。以能源系统供能成本最小为目标函数,并在目标函数中考虑了计及分段弃风惩罚因子的风电弃风成本,采用变惯性权重w的粒子群算法进行求解,对24h时间段内多场景下系统风电消纳情况、系统供能成本变化进行分析。结果表明,多能源系统中利用P2G设备可以提高风电利用效率,减少系统供能成本,综合效益显著。     

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。     

An integrated multi-energy flow calculation method for electricity-gas-thermal integrated energy systems

The modeling and multi-energy flow calculation of an integrated energy system (IES) are the bases of its operation and planning. This paper establishes the models of various energy sub-systems and the coupling equipment for an electricity-gas-thermal IES, and an integrated multi-energy flow calculation model of the IES is constructed. A simplified calculation method for the compressor model in a natural gas network, one which is not included in a loop and works in constant compression ratio mode, is also proposed based on the concept of model reduction. In addition, a numerical conversion method for dealing with the conflict between nominal value and per unit value in the multi-energy flow calculation of IES is described. A case study is given to verify the correctness and speed of the proposed method, and the electricity-gas-thermal coupling interaction characteristics among sub-systems are studied.     

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。     

电-气互联系统预测-校正型仿射能流算法

综合能源系统能流耦合渐趋紧密,与此同时可再生能源和负荷需求的强不确定性对系统能流分析提出了挑战。因此,提出一种电-气互联系统(IEGS)仿射型区间能流算法,在仿射能流计算结果中保留噪声元特征,通过噪声元系数分析各独立不确定因素对系统状态变量的影响程度。建立电、气子系统仿射模型及能流方程。提出基于域收缩思想的IEGS预测-校正型仿射能流算法,根据灵敏度对状态量的解域进行保守的预测,并构建优化模型对解域进行压缩校正。同时,采用多能流分布式迭代方法进行求解,其无须考虑复杂耦合网络中的多能流计算顺序。最后通过仿真验证了所提方法在保守性、计算效率方面的优势,并量化分析了不确定因素对系统状态量的影响。     

基于web技术的P2P系统计算力模型

通过研究已有P2P系统的特性,采用基于web技术的方法,从分析系统计算力入手,提出基于web技术的P2P系统计算力模型,论述该模型的体系结构和关键问题及性能优点,主要解决如何提高P2P系统的计算力的问题.     

考虑灵活性供需平衡的含电转氢综合能源系统鲁棒优化调度

高比例新能源含电转氢综合能源系统中,新能源不确定性对系统产生较大冲击与影响,系统灵活性充裕度成为必须考虑的因素。因此,提出一种考虑灵活性供需平衡约束的含电转氢综合能源系统鲁棒优化调度方法。建立含电转氢综合能源系统各类灵活性资源供需模型,对各类灵活性资源调节能力进行了描述。采用鲁棒优化中基数性不确定集合方法描述风电预测误差,将风电预测误差和经济调度决策者视为博弈的竞争。依据零和博弈理论,建立计及灵活性供需平衡的含电转氢综合能源系统鲁棒优化模型。在鲁棒优化的基础上,分析了系统内新能源不确定性及灵活性供需平衡对于系统的影响。对东北某实际含电转氢综合能源系统的仿真分析表明,所提方法可有效应对风电出力的不确定性,兼顾系统的经济运行和灵活性。     

基于电热耦合潮流的综合能源系统风险评估方法

安全可靠是综合能源系统的基本要求,为保障综合能源系统的供能可靠性,开展其风险评估研究具有十分重要的意义。文章首先建立考虑蒸汽网络的电热耦合潮流计算算法,接着设计考虑运行侧与用户侧的综合能源系统风险评估指标体系,最后提出基于电热耦合潮流的综合能源系统风险评估流程。算例结果表明,文章所提出的风险评估指标及分析方法可以有效识别多能流系统的整体风险。     

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。