基于可分离热电燃气轮机模型的电-气-热联合系统调度运行研究

在电-气-热综合能源系统(Intergrated Power、Gas and Heat Energy Systems,IPGHES)中,利用电力、热力和天然气的互补特性可以提高综合能源中可再生能源的消纳能力.电力系统、热力系统和天然气系统通过热电联产、电转气等设备互相耦合,文中采用可分离热电燃气轮机模型并计及了电转气技...     

计及双向耦合的气–电综合能源系统全动态多速率联合仿真算法研究

高效与低碳的能源利用目标促使电力系统和天然气系统耦合日益紧密,形成区域内能源生产、分配、消费一体化的综合能源系统。为明晰各能源子系统动态过程相互影响,改善系统控制能力,相关研究从稳态分析逐步深入到动态过程。然而,不同系统动态特性、时间常数、建模分析方法等显著差异给综合能源系统的动态过程仿真、控制策略验证等环节带来了巨大挑战。为有效揭示电网与气网运行中动态过程耦合机理,该文以能量双向耦合的气–电综合能源系统为研究对象,首先在天然气网络稳态潮流计算的基础上,采用特征线法进行动态过程的数值求解;随后以燃气轮机和电转气为接口建立双向耦合环节动态模型,并提出气–电综合能源系统全动态多速率联合仿真算法;最后通过两种典型动态场景对气–电双向耦合模型和仿真算法进行验证,结果表明,该模型和算法可以有效反映不同动态过程中气、电子系统之间的相互影响,为综合能源系统动态过程研究提供有利手段。     

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。     

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。     

基于多目标的气电互联综合能源系统规划研究

近年来,天然气发电的普及率不断提高,而快速发展起来的电转气(power to gas,P2G)技术也更加促进了电力系统与天然气系统之间的耦合.本文研究了基于多目标的气电互联综合能源系统规划,建立了气电互联综合能源系统耦合模型,并进一步提出了气电互联能源系统协同规划模型.本文采用了多个目标来表征气电互联综合能源系统的可靠性与经济性,建立了以投资成本最少、运营成本最经济、能源短缺成本最少和需求侧用户补偿成本最低为目标的多目标优化模型,在模型求解时,采用了加权系数法将多目标规划转化是单目标规划.通过算例分析证明了该气电互联能源系统协同规划模型在经济性和集成系统可靠性等方面的有效性.     

电-气-储区域综合能源系统协同规划方法研究

为发挥储电和储气在区域综合能源系统中的作用,在规划时充分考虑储能的投资建设,提出了电-气-储区域综合能源系统协同规划方法.首先,建立了电-气-储系统的能源集线器结构;然后,以电-气-储系统扩建成本最小为目标,建立系统内储电、储气、电网络拓扑、气网络拓扑和P2G的数学模型,提出在已有电-气耦合综合能源系统基础上扩建储能、电力线路和天然气管道的协同规划模型;引入辅助变量将原始难以求解的模型转化为混合整数线性规划模型,并调用CPLEX求解器求解.最后,通过浙江省实际数据验证了电-气-储系统协同规划的经济优势.分析表明,储电和储气的接入能够减轻系统压力,优化设备选型.     

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。     

考虑氢能-天然气混合储能的电-气综合能源微网日前经济调度优化

在可再生能源渗透率的快速增长背景下,构建电-气综合能源系统具有重要的经济和环保意义。传统电-气综合能源系统模型对电转气(power to gas,P2G)过程处理过于简化,且环保效益考虑不充分。在电-气综合能源系统中,提出带有中间缓冲环节的P2G实现系统—氢能-天然气混合储能系统(hydrogen-gas energy storage system,HGESS),将P2G过程细分为电转氢和电转天然气,并分别与燃料电池和微型燃气机形成高效型和能量型两阶段电-气-电的能量闭环流动圈。然后将HGESS与微网结合,提出计及P2G过程能量转换损失和环境成本的日前经济调度优化模型。算法中分别采用分段线性化和二阶锥松弛方法,对电网潮流和天然气网络潮流非线性边界做线性化处理。最后在算例中采用高、低风电并网渗透率两种场景,结果证明所提HGESS在高、低渗透率下的电-气综合能源系统都具很好的经济性和环保性,具有广阔的应用前景。     

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。     

考虑精细模型的电-气综合能源系统优化运行方法

随着电力系统与天然气系统耦合程度的不断加深,电-气综合能源系统的优化运行成为当下研究热点。然而,电力与天然气系统的非凸非线性为模型的优化求解带来了巨大挑战,诸多研究工作对模型做了简化处理可能导致调度策略不可行。为此,文中构建了电-气综合能源系统优化模型,采用较为精细的电网交流潮流模型和气网稳态模型构成电-气综合能源系统模型,并采用粒子群(Particle Swarm Optimization,PSO)算法进行求解。为考虑复杂的耦合系统约束,文中将基于分别循环迭代的电-气综合能源系统能量流计算方法嵌入粒子群算法中,根据粒子位置得到非平衡机组出力、非平衡气井产气量,通过能量流计算得到系统的运行状态,进而将上下限约束作为罚项添加到粒子的评价函数中,并赋以较高的权重。在仿真验证中,文中将13节点电力网络与7节点天然气网络耦合作为测试系统,验证了优化方法的有效性。     

基于气网动态精细化建模的区域电-气综合能源系统机会约束最优能流计算

随着国家能源转型和“双碳”目标的逐步实施,燃气发电在我国电力系统装机中占比不断提高,日益密切的电、气耦合关系使电-气综合能源系统受到更多关注。为此,研究了考虑气网动态精细化建模对含出力不确定的分布式新能源发电的区域电-气综合能源系统运行策略的影响。提出考虑管道气流方向灵活可变的气网动态复频域建模方法,提升了电-气最优能流的计算精度;采用机会约束建立分布式新能源发电不确定性对电网和气网运行影响的模型;算例测试结果表明气网动态精细化模型可有效提升区域电-气综合能源系统对运行不确定性的应对能力。     

基于灵敏度分析的综合能源系统运行安全性的研究

基于电-气互联综合能源系统子系统间的灵敏度矩阵,探究了电-气能源子系统间的交互耦合机理,提出一种提升综合能源系统运行安全性的改善措施。首先构建电-气耦合的综合能源系统模型,采用基于扩展牛顿-拉夫逊法的交替求解法求解该综合能源系统的多能流方程;在此基础上,借助综合能源系统灵敏度分析方法计算电压幅值-燃气负荷灵敏度矩阵和天然气系统节点压力-电力系统节点有功灵敏度矩阵,定量描述电、气系统间交互耦合作用机理;然后,通过灵敏度矩阵辨识与薄弱节点密切相关的关键环节,研究提升综合能源系统运行安全性的相关措施。最后,通过IEEE 24节点和比利时20节点天然气系统耦合的IEGES-24系统算例对所提方法进行分析、验证,结果表明所提方法可应用于综合能源系统交互耦合机理揭示和运行安全性分析。     

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.     

基于时间Petri网的电-气综合能源系统薄弱环节辨识

为有效辨识电-气综合能源系统薄弱环节,防止级联性重大事故,提出一种基于时间Petri网的电-气综合能源系统薄弱环节辨识方法。利用Petri网对系统做抽象化建模,确定故障源的关联区域子系统,并构建基于级联故障路径的时间Petri网模型,描述电-气系统故障传播的动态特性和时序差异,将级联危害评价计算融入到Petri网的运行过程中,寻找引发级联失效的关键环节,以IEEE30节点和25节点天然气系统组成的电-气耦合系统仿真分析,验证所提方法的有效性。     

基于时域二端口模型的综合能源系统气网动态仿真算法

为实现能源多梯度利用并减少环境污染,气-电耦合的综合能源系统(integrated energy system,IES)逐渐占据全球能源结构的重要部分。为明晰系统运行特性并充分挖掘能源子网调度潜力,综合能源系统动态仿真研究逐渐深入。天然气网中,管道传输过程深刻影响着其动态过程。然而现有管道传输过程时域仿真算法存在着精度与效率的两难。为解决上述问题,提出一种基于时域二端口模型的综合能源系统气网动态仿真算法。首先基于特征线法,构建气网源荷节点关系矩阵,进一步给出时域二端口模型;随后参考特征线法数值格式,构建状态量空间分布矩阵,用于获取气网状态量分布,并提出基于时域二端口模型和分布矩阵的气网动态仿真算法。算例结果表明,所提出的方法具有高效率和高精度两大优势,适合于气-电耦合的综合能源系统的较长时间仿真。     

电-气综合能源系统状态估计可观测性分析

状态估计对于电-气综合能源系统的运行监视、优化调度等起着至关重要的作用。在进行状态估计前,需根据现有的量测配置对系统进行可观测性分析,以保证状态估计的正常运行。由于2系统的时间常数差别较大,一般由微分代数模型来描述两者的耦合系统。首先通过有限差分法将描述天然气动态特性的偏微分方程差分化;在此基础上对电-气综合能源系统进行可观性分析,得到了电-气综合能源系统可观测性分析的判定依据与分析步骤。最终通过算例分析验证了所提方法的有效性。     

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。     

基于气网动态代理模型的电–气综合能源系统最优能流计算EI北大核心CSCD

在电-气综合能源系统最优能流计算中,管道参数均一化假设使得物理模型难以精确刻画气网动态过程。为此,该文提出一种基于气网动态代理模型的电–气综合能源系统最优能流计算模型。基于神经网络拟合气网流量、气压关系,提取神经网络参数构建气网动态代理模型;提出基于气网最大时间常数的滚动代理模型构建方法;将含非线性激活函数的气网动态代理模型等价转化为混合整数线性规划模型,并与电力系统潮流模型结合,建立电–气综合能源系统最优能流模型。将所提模型在配网级电–气综合能源系统中验证分析,结果表明:较之于基于管道参数均一化假设的物理模型、气网全时段代理模型,所提方法精度高,降低了代理模型规模与模型训练代价。     

电-气综合能源系统状态估计可观测性分析

状态估计对于电-气综合能源系统的运行监视、优化调度等起着至关重要的作用。在进行状态估计前,需根据现有的量测配置对系统进行可观测性分析,以保证状态估计的正常运行。由于2系统的时间常数差别较大,一般由微分代数模型来描述两者的耦合系统。首先通过有限差分法将描述天然气动态特性的偏微分方程差分化;在此基础上对电-气综合能源系统进行可观性分析,得到了电-气综合能源系统可观测性分析的判定依据与分析步骤。最终通过算例分析验证了所提方法的有效性。     

计及天然气管网压力能发电的IES优化调度

针对天然气管网压力能利用率低及各能源负荷波动导致能源系统不稳定等问题,提出考虑天然气管网压力能发电技术的电-热-气综合能源系统(integrated energy systems,IES)优化调度方法。首先通过?分析法建立天然气压力能发电模型,然后基于天然气管存调控技术提出一种准动态压力能发电模型;结合能源设备模型,构建了天然气管网压力能与电、气、热相结合的IES架构。并通过分时电价的激励,达到电力负荷的削峰填谷以及系统的经济运行。引入算例,分析比较3种场景下系统运行成本、系统净负荷波动以及各部分出力,验证了所提调度方法能够有效改善电网负荷波动并降低系统的运行成本。