含电转气的多能源中心协调优化运行策略

电转气技术的应用使得电力网络与天然气网络实现双向闭环能量流动,可以促进间歇性清洁能源的消纳。可将电转气细分为电转氢气、氢气转天然气2个过程并加入储氢设备以更好地协调电能-氢能-天然气能三者之间的能量流动。以系统运行成本最低及最大程度接纳风电为目标,计及电转气、天然气管网、各能源设备等运行约束构建了含电转气的多能源中心协调优化运行模型。模型对天然气网络潮流的非线性约束进行了线性化处理,加入权重系数将双目标优化问题转化为单目标优化进行求解。最后为了验证所建立模型的有效性和可行性,选取了4节点的多能源网络系统进行实例仿真分析,通过调用YALMIP工具箱的分支界定法进行模型求解,并对不同权重系数下不同场景系统的运行成本及风电消纳率进行了分析,结果证明电转气在多能源中心运行中的可行性,且电转气的中间产物氢气利用需求越高,风电消纳的程度越大。     

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。     

考虑风电消纳能力的电-气集成系统多目标运行优化

摘 要：以电力-天然气集成系统为代表的综合能源系统可以充分利用各类能源载体的运行特性,提升电力系统接纳间歇性可再生能源发电的能力。另一方面,电-气集成系统的整体运行费用、消纳间歇性可再生能源发电能力和网络损耗与风电等间歇性可再生能源发电的渗透水平率密切相关,因此有必要对考虑风电消纳能力的电-气集成系统多目标优化运行策略展开研究。首先,以最小化电-气集成系统运行费用、弃风成本和网络损耗为目标函数,建立考虑风电消纳能力的电-气集成系统运行优化的多目标混合整数非线性优化模型。接着,对优化模型中的非线性约束条件进行线性化处理,将原模型转化为混合整数线性规划问题。然后,利用基于增强ε约束的多目标优化方法求解所建立的优化模型,获得帕累托最优解集,并采用模糊综合评估方法寻找最优折中解。最后,利用修改的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-气集成系统对所提方法的可行性和有效性进行验证。     

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。     

计及电转气的电–气互联综合能源系统削峰填谷研究

作为未来能源利用的重要形式,电–气互联综合能源系统同样受到高渗透率新能源的威胁。电转气技术的能量转换和时空平移特性为新能源消纳和负荷削峰填谷提供了有效途径。提出一种削峰填谷模型,通过电转气和燃气轮机协调作用平滑电–气互联综合能源系统净负荷曲线,并兼顾系统运行的经济性。算例采用修改的IEEE39节点电力网络与比利时20节点天然气网络耦合系统,分析比较4种场景下的风电消纳能力、净负荷波动情况和系统运行成本,验证了电转气和该文所提削峰填谷模型能够有效平抑净负荷波动并提高系统风电消纳能力。最后分析削峰填谷目标的经济折算系数对削峰填谷效果的影响。     

计及电转气运行成本的综合能源系统多目标日前优化调度

电转气技术为弃风消纳提供了新的途径,将是未来综合能源系统的重要支撑技术之一。在考虑电转气运行成本的基础上,分析其对综合能源系统风电接纳能力与运行经济性的影响,并针对其较高的运行成本与较好的弃风消纳效果间的矛盾问题,提出一种多目标日前优化调度模型。首先,建立电转气及其运行成本模型,并给出含电转气的能源集线器模型。继而,针对电转气运行成本较高时系统在运行经济性与风电接纳能力间存在的矛盾关系,通过多目标加权模糊规划方法进行协调。最后,以9节点能源集线器系统为例对所提模型进行仿真计算,通过结果分析证明了综合能源系统中计及电转气运行成本的必要性,以及兼顾考虑经济性与风电接纳能力的可行性。     

含P2G的综合能源系统经济调度研究

综合能源系统由于其能源的梯级利用可以促进可再生能源的消纳,而电转气(P2G)设备的出现可以很大程度上促进风电消纳,在能源中心概念的基础上建立了包含电转气(P2G)设备的综合能源系统模型,以系统运行成本最低作为目标进行调度研究,在约束条件中考虑了系统内部的功率约束、能源转换设备以及储能设备的运行约束,通过算例在MATLAB平台进行仿真验证,构建了两个不同的场景,分别考虑在加入电转气(P2G)设备和不加入情况下系统的风电消纳能力,结果表明电转气(P2G)设备的加入促进了系统对风电的消纳。     

计及需求响应的气电互联虚拟电厂多目标调度优化模型

随着分布式能源渗透率的逐步提高,虚拟电厂技术逐渐成为解决可再生能源规模化发展的关键技术,文章重点研究气电互联虚拟电厂多目标优化问题。首先,文章将风电机组、光伏发电机组、燃气轮机、电转气设备、储气装置等集成为虚拟电厂,同时联动公共网络和天然气网络,负荷侧包括电力负荷、氢气燃料电池汽车负荷、天然气负荷,并在终端负荷引入需求响应技术进行调节。然后,以运行经济效益、削峰填谷效应、二氧化碳排放作为优化目标,结合功率平衡等约束条件,构建气电互联虚拟电厂多目标模型,通过为各目标函数赋权将多目标优化模型转化为单目标模型进行求解。最后,为了验证所建立模型的有效性和可行性,选取了某地区虚拟电厂作为算例进行分析,比较4种情景下运行结果。算例结果表明：1）所提气电互联虚拟电厂多目标优化模型能够实现经济性、稳定性、环保性多方面综合效益最优;2）电转气和需求响应具有协同削峰填谷效应,提高系统运行稳定性;3）电转气设备增加了清洁能源并网量,减小碳排放量;4）虚拟电厂与公共网络相连能够实现能量间灵活互动,有利于制定合理购售电策略优化虚拟电厂运行。     

考虑电转气设备和风电场协同扩建的气电互联综合能源系统规划

随着电转气技术的发展和燃气机组占比的日益提高,电力、天然气系统间的耦合程度逐渐加深。在此背景下,对气电互联综合能源系统扩建规划时,考虑投建发电机组、输电线路、天然气气井、输气管道、风电场、电转气设备,并探究电转气设备和风电场协同扩建对系统扩建方案、风电消纳和经济性的影响。在计及电力、天然气系统相关运行约束的前提下,建立以系统投资运行总成本之和最小为目标的气电互联综合能源系统长期协调规划扩建模型;通过分段线性法将该模型转化为混合整数规划模型进行求解;通过IEEE 24节点的电力系统和12节点的天然气系统组成的算例系统验证所提模型的有效性,结果表明合理的电转气设备和风电场协同投建可以减少输电线路阻塞和输电线路的过度投建,提高系统经济性和运行安全性。     

基于场景分析的风电场与电转气厂站协同选址规划

电转气技术的出现为消纳风电等可再生能源的富余发电出力提供了新的途径。目前电转气厂站的投资和运行成本较高,因而单独投资建设电转气厂站的经济性就较差。在此背景下,以可再生能源(风力)发电公司为投资主体,探索风电场和电转气厂站的协同投资建设模式,建立风电场和电转气厂站的协同选址规划模型。首先,考虑电转气技术的特征,建立电转气厂站的数学模型。然后,以最大化投资净收益为优化目标,建立基于场景分析的协同选址规划数学模型,计及了电力系统和天然气系统的相关约束。在场景优化中,以历史风速时间序列为原始场景,引入一种密度聚类算法对众多历史数据进行聚类分析,以提高求解效率,从而缩减风电场出力场景。最后,采用AMPL/BONMIN求解器对所构建的风电场和电转气厂站的协同选址规划优化模型进行求解,并以修改的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力和天然气互联系统为例,说明了所提方法的可行性和有效性。     

计及含氢储能与电价型需求响应的能量枢纽日前经济调度

为了解耦冷热电联供(combined cool,heat and power system,CCHP)机组“以热定电”的运行约束,提高风电消纳能力,降低社会碳排放,提出了计及含氢储能与电价型需求响应的能量枢纽日前经济调度模型。源侧利用冷、热、电、氢4种储能装置,打破CCHP机组热电耦合约束;荷侧引入电价型需求响应改变用户用电行为,通过优化各机组出力与电负荷曲线,增加风机出力。该模型以系统日运行成本最低为目标,引入弃风惩罚成本增加风电消纳,综合功率平衡等约束,调用Gurobi求解器进行优化求解。对不同场景下能量枢纽的优化结果进行分析,并计算燃油汽车的碳排放量以量化氢燃料电池汽车节约的社会碳排放。结果表明:在电价型需求响应策略下,考虑CCHP与含氢储能的能量枢纽系统在增加风电消纳能力的同时降低了系统的日运行总成本,减少了社会碳排放。     

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。     

计及电转气的区域综合能源系统日前优化调度

为了提高区域综合能源系统的经济性以及可再生能源的消纳能力,提出含电转气（power-to-gas,P2G）的调度优化模型。首先将电转气分为2个阶段运行,在电解水产生氢气环节加入储氢罐作为氢燃料电池的燃料来源,通过氢燃料电池实现氢能向电能、热能的转化,之后将剩余氢气输入到甲烷反应器中,减少将氢气全部直接甲烷化所产生的能量损耗。其次燃气轮机采用变效率运行模式,通过灵活调节燃气轮机的供电、供热效率,使热电出力更为经济合理。基于此,以由系统购电成本、购气成本、弃风成本以及环境成本构成的日运行成本最小为经济目标,构建含电转气的区域综合能源系统日前优化调度模型。最后利用基于空间距离的混沌粒子群算法求解,并通过算例仿真表明所提调度模型可有效促进多级能源合理高效利用,提高可再生能源消纳能力与系统运行经济性。     

计及电转气热回收的综合能源系统蓄热罐容量规划与运行策略

针对电转气的强放热反应特性未得到充分重视和仅配置储热来增大风电消纳空间的方法存在局限的现状,在分析和考虑电转气热回收价值的基础上,建立兼顾规划经济性和弃风率的综合能源系统蓄热罐容量多目标优化模型,并使用法线边界交叉(NBI)法提供可行的求解Pareto前沿的方案。通过对比在不同电转气运行成本与不同放热效率情形下的系统规划与运行策略,分析接入电转气且考虑其热回收对配置储热的综合能源系统规划与运行的影响。基于典型算例研究,结果表明在电转气与储热装置的协同消纳弃风方式下,随着电转气放热效率提高与运行成本降低,电转气的弃风消纳能力将提高,其供热、气效益将提高,系统运行成本将降低,同时储热装置供热任务得以减轻,进而影响储热装置的规划策略。     

气电虚拟电厂多能源市场竞标策略

针对虚拟电厂竞标中需求响应、风电出力的不确定性造成的风险,利用新型电转气技术和燃气轮机快速调节能力,构成含气电双向转换的气电虚拟电厂,提出气电虚拟电厂的多能源市场竞标模型,同时参与电力市场和天然气市场的竞标。模型以气电虚拟电厂总利润最大为目标,不确定性表达为需求响应、风电出力的误差概率分布,并通过抽样和筛选确定场景描述。算例结果表明：含气电双向转换的气电虚拟电厂通过在2个市场中灵活竞标,获得了更高的竞标利润;控制燃气轮机和电转气出力,显著降低了不平衡惩罚成本。气电虚拟电厂扩展了虚拟电厂的竞标市场,有利于将来虚拟电厂根据不同电价和气价波动切换能源形式。     

电转气消纳新能源与碳捕集电厂碳利用的协调优化

电转气技术作为一种新型能源转换和储存方式为可再生能源消纳提供了新的途径,电转气技术生成甲烷所需的CO_2可高效经济地取自碳捕集机组的捕集碳量。提出将电转气-碳捕集电厂作为整体系统,建立电转气-碳捕集电厂协调优化模型,以碳成本、燃料成本、弃风成本、电转气成本为目标,以碳捕集率、碳捕集电厂有功出力、电转气功率为决策变量。仿真结果表明,电转气-碳捕集电厂提高了风电消纳能力,减少了碳排放,提升了碳利用水平,降低了电转气运行成本。     

考虑风电消纳的综合能源系统“源-网-荷-储”协同优化运行

针对因传统的热电联产(Combined Heat and Power, CHP)"以热定电"运行方式导致的弃风问题,提出一种考虑风电消纳和运行经济效益的综合能源系统"源-网-荷-储"协同优化运行方法。在源侧通过热泵和储能设备解耦CHP"以热定电"运行约束,在网侧构建了稳态电-热潮流,在负荷侧考虑了综合需求响应,提升系统的风电消纳空间。系统以建设运行总成本最小为目标,考虑了能量平衡、稳态电-热潮流和CHP出力等约束条件,构建了考虑风电消纳的综合能源系统"源-网-荷-储"优化运行模型。最后,通过风机的33节点电网和8节点热网构成的综合能源系统验证所提方法的正确性和有效性。多场景仿真结果表明,该方法可有效提升风电消纳空间和系统经济效益。     

用于提升电–气两网调节能力的微网集群协调运行模型

针对单一多能源微网受能源类型、自身容量制约,难以充分实现多种能源高效利用和协调控制的问题,该文基于多能源微网能量交互策略建立可提升电-气两网调节能力的微网集群优化运行模型。首先建立以电热冷、电气氢、电热气氢、电热冷气氢等不同能源类型运行时多能源微网能量供给、转换特性的统一模型;然后在统一模型的基础上,建立满足电-气两网调节需求的多能源微网集群系统运行优化模型;随后以多能源微网集群的总运行成本最小和能源利用效率最大为优化目标,使用改进的区域局部搜索NSGA-Ⅱ算法(NSGA-Ⅱ-RLS)对建立的微网集群优化模型进行求解;最后,基于改进的IEEE14节点系统和天然气网络6节点系统,构建可提升电–气两网运行调节能力的多能源微网集群运行仿真模型。仿真结果表明,所提多能源微网集群系统能够有效提升电-气两网调节能力,实现多能源微网集群系统的多能互补运行。     

考虑P2G及多能融通的分布式能源网络优化调度

研究分布式能源网络(Distributed Energy Network, DEN)是解决传统分布式能源系统(Distributed Energy System, DES)动态供应错位问题的迫切需求。电转气(Power-to-Gas, P2G)技术及多能源融通在促进DEN发挥最大价值的同时,使其协调控制变得更加复杂。基于此,文章研究考虑P2G及电热气融通的DEN调度问题。以DEN运行成本最小建立数学模型,并在目标函数中考虑弃风、弃光成本,采用一种改进粒子群算法进行求解。结果分析表明,模型可通过优化能源供给方式,以最小运行成本满足不同用户的动态能源诉求;引入P2G实现富余电能的大范围时空平移,带来一定环保效益;构建多能融通网络,能够协调不同用户供需之间的差异性;考虑P2G及多能融通的DEN调度更为灵活、精准,综合性能优异。文章研究为未来DEN建设提供一定参考。