基于多能流解耦算法的综合能源系统N-1静态安全分析

综合能源框架下,各能源子系统间的能量交互更加频繁,多能流协同运行在提高运行能效的同时,也使传统面向单一能源子系统的安全性分析方法难以适用,有必要针对电—气—热的综合能源系统静态安全问题进行深入分析。首先,建立含电、气、热的综合能源系统数学模型,计算综合能源系统静态多能流;其次,针对综合能源系统耦合元件提出互济控制模式和保护控制模式两种控制模式;在此基础上,建立预想事故集,对综合能源系统进行静态N-1安全校核;通过分析综合能源系统的静态N-1安全校核结果,探究耦合元件退出运行以及耦合元件不同控制模式对综合能源系统运行安全性的影响;最后,通过IES 14节点测试系统算例对所提出的综合能源系统N-1静态安全分析方法的准确性和有效性进行了分析、验证。     

计及静态安全因素的电-热多能流计算方法

多能流含义为多种类型的能量流,包括能量流的相互耦合、转换和传输,例如冷、热、电、气等多种能源形式。其中以电热联供为代表的电热耦合多能流系统发展最为迅速,带来诸多效益的同时也使安全问题更加突出。文中考虑安全因素提出电-热多能流系统计算方法。建立电力网络、热力网络模型、耦合元件模型,基于安全因素考虑构建预想故障集合,采用分布式顺序潮流求解算法进行求解。针对电力网络中并网和孤岛两种运行方式进行分析,通过实际算例验证了所提算法的优越性。     

综合能源系统混合时间尺度运行优化

综合能源系统融合电、气、热等多种能源子系统,不同能源网络动静态特性与设备控制特性差异显著。为实现电、气、热异质能流网络和设备协同运行,建立综合能源系统混合时间尺度运行优化框架,包含混合分辨率建模与混合指令周期调度。混合分辨率建模采用与气网、热网动态过程相匹配的模型分辨率刻画能流动态过程,平衡模型的精确度与问题的复杂度,实现电气热多能网络动态过程的协同优化;混合指令周期调度立足于多种异质能流的传输特性差异和多类型设备的控制特性差异,兼顾源/荷多重不确定性,确定各子系统的最佳调度指令周期,实现多能子系统间的协调运行。算例结果验证了所提方法的可行性。     

含P2H、P2G电-气-热综合能源系统多能流算法

作为综合能源系统研究的基础,多种能源协同运行的综合能源系统多能流计算方法的研究有重要的研究价值。该文首先给出了电转热（power to heat, P2H）和电转气（power to gas, P2G）设备等耦合单元的数学模型,并根据P2H的工作特性,给出了热电联产机组（combined heat and power, CHP）联合P2H模型;之后,给出了2种电-气-热综合能源系统多能流计算的算法——含多种耦合单元的多能流联立求解算法和考虑各子系统物理特性的差异及综合能源系统的可扩展性的新型交替迭代多能流计算方法。算例分析表明,2种算法均适用于电-气-热综合能源系统的多能流计算。     

一种计及能量枢纽不同运行模式的综合能源系统混合能量流求解方法

综合能源系统的混合能量流求解是后续能量综合管理与调控的基础环节。为避免传统统一求解能量流时可能存在的模型维度高、收敛性差等问题,同时充分考虑能量枢纽（energy hub,EH）在不同运行模式下对系统能流分布的影响,提出了一种计及EH不同运行模式的综合能源系统混合能量流求解方法:基于EH建模以及建立电、气、热各能源子系统的能流独立求解模型,划分典型运行模式,利用EH单元输入输出的钳制约束对各能源子系统的能流独立计算结果进行迭代校正,实现EH在不同运行模式下的能流流程化求解。算例结果表明,此算例适用于不同运行模式的混合能量流计算,且具有较好的收敛性与合理性。     

考虑风光利用率和含氢能流的多能流综合能源系统规划

传统多能流综合能源系统往往面临绿色可再生能源装机比例低、利用率低的问题,同时氢燃料汽车的逐渐普及将增加对氢能的需求,将电能转化为氢能是满足交通部门潜在氢需求的有效途径。针对风光装机比例低、利用率低和氢能需求的问题,提出了一种考虑风光利用率和含氢能流的多能流综合能源系统规划方法。首先,计及氢能流构建了电/热/冷/氢多能流综合能源系统。其次,考虑系统年投资费用、运行费用和风光利用率的多目标,构建双层规划-调度模型,以电、热、冷、氢等4种形式能量平衡和元件工作特性为约束,采用非支配性排序遗传算法和商用求解器结合的混合智能算法进行求解。最后,以某地区实际工业园区为例,对所提方法进行验证。案例结果分析表明所提出的方法可有效降低系统年总投资成本,显著提高风光装机比例和利用率,提高系统运行稳定性和经济性。     

考虑多元储能差异性的区域综合能源系统储能协同优化配置

储能作为综合能源系统融合的纽带,如何配置电/热/冷多能存储是综合能源系统规划中的重要研究内容.该文提出考虑电/热/冷多元储能差异化建模的区域综合能源系统储能协同配置方法.多元储能协同配置的基础是耦合能量流和储能特性描述,在耦合能流上明确含电/热/冷三种能量形式的综合能源系统结构,并建立电-热网络模型;在储能特性描述上基于储能统一模型建立电储能有功-无功特性模型和热/冷储能精细化模型,并定义多元储能综合效率用于控制不同类型储能效率对能源综合利用效率和经济性的影响.建立多元储能协同配置模型,该模型用于得到多元储能额定容量、功率、位置等规划方案,以经济性、环保性为目标,有机融合了典型日优化运行;采用遗传算法和Gurobi求解器相结合的混合策略求解.算例表明多元储能协同配置、协调运行具有优越性;考虑多元储能之间的统一性和差异性有助于得到更加全面的储能配置方案.     

考虑天然气N-1的多能流系统静态安全耦合分析

以综合能源系统为代表的多能流系统是推动低碳高能效能源转型的主要措施,但多种能流系统联合运行所带来的安全问题也不容忽视。该文针对多能流系统的静态安全问题,提出以天然气N?1事故作为预想事故集,研究适用于多能流系统的静态安全耦合分析理论和方法。提出考虑天然气管道N?1开断的预想事故集,并结合牛顿拉夫逊算法对开断事故进行模拟;利用标准矩阵模型分析能量枢纽在故障跨能流传播中起到的耦合机理;在静态安全耦合分析中以状态转移过程描述天然气管网的动态特性,评价故障的严重性,实现对关键事故和脆弱部位的识别。算例结果验证了所提理论和方法是正确有效的。     

电力-天然气区域综合能源系统多能流计算及静态稳定性分析

冷、热、电负荷的急剧增长为区域综合能源系统的稳定运行带来挑战,为此提出构建含有能源集线器的电-气联合系统模型。首先根据电网的静态电压稳定指标的思想,提出气网的静态气压稳定指标概念,分析负荷变化对区域综合能源系统中子系统的影响;继而利用分解求解法进行多能流计算,并根据子系统的指标曲线确定薄弱子系统。结果表明,系统负荷与所提出的指标呈正相关,且所提指标可用于确定区域综合能源系统的薄弱子系统,为系统的静态稳定分析提供帮助。     

基于参数灵敏度的综合能源系统安全控制策略研究

该文基于电–气综合能源系统(integratedenergy system,IES)子系统间的参数灵敏度矩阵,探究IES变量间的交互耦合机理,提出一种IES静态安全控制策略。首先,构建电–气耦合的IES模型,并采用Newton-Raphson法求解IES多能流方程;在此基础上,利用多能流计算过程中的雅可比矩阵信息及变量间的耦合关系,计算IES中电压、气压、支路潮流、管道流量对控制变量燃气轮机出力、压缩机出口压力的参数灵敏度矩阵,定量描述电、气互联系统间交互耦合机理;然后,提出一种IES静态安全控制策略,在保证系统负荷供应的前提下,对IES越限元件基于参数灵敏度矩阵计算压缩机出口压力及燃气轮机出力的控制量,进而调整控制元件的运行状态使其满足IES安全运行要求;最后,通过IES 4-12算例对所提方法进行分析、验证,结果验证了所提方法的正确性和有效性。     

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。     

综合能源配电系统运行域模型

综合能源配电系统(IEDS)是未来配电系统的一种可行发展形态,多能耦合在改善经济性、综合能效等方面的同时,也给系统的安全稳定运行带来诸多挑战。为研究系统的最大运行边界,基于电、气、热典型能源耦合的IEDS形态分析,提出IEDS运行域的概念与模型。考虑到能量枢纽(EH)的地理分隔与能源调控作用,将安装有自动化控制装置的EH输入侧联络线功率集合定义为工作点。进而以EH为调控手段,重点关注电压约束,提出运行域工作点电压边界遍历仿真求解算法。最后,以典型电-气耦合IEDS为例,求解不同观测变量构成的多种运行域,并进一步分析多能流约束、多能负荷变化以及热电比可调模式对运行域的影响。计算结果表明,所提方法可以准确描述系统的运行状态与可行边界,其结果可为调度人员提供一定的理论指导。     

基于消息总线的综合能源系统时间序列潮流的协同仿真方法

综合能源系统(Integrated Energy System, IES)中存在复杂的能量耦合关系和多重扰动变量,这给多能流联合潮流计算提出了新的挑战。首先从耦合元件和耦合变量的角度,分析了运用分解法求解联合潮流的思路。然后提出了基于消息总线的电、热、气联合潮流的协同仿真架构,建立了仿真子系统之间的消息发布与订阅机制。接着,为了满足仿真子系统之间迭代的要求以及时间序列潮流计算的要求,提出了IES协同仿真的时间同步规则。最后,以一个典型的区域IES为例进行了仿真计算。结果表明,该方法能支持多能流的时间序列潮流计算,且实现了协同仿真的收敛性。     

电-热综合能源系统能流的区间计算算法

为描述电、热负荷不确定性对综合能源系统的影响,建立了电-热综合能源系统区间能流模型。首先,计及电-热综合能源系统负荷的不确定性,分别建立了电力网络区间模型和热力网络区间模型。然后,考虑热电联产机组、水泵和热泵建立了一种更符合实际情况的电热耦合元件区间模型。最终,通过电热耦合元件实现了电力网络和热力网络的耦合,建立了电-热综合能源系统区间能流模型。针对传统的区间迭代法存在的计算结果区间易于扩张的问题,采用基于区间扩展的迭代算法对电-热综合能源系统区间能流模型进行求解。对IEEE33节点系统和32节点热力系统构成的电-热综合系统进行算例分析,结果验证了所建区间模型和所提算法的正确性。     

基于粒子群算法的区域综合能源优化调度方法

发展综合能源系统是实现能源互联网的必由之路,区域内综合能源的协调运行是实现电、热、气多能互补的关键。首先分析了风机、燃机和储能等装置的控制运行特性,介绍了不同运行场景下,各种装置的协调运行规律,以系统整体运行费用最小为优化目标,计及安全稳定等约束条件,建立电-热-气区域综合能源调度模型;然后,上述模型同时包含电、热、气多种复杂运行约束条件,变量之间交互耦合,传统数学优化方法难以直接求解,为此采用粒子群算法进行优化;最后,通过仿真算例进行验证,在不同优化目标的计算结果表明本文模型和算法的正确性和有效性。     

计及燃料电池热电联供的区域综合能源系统经济运行

氢储能系统可通过电、氢之间的双向转换灵活调节区域综合能源系统RIES(regional integrated energy system)多能供应。为使系统内多种能源实现高效转换和利用,详细分析了氢储能系统各环节运行特性,结合系统能流结构及冷热负荷需求特性,设计了燃料电池电、热出力与系统能量流动耦合方式及冷热电联供系统运行模式,以经济最优为目标优化系统运行。算例分析表明,所设计运行模式能够使燃料电池满足多种负荷需求,实现了能量梯级利用,改善了系统运行经济性。     

计及热惯性和运行策略的综合能源系统可靠性评估方法

计及综合能源系统多时间尺度,考虑热力子系统的热惯性和多能互济的基本运行策略,提出了综合能源系统可靠性评估方法。首先,基于能源集线器模型对综合能源系统多能互济的特性进行分析,计算得到不同时间断面内各子系统支援容量,基于此推导出能流互济可靠性增益指标。其次,对热惯性进行准稳态建模,利用分析描述不同形式能源的品味差异和具体特征,以此设置系统基本运行策略。最后,通过基于马尔可夫链的蒙特卡洛方法计算综合能源系统的可靠性。基于德国某用户级综合能源系统的仿真结果表明:当某一子系统能流输入不足时,互济运行将带来较大的可靠性增益;当前不考虑热惯性的综合能源系统可靠性评估方法较为保守。     

能源互联网多能流的耦合模型及动态优化方法综述

将分布式可再生能源和互联网技术相结合的“能源互联网”概念为解决人类的化石能源危机提供了可行路径。能源互联网将打破电、气、热等不同能源系统间的壁垒,实现多种能源的综合高效利用,支持大规模可再生能源的广泛接入,成为耦合多能流的开放互联新型能源供应系统。首先基于能源互联网的相关研究,归纳了能源互联网的多能流耦合特征。接着介绍了多能流耦合模型的构建方法,根据能源组网的结构和用能形式的不同,分析了能源互联网的多能流交互机理。在此基础上对能源互联网的优化模型和多能流多时间尺度动态优化方法、以及计及空间尺度的多源互补动态优化方法进行深入剖析,将为能源互联网建设提供理论基础。     

综合能源系统多能流准稳态分析与计算

多能流计算及互动分析是综合能源系统的重要基础,分析多能流交互机制,建立由电、气、热网和耦合元件组成的综合能源系统模型,提出针对多能流计算的分解法和统一法的求解框架和求解方法。针对目前基于牛顿法的多能流算法对初值较为敏感的不足,提出基于自适应步长因子的改进统一法,对比分析3种算法的准确性、收敛性和收敛时间。考虑扰动后的过渡过程和网络间的多时间尺度特性,将综合能源系统交互过程划分为4个准稳态阶段,分析基于准稳态多能流的交互作用。最后,基于一个双向耦合的综合能源系统,以电网支路开断为例对系统进行分析,验证了所提算法和准稳态分析的有效性。     

“综合能源系统规划与运行”专题征稿启事

正近年来燃气轮机机组、热电联产、电转气及电转热等元件的推广应用,为多能互补、间歇性可再生能源的消纳提供了新的解决方案,同时逐步加深了多能源系统(电力系统、天然气系统、热力系统等)之间耦合。在此背景下,有必要打破传统多能源系统之间独立规划与运行的壁垒,构建协同统一的综合能源系统投资规划、运行调度及市场交易机制,推动我国能源系统的改革与转型,为我国低碳可持续能源系统的构建及能源互联网战略提供技术参考。