大规模综合能源系统电-气-热多能潮流建模与计算方法

为了提高能源利用效率与实现能源清洁供应,综合能源系统IES已成为支撑能源转型的重要技术。研究掌握IES多能流耦合机理,对开展后续系统规划、优化和分析问题的研究具有重要意义。本文提出了一种适用于含电、气、热网络的大规模综合能源系统电-气-热多能潮流计算方法。首先,建立了电力网络、热力网络、天然气网络的稳态数学模型;建立了基于通用能量母线模型的IES耦合环节数学表达形式;在此基础上,采用牛顿-拉夫逊方法对大规模综合能源系统多能潮流计算模型进行解耦求解;最后,通过算例分析验证了所提出方法的有效性。     

计及异质气体混合的电–气–热综合能源系统能量流计算方法

随着环境污染与化石能源枯竭的问题凸显,电–气–热多能互补的综合能源系统(integrated energy systems,IES)成为了研究热点。针对IES能量流计算中数学模型详细性问题以及未来电制气(power-to-gas,P2G)广泛应用带来的异质气体注入问题,构建了能反映不同气体成分下P2G效率与不同温度条件下电热泵(electric heat pump,EHP)能效的详细模型,考虑了不同成分气体注入对气体参数与系统运行状态的影响以及相应的建模,在传统天然气系统稳态分析方法的基础上介绍了可以反映异质气体注入对网络状态影响的稳态分析方法。以此为基础提出了计及异质气体混合与耦合元件详细模型的电–气–热IES能量流交替迭代计算方法,并采用电力系统分析综合程序(power system analysis software package,PSASP)实现电力系统的潮流计算。最后通过仿真算例验证了所提方法的有效性。     

计及相关性的电-气-热综合能源系统概率最优能量流

由电力系统、天然气系统和热力系统耦合构成的综合能源系统(IES)是"能源互联网"的重要组成部分,是构建更加经济、环保、高效能源系统的必经之路。该文提出了一种计及相关性的电-气-热IES概率最优能量流计算方法。首先,以IES运行成本为优化目标,综合考虑电力系统、天然气系统、热力系统的运行约束及能量耦合约束,建立了IES最优能量流模型;针对IES中风电接入背景下的不确定性因素,并考虑其相关性,建立IES概率最优能量流模型,并采用基于Nataf变换的三点估计法对该模型进行求解。对由修改的IEEE 24节点电力系统、比利时20节点天然气系统和巴里岛32节点热力系统构成的IES进行仿真分析,仿真结果验证了该文所建立模型的可行性与有效性。     

基于最大熵原理的电-气综合能源系统概率能量流分析

随着电力系统与天然气系统间耦合程度的日益增强,能源系统间的不确定性因素对电-气综合能源系统(integrated energy systems,IES)运行状态的影响日趋显著,需在其能量流分析中予以考虑。为此,提出一种基于最大熵原理的电-气综合能源系统概率能量流计算方法。首先,考虑燃气机组和电驱动压缩机作为耦合元件,构建电力系统和天然气系统的稳态能量流模型,并提出对应的顺序求解方法;然后,基于风电和不同系统负荷的不确定性模型,提出输出状态变量半不变量的计算方法;在此基础上,基于最大熵原理法计算得到不同系统中节点和支路状态量的概率密度;最后,采用IES 118-20节点和IES 2383-60节点综合能源测试系统对所提算法的准确性和有效性进行分析验证,结果表明,所提算法可实现电–气综合能源系统概率能量流的快速准确计算。     

考虑系统耦合性的综合能源协同优化

综合能源系统(IES)具有多能耦合的特点,可实现电、热、天然气等能源的综合利用,可以最大化地发挥各能源间的协同作用和互补效益。在此背景下,文中构建了一种耦合电能、热能以及天然气能的IES结构,并给出能源耦合度等定义用于IES耦合性的定量分析;建立了以成本为目标的IES优化运行模型,优化模型同时考虑了电、热、天然气网络约束;针对系统运行时的电、热、天然气耦合问题,提出一种基于拉格朗日松弛的协同优化方法,实现了IES多能源优化时的解耦处理;最后,基于71节点的IES测试系统进行仿真分析,验证了所提模型及方法的有效性,并对IES优化结果与系统耦合性的映射关系做了定量分析。     

计及N-1安全准则的能量枢纽优化配置

多种能源系统通过集成和优化而形成的综合能源系统(IES)为解决能源与环境问题提供了新途径。能量枢纽(EH)作为多种能源系统的耦合环节,其设备组成与容量配置对IES的安全经济运行至关重要。在此背景下,提出了一种计及N-1安全准则的含电力系统、天然气系统和热能负荷的EH优化配置方法。首先,在EH架构下,对IES的能源耦合部分进行建模;然后,以年综合运行费用最小为目标函数,考虑能源耦合部分约束、电力系统运行约束、天然气系统运行约束和电力系统的N-1安全约束,建立了EH优化配置的混合整数二阶锥规划模型,并利用商业求解器YALMIP/GUROBI求解;最后,采用一个IES算例对所构建的优化模型与求解方法进行了说明。     

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。     

基于分立求解的电气耦合综合能源系统多能流联合计算方法

电力系统和天然气系统通过大量的燃气电厂、电转气设备等紧密耦合在一起,构成了电气耦合综合能源系统,本文提出一种基于分立求解的电气耦合能源系统多能流联合计算方法.首先,建立天然气系统、电力系统,以及耦合环节天然气发电机的模型.然后,提出基于分立求解的电气耦合综合能源系统多能流模型,通过读取天然气发电机的有功出力,计算得到其...     

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。     

综合能源系统潮流及最优潮流计算模型与方法综述

综合能源系统（IES）对促进能源互补利用、提高综合能源利用率具有重要意义,多能流潮流分析关乎IES的规划、运行和控制。本文探究了IES潮流及最优潮流的研究现状,从计算模型和方法2个方面展开综述。介绍IES的发展、结构、多能流计算模型,分别概括和总结IES潮流及最优潮流的问题和求解方法,综合全文,指出当前IES多能流计算的不足及今后的研究趋势和展望。结果表明:目前缺乏对于电-热-气IES的多能流建模与算法的深入探究,较少涉及准稳态及暂态模型,未充分考虑多种能源的互动;能源集线器虽然能够统一描述耦合环节,但应根据实际情况深化耦合环节的建模方法;IES配置多元储能装置能够进一步提高能效率,便于灵活调用能源,但目前的模型很少计及储能装置;现有潮流及最优潮流的算法不够丰富,较少涉及多目标最优潮流,其安全可靠评估体系有待进一步完善。     

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。     

含需求响应资源的电力系统稳定性智能化评估方法

首先,阐述了需求响应资源的概率分布特性,并以IES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IES 最优能量流(optimal energy flow,OEF)模型,用于求取发电机和耦合环节功率,并将其作为电力系统稳定器的输入;其次,通过搭建不同负荷水平下的暂态仿真模型,得到故障情况下的系统稳定情况;然后,提出基于堆栈降噪自动编码器（stacked denoising auto-encoders,SDAE）的电力系统稳定性评估器的训练方法;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IES中,进行电力系统稳定性智能化评估的算例分析。仿真结果表明,基于SDAE的电力系统稳定性评估器识别精度较高,同时计算效率也较优。     

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。     

电–气混联综合能源系统概率能量流分析EI北大核心CSCD

由电力系统(electric power systems,EPS)、天然气系统(natural-gas systems,NGS)之间的耦合与互联构成的综合能源系统(integrated energy systems,IES),对于构建经济、环保、高效的能源系统至关重要。同时,由于IES中大量的不确定因素,有必要将不确定建模技术应用于IES分析。该文将广泛应用于EPS的概率潮流的概念推广到IES的概率能量流分析中,计及了EPS、NGS之间3方面的耦合:1)燃气轮机组;2)电力驱动加压站;3)能源集线器。在IES稳态能量流的基础上,考虑了电、气、热负荷以及风电场出力的不确定性,并采用蒙特卡罗模拟法求解IES概率能量流。算例分析表明,NGS(或EPS)中不确定性因素会对EPS(或NGS)的概率能量流产生影响;同时NGS能量流方程线性化精度明显低于EPS。     

考虑能源子系统与储能的综合能源系统优化分析

针对当前综合能源系统（integrated energy system， IES）研究中未详细考虑含电-热-气-冷-汽子系统（power， heat， gas， cooling and steam subsystems， PHGCSS）协调运行效果的现状，研究计及能源子系统关键特征变量的IES日前稳态优化问题。首先，基于多类型负荷需求设计能源集线器（energy hub， EH）及能量耦合方式。在EH基础上提出耦合PHGCSS的能源站模型构架。然后，分别建立IES中PHGCSS稳态数学模型。在考虑峰谷分时电价机制基础上分析蓄电、蓄热、蓄冷对并网运行的IES日前稳态优化的影响。其次，在不同负荷结构下建立含PHGCSS日前稳态非线性优化模型。最后，通过算例分析验证对IES进行稳态优化计算和稳态运行分析的有效性，结果表明，所提模型与方法适用于含PHGCSS的IES日前稳态优化分析及日前动态经济调度，能够合理反映IES的运行特性。     

含冷热电三联供的微能源网能量流计算及综合仿真

首先给出了微能源网的定义,然后基于能源集线器的概念,建立了冷热电三联供(CCHP)系统的能量流模型;并将其作为配电网与天然气网的耦合节点,推导了适用于天然气网能量流计算的有限元节点法,提出了一种电—气耦合微能源网的能量流计算方法。提出了CCHP供能率的指标。以openDSS和MATLAB为平台,对含CCHP的微能源网进行综合仿真,分别计算了以电定热和以热定电两种典型运行方式下夏季典型日的逐时能量流。计算结果表明,所提出的能量流计算和综合仿真方法可用于分析微能源网的能量流,CCHP供能率指标可以反映微能源网电—气能源的耦合程度。     

基于PSASP的综合能源仿真分析系统

综合能源系统(integrated energy systems,IES)近年来在世界范围内得到广泛关注。基于电力系统分析综合程序(power system analysis software package,PSASP)的图模一体化平台,开展了IES仿真系统的研究,功能包含生产模拟分析、能量流稳态计算和动态仿真。生产模拟采用混合整数线性优化(mixed integer linear programming,MILP)方法,对包含传统电力、风电和光伏可再生能源、天然气、热力、储能等的IES实现多阶段优化分析。IES稳态能量流计算采用电-气-热能源子系统交替顺序求解方式实现,天然气、热力流体网络采用回路方程形式。以天然气为例,对回路法进行了分析,给出了IES稳态能量流分析的计算流程。对生产模拟、稳态能量流计算和动态仿真的一些关键技术环节进行了分析。     

基于CVaR理论的综合能源系统经济优化调度

为解决综合能源系统(IES)中供需双侧不确定因素对运行调度带来的风险问题,将CVaR理论引入IES运行调度问题,提出一种计及风、光出力和电、热负荷不确定性的IES经济调度模型。该模型以IES运行风险费用最小为目标函数,综合考虑电力网络、天然气管网、热力管网以及机组出力等多种约束条件。运用双层优化的思想将上述模型进行转化,采用快速粒子群优化算法和内点法进行求解。通过算例分析置信水平、多能流约束和单位功率调整费用对运行费用的影响,验证了CVaR理论在IES经济调度中的有效性。     

非侵入式综合能源系统源荷状态联合感知方法

区域(如园区或楼宇)综合能源系统(integrated energy system,IES)的多能流源荷协调运行与优化调控潜力评估分析对整体提升能源互联网的能源利用效率、促进可再生能源规模化发展具有重要意义。然而在实际工程中,普遍可获取的是用户IES与外部能源网络进行能量交换的端口处采集的粗粒度总量运行数据,据此往往难以对用户IES运行状态和特性进行准确分析,无法满足不断提高的IES运行调控需求。对此,以园区电/气/热IES为研究对象,提出基于耦合消元准则的IES非侵入式源荷设备状态联合感知方法,它仅利用在园区与外部电/气/热能源网络进行能量交换的端口处采集到的总量电/气/热运行数据及气象数据,辨识园区内部主要源荷设备的运行状态。总体上,基于IES内部各能源子系统间的耦合特性,按照气-电-热的顺序分别对每个子系统中主体设备的工作状态和(等效)运行功率进行非侵入式辨识。基于实测数据的实验结果表明,所提方法能够以“非侵入”的方式联合感知多能源荷设备的运行状态,精细化辨识园区IES内部主体设备的(等效)功率,具有较强的工程实用性,可为IES的仿真分析和运行决策提供细粒度大数据源。     

综合能源系统状态估计研究综述

综合能源系统(integrated energy system,IES)被誉为未来人类社会能源的主要承载形式。为了保证IES的安全、可靠、优质和经济运行,亟需提出和发展面向IES的能量管理系统(integrated energy system energy management system, IES-EMS)。高性能的IES状态估计(integrated energy system state estimation,IES-SE)可为IES-EMS提供准确可靠的实时运行数据,是IES-EMS各项高级应用正常运行的保证。在当前IES快速发展之际,加快研究面向多能流的IES-SE成为当务之急。首先对IES的构成和特点进行了简要分析;接着对比分析了电力系统SE和IES-SE的异同;然后重点对已有的静态IES-SE模型和方法及动态IES-SE模型和方法进行了剖析;最后,分析了IES-SE领域所面临的挑战,展望了该领域未来可能的研究方向。