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。     

计及氢气-天然气混输的气电综合能源系统动态最优能流计算

利用可再生能源电解水制氢并注入天然气管道进行跨区域输运和利用,能够有效改善“三弃”现象,助力能源系统低碳转型。然而,氢气与天然气物化性质存在较大差异,掺氢后气网各管道、节点气质不均一,压力、流量等运行工况发生显著变化。该文建立了含掺氢环节的气电综合能源系统动态最优能流模型,重点推导了计及分布参数效应的混氢天然气动态潮流方程,反映节点处氢气质量分数与气体流速的定量关系和传输网络中各管道气质差异,揭示掺氢后气网动态过程的关键特征。同时,为降低优化问题求解难度,将模型中难以处理的双线性项等价重构为具有物理意义的新变量,并采用低掺氢比假设等简化方法进一步消除模型非线性,从而将非凸非线性问题转换为线性规划问题。该模型在反映异质气体注入对系统能流分布的影响的同时能够适应大规模优化问题的求解要求。最后通过仿真算例验证了所提模型的合理性和有效性。     

考虑可靠性的电-气综合能源系统规划研究综述

随着燃气机组(natural gas-fired plant,NGFP)的大规模应用和电转气(power to gas,P2G)技术的逐渐成熟,催生出了新的能源体系-电-气综合能源系统(integrated electricity-gas energy system,IEGES),规划是IEGES从理论到工程实践的基础。为了提高IEGES的利用效率和供能的可靠性,本文首先介绍了IEGES的研究现状,并针对现有研究存在的问题,概括了IEGES的可靠性及可靠性指标;介绍了IEGES及其耦合元件;并对IEGES规划的基本形式进行了归纳总结。     

基于PSO-Newton法的电-气综合能源系统能流计算

在全球能源形势日趋严峻的情况下,传统单一的电力系统能源结构已经无法满足发展的需求。随着电解制取天然气(P2G)技术及燃气轮机技术的迅速发展,电力系统与天然气系统的联系变得紧密起来。能流计算作为电-气系统耦合分析的基础与关键,对其研究显得尤为重要。文中首先分析了电力系统与天然气系统数学模型,针对牛顿(Newton)法中较难解决天然气系统对压力初值的选取问题,提出利用粒子群(PSO)算法对压力初值进行优选;然后利用Newton法顺序求解电-气综合能源系统(IES)的能流;最后在由IEEE 14节点配电系统和14节点天然气系统组成的电-气耦合系统中验证了所提方法的可行性和准确性。     

电-热综合能源系统概率潮流计算

电-热综合能源系统中风电及负荷的随机性给系统的安全运行带来了巨大的挑战。为准确获得输出变量的概率特性,提出了一种基于半不变量法的电-热综合能源系统概率潮流计算方法。首先,采用截断通用分布模型和有界正态分布分别拟合风电出力和负荷的随机波动曲线。其次,针对电-热综合能源系统中的随机性问题,提出广义半不变量法用以求解输出变量的概率特性。最后,在巴厘岛电-热综合能源系统中验证了所提方法的有效性和快速性。     

计及综合需求侧响应的电-气综合能源系统协调优化运行

随着综合能源系统研究地不断深入,需求侧管理对优化负荷分布、降低系统经济成本等方面的作用越来越不可忽视。文中对计及综合需求侧响应的电-气综合能源系统的协调优化问题进行探讨。引入市场需求弹性概念对电力系统需求侧和天然气系统需求侧进行详细描述,并提出需求替代系数,对价格型负荷及替代型负荷进行综合考虑,建立需求侧数学模型;以最小化P2G场站、燃气轮机、蓄电池建设及运维成本为目标函数,建立综合能源系统的协调优化模型;使用改进的粒子群算法对模型进行求解,以修改后的9节点电力系统与7节点天然气系统为例,分析说明了该协调优化模型对优化负荷分布、降低系统成本等方面的作用。     

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。     

电-热互联综合能源系统潮流计算的数值方法

现有热网潮流计算方法均通过解非线性方程组来获取各状态变量,进而可得网络热损耗,且通常在潮流计算前无法得知网络损耗。文章严格推导出辐射型供热网络总损耗公式,可在潮流计算前求得总供热损耗,进而得到各管道流量与节点温度,通过电-热耦合组件可获得电网潮流结果。测试算例由23节点热力网以及33节点配电网组成,仿真结果表明,所提电-热互联综合能源系统潮流计算模型在获得较快计算速度的同时可保证较高计算精度。     

计及需求响应与动态气潮流的电-气综合能源系统优化调度

文中提出了一种考虑需求侧负荷响应及动态天然气潮流的电—气综合能源系统优化调度新模型。一方面,该模型融入能源需求响应以优化次日的电、气负荷曲线,发挥不同能源间的互补共济作用,提升系统运行效率。引入价格型和替代型两类响应对需求侧响应进行精细化描述,前者表现价格引导的同类能源需求在不同时间点间的转移作用,后者表现不同能源需求在同时间点上的互补替代效应。另一方面,该模型考虑复杂动态天然气潮流方程以描述系统运行状态。为求解此强非凸非线性模型,将原问题松弛为可直接求解的二阶锥凸优化问题,并采用连续锥优化方法保证松弛的严格性。仿真结果表明,需求响应的引入可提升综合能源系统运行的经济性。与稳态天然气潮流相比,动态天然气潮流可更准确地反映天然气系统的动态发展过程。     

计及相关性的电—气互联系统概率最优潮流

为了缓解环境污染,"减煤增气"已成为能源结构调整的大趋势,"能源互联网"的提出加强了天然气网络与电力系统的紧密耦合。传统以电力系统为对象的最优潮流忽略了天然气网络的运行约束对电力系统造成的影响,可能导致优化结果过于乐观。因此提出了一种电—气互联系统的联合最优潮流,以互联系统的总运行成本为优化目标,考虑电力网与天然气网的运行约束。并且针对新能源接入背景下的不确定性,考虑输入变量之间的相关性,采用基于Nataf变换的点估计法进行概率最优潮流计算。对修改的IEEE 39节点系统与比利时20节点天然气网络进行算例分析,验证了所提模型的可行性以及有效性,并在此基础上分析了不同的波动水平及相关性对系统运行特性的影响。     

基于统一潮流模型的电—气耦合综合能源系统静态灵敏度分析

针对典型的电—气耦合综合能源系统,提出一种基于统一潮流模型的静态灵敏度分析方法,用于分析电力与燃气供能系统间的交互作用机理。首先,给出电—气耦合综合能源系统的统一潮流模型。然后,在此基础上,定义电—气耦合综合能源系统的燃气压力—节点注入功率灵敏度矩阵。最后,结合典型场景下的综合能源系统灵敏度指标,分析电网节点注入功率对燃气压力的影响,定位综合能源系统的薄弱环节。算例表明,所提方法可为区域综合能源系统的安全稳定运行提供辅助信息,有效提升了系统的安全性。     

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。     

考虑双向耦合的电-气综合能源系统时序故障恢复方法

电力系统和天然气网络通过双向耦合可以实现高可靠性运行。为解决电-气综合能源系统在发生故障后的恢复问题,提出了一种时序故障恢复方法。一方面,考虑燃气轮机和电转气设备的双向耦合特性,在恢复过程中通过调度其出力大小实现电力-天然气网络的互补共济;另一方面,考虑到恢复过程中大多设备具有时序特性,如储能电池容量、负荷大小、风光机组出力大小以及网络拓扑的变化,建立了一个多时序的故障恢复混合整数规划模型,并通过分段线性化的手段将模型处理得易于求解,从而得出故障恢复过程中最优的拓扑开关操作序列。最后,通过对13节点配电网和6节点配气网的联合仿真证明了所提方法的有效性。     

电-气综合能源系统多故障两阶段恢复策略

考虑电-气综合能源系统中电力系统和天然气系统的耦合运行情况,并运用储电、储气、P2G等设备,提出了两阶段的恢复策略和恢复模型。在应急恢复阶段以恢复过程中电-气综合能源系统的经济损失最小为目标,优先恢复负荷能源供应及一部分故障设备,在综合恢复阶段恢复剩余的故障设备。构建了一个考虑多种设备的两阶段故障恢复混合整数模型,并运用分段线性化的方法进行处理。得出故障恢复过程中的最优拓扑恢复序列,并给出最优恢复方案,最终使系统在恢复进程中综合经济损失最小并使恢复效率达到最大。最后通过仿真验证了所提策略的有效性。     

基于解析法的电-热互联综合能源系统概率潮流计算

综合能源系统包含了大量的不确定因素,因此需要考虑综合能源系统在不确定环境下的运行状态。文中基于解析法和近似法,提出一种辐射状供热网络概率潮流快速计算方法。首先通过正态分布函数的数字特征得到管道流量的均值与方差,然后利用连续型随机变量的性质得到了节点温度的均值与方差,当求得热电联产机组热出力概率分布后可得机组电出力概率分布,最后求得电网各状态变量的概率分布。文中方法不需要迭代即可计算出稳态潮流与概率潮流,且不存在收敛性问题。该方法能在保证计算精度的同时,极大地提高计算速度,可为综合能源系统的不确定性分析和风险评估提供参考。     

计及可替代负荷的电-气综合能源系统可靠性评估

随着电力系统与天然气系统耦合关系逐渐加深,通过引导用户改变用能行为,可以增强电-气综合能源系统互联互济的能力,同时也必将对耦合系统的可靠性产生影响。文章重点研究了可替代负荷对电-气综合能源系统可靠性的影响,基于用户可控性和负荷替代前后能源消耗量变化的特点,建立了计及可替代负荷的综合能源系统最优切负荷模型,为系统提供最优切负荷策略。基于非序贯蒙特卡洛法,提出了计及可替代负荷的电-气综合能源系统可靠性评估指标和算法。算例分析表明,可替代负荷用户通过对电力系统和天然气系统用能的双向选择,减少了2个子系统之间能量转化产生的损耗,及时满足了用户的用能需求,更好地提高了系统的经济性和可靠性,为电-气耦合系统规划和运行提供了参考。     

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。     

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。