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。     

含DFIG风电场电-气耦合系统的概率连续混合潮流方法及其负荷裕度分析

针对含双馈感应式风机(DFIG)风电场电-气耦合多能流系统的最大负荷裕度及其耦合影响问题,考虑天然气管网的动态特性,建立考虑DFIG稳态模型和能源路由器(EH)的含参连续混合潮流模型;采用随机响应面法(SRSM)拟合DFIG出力,结合预估-校正及电-气系统耦合交替迭代获取电力系统负荷节点的有功功率-电压曲线、天然气系统流量-气压曲线及其负荷裕度期望值;定义电压-负荷、气压-流量灵敏度,可分别跟随电力系统负荷节点有功功率-电压曲线、天然系统气流量-气压曲线的获取,定义电-气耦合环节中天然气系统节点压强-EH节点注入电功率和电力系统节点电压-EH节点天然气注入流量灵敏度,从而定量评估电-气耦合下电力系统、天然气系统和电-气耦合环节的薄弱节点及EH耦合程度。含DFIG风电场的IEEE 14节点电力系统和22节点天然气系统通过11个EH耦合而成的电-气系统的算例仿真结果验证了所提模型、算法和所定义负荷裕度灵敏度指标的正确性和有效性。     

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。     

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。     

具有电转气装置的电-气混联综合能源系统的协同规划

近年来随着天然气发电比重的不断增加和电转气(power to gas,P2G)技术的逐步成熟,电力系统和天然气系统的耦合程度随之加深,只针对电力系统的规划方法已经不能满足电-气混联综合能源系统的规划和运行需求。在此背景下,考虑热电联产(combined heat and power,CHP)机组和电转气装置,对电-气混联综合能源系统的协同规划问题做了些初步研究。首先,引入能源中心概念,其中能源载体可从某种形式转换成其他形式,如热电联产机组,并对能源中心进行建模。在此基础上,构建了包含能源中心和电转气装置等的综合能源系统的非线性模型并进行线性化处理。之后,以电-气混联综合能源系统的投资成本、运行成本以及表征可靠性的能量短缺成本之和最小为规划目标,采用基于通用代数建模系统(general algebraic modeling system,GAMS)平台的CPLEX求解器对常规发电机组、热电联产机组、电转气厂站、燃气锅炉、输电线路和天然气管道的选址定容问题进行优化,并对规划方案的可靠性以及电转气厂站消纳间歇性可再生能源的效益进行评估。最后,用综合能源模拟系统对所提出的方法做了说明。     

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.     

电力-天然气集成能源系统的统一规划模型与Benders解耦方法

近年来随着天然气发电渗透率的逐步提高,电力系统规划和运行时就需要适当考虑天然气系统的影响。同时,多能源互联代表了未来能源系统的发展趋势之一。这样,电力系统和天然气系统的统一规划和运行就成为值得研究的重要问题。在此背景下,在考虑天然气系统稳态潮流模型的基础上,对电-气集成能源系统的统一规划进行了初步探索。首先,研究了考虑电力系统和天然气系统边界条件约束的电-气集成能源系统的统一规划问题,对燃气电厂、输电线路、天然气供给站、天然气管道的选址和定容进行优化,构造了混合整数非凸非线性规划模型。接着,采用Benders解耦将该混合整数非凸非线性规划问题简化为双层主、子问题,并分别采用高效的商业求解器CPLEX和IPOPT迭代求解。最后,采用所构建的包括54节点电力系统和19节点天然气网络相互耦合的电-气集成能源系统,说明了所发展的基于Benders解耦的统一规划模型的可行性。     

考虑不确定性的综合能源系统博弈规划

随着电力系统与天然气系统的耦合性不断增强,以电网为核心的综合能源系统应运而生。然而在不确定条件下,当前综合能源系统的规划方法仍无法保证各厂商的利益最优,因此论文提出了基于非合作博弈论的电-气系统的协同规划方法。以各能量单元和电、气网公司作为独立的利益团体,以其年净收益最大为优化目标,建立电-气综合系统中风电机组、燃气机组、电转气机组、输电线路和天然气管道的综合非线性规划模型。针对风电、负荷的不确定性,以及经典两阶段鲁棒优化的保守性问题,提出了一种改进的两阶段鲁棒优化方法—期望场景最优,任意场景可行。最后,以修改的IEEE 39节点电力系统与比利时20节点天然气系统构造电-气网络,验证了模型及算法的应用价值。     

基于机会约束的多能源枢纽电气互联综合能源系统日前经济调度

集生产、转化、储存和消费于一身的能源枢纽使电网和天然气系统的协同规划与运行成为可能,同时多种不确定性是电气互联系统调度面临的最大问题。为此构建了一种含多个能源枢纽的电气互联综合能源系统机会约束规划。首先,充分挖掘气管网的储能特性,在分别对能源枢纽、电力系统和天然气系统精细建模的基础上,考虑风电和负荷不确定性,建立了含机会约束的日前调度模型。然后,将气网潮流线性化,采用Bernstein近似将此模型转化为确定性整数混合线性凸优化问题,可利用商业软件有效求解。最后,在一个含3个能源枢纽的IEEE RST24电力系统和比利时20节点天然气系统的耦合系统中进行仿真,结果表明,气网动态特性能为综合能源系统调度提供缓冲,同时此种确定性转化方法能有效体现机会约束规划的鲁棒性。     

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。     

基于多主体收益的电-气综合能源系统协调规划研究

随着我国各种异质能源系统的发展建设以及对综合能源系统规划研究的深入,根据不同能源间多能互补的优势和特点研究最合理的综合能源系统规划方案,对于我国综合能源系统规划建设及可持续发展具有重要意义。提出了一种市场环境下计及多主体收益的电-气综合能源系统协调规划方法。首先,分别基于电力系统和天然气系统的特点及网络约束,构建相应的收益模型,进而结合电-气综合能源系统中的异质能源间的耦合机理分析,充分考虑各能源主体间的博弈关系,构建计及多主体收益的电力系统和天然气系统协调规划模型;然后,利用迭代搜索法求解该模型;最后,利用仿真算例对所提方法的正确性和有效性进行验证。     

基于教与学模式改进一致性算法的电—气能量流协同优化

在综合能源网背景下,需考虑将多能量流进行分布式协同优化。针对电力、天然气多主体分布式自治决策的特点,考虑电—气耦合关系,建立了含新能源的多能流局域网优化模型,并通过能源路由器建立了一种合理的规划机制,从而保证各个能源局域网之间能量的有序流动。基于教与学模式优化算法对常规一致性算法进行了改进,并对该优化问题进行了求解,实现了电—气耦合系统的分布式协同优化。能源路由器既是能量装置,又是信息节点,能够将不同能量形式有机整合、协调优化。而基于教与学模式的改进一致性算法有更好的搜索能力和寻优能力,可获得更好的优化结果和计算效率。利用IEEE 118-GAS90电—气互联网络系统算例进行测试,结果验证了所述方法的有效性和可行性。     

含HVDC与P2G的跨区域电-气互联系统优化调度

远距离直流外送和电能转换存储是实现高比例可再生能源消纳的重要手段。考虑跨区层级高压直流输电(high-voltage direct current,HVDC)和区域内电转气(power to gas,P2G)相配合,提出面向大规模风电消纳的跨区域电-气互联系统优化调度策略。首先,针对HVDC功率传输计划独立编制难以匹配风电出力强随机性的问题,建立HVDC阶梯式运行优化模型。同时,考虑风电反调峰特性提出利用P2G进行风电转换,并与天然气系统管存配合实现间接存储。然后,综合考虑系统电压稳定性等安全约束条件,以系统运行经济性最优为目标建立日前优化调度模型,并针对模型非凸、非线性问题,采用电压幅值精确计算的线性化潮流和分段线性化方法进行处理。最后,通过多个场景仿真分析,验证了所提优化策略的有效性和经济性。     

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。     

考虑需求响应的含P2G电-气综合能源系统优化调度

在综合能源系统日益发展的背景下,提出了一种考虑需求响应的含P2G电-气综合能源系统优化调度模型。首先对天然气网络和电-气关键耦合设备P2G进行建模;然后基于虚拟电厂思想建立了价格型需求响应和激励性需求响应的等效模型,并结合电-气综合能源系统的各层面约束构建了考虑需求响应的电-气综合能源系统优化调度模型;最后,引入通用分布来描述风电功率的概率分布,并利用机会约束方法对模型进行不确定性处理。仿真算例结果验证了本文所提模型的有效性。     

基于信息间隙决策理论的气?电耦合配网滚动调度方法

面向气?电耦合配网，提出一种基于信息间隙决策理论（information gap decision theory，IGDT）的多能协同优化调度方法。首先，采用二阶锥优化(second-order conic program, SOCP)松弛描述配电网与天然气管网的能量流特征，利用电/气/冷/热多能互补及协同转化作为运行灵活性提升的重要手段，以经济性最优为原则，建立气?电耦合配网调度的确定性优化模型。在此基础上，提出基于IGDT的多能协同滚动调度方法，生成时变的动态风险边界。最后，在基于IEEE 33节点配电网和比利时20节点天然气网络的多能耦合系统中对所提方法进行了测试验证。算例结果表明，所提调度方法可以充分发挥气?电耦合配网的多能互补优势，并克服了传统滚动调度方法对于可再生能源预测精度的依赖，有效提升了系统对不确定性风险的承受能力，进而在鲁棒性与运行经济性之间取得合理权衡。     

考虑气电联合需求响应的气电综合能源配网系统协调优化运行

在未来多能互补、综合能源系统的背景下,传统配电网和配气网独立调度运行的模式已经不能满足多种能源互补的运行要求。为此,该文提出气电综合能源配网系统最优潮流的凸优化方法,即利用二阶锥规划方法对配电网潮流方程约束进行处理,并提出运用增强二阶锥规划与泰勒级数展开相结合的方法对天然气潮流方程约束进行处理,进而将非线性的气电综合能源配网系统优化调度问题转化为混合整数二阶锥规划模型,为气电综合能源配网的气/电协调优化运行和规划设计提供支撑。同时在配网系统中引入气电联合需求响应来提高系统调度的可控性和灵活性,从而更好的消纳新能源,以达到配网系统的优化运行。仿真结果表明,运用增强二阶锥规划与泰勒级数展开相结合的方法能更好提高配气网的二阶锥松弛精度,且考虑气电联合需求响应能够提高综合能源配网系统运行的经济性和新能源的消纳能力。     

基于参数线性规划的电-气综合能源系统最优能量流算法

电-气综合能源系统(integrated electricity-gas system,IEGS)的最优能量流(optimal energy flow,OEF)计算是其优化规划与运行分析的基础。针对现有电-气综合能源系统最优能量流求解方法存在的数据交互频繁、收敛性差以及难以保证隐私性等问题,提出了一种基于参数线性规划的电-气综合能源系统最优能量流计算方法。首先,建立计及有功网损的电力网络最优直流潮流模型,以及基于二阶锥松弛的天然气网络最优潮流模型。其次,基于参数线性规划理论,建立了电-气耦合功率与电力网络潮流最优解的关联函数。然后,将该关联函数传递至天然气系统中进行联合优化,并返回电-气耦合功率信息至电力系统中求解,分别得到最优能量流的天然气流与电力潮流结果。仿真分析表明所提方法能够通过单次信息交互准确求解最优能量流,同时交互信息量较小且不包含隐私信息,适用于最优能量流的分解式计算。