风光制氢合成氨系统的多时段可调度域分析

为直观描述风光发电制氢合成氨(power-to-ammonia,P2A)系统的柔性负荷调节潜力,计及制氢、合成氨化工过程的负载调控特性,基于动态规划思想和计算几何理论,提出其多时段可调度域(multi-stagedispatchableregion,MSDR)的刻画方法。所提方法将多时段间相互耦合的鲁棒约束变换为“氢缓冲罐贮量–合成氨产率”状态空间中的确定性多面体约束,使得对于可调度域内的任意系统状态,均存在满足完整调度过程安全约束的“制氢流量–氨产率爬坡速率”控制序列,从而实现P2A系统可调度能力的可视化。所提MSDR模型可进一步用于构造多时段鲁棒优化调度,在保证可行性的前提下优化P2A系统的经济收益。最后,基于内蒙古自治区某在建示范工程构造算例,验证所提方法的有效性。

面向新能源规模化消纳的绿氢化工技术研究现状与关键支撑技术展望

可再生能源电解水制取“绿氢”并进一步合成氨、醇等化工产品,是促进新能源消纳,实现电力、化工行业深度脱碳的重要技术方向。绿氢化工技术涉及电力、化工等多学科深度交叉,但当前绿氢相关研究综述以制氢技术自身为主,尚缺乏绿氢规模化利用、绿氢与下游化工产业耦合接入电力系统等方面的梳理。为填补上述空缺,支撑绿氢化工技术发展,推动可再生能源消纳及绿氢规模化利用,首先概述绿氢化工系统各工段原理及技术特性;然后分别从绿氢化工系统自身及接入电力系统的视角梳理研究现状,分析现有研究不足;最后,展望支撑绿氢化工发展的制氢系统规模化设计与灵活调控、柔性化工合成仿真模拟、面向电力平衡调控的多工段协调控制技术,提出接入电力系统及运行的支撑系统开发需求。

基于混合同步控制的构网型逆变器并网系统小扰动稳定性分析

由于构网型逆变器并网系统的混合同步控制(HSC)中直流电压控制、锁相环(PLL)、功率同步环(PSL)与电网阻抗间存在复杂交互,同步控制参数在不同电网强度下对并网系统小扰动稳定性的影响规律尚不清楚.针对该问题,首先建立了基于HSC的构网型逆变器并网系统状态空间模型,并基于根轨迹法分析了不同电网强度混合同步环中同步参数对并网系统小扰动稳定性与失稳模式的影响规律;在此基础上,给出了混合同步环中附加PLL支路参数和PSL参数的协同选取方法,以实现HSC构网型逆变器在宽电网强度下范围稳定运行.基于MATLAB/Simulink的仿真分析验证了理论分析的正确性.

基于非合作博弈的可再生能源制氢合成氨系统多主体运行模式分析

可再生能源制氢合成氨(ReP2A)系统各组成部分或隶属于不同工程投资主体,不同主体结构下系统运行特性差异显著。为明晰上述差异及影响因素,提出模拟可再生能源发电、制氢、合成氨多主体生产运营的均衡分析模型。建立各主体参与电、氢、氨市场生产交易决策的数学规划模型。基于非合作博弈建立不同主体结构下的均衡模型,并通过驻点优化法转化为混合整数线性规划问题进行求解。基于蒙西地区某在建工程构造算例,分析主体结构、市场类型以及储氢、氨罐配置对均衡及系统整体收益的影响。结果表明:化工企业投资氢-氨一体化工程有助于提升其竞争力;建设ReP2A系统内部电力交易平台可促进风、光发电与氢氨侧共同提升收益;若条件允许,则应鼓励风光氢氨一体化建设运行。同时发现,简单地增大储氢、氨罐容量并不一定会提升相应主体的均衡收益,应采取政策措施以保证储氢容量配置,满足运行安全。

基于伊藤过程的电制氢合成氨负荷随机最优控制

风电制氢进而合成氨(power to ammonia,P2A)是规模化消纳可再生发电资源,实现电力与化工行业碳减排的潜在技术路线之一。利用电制氢作为媒介,P2A可作为大型工业负荷参与电网能量平衡调节。然而,P2A负荷受化学工艺及过程控制的限制,负载调控惯性较大,当风电出力偏离预测轨迹时P2A负荷难以快速响应。为此,提出计及风电出力时序不确定性的P2A负荷随机最优控制方法。首先建立P2A系统柔性调控的状态空间模型。其次,考虑合成氨工段的调节惯性与风电出力时序相关性的耦合影响,基于伊藤过程建模风电出力的不确定性,构造随机动力学约束的P2A系统优化控制模型。之后,基于动态轨迹灵敏度分解,将随机动力学优化问题变换为确定性二阶锥规划,并采用随机模型预测控制(stochastic model predictive control,SMPC)滚动求解,有效避免了传统基于随机抽样模拟的方法计算复杂度高、求解效率低的问题。算例分析表明,与确定性控制相比,所提方法能够充分发挥合成氨柔性生产的优势,提升P2A负荷消纳波动性风电的能力。

大规模可再生能源电解水制氢合成氨关键技术与应用研究进展

新能源的快速发展为电力和化工行业带来了机遇和挑战,一方面,由于可再生能源电力消纳问题导致大量的弃水、弃光等能源浪费;另一方面,以绿氢为原料替代碳基化石能源合成氨,可以极大地减少化工行业的碳排放。因此,利用水力、光伏等可再生能源电解水制氢,为合成氨提供绿色原料,可显著提升可再生能源消纳能力,降低能耗与碳排放,服务国家“碳达峰、碳中和”目标。然而,可再生能源电力电量的波动性难以适配传统合成氨生产过程对平稳性的要求,大规模可再生能源电解水制氢合成氨的设计与运行依然存在诸多挑战,亟需开展系统性研究,以突破适应可再生能源波动特性的大规模电解水制氢合成氨系统的集成与调控关键技术。对此,本文首先讨论了可再生能源电解水制氢合成氨的工艺过程及拓扑结构,包括电解水制氢工段、压缩缓冲工段、化工合成氨工段,进而探讨该系统建设的关键技术体系,包括可再生能源波动条件下的合成氨多稳态工艺优化和柔性调控技术、考虑“电-热-质”耦合的大规模电解水制氢系统的模块化集成和集群动态控制技术、计及可再生能源波动性与化工多稳态特性的“源—网—氢—氨”的全系统协同控制技术、计及电、氢、氨等要素的全方位安全防护与市场运营机制。具体内容有:针对适用于柔性生产的合成氨工艺优化及多工段协同调控技术,在考虑氢储供量与催化剂性能下,综合合成塔、压缩机、气体分离、换热网络等子系统构建合成氨高保真代理模型;提出可再生能源供给和市场需求波动下,充分考虑操作安全性和过程经济性的电解水制氢合成氨各子系统的适配方案与协同控制技术。针对大规模电解水制氢系统模块化集成和集群动态控制技术,基于奇异摄动和代理模型技术研究集群系统多时间尺度时域仿真方法,构建电解集群系统多物理耦合状态空间模型;综合考虑模块启停组合调度、模块间功率分配调度及模块自身灵活调节,计及安全运行区间及电热气接口特性约束,以提高氢产量、提升能量利用效率、改善水光电源消纳和跟踪电网调峰调频指令为目标,构建集群系统多目标分层调度与控制模型。针对氢能参与电网平衡调节的全系统协同控制技术,提出水光互补发电、制氢、储氢、合成氨、储氨多工段间稳态运行特性的多工段间灵活运行方法,以及电解水制氢合成氨系统柔性动态协同控制方法;构建静态等值和参数聚合等方法降维和等值制氢合成氨系统仿真模型,提出源网氢氨协同提升系统安全稳定性的优化控制方法和技术指标;结合电网调频和调峰特性,研究电解水制氢合成氨系统参与电力辅助服务的策略。建设大规模可再生能源电解水制氢合成氨系统,有望提高可再生能源本地消纳率和并网调度友好性,降低化工碳排放,具有显著社会效益和战略意义。

基于广义多项式混沌法的含风电电力系统随机潮流

风电的大量接入加剧了电力系统运行的不确定性,随机潮流计算是分析电力系统不确定性的重要工具。针对风电接入,提出了基于广义多项式混沌理论的方法求解随机潮流。该算法选取最优广义多项式混沌基函数构成级数展开式来近似表示随机输入变量,再根据基函数的正交性,构造确定性方程组,进而将求解系统状态变量概率分布的问题转化为其广义多项式混沌逼近系数的求解问题。针对风电出力概率分布复杂且需计及风速相关性的情况,采用等价变换方法处理随机输入变量。对IEEE 30节点系统的随机潮流计算结果表明:所提算法的计算精度较高;与蒙特卡洛模拟法相比,计算量较小。

计及网络约束的有序用电综合决策方法

有序用电是缓解高峰时期电力不足的重要手段,为此提出了周前有序用电综合决策模型。综合了基于用户负荷形态以及参与意愿的4种错避峰手段,考虑了负荷的网络分布以及线路阻塞,利用改进的直流潮流方法近似考虑了网损,建立了以有序用电错避峰手段补偿成本最小及网损最小为目标的多目标优化模型。通过只考虑高峰时段约束等求解策略缩减求解时间。算例分析表明,本模型可以基于用户负荷特性制定个性化的有序用电方案,通过时间与空间维度的有序用电实现对有限的电力资源的优化配置,在消纳用电缺口的同时降低网损、消除网络阻塞,提高了电网运行的安全性与经济性。

不确定条件下提高静态电压稳定性的优化方法

以最小化静态电压失稳概率为优化目标,基于概率空间中静态电压稳定域边界及其关于控制变量的灵敏度,提出了不确定条件下提高电力系统静态电压稳定性的优化方法。为求得静态电压稳定域边界的显式逼近表达式及其灵敏度,利用参数化非线性规划模型刻画稳定域边界,而后基于广义多项式混沌思想,将随机Galerkin方法与原-对偶内点法相结合予以求解。IEEE-39节点系统算例分析验证了所提优化方法的有效性和精确性。

考虑静态并联无功补偿的发电机无功储备优化方法

基于考虑有效性和方向性的发电机无功储备定义,提出了考虑静态并联无功补偿的最小发电机有效无功储备优化模型。采用Benders分解算法的思想,将原问题分解为正常运行方式下的主问题和预想非正常运行方式下的子问题,并设计了降低模型求解规模的子问题筛选算法,提高了Benders算法的求解效率。最后,由针对IEEE 39节点系统的算例分析验证了所提算法的有效性。

基于广义多项式混沌方法的电力系统时域仿真不确定性分析

电力系统时域仿真不确定性分析主要研究电力系统中不确定性因素对时域仿真结果的影响,为分析不确定情况下系统的暂态稳定性提供重要依据。提出一种基于广义多项式混沌方法的时域仿真不确定性分析方法。该方法近似认为变量在任一时刻与随机因素之间存在多项式关系。求解时首先获取最优的正交多项式基函数,对随机输入变量及待求变量实施多项式逼近,并基于Galerkin法,通过投影运算将描述系统暂态过程的随机方程转变为相应的确定性方程。求解该方程,可得待求变量的多项式逼近系数,进而获得相关变量在任一时刻的统计特征及概率分布。单机无穷大系统和IEEE 9节点系统算例验证了所提方法的有效性。

主动配电网中基于统一运行模型的电制氢(P2H)模块组合选型与优化规划

电制氢(power-to-hydrogen,P2H)技术由于兼顾能量转换能力与灵活性,近年来成为解决主动配电网内可再生能源消纳问题的一种备受关注的解决方案。考虑3种P2H主流技术:碱性电解(alkaline electrolysis cell,AEC)、质子交换膜电解(proton exchange membrane electrolysis cell,PEMEC)以及固体氧化物电解(solid oxide electrolysis cell,SOEC)在成本、灵活性、效率3方面的固有差异,建立包括启停、产出及功率模型的P2H模块统一运行模型。在此基础上建立主动配电网中P2H模块的优化规划模型,对P2H模块的选型、选址、定容进行决策。通过标准配电网算例进行仿真分析,得到在富余光伏、风电2种典型场景下P2H模块的优化规划结果,验证投资P2H模块可有效提升主动配电网经济效益。进一步结合设备投资、购电成本及售氢收益等关键经济性指标,得出P2H模块在电力系统中的2种典型运行工况(满载运行工与变负载运行工况)设备组合选型的规律,进一步通过运行分析验证组合选型的重要性,为P2H在电力系统中的选型和规划提供理论参考。

超临界机组调门快关提升暂态稳定性影响因素分析

为定量分析电气侧系统参数和运行工况对调门快关作用效果的影响,以及为超临界机组快关功能整定优化提供理论依据,提升机组与电网的运行可靠性和安全性,基于PSCAD/EMTDC仿真平台,以贵州兴义电厂1号机组为研究对象,建立包含汽轮机、发电机、励磁系统和等值电网在内的"源-网"联合仿真模型;仿真计算不同影响因素下的故障临界切除时间,以之作为暂态功角稳定性指标,分析并总结了发电厂送出线路长度、发电机有功与无功出力、短路故障类型与快关动作延时等因素对提升暂态稳定性作用效果的影响。综合分析各影响后得出:快关提升故障临界清除时间的相对数与故障短路容量的倒数间存在较好的线性回归关系。

基于功率流拓扑的配电网薄弱环节辨识方法

基于E格式电网结构数据和特定时间断面下主变、线路的负载数据,生成了配电网功率流拓扑,在此基础之上设计了用于辨识配电网薄弱环节的快速算法,对电网中的设备过载、变电站单主变运行、变电站失去母线等薄弱环节进行识别,提供了相关运行建议,并生成电网预警通知书供运行人员参考;采用SZ系统算例,对上述方法的有效性进行了验证。

梯级水光互补联合发电系统运行安全分析方法及应用

以水电为纽带的多能互补发电已成为提升清洁能源消纳水平的重要手段。梯级水光互补联合发电系统受光伏出力的强随机性和间歇性影响,极大地限制了互补系统的安全稳定运行。围绕梯级水光互补联合发电系统运行安全分析的实际工程问题,从互补系统的发电计划安全校核和安全运行区间分析两个角度,提出了基于多项式混沌理论的概率配点算法的运行安全分析方法并研发了相应软件。该方案可有效应对随机性影响下大规模场景抽样带来的求解效率问题,能够在保证计算精确性的前提下,显著提高求解效率,为互补系统的安全稳定运行提供了技术支持。

计及光伏出力时序不确定性的电制氢多机集群优化调度

受制氢机单机容量限制,电制氢厂站由多台制氢机构成集群,以满足光伏制氢一体化工程的规模化需求。考虑到制氢机启停、爬坡调节惯性,提出集群调度方法,动态调整启停状态及功率分配,以适应光伏出力的时序不确定性。首先,基于伊藤理论建模光伏出力的连续时间随机过程;而后,构建制氢机集群调度的随机优化模型;继而,基于随机微分方程的轨迹灵敏度展开,将随机规划变换为确定性优化求解;最后,根据所得制氢机启、停指令及功率分配的仿射控制律,实现滚动优化。基于内蒙古自治区某在建工程的算例分析表明,对比确定性优化方法,所提方法可提升光伏消纳和制氢收益。

适应波动性风电的电制氢合成甲醇系统柔性优化调度

电制氢技术将可再生能源发电与氢下游的甲醇合成产业相耦合,是电力、化工行业低碳转型的重要发展方向。然而传统甲醇合成生产采用“恒功率,满负载”运行模式,为保证供电平稳性需以更高的价格购买优质电量,导致生产成本高昂。为此,充分考虑甲醇合成反应的动力学和热力学特性,提出甲醇合成工段多负载区间异速调控方法,配合集群制氢负载的启停调度,构建适应风电波动的电制氢合成甲醇系统全环节柔性调度模型。引入基于Wasserstein距离的分布鲁棒优化,以最大化系统收益为目标建立优化调度模型,并利用仿射策略实现系统再调度以平抑可再生能源发电出力偏差。最后,分别以独立风电制氢合成甲醇系统和基于IEEE 14节点构造的化工园区系统进行算例分析,结果表明,采用柔性运行方式可降低电转甲醇系统对供电平稳性的依赖,优先利用廉价风电可降低甲醇生产成本14.5%,在新能源高占比电网中更具经济优势。