气电互联综合能源系统多目标优化模型研究

针对目前以煤炭等化石能源为主的能源供给与消费模式带来的能源紧张与环境恶化问题,借鉴综合能源系统的开发利用思路,研究电转气(power to gas,P2G)技术原理下的气电互联综合能源系统优化调度运行问题。通过构建P2G参与气电互联综合能源系统多目标协同优化运行模型,在P2G碳捕捉效应、气电耦合效应等功能特征基础上,借助布谷鸟算法对多目标进行处理。算例结果表明,P2G设备接入后,具备有效降低弃风率、削峰填谷、提升碳减排效益等作用,为可再生能源消纳提供了新途径。

考虑电转气设备和风电场协同扩建的气电互联综合能源系统规划

随着电转气技术的发展和燃气机组占比的日益提高,电力、天然气系统间的耦合程度逐渐加深。在此背景下,对气电互联综合能源系统扩建规划时,考虑投建发电机组、输电线路、天然气气井、输气管道、风电场、电转气设备,并探究电转气设备和风电场协同扩建对系统扩建方案、风电消纳和经济性的影响。在计及电力、天然气系统相关运行约束的前提下,建立以系统投资运行总成本之和最小为目标的气电互联综合能源系统长期协调规划扩建模型;通过分段线性法将该模型转化为混合整数规划模型进行求解;通过IEEE24节点的电力系统和12节点的天然气系统组成的算例系统验证所提模型的有效性,结果表明合理的电转气设备和风电场协同投建可以减少输电线路阻塞和输电线路的过度投建,提高系统经济性和运行安全性。

含电转气设备的气电互联综合能源系统多目标优化

随着能源互联网的发展,气电互联等综合能源系统成为未来能源利用的重要形式。电转气(P2G)技术的日趋成熟,为可再生能源消纳的问题提供了新的解决方案。在此背景下,提出一种含P2G的气电互联综合能源系统的多目标优化调度模型。模型考虑了系统运行成本最低、环境污染最小以及弃风成本最少三个目标,用多目标粒子群算法对模型进行求解,然后利用模糊理论挑选综合满意度最大的解作为折衷解,并通过算例验证了该模型的有效性;分析了P2G能够有效地对可再生能源进行消纳;发现了天然气负荷的变化对电力系统调度安排有较大冲击,进而影响系统的经济性和污染排放。

基于多目标的气电互联综合能源系统规划研究

近年来,天然气发电的普及率不断提高,而快速发展起来的电转气(power togas,P2G)技术也更加促进了电力系统与天然气系统之间的耦合。本文研究了基于多目标的气电互联综合能源系统规划,建立了气电互联综合能源系统耦合模型,并进一步提出了气电互联能源系统协同规划模型。本文采用了多个目标来表征气电互联综合能源系统的可靠性与经济性,建立了以投资成本最少、运营成本最经济、能源短缺成本最少和需求侧用户补偿成本最低为目标的多目标优化模型,在模型求解时,采用了加权系数法将多目标规划转化是单目标规划。通过算例分析证明了该气电互联能源系统协同规划模型在经济性和集成系统可靠性等方面的有效性。

基于碳捕集-电转气的矿区综合能源系统协同优化调度

“双碳”战略目标下,为促进风光消纳与能源电力低碳转型、提高矿区能源利用率,提出一种含伴生能源和碳捕集与电转气耦合的矿区综合能源系统低碳经济调度模型。首先,综合考虑瓦斯、乏风、涌水等矿区伴生能源利用,建立矿区综合能源系统基本模型,并以碳捕集和电转气设备为耦合单元,促进节能减排与可再生能源消纳。然后,引入奖惩阶梯式碳交易机制,以矿区综合能源系统运行成本最小为目标,建立矿区综合能源系统协同优化调度模型。最后,以中国云南某大型煤矿为例,通过设置不同场景进行仿真分析。结果表明,所提模型能够促进矿区综合能源系统低碳经济运行,提高风光消纳率。

基于深度强化学习的电-气区域综合能源系统安全校正控制决策方法

电–气区域综合能源系统电、气相互耦合与影响,使得其安全校正控制难度大且对快速性要求高,为此,提出一种基于深度确定性策略梯度(deepdeterministicpolicy gradient,DDPG)算法的安全校正控制决策方法。首先,进行系统多能流与变量分析,建立安全校正控制的目标与约束条件。然后,构建基于DDPG的安全校正控制模型,设计目标奖励和各种约束条件奖励,提出结合基于综合灵敏度的安全校正知识经验设计目标奖励函数,使调整具有方向性,且目标奖励考虑能量枢纽(energy hub,EH)的经济效益及其可再生能源消纳;通过智能体离线训练,使其能够在线做出实时最优的安全校正控制策略,预先产生专家经验数据集存放于经验回放池,提高训练速度和收敛性。最后,通过含EH电–气区域综合能源系统仿真算例验证了所提方法的有效性。

基于离散布谷鸟算法的综合能源系统电气互联鲁棒状态估计方法

受量测装置采样时间单位不统一影响,GEIES量测数据误差较大,为提升GEIES状态估计精度,将离散布谷鸟算法应用至综合能源系统状态估计中,提出一种新的GEIES状态估计方法。建立贝叶斯量测模型获取气网和电网状态估计量测数据,增加量测数据集的完备性,为保证GEIES状态估计结果不受噪声因素影响,设置高斯噪声方差。将量测结果代入至GEIES状态估计中,分别建立电网状态估计模型和气网状态估计模型,并将二者结合建立综合能源系统电气互联鲁棒状态估计模型,通过离散布谷鸟算法求解该模型,获取状态估计最优解。算例结果表明,不论是无噪声环境还是有噪声环境,所提方法的状态估计结果精度均较高,且能够起到坏数据辨识的作用,说明其状态估计效果较好。

含电转气和碳捕集耦合的综合能源系统多时间尺度优化调度

为提升综合能源系统(integrated energy system,IES)的可再生能源消纳以及低碳经济效益,提出含电转气(power-to-gas,P2G)和碳捕集(carbon capture system,CCS)耦合的综合能源系统多时间尺度优化调度模型。首先,建立基于阶梯型碳交易机制的含P2G和CCS耦合模型,并构建多能量转换设备和储能设备组成的电-热-冷综合能源系统;其次,基于多时间尺度的优化调度策略,以购能成本、运维成本、碳交易成本、弃风光成本为目标函数建立日前-日内滚动-实时调整3个阶段的优化调度模型;最后,以四川某工业园区为例进行仿真,结果证明本文提出的模型有效提高了综合能源系统的低碳经济效益、能源利用率和系统稳定性。

阶梯碳下考虑耦合电转气-碳捕集和热电联产灵活输出的综合能源系统优化调度

“双碳”目标下,为进一步降低综合能源系统(integrated energy system,IES)碳排放,提升可再生能源消纳能力,提出一种IES低碳经济运行优化策略。首先引入阶梯型碳交易机制约束IES的碳排放;然后建立耦合电转气(power to gas,P2G)和碳捕集系统(carbon capture system,CCS)模型,并细化P2G两阶段运行;接着在传统热电联产机组(combined heat and power,CHP)中引入卡琳娜循环与电锅炉联合运行,构造热电灵活输出的CHP模型;最后以系统运维成本、碳交易成本、购能成本和弃风弃光成本之和最小为优化目标,构建IES低碳经济调度模型,并设置不同运行场景对比分析。结果表明:IES碳排放减少38.45%,运行总成本降低10.37%,验证了所建模型的低碳性和经济性。

考虑碳-绿证耦合机制的电-气-热综合能源系统分布式鲁棒低碳经济调度

为了保护综合能源系统中不同运营主体的信息隐私,权衡系统运行低碳性和经济性,解决天然气网络鲁棒模型难以求解的问题,提出了考虑碳-绿证耦合机制的电-气-热综合能源系统分布式鲁棒低碳经济调度方法。考虑天然气网络和热力网络的动态特性、碳-绿证耦合机制,构建综合能源系统动态低碳经济调度模型;为了保护各网络运营商的数据隐私,根据能量耦合关系对综合能源系统解耦,建立电-气-热网络的分布式协同优化模型;在此基础上,考虑风电出力和多能负荷的不确定性,提出基于一致性交替方向乘子法的分布式鲁棒优化框架,并利用二阶锥对偶理论与交替优化方法实现含二阶锥约束和二元变量的鲁棒子问题求解。以修改的IEEE 39节点电力网络、比利时20节点天然气网络和15节点热力网络为算例进行仿真分析,验证所提方法能够在源荷不确定性条件下实现综合能源系统各网络分散自治运行,同时兼顾系统运行的低碳性和经济性。

基于信息间隙决策理论的含碳捕集−电转气综合能源系统优化调度

【目的】为科学统筹综合能源系统运行经济性、稳定性和低碳性优化目标,采用何种技术手段以提升能源转化效率,减少系统能源浪费和区域环境污染,是当下综合能源系统合理优化的主要问题。为此,提出一种基于场景生成与信息间隙决策理论的含碳捕集与封存(carbon capture and storage,CCS)—两段式电转气(power to gas,P2G)综合能源系统低碳优化策略。【方法】在技术层面,通过对电P2G两阶段精细化建模,提高氢能利用效率,建立热电联产(combined heating and power,CHP)-CCS-P2G耦合模型;在市场机制层面,引入阶梯型碳交易模型以降低系统中CO_(2)排放量。最终,基于信息间隙决策理论(IGDT)构建不同风险偏好下的优化调度模型。【结果】以典型综合能源系统进行算例分析,仿真结果表明所提模型可提高风光消纳率,实现系统低碳、经济、稳定运行。【结论】该优化策略可有效帮助决策者根据其风险偏好制定风险规避与风险追求策略下的调度方案,实现系统不确定性与经济性的平衡。

面向电-气综合能源系统的MEAV抗差状态估计法

为了实现电-气综合能源系统更为协调精确的状态估计,参考电网状态估计方法,基于最大指数绝对值(Maximum Exponential Absolute Value,MEAV)状态估计建立了电力-燃气网络的稳态模型。采用牛顿法作为基本算法,对系统进行能流计算以及MEAV等价模型的求解。最后,通过30个电网节点和22个燃气节点的耦合系统的仿真实验,验证了所提出的方法在获得电-气互联网络准确运行信息和抑制不良数据方面的能力。

需求响应激励下耦合电转气、碳捕集设备的综合能源系统优化

为了充分调动用户侧柔性负荷资源,发挥氢能的低碳特性,本文提出了一种需求响应激励下耦合两阶段电转气和碳捕集设备的综合能源系统优化方法。首先,构建两阶段电转气、碳捕集、氢燃料电池和储氢罐等设备组成的氢基综合能源系统。其次,结合负荷能源转换间耦合关系与调节特性,引入阶梯型需求响应激励机制并对补偿基价、区间长度、价格增长率3个参数进行自适应优化。最后,设置多种场景,用多目标灰狼算法对系统的供能侧、需求侧和阶梯型需求响应激励机制进行优化求解。结果表明,基于此方法系统运行的总成本和CO_(2)排放量都有所降低。

多时间尺度下计及综合需求响应和碳捕集-电转气联合运行的综合能源系统优化调度

对源侧进行低碳化改造、荷侧辅以综合需求响应策略有利于“双碳”目标的实现。为此,提出一种多时间尺度下计及综合需求响应和碳捕集-电转气联合运行的综合能源系统低碳优化调度策略。源侧在碳捕集电厂中引入储液罐,形成碳捕集电厂的综合灵活运行方式,并构建计及碳捕集电厂和电转气设备的新型联合运行模型;在荷侧分析需求侧资源在不同时间尺度下的响应特性,建立不同时间尺度下的价格型、激励型需求响应模型,通过源荷协调配合提升系统的低碳性能;提出源荷互补的综合能源系统多时间尺度低碳调度策略,构建含综合需求响应的日前-日内-实时调度模型。算例结果表明,所提模型能够充分利用源荷资源参与调节,实现系统低碳、经济、稳定运行。

考虑垃圾焚烧烟气处理与电转甲醇的综合能源系统优化调度

为提升综合能源系统的环境效益与经济效益,促进可再生能源消纳并平抑系统波动,提出考虑垃圾焚烧烟气处理与电转甲醇的综合能源系统优化调度模型。首先,在垃圾焚烧电厂中,将脱硫、脱硝、碳捕集和烟气储存装置一同构成烟气处理系统,减少环境污染的同时实现垃圾焚烧发电与烟气处理环节时间上的解耦。其次,构建烟气处理系统-电转甲醇-甲醇燃料电池协同运行框架,碳捕集所得CO_(2)作为电转甲醇原料,生成的甲醇可直接获得商品收益,亦可通过甲醇燃料电池维持系统供电稳定性。最后,提出奖惩差异型阶梯碳交易机制以约束系统碳排放,建立以系统运行净成本最小为目标的优化调度模型。算例结果表明,该模型具备“削峰填谷”效用并能有效促进系统绿色、经济运行。

考虑碳捕集和电转气的零碳园区综合能源系统经济调度

针对园区综合能源系统的多能耦合和零碳运行问题,提出一种考虑碳捕集和电转气的零碳园区综合能源系统经济调度策略。首先,分析园区综合能源系统架构,建立考虑碳捕集和电转气的电、热、冷、气多能耦合的园区综合能源系统模型;其次,综合核算园区生态碳汇、能源生产碳源等,提出适用于园区综合能源系统的零碳指标,以系统经济效益最优为目标建立零碳园区综合能源系统经济调度模型;最后基于不考虑碳中和约束、考虑碳中和约束及考虑碳捕集和电转气联合运行的3种场景,结合分时电价并采用改进粒子群算法对经济调度模型进行求解。结果验证了所提模型和方法的有效性,考虑碳捕集和电转气联合运行的方式可提高清洁能源的消纳率、降低系统运行的成本,同时实现园区综合能源系统的碳中和。

考虑源荷不确定性电-气储能综合能源系统优化调度控制

针对以新能源为主体的电-气储能综合能源系统源荷随机波动的动态响应问题,搭建了光伏-固体氧化物燃料电池模型,通过电转气技术(power to gas,P2G)将盈余电能转换为氢能可供SOFC使用。以系统频率偏差设计终端滑模函数,提出了一种考虑源荷不确定性的自适应神经网络终端滑模运行控制策略。实现对电解槽和SOFC燃料电池无级功率调节,能够根据实时环境变化和负荷需求迅速做出响应。仿真表明:系统在孤岛运行模式下,相比于其他控制策略,该控制策略下的综合能源系统频率震荡响应更小、弃光量更低。

基于时间Petri网的电-气综合能源系统薄弱环节辨识

为有效辨识电-气综合能源系统薄弱环节,防止级联性重大事故,提出一种基于时间Petri网的电-气综合能源系统薄弱环节辨识方法。利用Petri网对系统做抽象化建模,确定故障源的关联区域子系统,并构建基于级联故障路径的时间Petri网模型,描述电-气系统故障传播的动态特性和时序差异,将级联危害评价计算融入到Petri网的运行过程中,寻找引发级联失效的关键环节,以IEEE30节点和25节点天然气系统组成的电-气耦合系统仿真分析,验证所提方法的有效性。

基于改进交替方向乘子法的电-气综合能源系统优化调度

在电-气综合能源系统分布式优化调度中,非线性非凸的Weymouth方程给问题求解带来了巨大挑战。一方面,目前许多研究采用二阶锥松弛Weymouth方程,较为复杂;另一方面,主流分布式算法即交替方向乘子法(ADMM)的计算效率并不高。对此,该文提出一种精确近似的Weymouth方程线性化模型和多参数规划改进ADMM算法以解决上述两个问题。Weymouth方程线性化模型基于泰勒展开,利用一簇切线松弛Weymouth方程。特别地,增加了惩罚项以收紧松弛间隙,通过变量替换的方法减少切线的数量,并给出了一种有效的切线选取方法。对于多参数规划改进ADMM算法,其通过多参数规划得到子问题最优解的解析式。迭代过程中,若参数落在临界域内,可直接将参数代入最优解解析式获得子问题的最优解,无需求解子问题,提高了迭代速度。此外,该文还对多参数规划中难以避免的退化问题进行了处理,提升了算法的通用性。最后在两个不同规模的系统中验证了Weymouth方程线性化模型的精确性和多参数规划改进ADMM算法的高效性。

考虑天然气混氢的园区综合能源系统电制氢优化配置

电制氢(power to hydrogen,P2H)和天然气混氢技术在促进可再生能源消纳、降低系统碳排放量方面具有良好的理论研究和工程应用前景。面向含高比例可再生能源的园区综合能源系统,提出一种计及天然气混氢及跨季节存储的P2H优化配置方法。首先梳理了含氢园区综合能源系统的运行框架和能量流动关系,建立园区内部能源生产、转换与存储设备的数学模型;然后以设备的年化投资成本、园区综合能源系统的年度运行成本和碳交易成本最优为目标,提出P2H优化配置模型;最后通过算例分析验证文中所提模型的有效性,并比较了电解槽投资成本、混氢体积分数上限以及经济性和低碳性成本权重系数变化对规划运行结果的影响。算例结果表明文中所提模型可有效提升可再生能源消纳能力,降低系统整体经济成本和碳排放量。