掺氢天然气管道气-电耦合系统风险模型研究

针对掺氢天然气管网与电网耦合过程中电-氢-电复杂能量转换风险量化问题,提出一种面向掺氢天然气管网气-电耦合风险评估方法,构建掺氢天然气管道三阶段风险评估模型,评估不同时期管道的风险;并提出计及气电耦合的物质—能量的风险传递模型,用于刻画掺氢天然气管道风险在气-电网之间传递的过程;通过构建不同掺氢比天然气管网气-电耦合风险运行算例验证了模型的有效性,为该系统接入电网提供了安全理论支持,为氢能高效利用提供了新的思路与保障。

基于投影积分的气-电耦合园区综合能源系统动态仿真方法

在充分考虑电力、燃气系统及其相互转化特性的基础上,建立了气-电耦合园区综合能源系统动态仿真模型,并根据动态过程的时间尺度对刚性系统进行划分;在此基础上,基于投影积分理论,提出一种适用于气-电耦合园区综合能源系统的高效率动态仿真方法,采用内部积分器以小步长的显式和隐式欧拉法交替求解来精细刻画快动态过程,采用外部积分器以可变大步长二阶牛顿插值高效求解慢动态过程,且在计算过程中能够有效计及故障扰动等事件的影响;对算法的数值精度进行分析。基于典型算例的算法测试表明,所提方法能够有效实现多场景下的气-电耦合系统快速稳定求解,在保证精度的前提下有效提升仿真效率。

计及灵活爬坡的气-电耦合综合能源系统低碳经济调度研究

随着“双碳”目标的提出,电力系统低碳化转型以及新能源高比例渗透已成为必然趋势。然而,高比例新能源并网给电力系统灵活性运行带来了更大的挑战。因此,调度侧需具备充裕的运行灵活性以平抑净负荷波动。该文以含碳捕集电厂的气-电耦合综合能源系统为对象,提出了一种计及灵活爬坡需求的低碳经济调度模型。首先,计及了电力系统、天然气系统和碳捕集电厂的运行约束,构建了计及碳排放成本的低碳经济模型。然后,考虑了发电机组与碳捕集电厂提供运行灵活性爬坡服务,建立了计及灵活爬坡产品的综合能源系统低碳经济调度模型。最后,算例测试定量分析了碳价对于综合能源系统低碳调度决策的影响,量化了燃气机组与碳捕集电厂的运行灵活性。

考虑热备用的气-电耦合园区综合能源系统弹性调度

随着气-电耦合园区综合能源系统IEGS(integrated electricity and gas community system)内部能源耦合程度的逐渐增强和其日益增长的供能可靠性需求,制定合理有效的调度策略增强系统对供能端故障的适应性愈加重要。为此,计及IEGS电、气互补运行特性,制定了考虑蓄热装置热备用的气、电互补多阶段弹性调度策略。首先,计算各个时刻发生气源、电源故障时满足重要负荷所需的最小储能备用容量;然后,基于备用信息进行考虑热备用约束的日前经济调度,若发生源端故障,系统切换至故障运行模式,优先保证重要负荷供能;最后,选取夏季运行日数据进行调度策略的验证分析。结果表明,考虑热备用的IEGS气、电互补弹性调度策略可在不明显改变运行成本的情况下提升系统对源端故障的适应性,保证故障域内重要负荷的可靠供给,具有较强的运行弹性。

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。

计及电-气双向耦合的综合能源配电网优化重构

综合能源系统是实现电网、气网以及热网等多种能源系统深度融合,利用能量耦合互补等优势提升整个系统能源利用效率的有效形式。为提升综合能源系统优化运行能力,文章首先基于电转气技术与天然气发电技术,构建了的电-气双向耦合综合能源系统总体模型。进而考虑配电网重构技术(Distribution Network Reconfiguration Technology,DNR)中拓扑结构灵活可控这一特性,在配电子系统中引入开关变量、系统运行总费用最低这一目标函数及网络辐射状拓扑结构等约束,建立了配电子系统重构模型。从降低模型求解复杂性的角度,应用二阶锥松弛、乘积变量线性化及分段线性化等方法,将原始综合能源配电网重构非凸非线性模型转化为混合整数二阶锥规划(Mixed Integer Second-Order Cone Programming,MISOCP)问题求解。仿真结果表明,在电-气双向耦合的综合能源系统中应用配电网重构技术,能够降低综合能源系统运行费用,同时有效支撑了配电子系统电压与配气子系统气压。

计及碳交易的电-气耦合型虚拟电厂运行策略优化研究

随着双碳目标的提出,构建清洁低碳,安全高效的能源体系日益迫切。虚拟电厂(virtual power plant,VPP)采用大数据等技术手段,将电力作为中心,把各种类型的负荷聚集在一起进行管理,通过协调优化技术降低成本,是重要的碳交易载体。文章构建电-气耦合型虚拟电厂(E-G VPP)参与电力市场和碳市场的架构,研究E-G VPP经济低碳运行策略优化模型。构建了一种E-G VPP典型结构,提出E-G VPP参与电力市场与碳交易市场的交易模式,构建电碳交易协同的E-G VPP运行策略优化模型,并利用遗传算法对模型进行求解。最后,通过算例分析验证所提模型在经济低碳运行上的有效性。

基于改进UKF的电-气耦合系统状态估计

随着“双碳”减碳目标的能源改革推进,综合能源系统得到了快速的发展,电-气耦合系统成为实现多能流能源交互运行的重要案例。然而,由于各子系统之间信息交互、响应时间与运行时间尺度之间存在较大差异,给能源管理系统的监测与状态感知能力带来严峻的挑战。考虑电、气子系统状态估计之间存在不同时间尺度问题,该文构建多时间切片统一的分段式状态估计模型,提出了基于奇异值分解的无迹卡尔曼滤波多能流系统动态状态估计算法。仿真算例验证了分段式状态估计策略的有效性,有效实现对电-气耦合系统的精准监控,并且估计结果具备更强的数值稳定性。

考虑天然气管网极限风险影响的电-气耦合系统连锁故障模型

随着电网和气网耦合程度的增强,天然气系统气源、管道和压缩机故障风险处在极限区域时对电力系统的影响亟待研究。该文通过Ford-Fulkerson法量化气网故障极限风险,建立考虑天然气管网极限风险影响的电-气耦合系统连锁故障模型。首先,考虑天然气系统的可靠性、经济性和容量约束,引入成本矩阵和容量矩阵建立天然气随机网络模型;其次,通过Floyd算法确定高效率、低成本天然气输气方向的基础上,采用Ford-Fulkerson算法量化天然气随机网络故障后的极限最小风险;然后,利用直流潮流模型和概率模型模拟电力系统连锁故障,并根据拓扑完整性和物理运行特性评估天然气系统主要设备故障风险在极限区域时对电力系统连锁故障的影响。最后,通过IEEE 30节点和比利时20节点组成电-气耦合系统,验证了该模型的正确性和有效性。

基于多时间尺度的电-气-热耦合网络动态状态估计

目前能源网络状态估计的研究一般仅对单一系统或双系统。针对多种能源网络联系日益紧密的情况,研究了电-气-热耦合网络中不同子网络间的耦合关系和交互作用,并根据不同网络之间动态特性的差别,提出了基于多时间尺度的电-气-热耦合网络顺序状态估计(state estimation,SE)方法。同时以无迹卡尔曼滤波算法为基础,考虑到不同子网络间的耦合约束,构建了适应多情景的状态估计全局一致算法,保证了耦合网络状态估计结果满足边界耦合约束。仿真算例验证了所提方法的正确性和有效性,其结果对构建面向综合能源系统的新一代能量管理系统提供了数据支撑。

面向电-气双向耦合与低碳的P2G厂站优化规划

电转气技术可消纳电力系统过剩电能,同时其具有的碳捕捉作用能提升电力系统低碳性。针对现有可再生能源消纳以及低碳化发展趋势,提出一种面向电-气双向耦合与低碳的综合能源系统电转气厂站优化规划策略。该策略考虑耦合系统中各部分特征,以耦合系统年投资运行成本与碳排放成本之和最小为优化目标;在目标函数中,计及弃风成本和购气成本,以及在电转气厂站碳捕捉作用下综合能源系统的碳排放成本,建立基于现有可再生能源出力大小的电转气厂站优化规划数学模型,采用粒子群优化算法进行模型求解。最后以IEEE-9节点电力系统和7节点天然气系统组成的电力天然气耦合系统为例进行验证分析,仿真结果表明所提方法在最大化消纳可再生能源的同时拥有较好的经济性和低碳性。

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IEEE14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。

考虑多评估指标的电-气综合能源系统可靠性评估

燃气轮机的广泛应用使得电力网与天然气网愈加耦合,同时对电-气综合能源系统的可靠性提出了较高的要求,建立全面、合理的可靠性评估指标对于系统可靠性评估具有重要意义。建立电-气综合能源系统的最优负荷削减模型,在传统可靠性评估指标的基础上进一步根据电-气耦合程度、供气系统延时特性建立电-气综合能源系统可靠性评估指标体系;基于蒙特卡洛法从多角度全面分析联合系统的可靠性;以14节点电力系统和10节点天然气系统组成的电-气综合能源系统为例进行可靠性评估。算例结果表明:考虑天然气延时后,联合系统整体可靠性有所提升;燃气轮机容量的提升使得电力系统可靠性有所提升,但提升作用有限。

考虑电转气的电-气耦合系统协同优化规划方法

以燃气机组和电转气(P2G)设施构成的电力-天然气耦合系统提高了不同能源系统的互动性。为实现规划年耦合系统的安全经济运行,文中提出了以年投资成本、年运行成本之和最小为目标的考虑P2G的电-气耦合系统优化规划方法。该优化方法可得到规划年燃气机组、P2G厂站、电力线路、燃气管道的投建状态和典型日燃气机组、P2G厂站的最优出力。然后,基于所提方法对7节点天然气和9节点电力系统进行不同场景的建模计算。最后,免疫算法解算结果表明,P2G厂站位置的合理规划可降低天然气网络管道的建设成本,燃气机组和P2G厂站的出力调整可降低系统的运行成本。

考虑电-气耦合系统连锁故障的多阶段信息物理协同攻击策略

针对电-气耦合系统在恶意攻击下的风险分析,提出了一种计及电-气耦合系统连锁故障的信息物理多阶段协同攻击策略。为了诱导调度人员做出错误调度决策和降低电网的安全裕度,提出了一种以最大化线路过载程度为目标的改进负荷重分配(LR)攻击模型。综合考虑天然气系统与电力系统的调度时间尺度差异,构建一种新型的电-气耦合系统多阶段协同攻击策略:初始阶段通过攻击气网侧气源或管道以影响电-气耦合节点的天然气机组状态,然后针对电力系统交替采用改进LR攻击和物理攻击,最终导致大规模连锁停运。基于Q-Learning提出了最优策略求解算法,以比利时20节点天然气系统和IEEE30节点系统为算例,验证了所提信息物理协同攻击模型的正确性和有效性。

考虑风光出力不确定性的含电制氢装置的电-气耦合配网系统经济运行分析

高效节能的电-气耦合配网系统能够同时考虑经济效益和环境成本,对提升配电网系统的经济性具有重要作用。本文提出了一个两阶段分布式鲁棒优化模型来解决经济运行问题,运用Wasserstein测度刻画风光出力预测误差概率分布的模糊不确定集,并构建了考虑风光出力不确定性的含电制氢装置的电-气联合系统分布式鲁棒优化运行模型。仿真结果表明:(1)电制氢装置的引入可以有效改善配网系统的电-气耦合,提高系统运行的稳定性和经济性;(2)考虑到环境成本,含电制氢装置的电-气耦合配网系统的污染物排放显著降低,保证了系统的低碳运行;(3)分布式鲁棒优化(distributionally robust optimization,DRO)模型能够抵抗不确定风电和光伏输出的干扰,保守性和计算复杂度相对较低,具有数据驱动的特点。

电-气耦合系统概率Pareto最大负荷裕度及灵敏度分析

针对含风电机组的电-气耦合系统在最大负荷裕度及其相互影响问题,考虑电力网络,天然气网络及能源集线器3部分等式和不等式约束,以电力网络与天然气网络的最大负荷裕度Pareto最优为目标,构建含风电电-气耦合系统概率最大负荷裕度多目标优化混合最优潮流模型。采用随机响应面法处理风电机组出力的不确定性,提出了结合牛顿法、快速非支配排序遗传算法和最大满意度决策的模型求解方法;进而对电-气耦合系统最大负荷裕度的灵敏度进行分析。最后,算例仿真结果表明,所提模型和算法正确有效,定义的灵敏度指标可识别系统薄弱节点及评估最大负荷裕度下系统耦合影响。

计及需求侧响应的电-气耦合配网协同规划

随着燃气轮机和电转气技术的发展,电-气配网耦合日益加深。另一方面,需求侧响应能削峰填谷,提升系统性能。因此,针对计及需求侧响应的电-气配网协同规划展开研究。首先,在对需求侧响应进行数学分析与建模基础上,以投资成本、维护成本、交易成本和补偿成本之和最小为优化目标,建立配电线路、配气管道、耦合设备规划的混合整数非线性模型。然后,通过分段增量线性化和辅助变量法,将模型化为混合整数线性问题并利用CPLEX求解。最后,将所提方法应用于12节点配电网与10节点配气网的两阶段协同规划,结果表明需求侧响应可降低设备容量需求,减少购能费用,提升规划方案的经济性。

多区域互联电-气耦合系统分散协调分布鲁棒优化调度

电力、天然气等异质能流的深度耦合和互补协调,使得面向可再生能源消纳的多区域互联电-气耦合系统成为未来能源互联网发展的重要方向。在此背景下,综合考虑风电出力、燃气机组耗气量及配电网间联络线交互能流等多重不确定因素,提出基于多主体自治决策的多区域综合能源系统分散协调优化调度框架。首先,针对配电网,建立基于风电出力模糊集的分布鲁棒优化调度模型,并结合对偶理论和线性决策规则将该半无限优化问题转化为线性规划问题。其次,建立天然气网的二阶锥规划模型,并根据燃气机组耗气量不确定集检验其在配电网中备用配置的可行性。然后,分析多区域互联系统中能量流的解耦机制,采用一种基于平行正则化的交替方向乘子法对多区域电-气耦合系统分散协调调度模型进行求解。最后,通过算例验证了所提模型及求解方法的有效性和实用性。

计及碳捕集-电转气耦合特性的电-气互联系统连锁故障评估

“双碳”背景下,随着碳捕集与封存技术逐步被应用于燃煤机组中,碳捕集-电转气(carbon capture-power to gas,CC-P2G)的耦合特性对电-气互联系统(integrated electricity and gas system,IEGS)安全可靠性的影响不可忽视。为评估该影响,基于耦合设备变工况精细化模型,提出了考虑CC-P2G耦合特性的IEGS连锁故障评估方法。首先,将电转气过程划分为电解水和甲烷化,并将碳捕集系统中的二氧化碳参与甲烷化,建立CC-P2G变工况精细化模型;同时,考虑详细的气转电过程建立燃气轮机变工况精细化模型。然后,根据电能和天然气流动惯性差异,分别建立基于直流潮流的电力系统连锁故障模型和基于动态潮流的天然气系统连锁故障模型,协同模拟IEGS连锁故障。最后,从拓扑完整性与物理运行特性角度建立评估指标,分别对电力系统与天然气系统受到的连锁故障影响进行量化评估。利用IEEE 39节点系统和29节点天然气系统构建电-气互联测试系统,验证所提方法的有效性。