基于分布鲁棒优化的电–气–热综合能源系统日前经济调度

风电等可再生能源的出力具有不确定性,传统的鲁棒优化和随机优化方法在处理风电等可再生能源出力不确定性时都存在一些局限与不足。基于分布鲁棒优化研究了考虑风电出力不确定性的电-气-热综合能源系统(electricity-gas-heat integrated energy system,EGH-IES)日前经济调度问题。将Kullback-Leibler(KL)散度作为分布函数与参考分布之间距离的量度,建立风电出力的分布函数集合。然后以系统运行总成本作为目标函数,建立了EGH-IES日前经济调度鲁棒机会约束优化模型。将所建立的鲁棒机会约束优化模型转化为利用求解器可直接求解的确定性混合整数线性优化模型。最后,通过算例分析验证了所提方法的有效性,并分析了电转气技术和热网管道输送延时对风电消纳的作用。

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。

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。

基于改进麻雀搜索算法的电-热-气-氢综合能源系统优化

在“双碳”目标背景下,随着清洁能源并网规模不断扩大,能源系统正面临着各方面的巨大挑战。针对碳排放、新能源消纳等问题,提出一种计及需求响应的电–热–气–氢综合能源系统优化模型,引入碳捕集–多阶段电转气运行框架,发掘电转气技术中氢能源的低碳潜力;利用氢燃料电池、储氢罐,提高系统资源调度灵活性;负荷侧考虑需求响应,源荷双侧协同参与优化。为验证该模型的有效性,设置4种不同场景,将考虑碳交易的系统总成本最小值作为优化目标,采用含Tent混沌映射与权重因子的改进麻雀搜索算法对模型求解。结果表明,所构建的模型在降低成本、节能减排等方面具有积极作用。

计及氢能高效利用和热电灵活输出的综合能源系统源荷灵活运行策略

为进一步发挥氢能高效利用优势,构建绿色低碳能源系统,提出一种计及氢能高效利用和热电联产灵活输出的综合能源系统源荷灵活运行策略。首先,对源侧供能模型进行两方面改进:一是引入含风电制氢、燃气混氢、多能用氢和储氢的氢能利用模型,并考虑到电解水和甲烷化反应过程中的热量散失情况,引入热量回收装置,构建计及热量回收的氢能高效利用模型;二是针对常规热电联产灵活性不足的问题,构建含电锅炉和有机朗肯循环的热电灵活输出模型,以解耦常规热电联产“以热定电”和“以电定热”限制。其次,在荷侧引入含可转移、可削减和可平移的电、热柔性负荷,以缓解电、热负荷峰谷差,并与源侧相结合,形成源荷灵活运行模型。最后,综合考虑阶梯型碳交易成本、设备运行维护成本、弃风成本以及购能成本,建立综合能源系统源荷灵活优化运行模型。采用CPLEX求解器对所提综合能源系统源荷灵活运行模型进行求解,并设置不同场景进行对比。结果表明,相比常规氢能利用模型,考虑所提计及热量回收的氢能高效利用模型时,系统的总成本、碳排放量分别降低了1.92%、4.22%,并且引入热电联产改进模型后,其总成本、碳排放量可进一步降低4.08%、7.32%,实现系统低碳、经济和灵活运行。

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。

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。

考虑多重不确定性的电-热-气综合能源系统协同优化方法

综合能源系统(IES)中风-光出力和负荷不确定性对系统的运行安全和规划提出了挑战。以包含光伏、生物质气化热电联产等设备的IES调度过程为例,提出一种集成随机规划-信息间隙决策理论(IGDT)的方法应对系统优化运行过程中源-荷侧的多重不确定性。随机规划方法处理光伏出力不确定性,并将优化结果作为IGDT处理负荷不确定性的基准值。其中,IGDT中的风险规避和风险寻求策略反映了系统管理者面对不确定性带来运行风险时的态度。结果表明,风险规避策略下生物质气化热电联产日电能输出总量高于风险寻求策略下生物质气化热电联产日电能输出总量的50%。不同策略下的调度结果差异性为系统管理者提供了灵活的选择。

电-气-热综合能源系统协同调度优化研究综述

在“双碳”目标驱动和大规模新能源接入电网的背景下,燃气机组、电转气、热电联产机组等耦合设备的灵活调节能力被逐渐挖掘,这也使得电力、天然气、热力系统的耦合程度逐渐加深,传统的独立调度方式不再适用。实现电-气-热综合能源系统的协同调度,是提高能源利用率和应对新能源不确定性的重要手段。首先分析了三类能源系统在优化调度研究中常用的能流模型及耦合设备建模,然后从电-气-热综合能源系统应对新能源不确定性方法、耦合系统建模、优化求解算法和系统安全域四个方面阐述现有研究进展。最后,对目前电-气-热综合能源系统协同调度研究面临的关键问题进行总结,并对后续综合能源系统协同调度的发展方向进行了展望。

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。

计及改进阶梯型碳交易和热电联产机组灵活输出的园区综合能源系统低碳调度

为了进一步降低园区综合能源系统(park-level integrated energy system,PIES)碳排放量,优化热电联产(combined heat and power,CHP)机组出力的灵活性,提出一种考虑改进阶梯型碳交易和CHP热电灵活输出的PIES低碳经济调度策略。首先,将遗传算法与模糊控制相结合,设计一种遗传模糊碳交易参数优化器,从而对现有阶梯型碳交易机制进行改进,实现该机制参数的自适应变化;其次,在传统CHP中加入卡琳娜(Kalina)循环与电锅炉(electricboiler,EB),构造CHP热电灵活输出模型,以同时满足电、热负荷的不同需求;然后,提出一种柔性指标——电、热输出占比率,进而计算出电、热输出占比率区间,以衡量CHP运行灵活性;最后,将改进阶梯型碳交易机制和CHP热电灵活输出模型协同优化,以系统运行成本和碳交易成本之和最小为目标,构建PIES低碳经济优化模型。算例分析表明,所提策略可有效降低经济成本和碳排放量,同时还可扩展CHP灵活输出调节范围,能够为PIES低碳经济调度提供参考。

基于多变量相空间重构和径向基函数神经网络的综合能源系统电冷热超短期负荷预测

为解决能源危机问题,提高能源利用率,综合能源系统(integrated energy system,IES)成为发展创新型能源系统的重要方向。准确的多元负荷预测对IES的经济调度和优化运行有着重要的影响,而借助混沌理论能够进一步挖掘IES多元负荷潜在的耦合特性。提出了一种基于多变量相空间重构(multivariate phase space reconstruction,MPSR)和径向基函数神经网络(radial basis function neural network,RBFNN)相结合的IES超短期电冷热负荷预测模型。首先,分析了IES中能源子系统之间的耦合关系,运用Pearson相关性分析定量描述多元负荷和气象特征的相关性。然后,采用C-C法对时间序列进行MPSR以进一步挖掘电冷热负荷和气象特征在时间上的耦合特性。最后,利用RBFNN模型对电冷热负荷间耦合关系进行学习并预测。实验结果表明,所提方法有效挖掘并学习电冷热负荷在时间上的耦合特性,且在不同样本容量下具有良好且稳定的预测效果。

基于信息间隙决策理论-分布鲁棒优化的含电-氢-热混合储能综合能源系统需求响应策略

混合储能系统具有储能容量大、调节能力强等优点,有助于提高综合能源系统(integrated energy system,IES)的需求响应能力。首先,构建了一种电-氢-热混合储能系统(electric-hydrogen-thermal hybrid energy storage system,EHT-HESS),其中采用电解槽(electrolytic cell,EC)、蒸气重整反应(steam methane reforming,SMR)装置、储氢、热电联产氢燃料电池(hydrogen fuel cell,HFC)设备,实现电、气向氢能的转换,以及以氢能作为中间模态的“制氢-储氢-放氢/电/热”功能。其次,建立考虑EHT-HESS的IES需求响应策略优化模型,其中考虑IES响应电价和气价,同时根据富余风电量,进行购电、购气、用电、用热、用氢等策略决策的综合需求响应(integrated demand response,IDR)行为;并采用信息间隙决策理论(information gap decision theory,IGDT)计入概率分布未知的风电严重不确定性,采用基于综合范数的分布鲁棒优化(distributionally robust optimization,DRO)方法计入概率分布不完备的电价严重不确定性。最后,算例验证了模型和方法的合理性及有效性,并表明IES装设热电联产HFC构建EHT-HESS可实现氢能向电能与热能的转换,有助于增加风电消纳量,增加IDR决策的鲁棒性。

考虑光热电站和柔性负荷的电氢热综合能源系统联合优化运行

为解决现有综合能源系统运行灵活性差及风、光消纳难的问题,同时充分利用氢能实现碳减排目标,本文提出一种考虑光热电站和柔性负荷的电氢热综合能源系统联合优化运行方法。首先,基于光热电站和含电转氢余热利用的氢能系统模型构建电氢热综合能源系统。其次,考虑需求侧电氢热柔性负荷的特征和调节价值,构建含可平移、可转移、可削减负荷的电氢热柔性负荷模型。然后,进一步构建考虑电氢热柔性负荷调节特性的电氢热综合能源系统联合优化运行模型。最后,通过算例仿真验证所提方法能够兼顾经济运行与低碳效果,不仅可以提高光热电站与氢能系统的联合运行能力,而且能够有效提升系统运行的经济性和低碳性,电、氢、热负荷峰谷差分别降低6.68%、11.95%、8.35%,系统运行总成本降低24.4%。

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。

综合能源系统中热电联产机组故障预警现状

热电联产机组作为综合能源系统的重要组成部分之一,不仅承担着电能和热能的生产与传输等环节,也为系统消纳可再生能源提供了基础。风机和磨煤机作为热电联产机组的重要辅机设备,对热电联产机组的正常运行发挥着重要作用。介绍了故障预警技术背景,并对风机和磨煤机的故障类型进行了总结,随后基于人工智能算法将故障预警技术分为机器学习、深度学习和组合模型3种技术路线展开叙述。分析总结了各个技术的发展趋势和核心问题。最后对当前故障预警技术在综合能源系统中的发展应用进行了展望。

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。