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。

考虑季节互补特性的电–气综合能源系统容量规划

冬季天然气供应紧张问题已愈发严峻,同时风电在冬季的消纳问题也成为风力发电并网的瓶颈之一,亟需探索季节储能措施。分析温带季风气候地区中电力系统和天然气系统在春秋、夏、冬3种典型季节场景下的季节互补特性及其运行特征,剖析其中可以挖掘的耦合效益,提出一种考虑季节互补特性的电-气综合能源系统电源容量规划方法,以投资成本、运行成本、弃风成本的总成本最小为目标,细化天然气结算方式,使用内嵌模拟运行的方式模拟电-气耦合系统在季节和日内2个尺度上出力和负荷特征的耦合。经修改后的IEEE39节点电力系统和比利时20节点天然气系统组成的测试系统,验证了所提规划模型可以利用季节互补效益促进新能源消纳和提升系统运行效率,达到季节性“储能”的效果,并分析了风电渗透率和气价水平波动对规划结果的影响。

考虑CCUS电转气技术及碳市场风险的电–气综合能源系统低碳调度

在碳市场价格波动的背景下,合理量化碳交易价格波动风险并制定相应的低碳运行策略对于降低系统运行成本和碳排放量具有十分重要的意义。该文提出一种考虑碳市场价格风险及碳捕集、利用与封存系统–电转气协同运行的电–气综合能源系统低碳优化调度模型。首先,利用广义自回归条件异方差模型预测次交易日碳价,并使用条件风险价值衡量碳市场价格波动风险,为电–气综合能源系统调度提供碳价参考。然后,引入碳捕集、利用与封存系统–电转气协同运行框架,将碳捕集机组捕获的CO_(2)作为电转气原料,电转气利用负荷谷期的风电出力生产天然气,以电–气综合能源系统总调度成本及碳交易风险最低为目标建立优化调度模型。最后,在改进的IEEE 24节点和天然气6节点系统构成的电–气综合能源系统中进行仿真。结果表明,提出的调度模型能够捕捉碳市场波动期内风险,提高电–气综合能源系统可再生能源消纳量,并降低系统总运行成本和碳排放。

基于气网动态代理模型的电–气综合能源系统最优能流计算

在电-气综合能源系统最优能流计算中,管道参数均一化假设使得物理模型难以精确刻画气网动态过程。为此,该文提出一种基于气网动态代理模型的电–气综合能源系统最优能流计算模型。基于神经网络拟合气网流量、气压关系,提取神经网络参数构建气网动态代理模型;提出基于气网最大时间常数的滚动代理模型构建方法;将含非线性激活函数的气网动态代理模型等价转化为混合整数线性规划模型,并与电力系统潮流模型结合,建立电–气综合能源系统最优能流模型。将所提模型在配网级电–气综合能源系统中验证分析,结果表明:较之于基于管道参数均一化假设的物理模型、气网全时段代理模型,所提方法精度高,降低了代理模型规模与模型训练代价。

多时间断面电–气综合能源系统状态估计

随着电-气综合能源系统的快速发展,为准确感知运行状态需要对其进行状态估计。但天然气系统和电力系统响应时间及变化速度存在较大的差异,需要能够实时感知天然气系统暂态过程的运行状态。引入了离散化的天然气管道方程来描述其暂态变化过程,构建多时间断面的电-气综合能源系统状态估计模型,模拟电-气综合能源系统动态特性,更准确地描述其变化过程,感知系统运行状态的变化趋势。通过算例分析验证了不同量测配置下多时间断面状态估计的有效性,并与稳态模型估计结果进行了对比分析。

考虑风电不确定性的电-气能源系统数据驱动鲁棒优化调度

电-气能源系统的耦合为消纳风电提供了新途径,但风电随机过程的复杂不确定性给电-气能源系统运行带来了挑战。基于此,提出了一种考虑风电预测误差不确定性的电-气能源系统数据驱动鲁棒优化调度模型。首先通过无穷维高斯混合模型对风电预测误差进行聚类,考虑风电厂间出力的相关性,建立了数据驱动的风电预测误差不确定集。接着以燃气轮机为耦合元件,考虑动态天然气潮流,提出了两阶段的电-气能源系统鲁棒优化调度模型。第一阶段为日前计划层面,决策机组启停及出力区间、天然气的供气量区间;第二阶段为实时运行层面,决策机组的出力值以及天然气的供气量,针对天然气网络的非凸非线性约束,采用二阶锥松弛的方法将其进行凸化。针对该模型min-max-min的三层结构,通过KKT条件将第二阶段问题转化为单层问题,然后采用列约束生成算法进行求解。最后,通过6节点与118节点的电-气能源系统的算例分析,证明了所提模型的有效性。

基于IGDT的电-气互联综合能源系统多目标扩展规划模型

现有电–气互联综合能源系统规划研究中少见有负荷波动考虑,究其原因是量测数据不足,造成信息条件边界不明确,规划模型适用性低。基于此,提出一种基于信息间隙决策理论(information gap decision theory,IGDT)的电–气互联综合能源系统多目标扩展规划模型。首先,在搭建多目标扩展规划模型基础上,对电、气负荷各自最大波动范围的不确定集合进行描述;其次,采用IGDT对典型场景下不确定因素水平进行量化,并通过电力传输线重构扩大规划模型优化边际;最后,采用改进型ε–约束算法对多目标混合扩展模型进行求解,并利用模糊决策确定所得pareto解集下的最优规划方案。IEEE-RTS 24节点与比利时20节点系统仿真结果表明,所提模型能有效量化综合能源系统负荷多重耦合不确定因素影响,利用电力传输线重构能有效提升规划方案优化空间。

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。

含燃气发电综合能源系统风电消纳能力评估

随着风电等出力波动且不确定的新能源规模化发展,其有效消纳成为重要难题,具有快速调节能力的燃气机组将在风电消纳中扮演重要角色。现有风电消纳能力评估工作大多仅以电力系统视角展开,并未充分考虑天然气、煤炭等发电资源约束对评估结果的影响。为此,该文提出一种电–气耦合综合能源系统风电消纳能力评估方法,计及燃气机组用气需求对天然气系统供气充裕性的影响,以不确定集合形式建模风电不确定性,并采用电力系统运行风险作为评估指标,优化风电可消纳区域。上述模型在数学上构成一类两阶段鲁棒优化模型,为处理天然气网络方程中非线性项,采用分段线性化方法,因而在第二阶段内层极小化问题中引入布尔型变量,并应用嵌套C&CG算法求解。算例分析在2种不同规模的测试系统展开,验证了在风电消纳能力评估时合理建模天然气系统的必要性,并分析了风电出力预测精度、弃风与切负荷罚系数、系统规模等因素对评估结果和方法的影响。

考虑天然气管网多状态模型的电–气综合能源系统可靠性评估

现有针对电–气综合能源系统可靠性评估中天然气管道状态的研究多是基于管道的两状态模型,而实际的天然气管网受到扰动后可能的不正常运行状态有泄漏、穿孔、破裂,此时仍能运行一段较长时间,因此两状态模型并不完全适用于管道故障建模分析。此外,基于能流分析求解系统供能可靠性计算量大,计算效率较低。由于Petri网模型能直观地表达系统拓扑结构,并清晰地描述元件状态之间的动态转移过程,在基于流网络的Petri网模型推理计算中避免了直接计算系统能流,提高计算效率。为此,利用随机Petri网理论建立了一种统一的物理网络模型,对电–气综合能源系统开展供能可靠性评估。首先,构建管线故障的多状态随机Petri网模型,求解与之同构的马尔科夫状态转移矩阵并进行随机抽样;其次,考虑电、气传输速度的差异,构建网络的随机Petri网模型,依据推理计算规则,并考虑基于能量传递关系的容量约束、管道容量缩减曲线等,得到系统可靠性指标。最后,以两个互联的电力系统与天然气系统作为算例进行仿真分析,验证模型和方法的有效性。

考虑碳捕集系统的综合能源系统“源–荷”低碳经济调度

为应对环境问题,提高能效,以电–气综合能源系统为研究对象,提出了一种以储碳设备为枢纽连接碳捕集电厂和电转气设备的运行模式,建立了一种基于分时能源价格的综合需求响应机制,并构建了考虑碳捕集系统和综合需求响应的电–气综合能源系统低碳经济调度模型。首先分析了碳捕集和电转气联合运行模式对于新能源消纳、降低系统碳排放以及提升各单元运行性能的作用;其次,在分时能源价格机制下,构建了考虑同种能源时移作用的纵向需求响应,以及不同能源替代作用的横向需求响应数学模型;基于综合需求响应和低碳运行机制,构建低碳经济调度模型,实现电–气综合能源系统的低碳经济运行。经修改的IEEE 39节点电力网络和比利时20节点天然气网络耦合系统验证表明,所提出的电气综合能源系统运行模式可有效促进风电消纳、降低碳排放。

考虑制氢储能参与的互联电力系统优化调度研究

在能源互联网背景下,可再生能源发电并网比例快速增长,而由于风电出力特性等因素的影响,风电并网时出现大量弃风,未能实现全消纳。以减少弃风为前提,运行成本和环境成本最小为目标,构建含制氢储能的电–气综合能源日前经济调度模型。通过对比系统中制氢储能单元参与前后的弃风电量、运行成本和环境成本,验证了制氢储能对减少弃风,提高系统经济性和环保性的作用。仿真算例表明:构建的电–气综合能源系统,在很大程度上实现了风电全额消纳,且制氢储能的参与使整个系统的经济性和环保性都有所提高。在能源互联网的背景下,该模型的提出对系统能够经济、环保地运行具有重要意义。