考虑可靠性的电-气综合能源系统规划研究综述

随着燃气机组(natural gas-fired plant,NGFP)的大规模应用和电转气(power to gas,P2G)技术的逐渐成熟,催生出了新的能源体系-电-气综合能源系统(integrated electricity-gas energy system,IEGES),规划是IEGES从理论到工程实践的基础。为了提高IEGES的利用效率和供能的可靠性,本文首先介绍了IEGES的研究现状,并针对现有研究存在的问题,概括了IEGES的可靠性及可靠性指标;介绍了IEGES及其耦合元件;并对IEGES规划的基本形式进行了归纳总结。

考虑供能可靠性的电-气综合能源系统规划方法

在当前可再生能源大量接入的背景下,燃气轮机与电转气等技术的发展使得电-气综合能源系统的耦合度逐渐加深,对系统的可靠性要求也日益提升。针对风电和光伏等分布式电源接入的场景,提出了一种考虑供能可靠性的电-气综合能源系统规划方法。首先对燃气轮机技术进行分析和建模;其次,考虑系统柔性负荷产生的能量短缺成本,计及辐射状网络供能可靠性,建立以投资成本、维护成本和可靠性成本为目标的优化规划模型,对配电网线路、配气网管道和CCHP厂站等进行选址定容,引入辅助变量,对模型进行线性化处理,得到混合整数线性规划模型;最后对改进的12节点配电网和10节点配气网进行二阶段规划仿真,验证了本文所提方法的可行性和有效性。

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。

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。

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。

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。

电-气综合能源系统的联合规划模型搭建

在“双碳”目标大背景下,越来越多的综合能源系统应用于当前生产实际中,但当前综合能源系统存在容易出现新能源出力反调峰特性问题,需同时进一步优化系统综合运行效益。为此搭建了一套考虑风电不确定性的电-气综合能源系统碳捕集-储气-电转气鲁棒联合规划模型。仿真分析表明,所提方法较传统方法的综合成本与弃风率均更低,综合性能更优,具有一定优越性。

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。

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。

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。

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。

基于多主体收益的电-气综合能源系统协调规划研究

随着我国各种异质能源系统的发展建设以及对综合能源系统规划研究的深入,根据不同能源间多能互补的优势和特点研究最合理的综合能源系统规划方案,对于我国综合能源系统规划建设及可持续发展具有重要意义。提出了一种市场环境下计及多主体收益的电-气综合能源系统协调规划方法。首先,分别基于电力系统和天然气系统的特点及网络约束,构建相应的收益模型,进而结合电-气综合能源系统中的异质能源间的耦合机理分析,充分考虑各能源主体间的博弈关系,构建计及多主体收益的电力系统和天然气系统协调规划模型;然后,利用迭代搜索法求解该模型;最后,利用仿真算例对所提方法的正确性和有效性进行验证。

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。

计及电制氢和碳捕集的园区综合能源系统动态规划

“碳达峰,碳中和”目标对综合能源系统提出了低碳高效的新要求。针对园区综合能源系统的源-网-荷-储联合规划问题,基于Bellman最优理论将系统净收益最大化的规划模型进行分解,建立“风光储协同-多能互联耦合-能源消纳制氢-最优碳捕集”的多阶段动态规划模型并求解设备的最佳配置方案。结果表明,该模型在经济性和环保性方面具有显著优势,电制氢收益可观并促进电能就地消纳,碳捕集降低了系统碳排放并具有售卖CO_(2)气体和碳配额的双重收益,同时在动态规划过程中达到了最佳的电制氢配置和最优的碳捕集比例。

零碳排放下电-气综合能源系统多能负荷预测

电-气综合能源系统中多能负荷之间的耦合程度不断增加,提升了能源系统调度和运行的难度。为此,对零碳排放下电-气综合能源系统多能负荷预测方法进行了研究。分析零碳排放下电-气综合能源系统的运行架构。以气象因素为影响因子,运用灰色关联度分析法获得多能负荷与各因子的相关性。将相关性分析结果与系统历史多能负荷数据共同作为输入数据,构建基础长短期记忆(LSTM)预测模型。结合樽海鞘群算法(SSA)优化模型关键参数,获得优化LSTM预测模型,实现系统多能负荷预测。试验结果表明:冷负荷与电负荷的关联度为0.88;热负荷与电负荷的关联度为0.681;实际预测平均绝对百分误差低于0.45。该方法预测效果理想,为系统最优调度与运行规划奠定了基础。

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。

面向灵活性挖掘的电-氢混联综合能源系统机组组合研究

随着电制氢技术的逐步成熟,利用新能源制氢与管道输氢有望为能源系统的深度脱碳提供重要支撑。该文提出了电-氢耦合综合能源系统机组组合模型,考虑了发电机组与电解制氢系统协同提供灵活运行备用。首先通过高斯混合模型得到新能源预测误差分布,获取其95%置信区间,确定新能源电力系统灵活备用需求;其次提出了考虑灵活备用的电-氢混联综合能源系统机组组合模型,计及了电解制氢系统三状态(开机、关机、热备用)灵活运行模型;算例分析验证了所提电制氢三状态机组组合模型的有效性,分析了新能源渗透率对制氢量与节点电价的影响。