PDF《计及可靠性的电 — 气—热能量枢纽配置与运行优化》

h t t p : / / ww w.

a e p s G i n f o . c o m 计及可靠性的电―气―热能量枢纽配置与运行优化 罗艳红1 ,梁佳丽1 ,杨东升1 ,周博文1 ,胡博2 ,杨玲3 ( 1. 东北大学信息科学与工程学院,辽宁省沈阳市

1 1

0 8

1 9;

2. 国网葫芦岛供电公司,辽宁省葫芦岛市

1 2

5 0

0 0;

3. 国网阜新供电公司,辽宁省阜新市

1 2

3 0

0 0 ) 摘要:含可再生能源的电―气―热互联多能源系统可实现多能源网络互联与多能源优化利用, 有效 解决资源匮乏与能源浪费等问题.能量枢纽是多能源耦合的关键, 但现有的能量枢纽优化配置问 题未考虑系统运行可靠性的影响.因此, 重点研究多能源系统中计及可靠性的能量枢纽优化配置 问题.首先, 针对风机、 变压器、 热电联产、 燃气锅炉、 电储能、 热储能等设备组成的能量枢纽, 建立 了一种新型多能源系统容量协同优化配置的混合整数线性规划模型.然后, 根据该双层优化模型 计及能量枢纽的运行可靠性, 引入失负荷期望等可靠性指标作为约束.最后, 为了确定配置方案, 结合优化策略进行整体规划, 同时得到各机组能量分配情况, 对算例进行仿真分析.结果表明, 提 出的模型有利于负荷供应可靠性的提升. 关键词:多能源系统;

能量枢纽;

储能;

优化配置;

可靠性 收稿日期:

2 0

1 7 G

0 8 G

3 1;

修回日期:

2 0

1 7 G

1 1 G

1 7. 上网日期:

2 0

1 8 G

0 1 G

0 3. 国家自然科学基金资助项目(

6 1

2 7

3 0

2 9 ) ;

国家留学基金委资 助项目(

2 0

1 5

0 6

0 8

5 0

0 8 ) ;

中央高校基本科研业务费专项资金 资助项目( N

1 6

0 4

0 2

0 0

3 ) .

0 引言 传统能源系统如电力系统、 天然气系统、 热力系 统大多是分开规划、 单独运行, 彼此之间缺乏协调与 配合, 不利于供能系统的经济、 高效运行.随着能源 互联网的发展, 电、 气、 热等多种能源之间的耦合与 内部依赖显著增加, 源―网―荷互动加 强[ 1] , 多能源协同运行趋势日趋明显.多能源系统对于提升能源 利用效率, 降低能源成本, 保障能源的安全、 经济、 高 效和清洁供应具有重要意义[

2 G

3 ] .多能源系统由多 类异质能源系统组成, 单个系统建模、 分析和控制方 法不同, 使得多能源耦合运行变得越来越复杂[

4 G 5] . 能量枢纽是一个典型的多输入多输出、 多级能量流 和信息流融合的互联节点, 集成包括可再生能源等 各种形式的能源, 为多能源协同优化提供可能[ 6] . 目前, 基于电、 气、 热等多种能源载体的多能源 系统耦合 架构和运行方法已有大量研究[

7 G 8] . 文献[

7 ] 提出的能量枢纽建模方法可以对不同能源系 统的耦合关系进行建模.文献[ 8] 提出了包含能源 转换和传输的多能源系统稳态潮流模型.文献[ 9] 提出了一种基于有限元节点法的电―气耦合微能源 网能量流计算方法.由于可再生能源的利用给电网 带来了大量的不确定性和随机性, 并且加上风光发 电的反调峰特性, 使得一些地区出现了明显的弃风 弃光现象, 造成经济损失和能源浪费.多能源系统 能否高效、 可靠、 经济、 环境友好地运行, 取决于该系 统的设备选型、 设备容量及运行策略的整体优化. 现有研究大多是关于能量枢纽的优化运行与最 优潮流等问题, 而较少地关注能量枢纽组件的型号 选择与容量设计.文献[

1 0 ] 为了确定枢纽可用组件 的最优数量和容量, 在气―电混合区域中提出了互 联能量枢纽的规划问题.文献[

1 1 ] 研究了能量枢纽 的扩展规划问题.文献[

1 2 ] 提出了一个考虑能量枢 纽可靠性和经济性以确定枢纽最优组件的最优设计 模型, 研究了在单点故障下最大化失负荷概率等指 标.文献[

1 3 ] 提出了一种分析和计算多能源载体供 应可靠性期望和能量未供应期望的模型.文献[

1 4 ] 采用最大流最小割法确定多个能量枢纽耦合架构间 的传输容量.针对含不确定因素的最优容量配置问 题, 文献[

1 5 ] 将可再生能源的不确定性用间隔数表 示, 采用证据推理方法解决综合能源系统的最优容 量配置问题.文献[

1 6 ] 基于机会约束规划对用户侧 综合能源系统进行最优容量配置.文献[

1 7 ] 利用随 机规划对热电联产( CH P) 系统进行优化配置, 并采 用双层规划方法求解.文献[

1 8] 提出气―电系统联 合扩展规划, 引入决策分析以解决系统可靠性、 市场 不确定性及需求响应影响等问题.文献[

1 9 ] 提出一

7 4 第4 2卷第4期2018年2月2 5日Vol.42N o . 4F e b .

2 5,

2 0

1 8 D O I :

1 0.

7 5

0 0 / A E P S

2 0

1 7

0 8

3 1

0 0

2 种冷热电联供系统的三级协同整体优化方法, 采用 粒子群算法确定设备的型号、 容量及最优运行结果. 文献[

2 0 ] 提出了电、 气、 直热网络多目标优化模型, 应用改进目标削减方法求解, 实现综合能源系统各 参与单元的利益协调. 综上所述, 现有研究成果主要从多能源系统设 备选型、 容量配置和运行策略3个角度建立优化模 型, 而未对这3个方面进行综合考虑, 进而整体优化 设计能量枢纽.传统机组组合模型以系统运行费用 和启动费用两者形成的综合成本最低为优化目标, 采用确定性的负荷预测数据, 未考虑机组故障的随 机性和电力系统的可靠性.而能量枢纽的配置问题 不仅应考虑经济性问题, 也应考虑系统上述可能存 在的风险问题. 针对上述问题, 本文在优化配置过程中考虑能 量枢纽的可靠性, 提出能量枢纽可靠性指标, 将容量 优化配置与运行策略相结合, 设计枢纽组件的类型 和容量, 兼顾能量枢纽的整体优化设计, 使能源的可 靠性供应满足预期要求, 同时使规划期的成本最小. 首先, 给出能量枢纽模型, 建立计及可靠性的能量枢 纽优化配置模型.其次, 根据优化策略, 提出基于双 层优化的能量枢纽最优设计求解方法.最后, 对算 例进行仿真, 验证了所提模型与优化策略的有效性.

1 能量枢纽建模 1.

1 能量枢纽能源转换模型 能量枢纽是对相互协调的多能源系统的建模, 代表能源生产、 消耗和传输设备之间的交互[

2 1 ] .能 量枢纽通常包含三种基本组件: ① 能量传输设备, 将输入的能量直接传输到输出侧, 不进行能量形式 转换, 如电缆、 架空线、 管道等;

②能量转换设备,将 不同能源形式进行相互转换, 如燃气轮机、 内燃机、 电动机、 燃料电池等;

③储能装置, 如蓄电池、 燃料电 池、 储热罐等.本文设计的能量枢纽模型包括风机、 变压 器、 CH P 机组、 燃气锅炉、 电/热储能等设备. 典型能量枢纽实例如图1所示. 图1 典型能量枢纽模型结构 F i g .

1 S t r u c t u r eo fa t y p i c a l e n e r g yh u b 从数学角度看, 能量枢纽可以被视为一个两端 口网络[

2 2] .输入能量枢纽的电能、 天然气等多种形 式的能量经过转换、 存储装置得到系统的输出( 如电、 热、 冷) .输入输出之间的函数关系可以表示为: L=C P (

1 ) 即L1 L2 ? Ln é ? ê ê ê ê ê ù ? ú ú ú ú ú = c

1 1 c

1 2 ? c

1 m c

2 1 c

2 2 ? c

2 m ? ? ? c n

1 cm2 ? c n m é ? ê ê ê ê ê ù ? ú ú ú ú ú P1 P2 ? Pm é ? ê ê ê ê ê ù ? ú ú ú ú ú 式中: P 为能量枢纽输入列向量;

L 为能量枢纽输出 列向量;

C 为耦合矩阵, 表示能量枢纽输入输出间的 分配与转换关系. 1.

2 计及储能的能量枢纽模型 能量存储单元实现能量跨时段转移并协调网内 源―荷 间不平衡, 具有削峰填谷和抑制可再生能 源波动的作用, 促进供能系统经济高效运行[

2 3] .通 过各种形式的能源存储可以确保能源转化过程的进 行, 除了水泵、 电池、 飞轮等形式的能源存储, 热储能 也是一种重要的储能形式.提高负荷可控性的内在 存储的方法现已出现, 如具有热惯性的家用电器控 制策略和预期与电网连接的大规模电动汽车. 对于图1所示的系统数学模型, 输入电、 气两种 能源形式, 输出为电需求、 热需求, 矩阵形式表示为: Le Lh é ? ê ê ù ? ú ú = ηT v η e CH P

0 v η h C H P+( 1- v) ηG B é ? ê ê ê ù ?........