PDF《计及需求响应与动态气潮流的电 — 气综合能源系统优化调度》

h t t p : / / ww w.

a e p s - i n f o . c o m 计及需求响应与动态气潮流的电―气综合能源系统优化调度 张伊宁1 ,何宇斌1 ,晏鸣宇2 ,郭创新1 ,马世英3 ,宋墩文3 ( 1. 浙江大学电气工程学院,浙江省杭州市

3 1

0 0

2 7;

2. 华中科技大学电气与电子工程学院,湖北省武汉市

4 3

0 0

7 4;

3. 电网安全与节能国家重点实验室( 中国电力科学研究院有限公司) ,北京市

1 0

0 1

9 2 ) 摘要:文中提出了一种考虑需求侧负荷响应及动态天然气潮流的电―气综合能源系统优化调度新 模型.一方面, 该模型融入能源需求响应以优化次日的电、 气负荷曲线, 发挥不同能源间的互补共 济作用, 提升系统运行效率.引入价格型和替代型两类响应对需求侧响应进行精细化描述, 前者表 现价格引导的同类能源需求在不同时间点间的转移作用, 后者表现不同能源需求在同时间点上的 互补替代效应.另一方面, 该模型考虑复杂动态天然气潮流方程以描述系统运行状态.为求解此 强非凸非线性模型, 将原问题松弛为可直接求解的二阶锥凸优化问题, 并采用连续锥优化方法保证 松弛的严格性.仿真结果表明, 需求响应的引入可提升综合能源系统运行的经济性.与稳态天然 气潮流相比, 动态天然气潮流可更准确地反映天然气系统的动态发展过程. 关键词:电―气综合能源系统;

需求响应;

动态特性;

严格锥松弛;

分时价格;

日前调度 收稿日期:

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2 8;

修回日期:

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0 4. 上网日期:

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2 1. 国家自然科学基金资助项目(

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5 3

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1 0 ) ;

浙江省自然科学基 金( L Z

1 4 E

0 7

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0 1 ) ;

国家电网公司科技项目(XT71-16-053) 特高压交直流电网系统保护顶层设计研究 .

0 引言 电―气综合能源系统(integratede l e c t r i c i t y - n a t u r a l g a ss y s t e m, I E G S ) 是指以电力系统为核心, 融合天然气系统的现代能源系统[

1 - 2] .近年来, 国内 外学者针对I E G S的优化运行, 已有一些基础性研 究.文献[

3 ] 提出I E G S的统一建模框架.文献[ 4] 提出一种考虑多类型储能设备的I E G S规划方法. 为提升系统韧性, 文献[ 5] 和文献[ 6] 分别提出考虑 设备 N -K 故障的I E G S鲁棒优化运行方法和计 及新能源波动的I E G S韧性优化调度方法. 需求响应可引导用户理性用能, 合理转移高峰 用电以平抑负荷峰谷, 对提升电力系统运行效率具 有重要作用[

7 ] .文献[ 8] 定义弹性矩阵以反映负荷 随电价关 系, 为价格型需求响应的研究奠定了基础[ 9] .文献[

1 0 -

1 2 ] 分别从用户满意度、 需求响应不 确定性和风电消纳等方面, 研究了价格型响应对电 力系统优化调度的影响.如何在I E G S中引入需求 响应在国际上尚处于探索阶段.文献[

1 3 ] 在I E G S 中考虑需求响应机制, 并在文献[

1 4] 中进一步考虑 需求响应的灵活爬坡能力.文献[

1 5 ] 考虑I E G S中 联合循环燃气轮机的需求响应机制, 并证明了纳什 均衡点的存在.以上研究均只考虑了I E G S中电力 侧的需求响应机制, 忽略了天然气侧需求响应对系 统运行灵活性、 可靠性的提升, 并且未考虑不同能源 之间在用能高峰时的相互替代作用[

1 6] . I E G S可基于稳态或动态天然气潮流方程进行 建模.针对稳态系统模型, 文献[

1 7] 基于非凸非线 性Weymouth气流方程, 构建了I E G S稳态模型, 并 采用牛顿―拉夫逊算法求解.文献[

1 8] 采用分段线 性化方法将 W e y m o u t h方程转化为混合整数线性 形式, 降低了模型的处理难度.文献[

1 9] 提出了基 于二 阶锥规化(second-orderc o n ep r o g r a mm i n g , S O C P) 的I E G S稳态建模方法, 提升求解效率.文献[

2 0 ] 采用连续锥优化方法以保证二阶锥松弛的严 格性.考虑到稳态建模存在误差, 文献[

2 1] 提出了 基于动态气潮流方程的精确I E G S模型.为求解此 复杂时空偏微分模型, 文献[

2 2] 利用天然气管道的 储存能力, 消除了偏微分项以合理简化原复杂模型;

文献[

2 3 ] 在常规气网节点间增加虚拟节点以精细刻 画动态气潮流的空间特性, 并基于牛顿―拉夫逊法 进行求解, 但存在一定效率不高问题.如何精确快 速求解动态天然气潮流方程是目前I E G S的研究热 点之一. 针对上述问题, 本文在I E G S中引入价格型和 替代型需求响应, 精细化描述同种能源的时迁作用 和不同能源的替代作用, 并采用严格锥松弛技术, 快 速精确求 解含动态天然气潮流方程的复杂IEGS1第4 2卷第2 0期2018年1 0月2 5日Vol.42N o .

2 0O c t .

2 5,

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1 8 D O I :

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0 0 / A E P S

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5 模型.

1 电―气综合能源系统动态建模 本文所提I E G S优化调度模型旨在满足电力和 天然气系统安全约束的前提下, 实现系统经济性的 最优.目标函数式(

1 ) 为最小化系统运行费用, 包括 非燃气机组启动费用、 非燃气机组运行费用和系统 供气费用. m i n ∑ t é ? ê ê ∑ i?NGU ( SU, i, t +Fc i, t( Pi, t) ) + ∑ w ρG A S vw, t ù ? ú ú (

1 ) 式中: SU, i, t和Fc i, t分别为非燃气机组i 在时段t 的 启动和运行费用;

Pi, t 为火电机组i 在时段t 的出力;

NGU 为燃气机组集合;

ρGA S为系统购气价格;

vw, t 为气井w 的供气量, 以满足燃气机组及其他用户天 然气需求. 1.

1 电力系统约束

1 ) 非燃气机组运行费用 Fc i, t( Pi, t) = α 1, i u i, t+ α 2, i Pi, t+ α 3, i( Pi, t)

2 i?NGU (

2 ) 式中: α 1, i, α 2, i, α 3, i分别为各次项参数;

u i, t为0 - 1整 数变量, 表示机组i的启停状态.式(

2 ) 采用机组费 用二次模型.

2 ) 机组运行状态约束 u i, t- u i, t-1= y i, t- z i, t (

3 ) y i, t+ z i, t≤1 (

4 ) 式中: y i, t和z i, t为0 - 1整数变量, 表示机组i在时段 t开机或停机, 且机组不能同时启动和停止.

3 ) 非燃气机组启动费用 SU, i, t=SU C, i y i, t i?NGU (

5 ) 式中: SU C, i为开启非燃气机组i的耗费.

4 ) 机组出力约束 Pm i n i u i, t≤Pi, t≤Pm a x i u i, t (

6 ) 式中: Pm i n i 和Pm a x i 分别为机组i 的最小、 最大出力 限值.

5 ) 机组爬坡约束 Pi, t-Pi, t-1≤RU, i( 1- y i, t) +Pm i n i y i, t (

7 ) Pi, t-1-Pi, t≤RD, i( 1- z i, t) +Pm i n i z i, t (

8 ) 式中: RU, i和RD, i分别为每小时机组i 的上、 下爬坡 最大值.

6 ) 最小启停约束 用以表征机组需持续开机和停机的最小时段, 具体可见文献[

2 4 ] .

7 ) 电力平衡方程 ∑ i∈CG, j Pi, t - ∑ ( h, j) ∈CF, j fh j, t + ∑ ( h, j) ∈CE, j fh j, t -Dj, t =0 (

9 ) 式中: fh j, t为线路( h, j) 的电力潮流, 正负值表示潮 流方向;

Dj, t为节点j 电力负荷需求;

CG, j 为节点j 所连机组集合;

CF, j 和CE, j 分别表示以节点j 为起 点和终点的线路集合.

8 ) 线路传输容量及节点电压约束 本文研究针对输电网层级, 采用直流潮流进行 潮流分析, 无须考虑电压幅值约束. fh j, t= θ h, t- θ j, t xh j (

1 0 ) -f m a x h j ≤fh j, t≤f m a x h j (

1 1 ) - θm a x j ≤ θ j, t≤ θm a x j (

1 2 ) θ r e f , t=0 (

1 3 ) 式中: θ h, t和θ j, t分别为节点h 和j 的电压相角;

xh j 为线路( h, j) 的电抗;

f m a x h j 为线路( h, j) 的最大传输 容量值;

θm a x j 为电压相角限值, 通常取π / 2;

θ r e f , t为平 衡节点电压相角. 1.

2 动态天然气系统约束 本文研究针对树型无环网天然气系统, 即管道 气潮流方向已确定, 这也与实际运行情况相符[

2 0] . 天然气潮流遵循流体动力学原理, 采用如下约束表 征动态天然气系统运行状态[

2 3] .电力与天然气系 统通过气转电( 燃气机组) 和电转气(PtG) 设备耦合[ 6] , 不失一般性, 本文耦合设备主要为燃气机组.

1 ) 燃气机组耗气量 FGA S i, t = β 1, i u i, t+ β 2, i Pi, t+ β 3, i( Pi, t)

2 +SG, i, t i∈NGU (

1 4 ) 式中: FGA S i, t 为燃气机组i 在时段t 的耗气量;

β 1, i, β 2, i, β 3, i分别为各次 项参数;

SG, i, t 为燃气机组在时 段t的启动耗气量.式(

1 4 ) 采用燃气机组耗气二次 模型.

2 ) 燃气机组启动耗气量 SG, i, t=SUG, i y i, t i∈NGU (

1 5 ) 式中: SU G, i为开启燃气机组i的天然气耗费量.

3 ) 动态天然气潮流方程 相比分钟级的时间尺度, 小时级时间间隔已具 有足够分析精度[

2 3] , 为平衡求解精度和速度, 本文 将电力系统调度、 天然气系统调度和动态气潮流分 析的间隔均设为1h.时空相关的动态气潮流差分 方程为: πm, t- πm, t-1 Δ t =C1, m n ( gm n, t+gn m, t) (

1 6 ) gm n, t=C2, , m n π2 m, t- π2 n, t (

1 7 ) 式中: πm, t为气网节点m 在时段t 的气压;

gm n, t为管 道m n 在时段t 的天然气潮流, 正负表示方向;

C1, m n , C2, m n 为与管道m n 的长度及其他特性相关的 参数.过长的管道会给气潮流空间差分方程带来误

2 2

0 1 8,

4 2 (

2 0 ) ・能源转型与电力支撑・ h t t p : / / ww w. a e p s - i n f o . c o m 差, 实际 建模中可引入虚拟气节点将管道分成多段[

2 3 ] , 以更精确地描述动态气潮流的空间特性, 但 这也会加大计算复杂度.

4 ) 管道储气量方程 动态天然气潮流模型下, 由于管道进出口流速 不同, 管道储气量存在时间耦合关系. Mm n, t=Mm n, t-1+gm n, t+gn m, t (

1 8 ) 式中: Mm n, t为管道m n 在时段t的储气量.

5 ) 节点气压约束 πm i n m ≤ πm, t≤ πm a x m (

1 9 ) πm, t≥ π n, t (

2 0 ) 式中: πm i n m 和πm a x m 分别为节点m 的最小、 最大气压 值.式(

2 0 ) 表示在树型天然气系统中, 起点气压总 高于终点, 即气潮流方向恒定.

6 ) 天然气平衡方程 ∑ n∈CP, m gm n, t - ∑ w∈CS , m vw, t +Lm, t =0 (

2 1 ) Lm, t = ∑ i∈CU, m FG A S i, t +Qm, t (

2 2 ) 式中: Lm, t 为节点m 的天然气负荷需求, 包括节点 所连燃气机组天然气负荷需求和其他用户的天然气 负荷需求Qm, t;

CP, m , CS , m , CU, m 分别为节点m 所连 管道、 气井和燃气机组的集合.

7 ) 气井供气约束 vm i n w ≤ vw, t≤ vm a x w (

2 3 ) 式中: vm i n w 和vm a x w 分别为气井w的最小、 最大供气量. 若不考 虑节点气压的在时间上的耦合变化, 式(

1 6 ) 左侧项为零, 可转化为如下稳态天然气潮流 方程, 管道不具备调节缓冲的能力. gm n, t+gn m, t=0 (

2 4 ) 可以看到, 稳态天然气潮流建模虽然较为简单, 但存在两方面缺陷, 一是天然气流速存在明显的时 空差异, 稳态气潮流建模将气体流速视为恒定, 存在 一定的计算误差;

二是天然气潮流较为缓慢的动态 特性可为管道的安全运行提供缓冲, 进而扩大综合 能源系统运行域, 稳态建模无法考虑这种缓冲特性, 动态建模更符合实际.

2 综合能源系统的需求响应策略 需求响应可通过改变用户用能行为优化负荷曲 线, 提升系统运行效率.本文将节点所带用户分为 传统用户和能源枢纽两类[

1 6 ] .传统用户的用能形 式固定, 其负荷需求按价格敏感程度分为固定型负 荷和价格型负荷[

1 0 -

1 1] ;

能源枢纽可发挥不同能源形 式的替代 作用以达到同样的目标, 属于替代型负荷[

1 6,

2 5 ] .考虑到目前能源枢纽的价格响应机制还 不明晰, 为降低模型复........