DOC《含电转气设备的气电互联综合能源系统多目标优化*》

含电转气设备的气电互联综合能源系统多目标优化* 曾红,刘天琪,何川,胡晓通,苏学能 (四川大学 电气信息学院,成都 610065) 摘要:随着能源互联网的发展,气电互联等综合能源系统成为未来能源利用的重要形式.

电转气(P2G)技术的日趋成熟,为可再生能源消纳的问题提供了新的解决方案.在此背景下,提出一种含P2G的气电互联综合能源系统的多目标优化调度模型.模型考虑了系统运行成本最低、环境污染最小以及弃风成本最少三个目标,用多目标粒子群算法对模型进行求解,然后利用模糊理论挑选综合满意度最大的解作为折衷解,并通过算例验证了该模型的有效性;

分析了P2G能够有效地对可再生能源进行消纳;

发现了天然气负荷的变化对电力系统调度安排有较大冲击,进而影响系统的经济性和污染排放. 关键词:综合能源系统;

电转气;

可再生能源消纳;

多目标优化 中图分类号:TM933 文献标识码:B 文章编号:1001-1390(2019)00-0000-00 Multi-objective optimizational operation for integrated natural-gas and electricity energy systems considering power-to-gas Zeng Hong,,

Liu Tianqi,,

He Chuan,,

Hu Xiaotong,,

Su Xueneng (College School of Electrical Engineering and Information Technology,,

Sichuan University,,

Chengdu 610065,,

China) Abstract:With the development of the energy Internet, the integrated natural-gas and electricity energy systems have become an important form of the future energy utilization. Power-to-Gas gas (P2G) technique is becoming more and more mature, which provides an alternative solution for renewable energy accommodation. Given On this background,,

the paper presents an optimal dispatch model for integrated energy systems with P2G devices. The model considers multi-objectives, including the minimum operation cost, lowest environmental pollution and wind curtailment cost. The multi-objective particle swarm algorithm is used to solve the problem, in which fuzzy theory is applied to choose the best solution with the largest comprehensive satisfaction. Numerical results verify the effectiveness of proposed model and the positive role of P2G in renewable energy accommodation. The results also indicate the changes of natural-gas load will impact the scheduling of power system, and further influence the system operation cost and environmental pollution. Keywords:integrated energy systems, power-to-gas, renewable energy accommodation, multi-objective optimization

0 引言随着社会经济的发展,化石燃料等常规能源日渐枯竭,各国转向发展风、光等清洁可再生能源,构建新能源开发利用率高、能源综合利用率高的新一代能源系统.近年来,我国的风电发展迅猛,2015年新增风电并网容量为32.97 GW,累计装机容量达129 GW,年风电发电量186.3 TW・h,占全国总发电量的3.3%[1].但因风、光出力受自然天气影响具有间歇性和反调峰性,容易导致电力系统的功率波动和不稳定,再加上风电场和电网建设不同步等原因,存在严重的弃风、弃光现象.2016年我国全年弃风电量为49.7 TW・h,平均弃风率达到17.1%,造成严重的资源浪费[2].P2G技术的出现为可再生能源的消纳提供了新的解决办法.P2G技术在负荷低谷或者可再生能源出力高峰时,可将过剩的电能转化为天然气,存储在储气设备或天然气管网中,既能解决弃风弃光等资源浪费问题,也能实现电能的大规模长时间存储,还能缓解或避免输电线路的阻塞[3],是未来综合能源系统的重要组成部分.传统电力系统和天然气系统之间的耦合仅限于燃气机组,只实现了天然气向电能的单向转换.P2G技术实现了电能向天然气的逆向转换,与燃气机组一起构成天然气与电力系统的闭环系统,加深了天然气系统和电力系统的耦合,电力系统和天然气系统的耦合必然会给能源系统的安全稳定运行带来新的挑战.目前,关于气电互联综合系统的研究主要集中在经济调度和规划方面.在经济调度方面,文献[4]分析了P2G技术的成本特征和运行经济性,给出了几种P2G技术的应用场景.文献[5]分析了含P2G的气电网络优化运行,提出先计算电力系统求得可再生能源发电余量再计算天然气系统的两阶段优化模型.文献[6]在气电互联系统基础上考虑了热系统,利用能源中心对系统耦合部分建模的方法分析了多能源系统的协同调度以及P2G对消纳风电效益的影响.文献[7]将碳交易机制引入到气电互联系统中,目标函数考虑了碳交易成本,分析了天然气价格、碳交易价格以及天然气网络约束对综合系统运行的影响.文献[8]在计算气电联合系统的可用输电能力时,计及了一次能源系统天然气系统的静态安全约束,计算结果更符合统一规划的联合系统.文献[9]计及了风电场、负荷的不确定性和相关性,计算气电互联系统的最优潮流,联合优化结果优于独立优化,可为调度人员提供更加准确的参考.文献[10]利用能源中心建模方法对综合能源系统进行建模,在博弈论的框架下,研究了各个能源中心同时参与多个能源市场的市场均衡问题.文献[11]研究了含P2G的多源储能型微网的日前调度.在规划方面,文献[12]建立了多阶段电源、电网和天然气网络联合规划模型,并提出一种天然气潮流计算方法校验天然气网络的完全性.文献[13]提出了以投资费用和运行费用最小为目标的天然气网络和电源、电网多阶段联合规划模型,并采用增量分段线性化求解,可得到电源、输电线路和天然气管道的投建容量、投建位置和投运时间.文献[14]对天然气系统进行了精确建模,在此基础上建立气电网联合规划动态模型,既可得到电网和天然气管道的投资决策,还能得到加压站和天然气存储器的决策结果.文献[15]提出了使社会福利最大化的气电联合规划动态模型,为了提高规划方案在不同场景下的鲁棒性,将自适应成本作为目标函数,量化规划中负荷预测、燃料费用等不确定性因素带来的风险.文献[16-17]通过对含热电联产机组(CHP)的能源中心建模,建立以能源中心为基础的含P2G的气电联合系统规划模型,对常规发电机组、CHP、P2G厂站以及输电线路和天然气管道进行选址定容.文献[18]探索了风电场和P2G厂站的协同投资建设模式,建立了基于场景分析的风电场和P2G厂站的协同选址规划模型.文献[19]利用电网削峰填谷率、系统可靠功能率、可再生能源产能过剩率等指标分析P2G对气电综合系统的有益影响.文献[20]专门提出气电综合系统的削峰填谷模型,利用P2G的 填谷 和燃气轮机的 削峰 作用,实现了平滑气电联合系统的净负荷. 综上,可看出P2G技术的引入和发展对增大可再生能源的消纳、提高能源利用率有重要作用.上述针对含P2G的综合能源系统的经济调度和规划的文章多是以系统成本最小为目标进行优化.文献[21]在对气电联合系统进行优化时计及了P2G的运行成本,建立了含系统经济性和弃风效果的多目标优化模型,着重分析了P2G运行成本较高时对系统风电接纳能力与运行经济性之间的矛盾问题,使用加权模糊方法将多目标转化为单目标进行优化,优化结果依赖决策者对各个目标函数的权重系数的选择. 基于上述研究,考虑到天然气作为清洁能源,对环境污染比较小,本文提出一种兼顾系统总发电成本和系统污染排放以及风电消纳的多目标优化调度模型,系统总成本计及了P2G的转换成本.首先对天然气系统、电力系统以及互联系统的耦合部分分别建模.在计及电力系统、天然气系统各自运行约束以及耦合元件运行约束的基础上,利用多目标粒子群算法对模型进行求解,然后利用模糊理论挑选综合满意度最大的解作为折衷解.并通过算例验证了该模型的有效性;