电—气互联系统协同运行优化的模型与算法研究

发布时间：2020-04-13 09:31

【摘要】：随着能源生产清洁化和利用高效化要求的提升,电力系统在可再生能源消纳和终端能效提升面临瓶颈。电-气互联系统(IEGS)以其多能流互补、互济的优势,成为实现能源清洁低碳高效化的重要载体。在此多能耦合背景下,协同异质能量流实现其安全经济优化调度已成为能源领域技术关注的焦点。本文针对IEGS中跨区域电-气耦合网络(IEGN)和电-气耦合能源中心(EGC-EC)两个主体,从电网和天然气网互作用机理、异质能量流协同优化运行模型、求解算法出发开展研究,具体工作如下:(1)针对现有研究在电网和天然气网能量流算法及互动机理分析的不足,提出了能量流改进算法和基于灵敏度分析的互动机理研究。以变量替代为手段,简化了电网-天然气网的统一潮流模型;提出了采用牛顿下山法求解统一潮流避免对初值选取的敏感;以耦合节点气压-注入功率为表征量,提出了综合灵敏度的耦合机理分析指标。算例分析表明了所提方法在改进潮流求解效率及相互机理分析的有效性。(2)针对现有研究在高效处理天然气网非线性约束和异质能量流分析的不足,提出了基于阻尼逐次线性化法的IEGN日前优化调度模型。基于能量流功率平衡方程,推导了电力流、天然气流在能流调度的不同时间尺度特性机理;在传统逐次线性化法迭代过程中,增加最优步长阻尼因子,提出阻尼逐次线性化法对调度模型进行求解。算例分析了电网调度考虑气网约束的必要性,与增量线性化法相比,所提算法具有模型简洁性和求解效率高的优势。(3)面向高比例风电接入下的IEGN日前优化调度问题,提出了风电并网功率比例因子,使风电建模可反映风电不确定程度与并网功率的相关性;推导了高比例风电下基于电转气(P2G)技术提升风电消纳机理与特性,明晰影响P2G提升风电消纳能力的因素;融合交替方向乘子法(ADMM)和本文所提的分阶梯加速罚因子策略,提出了分阶梯加速罚因子交替方向乘子法(SAP-ADMM)的模型分布式协同求解机制。算例深入分析了P2G风电消纳能力及天然气网管存特性在应对风电不确定下的缓冲特性,弥补了现有研究在该方面分析的不足;并验证了SAP-ADMM算法在避免罚因子盲目选择的优势。(4)针对EGC-EC通用性建模和需求侧调控潜力考虑的不足,以各设备连接关系拓扑矩阵为关键表征量,形成通用化稳态功率平衡方程描述,便于计算机编程实现。基于价格弹性和离散选择理论,建立了价格调控下的能源负荷时-空转移特性的模型,统一于EGC-EC调度模型中;为高效处理所建立的混合整数非线性优化模型,提出基于广义Benders理论的求解方法。所提模型有效反映了需求侧的多能互动特性,深度挖掘了需求侧优化潜力;与集中式算法对比,验证了广义Benders算法的高效性。(5)面向市场管制放松的背景,提出了IEGS协同运行和利益博弈框架。基于分解协同机制,提出将EGC-EC的广义负荷需求统一于IEGN优化建模的方法。提出了“松弛能流”的概念作为协同变量,建立了IEGN中电网和天然气网的协同运行与市场博弈模型。基于Nikaido-Isoda函数理论求解了市场均衡态,并分析了市场机制在调动参与主体积极性及推动节能减排的有效性。论文研究成果丰富了电网-天然气网多能耦合优化建模及求解的理论和方法,在电网和天然气网协同优化运行领域具有广阔的应用前景。论文工作得到了国家自然科学基金项目(51777077)和广东省自然科学基金项目(2017A030313304)的支持。
【图文】：

含变压器支路含压节点电压路传输电流/有功功率/无功功率节支基尔霍夫电压/电流定律 节点见，电网输电线路及含变压器支路可以与天然气输节点电压、支路传输电流/有功功率/无功功率可以与比。电网建模中，还需基于欧姆定律建立节点电压，为研究输气管道中两端压力和在管道流动气体流然气在管道内流动的过程视为等温流动的过程，并和状态方程，推导出天然气在输气管道流动中各状的输气管道，取无限小的一小段 Δx(微元)，用微分6-53]。

图 2-2 TEST 1 仿真结构示意图Fig.2-2 Simulation structure diagram of TEST 122.823.223.624.024.424.825.21 2 3 4 5 6 7 8 9 天然气网节点编号GT-10% GT-20% GT-30GT-40% GT-50%GT -x%：燃气轮机总出力占负荷平衡节点(恒压)图 2-3 燃气轮机不同运行水平下各节点气压大小3 The pressure of each node under different operation levels of gas知，，随着燃气轮机出力水平的上升，除了燃气轮机对应的，也将拉低天然气网气压水平。GB3 为平衡节点，气压
【学位授予单位】：华南理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TM732

【参考文献】

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本文编号：2625863