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华北电力大学科研人员提出电-气互联系统多目标优化调度的新方法

发布时间:2022-09-29 03:59:29 来源:米乐m6官网登录入口 作者:米乐m6官网注册

  华北电力大学电气与电子工程学院的研究人员徐玉琴、方楠,在2022年第11期《电工技术学报》撰文,以考虑电转气设备与燃气轮机的电-气互联系统为研究对象,建立以系统运行成本、污染气体排放量、系统削峰填谷指标及购电购气费用为优化对象的四目标优化调度模型。仿真结果表明通过该模型能得到有效的优化运行方案,为调度人员决策提供参考。

  近年来,为缓解能源短缺与环境污染等问题,可再生能源的大量并网已成为发展趋势,但因可再生能源无法消纳而导致的弃风、弃光问题尚待解决。2021年全国能源工作会议强调,要加快风电光伏发展,大力提升新能源消纳和储存能力,进一步优化完善电网建设。随着“能源互联网(energy internet)”概念的提出,基于多能流耦合互补提高清洁能源消纳与推动能源体系转型升级受到业界重视。

  在多能耦合的各种形式中,天然气良好的经济效益与环境效益使其地位突出。国家统计局发布的生产情况指出,2020年生产天然气1888亿m3,连续四年增产100亿m3。随着近年来电转气(Power to Gas, P2G)技术的发展,电力系统与天然气系统耦合日益加深。电-气互联系统(Integrated Electricity-Gas System, IEGS)作为多能流耦合互补的新模式,受到专家学者的广泛关注。

  电-气互联系统包含电力网络、天然气网络与使其相互转换的能量转换装置,如燃气轮机、电转气装置等,能够有效地提高系统的新能源消纳能力,提高系统运行效率。如图1所示,电-气互联系统由电力网络与天然气网络通过燃气轮机与电转气设备耦合形成,火电机组、风电机组与燃气轮机向电力网络供应电能。当系统中电能过多以及风电充足电力网络无法消纳时,可通过电转气设备转换为天然气输送至天然气网络。

  与电子工程学院的研究人员指出,现阶段我国电力网络与天然气网络属于不同运营商管理,存在信息壁垒与利益冲突。为进一步提高能源利用效率与源网经济性,未来可能的方向是政府从经济性、环境效益等角度出发,打破电网与天然气网络管理方之间的约束边界与壁垒,以大统筹的方式进行统一管理。统一调度机构将两个网络看作整体进行优化,根据电力网络与天然气网络的数据信息构建优化目标,形成调度指令,实现电-气互联系统的整体优化。

  随着环保意识的提高,电力市场的改革,电-气互联系统的优化调度不能仅局限于经济目标,需要同时考虑污染物排放、系统削峰填谷能力、购电费用等。实际上,电-气互联系统多目标优化调度模型包含多个目标且具有非凸非线性的特点,复杂程度大,求解困难。

  研究人员认为,电-气互联系统优化调度应在保证系统安全稳定运行的同时,合理配置资源,提高设备利用率和系统经济效益。若仅以系统运行成本为优化目标,能有效减少煤耗、弃风量,但节能调度可能导致购电成本上升,增加企业运营压力,也难以保证污染气体排放量的优化。因此,在发电调度中,降低系统运行成本、降低污染气体排放量、降低购电购气费用等多个目标的重要程度应有所不同,随实际运行情况而改变。同时,电转气的接入使电-气互联系统具有一定的削峰填谷能力,能够有效平抑净负荷波动,提高系统可靠性。

  研究人员以电-气互联系统运行成本、污染气体排放量、削峰填谷指标及购电购气费用作为优化目标,电力网络约束、天然气网络约束与耦合约束作为约束条件,构建了一个考虑风电接入,以燃气轮机、电转气设备耦合的电-气互联系统安全约束四目标优化调度模型。

  他们通过分段线性化方法处理非线性目标函数,解决将目标函数转换为约束条件导致的模型非凸问题;引入McCormick 方法与二阶锥(Second Order Cone, SOC)松弛处理管道流量方程,将非凸非线性模型转换为混合整数凸优化模型,加入气压差惩罚系数使约束收紧;并提出一种将ε-约束法与法线平面交叉法(Normal Boundary Intersection,NBI)结合的方法求解四目标优化调度模型,得到一系列均匀分布的Pareto前沿集,根据熵权双基点法得到综合最优方案。

  研究人员指出,1)在管道流量方程二阶锥松弛的同时,将目标函数中加入气压差惩罚项,能大大降低松弛误差,可通过cplex等商用求解器高效求解;2)结合ε-约束法与NBI法的模型求解方法能生成一系列均匀分布的Pareto前沿,采用熵权双基点法确定的折中最优解综合考虑了调度人员主观意愿与不同解各自熵权值,能够为调度人员的决策提供依据;3)通过该模型与求解算法得出的最优方案能够实现电转气与燃气轮机的灵活调度,大大降低了系统弃风量,提高了系统削峰填谷能力,并降低了污染气体排放量。

  另外,他们表示,电转气与燃气轮机的灵活调度对促进电-气互联系统低碳运行的能力值得进一步深入研究。

  本文编自2022年第11期《电工技术学报》,论文标题为“基于分段线性化与改进二阶锥松弛的电-气互联系统多目标优化调度”。本课题得到了本科研业务费专项资金和国家自然科学基金青年科学基金资助项目的支持。