【精彩論文推薦】浙江大學 高瀅,文福拴等:計及需求側管理的電-氣集成能源系統協同規劃

電力系統自動化2018-07-20 06:26:09

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原文發表在《電力系統自動化》2018年第42卷第13期,歡迎品讀。



本文引文信息

高瀅, 王芃, 薛友, 等. 計及的電-氣集成能源系統 [J]. 電力系統自動化, 2018, 42(13): 3-11. DOI: 10.7500/ AEPS20180223002.

GAO Ying, WANG Peng, XUE You, et al. Collaborative Planning of Integrated Electricity-Gas Energy Systems Considering Demand Side Management [J]. Automation of Electric Power Systems, 2018, 42(13): 3-11. DOI: 10.7500/ AEPS20180223002.



計及需求側管理的電-氣集成能源系統協同規劃

DOI: 10.7500/AEPS20180223002

高瀅,王芃,薛友,文福拴,張利軍,孫可,徐晨博



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研究背景


隨著電轉氣 (power to gas, P2G) 技術的發展,電力系統和天然氣系統可以構成閉環運行的電-氣集成能源系統 (integrated electricity-gas energy system, IEGES),形成狹義的能源互聯網。IEGES利用燃氣機組和P2G設備將電力系統與天然氣系統緊密聯繫起來,通過在規劃與運行層面進行協調優化,可提高整體系統的能源利用效率和對間歇性可再生能源的消納能力。


另一方面,需求側管理 (demand side management, DSM) 的作用主要體現在三個方面:①挖掘和利用彈性負荷,增強負荷的可控性;②改善負荷曲線輪廓,平抑負荷波動,改善系統運行的安全性與經濟性;③延緩高峰負荷增長壓力和發輸電容量的投資需求。現有的DSM研究主要針對電力系統,但DSM同樣可在IEGES中實施,這樣在電-氣協同規劃時就有必要考慮DSM的影響。


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主要技術路線


首先在考慮用戶滿意度的前提下對需求側管理建模,並以包括投資成本、運行成本和需求側管理補償費用的總成本最小化為優化目標,建立IEGES中燃氣機組、電轉氣設備、輸電線路和天然氣管道選址規劃的混合整數非線性規劃模型。為加快求解速度,對模型中的非線性部分進行線性化處理,將原混合整數非線性規劃問題轉化為混合整數線性規劃問題,並採用AMPL/CPLEX商業求解器求解。


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重點內容


① 能源耦合單元

在IEGES中,能源耦合單元包含燃氣機組與P2G設備,它們在實現電力系統與天然氣系統間能量的雙向閉環流動中具有重要地位。由於電力負荷與天然氣負荷的峰谷時段一般並不完全對應,因此可在電力負荷高峰時段利用燃氣機組將天然氣轉化為電能,而在電力負荷低谷時段特別是夜間風電充裕的時段利用P2G設備將部分電能轉化為天然氣。


② 需求側管理模型

在IEGES中,用戶可以根據系統實際需要對自身用能進行調整,本文將可調節負荷分為可削減負荷、可轉移負荷和可替代負荷三類。用戶參與DSM,對改善系統運行的安全性、經濟性和延緩投資做出了貢獻,也在一定程度上犧牲了用電靈活性,因此需要根據用戶的相關貢獻給予適當經濟補償。


另一方面,在調整用戶的用能計劃時需要考慮用戶的滿意度要求。用戶滿意度可從飽和度、差異度和舒適度三個方面進行評估: ①飽和度表示用戶在調度週期內總需求電量的滿足程度;②差異度反映用戶負荷調整前後各時段用電量的差異;③舒適度從時間上體現用戶參與DSM後對其用電習慣的影響。


③ 電-氣集成能源系統協同規劃建模

IEGES協同規劃模型以規劃年限內總成本淨現值最小為優化目標,其中總成本包括投資成本、運行成本和DSM補償成本三部分。約束條件主要包括投資建設約束、電力系統運行約束、天然氣系統運行約束、能源轉換約束和DSM約束五個方面。


④ 協同規劃模型線性化及其求解

針對所構建的規劃模型中的DSM補償成本存在絕對值項,引入恆為非負的輔助變量對其進行處理。同時,針對天然氣管道數學模型中管道流量計算非線性部分,利用增量線性化方法,將天然氣管道流量的取值範圍劃分為多個子區間,再在各子區間進行分段線性化。線性化所導致的誤差隨子區間數目增加而減少,在實際計算時需要在計算誤差和求解速度之間適當折中。


⑤ 電-氣集成能源系統協同規劃結果分析

以修改的IEEE 39節點電力系統與比利時 20節點天然氣系統為基礎構建了圖1所示的IEGES,針對規劃期為10年的協調規劃問題對所提方法進行說明。該算例包含了常規發電機組、風電機組、氣源點、儲氣裝置等設備,考慮了電力負荷與天然氣負荷增長、成本折現等因素,對燃氣機組、P2G設備、輸電線路和天然氣管道的建設進行規劃。

圖1  電-氣集成能源系統結構圖


為考察協同規劃和DSM對IEGES中各項成本、規劃方案、消納風電能力和負荷削峰填谷效果的影響,設計了四種情形: ①傳統電力網絡與天然氣網絡獨立規劃,且不考慮DSM;②電力網絡與天然氣網絡獨立規劃,但考慮DSM;③IEGES協同規劃,但不考慮DSM;④IEGES協同規劃,同時考慮DSM。圖2展示了這四種情形下的仿真結果。

圖2  四種情形下規劃年限內的成本比較(單位:億元)


由圖2可知,協同規劃能有效降低建設成本和運行成本。這是由於電力負荷與天然氣負荷峰谷在時間分佈上並不一致,採用協同規劃時可以將電力負荷與天然氣負荷通過能源耦合單元進行適當轉化。與情形1相比,考慮電力系統DSM的情形2的經濟性更好,這是因為:①實施DSM後在負荷低谷時段風電利用率提高,運行成本降低;②高峰負荷的削減緩解了負荷增長壓力,進而延緩甚至減少了新輸電線路與管道的投建,降低了建設成本。


圖3展示了採用三種DSM方式時的電力負荷調整量。可見,DSM的實施方式以轉移負荷為主且對電力負荷有明顯削峰填谷效果;由於天然氣負荷高峰時段削減量多,低谷時段削減量少,從而在IEGES中也能對天然氣典型日負荷曲線產生平抑作用。

圖3  採用三種DSM方式時的電力負荷調整量



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結語


針對電-氣集成能源系統(IEGES)中燃氣機組、P2G設備、輸電線路和天然氣管道的選址規劃問題,構建了計及DSM的電-氣協同規劃的混合整數非線性規劃模型。為提高求解速度,對模型中的非線性項做了線性化處理,得到混合整數線性規劃模型,並採用AMPL/CPLEX商業求解器求解。以修改的IEEE 39節點電力系統與比利時 20節點天然氣系統為基礎的算例結果表明,採用所提方法可以明顯節省成本,優化負荷曲線輪廓,顯著提升系統消納風電的能力,延緩甚至減少新的輸電線路投建。



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《電力系統自動化》2018年第13期目次


作者及團隊介紹

高瀅,浙江大學碩士研究生。主要研究方向為能源互聯網協同規劃與電力市場。


王芃,博士,國網能源研究院工程師。主要從事電力系統規劃方面的研究。


薛友,浙江大學碩士研究生。主要從事能源互聯網運行與規劃方面的研究。

文福拴,浙江大學教授,博士生導師。主要研究方向:電力系統故障診斷與系統恢復、電力經濟與電力市場、智能電網與電動汽車等。


浙江大學文福拴教授帶領的研究團隊主要從事電力系統和電力經濟方面的研究工作。發表論文600餘篇,SCI收錄150餘篇,Ei收錄450餘篇,Scopus收錄550餘篇,被引10000餘次。文福拴教授入選愛思唯爾(Elsevier)2015、2016和2017年度中國高被引學者,發表的論文入選2016年度“中國百篇最具影響國內學術論文”和“ESI(Essential Science Indicators)高被引論文”,8篇論文入選“領跑者5000—中國精品科技期刊頂尖學術論文”(簡稱F5000)。獲國家自然科學獎和省部級科技進步獎7項。完成和承擔國家科技部973課題、863課題和國家科技支撐計劃項目5項,國家自然科學基金項目7項,浙江省青年科技人才培養專項基金1項,教育部博士點基金項目3項,國家能源局、國家電監會、國家電網公司、南方電網公司、廣東省粵電集團有限公司、中國廣東核電集團有限公司等150餘個科研項目。文福拴教授擔任IEEE Transactions on Power Systems和IEEE Power Engineering Letters的Editor,IET Generation, Transmission and Distribution和ASCE's Journal of Energy Engineering的Associate Editor,《電力系統自動化》以及其它10餘本雜誌的編委或專題特約主編。


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