【摘 要】
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随着化石能源日益减少与环境问题的愈演愈烈,能源转型趋势加快。综合能源系统（Integrated Energy System,IES）为能源转型与多能互补提供了新的发展形态,同时天然气系统的蓬勃发展与电转气技术的应用进一步加深了电力系统与天然气系统耦合程度,以电、气能源主体耦合的综合能源系统是助力能源碳达峰,构建清洁低碳、安全高效能源体系的重要实现途径。本文针对电-气互联系统能量流计算与优化分析中的
【基金项目】
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国家重点研发计划项目“面向跨境互联的多能互补新型能源系统关键技术研究”
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随着化石能源日益减少与环境问题的愈演愈烈,能源转型趋势加快。综合能源系统（Integrated Energy System,IES）为能源转型与多能互补提供了新的发展形态,同时天然气系统的蓬勃发展与电转气技术的应用进一步加深了电力系统与天然气系统耦合程度,以电、气能源主体耦合的综合能源系统是助力能源碳达峰,构建清洁低碳、安全高效能源体系的重要实现途径。本文针对电-气互联系统能量流计算与优化分析中的三个问题展开研究:（1）能量流耦合关系加深,系统及耦合设备建模复杂;（2）能量流统一求解算法效率低、未考虑天然气系统状态量的梯度下降趋势以及EH状态变量在算法迭代中的作用;（3）加入天然气网络后,大规模系统最优能流内点法集中式求解困难,系统间信息难以完全互通。首先对综合能源系统进行基础建模分析。分别对系统中三个重要组成部分:电力系统、天然气系统和能源耦合设备进行建模。为解决耦合设备建模的复杂性,采用能源集站（Eneregy Hub,EH）模型对设备集中化处理,将能量流之间复杂的耦合关系用较为简单的矩阵进行转换,建立了基于热电联产（Combined Heat and Power,CHP）、电转气机组（Power to Gas,P2G）和燃气锅炉的EH模型。针对目前电-气统一能量流求解速度较慢、EH状态量未参与算法迭代的问题,对算法进行改进,提出了一种基于EH的IES统一能量流求解方法。对lES中的状态量进行类比分析,考虑天然气系统状态变量的梯度下降趋势,在电、气状态变量的基础上加入EH的输入与输出量,在每次迭代中对EH节点的状态量同步进行修正。经过算例分析,结果表明此算法可以显著减少迭代次数,对于IEEE-39+Belgian-20系统只需18次迭代即可收敛。且EH状态量参与迭代后,计算时间下降约20%,对于大规模系统仍然能够保证10-5的收敛精度。进一步地,为分析系统电压、气压状态变量对负荷波动的敏感性,引入状态变量误差指标,以稳态运行情况下的状态变量为标准,对负荷波动条件下系统电压、气压状态量变化情况进行定量分析,结果表明相比较之下电力系统状态量误差指标整体较小,抵御负荷波动的能力较强。最后对该算法在综合能源系统仿真平台中电-气能量流计算模块的应用情况进行了介绍。采用内点法对加入气网后的系统进行集中式最优能流计算,进一步针对大规模系统内点法最优能流集中式求解困难,系统间信息难以完全互通的问题,提出基于交替方向乘子法（Alternating Direction Method of Multipliers,ADMM）的分散式最优能流计算方法。首先分别以经济性最优和网络损耗最小为目标,将内点法引入电-气耦合系统,对小型IES进行最优能流集中式计算。接着针对大规模系统集中式算法求解困难以及信息隐私性问题,基于ADMM原理,对电-气互联系统在耦合节点处进行分解,以机组运行成本及弃风成本最低为目标,结合修改后的电-气综合能源系统实现了 IES的分散式最优能流计算,与集中式优化相比,能够减轻计算负担与存储压力,迭代时仅共享耦合节点信息,保证了电、气能源主体的信息隐私。进一步通过改变惩罚参数来改进算法收敛性能,由残差对比结果可知改进后的算法能够加快收敛并减轻迭代中的振荡现象。
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