气电互联综合能源系统多目标优化模型研究.pdf

:/气电互联综合能源系统多目标优化模型研究李梦露 乌云高娃 姜鹏(.国网江苏省电力有限公司扬州供电分公司 江苏 扬州.内蒙古自治区鄂尔多斯市杭锦旗自然资源局 内蒙古 鄂尔多斯.华北电力大学经济与管理学院 北京)摘 要:针对目前以煤炭等化石能源为主的能源供给与消费模式带来的能源紧张与环境恶化问题 借鉴综合能源系统的开发利用思路 研究电转气()技术原理下的气电互联综合能源系统优化调度运行问题 通过构建 参与气电互联综合能源系统多目标协同优化运行模型 在 碳捕捉效应、气电耦合效应等功能特征基础上 借助布谷鸟算法对多目标进行处理 算例结果表明 设备接入后 具备有效降低弃风率、削峰填谷、提升碳减排效益等作用 为可再生能源消纳提供了新途径关键词:气电互联综合能源系统 电转气 可再生能源消纳 多目标协同优化中图分类号:文献标志码:文章编号:()基金项目:国家社会科学基金一般项目()国网江苏省电力有限公司支持项目()收稿日期:修回日期:(.):().:第 卷第 期 湖 南 电 力 年 月 引言中国提出的“双碳”目标 加速了以降碳为主的能源革命 综合能源系统作为整合电、热、冷、气等多种能源资源的集成体 具有推动多能源互补互济和协调优化的作用 燃气热电联供系统()机组、电转气()等能源转换设备 具有运行效率高、碳排放量低等优势 在综合能源集成模型中起到多种能源的耦合作用 具体而言 当园区的需求侧电负荷需求小或风电等可再生能源利用发生冗余时 为减少弃风现象 设备可以及时将过剩电能为天然气系统中天然气加压 促进气电互联综合能源系统的闭环系统运行 文献 分析了 设备的容量等特性对气电互联综合能源系统运行造成的影响和成本分析 文献 对 设备的功能进行量化研究 构建了包含系统削峰填谷率、系统可靠率等多个指标 便于研究设备的功能优劣性针对气电综合能源系统的运行优化调度建模及求解 文献 分别从不同角度构建了多目标优化调度模型 常见的目标包括生产运行成本最小化、运行可靠性最大化、环境成本最小化等 文献 考虑天然气管道的运行约束 构建了天然气系统和电力系统耦合的电力风险最小化目标下的系统优化运行模型 文献 以气电互联综合能源园区各主体利益总体最大化为目标构建了优化调度模型 综合考虑了系统的多种能源耦合之间的影响因素 文献 提出综合能源系统优化运行必须建立在安全性和可靠性前提下 并提出了不确定性因素下优化调度模型的建立过程综上所述 国内外学者已经对 技术在综合能源系统中的影响路径机制、综合能源系统优化建模等方面做了一定的研究 然而目前的研究对 设备在系统中的功能特性研究不足 没有将功能特性与协同优化模型紧密结合 因此 本文在 碳捕捉效应、气电耦合效应等功能特征基础上进行研究 气电互联综合能源系统相关理论 气电互联综合能源系统元件气电互联综合能源系统是通过 设备、燃气轮机等耦合元件 将电力系统与天然气系统协同调度的一种综合能源系统 按照能源中心模型设备的作用 可将一个气电互联综合能源系统的元件划分为三类 见表 表 气电互联综合能源系统元件分类名称特征直接传输设备不改变传输能量的类型 包括母线、变压器、加压站等能量转换设备可以实现不同能源类型之间的能量转换包括、燃气轮机和燃气锅炉等储能设备储存无法立即消耗的各类能源 包括蓄电设备、天然气储罐和蓄热设备等在气电互联综合能源系统中 设备可以及时将过剩电能转化为天然气系统中所需要的加压天然气 燃气机组的作用是将天然气快速转化为电力 从而即时调峰 弥补电力负荷曲线中的差值 气电互联综合能源系统运行结构基于能源中心模型理论 在系统能源输入侧考虑风电、燃煤、燃气 和天然气 在能源中心环节包含 设备、燃气轮机、燃气锅炉、储气罐、加压站等 能源需求侧包括天然气负荷、热负荷、电负荷 气电互联综合能源系统具体运行结构如图 所示图 气电综合能源系统运行结构 多目标优化建模 目标函数以系统运行成本最小化为目标 基于 设备耦合特性、碳捕捉效应等功能 最大程度消纳输入侧的风电 最小化输出侧的碳减排总量 构建多个优化目标 运行成本最小化本文考虑燃煤机组的发电成本、天然气气源的供气成本、储气罐运行成本和 设备运行成本假设系统风电机组的运行成本和各类其他设备的运行成本为 气电综合能源系统运行成本:()第 卷第 期 湖 南 电 力 年 月 ()()()()()()式中、和 分别为综合能源系统的总运行成本、燃煤机组的发电成本、天然气气源出气成本、储气罐运行成本、设备运行成本、分别为情景集合、燃煤机组节点集合、天然气气源节点集合、储气罐节点集合、设备耦合电网节点集合 为一个调度周期 为情景发生的概率、和 分别为第 个节点的燃煤机组发电成本函数的常数项、一次和项系数、分别为情景 第 个节点在时刻 的燃煤机组出力、设备的出气流量、和 分别为第 个节点的天然气气源价格、储气罐进气和出气流量价格、设备单位气流量的运行费用、和 分别为情景 下第 个节点在时刻 的天然气气源出气量、储气罐进气和出气流量 风电消纳率最大化基于 设备电转甲烷耦合特性 为量化 设备的风电消纳作用 风电消纳率最大化目标:()式中 为风电机组总出力 为 有功功率 为 设备集合 碳减排总量最大化利用 设备的碳捕捉效应 为量化系统的碳减排量 气电互联综合能源系统碳减排总量最大化目标:()()式中 为无 接入时系统碳排放总量 为 接入后系统碳排放总量 为调度周期 内吸收的二氧化碳的质量 和 分别为有 接入和无 接入时第 台发电机组(第 个节点)在调度周期内发电的煤耗或天然气耗量 为单位标准煤或天然气完全燃烧所产生的碳排放量 为碳捕获系数 表示 设备单位出力可捕获的全部二氧化碳量 约束条件 电力系统约束如图 所示 电力系统主要包含煤电机组、燃气、燃气轮机以及电负荷用户等 电力系统在运行时需要满足以下系统约束条件)功率平衡约束气电互联综合能源系统中的发电功率与用电功率需要保持瞬时平衡 即:()式中 为系统的电能需求、分别为系统燃煤机组、风电机组、燃气轮机、设备、燃气 机组的实时功率为系统未满足的电功率)机组出力约束机组出力受限于机组出力最大最小参数 即:()式中、分别为燃煤机组集合、燃气轮机机组集合、分别为机组有功出力上下限)机组爬坡约束机组爬坡受限于机组爬坡过程最大最小速率 即:()式中、分别为机组向上、向下爬坡速率 天然气系统约束如图 所示 天然气系统主要包含气源、加压站、储气罐等 天然气系统在运行时需要满足以下系统约束条件)功率平衡约束气电互联综合能源系统的天然气系统应保持需求量与供气量平衡 即:()()第 卷第 期 李梦露等:气电互联综合能源系统多目标优化模型研究 年 月式中 为天然气需求 为燃气机组的天然气耗量 为燃气 机组的天然气耗量为 时刻气源 的输出气流量、分别为管道 出口与入口的气流量)气源点出力约束气源点出力受到出力上下限约束 即:()式中 为气源 在 时刻的输出气流量、分别为气源 的出力下限和上限)节点压力约束天然气节点压力限于可承受压力上下限 即:()式中 为 时刻天然气节点 的压力、分别为天然气节点 的压力下限和上限)加压站由于天然气管壁摩擦和地势变化 天然气在传输过程中存在一定的输气损耗 仅考虑进气端和出气端之间的升压关系 以及加压站的容量限制 即:()式中 为压缩常数 保证天然气从低气压节点流向高气压节点)储气罐储气罐既受到自身储气容量的限制 也有每个时刻进气量和出气量的限制 一个调度周期内储气罐约束 即:()式中 为天然气储气罐 在 时刻的储气量为天然气储气罐 在 时刻的储气量 和 分别为储气罐 储气容量的最小值和最大值 和 分别为储气罐 的最小和最大气流量限制 为储气罐在 时刻的进气量为储气罐 在 时刻的出气量 热能系统约束如图 所示 系统中热能系统的元件包括热源 机组、燃气锅炉 热能系统在运行时需要满足以下系统约束条件)功率平衡约束气电互联综合能源系统的热能系统需保持热负荷需求量与供给量均衡 即:()式中 为系统热能需求 为系统未满足的热风功率 为 机组在 时刻的热功率输出 为所有 机组的集合)出力约束 出力受机组出力上下限参数约束 即:()()式中 为水的比热容、分别为 机组出口处的热水流量、供水温度与回水温度)燃气锅炉约束燃气锅炉热能功率 受限于上下限 即:()式中 为燃气锅炉热能功率输出上限 耦合元件约束如图 所示 系统中能发挥耦合功能的元件有 设备、燃气轮机和 机组 在气电互联综合能源系统运行时需要满足以下耦合约束条件)功率约束 设备运行的功率 受到约束 即:()式中 为 设备电功率的上限)转换约束在 转换过程中 能量转换效率受到约束 即:/()式中 为 设备消耗的有功功率 为 设备产生的天然气流量 为 设备的转换效率 为天然气的热值)机组转换约束 机组的电、热出力需满足约束关系 即:()式中 为 机组在 时刻的有功功率为机组电热比 为 机组 时刻的热出力 机组的耗量受到转换效率约束 即:()/()/()式中 为 的转换效率 为天然气的高第 卷第 期 湖 南 电 力 年 月热值 取值为 /为 机组在 时刻的天然气消耗量)燃气轮机转换约束燃气轮机实现气转电时需满足约束条件 即:(/)/()式中 为燃气轮机的转换效率 为燃气机组在 时刻的天然气消耗量 为燃气机组在 时刻的有功功率 取值为 /多目标优化模型求解方法多目标布谷鸟算法是由 等人于 年提出 该算法由于结构简单、搜索效率高等优点被广泛应用于结果寻优过程 该算法已被文献 证明在多目标优化约束问题中具有更高的鲁棒性 在标准的多目标布谷鸟算法中 布谷鸟的搜索路径及位置更新公式如下:()()()()式中 为第 个鸟窝在第 代的鸟窝位置 为第 个鸟窝在 代的鸟窝位置 为第 个鸟窝在 代的鸟窝位置 为步长 用于控制算法搜索范围()为 分布 为 分布中的变量 ()为点对点乘 为常数 取为 飞行从根本上提供一个服从 分布的随机游走 ()()在算法寻优中 为了充分利用局部最优解 完整的 分布公式如式():()()/()()和 的方差分别为:()(/)()/()/()式中 和 服从正态分布 是标准卡方分布 在标准的多目标布谷鸟优化算法中 鸟窝位置的更新使用 分布 基于 分布 定义全局游走为:()(/)()()式中 与 为 之间的随机数 为第 个鸟窝的最新位置常取 但是多目标布谷鸟优化算法在寻优初始阶段 应该保证步长大些 来保证搜索范围较大 避免陷入局部最优 但随着迭代次数的增加 寻优过程需要较小的步长来使得收敛过程逐渐逼近全局最优 找到最优解 所以常值的步长控制量使得收敛速度慢 寻优效果差经多次仿真测试 对基本的 分布中的进行调整 用公式()进行替代()()式中 取 为迭代次数 为迭代次数的最大值因此 全局搜索过程迭代公式更新为:()()式中、是不同的鸟巢本文采用布谷鸟算法对模型进行求解 详细原理及求解流程参考文献 优化算法的流程如下步骤:参数初始化 设置鸟巢数目、最大迭代次数等参数步骤:在边界范围内随机初始化一定数目的鸟巢 利用公式()计算目标函数值、当前最优值和最优解步骤:开始循环迭代 利用公式()进行全局搜索 利用公式()重新计算目标函数值若较之前的解优越 则替换最优值和最优解步骤:判断循环是否结束 若是结束 则直接输出结果 否则跳转步骤 算例分析 基础数据某 节点电力系统和 节点天然气系统的气电互联综合能源系统运行结构示意如图 所示图 气电综合能源系统结构第 卷第 期 李梦露等:气电互联综合能源系统多目标优化模型研究 年 月在 节点天然气系统中 节点 与 设备相连 节点 与燃气机组相连 天然气系统中各气源最大供气量均为 /气源点和储气罐的相关参数见表 表 天然气系统气源点和储气罐参数类型容量下限/容量上限/注入流量上限/()输出流量上限/()进气成本系数/(元)出气成本系数/(元)气源 气源 储气罐 储气罐 在 节点电力系统中 燃煤机组位于节点、风电机组和 设备均位于节点 燃气机组位于节点 各发电机组参数见表 本文热电解耦、燃煤机组最小技术出力为额定功率 爬坡速率为额定功率 不考虑风电和燃气机组的最小技术出