考虑灵活性需求的电-气综合能源系统源网协同规划方法

技术领域

本发明涉及电-气综合能源系统领域，尤其涉及一种考虑灵活性需求的电-气综合能源系统源网协同规划方法。

背景技术

随着可再生能源渗透率越来越高，可再生能源将逐渐成为电力电量供应的主体，传统的电力系统正在逐渐演变为以可再生能源为主导的新型能源系统。在高比例可再生能源渗透背景下，净负荷（原始负荷减去风、光等可再生能源出力）爬坡更加频繁、峰谷差异更加显著，可再生能源出力的不确定性、随机性和波动性给新型绿色能源系统的安全稳定运行带来了巨大的挑战。

针对于高比例可再生能源渗透下的综合能源系统，现有技术中通常都是按照一定指标对电力系统、可再生能源系统、天然气系统内各类设备的配置以及出力进行规划，不考虑系统灵活性需求，这会导致电力系统在适应可再生能源的不确定性和间歇性特性方面存在灵活性不足问题。电力系统的灵活性是指在面对不断变化的电力供需情况下，实现电力的稳定、可靠和高效供应所需的能力，包括从发电、传输到配送等各个层面的灵活性，以确保电力系统能够适应能源转型、可再生能源的集成以及负荷变化等，同时保持系统的稳定性和经济性。系统的灵活性可以被视为对净负荷变化的一种快速响应能力。配备足够灵活的电力系统可以消除不平衡的电力，使电力系统的运行更加稳定和经济。而系统灵活性不足将会导致严重的弃风、弃光和弃负荷现象，影响系统的安全稳定运行。

发明内容

本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种实现操作简单、成本低、灵活性强的考虑灵活性需求的电-气综合能源系统源网协同规划方法，能够考虑综合能源系统灵活性需求，保障综合能源系统供需平衡和安全稳定运行，避免运行阶段因系统灵活性不足引起弃风、弃光和弃负荷等现象。

为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：

一种考虑灵活性需求的电-气综合能源系统源网协同规划方法，包括：

构建电力系统运行约束条件、天然气系统运行约束条件以及考虑上调、下调灵活性裕量时的电力系统供需平衡约束条件，形成电-气综合能源系统优化规划模型；

以可再生能源弃能、弃负荷、综合能源系统内各类发电机组和气源设备的出力以及成本最小为目标，构建所述电-气综合能源系统优化规划模型的目标函数，所述目标函数为综合能源系统内发电机组与气源设备的出力、各类能源设备的配置数量以及可再生能源弃能量、弃电负荷量、弃气负荷量的函数，所述能源设备包括新建电源、输电线路以及输气管道；

构建的所述电-气综合能源系统优化规划模型的目标函数为：

，

式中：

获取综合能源系统中各类能源设备的配置数量的初始值，输入至所述电-气综合能源系统优化规划模型的目标函数中进行求解，得到综合能源系统内各发电机组与气源设备的出力最优解以控制各发电机组、气源设备的协调运行。

作为一种可选的实施方式，所述电力系统运行约束条件包括电力系统各个节点源荷平衡约束、电力系统输电线路潮流容量约束、电压相角约束、输电线路潮流约束、输电线路潮流容量约束、发电机组出力约束、弃电负荷约束、弃可再生能源约束、电力系统和天然气系统耦合设备燃气轮机出力关联约束中任意一种或多种。

作为一种可选的实施方式，所述电力系统各个节点源荷平衡约束为：

，其中，/>

分别为在场景

为输电线路

所述电力系统输电线路潮流容量约束为：

，其中，/>

所述电压相角约束为：

，

其中，

作为一种可选的实施方式，所述输电线路潮流约束包括：

，

其中，

所述发电机组出力约束包括：

，

其中，

作为一种可选的实施方式，所述弃电负荷约束为：

，

其中，

所述弃可再生能源约束为：

，

其中，

所述电力系统和天然气系统耦合设备燃气轮机出力关联约束为：

，

其中，

作为一种可选的实施方式，所述天然气系统运行约束条件包括天然气系统各节点源荷平衡约束、气源出力约束、节点气压约束、输气管道气流量容量约束以及输气管道气流量与节点气压关联约束中任意一种或多种，所述天然气系统各节点源荷平衡约束为：

，

其中，

所述气源出力约束为：

，

其中，

所述节点气压约束为：

，

其中，

所述输气管道气流量容量约束包括：

，

其中，

所述输气管道气流量与节点气压关联约束为：

，

其中，

和/>

作为一种可选的实施方式，所述考虑上调、下调灵活性裕量时的电力系统供需平衡约束条件为：

，

其中，

电力系统总上调灵活性供给约束

，

其中，

，

其中，

电力系统总下调灵活性供给约束

，

其中，

系统上调灵活性需求和下调灵活性需求

，

其中，

作为一种可选的实施方式，对构建的所述目标函数进行求解包括：

将所述目标函数中非线性非凸部分使用辅助变量

将转化后目标函数采用Benders-割平面算法进行分解，由成本函数

先求解所述主问题目标函数，得到辅助变量

将求解出辅助变量

作为一种可选的实施方式，所述主问题目标函数为：

，

约束条件包括：

，

所述子问题目标函数为：

，

约束条件包括：

，

求解出所述主问题目标函数后，得到辅助变量

根据变量

与现有技术相比，本发明的优点在于：本发明在可再生能源和输电网协同规划阶段，先构建电力系统运行约束条件、天然气系统运行约束条件，同时考虑系统上调和下调灵活性需求构建电力系统供需平衡约束条件，形成电-气综合能源系统优化规划模型，然后以可再生能源弃能、弃负荷、综合能源系统内各类发电机组和气源设备的出力以及成本最小为目标构建模型的目标函数，对模型的目标函数进行求解得到各类设备出力的最优解，实现综合能源系统源网协同优化规划，能够有效保障综合能源系统供需平衡和安全稳定运行，避免运行阶段因系统灵活性不足引起弃风、弃光和弃负荷等现象。

附图说明

在下文中将基于实施例并参考附图来对本发明进行更详细的描述。其中：

图1是本发明实施例电-气综合能源系统的结构示意图。

图2是本发明实施例考虑灵活性需求的电-气综合能源系统源网协同规划方法的步骤流程示意图。

图3是本发明实施例求解模型最优解的原理示意图。

图4是本发明实施例求解模型最优解的详细步骤流程示意图。

具体实施方式

下面将结合说明书附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明，但并不因此而限制本发明的保护范围。

如图1所示，本实施例方式的电-气综合能源系统包括电力系统以及天然气系统，电力系统涉及燃煤机组、发电机组、燃气轮机等，天然气系统涉及气源、天然气节点以及气体压缩机等。

如图2所示，本实施例方式的考虑灵活性需求的电-气综合能源系统源网协同规划方法的步骤包括：

步骤1:构建电力系统运行约束条件、天然气系统运行约束条件以及考虑上调、下调灵活性裕量时的电力系统供需平衡约束条件，形成电-气综合能源系统优化规划模型。

作为一种可选的实施方式，电力系统运行约束条件包括电力系统各个节点源荷平衡约束、电力系统输电线路潮流容量约束、电压相角约束、输电线路潮流约束、输电线路潮流容量约束、发电机组出力约束、弃电负荷约束、弃可再生能源约束、电力系统和天然气系统耦合设备燃气轮机出力关联约束等。

作为一种可选的实施方式，各约束的表达式具体分别为：

电力系统各个节点源荷平衡约束为：

（1），

其中，

电力系统输电线路潮流容量约束为：

（2），

其中，

电压相角约束为：

（3），

其中，

输电线路潮流约束包括已建输电线路潮流约束、待建输电线路潮流约束以及待建输电线路潮流容量约束，已建输电线路潮流约束为：

（4），

其中，

待建输电线路潮流约束为：

（5），

其中，

待建输电线路潮流容量约束为：

（6），

其中，

作为一种可选的实施方式，发电机组出力约束包括已建各类型发电机组出力约束、新建发电机组出力约束，其中已建各类型发电机组出力约束为：

（7），

其中，

新建发电机组出力约束为：

（8），

为新建电源是否建设的0-1变量，/>

弃电负荷约束为：

（9），

其中，

弃可再生能源约束为：

（10），

其中，

作为一种可选的实施方式，电力系统和天然气系统耦合设备燃气轮机出力关联约束为：

（11），

其中，

作为一种可选的实施方式，天然气系统运行约束条件包括天然气系统各节点源荷平衡约束、气源出力约束、节点气压约束、输气管道气流量容量约束以及输气管道气流量与节点气压关联约束等。

作为一种可选的实施方式，各约束的表达式分别为：

天然气系统各节点源荷平衡约束为：

（12），

其中，

各个气源出力约束为：

（13），

其中，

各个节点气压约束为：

（14），

其中，

作为一种可选的实施方式，输气管道气流量容量约束包括已建输气管道气流量容量约束、待建输气管道气流量约束以及待建输气管道气流量容量约束，其中已建输气管道气流量容量约束为：

（15），

其中，

待建输气管道气流量约束为：

（16），

其中，

待建输气管道气流量容量约束为：

（17），

其中，

已建输气管道气流量与节点气压关联约束为：

（18），

其中，

作为一种可选的实施方式，为构建构建得到考虑上调、下调灵活性裕量时的电力系统供需平衡约束，首先构建燃煤机组和燃气机组上调灵活性供给约束：

（19），

其中，

构建弃电负荷灵活性供给约束：

（20）,

以及构建电力系统总下调灵活性供给约束

（21）,

同时构建燃煤机组和燃气机组下调灵活性供给约束：

（22）,

其中，

以及弃可再生能源提供下调灵活性供给：

（23），

以及电力系统总下调灵活性供给：

（24），

系统上调灵活性需求和下调灵活性需求

（25），

其中，

最终构建得到考虑上调、下调灵活性裕量时的电力系统供需平衡约束条件：

（26），

其中

作为一种可选的实施方式，还包括系统决策阶段投入成本约束：

（27），

其中，

在本实施例的方式中，对上述各约束条件的具体形式并不做限制，也可以采用其他各种各样的变形形式。

本实施例方式中通过上述步骤构建了的电-气综合能源系统两阶段随机优化规划模型，可以使得电力系统运行平衡、天然气系统运行平衡，同时还能够考虑系统小时级上调、下调灵活性需求，解决传统针对高比例可再生能源渗透背景下系统灵活性不足的问题，从而便于实现可再生能源发电机组和输电线路协调统筹规划及系统灵活、安全、稳定运行模拟。

步骤2:以可再生能源弃能、弃负荷、综合能源系统内各类发电机组和气源设备的出力以及成本最小为目标，构建电-气综合能源系统优化规划模型的目标函数，目标函数为综合能源系统内发电机组与气源设备的出力、各类能源设备的配置数量以及可再生能源弃能量、弃电负荷量、弃气负荷量的函数，能源设备包括新建电源、输电线路以及输气管道。

在一种可选的实施例中，构建的电-气综合能源系统优化规划模型的目标函数为：

（28），

（29），

（30），

式中：

为弃气负荷量；/>

在本实施例的方式中，对上述目标函数的具体形式并不做限制，也可以采用其他各种各样的变形形式。

步骤3:获取综合能源系统中各类能源设备的配置数量，输入至电-气综合能源系统优化规划模型的目标函数中进行求解，得到综合能源系统内各发电机组与气源设备的出力最优解以控制各发电机组、气源设备的协调运行。

步骤3.1:将目标函数中非线性非凸部分使用辅助变量

如式（28）～式（30）构建的考虑灵活性需求的电-气综合能源系统源网扩展规划模型是一个混合整数非线性非凸的优化问题，难以直接获得其全局最优解。在一种可选的实施例中，为了获得模型的全局最优解和保证算法的收敛性，本实施例通过引入引入辅助变量

令

（31），

（32），

为使变换后的模型等效于原始问题，以下与辅助变量

（33），

通过上述步骤，将非线性非凸的天然气流量与节点气压稳态方程转换为混合整数二阶锥约束，可以有利于快速获得全局最优解。

步骤3.2:将转化后目标函数采用Benders-割平面算法进行分解，由成本函数

在一种可选实施例中，如图3所示，对于构建的考虑灵活性需求的电-气综合能源系统源网扩展规划模型，首先划分上、下层问题，其中上层为电源和能源网络规划问题，下层为系统运行优化问题，然后根据分解协调思想，将上层决策变量（

（34），

约束条件包括式（27）以及下式：

（35），

子问题目标函数为：

（36），

约束条件具体包括(1)~式(7)、式(9)~式(26)、式(32) ~式(33)以及下式：

（37），

步骤3.3:先求解主问题目标函数，得到辅助变量

在一种可选的实施例中，对式（34）求解出主问题目标函数后，得到辅助变量

根据变量

针对天然气流量与节点气压稳态方程的非线性非凸特性，本实施例方式中通过引入二进制辅助变量表示输气管道中气流的方向，将非线性非凸方程转化为混合整数二阶准约束，结合采用Benders-割平面算法将一个大规模的原始双层问题分解为规模较小的主问题和一系列子问题进行求解，获得模型全局最优解，能够实现电-气综合能源系统两阶段源网扩展规划模型的高效求解。

在一种可选的实施例中，如图4所示，对电-气综合能源系统优化规划模型的目标函数求解的具体步骤包括：

步骤一：初始化，分别设置循环迭代次数初始值和目标函数的上、下界值，即

步骤二：求解分解后主问题（式（34）），获得决策辅助变量

步骤三：根据式（37）更新目标函数值的下界，同时将求解上层主问题获得的决策辅助变量的最优解

（38），

步骤四：固定决策变量

步骤五：根据式（39）更新上界，同时将求解下层子问题获得的对偶变量的最优解

（39 ），

步骤六：判断算法是否收敛，根据式（40）判断算法是否满足收敛性条件，如果式（40）满足，则算法终止，得到系统输出电-气综合能源系统源网协同规划方案和各类型发电机组协调运行方案，否则转步骤二。

（40），

式中：

虽然已经参考优选实施例对本发明进行了描述，但在不脱离本发明的范围的情况下，可以对其进行各种改进并且可以用等效物替换其中的部件。尤其是，只要不存在结构冲突，各个实施例中所提到的各项技术特征均可以任意方式组合起来。本发明并不局限于文中公开的特定实施例，而是包括落入权利要求的范围内的所有技术方案。