一种气电综合能源配网系统的协调运行方法技术方案

本发明专利技术涉及一种气电综合能源配网系统的协调运行方法，同时考虑配电网中的交流潮流和配气网中的气体水利计算；将系统中的冷热电三联供系统（CCHP）作为配气网和配电网的耦合元件，对CCHP系统的非线性多能耦合外特性进行数学建模；通过对系统中CCHP系统的运行进行协调优化，将配电网的分布式新能源的功率波动转移到配气网和冷/热供应系统中，从而抑制配电网联络线交换功率的波动；对于上述模型对应的混合整数非线性规划问题，本发明专利技术提出一种两阶段优化算法进行求解。仿真算例证明在保证综合能源系统新能源利用率的前提下，该方法在不同季节场景下均能有效抑制联络线上的功率波动。

Coordinated operation method of gas electric comprehensive energy distribution network system

The coordinated operation of the invention relates to a method for gas electric integrated energy distribution system, considering the gas water distribution network in the AC power flow and gas distribution network in the calculation; combined cooling heating and power system in power system (CCHP) as a coupling element gas distribution network and distribution network, nonlinear CCHP system can the coupling characteristics of mathematical modeling; through the CCHP system in the system operation coordination, transfer the power fluctuation of distributed new energy distribution network to gas distribution network and cold / heat supply system, thereby inhibiting the distribution network of tie line power fluctuation; for mixed integer nonlinear programming problem the corresponding model. The invention provides a two stage algorithm for solving optimization. The simulation results show that the proposed method can effectively restrain the power fluctuation of the tie line in different seasons under the premise of ensuring the new energy efficiency of the integrated energy system.

【技术实现步骤摘要】
一种气电综合能源配网系统的协调运行方法
本专利技术属于综合能源系统运行领域，涉及一种气电综合能源配网系统的协调运行方法。
技术介绍
随着分布式发电技术的快速普及，分布式风电以及光伏接入配电网的比例不断上升。然而，新能源发电的输出功率具有波动性，若不对其进行抑制，功率波动会通过联络线传递给输电网，从而对输电网形成冲击。同时，由于社会经济的发展以及政策的刺激，在配网侧构建区域气-电综合能源系统成为未来能源供应的新模式。综合能源系统利用耦合元件，将电力系统和天然气系统紧密的联系起来，从而使得利用惯性较大的天然气系统为电网调节新能源的功率波动成为可能。目前中国已建成的分布式综合能源系统包括北京燃气集团大楼、上海浦东机场、青岛中德生态园、广州大学城等。根据中国国家能源局发布的电力发展“十三五”规划，在未来的五年中，中国将着力推动多能互补、协同优化的新能源电力综合开发。推广应用分布式气电，重点发展冷热电三联供(CCHP)。到2020年，中国气电机组总装机计划达到1.1亿千瓦以上，其中冷热电多联供1500万千瓦。在未来综合能源的背景下，传统的配电网和配气网独立运行的模式已不能满足多种能源互补的运行要求。天然气系统和电力系统的相互协调是当前的研究热点之一，已有大量学者在其规划、运行、控制等方面进行了深入探讨。在输电网和输气网层面上，气电协调运行策略的目的为降低综合能源系统的运行成本，在原有的电网调度模型的基础上，考虑气网中的气体水利计算以及压缩机的工作状态。但在气电综合配网系统中，由于配网系统本身的结构特征，其运行策略与输网有本质的区别。配电网和配气网一般采用辐射状结构，且配电网线路的R/L值较大。这就使得在输电网中常用的直流潮流模型在配电网中不再适用。并且配气网中一般无压缩机和调压阀门，因此在气网中难以灵活调节各节点气压。已有方法仅对区域内部的经济性进行优化，而未考虑具有功率波动特性的新能源接入后对系统的影响。已有的协调运行方法依赖主网的调节能力平抑新能源的功率波动，但随着分布式新能源渗透率的不断提高，这样的运行方式会对系统的安全稳定运行产生不利影响。同时，气电综合能源系统由于将惯性较大的天然气系统与电力系统相结合，其本身具有一定的功率波动平抑能力。但已有运行策略未对综合能源系统的功率波动平抑能力进行定量分析。冷热电三联供系统作为新一代综合能源系统中的核心耦合部件，其多能耦合特性使得配电网、配气网、制冷系统以及供热系统紧密的联系起来。目前针对CCHP系统的研究集中在建模，规划，运行策略以及经济效益等方面，从一次能源利用率、运行及投资经济性以及环保层面对CCHP系统进行分析。但在综合能源配网系统中，CCHP系统作为分布式电源和用气负荷，起运行状态会对配电网和配气网产生影响。现有的配网运行方法均未考虑利用CCHP系统的多能耦合特性来平抑由分布式新能源造成的联络线功率波动。
技术实现思路
本专利技术的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：一种气电综合能源配网系统的协调运行方法，其特征在于，步骤1：对CCHP系统的多能耦合外特性进行数学建模，建立CCHP系统电输出功率、天然气消耗流量、制冷功率以及供热功率之间的数学映射关系，基于以下定义：模型一，微型燃气轮机建模：微型燃气轮机的耗气流量与其电输出功率直接相关，用函数来表示。同时微型燃气轮机发电产生烟气的流速ERi,t和温度ETi,t也和其电输出功率有关，用函数和来描述。参考微型燃气轮机的技术参数，采用二次函数拟合fgas，拟合优度达到0.9998。拟合结果为：模型二，吸收式制冷机建模：吸收式制冷机的制冷功率与微型燃气轮机排出烟气的流速和温度有关。采用函数来描述制冷功率和ERi,t、ETi,t之间的关系。因此微型燃气轮机的输出功率和制冷机的制冷功率之间的关系如式(1)所示。由于ERi,t、ETi,t均与近似线性相关，而可近似等于一个关于ERi,t的一次函数乘上一个关于ETi,t的二次函数，因此采用三次函数拟合fcold。拟合结果为：模型三，余热回收锅炉建模：燃气轮机排出的烟气中残留的能量与其流量和温度有关，采用函数来描述。而烟气的流量和温度又和燃气轮机的输出功率有关。因此和余热回收锅炉将烟气中的能量重新利用，因此余热回收锅炉的产热功率也与相关，如(3)所示。其中ηre为余热回收锅炉的热回收效率。采用二次函数拟合余热回收锅炉产热功率和燃气轮机发电功率之间的关系。拟合结果为：模型四，电制冷解和辅助锅炉建模：当由吸收式制冷机和余热回收锅炉的制冷和供热功率不足时，CCHP系统将会使用电制冷机和辅助锅炉来保证冷量和热量的供需平衡。因此CCHP系统总制冷功率和供热功率如(4)和(5)所示。其中，为电制冷机的制冷功率，为辅助锅炉的净产热功率。为离心式制冷机的功率消耗，为辅助锅炉的耗气流量。COP为制冷机能效比。模型五，储水箱建模：储水箱储存未被及时使用的冷水和热水，从而进一步保证了制冷/供热系统的实时供需平衡，提高了CCHP系统的能源利用效率。在CCP模式下采用式(7)描述水箱内的能量平衡，CHP模式下则采用式(8)。式(9)用于保证在一天结束时水箱中储存的能量等于起始值。ESi,start＝ESi,end(9)其中，ESi,t为储水罐中储存的冷/热水的能量；为用户该时刻使用的冷/热量。利用温差方程来确定冷热需求量，如(10)所示。其中和分别为室内和室外温度。ε为温度惯性系数。A为导热系数。基于以上建模，得到了CCHP系统的电输出功率耗气流量之间的关系，为步骤2中综合能源系统中气网和电网的耦合提供依据。步骤2：建立气电综合能源系统协调优化运行模型，考虑配电网中的交流潮流模型以及配气网中的气体水利计算，在满足系统电/气/冷/热负荷的前提下，通过优化CCHP系统的运行，抑制由分布式新能源造成的联络线功率波动，该气电综合能源系统协调优化运行模型基于目标函数：其中，为输电网和配电网联络变压器下网的有功功率；为输入到配气网的天然气总量；和分别为失电负荷量和失气负荷量；为联络线功率的波动量；ρele,t和ρgas,t分别为电价和天然气价格；ρres为主网辅助调节功率波动的费用,其取值与主网的结构以及综合能源系统中分布式新能源接入的渗透率相关；ρelecut和ρgascut为失电负荷和失气负荷的经济代价。步骤3：针对协调运行优化模型所对应的混合整数非线性规划问题，利用两阶段优化算法对问题进行求解。包括：步骤3.1、松弛CCHP系统中微型燃气轮机的出力下限约束，求解得到其理想工作点。步骤3.2、进一步判断燃气轮机启停状态，并二次求解非线性规划问题。本专利技术创造性的提出一种气电综合能源配网系统的协调运行策略，同时考虑配电网中的交流潮流和配气网中的气体水利计算。在对CCHP系统的非线性多能耦合外特性进行数学建模的基础上，通过对系统中的CCHP系统的运行进行协调优化，将分布式新能源的功率波动转移到配气网和冷/热供应系统中。对于上述模型对应的混合整数非线性规划问题(MINLP)，本专利技术提出一种两阶段优化算法进行求解。仿真算例证明在保证系统新能源利用率的前提下，该方法在不同季节场景下均能有效抑制联络线上的功率波动。在上述的一种气电综合能源配网系统的协调运行方法，所述步骤2中，考虑配电网中的交流潮流模型以及配本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种气电综合能源配网系统的协调运行方法，其特征在于，步骤1：对CCHP系统的多能耦合外特性进行数学建模，建立CCHP系统电输出功率、天然气消耗流量、制冷功率以及供热功率之间的数学映射关系，基于以下定义：模型一，微型燃气轮机建模：微型燃气轮机的耗气流量

【技术特征摘要】
1.一种气电综合能源配网系统的协调运行方法，其特征在于，步骤1：对CCHP系统的多能耦合外特性进行数学建模，建立CCHP系统电输出功率、天然气消耗流量、制冷功率以及供热功率之间的数学映射关系，基于以下定义：模型一，微型燃气轮机建模：微型燃气轮机的耗气流量与其电输出功率直接相关，用函数来表示；同时微型燃气轮机发电产生烟气的流速ERi,t和温度ETi,t也和其电输出功率有关，用函数和来描述；参考微型燃气轮机的技术参数，采用二次函数拟合fgas，拟合优度达到0.9998；拟合结果为：模型二，吸收式制冷机建模：吸收式制冷机的制冷功率与微型燃气轮机排出烟气的流速和温度有关；采用函数来描述制冷功率和ERi,t、ETi,t之间的关系；因此微型燃气轮机的输出功率和制冷机的制冷功率之间的关系如式(1)所示；由于ERi,t、ETi,t均与近似线性相关，而可近似等于一个关于ERi,t的一次函数乘上一个关于ETi,t的二次函数，因此采用三次函数拟合fcold；拟合结果为：模型三，余热回收锅炉建模：燃气轮机排出的烟气中残留的能量与其流量和温度有关，采用函数来描述；而烟气的流量和温度又和燃气轮机的输出功率有关；因此和之间的关系如(2)所示；余热回收锅炉将烟气中的能量重新利用，因此余热回收锅炉的产热功率也与相关，如(3)所示；其中ηre为余热回收锅炉的热回收效率；采用二次函数拟合余热回收锅炉产热功率和燃气轮机发电功率之间的关系；拟合结果为：模型四，电制冷解和辅助锅炉建模：当由吸收式制冷机和余热回收锅炉的制冷和供热功率不足时，CCHP系统将会使用电制冷机和辅助锅炉来保证冷量和热量的供需平衡；因此CCHP系统总制冷功率和供热功率如(4)和(5)所示；其中，为电制冷机的制冷功率，为辅助锅炉的净产热功率；为离心式制冷机的功率消耗，为辅助锅炉的耗气流量；COP为制冷机能效比；模型五，储水箱建模：储水箱储存未被及时使用的冷水和热水，从而进一步保证了制冷/供热系统的实时供需平衡，提高了CCHP系统的能源利用效率；在CCP模式下采用式(7)描述水箱内的能量平衡，CHP模式下则采用式(8)；式(9)用于保证在一天结束时水箱中储存的能量等于起始值；ESi,start＝ESi,end(9)其中，ESi,t为储水罐中储存的冷/热水的能量；为用户该时刻使用的冷/热量；利用温差方程来确定冷热需求量，如(10)所示；其中Ttin和Ttout分别为室内和室外温度；ε为温度惯性系数；A为导热系数；基于以上建模，得到了CCHP系统的电输出功率耗气流量之间的关系，为步骤2中综合能源系统中气网和电网的耦合提供依据；步骤2：建立气电综合能源系统协调优化运行模型，考虑配电网中的交流潮流模型以及配气网中的气体水利计算，在满足系统电/气/冷/热负荷的前提下，通过优化CCHP系统的运行，抑制由分布式新能源造成的联络线功率波动，该气电综合能源系统协调优化运行模型基于目标函数：其中，为输电网和配电网联络变压器下网的有功功率；为输入到配气网的天然气总量；和分别为失电负荷量和失气负荷量；为联络线功率的波动量；ρele,t和ρgas,t分别为电价和天然气价格；ρres为主网辅助调节功率波动的费用,其取值与主网的结构以及综合能源系统中分布式新能源接入的渗透率相关；ρelecut和ρgascut为失电负荷和失气负荷的经济代价；步骤3：针对协调运行优化模型所对应的混合整数非线性规划问题，利用两阶段优化算法对问题进行求解；包括：步骤3.1、松弛CCHP系统中微型燃气轮机的出力下限约束，求解得到其理想工作点；步骤3.2、进一步判断燃气轮机启停状态，并二次求解非线性规划问题。2.根据权利要求1所述的一种气电综合能源配网系统的协调运行方法，其特征在于，所述步骤2中，考虑配电网中...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐箭，蒋一博，孙元章，但刚，杨波，魏聪颖，王静，
申请(专利权)人：武汉大学，
类型：发明
国别省市：湖北,42