一种气电网联合多区域综合能源系统建模及系统规划方法技术方案

本发明专利技术具体涉及一种气电网联合多区域综合能源系统建模及系统规划方法，包括以下步骤：S1.建立包含电网、气网与电网‑气网的耦合模型与约束的气网‑电网联合的多区域综合能源系统模型；S2.以总的系统运行成本最小为目标建立气网‑电网联合的多区域综合能源系统最优经济运行的规划模型。S3.利用二阶锥规划方法将模型中的混合整数非线性规划模型转化成混合整数二阶锥规划模型；利用增量分段线性化方法模型中的非线性量线性化处理；从而以总的系统运行成本最小为目标建立大规模混合整数二阶锥规划模型。S4.采用商业的规划问题求解器，求解大规模混合整数二阶锥规划模型，即得到多区域综合能源系统内部各单元的最佳出力和总的系统运行成本。

A Modeling and System Planning Method for Gas-Power Grid Joint Multi-Area Integrated Energy System

【技术实现步骤摘要】
一种气电网联合多区域综合能源系统建模及系统规划方法
本专利技术涉及电力系统及其联合系统的规划方法，具体涉及一种气电网联合多区域综合能源系统建模及系统规划方法。
技术介绍
随着地球环境和能源危机等问题的凸显，发展清洁能源和可再生能源，是目前各国可持续发展的最重要的战略选择。近年来，以风力发电和光伏发电发展尤为迅猛。然而，由于风力发电和光伏发电具有波动性大、不确定性大的特点，对电力系统的稳定性提出了挑战。燃气轮机机组可快速响应新能源出力波动，且与传统燃煤机组相比，还具有环境污染小的特点，已得到了广泛关注。另一方面，随着电转气(powertogas，P2G)技术的产生和发展，多余的电能能够被转换成天然气(主要指CH4)流入天然气管网，有望实现电能大规模存储，保障风电、太阳能等可再生能源安全消纳，进一步加强了天然气系统与电力系统的耦合程度，实现多能源系统的优势互补。考虑气网-电网联合的多区域综合能源系统(integratedenergysystem，IES)将电网电能、天然气能源与分布式能源进行统一优化调度，在满足各种负荷需求的同时，还提高了能源系统的经济效益与环境效益，是未来能源系统发展的重要方向。
技术实现思路
1.所要解决的技术问题：本专利技术提供一种气电网联合多区域综合能源系统建模及系统规划方法，以解决复杂的电网-气网联合的多区域综合能源系统规划问题能够快速有效求解，为实际运行调度提供参考。2.技术方案：一种气电网联合多区域综合能源系统建模及系统规划方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一：建立包含电网模型与约束、气网模型与约束、电网-气网的耦合模型与约束的气网-电网联合的多区域综合能源系统模型。步骤二：以总的系统运行成本最小为目标建立气网-电网联合的多区域综合能源系统最优经济运行的规划模型。步骤三：利用二阶锥规划方法将步骤一中建立的气网-电网联合的多区域综合能源系统模型中的混合整数非线性规划模型转化成混合整数二阶锥规划模型；利用增量分段线性化方法将步骤一建立的气网-电网联合的多区域综合能源系统模型中的非线性量线性化处理；最终，步骤二中以总的系统运行成本最小为目标建立的气网-电网联合的多区域综合能源系统最优经济运行的规划模型被转化成大规模混合整数二阶锥规划模型。步骤四：采用商业的规划问题求解器，求解步骤三中的大规模混合整数二阶锥规划模型，得到多区域综合能源系统内部各单元的最佳出力和总的系统运行成本。进一步地，所述步骤一中的电网模型与约束具体包括常规机组的模型与约束、燃气轮机的模型与约束、储电装置的模型与约束、电网功率平衡约束、电网潮流约束、节点电压和线路功率的约束。所述气网模型与约束具体包括：天然气源流量约束、节点的气压约束、天然气管道气流模型、储气约束、P2G装置约束、天然气管网节点流量平衡约束。所述电网-气网的耦合模型与约束具体包括：燃气轮机机组耦合约束、P2G装置的耦合约束。进一步地，步骤二的具体步骤为：建立以总的系统运行成本最小为目标的规划模型，其表达式为：F＝min(F1+F2+F3)(37)(37)式中，F是总的系统运行成本；F1是常规机组的发电成本函数；F2是天然气源的成本函数；F3是燃气轮机的发电成本函数。所述常规机组的发电成本F1包含启停成本和运行成本，为F1＝F11+F12(38)(38)、(39)、(40)式中，F11表示启停成本；F12表示运行成本；T表示时段总数；NG表示常规机组的数量；KRi、KSi分别表示常规机组i的开机、停机费用；布尔变量μi,t、μi,t-1表示开停机标志，1、0分别表示开机、。停机状态；ai、bi、ci表示发电机组i的二次发电成本函数的系数；Pi,t表示t时段第i常规机组的有功出力。所述天然气源的成本函数F2，为(41)式中，Ngas表示网络内的气源总数；gj表示第j个天然气源成本系数；表示第j个天然气源在t时段的天然气出力。所述燃气轮机的发电成本函数F3，为(42)式中，Ng表示燃气轮机机组数量；g表示燃气轮机机组运行费用函数；表示t时段第i台燃气轮机机组的有功出力。进一步地，步骤三中利用二阶锥规划将电网模型与约束中的电网的潮流约束转化为二阶锥规划方程，利用增量分段线性化方法将天然气管道气流模型的非线性方程进行线性化处理。进一步地，所述常规机组的模型与约束包括常规机组出力限制约束、常规机组爬坡约束和常规机组最小开停机时间约束。所述常规机组出力限制约束为：μi,tPi,min≤Pi,t≤μi,tPi,max(1)μi,tQi,min≤Qi,t≤μi,tQi,max(2)(1)(2)式中，Pi,min和Pi,max分别为第i台常规机组出力的下限和上限；Qi,min和Qi,max分别为第i台常规机组无功功率的下限和上限。所述常规机组的爬坡约束为：-RDiTs≤Pi,t-Pi,t-1≤RUiTs(3)(3)式中，RUi、RDi分别为常规机组i的上、下爬坡速率；Ts为调度时段。所述常规机组最小开停机时间约束为：(4)(5)(6)(7)式中，Tion、Tioff分别表示常规机组i的最小开、停机时间；Tiui、Tidi分别表示常规机组i调度初期初始开、停机时间；式(4)、(5)为常规机组最小开、停机时间约束式；式(6)、(7)为常规机组初始开、停机时间约束式。所述燃气轮机的模型与约束包括燃气轮机出力限制约束和燃气轮机爬坡约束；所述燃气轮机出力限制约束为：(8)(9)式中，和分别为第i台燃气机组出力的下限和上限；和分别为第i台燃气轮机机组无功功率的下限和上限。所述燃气轮机的爬坡约束为：(10)式中，和分别为燃气轮机机组i的上、下爬坡速率；Ts为调度时段。所述的储电装置的模型与约束为：式中，表示第i个储电装置t时刻的充电状态，表示装置处于充电状态，表示装置处于放电或空闲状态；为第i个储电装置t时刻的放电状态，表示装置处于放电状态，表示处于充电或空闲状态，并认为储电装置在同一时刻不能同时进行充放电；Pdc表示储电装置的最大功率变化范围；分别表示第i个储电装置在t时刻的充电功率、放电功率和储电容量；分别表示第i个储电装置在t时刻的充电功率的下限和上限；分别表示第i个储电装置在t时刻的放电功率的下限和上限；αc和αd分别表示充电和放电系数，和分别为第i个储电装置容量下限和上限。所述的电网功率平衡约束为：(17)式中，NES表示储电装置的数量；Pt、Ptgas、PtES(PtEB)、PtD分别表示各常规机组、燃气机组、储电装置、和电负荷在第t时段的有功功率；为t时刻第i个储电装置充放电功率，表示储电装置放电，表示储电装置充电；∑PtD为系统t时段的总电负荷功率；NEB表示电锅炉的数量；表示t时刻第i台电锅炉消耗的有功功率。所述电网潮流约束为：(18)式中：Pit和为t时刻节点i注入的有功功率和无功功率；Ui,t和Uj,t为节点电压；Gij和Bij为节点导纳矩阵的参数；θij,t为电压相角。所述节点电压和线路功率的约束条件，为：Ui.min≤Ui≤Ui.max(19)(19)(20)式中：Ui.min和Ui.max分别为节点电压幅值上下限值；Pl,max为线路l传输功率上限。所述天然气源流量约束所述的天然气源流量约束为：Fw,min≤Fw,t≤Fw,max(21)式中，Fw,本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种气电网联合多区域综合能源系统建模及系统规划方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一：建立包含电网模型与约束、气网模型与约束、电网‑气网的耦合模型与约束的气网‑电网联合的多区域综合能源系统模型；步骤二：以总的系统运行成本最小为目标建立气网‑电网联合的多区域综合能源系统最优经济运行的规划模型；步骤三：利用二阶锥规划方法将步骤一中建立的气网‑电网联合的多区域综合能源系统模型中的混合整数非线性规划模型转化成混合整数二阶锥规划模型；利用增量分段线性化方法将步骤一建立的气网‑电网联合的多区域综合能源系统模型中的非线性模型进行线性化处理；最终，步骤二中以总的系统运行成本最小为目标建立的气网‑电网联合的多区域综合能源系统最优经济运行的规划模型被转化成大规模混合整数二阶锥规划模型；步骤四：采用商业的数学规划问题求解器，求解步骤三中的大规模混合整数二阶锥规划模型，得到多区域综合能源系统内部各单元的最佳出力和总的系统运行成本。

【技术特征摘要】
1.一种气电网联合多区域综合能源系统建模及系统规划方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一：建立包含电网模型与约束、气网模型与约束、电网-气网的耦合模型与约束的气网-电网联合的多区域综合能源系统模型；步骤二：以总的系统运行成本最小为目标建立气网-电网联合的多区域综合能源系统最优经济运行的规划模型；步骤三：利用二阶锥规划方法将步骤一中建立的气网-电网联合的多区域综合能源系统模型中的混合整数非线性规划模型转化成混合整数二阶锥规划模型；利用增量分段线性化方法将步骤一建立的气网-电网联合的多区域综合能源系统模型中的非线性模型进行线性化处理；最终，步骤二中以总的系统运行成本最小为目标建立的气网-电网联合的多区域综合能源系统最优经济运行的规划模型被转化成大规模混合整数二阶锥规划模型；步骤四：采用商业的数学规划问题求解器，求解步骤三中的大规模混合整数二阶锥规划模型，得到多区域综合能源系统内部各单元的最佳出力和总的系统运行成本。2.根据权利要求1所述的一种气电网联合多区域综合能源系统建模及系统规划方法，其特征在于：所述步骤一中的电网模型与约束具体包括常规机组的模型与约束、燃气轮机的模型与约束、储电装置的模型与约束、电网功率平衡约束、电网潮流约束、节点电压和线路功率的约束；所述气网模型与约束具体包括：天然气源流量约束、节点的气压约束、天然气管道气流模型、储气约束、P2G装置约束、天然气管网节点流量平衡约束；所述电网-气网的耦合模型与约束具体包括：燃气轮机机组耦合约束、P2G装置的耦合约束。3.根据权利要求1所述的一种气电网联合多区域综合能源系统建模及系统规划方法，其特征在于：步骤二的具体步骤包括：建立以总的系统运行成本最小为目标的规划模型，其表达式为：F＝min(F1+F2+F3)(37)(37)式中，F是总的系统运行成本；F1是常规机组的发电成本函数；F2是天然气源的成本函数；F3是燃气轮机的发电成本函数；所述常规机组的发电成本F1包含启停成本和运行成本，为F1＝F11+F12(38)(38)、(39)、(40)式中，F11表示启停成本；F12表示运行成本；T表示时段总数；NG表示常规机组的数量；KRi、KSi分别表示常规机组i的开机、停机费用；布尔变量μi,t、μi,t-1表示开停机标志，1、0分别表示开机、停机状态；ai、bi、ci表示发电机组i的二次发电成本函数的系数；Pi,t表示t时段第i常规机组的有功出力；所述天然气源的成本函数F2，为(41)式中，Ngas表示网络内的气源总数；gj表示第j个天然气源成本系数；表示第j个天然气源在t时段的天然气出力；所述燃气轮机的发电成本函数F3，为(42)式中，Ng表示燃气轮机机组数量；g表示燃气轮机机组运行费用函数；表示t时段第i台燃气轮机机组的有功出力。4.根据权利要求2所述的一种气电网联合多区域综合能源系统建模及系统规划方法，其特征在于：步骤三中利用二阶锥规划将电网模型与约束中的电网的潮流约束转化为二阶锥规划方程，利用增量分段线性化方法将天然气管道气流模型的非线性方程进行线性化处理。5.根据权利要求2所述的一种气电网联合多区域综合能源系统建模及系统规划方法，其特征在于：所述常规机组的模型与约束包括常规机组出力限制约束、常规机组爬坡约束和常规机组最小开停机时间约束；所述常规机组出力限制约束为：μi,tPi,min≤Pi,t≤μi,tPi,max(1)μi,tQi,min≤Qi,t≤μi,tQi,max(2)(1)(2)式中，Pi,min和Pi,max分别为第i台常规机组出力的下限和上限；Qi,min和Qi,max分别为第i台常规机组无功功率的下限和上限；所述常规机组的爬坡约束为：-RDiTs≤Pi,t-Pi,t-1≤RUiTs(3)(3)式中，RUi、RDi分别为常规机组i的上、下爬坡速率；Ts为调度时段；所述常规机组最小开停机时间约束为：(4)(5)(6)(7)式中，Tion、Tioff分别表示常规机组i的最小开、停机时间；Tiui、Tidi分别表示常规机组i调度初期初始开、停机...

【专利技术属性】
技术研发人员：叶宇成，凌佳杰，张彤阳，王佳钰，陈济凡，李超杰，谢宗宸，张永一，石子敬，
申请(专利权)人：南京工程学院，
类型：发明
国别省市：江苏,32