CN107808216A - 电‑气‑热互联系统弃风弃光和电气热负荷削减综合最小优化模型构建方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开电‑气‑热互联系统弃风弃光和电气热负荷削减综合最小优化模型构建方法。针对现有技术的不足，优化模型的目标函数中加入热负荷削减量、弃风量、弃光量等变量，以电负荷、气负荷、热负荷削减量和弃风量、弃光量之和最小为作为优化模型的目标函数；将STCHP模型中的消耗气流、供热功率和有功出力变量加入优化模型的等式约束中，将EB装置的消耗电功率和供热功率变量加入优化模型的等式约束中；在优化模型的不等式约束中考虑电/气/热负荷削减量、弃风量、弃光量的上下限约束，以及STCHP和EB装置的容量约束等。

Description

电-气-热互联系统弃风弃光和电气热负荷削减综合最小优化 模型构建方法

技术领域

本发明属于综合能源系统领域，目的是实现电-气-热互联系统的综合负荷削减量和系统弃风、弃光量的计算，具体涉及弃风弃光和电/气/热负荷削减综合最小优化模型。

背景技术

近年来，随着各种燃料类型的热电联产(CHP)、燃气发电机组(GFG)、燃气锅炉(GB)、电锅炉(EB)等传统耦合元件规模的不断扩大，电力、天然气、热力系统间的耦合关系愈加深化。耦合元件光热热电联产(STCHP)利用了清洁能源光热，同时配置储热，打破了传统热电联产“以热定电”的运行模式，并且同电锅炉一样具有高效的能源转换特性。随着风、光在电-气-热互联系统中的接入比例逐渐升高，电-气-热互联系统的不确定性激增，当风电、光伏过剩时，STCHP和EB可以为弃风弃光电量的大量转换与存储提供新的解决思路，提升新能源的消纳空间。当风、光不足时，STCHP和EB可以有效调节系统供电、供气、供热的风险水平。因此，需要提出一种含STCHP和EB的电-气-热互联系统风险评估方法来合理量化系统中风、光等不确定性因素带来的影响。然而，含STCHP和EB的电-气-热互联系统具有规模大、设备类型繁多、设备运行特性各异等特征，使得其风险评估的建模和计算复杂度大大增加。综合负荷削减计算是电-气-热互联系统风险评估关键环节，构建准确的综合负荷削减模型是实现系统风险合理、有效评估的重要基础。

目前，未有研究提出考虑STCHP和EB的电-气-热互联系统综合负荷削减优化模型。现有研究中以电-气互联系统运行费用最小为优化目标，实现了系统电负荷、气负荷削减量计算，而电-气-热互联系统优化模型的相关研究中均以能源费用最小为目标函数，未考虑实际系统中存在的弃风、弃光现象，也未计及耦合元件STCHP和EB的耦合转换特性，因此无法实现考虑STCHP和EB的电-气-热互联系统综合负荷削减量和弃风、弃光量的有效、准确计算。

发明内容

本发明的目的是针对现有的电-气-热互联系统负荷削减优化模型的不足，提出一种弃风弃光和电/气/热负荷削减综合最小优化模型。现有优化模型存在以下问题：一是忽略了实际系统中存在的“弃风限电”、“弃光限电”现象，二是没有考虑STCHP和EB装置的耦合转换特性，三是未同时考虑弃风弃光和电/气/热负荷削减的综合最小。本发明针对以上问题，提出相应改进措施：优化模型的目标函数中加入热负荷削减量、弃风量、弃光量等变量，以电负荷、气负荷、热负荷削减量和弃风量、弃光量之和最小为作为优化模型的目标函数；将STCHP模型中的消耗气流、供热功率和有功出力变量加入优化模型的等式约束中，将EB装置的消耗电功率和供热功率变量加入优化模型的等式约束中；在优化模型的不等式约束中考虑电/气/热负荷削减量、弃风量、弃光量的上下限约束，以及STCHP和EB装置的容量约束等。

为实现本发明目的而采用的技术方案是这样的，弃风弃光和电/气/热负荷削减综合最小优化模型的建立和求解。首先，建立优化模型的目标函数，以电负荷、气负荷、热负荷削减量和弃风量、弃光量之和最小作为目标函数；其次，考虑电负荷、气负荷、热负荷削减量和弃风量、弃光量等变量，基于电力系统节点有功平衡方程、无功功率平衡方程、天然气系统节点流量平衡方程、热力系统节点热功率平衡方程、热力-水力环路方程、热力系统节点温度平衡方程，以及STCHP、EB、GFG、GB、CHP方程，建立优化模型的等式约束；再次，考虑电-气-热互联系统中电/气/热负荷削减量约束、弃风/弃光量约束，和STCHP、EB、GFG、GB、CHP的容量约束，以及电力系统、天然气系统和热力系统中状态量的上下限约束等，构建优化模型的不等式约束；最后，在STCHP的储热和EB装置的不同容量场景下，采用内点法对所建优化模型进行求解。其具体方法步骤如下：

(1)建立目标函数

电-气-热互联系统的弃风弃光和电/气/热负荷削减综合最小优化模型以电负荷、气负荷、热负荷削减量和弃风量、弃光量之和最小为优化目标，其模型可表示为：

式中，前一括号代表系统电/气/热负荷削减量之和，后一括号代表系统弃风、弃光电量之和。其中，C_e,i是电负荷节点i的负荷削减变量；C_g,i是气负荷节点i的负荷削减变量；C_h,i是热力系统节点i的热负荷削减变量；ΔP_W,i是风电场i的弃风变量；ΔP_PV,i是光伏电场i的弃光变量；λ_e,i为表征各电负荷重要性的权重因子，λ_g,i为表征各气负荷重要性的权重因子，λ_h,i为表征各热负荷重要性的权重因子，λ_w,i为表征各风电场弃风严重性的权重因子，λ_pv,i为表征光伏电场弃光电严重性的权重因子。N_{d_e}是电负荷节点的总数，N_{d_g}是气负荷节点的总数，N_{d_h}是热负荷节点的总数，N_w是风电场的总数，N_pv是光伏电场的数目。

(2)建立等式约束

考虑电负荷削减变量C_e,i、气负荷削减变量C_g,m、热负荷削减变量C_h,k、弃风变量ΔP_W,i和弃光变量ΔP_PV,i，以及STCHP的消耗气流量、供热功率和有功出力变量，EB装置的消耗电功率和供热功率变量，基于电力系统中的节点有功平衡方程、无功功率平衡方程、天然气系统中的节点流量平衡方程和热力系统中的节点热功率平衡方程，建立如下等式约束：

其中：

式(2)是电力系统节点有功平衡方程，

式(3)是电力系统节点无功平衡方程，

式(4)是天然气系统节点流量平衡方程，

式(5)是热力系统节点热功率平衡方程，

式(6)是热力-水力环路方程，

式(7)和式(8)是热力系统负荷节点温度平衡方程。

式中，θ_i、V_i为电力系统节点i的电压相角和电压幅值；P_G,i、P_GAS,i、P_STCHP,i、P_CHP,i为电力系统节点i的非燃气机组、GFG、STCHP和CHP的有功出力；Q_G,i、Q_GAS,i、Q_STCHP,i、Q_CHP,i为电力系统节点i的非燃气机组、GFG、STCHP和CHP的无功出力；P_D,i、Q_D,i为电力系统节点i的有功功率和无功功率；P_W,i、Q_W,i为电力系统节点i风电场的有功和无功功率；P_PV,i、Q_PV,i为电力系统节点i光伏电站的有功和无功功率；ΔP_W,i、ΔP_PV,i为电力系统节点i风电场的弃风功率、光伏电站的弃光电功率；P_EB,i为电力系统节点i的EB消耗电功率；Q_C,i为电力系统节点i的并联无功补偿器输出无功功率；G_ij、B_ij为电力系统节点导纳矩阵的第i行第j列元素的实部和虚部；π_i和π_j为天然气系统节点i和j的节点气压；F_G,i、F_D,i为天然气系统节点i的气源注入气流和节点气负荷；F_GAS,i、F_CHP,i、F_STCHP,i、F_GB,i为天然气系统节点i的燃气机组、CHP、STCHP和燃气锅炉的消耗天然气气流；C_r、τ_r为天然气系统压缩机r流过的流量和消耗的流量；A_ir、E_ir、T_ir为天然气节点-管道关联矩阵、节点-压缩机关联矩阵和节点-压缩机入口节点关联矩阵的第i行第r列元素；s_ij、k_r为天然气管道r的气流方向和管道常数；Φ_D,i、Φ_G,i、Φ_CHP,i、Φ_STCHP,i、Φ_GB,i、Φ_EB,i为热力系统节点i的热负荷、燃煤热源、CHP、STCHP、GB和EB的供热功率；M_h、k_h为热力系统供热管道h的流量和阻力系数；T_s,i、T_r,i和T_s,f、T_r,f分别为热力系统节点i和节点f的供水、回水温度；B_lh为热力系统回路供热管道关联矩阵第l行第h列元素；A_s,ef、A_r,ef为热力系统供水和回水网络结构矩阵第e行第f列元素；D_ih为热力系统节点-供热管道关联矩阵中第i行第h列元素；b_s,e、b_r,e为热力系统供水温度和回水温度相关系数；k_h为热力系统供热管道h的阻力系数；SHC为水的比热容。N_n__e、N_n__g、N_n__h、N_f分别为电力系统节点、天然气系统节点、热力系统节点和热力系统网络回路的数目。此外，公式(4)中的C_r、τ_r具体计算公式可参见文献1(Chen S,Wei Z,Sun G,et al.Multi-Linear Probabilistic EnergyFlow Analysis of Integrated Electrical and Natural-Gas Systems[J].IEEETransactions on Power Systems,2017,32(3):1970-1979.)。公式(6)-(7)中的A_s,ef、A_r,ef、b_s,e、b_r,e的具体计算公式和GFG、CHP、GB耦合元件的模型可参见文献1和文献2(LiuX.Combined analysis of electricity and heat networks[D].Cardiff：CardiffUniversity，2013.)。

耦合元件STCHP和EB装置的模型如下：

2-1)STCHP机组模型

STCHP是将光能和天然气作为输入，是既能生产电能，又可以对用户供热的厂站。在STCHP的热功率输出侧配置储热装置，可以打破传统热电联产“以热定电”的运行模式。图1为STCHP的运行模式图，建立STCHP的多能流模型方程式如下：

Φ_SF,k＝η_SF,kS_SF,kR，k＝1,2,...,N_b (9)

Φ_SF,k+F_SCPT,kGHV＝P_SCPT,k/η_SCPT,k,k＝1,2,...,N_b (10)

P_SCPT,k＝H_SCPT,k/ν_SCPT,k,k＝1,2,...,N_b (11)

H_SCPT,k＝Φ_SCPT,k+S_SH,k-S_EH,k,k＝1,2,...,N_b (12)

S_SH,kS_EH,k＝0,k＝1,2,...,N_b (13)

其中，式(9)为聚光集热装置的光热转换关系式；式(10)和(11)为热电联产机组消耗天然气、光热与输出电功率和热功率的关系式；式(12)为STCHP的供热功率、输出热功率与储热的关系式；式(13)为储热的工作模式方程。其中，Φ_SF,k、S_SF,k、η_SF,k为STCHPk聚光集热装置的吸收热功率、镜场面积和工作效率；R为光照辐射度；P_STCHP,k、F_STCHP,k、Φ_STCHP,k为STCHPk的有功出力、消耗气流量和供热功率；v_CHP,k、η_SF,k、H_CHP,k为STCHPk的热电比、转化效率和输出热功率；S_SH,k、S_EH,k为储热装置的储热功率、放热功率；GHV为天然气的高热值；N_b为STCHP的数目。

2-2)EB装置模型

EB是具有高效电转热特性的耦合元件，EB装置可将富余风、光转化为热功率，注入热力系统的供热管道。EB的电热转换关系满足如下方程式：

Φ_EB,k＝η_EB,kP_EB,k,k＝1,2,...,N_eb (14)

式中，P_EB,k、Φ_EB,k、η_EB,k为EBk的有功出力、供热功率和转化效率；N_eb为EB的数目。

(3)建立不等式约束

电-气-热互联系统的综合负荷削减优化模型的不等式约束包括：式(15)-(19)的电负荷、气负荷、热负荷削减变量和弃风、弃光变量的上下限约束；式(20)-(30)的燃气机组、STCHP、EB、储热和常规发电机的容量约束；式(31)-(32)的电力系统节点电压约束、线路功率约束。式(33)-(36)的天然气系统节点气压约束、气源注气量约束、压缩机压缩比约束；式(37)-(41)的热力系统热源约束、供/回水温度约束和热力管道流量约束。

0≤C_e,i≤P_D,i,i＝1,2,...,N_{d_e} (15)

0≤C_g,i/GHV≤F_D,i,i＝1,2,...,N_{d_g} (16)

0≤C_h,i≤Φ_D,i,i＝1,2,...,N_{d_h} (17)

0≤ΔP_W,i≤P_W,i,i＝1,2,...,N_w (18)

0≤ΔP_PV,i≤P_PV,i,i＝1,2,...,N_pv (19)

V_i ^min≤V_i≤V_i ^max,i＝1,2,...,N_{n_e} (31)

-T_l ^min≤T_l≤T_l ^max,l＝1,2,...,N_r (32)

式中，T_l是输电线路l流过的功率；R_q是压缩机支路q的压缩比；和P_minG,i分别为非燃气常规发电机组有功出力的上限和下限；和Q_minG,i为非燃气常规发电机组无功出力的上限和下限；和P_minGAS,i分别为GFG机组有功出力的上限和下限；和Q_minGAS,i分别为GFG机组无功出力的上限和下限；和P_minCHP,i分别为CHP机组有功出力的上限和下限；和Q_minCHP,i分别为CHP机组无功出力的上限和下限；和P_minSTCHP,i分别为STCHP机组有功出力的上限和下限；和Q_minSTCHP,i分别为STCHP机组无功出力的上限和下限；和P_minEB,i分别为EB装置消耗电功率的上限和下限；和S_minSH,k分别为STCHP机组储热装置储热功率的上限和下限；和S_minEH,k分别为STCHP机组储热装置放热功率的上限和下限；和分别为天然气节点气压的上限和下限；和F_minG,i分别为天然气气源注入量的上限和下限；和F_minGB,i分别为GB装置消耗气量的上限和下限；和R_minq分别为压缩机压缩比的上限和下限；和Φ_minG,i分别为热力系统热源功率的上限和下限；和Φ_minSTCHP,i分别为STCHP机组供热功率的上限和下限；和T_minr,i为热力系统节点回水温度的上限和下限；和T_mins,i为热力系统节点供水温度的上限和下限；和V_mini分别为节点电压幅值的上限和下限；和T_minl为输电线路传输功率的上限和下限；和M_minh为供热管道水流量的上限和下限。N_r是输电线路的总数，N_u是非燃气常规机组的总数，N_s是天然气气源的总数，N_a是GFG机组的总数，N_c是CHP机组的总数，N_gb是GB装置的总数，N_p是压缩机的总数，N_q是供热管道的总数，N_t是热力系统热源的总数。

(4)综合最小优化模型求解以及弃风、弃光量和电/气/热负荷削减量计算

基于第(1)步的目标函数和第(2)步的等式约束以及第(3)步的不等式约束，电-气-热互联系统弃风弃光和电/气/热负荷削减综合最小优化模型已建立完成，该优化模型是一个复杂的非线性优化问题，而内点法在收敛性、计算速度等方面的优势使其已广泛用于求解各种非线性优化问题，因此可采用内点法对其进行有效求解，

进一步，调用内点法求解器IPOPT求解该优化模型，以得到电/气/热负荷削减量，弃风、弃光电量，EB装置消耗电功率和STCHP中储热装置的储/放热功率等计算结果。

最后根据优化模型结果计算系统的弃风、弃光量和电/气/热负荷削减量，系统的电负荷削减量、气负荷削减量、热负荷削减量和弃风量、弃光量的计算公式如下：

式中，C_e为系统的电负荷削减量，C_g为系统的气负荷削减量，C_h为系统的热负荷削减量，ΔP_W为系统的弃风量，ΔP_PV为系统的弃光量。

至此，电-气-热互联系统弃风弃光和电/气/热负荷削减综合最小优化模型的求解步骤结束。

本发明采用上述技术方案后，主要有以下效果：

1.本发明构建的弃风弃光和电/气/热负荷削减综合最小优化模型不仅有效评估了系统供电、供气、供热的供能水平，而且能够合理量化系统弃风、弃光现象的严重程度。

2.相比于现有电-气-热互联系统的优化模型，本发明所提的模型采用电力系统交流模型、天然气系统非线性模型和热力系统热力/水力模型，有效保留了电、气、热子系统的实际运行特性，同时考虑系统“弃风限电”、“弃光限电”现象，以及STCHP和EB装置的耦合转换特性，使得系统的负荷削减量计算、弃风量计算更为精确。

本发明可广泛应用于电-气-热互联系统的电/气/热负荷削减量和系统弃风、弃光量的计算，特别适用于新能源大规模接入电-气-热互联系统的情况。

附图说明

图1 STCHP运行模式

图2为IEEE9节点标准测试系统图

图3为NGS6节点系统结构图

图4为DHN7节点系统结构图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步说明，但不应该理解为本发明上述主题范围仅限于下述实施例。在不脱离本发明上述技术思想的情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段，做出各种替换和变更，均应包括在本发明的保护范围内。

参见附图，本发明采用IEEE9-NGS6-DHN7电-气-热互联系统进行实施例的验证，该系统由IEEE9节点电力系统、NGS6节点天然气系统和DHN7节点热力系统三部分组成：

(1)基础数据准备

图2的IEEE9节点标准系统中共有3台发电机，火电装机总容量为438MW，共有3个电负荷，电峰荷为441MW；节点3接入容量108MW的风电场和容量54MW的光伏电场，同时配置容量10MW的EB装置，EB装置转化的热量由节点3注入热力系统。图3的NGS6节点天然气系统包括4条输气管道，1个燃气压缩机，2个气源站，2个自然气负荷，分别是节点2的2200kcf/h和节点3的1600kcf/h。图4的DHN7节热力系统包括8条供热管道，3个热源站，2个自然热负荷。天然气系统节点3提供电力系统节点3处STCHP的用气需求并将其热功率供给热力系统节点2，天然气系统节点6分别提供电力系统节点1处燃气发电机组和热力系统节点1处气锅炉的用气需求。其中电力系统基础数据参见IEEE9节点标准系统，为使系统状态可能出现负荷削减，将电负荷水平增加至基荷的1.4倍。天然气系统基础数据参见文献3中(AlabdulwahabA,Abusorrah A,Zhang X,et al.Coordination of Interdependent Natural Gas andElectricity Infrastructures for Firming the Variability of Wind Energy inStochastic Day-Ahead Scheduling[J].IEEE Transactions on Sustainable Energy,2015,6(2):606-615.)，NGS6节点数据。本实施例中假设电负荷、气负荷、热负荷的随机特性均服从正态分布，其标准差为各节点负荷期望值的5％；风速服从两参数威布尔分布，尺度参数为3.97，形状参数为10.7，采用恒功率1控制方式；光电/光热功率服从贝塔分布，两参数取值分别为2.06和2.5。其中风电转换模型如下：

式中，P_W,i为风电场i的风电功率，P_r,i为风电场i的额定功率，v_in,i，v_r,i，v_o,i分别为风电场i的切入风速、额定风速和切出风速。模型中的切入风速、切出风速和额定风速分别为3m/s、25m/s、13m/s。

其次，GFG、STCHCP和EB装置的耦合元件模型中参数取值表1所示，天然气系统中压缩机的控制方式和参数取值如表2所示：

表1耦合元件模型参数表

表2天然气压缩机参数表

(2)建立综合负荷削减优化模型的目标函数

电-气-热互联系统的综合负荷削减优化模型以电负荷、气负荷、热负荷削减量和弃风量、弃光量之和最小为优化目标。由于系统中共有3个电负荷，2个自天然气负荷，2个自然热负荷，1个风电场，1个光伏电场，因此目标函数中电负荷、气负荷、热负荷削减变量和弃风变量共有9个，各节点的负荷削减、风电弃用、光电弃用权重因子均取1。

(3)建立等式约束

考虑电负荷削减变量C_e,i、气负荷削减变量C_g,i、热负荷削减变量C_h,i和弃风变量ΔP_W,i、弃光变量ΔP_PV,i以及STCHP和EB装置，基于电力系统中的节点有功、无功功率平衡方程、天然气系统中的节点流量平衡方程、热力系统节点热功率平衡方程、热力-水力环路方程和热力系统负荷节点温度平衡方程，以及STCHP、EB、GFG、GB装置的平衡方程，建立等式约束。由于系统中共有9个电力系统节点，6个天然气系统节点，7个热力系统节点，1个STCHP机组，1个EB装置，1个GFG机组，1个GB装置，因此根据所建模型要求，共有39个等值约束，包括9个电力系统有功平衡约束和9个无功平衡约束、6个天然气流量平衡约束、7个热力功率平衡约束、2个热力-水力环路方程、4个热力负荷节点供水温度平衡方程和7个热力节点回水温度平衡方程，和机组(装置)的运行约束：包括1个GFG机组平衡方程、1个GB装置平衡方程、1个STCHP机组平衡方程、1个EB装置平衡方程。

(4)建立不等式约束

基于第(2)步所建立的等式约束，电-气-热互联系统综合最小优化模型的不等式约束包括：3个电负荷削减变量上下限约束、2个气负荷削减变量上下限约束、2个热负荷削减变量上下限约束、1个弃风变量上下限约束、1个弃光变量上下限约束；1个GFG机组容量约束、1个STCHP机组容量约束、1个GB装置容量约束、1个EB装置容量约束；6个天然气系统节点气压约束、2个气源注气量约束、1个压缩机压缩比约束、8个热力系统供热管道流量约束、4个热力负荷节点供水温度约束、7个热力节点回水温度约束；9个电力系统节点电压约束、2个非燃气常规机组出力约束、9个线路功率约束。模型中变量的不等式约束上下限如下表所示：

表3不等式约束上下限表

(5)综合负荷削减优化模型求解和系统综合负荷削减量计算

完成以上步骤的工作之后，可以进行电-气-热互联系统弃风弃光和电/气/热负荷削减综合最小优化模型的求解，本发明调用内点法求解器IPOPT对该优化模型进行求解。设置新能源渗透率、STCHP的储热容量和EB装置容量不同的几组场景，观察新能源渗透率、储热容量和EB装置容量对电负荷削减量、气负荷削减量、热负荷削减量和弃风量、弃光量的影响。

1)新能源渗透率对系统电/气/热负荷削减量和弃风弃光量的影响

在系统火电机组装机不变的情况下，储热容量为10MW，EB装置容量为10MW时，设置5组不同新能源出力情况的场景，观察电负荷削减量、气负荷削减量、热负荷削减量和弃风量、弃光量的变化情况，其结果如下表所示：

表4不同新能源渗透率下计算量的变化情况

由表4可知，随着新能源出力的增加，系统总输出电功率增大，系统切电负荷量减小；同时燃气机组与非燃气常规机组的出力减小，因此发电机组用气需求减小，系统切气负荷量减小。其次，系统在新能源出力较小时不出现弃风弃光现象，当新能源出力超过某一阈值的时候，由于风、光外送通道功率和电源调节能力有限，输电线路无法传送出更多的风、光电场出力，使得系统弃风弃光量逐渐增大。

2)储热容量对系统电/气/热负荷削减量和弃风弃光量的影响

在新能源出力为210MW的情况下，设置6组不同储热容量的场景，观察电负荷削减量、气负荷削减量、热负荷削减量和弃风量、弃光量的变化情况，其结果如下表所示：

表5不同储热装置容量下系统负荷削减情况

从表5可知，储热容量的提升对系统切热负荷量有显著的积极影响，而对切电负荷和气负荷没有影响。

3)EB容量对系统电/气/热负荷削减量和弃风弃光量的影响

在新能源出力为210MW的情况下，设置6组不同EB装置容量的场景，观察电负荷削减量、气负荷削减量、热负荷削减量和弃风量、弃光量的变化情况，其结果如下表所示：

表6不同EB装置容量下系统负荷削减情况

从表6可知，EB装置容量的提升对系统切热负荷量有显著的积极影响，而对切电负荷和气负荷没有影响。随着EB装置容量的提升，系统弃风弃光量逐渐减少。

从实验结果可知：通过求解本发明提出的负荷削减模型，可在考虑光热热电联产和电锅炉的电-气-热互联系统中，计及系统弃风弃光现象的条件下，得到系统的电负荷削减量、气负荷削减量、热负荷削减量以及系统弃风量、弃光量。该模型为电-气-热互联系统风险评估打好模型基础。

综上所述，本发明提出的一种弃风弃光和电/气/热负荷削减综合最小优化模型。首先，建立优化模型的目标函数，以电负荷、气负荷、热负荷削减量和弃风量、弃光量之和最小作为目标函数；其次，考虑电负荷、气负荷、热负荷削减量和弃风量、弃光量等变量，基于电力系统节点有功平衡方程、无功功率平衡方程、天然气系统节点流量平衡方程、热力系统节点热功率平衡方程、热力-水力环路方程、热力系统节点温度平衡方程，以及STCHP、EB、GFG、GB、CHP方程，建立优化模型的等式约束；再次，考虑电-气-热互联系统中电/气/热负荷削减量约束、弃风/弃光量约束，和STCHP、EB、GFG、GB、CHP的容量约束，以及电力系统、天然气系统和热力系统中状态量的上下限约束等，构建优化模型的不等式约束；最后，采用内点法对所建优化模型进行求解，并在不同新能源出力、不同储热容量和不同EB装置容量的场景下实现仿真分析。本发明很好的考虑储热装置和EB装置在系统中的实际运行特性，通过仿真结果发现储热和EB装置对系统综合负荷削减量以及弃风弃光量均有一定影响。

Claims (2)

1.电-气-热互联系统弃风弃光和电气热负荷削减综合最小优化模型构建方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)建立所述目标函数

电-气-热互联系统的弃风弃光和电/气/热负荷削减综合最小优化模型以电负荷、气负荷、热负荷削减量和弃风量、弃光量之和最小为优化目标，其模型可表示为：

式中，前一括号代表系统电/气/热负荷削减量之和，后一括号代表系统弃风、弃光电量之和。其中，C_e,i是电负荷节点i的负荷削减变量；C_g,i是气负荷节点i的负荷削减变量；C_h,i是热力系统节点i的热负荷削减变量；ΔP_W,i是风电场i的弃风变量；ΔP_PV,i是光伏电场i的弃光变量；λ_e,i为表征各电负荷重要性的权重因子，λ_g,i为表征各气负荷重要性的权重因子，λ_h,i为表征各热负荷重要性的权重因子，λ_w,i为表征各风电场弃风严重性的权重因子，λ_pv,i为表征光伏电场弃光电严重性的权重因子。N_{d_e}是电负荷节点的总数，N_{d_g}是气负荷节点的总数，N_{d_h}是热负荷节点的总数，N_w是风电场的总数，N_pv是光伏电场的数目。

(2)建立等式约束

建立如下等式约束：

其中：

式(2)是电力系统节点有功平衡方程，

式(3)是电力系统节点无功平衡方程，

式(4)是天然气系统节点流量平衡方程，

式(5)是热力系统节点热功率平衡方程，

式(6)是热力-水力环路方程，

式(7)和式(8)是热力系统负荷节点温度平衡方程。

式中，θ_i、V_i为电力系统节点i的电压相角和电压幅值；P_G,i、P_GAS,i、P_STCHP,i、P_CHP,i为电力系统节点i的非燃气机组、GFG、STCHP和CHP的有功出力；Q_G,i、Q_GAS,i、Q_STCHP,i、Q_CHP,i为电力系统节点i的非燃气机组、GFG、STCHP和CHP的无功出力；P_D,i、Q_D,i为电力系统节点i的有功功率和无功功率；P_W,i、Q_W,i为电力系统节点i风电场的有功和无功功率；P_PV,i、Q_PV,i为电力系统节点i光伏电站的有功和无功功率；ΔP_W,i、ΔP_PV,i为电力系统节点i风电场的弃风功率、光伏电站的弃光电功率；P_EB,i为电力系统节点i的EB消耗电功率；Q_C,i为电力系统节点i的无功电源功率；G_ij、B_ij为电力系统节点导纳矩阵的第i行第j列元素的实部和虚部；π_i和π_j为天然气系统节点i和j的节点气压；F_G,i、F_D,i为天然气系统节点i的气源注入气流和节点气负荷；F_GAS,i、F_CHP,i、F_STCHP,i、F_GB,i为天然气系统节点i的燃气机组、CHP、STCHP和燃气锅炉的消耗天然气气流；C_r、τ_r为天然气系统压缩机r流过的流量和消耗的流量；A_ir、E_ir、T_ir为天然气节点-管道关联矩阵、节点-压缩机关联矩阵和节点-压缩机入口节点关联矩阵的第i行第r列元素；s_ij、k_r为天然气管道r的气流方向和管道常数；Φ_D,i、Φ_G,i、Φ_CHP,i、Φ_STCHP,i、Φ_GB,i、Φ_EB,i为热力系统节点i的热负荷、燃煤热源、CHP、STCHP、GB和EB的供热功率；M_h、k_h为热力系统供热管道h的流量和阻力系数；T_s,i、T_r,i和T_s,f、T_r,f分别为热力系统节点i和节点f的供水、回水温度；B_lh为热力系统回路供热管道关联矩阵第l行第h列元素；A_s,ef、A_r,ef为热力系统供热和回水网络结构矩阵第e行第f列元素；D_ih为热力系统节点-供热管道关联矩阵中第i行第h列元素；b_s,e、b_r,e为热力系统供水温度和回水温度相关系数；k_h为热力系统供热管道h的阻力系数；SHC为水的比热容。N_{n_e}、N_{n_g}、N_{n_h}、N_f分别为电力系统节点、天然气系统节点、热力系统节点和热力系统网络回路的数目。

耦合元件STCHP和EB装置的模型如下：

2-1)STCHP机组模型

建立STCHP的多能流模型方程式如下：

Φ_SF,k＝η_SF,kS_SF,kR，k＝1,2,...,N_b (9)

Φ_SF,k+F_SCPT,kGHV＝P_SCPT,k/η_SCPT,k,k＝1,2,...,N_b (10)

P_SCPT,k＝H_SCPT,k/ν_SCPT,k,k＝1,2,...,N_b (11)

H_SCPT,k＝Φ_SCPT,k+S_SH,k-S_EH,k,k＝1,2,...,N_b (12)

S_SH,kS_EH,k＝0,k＝1,2,...,N_b (13)

其中，式(9)为聚光集热装置的光热转换关系式；式(10)和(11)为热电联产机组消耗天然气、光热与输出电功率和热功率的关系式；式(12)为STCHP的供热功率、输出热功率与储热的关系式；式(13)为储热的工作模式方程。其中，Φ_SF,k、S_SF,k、η_SF,k为STCHPk聚光集热装置的吸收热功率、镜场面积和工作效率；R为光照辐射度；P_STCHP,k、F_STCHP,k、Φ_STCHP,k为STCHPk的有功出力、消耗气流量和供热功率；v_CHP,k、η_SF,k、H_CHP,k为STCHPk的热电比、转化效率和输出热功率；S_SH,k、S_EH,k为储热装置的储热功率、放热功率；GHV为天然气的高热值；N_b为STCHP的数目。

2-2)EB装置模型

EB的电热转换关系满足如下方程式：

Φ_EB,k＝η_EB,kP_EB,k,k＝1,2,...,N_eb (14)

式中，P_EB,k、Φ_EB,k、η_EB,k为EBk的有功出力、供热功率和转化效率；N_eb为EB的数目。

(3)建立不等式约束

电-气-热互联系统的综合负荷削减优化模型的不等式约束包括：式(15)-(19)的电负荷、气负荷、热负荷削减变量和弃风、弃光变量的上下限约束；式(20)-(30)的燃气机组、STCHP、EB、储热和常规发电机的容量约束；式(31)-(32)的电力系统节点电压约束、线路功率约束。式(33)-(36)的天然气系统节点气压约束、气源注气量约束、压缩机压缩比约束；式(37)-(41)的热力系统热源约束、供/回水温度约束和热力管道流量约束。

0≤C_e,i≤P_D,i,i＝1,2,...,N_{d_e} (15)

0≤C_g,i/GHV≤F_D,i,i＝1,2,...,N_{d_g} (16)

0≤C_h,i≤Φ_D,i,i＝1,2,...,N_{d_h} (17)

0≤ΔP_W,i≤P_W,i,i＝1,2,...,N_w (18)

0≤ΔP_PV,i≤P_PV,i,i＝1,2,...,N_pv (19)

V_i ^min≤V_i≤V_i ^max,i＝1,2,...,N_{n_e} (31)

-T_l ^min≤T_l≤T_l ^max,l＝1,2,...,N_r (32)

式中，T_l是输电线路l流过的功率；R_q是压缩机支路q的压缩比；和P_minG,i分别为非燃气常规发电机组有功出力的上限和下限；和Q_minG,i为非燃气常规发电机组无功出力的上限和下限；和P_minGAS,i分别为GFG机组有功出力的上限和下限；和Q_minGAS,i分别为GFG机组无功出力的上限和下限；和P_minCHP,i分别为CHP机组有功出力的上限和下限；和Q_minCHP,i分别为CHP机组无功出力的上限和下限；和P_minSTCHP,i分别为STCHP机组有功出力的上限和下限；和Q_minSTCHP,i分别为STCHP机组无功出力的上限和下限；和P_minEB,i分别为EB装置消耗电功率的上限和下限；和S_minSH,k分别为STCHP机组储热装置储热功率的上限和下限；和S_minEH,k分别为STCHP机组储热装置放热功率的上限和下限；和分别为天然气节点气压的上限和下限；和F_minG,i分别为天然气气源注入量的上限和下限；和F_minGB,i分别为GB装置消耗气量的上限和下限；和R_minq分别为压缩机压缩比的上限和下限；和Φ_minG,i分别为热力系统热源功率的上限和下限；和Φ_minSTCHP,i分别为STCHP机组供热功率的上限和下限；和T_minr,i为热力系统节点回水温度的上限和下限；和T_mins,i为热力系统节点供水温度的上限和下限；和V_mini分别为节点电压幅值的上限和下限；和T_minl为输电线路传输功率的上限和下限；和M_minh为供热管道水流量的上限和下限。N_r是输电线路的总数，N_u是非燃气常规机组的总数，N_s是天然气气源的总数，N_a是GFG机组的总数，N_c是CHP机组的总数，N_gb是GB装置的总数，N_p是压缩机的总数，N_q是供热管道的总数，N_t是热力系统热源的总数。

(4)综合最小优化模型求解以及弃风、弃光量和电/气/热负荷削减量计算

基于第(1)步的目标函数和第(2)步的等式约束以及第(3) 步的不等式约束，电-气-热互联系统弃风弃光和电/气/热负荷削减综合最小优化模型已建立完成。

2.根据权利要求1所述的电-气-热互联系统弃风弃光和电气热负荷削减综合最小优化模型构建方法，其特征在于：调用内点法求解器IPOPT求解该优化模型，以得到电/气/热负荷削减量，弃风、弃光电量，EB装置消耗电功率和STCHP中储热装置的储/放热功率等计算结果。

最后根据优化模型结果计算系统的弃风、弃光量和电/气/热负荷削减量，系统的电负荷削减量、气负荷削减量、热负荷削减量和弃风量、弃光量的计算公式如下：

式中，C_e为系统的电负荷削减量，C_g为系统的气负荷削减量，C_h为系统的热负荷削减量，ΔP_W为系统的弃风量，ΔP_PV为系统的弃光量。

至此，电-气-热互联系统弃风弃光和电/气/热负荷削减综合最小优化模型的求解步骤结束。