CN110544025A - 电转气-储气罐组合的气电综合能源系统优化调度方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种电转气‑储气罐组合的气电综合能源系统优化调度方法。该方法首先建立了天然气系统、电力系统和耦合元件的模型，其次根据天然气系统和电力系统的能量双向互动机制建立了气‑电综合能源系统的调度框架，将燃气轮机作为电力系统的调峰机组，P2G消纳过剩的风电存储于储气罐中，并以合同供气方式向气网供气；接着以经济性最优为目标建立1天24时段的调度模型。本发明所述的电转气‑储气罐组合的气电综合能源系统优化调度方法，为综合能源系统的规划设计、优化调度运行提供了理论基础和新的调度方法。
Description
技术领域
本发明属于综合能源系统优化调度运行技术，具体涉及一种电转气-储气罐组合的气电综合能源系统优化调度方法。
背景技术
为缓解能源危机，解决新能源消纳问题，综合能源系统、能源互联网和泛在电力物联网成为变革能源利用的趋势。风电、光伏等新能源替代化石能源已成为能源发展新形似。新能源的出力随机性和波动性，使得如何提高新能源的渗透率成为电力系统新发展的热点问题。
在综合能源系统中，电力和天然气是重要的组成部分，两者的能源耦合互补利用是目前能源结构优化的导向，气-电耦合系统的研究已成为综合能源系统的研究基础。燃气轮机启动快，能够用于电力调峰，是气-电综合能源系统的最重要纽带。电转气(P2G)的出现，解决了新能源的能量平移和消纳问题，通过将富余的新能源发电转化为天然气，能够有效减少弃风、弃光。因此，P2G设备主要用于消纳风电、光伏等可再生能源。
由于风电、光伏的间歇随机性，P2G设备的出力将受随机性影响而波动，因此，为进一步研究气电综合能源系统在能量双向转换传输时的相互作用和新能源消纳问题，P2G设备以何种机制参与到气电综合能源系统的调度运行中仍有待新技术的突破。
发明内容
发明目的：针对上述现有技术中新能源优化运行调度的不足问题，本发明的目的是提供一种电转气-储气罐组合的气电综合能源系统优化调度方法，由燃气轮机和P2G、储气罐设备实现天然气-电力双向能量耦合的气电综合能源系统以电定气调度机制。
为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：
一种电转气-储气罐组合的气电综合能源系统优化调度方法，包括以下步骤：
(1)输入能源系统信息，包括设备信息、负荷数据、能源数据和经济指标；
(2)建立天然气系统模型，包括管道气流模型、增压站模型和管网矩阵模型；
(3)建立电力系统模型，所述的电力系统模型为直流潮流模型；
(4)建立气-电双向耦合模型，包括由燃气轮机建立气向电转换的耦合模型、由P2G、储气罐组合建立电向气转换的耦合模型；
(5)建立优化调度模型，包括分析调度机制和建立调度目标函数；
(6)建立系统运行约束,包括天然气系统约束、电力系统约束和耦合元件约束；
(7)求解优化调度结果并输出数据，实现综合能源系统的优化调度。
进一步的，所述步骤(1)中能源系统数据还包括能源系统的拓扑结构、连接方式以及线路/管道参数；所述设备信息包括燃气轮机、P2G、增压站以及储能设备的容量、台数、出力限制数据；所述负荷数据包括电负荷、气负荷的典型日需求数据；所述能源数据包括气源、风电等输入源的输入流量和出力限制；经济指标包括各类能源的价格、各类设备的运行成本费用。
步骤(2)所述天然气系统模型包括管道气流模型、增压站模型和管网矩阵模型具体如下：
(2.1)管道气流模型
对于平直高压全湍流的稳态天然气管道，管道气流量取决于长度、直径和管道两端压力；所述管道气流模型数学表达式如下：
其中：
式中，fp(i,j)第p条管道从一端节点i到另外一端节点j的天然气流量，πi是节点i的压力；Dp、Lp和εp分别是管道p的直径、长度和效率因子；T0、Ta、π0、G和Za认定为常数，分别表示标准温度、平均天然气温度、标准压力、天然气比重和平均气体压缩因子；φ1是常数，和等式两端物理量的单位选取有关；
(2.2)增压站模型
增压的核心元件是压缩机和驱动机，采用小型燃气轮机作为气驱型驱动机；所述增压站模型数学表达式如下：
式中，Hb(i,j)是压缩机的马力消耗，下标b(i,j)表示第b台压缩机连接在气管网的节点i和j之间；τb(i,j)是驱动压缩机工作的驱动机所消耗的天然气流量；Tb、Zb、ηb和α分别是压缩机进气温度、进气压缩系数、压缩效率和比热比；φ2是常数，和等式两端物理量的单位选取有关；αb、βb和γb是燃气驱动型驱动机能量消耗常数；
(2.3)管网矩阵模型
在稳态天然气管网中，以流入节点为正、流出节点为负，建立矩阵形式的管网矩阵模型；所述管网矩阵模型的数学表达式如下：
式中，矩阵A是节点-管道支路关联矩阵，矩阵B是节点-增压站关联矩阵，矩阵T是节点-增压站驱动机关联矩阵，ω是节点流入气流量向量，下标n、p和b分别表示节点、管道和增压站的数目。
步骤(4)所述气-电双向耦合模型包括由燃气轮机建立气向电转换的耦合模型、由P2G、储气罐组合建立电向气转换的耦合模型具体如下：
(4.1)气向电转换的耦合模型
所述气向电转换的耦合模型将热值作为中间量，建立燃气轮机出力Pi GT和输入燃气轮机天然气流量的关系模型，数学表达式如下：
式中，ηGT是燃气轮机的转换效率，下标i、k表示燃气轮机连接在电网节点i和气网节点k之间，根据天然气的高热值GHV确定一定热值HR；
(4.2)电向气转换的耦合模型
所述电向气转换的耦合模型采用电转甲烷类型的P2G设备实现电-气能量耦合；P2G的化学过程分为两步，效率分别为和建立P2G输出气流量和消耗电功率Pi P2G的关系模型，其数学表达式如下：
使用储气罐作为P2G的配套设备，P2G输出的天然气存储于储气罐中，再根据需要以及设定的规则从储气罐中取气注入天然气管网中；建立储气罐中储气量的调度周期变化模型，其数学表达式如下：
式中，Sm,t和Sm,t-1表示第m个储气罐在t和t-1时刻的储气量，是P2G在调度周期t的产气量，是储气罐GST在调度周期t注入天然气网络的天然气量。
步骤(5)所述的调度机制包括采用以电定气模式，将燃气轮机作为电力系统的电源，调节电力系统运行，P2G消纳过剩的风电转化为电能存储在储气罐中，存储的天然气以合同供气方式注入气网中。
进一步的，所述的合同供气的机制规则为：当储气罐中的储气量超过某个阈值时，将在下一个调度周期向气网注入特定量的天然气。所述预先设定的阈值按储气罐容量的50％进行设定,所述特定量的天然气为阈值值的2/3。
步骤(6)包括从压力和气流量两方面建立天然气系统的运行约束，将气网中的节点细分为气源节点、增压站两端节点和普通管网节点。
有益效果：与现有技术相比，本发明显著的效果如下：
1)本发明建立了天然气系统、电力系统和耦合元件(燃气轮机、P2G和储气罐)的模型，综合分析了天然气系统和电力系统的能量双向互动机制，建立了新的气-电综合能源系统的调度框架，燃气轮机作为电力系统的调峰机组，P2G消纳过剩的风电存储于储气罐中，并以合同供气方式向气网供气；以经济性最优为目标建立1天24时段的调度模型，采用P2G-储气罐组合气电综合能源系统在以电定气模式下能够很好的消纳风电。
2)采用储气罐作为P2G的配套设备：P2G常用于消纳过剩的风电、光伏或其他可再生能源，将P2G产生的气体直接注入天然气管网，将给天然气系统的调度带来极大的不确定性。因此，使用储气罐作为P2G的配套设备，P2G输出的天然气存储于储气罐中，再根据需要以及设定的规则从储气罐中取气注入天然气管网中，能够更好地满足现实情况，提高系统运行稳定性。
3)采用以电定气调度模式：采用以电定气模式，将燃气轮机作为电力系统的电源，燃气轮机启动速度快，出力性能好，适合作为电力系统的调峰机组，P2G消纳过剩的风电转化为电能存储在储气罐中，存储的天然气以合同方式注入气网中。相比现有技术若采用P2G设备平衡气网气流，在新能源发电没有足够过剩甚至不足时，将电网电能转化为天然气将是一种很不经济的行为，为保证电网负荷的电能供应，电力系统还需要其他发电厂进行调峰。
附图说明
图1是本发明所述方法的步骤流程框图；
图2是气电综合能源系统调度原理图；
图3是14节点天然气系统、IEEE14节点电力系统和耦合元件构成的实施例图；
图4是实施例中气负荷、电负荷和风电出力图；
图5是实施例中两种不同场景下的风电消纳图；
图6是实施例中天然气系统的调度结果图；
图7是实施例中电力系统的电镀结果图。
具体实施方式
为了详细的说明本发明所公开的技术方案，下面结合说明书附图和具体实施例对本发明作进一步的描述。
本发明公开的是一种电转气-储气罐组合的气电综合能源系统优化调度方法，其实施步骤流程如图1所示，具体如下：
S1:输入已知的相关数据，包括系统数据、设备数据、负荷数据、能源数据和经济数据等。系统数据包括能源系统的拓扑结构、连接方式以及线路/管道参数等；设备数据包括燃气轮机、P2G、增压站以及储能等设备的容量、台数、出力限制；负荷数据包括电负荷、气负荷的典型日需求数据；能源数据包括气源、风电等输入源的输入流量和出力限制等；经济数据包括各类能源的价格、各类设备的运行成本费用等。
S2:建立天然气系统模型
S201:建立天然气系统的管道气流模型
对于平直高压全湍流的稳态天然气管道，管道气流量取决于长度、直径和管道两端压力。
其中：
式中，fp(i,j)第p条管道从一端节点i到另外一端节点j的天然气流量，πi是节点i的压力；Dp、Lp和εp分别是管道p的直径、长度和效率因子；T0、Ta、π0、G和Za认定为常数，分别表示标准温度、平均天然气温度、标准压力、天然气比重和平均气体压缩因子；φ1是常数，和等式两端物理量的单位选取有关。
S202:建立天然气系统的增压站模型
由于摩擦阻力等因素，天然气在传输过程中会损失能量，造成管道压力随气流方向下降。因此，为提高气体传输能力并满足传输压力需求，天然气管网中需要设置增压站。增压的核心元件是压缩机和驱动机，模型分别如下：
式中，Hb(i,j)是压缩机的马力消耗，下标b(i,j)表示第b台压缩机连接在气管网的节点i和j之间；τb(i,j)是驱动压缩机工作的驱动机所消耗的天然气流量；Tb、Zb、ηb和α分别是压缩机进气温度、进气压缩系数、压缩效率和比热比。φ2是常数，和等式两端物理量的单位选取有关。αb、βb和γb是燃气驱动型驱动机的能量消耗常数。
S203:建立天然气系统的管网矩阵模型
在稳态天然气管网中，对于某节点，流入气流量之和等于流出气流量之和，因此，以流入节点为正、流出节点为负，建立矩阵形式的管网矩阵模型。
式中，矩阵A是节点-管道支路关联矩阵，矩阵B是节点-增压站关联矩阵，矩阵T是节点-增压站驱动机关联矩阵，ω是节点流入气流量向量，下标n、p和b分别表示节点、管道和增压站的数目。
S3:建立电力系统模型
电力系统采用直流潮流模型，需要满足母线节点的有功功率平衡。同时，联络线的有功功率Pij和两端电压相位θi、θj经由联络线电抗xij建立关系模型。
S4:建立气-电双向耦合模型
气-电综合能源系统由燃气轮机和P2G分别实现气-电、电-气能量转换，进而构建气-电双向耦合模型。
S401:由燃气轮机建立气向电转换的耦合模型
天然气燃烧产生高压热能继而发电，发电量取决于天然气的热值和燃气轮机的转换效率。根据天然气的高热值GHV,可确定一定热值(HR)所需要的气流量。因此，将热值作为中间量，可建立燃气轮机出力Pi GT和输入燃气轮机天然气流量的关系模型。
式中，ηGT是燃气轮机的转换效率，下标i、k表示燃气轮机连接在电网节点i和气网节点k之间。
S402:由P2G、储气罐建立电向气转换的耦合模型
甲烷比氢气更适合注入天然气管网中，因此选用电转甲烷类型的P2G设备实现电-气能量耦合。P2G的化学过程分为两步，效率分别为和建立P2G输出气流量和消耗电功率Pi P2G的关系模型。
值得注意的是，P2G常用于消纳过剩的风电、光伏或其他可再生能源，将P2G产生的气体直接注入天然气管网，将给天然气系统的调度带来极大的不确定性。因此，使用储气罐作为P2G的配套设备，P2G输出的天然气存储于储气罐中，再根据需要以及设定的规则从储气罐中取气注入天然气管网中。建立储气罐中储气量的调度周期变化模型。
式中，Sm,t和Sm,t-1表示第m个储气罐在t和t-1时刻的储气量，是P2G在调度周期t的产气量，是储气罐GST在调度周期t注入天然气网络的天然气量。
S5:建立优化调度模型
S501:双向交互调度机制
燃气轮机和P2G实现电、气能量双向转换，调度机制有以电定气和以气定电两种模式。以电定气模式下，燃气轮机连接电力系统的平衡节点，以气定电模式下，P2G作为天然气系统气源节点中的平衡节点。
P2G设备主要用于消纳过剩的新能源发电，比如风电和光伏，如果采用P2G设备平衡气网气流，在新能源发电没有足够过剩甚至不足时，将电网电能转化为天然气将是一种很不经济的行为，为保证电网负荷的电能供应，电力系统还需要其他发电厂进行调峰。相比之下，燃气轮机启动速度快，出力性能好，适合作为电力系统的调峰机组。
本发明采用以电定气模式，如图2所示，将燃气轮机作为电力系统的电源，调节电力系统运行，P2G消纳过剩的风电转化为电能存储在储气罐中，存储的天然气以合同方式注入气网中。合同供气的机制规则是，当储气罐中的储气量超过某个阈值时，将在下一个调度周期向气网注入特定量的天然气。
S502:调度目标函数
以经济性成本最低为调度目标，建立包含燃气轮机、P2G和储气罐的气电综合能源系统调度模型。
式中，Ωgas、ΩGT、ΩWT和ΩGST分别代表气源、燃气轮机、风力发电机、P2G和储气罐的集合，Gr,t、Pi,t、Pj,t、Gm,t和Gk,t分别代表t调度周期气源供气量、燃气轮机出力、风力发电机出力、P2G产气量和储气罐的输出天然气量，cr、ci、cj、cm和ck是每一项的成本价格系数。
S6:建立系统运行约束
S601:天然气系统运行约束
针对天然气系统中的气源、气负荷、管网和增压站，从压力和气流量两方面建立天然气系统的运行约束。
1)压力约束
s∈Ωgassource；i,j∈Ωbooster；m∈Ωother
式中， π s是气源节点的压力上下限， R k是增压站的增压比上下限， 分别是增压站输出端、输入端的压力上下限， π m是普通管道节点的压力上下限，Ωgas、Ωbooster、Ωother分别表示气源、增压站和普通管网节点的集合。
2)气流量约束
式中， f p是管道流量上下限， fi c_i是增压站入口流量上下限， ω i是气网节点注入气流量上下限。
S602:电力系统运行约束
采用直流潮流建模的电力系统约束包括有功约束和相角约束。
式中， P ij是线路潮流上下限，θi是节点相角上下限。
S603:耦合元件运行约束
耦合元件包括燃气轮机、P2G和储气罐，燃气轮机是天然气系统的负荷和电力系统的电源，P2G是电力系统的负荷，储气罐是天然气系统的气源之一。
式中， P i GT是燃气轮机的出力上下限， P i P2G是P2G的出力上下限， 是储气罐储气、取气的上下限。
S7:求解优化调度结果与仿真实施例
S701：算例介绍
如图3所示，基于14节点天然气系统和IEEE14节点电力系统构建气-电综合能源系统算例。IEEE14节点电力系统节点1上的发电机组修改为燃气轮机，节点2上的发电机组修改为风力发电机，燃气轮机作为电力系统的调峰机组，同时作为天然气系统12节点的负荷。为便于消纳过剩风电，P2G同样连接到电力系统的节点2，P2G产生的天然气存储于储气罐中，储气罐连接于天然气系统节点10。IEEE14节点电力系统的相关数据可从Matpower 6.0中获取，由MATLAB 2015b计算所需结构数据，在Lingo 18.0中完成建模和目标求解。
以1小时为时间间隔，24小时为调度周期。天然气系统的负荷需求、电力系统的负荷需求和风力发电预测出力如图4所示，显而可见，夜间风力资源丰富，风电可出力功率较高，尤其是在电负荷需求较低的夜间3:00-6:00，过剩的风电资源如果无法消纳，将会导致弃风，而在电负荷需求较高的白昼，风电可出力功率较低，电力负荷的高峰需要燃气轮机有较大出力。因此，使用P2G将有助于使用夜间过剩风电补充白昼气负荷和电负荷需求。
S702:案例场景描述
为研究在有燃气轮机耦合的气-电互联综合能源系统中，P2G对风电消纳的影响，以及燃气轮机、P2G的双向能量转换对气-电综合能源系统的作用，设置以下两个场景：
场景(1)：P2G不接入气-电综合能源系统；
场景(2)：P2G接入气-电综合能源系统；
由于目前P2G设备尚未完全成熟，高成本系数使得消纳过剩风电比燃气发电的经济成本要高，即场景2中的P2G设备不会工作，但随着对P2G设备的广泛研究，其使用成本将逐步下降。因此，在上述场景中，设定P2G的成本系数cm＝0。
S703:案例结果分析
场景1和场景2下的风电消纳情况如图5所示。相比于场景2，场景1在3:00-6:00的弃风量分别达到28.8MW,59.2MW,34.5MW,10MW。
在场景2中，储气罐向气网注入天然气的阈值是上一时段的储气量超过0.1，合同注气量同样设置为0.1，
气源、燃气轮机的天然气耗用量，P2G、储气罐的输出气流量情况，以及储气罐中的储气量变化如图6所示。
风电、燃气轮机的出力情况，P2G的弃风消纳情况如图7所示。
在图6中，P2G在3:00-6:00消纳过剩风电生成的天然气分别达到59381,122060,71133,20618ft3,分别在5:00和6:00向气网注入10^5ft3的天然气。
在图7中，在电负荷高峰，燃气轮机出力较多，保证了电负荷的使用需求，而P2G有效消纳了过剩风电。
Claims (7)
1.一种电转气-储气罐组合的气电综合能源系统优化调度方法，其特征在于：包括以下步骤：
(1)输入能源系统信息，包括设备信息、负荷数据、能源数据和经济指标；
(2)建立天然气系统模型，包括管道气流模型、增压站模型和管网矩阵模型；
(3)建立电力系统模型，所述的电力系统模型为直流潮流模型；
(4)建立气-电双向耦合模型，包括由燃气轮机建立气向电转换的耦合模型、由P2G、储气罐组合建立电向气转换的耦合模型；
(5)建立以电定气调度机制和经济最优化调度模型，包括分析调度机制和建立调度目标函数；
(6)建立系统运行约束,包括天然气系统约束、电力系统约束和耦合元件约束；
(7)求解优化调度结果并输出数据，根据结果对综合能源系统进行控制优化。
2.根据权利要求1所述的电转气-储气罐组合的气电综合能源系统优化调度方法，其特征在于：所述步骤(1)中能源系统数据还包括能源系统的拓扑结构、连接方式以及线路/管道参数；所述设备信息包括燃气轮机、P2G、增压站以及储能设备的容量、台数、出力限制数据；所述负荷数据包括电负荷、气负荷的典型日需求数据；所述能源数据包括气源、风电输入源的输入流量和出力限制；经济指标包括各类能源的价格、系统设备的运行成本。
3.根据权利要求1所述的电转气-储气罐组合的气电综合能源系统优化调度方法，其特征在于：步骤(2)所述管道气流模型、增压站模型和管网矩阵模型具体如下：
(2.1)管道气流模型
对于平直高压全湍流的稳态天然气管道，管道气流量取决于长度、直径和管道两端压力；所述管道气流模型数学表达式如下：
其中：
式中，fp(i,j)第p条管道从一端节点i到另外一端节点j的天然气流量，πi是节点i的压力；Dp、Lp和εp分别是管道p的直径、长度和效率因子；T0、Ta、π0、G和Za为常数，分别表示标准温度、平均天然气温度、标准压力、天然气比重和平均气体压缩因子，φ1是常数，和等式两端物理量的单位选取相关；
(2.2)增压站模型
增压站采用小型燃气轮机作为气驱型驱动机，所述增压站模型的数学表达式如下：
式中，Hb(i,j)是压缩机的马力消耗，下标b(i,j)表示第b台压缩机连接在气管网的节点i和j之间；τb(i,j)是驱动压缩机工作的驱动机所消耗的天然气流量；Tb、Zb、ηb和α分别是压缩机进气温度、进气压缩系数、压缩效率和比热比；φ2是常数，和等式两端物理量的单位选取有关，αb、βb和γb是燃气驱动型驱动机能量消耗常数；
(2.3)管网矩阵模型
在稳态天然气管网中，以流入节点为正、流出节点为负，建立矩阵形式的管网矩阵模型；所述管网矩阵模型的数学表达式如下：
式中，矩阵A是节点-管道支路关联矩阵，矩阵B是节点-增压站关联矩阵，矩阵T是节点-增压站驱动机关联矩阵，ω是节点流入气流量向量，下标n、p和b分别表示节点、管道和增压站的数目。
4.根据权利要求1所述的电转气-储气罐组合的气电综合能源系统优化调度方法，其特征在于：步骤(4)所述气-电双向耦合模型包括由燃气轮机建立气向电转换的耦合模型、由P2G、储气罐组合建立电向气转换的耦合模型具体如下：
(4.1)气向电转换的耦合模型
所述气向电转换的耦合模型将热值作为中间量，建立燃气轮机出力Pi GT和输入燃气轮机天然气流量的关系模型，数学表达式如下：
式中，ηGT是燃气轮机的转换效率，下标i、k表示燃气轮机连接在电网节点i和气网节点k之间，根据天然气的高热值GHV确定热值HR；
(4.2)电向气转换的耦合模型
所述电向气转换的耦合模型通过电转甲烷类型的P2G设备实现电-气能量耦合；将P2G的化学过程分为两步，效率分别为和建立P2G输出气流量和消耗电功率Pi P2G的关系模型，其数学表达式如下：
利用储气罐作为P2G的配套设备，P2G输出的天然气存储于储气罐中，再根据需要以及设定的规则从储气罐中取气注入天然气管网中；建立储气罐中储气量的调度周期变化模型，其数学表达式如下：
式中，Sm,t和Sm,t-1表示第m个储气罐在t和t-1时刻的储气量，是P2G在调度周期t的产气量，是储气罐GST在调度周期t注入天然气网络的天然气量。
5.根据权利要求1所述的电转气-储气罐组合的气电综合能源系统优化调度方法，其特征在于：步骤(5)所述的调度机制为以电定气模式，将燃气轮机作为电力系统的电源，调节电力系统运行，P2G消纳过剩的风电转化为电能存储在储气罐中，存储的天然气以合同供气方式注入气网中。
6.根据权利要求5所述的电转气-储气罐组合的气电综合能源系统优化调度方法，其特征在于：所述的合同供气的机制规则为：当储气罐中的储气量超过预先设定的某个阈值时，将在下一个调度周期向气网注入特定量的天然气；所述预先设定的阈值按储气罐容量的50％进行设定,所述特定量的天然气为阈值的2/3。
7.根据权利要求1所述的电转气-储气罐组合的气电综合能源系统优化调度方法，其特征在于：步骤(6)包括从压力和气流量两方面建立天然气系统的运行约束，将气网中的节点细分为气源节点、增压站两端节点和普通管网节点。
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