CN110752597B - 电-气耦合综合能源系统的最小切负荷策略 - Google Patents

电-气耦合综合能源系统的最小切负荷策略 Download PDF

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Abstract

本发明涉及大规模新能源并网及系统N‑1故障情况下，综合能源系统切负荷的领域，电‑气耦合综合能源系统的最小切负荷策略，在EPS中考虑EPS对NGS的支撑作用，通过改进二分法快速准确求解最小切负荷量，并根据NGS特点将其改进，应用于NGS中，以快速准确求解极端状况下，EGCIES的最小切负荷量。本发明对第三级切负荷策略进行改进，采用无功补偿的方式保证系统正常稳定运行。

Description

电-气耦合综合能源系统的最小切负荷策略
技术领域
本发明涉及大规模新能源并网及系统N-1故障情况下，综合能源系统切负荷的领域，是一种定量分析N-1故障情况下电-气耦合综合能源系统的最小切负荷策。
背景技术
随着电力系统(Electrical Power System,EPS)和天然气系统(Natural GasSystem,NGS)转换设备的增加，能源耦合程度不断加深，负荷需求更加多样化，非常有必要研究EPS与NGS之间的相互影响。NGS运行波动可通过耦合元件传递至EPS，燃气轮机组出力发生变化，EPS稳定性受到挑战。分析不同能源特性及能量转换过程，量化计算事故状态下的最优负荷削减量，已经成为电-气耦合综合能源系统(Electro-Gas Coupled IntegratedEnergy System,EGCIES)稳定性评估的重要研究内容之一。
负荷减载是解决系统稳定问题的最后手段。部分文献基于EPS提出了三级切负荷策略，在保障系统可靠性的前提下能够有效减少负荷切除量，但是该方法以1％的有功负荷与无功负荷为步长，并不能完全确定系统的最小切负荷量，且求解次数较多，计算量大。
综上所述，综合能源系统研究的主要难题是：N-1故障的情况下，如何在保证EPS与NGS正常运行情况下，快速准确求解系统的最小切负荷量，获取实际可行的N-1故障情况下电-气耦合综合能源系统的最小切负荷方案。
发明内容
本发明为了准确评估综合能源系统N-1故障情况下，保证EGCIES正常运行状态下的最小切负荷量，计及EPS及NGS之间的能量交互关系，提出了一种电源点及气源点故障情况下的EGCIES的最小切负荷策略。
本发明是采用如下的技术方案实现的：电-气耦合综合能源系统的最小切负荷策略，包括如下内容：
S1：电源点故障
电源点发生故障时，首先不考虑系统中的无功补偿元件，根据系统数据，连加求解电负荷总量及电源点功率总量，求解EPS有功不足量与无功不足量，若系统中有功功率与无功功率充足，则不进行切负荷计算，否则根据系统有功及无功不足量选择较严重的一个作为初始切负荷量，求取初始切负荷比例，并利用二分法确定EPS最小切负荷比例；
三级切负荷策略可以从有功、无功与电压稳定三个不同角度保证系统稳定运行，本发明针对三级切负荷策略不能准确求解最小切负荷量、计算量大等缺点，将改进二分法与三级切负荷策略相结合，根据EPS与NGS的特点，提出一种新的最小切负荷策略，以快速准确求解EGCIES最小切负荷量。
本发明对第三级切负荷策略进行改进，采用无功补偿的方式保证系统正常稳定运行。通过EGCIES潮流求解线路流过的功率及各节点电压(潮流计算是通过线路结构、发电机及负荷数据求解线路功率及节点电压)，进一步分析各节点电压是否越限(越限就是节点电压值不在0.95-1.05之间)，若节点电压低于电压运行下限，说明局部无功功率短缺，可在电压越限节点采取就地无功补偿(通过增加无功补偿装置来补偿)措施来恢复电压。
为保证电负荷受能比例最大，在NGS有裕度的情况下，使NGS通过居民能源集线器(居民能源集线器可以从负荷侧实现电负荷与气负荷的互换)对EPS供能，并修正(重新计算)加压器消耗的电功率，将其代回EPS，重新计算EGCIES潮流，直至各节点电压、各节点气压均满足要求。
S2：气源点故障
(1)计算NGS总天然气输入量DG(将气源点出力综合相加)及天然气负荷量DL(将气负荷总量相加)。若DL大于DG，则计算天然气缺量D1，即DG与DL的差值；
(2)计算燃气轮机消耗天然气量D2(将所有燃气轮机消耗的天然气量相加)，若D1小于D2，则减小燃气轮机的天然气供应，NGS不切除天然气负荷；若D1大于D2，则切除全部燃气轮机组，计算天然气负荷初始切除量D3＝D1-D2，按比例分配各节点天然气负荷切除量，求解天然气负荷初始切除比例KG0；
(3)计算EGCIES潮流，若DL大于DG，则切负荷比例以2的级数增长，直至NGS供气量与气负荷平衡，记下此时的各节点切负荷比例KG2与前一次各节点切负荷比例KG1，[KG1，KG2]为NGS最小切负荷比例所在区间；
(4)在区间[KG1，KG2]上利用二分法确定NGS最小切负荷比例，取区间的中点KG3＝KG1+(KG2-KG1)/2，计算EGCIES潮流，若DL小于DG，说明切负荷比例为KG3的情况下，NGS还能够支撑部分气负荷，将KG3作为新的区间下限，则最小切负荷比例所在区间为[KG3，KG2]，若DL大于DG，说明切负荷比例为KG3的情况下，NGS已经不能够正常稳定运行，将KG3作为新的区间上限，则最小切负荷比例所在区间为[KG1，KG3]，直至区间长度小于设定值，取区间上限为EPS最小切负荷比例KPL；
(5)在NGS供气量与气负荷量基本平衡的前提下，进行EGCIES潮流计算，求解NGS管道气流量及各节点气压，若节点气压越限，则在气压越限节点通过改进二分法切除部分气负荷以保证NGS稳定运行；
(6)在EPS稳定允许的前提下，电转气设备及居民能源集线器可利用电能为气负荷供能，求解EPS运行裕度，通过计算求解可支撑气负荷量，以保证更多气负荷正常运行，减小气源点故障带来的影响，增加EGCIES稳定性。
与现有研究相比，本发明提出了一种电源点及气源点故障、大规模新能源并网情况下的EGCIES的最小切负荷策略，在EPS中考虑EPS对NGS的支撑作用，通过改进二分法快速准确求解最小切负荷量，并根据NGS特点将其改进，应用于NGS中，以快速准确求解极端状况下，EGCIES的最小切负荷量。
具体实施方式
电-气耦合综合能源系统的最小切负荷策略，包括如下内容：
S1：电源点故障
三级切负荷策略可以从有功、无功与电压稳定三个不同角度保证系统稳定运行，本发明针对三级切负荷策略不能准确求解最小切负荷量、计算量大等缺点，将改进二分法与三级切负荷策略相结合，提出一种新的最小切负荷策略，以快速准确求解EGCIES最小切负荷量，并根据本发明所提稳定性分析方法，评估电源点故障情况下EGCIES的稳定性。
电源点故障情况下，为保证系统正常稳定运行，最后采取的措施是切负荷。切负荷是切除负荷的意思，就是电源故障后，系统能够给负荷提供的总功率减少，需要切除部分负荷，减少系统功率的消耗，以达到系统总供给与总消耗的功率平衡的目的。
电源点发生故障时，首先不考虑系统中的无功补偿元件，求解EPS有功不足量与无功不足量(连加求解电力系统电负荷总无功量及有功量、连加求解电源点出力的总有功量与无功量。电力系统电负荷数据与电源点数据是根据给定系统数据潮流计算的结果。)，若系统中有功功率与无功功率充足(电源点有功功率及无功功率大于负荷有功功率及无功功率，则为充足，否则为不充足。)，则不进行切负荷计算，否则根据系统有功及无功不足量选择较严重的一个作为初始切负荷量(有功无功的数据根据功率因数可以同时转化为有功或者无功，通过比较数据大小，大的为比较严重的一个，以其电源点出力总量与电负荷总量差值为初始切负荷量)，求取初始切负荷比例，并利用二分法确定EPS最小切负荷比例(改进二分法为已有方法，故并没有详细介绍，在电力系统已经应用成熟，故没有详细介绍；本文所做的就是切负荷策略的求解，故在确定最小切负荷比例之后进行第三级切负荷，或者考虑综合能源系统的耦合能力进行能源互补)。
本发明对第三级切负荷策略进行改进，采用无功补偿的方式保证系统正常稳定运行。通过EGCIES潮流进一步分析各节点电压是否越限，若节点电压低于电压运行下限，说明局部无功功率短缺，可在电压越限节点采取就地无功补偿措施来恢复电压。
为保证电负荷受能比例最大，在NGS有裕度的情况下，使NGS通过居民能源集线器对EPS供能，并修正加压器消耗的电功率，将其代回EPS，重新计算EGCIES潮流，直至各节点电压、各节点气压均满足要求。
S2：气源点故障
(1)计算NGS总天然气输入量DG及天然气负荷量DL。若DL大于DG，则计算天然气缺量D1，即DG与DL的差值；
(2)计算燃气轮机消耗天然气量D2，若D1小于D2，则减小燃气轮机的天然气供应，NGS不切除天然气负荷；若D1大于D2，则切除全部燃气轮机组，计算天然气负荷初始切除量D3＝D1-D2，按比例分配各节点天然气负荷切除量，求解天然气负荷初始切除比例KG0；
(3)计算EGCIES潮流，若DL大于DG，则切负荷比例以2的级数增长，直至NGS供气量与气负荷平衡，记下此时的各节点切负荷比例KG2与前一次各节点切负荷比例KG1，[KG1，KG2]为NGS最小切负荷比例所在区间；
(4)在区间[KG1，KG2]上利用二分法确定NGS最小切负荷比例，取区间的中点KG3＝KG1+(KG2-KG1)/2，计算EGCIES潮流，若DL小于DG，说明切负荷比例为KG3的情况下，NGS还能够支撑部分气负荷，将KG3作为新的区间下限，则最小切负荷比例所在区间为[KG3，KG2]，若DL大于DG，说明切负荷比例为KG3的情况下，NGS已经不能够正常稳定运行，将KG3作为新的区间上限，则最小切负荷比例所在区间为[KG1，KG3]，直至区间长度小于设定值，取区间上限为EPS最小切负荷比例KPL；
(5)在NGS供气量与气负荷量基本平衡的前提下，进行EGCIES潮流计算，若节点气压越限，则在气压越限节点切除部分气负荷以保证NGS稳定运行；
(6)在EPS稳定允许的前提下，电转气设备及居民能源集线器可利用电能为气负荷供能，以保证更多负荷正常运行，减小气源点故障带来的影响，增加EGCIES稳定性。
本发明涉及电-气耦合综合能源系统的最小切负荷策略，具体为N-1故障情况下电-气耦合综合能源系统的最小切负荷策略。
在电源点故障情况下，步骤一：确定电力系统的有功不足量，按照功率因数同时切除有功及无功负荷；步骤二：确定电力系统无功不足量，按照功率因数同时切除有功及无功负荷；步骤三：确定电力系统电压越限节点，在电压越限节点进行无功补偿操作；步骤四：确定天然气系统裕度，天然气系统通过耦合元件为电负荷供能。
在气源点故障情况下，步骤一：确定天然气系统供气不足量；步骤二：确定燃气轮机消耗的天然气量，确定气负荷切除量；步骤三：综合能源系统潮流计算，确定节点气压越限节点，通过改进二分法切除气负荷；步骤四：确定电力系统裕度，电力系统通过耦合元件为气负荷供能。
本发明对第三级切负荷策略进行改进，采用无功补偿的方式保证系统正常稳定运行。通过EGCIES潮流进一步分析各节点电压是否越限，若节点电压低于电压运行下限，说明局部无功功率短缺，可在电压越限节点采取就地无功补偿措施来恢复电压。

Claims (1)

1.电-气耦合综合能源系统的最小切负荷策略，其特征在于：包括如下内容：
S1：电源点故障
电源点发生故障时，首先不考虑系统中的无功补偿元件，根据系统数据，连加求解电负荷总量及电源点功率总量，求解电力系统有功不足量与无功不足量，若系统中有功功率与无功功率充足，则不进行切负荷计算，否则根据系统有功及无功不足量选择较严重的一个作为初始切负荷量，求取初始切负荷比例，并利用二分法确定电力系统最小切负荷比例；
S2：气源点故障，气源点故障发生时按照如下步骤进行
(1)计算天然气系统总天然气输入量DG及天然气负荷量DL，若DL大于DG，则计算天然气缺量D1，即DG与DL的差值；
(2)计算燃气轮机消耗天然气量D2，若D1小于D2，则减小燃气轮机的天然气供应，天然气系统不切除天然气负荷；若D1大于D2，则切除全部燃气轮机组，计算天然气负荷初始切除量D3＝D1-D2，按比例分配各节点天然气负荷切除量，求解天然气负荷初始切除比例KG0；
(3)计算电-气耦合综合能源系统潮流，若DL大于DG，则切负荷比例以2的级数增长，直至天然气系统供气量与气负荷平衡，记下此时的各节点切负荷比例KG2与前一次各节点切负荷比例KG1，[KG1，KG2]为天然气系统最小切负荷比例所在区间；
(4)在区间[KG1，KG2]上利用二分法确定天然气系统最小切负荷比例，取区间的中点KG3＝KG1+(KG2-KG1)/2，计算电-气耦合综合能源系统潮流，若DL小于DG，说明切负荷比例为KG3的情况下，天然气系统还能够支撑部分气负荷，将KG3作为新的区间下限，则最小切负荷比例所在区间为[KG3，KG2]，若DL大于DG，说明切负荷比例为KG3的情况下，天然气系统已经不能够正常稳定运行，将KG3作为新的区间上限，则最小切负荷比例所在区间为[KG1，KG3]，直至区间长度小于设定值，取区间上限为天然气系统最小切负荷比例KPL；
(5)在天然气系统供气量与气负荷量平衡的前提下，进行电-气耦合综合能源系统潮流计算，求解天然气系统管道气流量及各节点气压，若节点气压越限，则在气压越限节点通过改进二分法切除部分气负荷以保证天然气系统稳定运行；
(6)在电力系统稳定允许的前提下，电转气设备及居民能源集线器可利用电能为气负荷供能，求解电力系统运行裕度，通过计算求解可支撑气负荷量，以保证更多气负荷正常运行，减小气源点故障带来的影响，增加电-气耦合综合能源系统稳定性。
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