CN111799777A - 一种考虑天然气与电力耦合的综合能源规划方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种考虑天然气与电力耦合的综合能源规划方法：建立考虑天然气和电力耦合的综合能源规划模型，目标函数包括规划期内的总运行成本、新建机组投资成本、输电线路投资成本、输气线路投资成本、CHP机组建设成本、P2G厂站建设成本、GF建设成本、风电机组发电补贴，约束条件包括系统规划约束、能源系统约束、传输网络容量约束；综合能源规划模型线性化；综合能源规划模型求解，确定候选风电机组、火电机组、输电线路、输气线路、热电联产机组、燃气锅炉、电转气厂站的最优投资决策，获取上述能源设施的最优投建地址以及投资容量。

Description

一种考虑天然气与电力耦合的综合能源规划方法
技术领域
本发明涉及综合能源规划方法，更具体地说，是涉及一种考虑天然气与电力耦合的综合能源规划方法。
背景技术
不论是在电力工业，还是在天然气领域，规划问题一直都是非常重要的前期准备工作。电力系统规划通常需要先确定负荷预测和电源的规划方案，在此基础上，以整个电力系统的运行和投资费用最小为目标，为满足不同用户日益增长的电力需求确定最优的电网规划方案。随着天然气网络和电力系统间耦合的不断加深以及P2G技术的引进，对于如何协调天然气与电力系统的规划工作，又提出了新的挑战。在天然气和电力耦合的综合能源系统中，不同能源形式之间相互转化，互相影响，需要在模型中体现这种耦合关系以得到最优的规划结果。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有技术中的不足，提出一种考虑天然气与电力耦合的综合能源规划方法，以规划期内投资成本和运行成本综合最小为目标函数，以电力系统和天然气系统运行安全和耦合关系为约束条件，确定风电机组、火电机组、输电线路、输气线路、CHP、GF、P2G的最优规划方案。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的。
本发明考虑天然气与电力耦合的综合能源规划方法，包括以下过程：
步骤一：建立考虑天然气和电力耦合的综合能源规划模型，包括目标函数和约束条件，以最小化规划期间综合能源系统成本的总价值为目标，目标函数包括规划期内的总运行成本、新建机组投资成本、输电线路投资成本、输气线路投资成本、CHP机组建设成本、P2G厂站建设成本、GF建设成本、风电机组发电补贴，约束条件包括系统规划约束、能源系统约束、传输网络容量约束；
步骤二：对综合能源规划模型进行线性化；
步骤三：对综合能源规划模型进行求解，确定候选风电机组、火电机组、输电线路、输气线路、热电联产机组、燃气锅炉、电转气厂站的最优投资决策，获取上述能源设施的最优投建地址以及投资容量。
步骤一中所述目标函数为：
min(TC+WC+LC+GC+HC+PC+FC-SC)
式中：TC是规划期内的总运行成本，WC是新建机组投资成本，LC是输电线路投资成本，GC是输气线路投资成本，HC是CHP机组建设成本，PC是P2G厂站建设成本，FC是GF建设成本，SC是风电机组发电补贴；
(1)规划期内的总运行成本
Figure BDA0002535266610000021
式中：i为能源基础设施编号；j为CHP机组编号；pg为P2G厂站编号；g为GF编号；t为负荷块编号；u为场景编号；y为规划期编号；Nt,y表示整个规划期的第y年t负荷块的发电时长；A表示场景的总数；Pi,t,u,y表示燃煤机组i整个规划期的第y年t负荷块场景u中能源转换装置的出力；Pj,t,u,y表示CHP机组j整个规划期的第y年t负荷块场景u中能源转换装置的出力；Ppg,t,u,y表示P2G机组pg整个规划期的第y年t负荷块场景u中能源转换装置的出力；Hg,t,u,y表示GF组g整个规划期的第y年t负荷块场景u中能源转换装置的产热量；pb(Pi)表示普通燃煤机组i的边际发电成本函数；gbj,y表示CHP机组j第y年能源基础设施的边际发电或产热成本；gbpg,y表示P2G机组pg第y年能源基础设施的边际发电或产热成本；gbg,y表示GF机组g第y年能源基础设施的边际发电或产热成本；ΩCG表示燃煤机组总集合；ΩJ表示现有CHP机组集合；ΩPG表示现有P2G厂站集合；ΩG表示现有GF集合；ΩJ+表示候选CHP机组集合；ΩPG+表示候选P2G集合；ΩG+表示候选GF集合；ΩY表示规划期集合；ΩU表示总场景集合；ΩT表示总负荷块集合；
(2)新建机组投资成本
Figure BDA0002535266610000031
式中：cwi表示机组单位容量价格；swi表示投资补贴；Xi,y表示第y年i机组的建设容量；ΩI+表示候选机组集合，包括燃煤机组和风电机组；
(3)输电线路投资成本与输气线路投资成本
Figure BDA0002535266610000032
Figure BDA0002535266610000033
式中：ck,y表示二进制变量，若在整个规划期的第y年第k条线路决定投建，则此值为1，否则为0；ckk,y表示第y年线路k的建设成本；pll,y表示整个规划期的第y年第l条输气管道的投资变量；cll,y表示第y年输气管道l的建设成本；ΩK+表示候选输电线路集合；ΩL+表示候选天然气管道集合；
(4)其他能源基础设施的投资成本
Figure BDA0002535266610000034
Figure BDA0002535266610000035
Figure BDA0002535266610000036
式中：xhj,y表示第y年CHP机组j的投建容量；xppg,y表示第y年P2G厂站pg的投建容量；xfg,y表示第y年燃气锅炉g的投建容量；cjj,y表示第y年CHP机组j的单位建设成本；ctpg,y表示第y年P2G厂站pg的单位建设成本；cgg,y表示第y年燃气锅炉g的单位建设成本；
(5)风电机组发电补贴
Figure BDA0002535266610000037
式中：spi表示i风电机组的发电补贴；ΩWG表示风电机组集合。
步骤一中所述约束条件包括：
(1)系统规划约束
Figure BDA0002535266610000041
Figure BDA0002535266610000042
Figure BDA0002535266610000043
Figure BDA0002535266610000044
Figure BDA0002535266610000045
Figure BDA0002535266610000046
Figure BDA0002535266610000047
Figure BDA0002535266610000048
Figure BDA0002535266610000049
Figure BDA00025352666100000410
Figure BDA00025352666100000411
考虑天然气和电力耦合的综合能源规划问题中，需对所有能源设施进行最优投资决策，包括定容和选址，风电机组、燃煤机组、CHP、P2G、GF在投资后的每一年都可进行扩容；
Figure BDA00025352666100000412
Figure BDA00025352666100000413
Figure BDA00025352666100000414
Figure BDA00025352666100000415
Figure BDA00025352666100000416
Figure BDA00025352666100000417
Figure BDA00025352666100000418
Figure BDA00025352666100000419
Figure BDA0002535266610000051
式中：Xi,y、xhj,y、xppg,y、xfg,y表示整个规划期的各能源设施的备选投建容量；ei,y、ck,y、pll,y、ehj,d,y、eppg,d,y、efg,d,y均为二进制变量(0/1变量)，表示各个能源设施的投资状态，若在整个规划期的第y年某能源设施决定投建，则此值为1，否则为0，具有指示作用；hi,d,y、hcj,d,y、pcpg,d,y、fcg,d,y也均表示0/1变量，若在整个规划期的第y年，第d级投建容量被选中为相对应各能源设施的建设量，则此值为1，否则为0，具有定容选址的作用；ρi,d,y、ρj,d,y、ρpg,d,y、ρg,d,y表示各能源设施在整个规划期的第y年第d级能源基础设施的备选投建容量；
Figure BDA0002535266610000052
Figure BDA0002535266610000053
表示各能源设施第y年的d级备选容量集合；
(2)能源系统约束
1)电功率平衡
Figure BDA0002535266610000054
式中：n为电节点编号；k为输电线路编号；
Figure BDA0002535266610000055
为电力系统中的节点-发电机关联矩阵，表示电节点和各类机组的联系；
Figure BDA0002535266610000056
为电力系统中的支路-节点关联矩阵；Dn,t,u,y表示在整个规划期的第y年负荷块t场景u中节点n的电负荷；fk,t,u,y表示在整个规划期的第y年负荷块t场景u中线路k的潮流；ΩK表示现有输电线路集合
2)热功率平衡
Figure BDA0002535266610000057
式中：m为气节点编号；l天然气管道编号；Hj,t,u,y、Hg,t,u,y、Hpg,t,u,y为天然气节点各类能源设施的热量；
Figure BDA0002535266610000058
为各气节点的CHP或者GF提供的热负荷；
Figure BDA0002535266610000059
为天然气网的节点-能源设施关联矩阵，表示气节点和各类能源设施的联系；
Figure BDA0002535266610000061
为天然气网的管道-节点关联矩阵，为电力和天然气网络的连接矩阵；gfl,t,u,y表示在整个规划期的第y年负荷块t场景u中天然气管道l的气流；Vs,t,u,y表示在整个规划期的第y年负荷块t场景u中天然气供应商s的供气量；Dm,t,u,y表示在整个规划期的第y年负荷块t场景u中节点m的热负荷；ΩL为天然气管道集合；
3)各能源设施转换效率
Figure BDA0002535266610000062
Figure BDA0002535266610000063
Figure BDA0002535266610000064
Figure BDA0002535266610000065
式中：
Figure BDA0002535266610000066
分别表示CHP发电和发热的转换效率；
Figure BDA0002535266610000067
为电转气的效率；
Figure BDA0002535266610000068
为燃气锅炉的产热效率；
4)出力限制
Figure BDA0002535266610000069
Figure BDA00025352666100000610
Figure BDA00025352666100000611
Figure BDA00025352666100000612
Figure BDA00025352666100000613
Figure BDA00025352666100000614
Figure BDA00025352666100000615
Figure BDA00025352666100000616
Figure BDA00025352666100000617
Figure BDA00025352666100000618
通过控制ei,y、ehj,y、efg,y、eppg,y等0/1变量来控制候选能源设施的发电及产热。式中：Pmax,i、Pmin,i表示各能源设施发电量上下限；Hmax,i、Hmin,i表示各能源设施发热量上下限；EXi表示已建机组容量；Xi表示候选风力发电机组容量；Ki,t,u,y表示风电机组i在第y年负荷块t场景u下的风强度系数；ΩCG+表示候选燃煤机组集合；ΩCG0表示已建燃煤发电机组集合；ΩWG+表示候选风力发电机组集合；ΩWG0表示已建风力发电机组集合；ΩN表示节点集合；Pmax,j表示CHP机组最大出力；Hmax,g；Pmax,t表示P2G机组最大出力；Hmax,g表示CF机组最大热功率。
(3)传输网络容量约束
1)电网络约束
Figure BDA0002535266610000071
Figure BDA0002535266610000072
Figure BDA0002535266610000073
Figure BDA0002535266610000074
式中：fk,t,u,y＝C(X,θ)表示电抗X与相角θ之间的函数关系；Xk表示线路k的电抗；θn,t,u,y表示在整个规划期的第y年负荷块t场景u中节点n处相位角；Lmax,k、Lmin,k表示线路容量上下限；
2)天然气网络约束
Figure BDA0002535266610000075
Figure BDA0002535266610000076
Figure BDA0002535266610000077
式中：fpl,t,u,y表示整个规划期的第y年负荷块t场景u中天然气管道l的流量；fpmax,l、fpmin,l表示天然气管道l的流量上下限；Vs,t,u,y表示整个规划期的第y年负荷块t场景u中天然气供应商s的供气量；Vmax,s、Vmin,s表示天然气供应商s的供气量上下限。
步骤二中对综合能源规划模型进行线性化：
(1)火电机组成本分段线性化，火电电机组成本二次曲线线性表达：
MinF＝F1+IF1Px1+IF2Px2+IF3Px3
S.t.
P＝P+Px1+Px2+Px3
0≤Px1≤P2-P1
0≤Px2≤P3-P2
0≤Px3≤P4-P3
(2)线路潮流线性化
1)直流潮流法
采用直流潮流法，表示线路潮流和相位角之间的线性关系，在直流潮流法中，对于输电线ij，支路有功潮流表示为：
Figure BDA0002535266610000081
式中：pij为输电线路ij输入端的有功功率；Vi、Vj输电线路ij两端节点ij的电压幅值；θij为输电线路ij两端节点ij的相角差；gij为输电线路ij的电导；gi0为输电线路i0的电导；bij为输电线路ij的电纳；对式进行简化，条件如下：
a)忽略电阻rij，则gij＝0,bij＝-1/xij,xij为输电线路ij的电抗；
b)θi-θj很小，令cosθij＝1,sinθij＝θi-θj，θi、θi表示为第i、j两端节点相角；
c)Vi＝Vj＝1，各节点电压幅值均取标幺值1；
d)忽略支路对地支路；
则支路有功潮流等式写成：
Figure BDA0002535266610000082
节点功率写成求和的形式：
Figure BDA0002535266610000083
Figure BDA0002535266610000091
式中：pi表示通过i节点的功率；bij表示i、j节点间电纳；Bk表示线路k的电纳；θn,t,u,y表示在整个规划期的第y年负荷块t场景u中节点n处相位角；
Figure BDA0002535266610000092
2)候选线路潮流的大M法
对于候选线路的直流潮流表示形式：
Figure BDA0002535266610000093
利用大M法，引入一个正数Mk，线性表达式；
Figure BDA0002535266610000094
通过0/1变量和kM控制线路潮流随其投资状态而改变，即当线路未投建时，ck,y为0，将线路潮流设置为零；一旦线路投建以后，ck,y变为1，它将不再被视为候选线路，满足直流潮流等式。
步骤三中利用GAMS中的CPLEX求解器对综合能源规划模型进行求解：
(1)输入电力系统和天然气系统相关能源基础设施的初始参数以及其他相关数据；
(2)形成天然气与电力耦合网络以及相应矩阵；
(3)在GAMS上实现编程并调用CPLEX求解器对目标函数及直流潮流大M法进行求解；
(4)输出最优结果，得出风电机组、火电机组、输电线路、输气线路、热电联产机组、燃气锅炉、电转气厂站的站址和容量的最优规划结果。
与现有技术相比，本发明的技术方案所带来的有益效果是：
本发明综合天然气与电力耦合的综合能源规划，提供风电机组、火电机组、输电线路、输气线路、热电联产机组、燃气锅炉、电转气厂站的最佳配置方案，提升投资回报及降低能源消耗。
附图说明
图1火电机组成本函数的分段线性近似。
图2是综合能源规划求解流程图。
图3是天然气和电力耦合的综合能源测试系统。
图4是电力系统规划结果。
图5是天然气网络规划结果。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步的描述。
本发明考虑天然气与电力耦合的综合能源规划方法的目的是：电力系统规划通常需要先确定负荷预测和电源的规划方案，在此基础上，以整个电力系统的和运行和投资费用最小为目标，为满足不同用户日益增长的电力需求确定最优的电网规划方案。随着天然气网络和电力系统间耦合的不断加深以及P2G技术的引进，对于如何协调天然气与电力系统的规划工作，又提出了新的挑战。在天然气和电力耦合的综合能源系统中，不同能源形式之间相互转化，互相影响，需要在模型中体现这种耦合关系以得到最优的规划结果。
本发明考虑天然气与电力耦合的综合能源规划方法的具体实现过程如下：
步骤一：建立考虑天然气和电力耦合的综合能源规划模型
综合能源规划模型的目标为：最小化规划期内综合能源系统成本的总价值，综合能源系统包括电力、天然气和热力系统。目标函数包括与各能源转换装置和线路等相关的年度投资规划和运营成本以及风电补贴等，具体包括规划期内的总运行成本、新建机组投资成本、输电线路投资成本、输气线路投资成本、CHP机组建设成本、P2G厂站建设成本、GF建设成本、风电机组发电补贴。在满足电力系统和天然气系统约束的前提下，根据风速持续曲线和负荷持续曲线，确定候选风电机组、火电机组、输电线路、天然气管道、CHP机组、GF和P2G厂站的最优投资决策。
目标函数为：
min(TC+WC+LC+GC+HC+PC+FC-SC)
式中：TC是规划期内的总运行成本，WC是新建机组投资成本，LC是输电线路投资成本，GC是输气线路投资成本，HC是CHP机组建设成本，PC是P2G厂站建设成本，FC是GF建设成本，SC是风电机组发电补贴；
(1)规划期内的总运行成本
Figure BDA0002535266610000111
综合能源系统的总运行成本包括现有的以及新建的燃煤机组、热电联产机组、P2G、燃气锅炉的运行成本，风电机组被视作零运行成本，记作TC。火电机组运行成本与火电机组发电量有关，采用一个二次函数的形式表达。式中：i为能源基础设施编号；j为CHP机组编号；pg为P2G厂站编号；g为GF编号；t为负荷块编号；u为场景编号；y为规划期编号；Nt,y表示整个规划期的第y年t负荷块的发电时长；A表示场景的总数；Pi,t,u,y表示燃煤机组i整个规划期的第y年t负荷块场景u中能源转换装置的出力；Pj,t,u,y表示CHP机组j整个规划期的第y年t负荷块场景u中能源转换装置的出力；Ppg,t,u,y表示P2G机组pg整个规划期的第y年t负荷块场景u中能源转换装置的出力；Hg,t,u,y表示GF组g整个规划期的第y年t负荷块场景u中能源转换装置的产热量；pb(Pi)表示普通燃煤机组i的边际发电成本函数；gbj,y表示CHP机组j第y年能源基础设施的边际发电或产热成本；gbpg,y表示P2G机组pg第y年能源基础设施的边际发电或产热成本；gbg,y表示GF机组g第y年能源基础设施的边际发电或产热成本；ΩCG表示燃煤机组总集合；ΩJ表示现有CHP机组集合；ΩPG表示现有P2G厂站集合；ΩG表示现有GF集合；ΩJ+表示候选CHP机组集合；ΩPG+表示候选P2G集合；ΩG+表示候选GF集合；ΩY表示规划期集合；ΩU表示总场景集合；ΩT表示总负荷块集合；τ＝1/(1+R)TY-y，是规划期结束时的折算系数，R是贴现率，TY是投资期总年数。
(2)新建机组投资成本
Figure BDA0002535266610000121
机组投资成本包括火电机组和风电机组的投资成本。候选机组的投资成本是单位容量价格与机组装机容量之间的函数，新机组的投资成本取决于其容量和位置。式中：cwi表示机组单位容量价格；swi表示投资补贴；Xi,y表示第y年i机组的建设容量；ΩI+表示候选机组集合，包括燃煤机组和风电机组。
(3)输电线路投资成本与输气线路投资成本
Figure BDA0002535266610000122
Figure BDA0002535266610000123
线路投资成本包括输电线路和输气管道的投资成本。
式中：ck,y表示二进制变量，若在整个规划期的第y年第k条线路决定投建，则此值为1，否则为0；ckk,y表示第y年线路k的建设成本；pll,y表示整个规划期的第y年第l条输气管道的投资变量；cll,y表示第y年输气管道l的建设成本；ΩK+表示候选输电线路集合；ΩL+表示候选天然气管道集合。
(4)其他能源基础设施的投资成本
Figure BDA0002535266610000124
Figure BDA0002535266610000125
Figure BDA0002535266610000126
包括热电联产机组CHP、P2G厂站、燃气锅炉GF的投资成本。它们的投资成本分别也为单位容量价格和投建容量之间的函数。
式中：xhj,y表示第y年CHP机组j的投建容量；xppg,y表示第y年P2G厂站pg的投建容量；xfg,y表示第y年燃气锅炉g的投建容量；cjj,y表示第y年CHP机组j的单位建设成本；ctpg,y表示第y年P2G厂站pg的单位建设成本；cgg,y表示第y年燃气锅炉g的单位建设成本。
(5)风电机组发电补贴
Figure BDA0002535266610000131
风力发电补贴特指国家为了推行可再生能源发电，鼓励风力发电、太阳能发电等推行的每单位电量的补贴政策，风电补贴为单位电量补贴费用和风电机组出力的函数。式中：spi表示i风电机组的发电补贴；ΩWG表示风电机组集合。
约束条件：
在构建考虑天然气和电力耦合的综合能源规划模型时，除了要考虑天然气网络和电力系统的安全运行约束，还应考虑综合能源系统内各能源系统间的转换和耦合关系以及出力限制等约束。具体约束内容如下：
(1)系统规划约束
Figure BDA0002535266610000132
Figure BDA0002535266610000133
Figure BDA0002535266610000134
Figure BDA0002535266610000135
Figure BDA0002535266610000136
Figure BDA0002535266610000137
Figure BDA0002535266610000138
Figure BDA0002535266610000139
Figure BDA00025352666100001310
Figure BDA00025352666100001311
Figure BDA00025352666100001312
考虑天然气和电力耦合的综合能源规划问题中，需对所有能源设施进行最优投资决策，包括定容和选址，风电机组、燃煤机组、CHP、P2G、GF在投资后的每一年都可进行扩容；
Figure BDA00025352666100001313
Figure BDA0002535266610000141
Figure BDA0002535266610000142
Figure BDA0002535266610000143
Figure BDA0002535266610000144
Figure BDA0002535266610000145
Figure BDA0002535266610000146
Figure BDA0002535266610000147
Figure BDA0002535266610000148
为候选能源设施的投建约束，此类约束的意义在于确保某设施一旦投建以后，剩余规划期的每一年投资状态均为1。式中：Xi,y、xhj,y、xppg,y、xfg,y表示整个规划期的各能源设施的备选投建容量；ei,y、ck,y、pll,y、ehj,d,y、eppg,d,y、efg,d,y均为二进制变量(0/1变量)，表示各个能源设施的投资状态，若在整个规划期的第y年某能源设施决定投建，则此值为1，否则为0，具有指示作用；hi,d,y、hcj,d,y、pcpg,d,y、fcg,d,y也均表示0/1变量，若在整个规划期的第y年，第d级投建容量被选中为相对应各能源设施的建设量，则此值为1，否则为0，具有定容选址的作用；ρi,d,y、ρj,d,y、ρpg,d,y、ρg,d,y表示各能源设施在整个规划期的第y年第d级能源基础设施的备选投建容量；
Figure BDA0002535266610000149
表示各能源设施第y年的d级备选容量集合。
(2)能源系统约束
1)电功率平衡
Figure BDA00025352666100001410
对于电力系统中的每个节点，要求候选和现有机组能够一起提供预测的负荷需求和储备容量，电负荷由燃煤机组，风电机组或CHP机组供应。P2G装置被当作该节点的电负荷。式中：n为电节点编号；k为输电线路编号；
Figure BDA0002535266610000151
Figure BDA0002535266610000152
为电力系统中的节点-发电机关联矩阵，表示电节点和各类机组的联系；
Figure BDA0002535266610000153
为电力系统中的支路-节点关联矩阵；Dn,t,u,y表示在整个规划期的第y年负荷块t场景u中节点n的电负荷；fk,t,u,y表示在整个规划期的第y年负荷块t场景u中线路k的潮流；ΩK表示现有输电线路集合。
2)热功率平衡
Figure BDA0002535266610000154
式中：m为气节点编号；l天然气管道编号；Hj,t,u,y、Hg,t,u,y、Hpg,t,u,y为天然气节点各类能源设施的热量；
Figure BDA0002535266610000155
为各气节点的CHP或者GF提供的热负荷；
Figure BDA0002535266610000156
为天然气网的节点-能源设施关联矩阵，表示气节点和各类能源设施的联系；
Figure BDA0002535266610000157
为天然气网的管道-节点关联矩阵，为电力和天然气网络的连接矩阵；gfl,t,u,y表示在整个规划期的第y年负荷块t场景u中天然气管道l的气流；Vs,t,u,y表示在整个规划期的第y年负荷块t场景u中天然气供应商s的供气量；Dm,t,u,y表示在整个规划期的第y年负荷块t场景u中节点m的热负荷；ΩL为天然气管道集合。
3)各能源设施转换效率
Figure BDA0002535266610000158
Figure BDA0002535266610000159
Figure BDA00025352666100001510
Figure BDA00025352666100001511
能量通过耦合关系和转换效率完成能量转换以供应负荷。通过各种能源之间的转换效率的不同以及电和气节点-能源设施关联矩阵把电力网络和天然气网络耦合起来，从而进行能量的合理转化以及两者之间协调的规划。式中：
Figure BDA0002535266610000161
分别表示CHP发电和发热的转换效率；
Figure BDA0002535266610000162
为电转气的效率；
Figure BDA0002535266610000163
为燃气锅炉的产热效率。
4)出力限制
Figure BDA0002535266610000164
Figure BDA0002535266610000165
Figure BDA0002535266610000166
Figure BDA0002535266610000167
Figure BDA0002535266610000168
Figure BDA0002535266610000169
Figure BDA00025352666100001610
Figure BDA00025352666100001611
Figure BDA00025352666100001612
Figure BDA00025352666100001613
通过控制ei,y、ehj,y、efg,y、eppg,y等0/1变量来控制候选能源设施的发电及产热。式中：Pmax,i、Pmin,i表示各能源设施发电量上下限；Hmax,i、Hmin,i表示各能源设施发热量上下限；EXi表示已建机组容量；Xi表示候选风力发电机组容量；Ki,t,u,y表示风电机组i在第y年负荷块t场景u下的风强度系数；ΩCG+表示候选燃煤机组集合；ΩCG0表示已建燃煤发电机组集合；ΩWG+表示候选风力发电机组集合；ΩWG0表示已建风力发电机组集合；ΩN表示节点集合；Pmax,j表示CHP机组最大出力；Hmax,g；Pmax,t表示P2G机组最大出力；Hmax,g表示CF机组最大热功率。
(3)传输网络容量约束
传输网络容量约束包括对应于电压和电流，气压和潮流等之间的关系的物理定律。接下来讨论电力和天然气耦合网络的特性。
1)电网络约束
Figure BDA0002535266610000171
Figure BDA0002535266610000172
Figure BDA0002535266610000173
Figure BDA0002535266610000174
式中：fk,t,u,y＝C(X,θ)表示电抗X与相角θ之间的函数关系；Xk表示线路k的电抗；θn,t,u,y表示在整个规划期的第y年负荷块t场景u中节点n处相位角；Lmax,k、Lmin,k表示线路容量上下限。
2)天然气网络约束
Figure BDA0002535266610000175
Figure BDA0002535266610000176
Figure BDA0002535266610000177
式中：fpl,t,u,y表示整个规划期的第y年负荷块t场景u中天然气管道l的流量；fpmax,l、fpmin,l表示天然气管道l的流量上下限；Vs,t,u,y表示整个规划期的第y年负荷块t场景u中天然气供应商s的供气量；Vmax,s、Vmin,s表示天然气供应商s的供气量上下限。
步骤二：对综合能源规划模型进行线性化。
考虑天然气和电力耦合的综合能源规划模型中，存在非线性部分，模型难以求解。为求解精度和效率，需要对模型进行线性化处理，以便于求解与分析。
(1)火电机组成本分段线性化，火电电机组成本二次曲线可线性表达，如图1所示：
MinF＝F1+IF1Px1+IF2Px2+IF3Px3
S.t.
P＝P+Px1+Px2+Px3
0≤Px1≤P2-P1
0≤Px2≤P3-P2
0≤Px3≤P4-P3
(2)线路潮流线性化
1)直流潮流法
由于规划期较长，且在规划问题中无需考虑精确的有功和无功分布，因此在本模型中采用直流潮流法，表示线路潮流和相位角之间的线性关系。在直流潮流法中，对于输电线ij，支路有功潮流可表示为：
Figure BDA0002535266610000181
式中：pij为输电线路ij输入端的有功功率；Vi、Vj输电线路ij两端节点ij的电压幅值；θij为输电线路ij两端节点ij的相角差；gij为输电线路ij的电导；gi0为输电线路i0的电导；bij为输电线路ij的电纳。对式进行简化，条件如下：
a)忽略电阻rij，则gij＝0,bij＝-1/xij,xij为输电线路ij的电抗；
b)θi-θj很小，令cosθij＝1,sinθij＝θi-θj，θi、θi表示为第i、j两端节点相角；
c)Vi＝Vj＝1，各节点电压幅值均取标幺值1；
d)忽略支路对地支路。
则支路有功潮流等式可写成：
Figure BDA0002535266610000182
节点功率可写成求和的形式：
Figure BDA0002535266610000183
Figure BDA0002535266610000184
式中：pi表示通过i节点的功率；bij表示i、j节点间电纳；Bk表示线路k的电纳；θn,t,u,y表示在整个规划期的第y年负荷块t场景u中节点n处相位角。
Figure BDA0002535266610000191
2)候选线路潮流的大M法
对于候选线路的直流潮流表示形式：
Figure BDA0002535266610000192
然而式中有两个变量相乘，导致了非线性的出现。因此利用大M法，引入一个正数Mk，线性表达式。
Figure BDA0002535266610000193
通过0/1变量和kM控制线路潮流随其投资状态而改变，即当线路未投建时，ck,y为0，将线路潮流设置为零；一旦线路投建以后，ck,y变为1，它将不再被视为候选线路，满足直流潮流等式。
步骤三：对综合能源规划模型进行求解，确定候选风电机组、火电机组、输电线路、输气线路、热电联产机组(CHP)、燃气锅炉(GF)、电转气(P2G)厂站的最优投资决策，获取上述能源设施的最优投建地址以及投资容量。
综合能源规划模型求解步骤，如图2所示：
可以利用GAMS实现高级建模，并使得模型同CPLEX求解器完美结合呈现。CPLEX优化求解器在力求保证快速求解大型复杂问题的同时，又简化了模块设置。CPLEX能够提供线性以及含有二次约束的MILP问题的求解算法。当有许多求解选项可供选择时，GAMS/CPLEX会针对特定问题自动计算并为大多数选项设置最优值。
(1)输入电力系统和天然气系统等相关能源基础设施的初始参数以及其他相关数据；
(2)形成天然气与电力耦合网络以及相应矩阵；
(3)在GAMS上实现编程并调用CPLEX求解器对目标函数及直流潮流大M法进行求解；
(4)输出最优结果，得出风电机组、火电机组、输电线路、输气线路、热电联产机组(CHP)、燃气锅炉(GF)、电转气(P2G)厂站的站址和容量的最优规划结果。
具体实施例
算例系统基于IEEE6节点系统，对其进行修改形成六节点气电耦合测试系统，结构图如图3所示。六节点气电耦合系统互连所形成的综合能源系统规划模型，包含现有以及候选的各类能源设施。
电力系统包括6个电节点，7条输电线路和3个电负荷。电源侧由2个现有燃煤机组以及1个候选燃煤机组、1个候选风电机组组成。同时在本系统内考虑1个现有P2G厂站，1个候选P2G厂站和3条候选输电线路。天然气网络及供热系统由6个气节点，5条天然气管道，1个现有燃气锅炉，2个现有热电联产机组和2个天然气供应商组成，天然气供给用来为候选热电联产机组和供热的燃气锅炉提供能量来源。1个候选燃气锅炉和1个候选热电联产机组也被考虑在规划范围内以供应热负荷，3条候选天然气管道用以对输气容量进行扩展。在此规划模型中，综合能源系统内不考虑其他的储能装置。
候选机组等能源转换装置，具体参数见表1；出于简洁，候选输电和输气线路未在系统图中画出，具体位置和参数见表2及3。天然气供应商参数见表4，六节点气电耦合系统的基本测试数据。其他参数在此说明：候选燃煤机组成本函数为
Figure BDA0002535266610000201
分三段进行线性化；第一年风电补贴为50元/MW·h，随着风电成本的逐年下降，补贴平均年增长率为-0.1％；电负荷平均年负荷增长率为3％；热负荷的平均年负荷增长率为0.8％；折现率为5％；电转气P2G的综合能源转换效率为49％～65％，本文取65％；热电联产机组发电和产热的效率分别为37％和43％；燃气锅炉的产热效率为90％。
表1 候选能源基础设施参数
Figure BDA0002535266610000202
表2 候选输电线路参数
Figure BDA0002535266610000211
表3 候选天然气管道参数
Figure BDA0002535266610000212
表4 天然气供应商参数
Figure BDA0002535266610000213
本文规划期为二十年，且投资成本以每一年为基础进行分析，即每个计划投建的候选能源基础设施在每年年初安装。每年的电力负荷分为不同数目的负荷块，代表一年内负荷的周期性变化，每一年的负荷块对应的负荷持续时间都不尽相同。本文将规划期的每一年都分成5个负荷块，不同负荷块对应的场景数为8个，因此总场景数为40个。不同负荷块对应不同场景下的风强度系数如表5所示。与天气轮廓线高度相关的热负荷被当作是常量，不考虑热负荷的不确定性。在针对每个负荷块执行多个能量基础设施约束的同时实施规划分析，对于每年的投资金额或一年内投建的能源基础设施数量没有限制。
表5 每个场景下的负荷和风强度系数
Figure BDA0002535266610000214
利用五个算例来验证考虑天然气和电力耦合的综合能源规划模型的有效性。根据投资成本，风电补贴等对算例的规划结果进行比较和分析。算例1为基准算例，即考虑天然气和电力耦合的综合能源规划。算例1的规划结果如图4和图5所示。图示中各新建能源基础设施括号中的数字表示投建年或扩建年的建设容量。规划期结束时，在电力系统中：节点5处新增了50兆瓦发电容量(CHP)，节点4处新增了40兆瓦发电容量(风电机组)，节点6处新增了35兆瓦电转气容量(P2G)，同时新建了节点1到节点5的1条输电线路，以满足预计的电力负荷。对于天然气和供热系统来讲：节点5处新增了50兆瓦发热容量(CHP)，同时新建了节点3到节点6以及节点2到节点6的2条天然气管道，以扩展天然气管道的传输容量。算例1的总规划成本为21.64亿元。其中，运行成本为16.69亿元，投资成本为5.98亿元。燃气锅炉的投建不在规划范围内，然而，在第8年和第15年新增的CHP机组扩容，可以供应在气节点2和5处增加的热负荷。由于新建CHP机组和风电机组的电力供应，规划期内不再投建普通燃煤机组。P2G装置和CHP机组成为了优化不同能源系统间的纽带，风电机组WG1始建于第1年，第3年时再次扩容至35兆瓦，此时电转气厂站P2G2投入运行以平衡风电机组的波动性，当系统中风电接入比例达到一个较高值时，此时P2G把过剩的风电转换成天然气，P2G厂站也开始扩容以保障整个电力系统的功率平衡。P2G装置和CHP机组的投入运行使天然气系统和电力系统间的双向流动成为可能，各能源系统的灵活性和自由度都有很大程度地提升
尽管上面结合附图对本发明的功能及工作过程进行了描述，但本发明并不局限于上述的具体功能和工作过程，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (5)

1.一种考虑天然气与电力耦合的综合能源规划方法，其特征在于，包括以下过程：
步骤一：建立考虑天然气和电力耦合的综合能源规划模型，包括目标函数和约束条件，以最小化规划期间综合能源系统成本的总价值为目标，目标函数包括规划期内的总运行成本、新建机组投资成本、输电线路投资成本、输气线路投资成本、CHP机组建设成本、P2G厂站建设成本、GF建设成本、风电机组发电补贴，约束条件包括系统规划约束、能源系统约束、传输网络容量约束；
步骤二：对综合能源规划模型进行线性化；
步骤三：对综合能源规划模型进行求解，确定候选风电机组、火电机组、输电线路、输气线路、热电联产机组、燃气锅炉、电转气厂站的最优投资决策，获取上述能源设施的最优投建地址以及投资容量。
2.根据权利要求1所述的考虑天然气与电力耦合的综合能源规划方法，其特征在于，步骤一中所述目标函数为：
min(TC+WC+LC+GC+HC+PC+FC-SC)
式中：TC是规划期内的总运行成本，WC是新建机组投资成本，LC是输电线路投资成本，GC是输气线路投资成本，HC是CHP机组建设成本，PC是P2G厂站建设成本，FC是GF建设成本，SC是风电机组发电补贴；
(1)规划期内的总运行成本
Figure FDA0002535266600000011
式中：i为能源基础设施编号；j为CHP机组编号；pg为P2G厂站编号；g为GF编号；t为负荷块编号；u为场景编号；y为规划期编号；Nt,y表示整个规划期的第y年t负荷块的发电时长；A表示场景的总数；Pi,t,u,y表示燃煤机组i整个规划期的第y年t负荷块场景u中能源转换装置的出力；Pj,t,u,y表示CHP机组j整个规划期的第y年t负荷块场景u中能源转换装置的出力；Ppg,t,u,y表示P2G机组pg整个规划期的第y年t负荷块场景u中能源转换装置的出力；Hg,t,u,y表示GF组g整个规划期的第y年t负荷块场景u中能源转换装置的产热量；pb(Pi)表示普通燃煤机组i的边际发电成本函数；gbj,y表示CHP机组j第y年能源基础设施的边际发电或产热成本；gbpg,y表示P2G机组pg第y年能源基础设施的边际发电或产热成本；gbg,y表示GF机组g第y年能源基础设施的边际发电或产热成本；ΩCG表示燃煤机组总集合；ΩJ表示现有CHP机组集合；ΩPG表示现有P2G厂站集合；ΩG表示现有GF集合；ΩJ+表示候选CHP机组集合；ΩPG+表示候选P2G集合；ΩG+表示候选GF集合；ΩY表示规划期集合；ΩU表示总场景集合；ΩT表示总负荷块集合；
(2)新建机组投资成本
Figure FDA0002535266600000021
式中：cwi表示机组单位容量价格；swi表示投资补贴；Xi,y表示第y年i机组的建设容量；ΩI+表示候选机组集合，包括燃煤机组和风电机组；
(3)输电线路投资成本与输气线路投资成本
Figure FDA0002535266600000022
Figure FDA0002535266600000023
式中：ck,y表示二进制变量，若在整个规划期的第y年第k条线路决定投建，则此值为1，否则为0；ckk,y表示第y年线路k的建设成本；pll,y表示整个规划期的第y年第l条输气管道的投资变量；cll,y表示第y年输气管道l的建设成本；ΩK+表示候选输电线路集合；ΩL+表示候选天然气管道集合；
(4)其他能源基础设施的投资成本
Figure FDA0002535266600000024
Figure FDA0002535266600000025
Figure FDA0002535266600000031
式中：xhj,y表示第y年CHP机组j的投建容量；xppg,y表示第y年P2G厂站pg的投建容量；xfg,y表示第y年燃气锅炉g的投建容量；cjj,y表示第y年CHP机组j的单位建设成本；ctpg,y表示第y年P2G厂站pg的单位建设成本；cgg,y表示第y年燃气锅炉g的单位建设成本；
(5)风电机组发电补贴
Figure FDA0002535266600000032
式中：spi表示i风电机组的发电补贴；ΩWG表示风电机组集合。
3.根据权利要求1所述的考虑天然气与电力耦合的综合能源规划方法，其特征在于，步骤一中所述约束条件包括：
(1)系统规划约束
Figure FDA0002535266600000033
Figure FDA0002535266600000034
Figure FDA0002535266600000035
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Figure FDA0002535266600000038
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Figure FDA00025352666000000313
考虑天然气和电力耦合的综合能源规划问题中，需对所有能源设施进行最优投资决策，包括定容和选址，风电机组、燃煤机组、CHP、P2G、GF在投资后的每一年都可进行扩容；
Figure FDA0002535266600000041
Figure FDA0002535266600000042
Figure FDA0002535266600000043
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Figure FDA0002535266600000048
Figure FDA0002535266600000049
式中：Xi,y、xhj,y、xppg,y、xfg,y表示整个规划期的各能源设施的备选投建容量；ei,y、ck,y、pll,y、ehj,d,y、eppg,d,y、efg,d,y均为二进制变量(0/1变量)，表示各个能源设施的投资状态，若在整个规划期的第y年某能源设施决定投建，则此值为1，否则为0，具有指示作用；hi,d,y、hcj,d,y、pcpg,d,y、fcg,d,y也均表示0/1变量，若在整个规划期的第y年，第d级投建容量被选中为相对应各能源设施的建设量，则此值为1，否则为0，具有定容选址的作用；ρi,d,y、ρj,d,y、ρpg,d,y、ρg,d,y表示各能源设施在整个规划期的第y年第d级能源基础设施的备选投建容量；
Figure FDA00025352666000000410
Figure FDA00025352666000000411
表示各能源设施第y年的d级备选容量集合；
(2)能源系统约束
1)电功率平衡
Figure FDA00025352666000000412
式中：n为电节点编号；k为输电线路编号；
Figure FDA00025352666000000413
为电力系统中的节点-发电机关联矩阵，表示电节点和各类机组的联系；
Figure FDA0002535266600000051
为电力系统中的支路-节点关联矩阵；Dn,t,u,y表示在整个规划期的第y年负荷块t场景u中节点n的电负荷；fk,t,u,y表示在整个规划期的第y年负荷块t场景u中线路k的潮流；ΩK表示现有输电线路集合
2)热功率平衡
Figure FDA0002535266600000052
Figure FDA0002535266600000053
式中：m为气节点编号；l天然气管道编号；Hj,t,u,y、Hg,t,u,y、Hpg,t,u,y为天然气节点各类能源设施的热量；
Figure FDA0002535266600000054
为各气节点的CHP或者GF提供的热负荷；
Figure FDA0002535266600000055
为天然气网的节点-能源设施关联矩阵，表示气节点和各类能源设施的联系；
Figure FDA0002535266600000056
为天然气网的管道-节点关联矩阵，为电力和天然气网络的连接矩阵；gfl,t,u,y表示在整个规划期的第y年负荷块t场景u中天然气管道l的气流；Vs,t,u,y表示在整个规划期的第y年负荷块t场景u中天然气供应商s的供气量；Dm,t,u,y表示在整个规划期的第y年负荷块t场景u中节点m的热负荷；ΩL为天然气管道集合；
3)各能源设施转换效率
Figure FDA0002535266600000057
Figure FDA0002535266600000058
Figure FDA0002535266600000059
Figure FDA00025352666000000510
式中：
Figure FDA00025352666000000511
分别表示CHP发电和发热的转换效率；
Figure FDA00025352666000000512
为电转气的效率；
Figure FDA00025352666000000513
为燃气锅炉的产热效率；
4)出力限制
Figure FDA0002535266600000061
Figure FDA0002535266600000062
Figure FDA0002535266600000063
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Figure FDA0002535266600000066
Figure FDA0002535266600000067
Figure FDA0002535266600000068
Figure FDA0002535266600000069
Figure FDA00025352666000000610
通过控制ei,y、ehj,y、efg,y、eppg,y等0/1变量来控制候选能源设施的发电及产热。式中：Pmax,i、Pmin,i表示各能源设施发电量上下限；Hmax,i、Hmin,i表示各能源设施发热量上下限；EXi表示已建机组容量；Xi表示候选风力发电机组容量；Ki,t,u,y表示风电机组i在第y年负荷块t场景u下的风强度系数；ΩCG+表示候选燃煤机组集合；ΩCG0表示已建燃煤发电机组集合；ΩWG+表示候选风力发电机组集合；ΩWG0表示已建风力发电机组集合；ΩN表示节点集合；Pmax,j表示CHP机组最大出力；Hmax,g；Pmax,t表示P2G机组最大出力；Hmax,g表示CF机组最大热功率。
(3)传输网络容量约束
1)电网络约束
Figure FDA00025352666000000611
Figure FDA00025352666000000612
Figure FDA00025352666000000613
Figure FDA00025352666000000614
式中：fk,t,u,y＝C(X,θ)表示电抗X与相角θ之间的函数关系；Xk表示线路k的电抗；θn,t,u,y表示在整个规划期的第y年负荷块t场景u中节点n处相位角；Lmax,k、Lmin,k表示线路容量上下限；
2)天然气网络约束
Figure FDA0002535266600000071
Figure FDA0002535266600000072
Figure FDA0002535266600000073
式中：fpl,t,u,y表示整个规划期的第y年负荷块t场景u中天然气管道l的流量；fpmax,l、fpmin,l表示天然气管道l的流量上下限；Vs,t,u,y表示整个规划期的第y年负荷块t场景u中天然气供应商s的供气量；Vmax,s、Vmin,s表示天然气供应商s的供气量上下限。
4.根据权利要求1所述的考虑天然气与电力耦合的综合能源规划方法，其特征在于，步骤二中对综合能源规划模型进行线性化：
(1)火电机组成本分段线性化，火电电机组成本二次曲线线性表达：
MinF＝F1+IF1Px1+IF2Px2+IF3Px3
S.t.
P＝P+Px1+Px2+Px3
0≤Px1≤P2-P1
0≤Px2≤P3-P2
0≤Px3≤P4-P3
(2)线路潮流线性化
1)直流潮流法
采用直流潮流法，表示线路潮流和相位角之间的线性关系，在直流潮流法中，对于输电线ij，支路有功潮流表示为：
pij＝Vi 2(gij+gi0)-ViVj(gijcosθij+bijsinθij)
式中：pij为输电线路ij输入端的有功功率；Vi、Vj输电线路ij两端节点ij的电压幅值；θij为输电线路ij两端节点ij的相角差；gij为输电线路ij的电导；gi0为输电线路i0的电导；bij为输电线路ij的电纳；对式进行简化，条件如下：
a)忽略电阻rij，则gij＝0,bij＝-1/xij,xij为输电线路ij的电抗；
b)θi-θj很小，令cosθij＝1,sinθij＝θi-θj，θi、θj表示为第i、j两端节点相角；
c)Vi＝Vj＝1，各节点电压幅值均取标幺值1；
d)忽略支路对地支路；
则支路有功潮流等式写成：
Figure FDA0002535266600000081
节点功率写成求和的形式：
Figure FDA0002535266600000082
Figure FDA0002535266600000083
式中：pi表示通过i节点的功率；bij表示i、j节点间电纳；Bk表示线路k的电纳；θn,t,u,y表示在整个规划期的第y年负荷块t场景u中节点n处相位角；
Figure FDA0002535266600000084
2)候选线路潮流的大M法
对于候选线路的直流潮流表示形式：
Figure FDA0002535266600000085
利用大M法，引入一个正数Mk，线性表达式；
Figure FDA0002535266600000086
通过0/1变量和kM控制线路潮流随其投资状态而改变，即当线路未投建时，ck,y为0，将线路潮流设置为零；一旦线路投建以后，ck,y变为1，它将不再被视为候选线路，满足直流潮流等式。
5.根据权利要求1所述的考虑天然气与电力耦合的综合能源规划方法，其特征在于，步骤三中利用GAMS中的CPLEX求解器对综合能源规划模型进行求解：
(1)输入电力系统和天然气系统相关能源基础设施的初始参数以及其他相关数据；
(2)形成天然气与电力耦合网络以及相应矩阵；
(3)在GAMS上实现编程并调用CPLEX求解器对目标函数及直流潮流大M法进行求解；
(4)输出最优结果，得出风电机组、火电机组、输电线路、输气线路、热电联产机组、燃气锅炉、电转气厂站的站址和容量的最优规划结果。
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Cited By (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112488535A (zh) * 2020-12-01 2021-03-12 中国科学院地理科学与资源研究所 一种能源网络安全测度方法、系统及数据平台
CN112818552A (zh) * 2021-02-08 2021-05-18 贵州电网有限责任公司 一种经济性与可靠性协调的电-气系统设备选址定容方法
CN112968441A (zh) * 2021-03-12 2021-06-15 内蒙古科技大学 一种应用于大规模风电基地的电网规划方法
CN113570115A (zh) * 2021-07-01 2021-10-29 东方电气集团东方电机有限公司 一种适用双向能流的综合能源系统p2g厂站规划方法
CN113919560A (zh) * 2021-09-30 2022-01-11 深圳供电局有限公司 一种用于气电互补能源系统的燃气轮机容量规划方法
CN117035202A (zh) * 2023-10-10 2023-11-10 国网山西省电力公司电力科学研究院 考虑需求响应的电热综合能源系统双层协同扩展规划方法
WO2024046098A1 (zh) * 2022-09-01 2024-03-07 清华大学深圳国际研究生院 一种电-气耦合综合能源系统规划辅助方法

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN106529740A (zh) * 2016-12-08 2017-03-22 西安交通大学 一种天然气网络、电力网络和电源的联合规划方法
CN108694483A (zh) * 2018-07-28 2018-10-23 天津大学 考虑电热气耦合的综合能源系统设备选型及容量规划方法
CN109740955A (zh) * 2019-01-10 2019-05-10 燕山大学 一种计及改进阶梯式碳交易的电-气综合能源系统规划方法
CN109919452A (zh) * 2019-02-15 2019-06-21 三峡大学 一种基于多主体博弈的电力-天然气综合能源系统联合规划方法
CN110503250A (zh) * 2019-08-08 2019-11-26 燕山大学 考虑电-热转移负荷转移量不确定性的综合能源规划方法
WO2020093296A1 (zh) * 2018-11-06 2020-05-14 国电南瑞科技股份有限公司 电-热互联综合能源系统的区间潮流计算方法

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN106529740A (zh) * 2016-12-08 2017-03-22 西安交通大学 一种天然气网络、电力网络和电源的联合规划方法
CN108694483A (zh) * 2018-07-28 2018-10-23 天津大学 考虑电热气耦合的综合能源系统设备选型及容量规划方法
WO2020093296A1 (zh) * 2018-11-06 2020-05-14 国电南瑞科技股份有限公司 电-热互联综合能源系统的区间潮流计算方法
CN109740955A (zh) * 2019-01-10 2019-05-10 燕山大学 一种计及改进阶梯式碳交易的电-气综合能源系统规划方法
CN109919452A (zh) * 2019-02-15 2019-06-21 三峡大学 一种基于多主体博弈的电力-天然气综合能源系统联合规划方法
CN110503250A (zh) * 2019-08-08 2019-11-26 燕山大学 考虑电-热转移负荷转移量不确定性的综合能源规划方法

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
刘祥瑞: "考虑天然气和电力耦合的综合能源规划", 《中国优秀硕士学位论文全文数据库》 *

Cited By (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112488535A (zh) * 2020-12-01 2021-03-12 中国科学院地理科学与资源研究所 一种能源网络安全测度方法、系统及数据平台
CN112818552A (zh) * 2021-02-08 2021-05-18 贵州电网有限责任公司 一种经济性与可靠性协调的电-气系统设备选址定容方法
CN112818552B (zh) * 2021-02-08 2023-09-22 贵州电网有限责任公司 一种经济性与可靠性协调的电-气系统设备选址定容方法
CN112968441A (zh) * 2021-03-12 2021-06-15 内蒙古科技大学 一种应用于大规模风电基地的电网规划方法
CN113570115A (zh) * 2021-07-01 2021-10-29 东方电气集团东方电机有限公司 一种适用双向能流的综合能源系统p2g厂站规划方法
CN113570115B (zh) * 2021-07-01 2023-04-28 东方电气集团东方电机有限公司 一种适用双向能流的综合能源系统p2g厂站规划方法
CN113919560A (zh) * 2021-09-30 2022-01-11 深圳供电局有限公司 一种用于气电互补能源系统的燃气轮机容量规划方法
WO2024046098A1 (zh) * 2022-09-01 2024-03-07 清华大学深圳国际研究生院 一种电-气耦合综合能源系统规划辅助方法
CN117035202A (zh) * 2023-10-10 2023-11-10 国网山西省电力公司电力科学研究院 考虑需求响应的电热综合能源系统双层协同扩展规划方法
CN117035202B (zh) * 2023-10-10 2024-01-23 国网山西省电力公司电力科学研究院 考虑需求响应的电热综合能源系统双层协同扩展规划方法

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