CN114417625B - 一种考虑风气互补特性的季节储能解决方法 - Google Patents

Abstract

本发明一种考虑风气互补特性的季节储能解决方法，具体体现在夏季时风电出力匮乏、燃气负荷较低，通过天然气机组发电提升电网发电能力和天然气使用效率；冬季时燃气负荷增加，但存在大量弃风，此时通过“电转气”技术将弃置的风电转化为燃气。通过合理规划电气互联系统的容量，充分利用风电和天然气之间季节互补特性，达到“季节性储能”的效果。本发明提出了一种考虑风气互补特性的季节储能解决方法，使用内嵌模拟运行的方式综合考虑了电力系统和天然气系统互联后在季节和日内两个尺度上出力和负荷特征的耦合，引入系统的爬坡和调峰能力约束，以及风电接入后的风险约束，细化了天然气结算方式进行规划，以满足系统经济性和可靠性的要求。

Description

一种考虑风气互补特性的季节储能解决方法

技术领域

本发明涉及电力系统与天然气系统规划领域，尤其涉及电气互联系统中基于规划实现季节储能，具体为一种考虑风气互补特性的季节储能解决方法。

背景技术

我国近些年来加大新能源发展力度，并通过“煤改电”、“煤改气”等加大终端能源清洁化。在能源行业清洁化发展同时，一些问题也逐渐显现，一方面，新能源具有明显的季节性分布特点，随着新能源发电比例提高，仅依靠大规模储能将需要巨大的成本投入，且难以平抑新能源波动性对电网的冲击；另一方面，冬季供暖天然气用气需求激增，天然气负荷夏冬季节性差异愈发明显，冬季气荒导致的价格暴涨现象频发。伴随着电转气技术发展和燃气发电比例提升，电力系统和天然气系统的耦合越发紧密，充分利用电-气综合能源系统中不同能源需求特征和能源禀赋的季节互补效益，实现季节性“储能”的效果，对于服务双碳目标，构建以新能源为主体的新型电力系统具有非常重要的意义。

目前，国内外对电气互联系统和季节性储能均有研究，但在电气互联系统的规划中往往忽略系统对于季节性储能的需求，在季节性储能研究中又往往忽略电力系统和天然气系统互联带来的能源互济优势。包铭磊,丁一,桑茂盛,梁梓杨,惠恒宇,唐学用,邵常政等在《中国电机工程学报》2021年第22期上发表的“计及经济性与可靠性协调的电-气耦合系统源端容量规划研究”考虑了经济性和可靠性的协调后对电-气耦合系统的源端容量进行了规划，但未考虑新能源电力系统季节储能需求；姜海洋,杜尔顺,金晨,肖晋宇,侯金鸣,张宁等在《中国电机工程学报》2021年第6期上发表的“高比例清洁能源并网的跨国互联电力系统多时间尺度储能容量优化规划”考虑了大电网互联对于电力系统中储能的替代效果，但研究仅针对电力系统和储电设备开展。

经验表明，风电和天然气源荷之间存在明显的季节相关性，以我国常见的温带季风气候为例，夏季风电较少、燃气负荷较低，燃气充足，同时按照当前天然气供应的国际惯例和规则，采购业务中仍以长期合同为基础，以自由市场的现货交易作为补充，根据长期合同最低购气量“照付不议”，即若实际购买天然气小于最低购气量时，仍需按照最低购气量付款，而超出最高上限的部分则从现货市场采购进行补充，夏季天然气系统负荷较低，当其与储气装置容量之和仍低于最低购气量时，从经济角度考虑，此时增大燃气轮机出力，并不会增大发电成本；冬季燃气负荷增加，但存在大量弃风；若合理规划风电和天然气机组的容量，夏季通过天然气机组发电提升电网发电能力和天然气管网使用效率，冬季通过“电转气”技术将弃置的风电转化为燃气，充分利用风电和天然气之间季节互补特性，将可以达到“季节性储能”的效果，使得电-气综合能源系统的规划更加合理，系统运行更加高效，节省不必要的投资和浪费。

发明内容

本发明为解决上述问题，提出一种考虑风气互补特性的季节储能解决方法。根据风电出力和天然气系统负荷之间在季节上的耦合特性，在不同的季节特征下适用不同的方式实现能源的互补互济。使用内嵌模拟运行的方式综合考虑了电力系统和天然气系统互联后在季节和日内两个尺度上出力和负荷特征的耦合，引入风电接入后的风险约束，细化了天然气结算方式，以满足系统经济性和可靠性的要求。

本发明是采用如下技术方案实现的：一种考虑风气互补特性的季节储能解决方法，具体包括以下步骤：

步骤1：根据历史数据，以我国温带季风区域季节特点为例，依据电力系统和天然气系统的季节性特征将目标区域的全年分为N个典型场景。

步骤2：获取目标区域的年度时间序列：其中年度负荷序列采用负荷预测结果，而风电的中长期出力序列采用了基于马尔科夫链-蒙特卡洛仿真法的风电时间序列建模方法来生成出力时间序列。

步骤3：获得年度时间序列后，在时间尺度上以日为单位作为聚类基本单元，每个单元包括一组对应的风出力和电力及燃气负荷时间序列，通过聚类方法进行聚类，从而获得不同典型场景对应的典型日时间序列及典型场景出现天数。

步骤4：建立内嵌模拟运行的容量规划模型，综合考虑电力系统和天然气系统互联后在季节和日内两个尺度上出力和负荷特征的耦合。规划模型以年化投资成本、年运行成本和弃风成本之和最小为目标，目标函数表示如下：

min C＝C_inv/n_l+C_sys+C_w

式中：C_sys为运行成本，式中C_inv为建设投资成本，C_w为弃风成本，n_l为规划使用年限。

其中运行成本C_sys如下式所示：

式中：Ω_G为火电机组集合，N为典型场景类型数，n_m为第m种典型场景出现天数，T为典型日内时间断面数，a_i、b_i、c_i为火电机组耗量特性曲线参数，P_G,i,t为t时刻i节点发电机组出力，C_g为天然气成本。

为了考虑充分考虑经济效益，细化天然气结算方式。假定天然气长期合同“照付不议”结算方式，虽然天然气发电运行成本通常高于火电机组，但考虑到天然气“照付”合同的影响，夏天当天然气负荷与储气之和小于下限气量时，可以认为燃气发电边际成本为0，系统天然气成本C_g如下式所示：

式中：Ω_S为气源点集合，S_j,t为t时刻j处的气源供气流量，S_j,T为日总用气量，为j处日指定最低气量，/>为j点日指定最高气量，C_gs,j,m为j处典型场景m的合同购气价格，/>为j处典型场景m的自由市场购气价格。

容量规划模型内嵌运行模拟，电网模型采用直流潮流模型，约束采用稳态电力系统约束，包括功率平衡约束、机组出力约束、电压相角约束、传输功率约束、爬坡约束。天然气网络模型采用稳态模型，约束包括流量平衡约束、管道方程约束、节点供气约束、节点压力约束。电转气模型采用稳态模型，约束包括功率转换约束、工作功率约束。

在上述模型约束基础上考虑风电大规模接入后，其对系统灵活性的影响较大。故采用动态仿真评价法，考虑风电接入后的运行风险，引入风电风险函数及其约束如下：

0≤R≤R_max

式中：α_t、β_t分别为弃风惩罚系数和切负荷惩罚系数，W_cut,i,t、W_d,i,t分别为节点i处t时的弃风量和切负荷量，Cap_w,i为i处风电装机容量，Ω_W为风电发电机集合，Ω_L为电力系统负荷集合。R_max为运行风险上限，当没有弃风和切负荷时运行风险为0。

步骤5：基于步骤4搭建的内嵌运行模拟的模型，采用步骤3生成的典型日时间序列场景进行运行模拟，求解出系统中相关设备的规划容量情况。

综上所述，本发明综合考虑了电力系统和天然气系统互联后在季节和日内两个尺度上出力和负荷特征的耦合，引入风电接入后的风险约束，细化了天然气结算方式，以满足系统经济性和可靠性的要求。相较于传统的单独规划电力系统和天然气系统，通过考虑两系统之间的季节互补特征来合理规划，减少两个能源系统对于季节储能的需求，有助于发挥能源互补的潜力，使得能源系统规划运行更加合理高效。

附图说明

图1为季节互补特性原理示意图。

图2为内嵌运行模拟的规划模型示意图。

具体实施方式

一种考虑风气互补特性的季节储能解决方法，具体包括以下步骤：

步骤1：根据历史数据，以我国温带季风区域季节特点为例，依据电力系统和天然气系统的季节性特征将目标区域的全年分为春秋、夏、冬三个典型场景，其季节互补特性示意如图1。

根据三种典型场景特点，不同典型场景采用不同的运行策略：

夏季天然气系统负荷较低，当其与储气装置容量之和仍低于最低购气量时，从经济角度考虑，增大燃气轮机出力，使用原照付不议部分燃气发电，可用其来弥补夏季少风无风造成的发电缺额；

冬季风电高发，消纳困难，而燃气锅炉供暖负荷消耗天然气较多，通过P2G装置将电能转化为燃气，并充分调动天然气系统进行配置，提升风电消纳能力和缓解天然气不足；

春秋季处于夏冬季之间，燃气发电成本和碳排放均高于风电，此时在满足电网调峰和安全约束的前提下，实现风电和天燃气机组出力优化。

步骤2：获取目标区域的年度时间序列：其中年度负荷序列采用负荷预测结果，而风电的中长期出力序列采用了基于马尔科夫链-蒙特卡洛仿真法的风电时间序列建模方法来生成出力时间序列。

步骤3：获得年度时间序列后，在时间尺度上以日为单位并作为聚类基本单元，每个单元包括一组对应的风出力和电力及燃气负荷时间序列，通过k-means聚类方法进行聚类，从而获得不同典型场景对应的典型日时间序列及典型场景出现天数。

步骤4：建立内嵌模拟运行的容量规划模型，综合考虑电力系统和天然气系统互联后在季节和日内两个尺度上出力和负荷特征的耦合。规划模型以年化投资成本、年运行成本和弃风成本之和最小为目标，目标函数表示如下：

min C＝C_inv/n_l+C_sys+C_w

式中：C_sys为年运行成本，式中C_inv为建设投资成本，C_w为弃风成本，n_l为规划使用年限。

其中运行成本C_sys如下式所示：

式中：Ω_G为火电机组集合，N为典型场景类型数，本实施例N为3，n_m为第m种典型场景出现天数，T为典型日内时间断面数，按小时断面取为24，a_i、b_i、c_i为火电机组耗量特性曲线参数，P_G,i,t为t时刻i节点发电机组出力，C_g为天然气成本。

为了考虑充分考虑经济效益，细化天然气结算方式。假定天然气长期合同“照付不议”结算方式，虽然天然气发电运行成本通常高于火电机组，但考虑到天然气“照付不议”合同的影响，夏天当天然气负荷与储气之和小于下限气量时，可以认为燃气发电边际成本为0，系统天然气成本C_g如下式所示：

式中：Ω_S为气源点集合，S_j,t为t时刻j处的气源供气流量，S_j,T为日总用气量，为j处日指定最低气量，/>为j处日指定最高气量，C_gs,j,m为j处典型日m的合同购气价格，为j处典型日m的自由市场购气价格。

容量规划模型内嵌运行模拟，其中电网模型采用直流潮流模型，约束采用稳态电力系统约束，包括功率平衡约束、机组出力约束、电压相角约束、爬坡约束。天然气网络模型采用稳态模型，约束包括流量平衡约束、节点供气约束、节点压力约束。电转气模型采用稳态模型，约束包括功率转换约束、工作功率约束。

在上述模型约束基础上考虑风电大规模接入后，其对系统灵活性的影响较大。故采用动态仿真评价法，考虑风电接入后的运行风险，引入风电风险函数及其约束如下：

0≤R≤R_max

式中：α_t、β_t分别为弃风惩罚系数和切负荷惩罚系数，W_cut,i,t、W_d,i,t分别为节点i处t时的弃风量和切负荷量，Cap_w,i为i处风电装机容量，Ω_W为风电发电机集合，Ω_L为电力系统负荷集合。R_max为运行风险上限，当没有弃风和切负荷时运行风险为0。

步骤5：基于步骤4搭建的内嵌运行模拟的模型，采用步骤3生成的典型日时间序列进行运行模拟，求解出系统中相关设备的规划容量情况。

Claims (4)

1.一种考虑风气互补特性的季节储能解决方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤1：根据历史数据，依据电力系统和天然气系统的季节性特征将目标区域的全年分为N个典型场景；

步骤2：获取目标区域的年度时间序列；

步骤3：获得目标区域的年度时间序列后，在时间尺度上以日为单位，该单位作为聚类基本单元，通过聚类方法进行聚类，从而获得不同典型场景对应的典型日时间序列及典型场景出现天数；

步骤4：建立内嵌模拟运行的容量规划模型，容量规划模型以年化投资成本、年运行成本和弃风成本之和最小为目标，目标函数表示如下：min C＝C_inv/n_l+C_sys+C_w，式中：C_sys为年运行成本，C_inv为建设投资成本，C_w为弃风成本，n_l为规划使用年限；其中年运行成本式中：Ω_G为火电机组集合，N为典型场景类型数，n_m为第m种典型场景出现天数，T为典型日内时间断面数，a_i、b_i、c_i为火电机组耗量特性曲线参数，P_G,i,t为t时刻i节点发电机组出力，C_g为天然气成本；

容量规划模型内嵌运行模拟模型，其中电网模型采用直流潮流模型，约束采用稳态电力系统约束，包括功率平衡约束、机组出力约束、电压相角约束、爬坡约束；天然气网络模型采用稳态模型，约束包括流量平衡约束、节点供气约束、压力流量方程和节点压力约束；电转气模型采用稳态模型，约束包括功率转换约束、工作功率约束；

在上述模型约束基础上采用动态仿真评价法，考虑风电接入后的运行风险，引入风电风险函数及其约束如下：式中：α_t、β_t分别为弃风惩罚系数和切负荷惩罚系数，W_cut,i,t、W_d,i,t分别为节点i处t时的弃风量和切负荷量，Cap_w,i为i处风电装机容量，Ω_W为风电发电机集合，Ω_L为电力系统负荷集合，R_max为运行风险上限，当没有弃风和切负荷时运行风险为0；

步骤5：基于步骤4搭建的内嵌运行模拟的模型，采用步骤3生成的典型日时间序列进行运行模拟，求解出系统中相关设备的规划容量情况。

2.根据权利要求1所述的一种考虑风气互补特性的季节储能解决方法，其特征在于：将目标区域的全年分为春秋、夏、冬三个典型场景，根据三种典型场景特点，不同典型场景采用不同的运行策略：

夏季天然气系统负荷较低，当其与储气装置容量之和仍低于最低购气量时，从经济角度考虑，增大燃气轮机出力，使用原照付不议部分燃气发电，可用其来弥补夏季少风火无风造成的发电缺额；

冬季典型日风电高发，消纳困难，而燃气锅炉供暖负荷消耗天然气较多，通过P2G装置将电能转化为燃气，并充分调动天然气系统进行配置，提升风电消纳能力和缓解天然气不足；

春秋季典型日处于夏冬季之间，燃气发电成本和碳排放均高于风电，此时在满足电网调峰和安全约束的前提下，实现风电和天然气机组出力优化。

3.根据权利要求1或2所述的一种考虑风气互补特性的季节储能解决方法，其特征在于：年度时间序列中年度负荷序列采用负荷预测结果，而风电的中长期出力序列采用了基于马尔科夫链-蒙特卡洛仿真法的风电时间序列建模方法来生成出力时间序列。

4.根据权利要求1或2所述的一种考虑风气互补特性的季节储能解决方法，其特征在于：天然气成本C_g如下式所示：

式中：Ω_S为气源点集合，S_j,t为t时刻j处的气源供气流量，S_j,T为日总用气量，/>为j处日指定最低气量，/>为j处日指定最高气量，C_gs,j,m为j处典型场景m的合同购气价格，/>为j处典型场景m的自由市场购气价格。