基于場(chǎng)景分析的含P2G裝置電氣能源系統(tǒng)協(xié)同優(yōu)化

殷作洋，趙銀波，楊景茜，李順，高紅均，劉俊勇

(1.國(guó)網(wǎng)四川省電力公司廣安供電公司，四川省廣安市 638000；2.四川大學(xué)電氣工程學(xué)院, 成都市 610065)

0 引 言

隨著人類(lèi)社會(huì)的不斷發(fā)展，能源利用的危機(jī)日益凸顯，以能源互聯(lián)網(wǎng)為核心的第三次工業(yè)革命正在興起[1-3]。其中，天然氣以清潔、儲(chǔ)量巨大的特征被廣為關(guān)注，研究天然氣系統(tǒng)與電力系統(tǒng)間的耦合關(guān)聯(lián)關(guān)系具有實(shí)際意義。此外，風(fēng)電裝機(jī)容量的不斷提升，大量的棄風(fēng)現(xiàn)象限制了其應(yīng)用和發(fā)展，多能源系統(tǒng)的耦合有望提升風(fēng)電的利用率。

傳統(tǒng)天然氣系統(tǒng)和電力系統(tǒng)分開(kāi)運(yùn)行、單獨(dú)調(diào)度、能源利用效率低。現(xiàn)有研究主要通過(guò)燃?xì)廨啓C(jī)機(jī)組[4-5]和電轉(zhuǎn)氣(power to gas，P2G)技術(shù)將電-氣系統(tǒng)進(jìn)行耦合關(guān)聯(lián)，特別是近年來(lái)逐漸成熟的電轉(zhuǎn)氣技術(shù)，通過(guò)將電力系統(tǒng)中多余的電能轉(zhuǎn)化為氫氣或天然氣，注入到天然氣網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中，提高了系統(tǒng)對(duì)于清潔能源的消納能力，將傳統(tǒng)的單向氣轉(zhuǎn)電的運(yùn)行模式，轉(zhuǎn)化為閉環(huán)流動(dòng)的雙向互動(dòng)電-氣耦合系統(tǒng)[6-7]。

針對(duì)含P2G裝置的電-氣綜合能源系統(tǒng)的協(xié)調(diào)優(yōu)化已有一定的研究報(bào)道[8-9]，文獻(xiàn)[8]建立了含 P2G 的電-氣耦合系統(tǒng)協(xié)同優(yōu)化規(guī)劃模型，文獻(xiàn)[9]構(gòu)建了氣電互聯(lián)虛擬電廠(chǎng)多目標(biāo)優(yōu)化模型，并將需求響應(yīng)技術(shù)與電轉(zhuǎn)氣技術(shù)結(jié)合，具有協(xié)同削峰填谷效應(yīng)。但現(xiàn)有文獻(xiàn)對(duì)天然氣系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)潮流建模均不夠詳盡，文獻(xiàn)[10]為提高計(jì)算效率，犧牲一定的模型精確性，采用線(xiàn)性方法求解，建模太簡(jiǎn)單。文獻(xiàn)[11-12]采用智能優(yōu)化算法處理天然氣潮流非線(xiàn)性邊界約束條件，但往往容易陷入局部最優(yōu)解。故本文提出了詳細(xì)的天然氣系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)潮流模型，采用分段線(xiàn)性化的方法將約束條件線(xiàn)性化，將模型轉(zhuǎn)化為混合整數(shù)優(yōu)化問(wèn)題，并采用成熟的商業(yè)軟件進(jìn)行求解。

文獻(xiàn)[6-7]在研究含P2G的電-氣系統(tǒng)的問(wèn)題時(shí)，均未考慮風(fēng)電的波動(dòng)對(duì)綜合系統(tǒng)運(yùn)行產(chǎn)生的影響，故本文加入天然氣儲(chǔ)氣元件和儲(chǔ)電裝置，在一定程度上緩沖風(fēng)電的波動(dòng)對(duì)系統(tǒng)的影響。同時(shí)，由于風(fēng)電出力具有隨機(jī)性，給電氣能源系統(tǒng)帶來(lái)了新的挑戰(zhàn)，文獻(xiàn)[13-14]均建立了風(fēng)電不確定下的綜合系統(tǒng)調(diào)度模型。本文采用基于場(chǎng)景的方法處理風(fēng)電不確定性，建立機(jī)組組合和實(shí)時(shí)運(yùn)行兩階段調(diào)度優(yōu)化決策模型。此外，現(xiàn)有研究多停留在電力系統(tǒng)側(cè)，對(duì)耦合后的天然氣系統(tǒng)的分析較少，而無(wú)論是從規(guī)劃或是運(yùn)行的層面上，天然氣系統(tǒng)的運(yùn)行結(jié)果對(duì)綜合系統(tǒng)也將產(chǎn)生很大程度的影響。

綜上所述，本文考慮風(fēng)電出力不確定性，建立含P2G裝置的電氣能源系統(tǒng)的兩階段優(yōu)化調(diào)度模型。首先，對(duì)含P2G裝置的電氣能源系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行展示和分析，并對(duì)其運(yùn)行特性進(jìn)行分析。然后，對(duì)風(fēng)電出力場(chǎng)景集的生成方法進(jìn)行描述。其次，考慮電力系統(tǒng)和天然氣系統(tǒng)的潮流約束條件，以及風(fēng)電出力不確定性，建立基于場(chǎng)景下的電氣能源系統(tǒng)的兩階段優(yōu)化調(diào)度數(shù)學(xué)模型，并采用分段線(xiàn)性化的方法對(duì)天然氣潮流約束條件進(jìn)行處理。最后，通過(guò)算例分析不同場(chǎng)景下綜合系統(tǒng)的運(yùn)行結(jié)果，并與確定性模型與隨機(jī)規(guī)劃模型的結(jié)果對(duì)比。

1 含P2G裝置的電氣能源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

含P2G裝置的電氣綜合能源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，其中電力系統(tǒng)側(cè)包含了常規(guī)發(fā)電機(jī)組、風(fēng)電機(jī)組和電儲(chǔ)能元件，天然氣系統(tǒng)側(cè)包含了天然氣氣源、儲(chǔ)氣裝置和天然氣負(fù)荷，耦合元件包含了燃?xì)廨啓C(jī)機(jī)組和P2G裝置。

其中，電轉(zhuǎn)氣裝置通常包含電解水裝置和甲烷化催化裝置兩個(gè)部分，首先通過(guò)電解水裝置將水電解為氫氣和氧氣；然后通過(guò)甲烷化催化裝置將得到的氫氣在高溫加壓環(huán)境下與CO2作用產(chǎn)生甲烷和水。通過(guò)以上兩個(gè)步驟，即可實(shí)現(xiàn)將電能轉(zhuǎn)化為天然氣的過(guò)程。系統(tǒng)中的燃?xì)廨啓C(jī)機(jī)組則是采用燃燒天然氣產(chǎn)生電能的方式，實(shí)現(xiàn)天然氣到電能的轉(zhuǎn)化。這樣便實(shí)現(xiàn)了兩個(gè)系統(tǒng)之間的閉合雙向流動(dòng)轉(zhuǎn)化過(guò)程。

圖1 電氣能源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of the integrated power and gas system

2 場(chǎng)景集的生成和聚類(lèi)縮減

2.1 場(chǎng)景集的生成

(1)

由式(1)獲得風(fēng)電出力預(yù)測(cè)誤差的場(chǎng)景集后再加上風(fēng)電出力預(yù)測(cè)值，即可獲得實(shí)際風(fēng)電出力值的場(chǎng)景集。

2.2 場(chǎng)景的聚類(lèi)縮減

K-means聚類(lèi)是常用的聚類(lèi)方法之一，具有便于理解且操作簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)，可以用于大規(guī)模場(chǎng)景的聚類(lèi)[15]。該方法的核心是質(zhì)心和距離的計(jì)算, 假設(shè)χs(s=1,2,…,Ns) 表示由2. 1節(jié)所述方法生成的Ns個(gè)風(fēng)電出力初始場(chǎng)景，Ms表示聚類(lèi)后的目標(biāo)風(fēng)電出力場(chǎng)景數(shù)，聚類(lèi)縮減的基本步驟如下：

2)計(jì)算所有質(zhì)心風(fēng)電出力場(chǎng)景與所有剩余風(fēng)電出力場(chǎng)景的距離。

(2)

3)將所有剩余風(fēng)電出力場(chǎng)景歸類(lèi)于與自身距離最近的質(zhì)心風(fēng)電出力場(chǎng)景，本次聚類(lèi)后的同類(lèi)場(chǎng)景集合可表示為Ci(i=1,2,…,Ms)。

4)計(jì)算新的質(zhì)心風(fēng)電出力場(chǎng)景：假設(shè)每個(gè)聚類(lèi)風(fēng)電出力場(chǎng)景集合Ci中有Lx個(gè)場(chǎng)景，該場(chǎng)景集合中每個(gè)場(chǎng)景與其他場(chǎng)景的距離之和ETx表示為：

(3)

選取距離之和最小，即ETk=min(ETx)對(duì)應(yīng)的場(chǎng)景χk作為新的質(zhì)心風(fēng)電出力場(chǎng)景，并按上述步驟重新確定質(zhì)心風(fēng)電出力場(chǎng)景集合。

5)重復(fù)上述步驟，直到質(zhì)心風(fēng)電出力場(chǎng)景和場(chǎng)景聚類(lèi)結(jié)果都不再發(fā)生改變，場(chǎng)景的聚類(lèi)縮減結(jié)束。得到的Ms個(gè)質(zhì)心場(chǎng)景為最終風(fēng)電出力場(chǎng)景，每個(gè)場(chǎng)景的概率值為該類(lèi)場(chǎng)景集合中所有風(fēng)電出力場(chǎng)景的概率之和。

3 電氣能源系統(tǒng)協(xié)調(diào)優(yōu)化調(diào)度模型

3.1 目標(biāo)函數(shù)

考慮風(fēng)電的不確定場(chǎng)景，本文構(gòu)建的電氣能源系統(tǒng)協(xié)調(diào)調(diào)度模型分為兩個(gè)階段，第1階段調(diào)度為機(jī)組組合的優(yōu)化，第2階段調(diào)度為實(shí)時(shí)運(yùn)行機(jī)組出力的優(yōu)化。目標(biāo)函數(shù)包括常規(guī)機(jī)組啟停、運(yùn)行成本，燃?xì)廨啓C(jī)機(jī)組啟停、運(yùn)行成本和棄風(fēng)成本等，如下：

(4)

fg,i=STiIi,t(1-Ii,t-1)+SDiIi,t-1(1-Ii,t)

(5)

(6)

(7)

(8)

3.2 約束條件

3.2.1電網(wǎng)約束

1)功率平衡。

(9)

2)常規(guī)機(jī)組相關(guān)約束。

Ii,tPi,min≤Pi,t(s)≤Ii,tPi,max

(10)

式中：Pi,min和Pi,max分別為第i臺(tái)常規(guī)機(jī)組電功率的下限和上限。

(11)

式中：RUi、RDi分別為常規(guī)機(jī)組i的爬坡速率、滑坡速率。此外，常規(guī)機(jī)組還應(yīng)滿(mǎn)足機(jī)組最小開(kāi)停機(jī)時(shí)間約束，詳見(jiàn)參考文獻(xiàn)[16]。

3)風(fēng)電機(jī)組出力約束。

(12)

式(12)表示風(fēng)電的實(shí)際出力值不應(yīng)超過(guò)預(yù)測(cè)出力值。

4)潮流約束。

本文采用文獻(xiàn)[17]中的直流潮流約束條件。

5)儲(chǔ)電裝置約束。

(13)

(14)

(15)

(16)

(17)

(18)

6)備用約束。

電-氣系統(tǒng)中通過(guò)常規(guī)機(jī)組和燃?xì)廨啓C(jī)機(jī)組提供正、負(fù)備用：

(19)

(20)

3.2.2天然氣網(wǎng)絡(luò)約束條件

1)節(jié)點(diǎn)氣壓約束。

在天然氣網(wǎng)絡(luò)中，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都有壓力上下限值：

πi,min≤πi,t(s)≤πi,max

(21)

式中:πi,t(s)為第i個(gè)節(jié)點(diǎn)t時(shí)刻的氣壓；πi,min、πi,max分別表示壓力的下限、上限值。

2)質(zhì)量守恒定律約束。

天然氣管網(wǎng)中的天然氣流量需要滿(mǎn)足質(zhì)量守恒定律，即是任意節(jié)點(diǎn)的總流入量等于總流出量。

(22)

3)天然氣系統(tǒng)潮流約束。

對(duì)任意管道的管道流量與節(jié)點(diǎn)壓力需滿(mǎn)足以下關(guān)系：

(23)

(24)

(25)

式中：πi,t(s)、πj,t(s)分別表示第i個(gè)點(diǎn)節(jié)和第j個(gè)節(jié)點(diǎn)t時(shí)刻的氣壓。

4)氣源注入量約束。

對(duì)于天然氣氣源的供氣量需滿(mǎn)足以下約束條件：

(26)

5)儲(chǔ)氣裝置約束。

(27)

(28)

(29)

(30)

(31)

(32)

3.2.3耦合元件約束條件

1)燃?xì)廨啓C(jī)機(jī)組。

(33)

式中：qi,min和qi,max分別表示燃?xì)廨啓C(jī)機(jī)組用氣量的下限和上限。

(34)

式(34)表示燃?xì)廨啓C(jī)機(jī)組發(fā)電量和天然氣用量間的關(guān)系，η表示燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電效率，取35%。

(35)

2)P2G裝置。

(36)

(37)

式中：ηP2G表示P2G裝置的轉(zhuǎn)換效率，本文取70%。

3.3 天然氣潮流線(xiàn)性化處理

由天然氣網(wǎng)絡(luò)約束條件看出，其為非線(xiàn)性邊界的約束條件，本文采用分段線(xiàn)性化的方法進(jìn)行處理。

考慮到天然氣管道中的流量方向在同一時(shí)刻具有唯一性，引入0～1輔助變量uij和uji，并需滿(mǎn)足條件：

uij+uji≤1

(38)

式中：uij表示天然氣流量從節(jié)點(diǎn)i流向節(jié)點(diǎn)j；uji表示天然氣流量從節(jié)點(diǎn)j流向節(jié)點(diǎn)i。

進(jìn)而可將式(23)中的方向變量轉(zhuǎn)化為：

sgn(πi,πj)=uij-uji

(39)

然后將非線(xiàn)性約束條件式(23)的兩邊進(jìn)行平方處理，再消去絕對(duì)值符號(hào)，可得到：

(40)

首先分析當(dāng)天然氣流量從節(jié)點(diǎn)i流向節(jié)點(diǎn)j的情況，則uij=1，式(40)可轉(zhuǎn)化為：

(41)

下一步則是需要處理式(40)左側(cè)的管道流量平方項(xiàng)，由于管道流量滿(mǎn)足式(24)，即可將該式兩邊平方得到：

(42)

(43)

式中:uij,m為0～1輔助變量。

通過(guò)式(43)管道流量的平方項(xiàng)得以用0～1輔助變量uij,m來(lái)表示，且必定能滿(mǎn)足式(42)的約束，但其精度與分段數(shù)相關(guān)。分段越少，求解的計(jì)算量越小，精度越低；分段越多，求解的計(jì)算量也越大，精度越高。因此在實(shí)際操作中，應(yīng)根據(jù)求解模型的規(guī)模和特征，權(quán)衡線(xiàn)性化精度要求和求解計(jì)算量，以確定恰當(dāng)?shù)姆侄味螖?shù)。 同理，當(dāng)管道ij的流量是從j流向i時(shí)，其線(xiàn)性化處理方法相同。

因此，通過(guò)以上處理，將模型轉(zhuǎn)換為混合整數(shù)線(xiàn)性規(guī)劃問(wèn)題，并采用CPLEX進(jìn)行快速求解。

4 算例分析

4.1 算例系統(tǒng)構(gòu)成

本算例的電力系統(tǒng)側(cè)采用修改后的IEEE-39節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)，天然氣系統(tǒng)側(cè)采用修改后的參考文獻(xiàn)[16]中的6節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)，如圖2所示。其中，cr1和cr2表示儲(chǔ)氣裝置，G1～G3表示燃?xì)廨啓C(jī)機(jī)組，分別接在電力系統(tǒng)的30—32節(jié)點(diǎn)處。電力系統(tǒng)的33—39節(jié)點(diǎn)接入常規(guī)機(jī)組，具體參數(shù)見(jiàn)附表A1。37—39節(jié)點(diǎn)接入了3個(gè)風(fēng)電場(chǎng)，在圖3中給出了風(fēng)電預(yù)測(cè)出力和電氣負(fù)荷數(shù)據(jù)。

算例4.2～4.4節(jié)首先采用確定性模型對(duì)模型的有效性進(jìn)行分析，其中確定性模型中僅考慮風(fēng)電出力的預(yù)測(cè)值，即第3節(jié)中所涉及的s指的是單一的預(yù)測(cè)場(chǎng)景。

圖2 6節(jié)點(diǎn)天然氣系統(tǒng)圖Fig.2 6-node natural gas system

圖3 電/氣負(fù)荷日出力曲線(xiàn)及風(fēng)電預(yù)測(cè)值Fig.3 Daily curves of electricity load, gas load and wind power

4.2 P2G裝置對(duì)風(fēng)電消納效果分析

本小節(jié)考慮P2G裝置對(duì)于電-氣能源系統(tǒng)消納風(fēng)電能力的影響及效果分析，設(shè)置了以下場(chǎng)景進(jìn)行驗(yàn)證分析：

場(chǎng)景1：不加裝P2G裝置下的電氣綜合系統(tǒng)協(xié)調(diào)運(yùn)行；

場(chǎng)景2：加裝P2G裝置下的電氣綜合系統(tǒng)協(xié)調(diào)運(yùn)行；

場(chǎng)景3：將風(fēng)電預(yù)測(cè)值設(shè)定為原來(lái)的1.2倍下的電氣綜合系統(tǒng)協(xié)調(diào)運(yùn)行。

場(chǎng)景1、2的棄風(fēng)功率及場(chǎng)景2、3的P2G出力對(duì)比如圖4、5所示。由圖4可以看出，電氣綜合系統(tǒng)在風(fēng)電高發(fā)的時(shí)刻，通過(guò)P2G裝置將多余的風(fēng)電轉(zhuǎn)化為天然氣，從而增加了風(fēng)電的消納量。計(jì)算得到，棄風(fēng)量從 2 151.600 0 MW·h降低為137.975 4 MW·h，系統(tǒng)總成本從3 098 700美元降低為1 093 900美元，節(jié)約了64.7%。對(duì)比場(chǎng)景2和場(chǎng)景3可以看出，當(dāng)風(fēng)電預(yù)測(cè)值增大時(shí)，P2G裝置在01：00—07：00進(jìn)一步增大出力，從而進(jìn)一步消納多余風(fēng)電。可以看出，P2G裝置在電氣能源系統(tǒng)中對(duì)風(fēng)電的消納起到了一定的作用。

圖4 場(chǎng)景1、2風(fēng)電棄風(fēng)功率Fig.4 Curtailment of wind power in Scenario 1 and 2

圖5 場(chǎng)景2、3 P2G出力Fig.5 P2G output in Scenario 2 and 3

4.3 儲(chǔ)氣裝置對(duì)電氣能源系統(tǒng)的影響分析

本節(jié)考慮儲(chǔ)氣裝置對(duì)于電-氣能源系統(tǒng)運(yùn)行的影響及效果分析，設(shè)置了以下場(chǎng)景進(jìn)行驗(yàn)證分析。

場(chǎng)景4：不考慮儲(chǔ)氣裝置下的電氣綜合系統(tǒng)協(xié)調(diào)運(yùn)行；

場(chǎng)景5：加裝儲(chǔ)氣裝置下的電氣綜合系統(tǒng)協(xié)調(diào)運(yùn)行。

場(chǎng)景4、5下的燃?xì)廨啓C(jī)出力和天然氣氣源供氣量對(duì)比如圖6、7所示。從圖6看出，在電氣能源系統(tǒng)中加入儲(chǔ)氣裝置后，燃?xì)廨啓C(jī)機(jī)組的出力在總體上呈現(xiàn)不變的趨勢(shì)，在18：00出現(xiàn)了明顯的降低。這是因?yàn)?，在加入?chǔ)氣裝置后，由于儲(chǔ)氣裝置成本可忽略不計(jì)，故優(yōu)先通過(guò)儲(chǔ)氣裝置的放氣過(guò)程來(lái)滿(mǎn)足天然氣負(fù)荷的需求，從而在18：00降低了燃?xì)廨啓C(jī)機(jī)組出力值，同時(shí)，降低了天然氣氣源供氣量。由圖7可以看出，在07：00天然氣氣源供氣量較場(chǎng)景4有所下降，這正是因?yàn)閮?chǔ)氣裝置的放氣作用。此外，經(jīng)過(guò)計(jì)算，加入儲(chǔ)氣裝置后的綜合系統(tǒng)總成本由1 136 000美元降低為1 093 900美元，節(jié)約了3.71%。

圖6 場(chǎng)景4、5下的燃?xì)廨啓C(jī)出力Fig.6 Gas-fired unit output in Scenario 4 and 5

圖7 場(chǎng)景4、5下的天然氣氣源供氣量Fig.7 Gas supply in Scenario 4 and 5

4.4 天然氣網(wǎng)絡(luò)潮流對(duì)電氣能源系統(tǒng)的影響分析

由3.3節(jié)的結(jié)果可以看出，由于天然氣節(jié)點(diǎn)氣壓的影響，導(dǎo)致了燃?xì)廨啓C(jī)機(jī)組的出力調(diào)節(jié)量十分有限，因此本節(jié)對(duì)天然氣網(wǎng)絡(luò)潮流約束進(jìn)行驗(yàn)證分析，設(shè)置以下兩個(gè)場(chǎng)景：

場(chǎng)景6：不考慮天然氣潮流約束條件下的電氣綜合能源系統(tǒng)協(xié)調(diào)優(yōu)化；

場(chǎng)景7：考慮天然氣潮流約束條件下的電氣綜合能源系統(tǒng)協(xié)調(diào)優(yōu)化。

由圖8看出，在不考慮天然氣潮流約束條件下，

圖8 場(chǎng)景6、7下的燃?xì)廨啓C(jī)出力Fig.8 Gas-fired unit output in Scenario 6 and 7

燃?xì)廨啓C(jī)機(jī)組的出力波動(dòng)范圍增大了很多，在03：00—05：00的出力接近于0，為綜合系統(tǒng)接納風(fēng)電提供了很大的空間，經(jīng)過(guò)計(jì)算可以得到，綜合系統(tǒng)總成本由1 093 900美元降低為891 460美元，節(jié)約了18.5%。

場(chǎng)景7下各節(jié)點(diǎn)氣壓如圖9所示。由圖9中節(jié)點(diǎn)1、2、3(分別為各燃?xì)廨啓C(jī)機(jī)組接入天然氣系統(tǒng)的節(jié)點(diǎn))的氣壓可以看出，節(jié)點(diǎn)1在14：00—18：00都已經(jīng)達(dá)到的其下限值700 kPa，在01：00—04：00幾乎已經(jīng)達(dá)到其上限值840 kPa；節(jié)點(diǎn)2在01：00—08：00幾乎在下限值910 kPa附近，可下調(diào)的空間也不多，但也還未達(dá)到氣上限值1 103 kPa，還具有一定上調(diào)能力；節(jié)點(diǎn)3在01：00—12：00都幾乎在上限值910 kPa附近。綜上，可以看出在考慮了潮流約束條件下，由于燃?xì)廨啓C(jī)所接天然氣節(jié)點(diǎn)的氣壓約束的原因，使得機(jī)組的調(diào)節(jié)能力不強(qiáng)。故在研究電氣綜合能源系統(tǒng)的協(xié)調(diào)優(yōu)化運(yùn)行時(shí)，天然氣系統(tǒng)側(cè)的潮流約束不可以被忽略。

圖9 場(chǎng)景7下的各節(jié)點(diǎn)氣壓圖Fig.9 Node pressure in Scenario 7

4.5 考慮風(fēng)電出力不確定性下的結(jié)果對(duì)比分析

本節(jié)采用第2節(jié)中所描述的場(chǎng)景生成方法生成10 000 個(gè)風(fēng)電預(yù)測(cè)出力誤差值，再加上風(fēng)電出力預(yù)測(cè)值成為10 000 個(gè)風(fēng)電出力場(chǎng)景，然后采用K-means聚類(lèi)的方法聚類(lèi)成為10 個(gè)典型風(fēng)電出力場(chǎng)景進(jìn)行兩階段優(yōu)化調(diào)度計(jì)算，并將其與確定性模型的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。表1展示了采用場(chǎng)景法下的日前機(jī)組開(kāi)停機(jī)計(jì)劃。

表1 機(jī)組開(kāi)停機(jī)狀態(tài)Table 1 State of the generators

由日前機(jī)組計(jì)劃開(kāi)停機(jī)狀態(tài)可以看出，在風(fēng)電高發(fā)的01：00—07：00，主要通過(guò)降低常規(guī)機(jī)組(機(jī)組1—7)的出力進(jìn)行消納，而燃?xì)廨啓C(jī)機(jī)組的調(diào)節(jié)能力并不顯著，也與4.4節(jié)中的結(jié)論相呼應(yīng)。

表2中給出了確定性模型與隨機(jī)規(guī)劃模型的期望運(yùn)行成本和期望棄風(fēng)量的對(duì)比結(jié)果。

表2 不同模型下的發(fā)電成本對(duì)比Table 2 Generation cost of the two different models

從表2可以看出，相較于確定性模型，基于場(chǎng)景法的兩階段隨機(jī)規(guī)劃模型考慮了風(fēng)電出力不確定性，尋找到更加合理的機(jī)組運(yùn)行點(diǎn)，不僅降低了系統(tǒng)運(yùn)行的總期望成本，也降低了決策結(jié)果中所有場(chǎng)景下的棄風(fēng)量，使得決策結(jié)果更加合理和經(jīng)濟(jì)。

5 結(jié) 論

本文首先對(duì)含P2G裝置和儲(chǔ)電、儲(chǔ)氣裝置的電-氣能源系統(tǒng)進(jìn)行了詳細(xì)地建模，充分考慮了電力系統(tǒng)側(cè)和天然氣系統(tǒng)側(cè)的潮流約束問(wèn)題。其次，通過(guò)分段線(xiàn)性的方法將天然氣潮流線(xiàn)性化，將問(wèn)題轉(zhuǎn)化為混合整數(shù)規(guī)劃問(wèn)題，從而能采用成熟的軟件包進(jìn)行求解。最后，通過(guò)算例計(jì)算分析，得出了以下結(jié)論：

1)電轉(zhuǎn)氣裝置可以將多余的電能轉(zhuǎn)化為天然氣進(jìn)行運(yùn)輸或通過(guò)儲(chǔ)氣裝置進(jìn)行存儲(chǔ)，從而有效提升了風(fēng)電的利用率，降低了電-氣能源系統(tǒng)的運(yùn)行成本。

2)在電-氣能源系統(tǒng)的數(shù)學(xué)建模和計(jì)算中，對(duì)于天然氣潮流的約束條件不能忽略，其從本質(zhì)上決定了燃?xì)廨啓C(jī)機(jī)組的調(diào)節(jié)能力，對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)的綜合成本的影響較大。

3)本文所提的隨機(jī)規(guī)劃模型相較于確定性模型而言，其期望總成本和期望棄風(fēng)成本都更低，決策結(jié)果更加經(jīng)濟(jì)，能夠有效地應(yīng)對(duì)風(fēng)電出力不確定性。