考慮柔性負荷的電-氣綜合能源系統低碳經濟調度方法

靳瑞強，馬廣昭，周喜超

(國網綜合能源服務集團有限公司，北京 100021)

能源的充分利用是社會經濟可持續發展的前提，當前，電、氣能源的廣泛應用，還是通過傳統燃燒化石煤炭的火力發電廠進行供給[1]。一定程度上，傳統的電、氣使用模式，既不利于經濟的長期、穩定發展，其燃燒化合物也為周邊環境帶來嚴重污染問題。因此，構建電-氣綜合能源的互補利用系統以解決上述問題。

電-氣綜合能源系統能夠促進能源間的雙向有效流動，加速電、氣能源網絡的互聯耦合發展，進而實現能源單獨分布使用向能源互聯的智能電網轉變[2]。此外，隨著電-氣綜合能源系統的快速發展，使得電力系統中高峰期負荷值呈增長趨勢，直接加大了低碳經濟調度的運行難度。

負荷具有區域性、不確定性以及不唯一性等特性，使得負荷增長在電力系統的低碳經濟調度中長期處于主導地位，其發電量往往是根據負荷側的硬性需要進行定量[3]。然而，過于頻繁的系統調度不僅考驗著電力系統的調節能力，還直接提高了電力系統的運行成本。因此，實現考慮柔性負荷的低碳經濟調度，需要明確柔性負荷與電氣并網，以及火電機組出力等影響因素的關系，并在降低污染化合物釋放量的基礎上，平衡電-氣綜合能源系統的各時段功率。

1 電-氣綜合能源系統低碳經濟調度方法

1.1 分析電-氣綜合能源系統工作流程

電力系統與天然氣系統在P2G設備以及燃氣輪機的共同作用下，實現了電-氣綜合能源系統的閉環運行[4]。為進一步結合傳統能源與可再生能源，電-氣綜合能源系統需要通過不斷地協調以及智能優化。與傳統單一分布的電力系統，以及天然氣系統相比，該能源系統具有環保性、多維性、階梯性以及靈活互聯等特性[5]。電-氣綜合能源系統的具體工作過程如圖1所示。

圖1 電-氣綜合能源系統工作過程圖

在電-氣綜合能源系統內，為了不斷加深電力與天然氣的耦合程度，需要建立天然氣管存、管道流量暫態和穩態模型、驅動壓縮機模型、燃氣輪機模型以及電-氣設備模型等多個模型。

電-氣綜合能源系統中的電力網絡，可以通過計算電網的節點，以及列寫回路方程實現。具體的電-氣綜合能源系統內的電力網絡的功率表達式如式(1)所示。

(1)

式中：Pm為電力網絡的有功功率，kW；Qm為電力網絡的無功功率，kW；m為電力節點；Vm為電壓幅值,V；θmn為相角差；Gmn為實部參數；Bmn為虛部參數。

電-氣綜合能源系統中的天然氣網絡構成結構較為復雜，為了盡可能減少天然氣能源在傳輸過程中的壓力值，具體由負荷、氣源、加壓站，以及天然氣網絡節點等多個部分組成?？紤]到在電-氣綜合能源系統中，天然氣能源受到管道流量以及管道兩端壓力的影響[6]，構建天然氣管道流量穩態模型。利用非線性方程表示電-氣綜合能源系統中的天然氣管道流量如式2所示。

(2)

式中：a、b為天然氣網絡節點；Fp,ab為天然氣網絡運輸管道a-b的流量；Sab為天然氣網絡中天然氣流向的變量；σ為運輸管道的定值參數；pa、pb分別為天然氣網絡節點a、b的壓力值,MPa。

因此，在電-氣綜合能源系統中主要包括電、氣傳輸設備、電-氣轉化設備以及電、氣能源的存儲設備三部分[7]。通過不同的轉化路徑實現電-氣能源的有效轉化，一定程度上為電-氣綜合能源系統提供了配置自由度，使其具有明顯靈活性、多樣性，能夠在一定的周期內實現氣能源的協同互補。

1.2 建立考慮柔性負荷的調度模型

隨著電-氣綜合能源系統的廣泛推廣，電、氣互聯的能源滲透率日益提高。在節約運行成本的同時，電力系統調度周期內的高峰期負荷也呈上升趨勢，導致電力系統內的負荷值波動越來越大[8]。因此，為了實現電-氣綜合能源系統的低碳經濟調度，就需要將柔性負荷充分融入系統內。將特定區域內的柔性負荷與電氣并網相結合，并建立適應源側，以及源側的隨機變量的正態分布結構圖(見圖2)。

圖2 考慮柔性負荷的調度結構

建立考慮柔性負荷的調度模型，首先需要考慮柔性負荷在電-氣綜合能源系統中實際數值，與預測數值之間的差異性。看作是服從均值為0的正態分布的柔性負荷預測誤差，能夠得到具體表達式如式(3)所示。

(3)

為了保證電-氣綜合能源系統在實際生活中的平穩應用，需要在低碳經濟調度方法實施之前，對隨機變量柔性負荷進行條件約束，進而得到特定的系統內約束條件成立的概率性。具體關于柔性負荷的機會約束規劃表達式如式(4)所示。

(4)

通常情況下，在整個電-氣綜合能源系統選取24小時作為一個調度周期，并根據柔性負荷的預測數據進行低碳經濟調度方法的預測?？紤]柔性負荷的電力系統通過削減、平移，以及轉移三種方式，實現在約束條件下柔性負荷概率發生最小化[10]。因此，得到考慮柔性負荷的電力系統總經濟成本表達式，具體如式(5)所示。

minf1=fc+fs+fcut+fsh+ftr

(5)

式中：f為考慮柔性負荷的電力系統總經濟成本；fc為常規火電機的運行成本；fs為常規火電機停止運行的成本；fcut為可削減柔性負荷的補償費用；fsh為可平移柔性負荷的補償費用；ftr為可轉移柔性負荷的補償費用。

基于此，在建立考慮柔性負荷的調度模型時，需要充分考慮負荷削減、轉移，以及平移這三種方式[11]。在既定的補償條件下，柔性負荷通過不同方式參與電-氣綜合能源系統的調度，得到的相應補償也是不同的。

1.3 運用目標函數實現低碳經濟有效調度

在考慮柔性負荷的電-氣綜合能源系統中，應用互聯網大數據技術，能夠實現電-氣能源流，以及系統信息流的快速傳遞。在電-氣綜合能源系統中利用常規發電機組實現電、氣能源的有效輸入；通過耦合轉化設備，整合電、氣兩種能源共同輸出[12]。為了實現該系統的低碳經濟有效調度，能夠多次利用電-氣能源，極大地提高了電-氣能源轉化的滲透率[13]。

通常情況下，電-氣綜合能源系統的低碳調度最好建立在24小時內，既能夠實現調度方法的經濟性，也能夠保證電-氣綜合能源系統的運行低碳性[14-15]。在考慮棄風成本，以及污染物排放成本的基礎上，獲取電-氣綜合能源系統低碳經濟調度方法的目標函數最小值如式(6)所示。

(6)

式中：T為該系統的調度周期；NGF為火電機組集合；Ns為天然氣網絡中氣源集合；N為常規發電機組集合；f(Pi,t)為運行費用函數；Qgs,k,t為天然氣氣源出力；fwp,t為經濟調度中懲罰成本；fc,t為經濟調度中污染物排放成本。

此外，經濟調度中懲罰成本，以及經濟調度中污染物排放成本能夠得到具體表達式，如式(7)所示。

(7)

綜上所述，基于電-氣互聯條件，設置柔性負荷的約束性條件發生概率，在電-氣綜合能源系統中應用非線性優化算法，使得柔性負荷具有多樣性，進而實現該系統的低碳經濟有效調度。

2 實 驗

2.1 實驗準備環節

為驗證所提方法的有效性，設計對比實驗進行驗證。以某地區電-氣綜合能源系統為研究對象，其中，電力系統包括5組發電機組，天然氣系統包括11個節點。在風電場、電轉氣設備，以及燃氣輪機的互聯平衡作用下，對電-氣綜合能源系統進行實驗分析。

將1、2號火電機組改造為6個氣源點連續運行燃機機組、20個設備節點、21條互聯管道、2座加壓站。因此，在電-氣綜合能源系統中得到天然氣網中氣源點，以及儲氣罐相關參數值，具體如表1所示。

表1 天然氣網中氣源點以及儲氣罐相關參數值

在電-氣綜合能源系統中，壓縮機壓縮比范圍在1.1～2，其單元特征常數規定為0.1。在本次試驗中，電力系統風電裝機容量為100 MW；而天然氣系統內裝機容量為200 MW。通過電-氣綜合能源系統內基準值的選取，以及平衡點的計算，可以得到該能源系統內的污染物排放參數，具體如表2所示。

表2 電-氣綜合能源系統污染物排放參數

本次考慮柔性負荷的電-氣綜合能源系統低碳經濟調度方法有效性的實驗，其所有程序都是在MATLAB仿真軟件平臺進行編碼，以及測試。本次實驗的操作系統為Linux系統的同時，為了滿足于CPLEX 12.6的商業求解器版本，需要在64GB RAM內存的服務器，以及中央處理器為Intel(R) Xeon(R) CPU ES-2620 v3(2.4 GHz)的基礎上，進行模擬實驗。

2.2 實驗分析過程

電-氣能源的轉換還與風速變化息息相關，而風速的數值變化又極易受到外界環境的影響。想要實現電-氣綜合能源系統的低碳經濟調度，設計能源系統內儲能裝置，以及通過LNG冷能實現階梯式利用。隨著電力系統日益增長的高峰期負荷，需要綜合考慮電轉氣設備的需求響應，進而實現電-氣綜合能源的協調互動調度。

充分考慮柔性負荷的電-氣綜合能源系統，能夠有效降低發電側大功率機組在負荷高峰期的出力值。而P2G可以有效降低電-氣綜合能源系統內的棄風成本，為了實現該系統的低碳經濟調度，機組出力碳排量較大，需要將其向燃氣輪機進行轉移。

2.3 實驗結果

實驗過程中將設置三種經濟調度模式進行分析，具體可以分為：不考慮P2G，且僅考慮電-氣綜合能源系統經濟性的方法稱為調度方法1；考慮P2G，且僅考慮電-氣綜合能源系統經濟性的方法稱為調度方法2；同時考慮考慮P2G以及柔性負荷的電-氣綜合能源系統低碳經濟調度的本文實驗方法。

綜上所述，在已知的風電場容量，以及P2G設備容量為50 MW的基礎上，對三種調度方法的實驗測試結果進行對比。不同調度方法的具體對比結果如表3所示。

表3 不同經濟調度方法的結果對比

根據實驗的對比結果可知，在不考慮P2G設備的前提下，僅考慮電-氣綜合能源系統經濟性的調度方法綜合成本最高。而基于P2G設備的調度方法2單純考慮其經濟性，并沒有將電-氣綜合能源系統內的機組有效轉換為燃氣輪機。

基于此，調度方法2的P2G成本較高，使綜合成本明顯高于本文的調度方法。綜上所述，本文方法的綜合成本相比最少，僅為2.241。一定程度上，本文調度方法在實現低碳的基礎上，有效降低了運行成本。

3 結 語

在煤炭等傳統的能源燃燒過程中，產生過量污染化合物氣體，既影響了周邊環境，也不利于低碳經濟的平穩運行。電力系統與天然氣系統互聯的電-氣綜合能源系統，其耦合程度不斷增加，使得該低碳經濟調度方法具有多維變量性、多時段優化性等特性，從而在一定程度上能夠有效降低模型收斂速度，提高研究方法的實用性。