含电转气技术的综合能源系统协同规划及运行策略

摘要

与其它一次能源相比，天然气具有效率高、清洁环保等优点。随着天然气开采技术的发展，天然气的成本有所下降，在发电行业的渗透率趋于提高。另一方面，电转气(Powerto Gas，P2G)技术的出现，可将可再生能源的富余出力转化为甲烷，再注入到天然气网络进行运输或存储。因此，电力系统和天然气系统的耦合程度随之加深，构成了能量可以双向流动的闭环系统，只针对电力系统的规划方法已经不能满足能源互联网的规划和运行需求。
　　本研究主要内容包括：⑴提出了基于改进的Benders解耦的电-气混联能源系统的协同规划模型。首先，阐述了天然气系统的稳态模型，包括天然气管道气流、天然气管存、压缩机和储气设施的稳态模型。接着，在满足电—气混联能源系统安全、可靠和高效运行的前提下，构建了以经济角度出发的电—气混联能源系统的协同规划模型。并根据数学模型具有混合整数非线性的特征，采用Benders解耦算法对原问题进行分解优化。最后，以具有54节点的电力系统和19节点的天然气网络相互耦合的算例，说明了电-气混联能源系统的协同规划模型比传统的电力系统和天然气系统单独规划优化具有一定的经济效益。提出了基于能源中心(Energy Center)的电-气-热混联能源系统的协同规划及运行策略。-概述了能源中心框架及耦合矩阵的建模方法。根据系统实例，构建了包含热电联产(Combined Heat and Power，CHP)机组的能源中心建模单元，该能源中心还考虑了电负荷和热负荷的相互转换和影响。在此基础上，构建了由多个能源中心、电转气厂站、常规发电机组和可再生能源发电机组等经由能源网络互相连接而成的多能源中心网络潮流稳态模型。接着，构建基于能源中心的电-气-热混联能源系统的协同规划及运行模型，对输电线路、天然气管道、常规发电机组、CHP机组和燃气锅炉的选址定容问题进行优化。最后，搭建了9节点能源中心的电-气-热混联能源测试系统，并运用该系统分情形、多场景验证了协同规划及运行模型的有效性，说明了CHP机组有利于提高电—气—热混联能源系统在规划运行时的经济性和可靠性，以及CHP机组的运用在天然气价格较低场景下，其节约成本的效益更加明显。⑶提出了P2G技术在综合能源系统协同规划及运行中的经济性评估模型。首先，阐述了P2G技术的基本原理及其转换过程，并概述了P2G技术在电-气-热混联能源系统协同规划中的应用场景。接着在上一章提出的基于能源中心的电-气-热混联能源系统协同规划及运行模型的基础上，进一步探索并构建P2G技术在综合能源系统协同规划及运行中的经济效益评估模型。最后，通过算例说明了仅通过P2G厂站实现电力系统和天然气系统的耦合，在当前的技术、经济条件下难以取得经济收益。联合应用P2G厂站和CHP机组既有利于降低系统成本，也可以改善系统的可靠性。以及验证了P2G技术可以有效消纳风电的富余出力，减少弃风现象的发生，取得显著的经济效益，尤其是在风电装机容量较大时经济效益更加突出。

目录

声明

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摘要

插图清单

附表清单

1 绪论

1．1 研究背景与意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 天然气系统建模研究现状

1．2．2 天然气网络与电力系统的协同规划及运行研究现状

1．2．3 P2G技术研究现状

1．3 本文的主要研究内容

2 基于改进的Benders解耦的电—气混联能源系统的协同规划

2．1 引言

2．2 天然气系统的稳态模型

2．2．1 天然气管道气流稳态模型

2．2．2 天然气管存稳态模型

2．2．3 压缩机稳态模型

2．2．4 储气设施稳态模型

2．3 电—气混联能源系统的协同规划建模

2．3．1 目标函数

2．3．2 约束条件

2．4 BENDERS解耦算法及YALMIP建模工具

2．4．1 Benders解耦算法

2．4．2 YALMIP建模工具

2．5 基于改进的Benders解耦算法的优化策略模型

2．5．1 基于Benders解耦的优化策略思路

2．5．2 投资决策主问题

2．5．3 子问题

2．5．4 连接主、子问题的Benders割

2．6 算例分析

2．6．1 算例设置

2．6．2 场景对比分析

2．7 结语

3 基于能源中心的电—气—热混联能源系统的协同规划及运行策略

3．1 引言

3．2 能源中心框架及建模方法

3．2．1 能源中心概念

3．2．2 耦合矩阵建模

3．3 多能源中心网络潮流模型

3．4 基于能源中心的电—气—热混联能源系统的协同规划及运行策略模型

3．4．1 目标函数

3．4．2 约束条件

3．4．3 模型求解方法及流程

3．5 算例分析

3．5．1 算例设置

3．5．2 情形对比分析

3．6 结语

4 P2G技术在综合能源系统协同规划及运行中的经济性评估

4．1 引言

4．2 P2G技术

4．3 P2G技术在综合能源系统协同规划及运行中的经济性评估

4．4 算例分析

4．4．1 算例设置

4．4．2 情形对比分析

4．5 结语

5 结论和展望

5．1 结论

5．2 展望

参考文献

附录

攻读硕士学位期间取得的研究成果

致谢