CN107808216B - 电-气-热互联***弃风弃光和电气热负荷削减综合最小优化模型构建方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开电‑气‑热互联***弃风弃光和电气热负荷削减综合最小优化模型构建方法。针对现有技术的不足,优化模型的目标函数中加入热负荷削减量、弃风量、弃光量等变量,以电负荷、气负荷、热负荷削减量和弃风量、弃光量之和最小为作为优化模型的目标函数;将STCHP模型中的消耗气流、供热功率和有功出力变量加入优化模型的等式约束中,将EB装置的消耗电功率和供热功率变量加入优化模型的等式约束中;在优化模型的不等式约束中考虑电/气/热负荷削减量、弃风量、弃光量的上下限约束,以及STCHP和EB装置的容量约束等。
Description
技术领域
本发明属于综合能源***领域,目的是实现电-气-热互联***的综合负荷削减量和***弃风、弃光量的计算,具体涉及弃风弃光和电/气/热负荷削减综合最小优化模型。
背景技术
近年来,随着各种燃料类型的热电联产(CHP)、燃气发电机组(GFG)、燃气锅炉(GB)、电锅炉(EB)等传统耦合元件规模的不断扩大,电力、天然气、热力***间的耦合关系愈加深化。耦合元件光热热电联产(STCHP)利用了清洁能源光热,同时配置储热,打破了传统热电联产“以热定电”的运行模式,并且同电锅炉一样具有高效的能源转换特性。随着风、光在电-气-热互联***中的接入比例逐渐升高,电-气-热互联***的不确定性激增,当风电、光伏过剩时,STCHP和EB可以为弃风弃光电量的大量转换与存储提供新的解决思路,提升新能源的消纳空间。当风、光不足时,STCHP和EB可以有效调节***供电、供气、供热的风险水平。因此,需要提出一种含STCHP和EB的电-气-热互联***风险评估方法来合理量化***中风、光等不确定性因素带来的影响。然而,含STCHP和EB的电-气-热互联***具有规模大、设备类型繁多、设备运行特性各异等特征,使得其风险评估的建模和计算复杂度大大增加。综合负荷削减计算是电-气-热互联***风险评估关键环节,构建准确的综合负荷削减模型是实现***风险合理、有效评估的重要基础。
目前,未有研究提出考虑STCHP和EB的电-气-热互联***综合负荷削减优化模型。现有研究中以电-气互联***运行费用最小为优化目标,实现了***电负荷、气负荷削减量计算,而电-气-热互联***优化模型的相关研究中均以能源费用最小为目标函数,未考虑实际***中存在的弃风、弃光现象,也未计及耦合元件STCHP和EB的耦合转换特性,因此无法实现考虑STCHP和EB的电-气-热互联***综合负荷削减量和弃风、弃光量的有效、准确计算。
发明内容
本发明的目的是针对现有的电-气-热互联***负荷削减优化模型的不足,提出一种弃风弃光和电/气/热负荷削减综合最小优化模型。现有优化模型存在以下问题:一是忽略了实际***中存在的“弃风限电”、“弃光限电”现象,二是没有考虑STCHP和EB装置的耦合转换特性,三是未同时考虑弃风弃光和电/气/热负荷削减的综合最小。本发明针对以上问题,提出相应改进措施:优化模型的目标函数中加入热负荷削减量、弃风量、弃光量等变量,以电负荷、气负荷、热负荷削减量和弃风量、弃光量之和最小为作为优化模型的目标函数;将STCHP模型中的消耗气流、供热功率和有功出力变量加入优化模型的等式约束中,将EB装置的消耗电功率和供热功率变量加入优化模型的等式约束中;在优化模型的不等式约束中考虑电/气/热负荷削减量、弃风量、弃光量的上下限约束,以及STCHP和EB装置的容量约束等。
为实现本发明目的而采用的技术方案是这样的,弃风弃光和电/气/热负荷削减综合最小优化模型的建立和求解。首先,建立优化模型的目标函数,以电负荷、气负荷、热负荷削减量和弃风量、弃光量之和最小作为目标函数;其次,考虑电负荷、气负荷、热负荷削减量和弃风量、弃光量等变量,基于电力***节点有功平衡方程、无功功率平衡方程、天然气***节点流量平衡方程、热力***节点热功率平衡方程、热力-水力环路方程、热力***节点温度平衡方程,以及STCHP、EB、GFG、GB、CHP方程,建立优化模型的等式约束;再次,考虑电-气-热互联***中电/气/热负荷削减量约束、弃风/弃光量约束,和STCHP、EB、GFG、GB、CHP的容量约束,以及电力***、天然气***和热力***中状态量的上下限约束等,构建优化模型的不等式约束;最后,在STCHP的储热和EB装置的不同容量场景下,采用内点法对所建优化模型进行求解。其具体方法步骤如下:
(1)建立目标函数
电-气-热互联***的弃风弃光和电/气/热负荷削减综合最小优化模型以电负荷、气负荷、热负荷削减量和弃风量、弃光量之和最小为优化目标,其模型可表示为:
式中,前一括号代表***电/气/热负荷削减量之和,后一括号代表***弃风、弃光电量之和。其中,Ce,i是电负荷节点i的负荷削减变量;Cg,i是气负荷节点i的负荷削减变量;Ch,i是热力***节点i的热负荷削减变量;ΔPW,i是风电场i的弃风变量;ΔPPV,i是光伏电场i的弃光变量;λe,i为表征各电负荷重要性的权重因子,λg,i为表征各气负荷重要性的权重因子,λh,i为表征各热负荷重要性的权重因子,λw,i为表征各风电场弃风严重性的权重因子,λpv,i为表征光伏电场弃光电严重性的权重因子。Nd_e是电负荷节点的总数,Nd_g是气负荷节点的总数,Nd_h是热负荷节点的总数,Nw是风电场的总数,Npv是光伏电场的数目。
(2)建立等式约束
考虑电负荷削减变量Ce,i、气负荷削减变量Cg,m、热负荷削减变量Ch,k、弃风变量ΔPW,i和弃光变量ΔPPV,i,以及STCHP的消耗气流量、供热功率和有功出力变量,EB装置的消耗电功率和供热功率变量,基于电力***中的节点有功平衡方程、无功功率平衡方程、天然气***中的节点流量平衡方程和热力***中的节点热功率平衡方程,建立如下等式约束:
其中:
式(2)是电力***节点有功平衡方程,
式(3)是电力***节点无功平衡方程,
式(4)是天然气***节点流量平衡方程,
式(5)是热力***节点热功率平衡方程,
式(6)是热力-水力环路方程,
式(7)和式(8)是热力***负荷节点温度平衡方程。
式中,θi、Vi为电力***节点i的电压相角和电压幅值;PG,i、PGAS,i、PSTCHP,i、PCHP,i为电力***节点i的非燃气机组、GFG、STCHP和CHP的有功出力;QG,i、QGAS,i、QSTCHP,i、QCHP,i为电力***节点i的非燃气机组、GFG、STCHP和CHP的无功出力;PD,i、QD,i为电力***节点i的有功功率和无功功率;PW,i、QW,i为电力***节点i风电场的有功和无功功率;PPV,i、QPV,i为电力***节点i光伏电站的有功和无功功率;ΔPW,i、ΔPPV,i为电力***节点i风电场的弃风功率、光伏电站的弃光电功率;PEB,i为电力***节点i的EB消耗电功率;QC,i为电力***节点i的并联无功补偿器输出无功功率;Gij、Bij为电力***节点导纳矩阵的第i行第j列元素的实部和虚部;πi和πj为天然气***节点i和j的节点气压;FG,i、FD,i为天然气***节点i的气源注入气流和节点气负荷;FGAS,i、FCHP,i、FSTCHP,i、FGB,i为天然气***节点i的燃气机组、CHP、STCHP和燃气锅炉的消耗天然气气流;Cr、τr为天然气***压缩机r流过的流量和消耗的流量;Air、Eir、Tir为天然气节点-管道关联矩阵、节点-压缩机关联矩阵和节点-压缩机入口节点关联矩阵的第i行第r列元素;sij、kr为天然气管道r的气流方向和管道常数;ΦD,i、ΦG,i、ΦCHP,i、ΦSTCHP,i、ΦGB,i、ΦEB,i为热力***节点i的热负荷、燃煤热源、CHP、STCHP、GB和EB的供热功率;Mh、kh为热力***供热管道h的流量和阻力系数;Ts,i、Tr,i和Ts,f、Tr,f分别为热力***节点i和节点f的供水、回水温度;Blh为热力***回路供热管道关联矩阵第l行第h列元素;As,ef、Ar,ef为热力***供水和回水网络结构矩阵第e行第f列元素;Dih为热力***节点-供热管道关联矩阵中第i行第h列元素;bs,e、br,e为热力***供水温度和回水温度相关系数;kh为热力***供热管道h的阻力系数;SHC为水的比热容。Nn_e、Nn_g、Nn_h、Nf分别为电力***节点、天然气***节点、热力***节点和热力***网络回路的数目。此外,公式(4)中的Cr、τr具体计算公式可参见文献1(ChenS,WeiZ,SunG,etal.Multi-LinearProbabilistic Energy FlowAnalysis of Integrated Electrical and Natural-GasSystems[J].IEEETransactionsonPowerSystems,2017,32(3):1970-1979.)。公式(6)-(7)中的As,ef、Ar,ef、bs,e、br,e的具体计算公式和GFG、CHP、GB耦合元件的模型可参见文献1和文献2(LiuX.Combined analysis of electricity and heat networks[D].Cardiff:Cardiffniversity,2013.)。
耦合元件STCHP和EB装置的模型如下:
2-1)STCHP机组模型
STCHP是将光能和天然气作为输入,是既能生产电能,又可以对用户供热的厂站。在STCHP的热功率输出侧配置储热装置,可以打破传统热电联产“以热定电”的运行模式。图1为STCHP的运行模式图,建立STCHP的多能流模型方程式如下:
ΦSF,k=ηSF,kSSF,kR,k=1,2,...,Nb(9)
ΦSTCHP,k+FSCPT,kGHV=PSCPT,k/ηSCPT,k,k=1,2,...,Nb(10)
PSTCHP,k=HSTCHP,k/νSTCHP,k,k=1,2,...,Nb(11)
HSTCHP,k=ΦSTCHP,k+SSH,k-SEH,k,k=1,2,...,Nb(12)
SSH,kSEH,k=0,k=1,2,...,Nb(13)
其中,式(9)为聚光集热装置的光热转换关系式;式(10)和(11)为热电联产机组消耗天然气、光热与输出电功率和热功率的关系式;式(12)为STCHP的供热功率、输出热功率与储热的关系式;式(13)为储热的工作模式方程。其中,ΦSF,k、SSF,k、ηSF,k为STCHPk聚光集热装置的吸收热功率、镜场面积和工作效率;R为光照辐射度;PSTCHP,k、FSTCHP,k、ΦSTCHP,k为STCHPk的有功出力、消耗气流量和供热功率;vCHP,k、ηSF,k、HCHP,k为STCHPk的热电比、转化效率和输出热功率;SSH,k、SEH,k为储热装置的储热功率、放热功率;GHV为天然气的高热值;Nb为STCHP的数目。
2-2)EB装置模型
EB是具有高效电转热特性的耦合元件,EB装置可将富余风、光转化为热功率,注入热力***的供热管道。EB的电热转换关系满足如下方程式:
ΦEB,k=ηEB,kPEB,k,k=1,2,...,Neb(14)
式中,PEB,k、ΦEB,k、ηEB,k为EBk的有功出力、供热功率和转化效率;Neb为EB的数目。
(3)建立不等式约束
电-气-热互联***的综合负荷削减优化模型的不等式约束包括:式(15)-(19)的电负荷、气负荷、热负荷削减变量和弃风、弃光变量的上下限约束;式(20)-(30)的燃气机组、STCHP、EB、储热和常规发电机的容量约束;式(31)-(32)的电力***节点电压约束、线路功率约束。式(33)-(36)的天然气***节点气压约束、气源注气量约束、压缩机压缩比约束;式(37)-(41)的热力***热源约束、供/回水温度约束和热力管道流量约束。
0≤Ce,i≤PD,i,i=1,2,...,Nd_e(15)
0≤Cg,i/GHV≤FD,i,i=1,2,...,Nd_g(16)
0≤Ch,i≤ΦD,i,i=1,2,...,Nd_h(17)
0≤ΔPW,i≤PW,i,i=1,2,...,Nw(18)
0≤ΔPPV,i≤PPV,i,i=1,2,...,Npv(19)
Vimin≤Vi≤Vimax,i=1,2,...,Nn_e(31)
-Tlmin≤Tl≤Tlmax,l=1,2,...,Nr(32)
式中,Tl是输电线路l流过的功率;Rq是压缩机支路q的压缩比;和PminG,i分别为非燃气常规发电机组有功出力的上限和下限;和QminG,i为非燃气常规发电机组无功出力的上限和下限;和PminGAS,i分别为GFG机组有功出力的上限和下限;和QminGAS,i分别为GFG机组无功出力的上限和下限;和PminCHP,i分别为CHP机组有功出力的上限和下限;和QminCHP,i分别为CHP机组无功出力的上限和下限;和PminSTCHP,i分别为STCHP机组有功出力的上限和下限;和QminSTCHP,i分别为STCHP机组无功出力的上限和下限;和PminEB,i分别为EB装置消耗电功率的上限和下限;和SminSH,k分别为STCHP机组储热装置储热功率的上限和下限;和SminEH,k分别为STCHP机组储热装置放热功率的上限和下限;和分别为天然气节点气压的上限和下限;和FminG,i分别为天然气气源注入量的上限和下限;和FminGB,i分别为GB装置消耗气量的上限和下限;和Rminq分别为压缩机压缩比的上限和下限;和ΦminG,i分别为热力***热源功率的上限和下限;和ΦminSTCHP,i分别为STCHP机组供热功率的上限和下限;和Tminr,i为热力***节点回水温度的上限和下限;和Tmins,i为热力***节点供水温度的上限和下限;Vi max和Vmini分别为节点电压幅值的上限和下限;Tl max和Tminl为输电线路传输功率的上限和下限;和Mminh为供热管道水流量的上限和下限。Nr是输电线路的总数,Nu是非燃气常规机组的总数,Ns是天然气气源的总数,Na是GFG机组的总数,Nc是CHP机组的总数,Ngb是GB装置的总数,Np是压缩机的总数,Nq是供热管道的总数,Nt是热力***热源的总数。
(4)综合最小优化模型求解以及弃风、弃光量和电/气/热负荷削减量计算
基于第(1)步的目标函数和第(2)步的等式约束以及第(3)步的不等式约束,电-气-热互联***弃风弃光和电/气/热负荷削减综合最小优化模型已建立完成,该优化模型是一个复杂的非线性优化问题,而内点法在收敛性、计算速度等方面的优势使其已广泛用于求解各种非线性优化问题,因此可采用内点法对其进行有效求解,
进一步,调用内点法求解器IPOPT求解该优化模型,以得到电/气/热负荷削减量,弃风、弃光电量,EB装置消耗电功率和STCHP中储热装置的储/放热功率等计算结果。
最后根据优化模型结果计算***的弃风、弃光量和电/气/热负荷削减量,***的电负荷削减量、气负荷削减量、热负荷削减量和弃风量、弃光量的计算公式如下:
式中,Ce为***的电负荷削减量,Cg为***的气负荷削减量,Ch为***的热负荷削减量,ΔPW为***的弃风量,ΔPPV为***的弃光量。
至此,电-气-热互联***弃风弃光和电/气/热负荷削减综合最小优化模型的求解步骤结束。
本发明采用上述技术方案后,主要有以下效果:
1.本发明构建的弃风弃光和电/气/热负荷削减综合最小优化模型不仅有效评估了***供电、供气、供热的供能水平,而且能够合理量化***弃风、弃光现象的严重程度。
2.相比于现有电-气-热互联***的优化模型,本发明所提的模型采用电力***交流模型、天然气***非线性模型和热力***热力/水力模型,有效保留了电、气、热子***的实际运行特性,同时考虑***“弃风限电”、“弃光限电”现象,以及STCHP和EB装置的耦合转换特性,使得***的负荷削减量计算、弃风量计算更为精确。
本发明可广泛应用于电-气-热互联***的电/气/热负荷削减量和***弃风、弃光量的计算,特别适用于新能源大规模接入电-气-热互联***的情况。
附图说明
图1STCHP运行模式
图2为IEEE9节点标准测试***图
图3为NGS6节点***结构图
图4为DHN7节点***结构图。
图2中标号1、2、3、4、5、6、7、8、9表示IEEE9节点,图3中标号1、2、3、4、5、6表示NGS6节点,图4中1、2、3、4、5、6、7表示DHN7节点。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步说明,但不应该理解为本发明上述主题范围仅限于下述实施例。在不脱离本发明上述技术思想的情况下,根据本领域普通技术知识和惯用手段,做出各种替换和变更,均应包括在本发明的保护范围内。
参见附图,本发明采用IEEE9-NGS6-DHN7电-气-热互联***进行实施例的验证,该***由IEEE9节点电力***、NGS6节点天然气***和DHN7节点热力***三部分组成:
(1)基础数据准备
图2的IEEE9节点标准***中共有3台发电机,火电装机总容量为438MW,共有3个电负荷,电峰荷为441MW;节点3接入容量108MW的风电场和容量54MW的光伏电场,同时配置容量10MW的EB装置,EB装置转化的热量由节点3注入热力***。图3的NGS6节点天然气***包括4条输气管道,1个燃气压缩机,2个气源站,2个自然气负荷,分别是节点2的2200kcf/h和节点3的1600kcf/h。图4的DHN7节热力***包括8条供热管道,3个热源站,2个自然热负荷。天然气***节点3提供电力***节点3处STCHP的用气需求并将其热功率供给热力***节点2,天然气***节点6分别提供电力***节点1处燃气发电机组和热力***节点1处气锅炉的用气需求。其中电力***基础数据参见IEEE9节点标准***,为使***状态可能出现负荷削减,将电负荷水平增加至基荷的1.4倍。天然气***基础数据参见文献3中(AlabdulwahabA,AbusorrahA,ZhangX,etal.Coordination of Interdependent Natural GasandElectricity Infrastructures for Firming the Variability of Wind Energy inStochastic Day-Ahead Scheduling[J].IEEE Transactionson Sustainable Energy,2015,6(2):606-615.),NGS6节点数据。本实施例中假设电负荷、气负荷、热负荷的随机特性均服从正态分布,其标准差为各节点负荷期望值的5%;风速服从两参数威布尔分布,尺度参数为3.97,形状参数为10.7,采用恒功率1控制方式;光电/光热功率服从贝塔分布,两参数取值分别为2.06和2.5。其中风电转换模型如下:
式中,PW,i为风电场i的风电功率,Pr,i为风电场i的额定功率,vin,i,vr,i,vo,i分别为风电场i的切入风速、额定风速和切出风速。模型中的切入风速、切出风速和额定风速分别为3m/s、25m/s、13m/s。
其次,GFG、STCHCP和EB装置的耦合元件模型中参数取值表1所示,天然气***中压缩机的控制方式和参数取值如表2所示:
表1耦合元件模型参数表
表2天然气压缩机参数表
(2)建立综合负荷削减优化模型的目标函数
电-气-热互联***的综合负荷削减优化模型以电负荷、气负荷、热负荷削减量和弃风量、弃光量之和最小为优化目标。由于***中共有3个电负荷,2个自天然气负荷,2个自然热负荷,1个风电场,1个光伏电场,因此目标函数中电负荷、气负荷、热负荷削减变量和弃风变量共有9个,各节点的负荷削减、风电弃用、光电弃用权重因子均取1。
(3)建立等式约束
考虑电负荷削减变量Ce,i、气负荷削减变量Cg,i、热负荷削减变量Ch,i和弃风变量ΔPW,i、弃光变量ΔPPV,i以及STCHP和EB装置,基于电力***中的节点有功、无功功率平衡方程、天然气***中的节点流量平衡方程、热力***节点热功率平衡方程、热力-水力环路方程和热力***负荷节点温度平衡方程,以及STCHP、EB、GFG、GB装置的平衡方程,建立等式约束。由于***中共有9个电力***节点,6个天然气***节点,7个热力***节点,1个STCHP机组,1个EB装置,1个GFG机组,1个GB装置,因此根据所建模型要求,共有39个等值约束,包括9个电力***有功平衡约束和9个无功平衡约束、6个天然气流量平衡约束、7个热力功率平衡约束、2个热力-水力环路方程、4个热力负荷节点供水温度平衡方程和7个热力节点回水温度平衡方程,和机组(装置)的运行约束:包括1个GFG机组平衡方程、1个GB装置平衡方程、1个STCHP机组平衡方程、1个EB装置平衡方程。
建立不等式约束
基于第(2)步所建立的等式约束,电-气-热互联***综合最小优化模型的不等式约束包括:3个电负荷削减变量上下限约束、2个气负荷削减变量上下限约束、2个热负荷削减变量上下限约束、1个弃风变量上下限约束、1个弃光变量上下限约束;1个GFG机组容量约束、1个STCHP机组容量约束、1个GB装置容量约束、1个EB装置容量约束;6个天然气***节点气压约束、2个气源注气量约束、1个压缩机压缩比约束、8个热力***供热管道流量约束、4个热力负荷节点供水温度约束、7个热力节点回水温度约束;9个电力***节点电压约束、2个非燃气常规机组出力约束、9个线路功率约束。模型中变量的不等式约束上下限如下表所示:
表3不等式约束上下限表
(5)综合负荷削减优化模型求解和***综合负荷削减量计算
完成以上步骤的工作之后,可以进行电-气-热互联***弃风弃光和电/气/热负荷削减综合最小优化模型的求解,本发明调用内点法求解器IPOPT对该优化模型进行求解。设置新能源渗透率、STCHP的储热容量和EB装置容量不同的几组场景,观察新能源渗透率、储热容量和EB装置容量对电负荷削减量、气负荷削减量、热负荷削减量和弃风量、弃光量的影响。
1)新能源渗透率对***电/气/热负荷削减量和弃风弃光量的影响
在***火电机组装机不变的情况下,储热容量为10MW,EB装置容量为10MW时,设置5组不同新能源出力情况的场景,观察电负荷削减量、气负荷削减量、热负荷削减量和弃风量、弃光量的变化情况,其结果如下表所示:
表4不同新能源渗透率下计算量的变化情况
由表4可知,随着新能源出力的增加,***总输出电功率增大,***切电负荷量减小;同时燃气机组与非燃气常规机组的出力减小,因此发电机组用气需求减小,***切气负荷量减小。其次,***在新能源出力较小时不出现弃风弃光现象,当新能源出力超过某一阈值的时候,由于风、光外送通道功率和电源调节能力有限,输电线路无法传送出更多的风、光电场出力,使得***弃风弃光量逐渐增大。
2)储热容量对***电/气/热负荷削减量和弃风弃光量的影响
在新能源出力为210MW的情况下,设置6组不同储热容量的场景,观察电负荷削减量、气负荷削减量、热负荷削减量和弃风量、弃光量的变化情况,其结果如下表所示:
表5不同储热装置容量下***负荷削减情况
从表5可知,储热容量的提升对***切热负荷量有显著的积极影响,而对切电负荷和气负荷没有影响。
3)EB容量对***电/气/热负荷削减量和弃风弃光量的影响
在新能源出力为210MW的情况下,设置6组不同EB装置容量的场景,观察电负荷削减量、气负荷削减量、热负荷削减量和弃风量、弃光量的变化情况,其结果如下表所示:
表6不同EB装置容量下***负荷削减情况
从表6可知,EB装置容量的提升对***切热负荷量有显著的积极影响,而对切电负荷和气负荷没有影响。随着EB装置容量的提升,***弃风弃光量逐渐减少。
从实验结果可知:通过求解本发明提出的负荷削减模型,可在考虑光热热电联产和电锅炉的电-气-热互联***中,计及***弃风弃光现象的条件下,得到***的电负荷削减量、气负荷削减量、热负荷削减量以及***弃风量、弃光量。该模型为电-气-热互联***风险评估打好模型基础。
综上所述,本发明提出的一种弃风弃光和电/气/热负荷削减综合最小优化模型。首先,建立优化模型的目标函数,以电负荷、气负荷、热负荷削减量和弃风量、弃光量之和最小作为目标函数;其次,考虑电负荷、气负荷、热负荷削减量和弃风量、弃光量等变量,基于电力***节点有功平衡方程、无功功率平衡方程、天然气***节点流量平衡方程、热力***节点热功率平衡方程、热力-水力环路方程、热力***节点温度平衡方程,以及STCHP、EB、GFG、GB、CHP方程,建立优化模型的等式约束;再次,考虑电-气-热互联***中电/气/热负荷削减量约束、弃风/弃光量约束,和STCHP、EB、GFG、GB、CHP的容量约束,以及电力***、天然气***和热力***中状态量的上下限约束等,构建优化模型的不等式约束;最后,采用内点法对所建优化模型进行求解,并在不同新能源出力、不同储热容量和不同EB装置容量的场景下实现仿真分析。本发明很好的考虑储热装置和EB装置在***中的实际运行特性,通过仿真结果发现储热和EB装置对***综合负荷削减量以及弃风弃光量均有一定影响。
Claims (1)
1.电-气-热互联***弃风弃光和电气热负荷削减综合最小优化模型构建方法,其特征在于,包括以下步骤:
(1)建立目标函数
电-气-热互联***的弃风弃光和电/气/热负荷削减综合最小优化模型以电负荷、气负荷、热负荷削减量和弃风量、弃光量之和最小为优化目标,其模型可表示为:
式中,前一括号代表***电/气/热负荷削减量之和,后一括号代表***弃风、弃光电量之和;其中,Ce,i是电负荷节点i的负荷削减变量;Cg,i是气负荷节点i的负荷削减变量;Ch,i是热力***节点i的热负荷削减变量;ΔPW,i是风电场i的弃风变量;ΔPPV,i是光伏电场i的弃光变量;λe,i为表征各电负荷重要性的权重因子,λg,i为表征各气负荷重要性的权重因子,λh,i为表征各热负荷重要性的权重因子,λw,i为表征各风电场弃风严重性的权重因子,λpv,i为表征光伏电场弃光电严重性的权重因子;Nd_e是电负荷节点的总数,Nd_g是气负荷节点的总数,Nd_h是热负荷节点的总数,Nw是风电场的总数,Npv是光伏电场的数目;
(2)建立等式约束
建立如下等式约束:
其中:
式(2)是电力***节点有功平衡方程,
式(3)是电力***节点无功平衡方程,
式(4)是天然气***节点流量平衡方程,
式(5)是热力***节点热功率平衡方程,
式(6)是热力-水力环路方程,
式(7)和式(8)是热力***负荷节点温度平衡方程;
式中,θi、Vi为电力***节点i的电压相角和电压幅值;PG,i、PGAS,i、PSTCHP,i、PCHP,i为电力***节点i的非燃气机组、GFG、STCHP和CHP的有功出力;QG,i、QGAS,i、QSTCHP,i、QCHP,i为电力***节点i的非燃气机组、GFG、STCHP和CHP的无功出力;PD,i、QD,i为电力***节点i的有功功率和无功功率;PW,i、QW,i为电力***节点i风电场的有功和无功功率;PPV,i、QPV,i为电力***节点i光伏电站的有功和无功功率;ΔPW,i、ΔPPV,i为电力***节点i风电场的弃风功率、光伏电站的弃光电功率;PEB,i为电力***节点i的EB消耗电功率;QC,i为电力***节点i的无功电源功率;Gij、Bij为电力***节点导纳矩阵的第i行第j列元素的实部和虚部;πi和πj为天然气***节点i和j的节点气压;FG,i、FD,i为天然气***节点i的气源注入气流和节点气负荷;FGAS,i、FCHP,i、FSTCHP,i、FGB,i为天然气***节点i的燃气机组、CHP、STCHP和燃气锅炉的消耗天然气气流;Cr、τr为天然气***压缩机r流过的流量和消耗的流量;Air、Eir、Tir为天然气节点-管道关联矩阵、节点-压缩机关联矩阵和节点-压缩机入口节点关联矩阵的第i行第r列元素;sij、kr为天然气管道r的气流方向和管道常数;ΦD,i、ΦG,i、ΦCHP,i、ΦSTCHP,i、ΦGB,i、ΦEB,i为热力***节点i的热负荷、燃煤热源、CHP、STCHP、GB和EB的供热功率;Mh、kh为热力***供热管道h的流量和阻力系数;Ts,i、Tr,i和Ts,f、Tr,f分别为热力***节点i和节点f的供水、回水温度;Blh为热力***回路供热管道关联矩阵第l行第h列元素;As,ef、Ar,ef为热力***供热和回水网络结构矩阵第e行第f列元素;Dih为热力***节点-供热管道关联矩阵中第i行第h列元素;bs,e、br,e为热力***供水温度和回水温度相关系数;kh为热力***供热管道h的阻力系数;SHC为水的比热容;Nn_e、Nn_g、Nn_h、Nf分别为电力***节点、天然气***节点、热力***节点和热力***网络回路的数目;
耦合元件STCHP和EB装置的模型如下:
2-1)STCHP机组模型
建立STCHP的多能流模型方程式如下:
ΦSF,k=ηSF,kSSF,kR,k=1,2,...,Nb(9)
ΦSTCHP,k+FSCPT,kGHV=PSCPT,k/ηSCPT,k,k=1,2,...,Nb(10)
PSTCHP,k=HSTCHP,k/νSTCHP,k,k=1,2,...,Nb(11)
HSTCHP,k=ΦSTCHP,k+SSH,k-SEH,k,k=1,2,...,Nb(12)
SSH,kSEH,k=0,k=1,2,...,Nb(13)
其中,式(9)为聚光集热装置的光热转换关系式;式(10)和(11)为热电联产机组消耗天然气、光热与输出电功率和热功率的关系式;式(12)为STCHP的供热功率、输出热功率与储热的关系式;式(13)为储热的工作模式方程;其中,ΦSF,k、SSF,k、ηSF,k为STCHPk聚光集热装置的吸收热功率、镜场面积和工作效率;R为光照辐射度;PSTCHP,k、FSTCHP,k、ΦSTCHP,k为STCHPk的有功出力、消耗气流量和供热功率;vSTCHP,k、ηSTCHP,k、HSTCHP,k为STCHPk的热电比、转化效率和输出热功率;SSH,k、SEH,k为储热装置的储热功率、放热功率;GHV为天然气的高热值;Nb为STCHP的数目;
2-2)EB装置模型
EB的电热转换关系满足如下方程式:
ΦEB,k=ηEB,kPEB,k,k=1,2,...,Neb(14)
式中,PEB,k、ΦEB,k、ηEB,k为EBk的有功出力、供热功率和转化效率;Neb为EB的数目;
(3)建立不等式约束
电-气-热互联***的综合负荷削减优化模型的不等式约束包括:式(15)-(19)的电负荷、气负荷、热负荷削减变量和弃风、弃光变量的上下限约束;式(20)-(30)的燃气机组、
STCHP、EB、储热和常规发电机的容量约束;式(31)-(32)的电力***节点电压约束、线路功率约束;式(33)-(36)的天然气***节点气压约束、气源注气量约束、压缩机压缩比约束;式(37)-(41)的热力***热源约束、供/回水温度约束和热力管道流量约束;
0≤Ce,i≤PD,i,i=1,2,...,Nd_e(15)
0≤Cg,i/GHV≤FD,i,i=1,2,...,Nd_g(16)
0≤Ch,i≤ΦD,i,i=1,2,...,Nd_h(17)
0≤ΔPW,i≤PW,i,i=1,2,...,Nw(18)
0≤ΔPPV,i≤PPV,i,i=1,2,...,Npv(19)
Vimin≤Vi≤Vimax,i=1,2,...,Nn_e(31)
-Tlmin≤Tl≤Tlmax,l=1,2,...,Nr(32)
式中,Tl是输电线路l流过的功率;Rq是压缩机支路q的压缩比;和PminG,i分别为非燃气常规发电机组有功出力的上限和下限;和QminG,i为非燃气常规发电机组无功出力的上限和下限;和PminGAS,i分别为GFG机组有功出力的上限和下限;和QminGAS,i分别为GFG机组无功出力的上限和下限;和PminCHP,i分别为CHP机组有功出力的上限和下限;和QminCHP,i分别为CHP机组无功出力的上限和下限;和PminSTCHP,i分别为STCHP机组有功出力的上限和下限;和QminSTCHP,i分别为STCHP机组无功出力的上限和下限;和PminEB,i分别为EB装置消耗电功率的上限和下限;和SminSH,k分别为STCHP机组储热装置储热功率的上限和下限;和SminEH,k分别为STCHP机组储热装置放热功率的上限和下限;和分别为天然气节点气压的上限和下限;和FminG,i分别为天然气气源注入量的上限和下限;和FminGB,i分别为GB装置消耗气量的上限和下限;和Rminq分别为压缩机压缩比的上限和下限;和ΦminG,i分别为热力***热源功率的上限和下限;和ΦminSTCHP,i分别为STCHP机组供热功率的上限和下限;和Tminr,i为热力***节点回水温度的上限和下限;和Tmins,i为热力***节点供水温度的上限和下限;和Vmini分别为节点电压幅值的上限和下限;和Tminl为输电线路传输功率的上限和下限;和Mminh为供热管道水流量的上限和下限;Nr是输电线路的总数,Nu是非燃气常规机组的总数,Ns是天然气气源的总数,Na是GFG机组的总数,Nc是CHP机组的总数,Ngb是GB装置的总数,Np是压缩机的总数,Nq是供热管道的总数,Nt是热力***热源的总数;
(4)综合最小优化模型求解以及弃风、弃光量和电/气/热负荷削减量计算
基于第(1)步的目标函数和第(2)步的等式约束以及第(3)步的不等式约束,电-气-热互联***弃风弃光和电/气/热负荷削减综合最小优化模型已建立完成;
调用内点法求解器IPOPT求解该优化模型,以得到电/气/热负荷削减量,弃风、弃光电量,EB装置消耗电功率和STCHP中储热装置的储/放热功率的计算结果;
最后根据优化模型结果计算***的弃风、弃光量和电/气/热负荷削减量,***的电负荷削减量、气负荷削减量、热负荷削减量和弃风量、弃光量的计算公式如下:
式中,Ce为***的电负荷削减量,Cg为***的气负荷削减量,Ch为***的热负荷削减量,ΔPW为***的弃风量,ΔPPV为***的弃光量;
至此,电-气-热互联***弃风弃光和电/气/热负荷削减综合最小优化模型的求解步骤结束。
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