包含电、冷、热多种能流的多能互补系统潮流计算方法文献综述

1. 文献综述（或调研报告）：

【文献综述】

综合能源系统建模的关键在于能源的耦合与高效利用，国际上对于综合能源系统的研究集中在能源微网范围内的多能互补联供系统^【1】。以分布式发电、储能系统、各类负荷以及其他监控保护转换装置为基础的配网侧多能互补系统是综合能源系统的核心单元，通过对电能、冷热能与天然气能源的统一调度，可以有效解决能源的时空波动性、间歇性问题，具有消纳新能源、实现能源互补以获得较好的环境与经济效益的优点^【2-3】。目前，大部分文献对于多能互补系统的研究集中在单一功能区域内部的能量转换，通过对设备进行选型以及对功率容量进行限制实现最优调度。但是，单一区域的负荷不具有代表性，且不同功能区域之间的发电量、能源价格、设备参数等因素存在差异，需选取多种典型功能区进行统一规划与优化调度。从某些特定地区看，丰富的新能源与天然气资源是该地区的能源优势^【4-6】，应对其进行充分的利用。建立各功能区之间的电-气联供多能互补系统对于发展该地区的综合能源系统具有重要的指导意义。对拥有丰富新能源与天然气资源的地区进行综合能源系统建模的研究包括园区内部的多能互补系统建模与园区间的电-气互联网络建模。

• 1. 园区内部多能互补系统建模

在大部分的研究中，园区内部多能互补系统的建模集中在利用冷热电联供系统(combined cooling, heating and power，CCHP)进行能源的综合利用。文献【1】具体描述了园区内利用冷热电联供系统进行能源互联网络建模的过程，给出了CCHP系统中常见的电-气-冷-热耦合设备的简介、典型CCHP系统组成结构与能量流的示意图以及按照用能需求将负荷分为冷热电三类的概念定义。同时，该文献按照能量传递介质类型对母线进行分类，从而建立相应的功率平衡约束，并结合各类设备的功率、容量限制，以园区用电与用气成本最小为优化目标提出基于0-1混合整数线性规划模型(mix integer linear programming，MILP)的优化调度方法。这是目前园区内运用CCHP系统实现运行优化的典型模型。文献【7】计及燃气发电机的出力波动，将系统细化为非线性模型，以经济性与环保性最优为目标，采用改进粒子群算法进行最优规划求解。文献【8】考虑可再生能源出力的随机性，对燃气轮机与余热锅炉的特性模型进行拟合建模，并通过电热储能实现了热电约束的解耦，达到降低运行成本的目标。文献【9】基于区域综合能源系统(integrated community energy system，ICES)的概念和能源集线器(energy hub)模型构建热电联产系统模型，分析了完全解耦、部分耦合以及完全耦合三种运行模式与能源供应模式下电力网络和燃气管网的相关约束，提出了适用的混合潮流算法。文献【10】总结运用P2G技术后，电动汽车(electric vehicle，EV)作为新型储能装置参与多能源系统协同优化时，在不同充放电模式下所起的作用。同时，通过应用P2G技术与储气设备，建立园区内部进行优化调度时的电网、天然气网潮流解耦模型。文献【11】对区域热网进行温度、流量、热损的统一建模，考虑不同功能区的能源调度，计及工业区峰谷电价，对本课题的功能区负荷建模与电、气价建模具有一定的指导意义。

• 1. 电力网络的潮流计算方法与应用于优化调度的潮流约束模型

相比于冷热能与天然气能源，电能作为应用最广泛的能源具有不可忽视的优点。首先，电能生产、输送、消费工况的改变十分迅速，从一处输送至另一处所需时间以10^-3~10^-6s计。因此，一般采用电能实现远距离的能量互联，比如西电东送等，从而建立起小至园区大至跨省、跨区域甚至跨国的能源网络。其次，由于电能与其他能源之间的转换较方便，宜于大量生产、集中管理、远距离输送、自动控制，因此目前电能在综合能源系统中的应用最为广泛。但是，电能最大的缺点是不能大量储存，电能的生产、输送、消费实际上是同时进行的。因此，其对于供能可靠性和安全性的技术要求极大。

目前，电力网络的潮流计算方法与应用于优化调度的潮流约束模型已趋于成熟。根据文献【12】，电力网络的潮流算法包括牛顿-拉夫逊法、PQ解耦法等。另外，与其它能源相比，电能生产、输送、消费工况的改变十分迅速，因此在优化调度的时间尺度下，一般不采用电能的潮流暂态模型。优化调度中常用的电力系统潮流约束模型主要包括直流潮流模型、基于凸松弛的二阶锥模型和交流潮流模型。文献【13】应用了直流潮流模型，算法较为简单，多用于输电线路的规划。文献【14】-【15】则计及电压电流限制、有功无功平衡式与电压电流功率关系式，通过二阶锥凸松弛将电网潮流线性化，以用于配网侧的潮流约束，也便于加入电-气联合调度的混合整数线性规划模型。文献【10】采用交流潮流模型，引入节点电压相角参数，但是因为该模型为非线性模型，计算的复杂度将大大增加。

• 1. 天然气网络的潮流计算方法与应用于优化调度的潮流约束模型

与电网不同，天然气管网一般以气体状态进行传输，速度较慢，且损耗较少。由于气体的分子间作用力极小且无一定的体积，故而气体状态量如压力、流量、流速等参数波动性大，仿真运行结果与实际往往存在较大差异，对于气网的建模无法保证很高的精确度。但是，可压缩性的优点却为天然气的大量存储带来更大可能性，弥补了电能不可大量存储的缺陷。以天然气能源与电能互为能源备用的多能互补系统具有极大的运行可靠性优势。近年来，天然气管网的潮流计算也已趋于系统化。文献【16】类比电网潮流模型，将气网节点分为压力已知和流量已知节点，对气网潮流进行了稳态建模。文献【17】研究利用雅可比矩阵求解电-气混合潮流的一般方法。而根据文献【18】，国内规范化的气网潮流模型分为稳态等温、稳态非等温、动态等温和动态非等温四种。稳态与动态的区别在于，稳态认为单一管道内天然气流动持续平稳，状态参数与温度不随时间发生变化，而动态则需计及。等温与非等温的区别在于，等温认为单一管道内天然气温度不随输送距离发生变化，而非等温则应考虑温度的变化。文献【19】描述了稳态等温模型中常见的牛顿节点法、牛顿网孔法、牛顿网孔-节点法的迭代算法。文献【20】从不同角度分析以上三种方法的优缺点。文献【21】利用四阶龙格-库塔法对稳态非等温模型进行详细的仿真计算，给出了示例的管网参数。文献【22】与文献【18】则具体研究动态模型下，天然气管网潮流计算的差分方法。

在优化调度方面，目前常用的气网潮流约束模型也可分为稳态等温、稳态非等温、动态等温和动态非等温四种。文献【10】描述的稳态等温模型最简单，一般用于配气管网或对气网精确度要求不高的场合，可根据节点压力与管道流量的非线性关系建模。常用的求解算法也按照非线性求解与线性求解分为两类。文献【23】-【26】给出的非线性求解算法包括动态规划法、模式搜索算法、次梯度方法、序列二次规划法等。而文献【27】中的线性算法主要为混合整数线性规划法，通过增量线性化等方法降低非线性非凸约束的难度。文献【28】中的稳态非等温模型则认为单一管道内温度随距离变化，加入了温度的迭代计算，使得模型趋于实际。但是，因气体的状态变化较慢，在优化调度的短时间尺度下，往往可能会出现下一个指令到达之前气体仍处于暂态之中的情况。因此，气网的建模存在短时间尺度下优化调度精确度的问题。特别对于长距离高压输气管道而言，管道流动参数随时间的变化已不可以忽略不计。部分文献出于对计算精度的考虑，认为管网的状态参数随时间、距离发生变化，并引出气网的动态等温模型。其中，文献【29】-【31】总结了该模型的主要算法，有动态规划法、差分法等。另外，由于气体的管道流动基本方程较复杂，计及温度与状态参数随时间、距离变化的动态非等温模型将会使调度中潮流算法复杂度大大增加，故而关于该模型的优化调度研究如文献【32】较少。

• 1. 压缩机线性化模型

为了提高日前调度的准确性，需加入天然气管道输送关键设备——压缩机的建模。用于天然气管网优化调度的常见压缩机模型有文献【33】中的耗气量模型与文献【34】中的耗电量模型，但两个模型均为非线性模型，在进行典型多能互补系统的混合整数线性规划时，需要对其进行线性化处理。对于耗电量模型，文献【35】给出了一种线性化方法。但是，压缩机站往往建立在气网某段管道的中部，而城市内的电力线路不一定与气网管道重合，故而采用耗气量模型将更具实际优势。经分析，可采用文献【27】中的增量线性法和文献【36】中的SOS双线性规划法进行压缩机的双层线性化建模。

• 1. 电-气联供互补系统天然气阶梯定价模型

对电-气联供互补系统进行天然气的阶梯定价需按照功能区进行分类建模。文献【37】给出新疆地区乌鲁木齐市居民区的天然气阶梯定价过程。其他功能区的气价则可根据具体的政策资讯与合理的研究分析推出。

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1. 方案（设计方案、或研究方案、研制方案）论证：
2. 网络建模
3. 对电力网络结构薄弱而新能源与油气资源丰富的区域进行园区级别联供互补系统建模时，因热网在城市园区之间的传输损耗较大，故在电网的基础上加入损耗较低的气网参与能量的传输互联；
4. 用于最优调度的电力网络潮流算法一般可分为直流潮流算法与二阶锥潮流算法。其中，直流潮流算法为线性约束，多用于输电线路的优化运行，模型较为简单。而基于城市配网园区级别的电网潮流需计及有功、无功平衡与电压、电流约束，故而采用二阶锥潮流算法；
5. 通过文献学习，建立气网的潮流模型，同时因所要调度的范围为园区级别，故而重点研究天然气管网的稳态等温与稳态非等温潮流模型；
6. 进行最优调度下的气网潮流建模时，因气网损耗较少，尤其在园区之间的互联系统中，管道气损可以忽略不计，故而采用气网稳态等温潮流算法，即认为在单一管道内天然气的流量、温度不随时间、距离发生变化；
7. 电网中电压电流与有功无功的非线性关系通过二阶锥算法进行线性化处理，气网中节点压力与管道流量的非线性关系通过增量线性算法进行线性化处理。
8. 设备建模
9. 园区内部多能互补系统的建模考虑计及典型CCHP系统的设备，如燃气轮机、燃气锅炉、电锅炉、蓄电池、电制冷机、余热回收装置、换热装置等，并加入P2G技术与储气罐，P2G技术将多余的新能源转化为甲烷以供存储或直接供给设备产能，储气罐用于天然气的存储，可实现网络的解耦；
10. P2G接入多能互补系统时，其作用为消耗电能并产气的设备，实现了燃气轮机（燃烧天然气并发电产热）的逆向功能，也为电-气耦合元件；
11. 进行气网模型的完善时，将压缩机作为气负荷进行建模，因压缩机耗气量与进口气压、进口流量、出口气压为非线性关系，故而采用增量线性与SOS双线性规划结合的双层线性化方法进行建模。
12. 优化目标
13. 园区级电-气联供互补系统优化调度的目标为所有园区总用能成本的最小化，包括用电与用气成本，其中不同功能区的电价、气价不相同；
14. 电网的峰谷定价模型与气网的阶梯定价模型均需结合案例给出符合实际的定价规律。另外，基于if-else语句的气网阶梯定价模型需结合0-1变量将分段函数模型线性化。
15. 案例验证与分析
16. 以具有丰富新能源与油气资源但电网建设较薄弱的新疆地区作为案例背景，建立园区内的CCHP系统与园区间的电-气联供互补系统，设定符合地区实际的典型日负荷曲线、新能源发电曲线、电网峰谷价格与天然气阶梯价格；
17. 总结对比接入与不接入气网作为能源互联网络这两种情况下的经济效益，分析P2G接入网络对新能源消纳等方面的作用以及阶梯气价对于功能区运行成本的影响。