一种基于能源中心的电气混联系统建模和优化调度方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种基于能源中心的电气混联系统建模和优化调度方法，属于多能源 综合控制利用领域。 技术背景
[0002] 化石能源的广泛使用导致环境问题日益突出以及化石能源逐渐枯竭，传统的经济 和社会发展模式难以持续，亟需建立更加高效、环保和可持续型的能源利用模式，能源中心 (energy hub, EH)的提出使建立新的能源利用模式成为可能。能源中心被定义为由能源转 化设备和储能设备构成、能够实现多种能源相互转化和存储的虚拟实体。能源中心作为多 种能源形式的中间媒介，促使多种能源形式和能源系统的联系更加紧密，并考虑了经济性 影响。能源中心输入端连接多种能源的供应，输出端连接多种能源的消费，不同能源形式在 其间相互转化，这就为多种能源形式的优化调度提供了可能性。
[0003] 相比于其他一次能源，天然气对环境的影响较小、储量丰富且易于存储；燃气轮机 和联合循环电厂的日渐发展，使得天然气发电投资更少、效率更高、建设周期缩短且调控更 加灵活方便；此外，"页岩气革命"的不断深化，将造成天然气价格显著下降。可以预见，天 然气发电的比例将逐步提高，天然气也会凭借其诸多优势在未来能源利用模式中占据重要 地位。天然气网络与电力网络的联系越来越密切，可以说未来的能源利用模式将是天然气 网络与电力网络高度耦合的产物。
[0004] 前人对电力网络和天然气网络的独立网络都有足够的研究，如最优潮流（optimal power flow，0PF)等经典问题，但少有考虑电力网络与天然气网络的综合优化调度问题。近 年来，由于天然气在能源利用中的地位越来越突出，电力网络与天然气网络的综合研究引 起了国内外学者的广泛关注。电气混联系统的研究主要分为协调规划和协调运行两个阶 段，问题主要集中在不确定因素的处理、电负荷与电负荷的相互转化与影响、监管部门的协 调规划与管理以及混联系统的动态行为与可靠性等方面。
[0005] 电气混联系统优化调度本质上是非线性规划问题。本发明以总的能源成本作为 目标函数，考虑了电力网络中有功、无功功率平衡约束，平衡节点相角平衡约束，发电机有 功、无功出力约束，电压约束；天然气网络中流量平衡约束，压缩机状态量平衡约束，气源点 输出约束和节点压力约束；能源中心的输入输出平衡约束和调度因子约束。本发明采用 原-对偶内点法（primal-dual interior point method，PDIPM)求解基于能源中心的电气 混联系统优化调度问题，因为roiPM有着收敛性好，计算效率高，鲁棒性强，初值选取不敏 感，没有识别约束集困难等优点。最后对构造的算例进行编程仿真，结果分析验证了本发明 方法的优势。
【发明内容】
[0006] 发明目的：本发明针对现有技术所需解决的技术问题提供一种基于能源中心的新 型能源供应形式即电气混联系统的建模和优化调度。
[0007] 技术方案：本发明为实现上述目的，采用如下技术方案：
[0008] 本发明为一种基于能源中心概念电气混联系统建模和优化调度方法，其特征在于 所述方法依次按以下步骤实现：
[0009] 1)获取电力网络的参数信息，包括：输电线路的首端节点和末端节点编号，支路 型等效电路的电阻、电抗，对地并联电导、电纳，变压器变比和阻抗，各节点负荷以及发电 机输出有功、无功约束，各节点电压约束；
[0010] 对于各电力网络中节点i :
[0013] 其中：P1, Qj别为电力网络中节点i有功功率和无功功率；e Pf1分别为节点i电 压向量的实部和虚部；Glj, Blj分别为节点导纳矩阵第i行第j列元素的实部和虚部。
[0014] 2)获取天然气网络的参数信息，包括：输气管道的首端节点和末端节点编号，管 道的长度、内径和传输效率等物理特性，压缩机的状态量，各节点气负荷以及气源点天然气 输出约束，各节点压力约束；
[0015] 引入包括管道流量方程、压缩机流量消耗方程及流量平衡方程； 「〇〇1引 捆相容仳下·昝增k A人韦·占 i ?丨丨韦·占 i的流畺值可以用下面的方程表示：
FkS管道摩擦系数；Dk为管道内 径；G为气体重力系数；Lk为管道长度；π i为节点i压力值；π ,为节点j压力值；π。为标 准压力值；Τ。为标准温度值；Tka为平均气体温度；ZaS平均气体压缩系数；
[0019] 对于高压网络的全紊流形式，流量方程可以进一步简化为：
:为管道效率；
[0022] 理想气体条件下，压缩机的能量消耗方程可以表示为：
[0024] 其中：
；fa为通过压缩机的气体流量；π 气体注入压缩 机压力；^为气体输出压缩机压力；Zkl为压缩机入口的气体压缩系数；Tkl为压缩机输出温 度；α为热量系数；n k为压缩机效率；
[0025] 转化为消耗的流量值：
[0026] Tk - a Tk+ β TkHki j+ y TkHk ；
[0027] 每一个节点的流量平衡方程可以用下面的矩阵形式表示：
[0028] (A+U) f+w-T τ = 〇 ；
[0029] 其中：A、U和T分别为支路、压缩机和压缩机消耗与节点有关的方向矩阵，f为支 路流量值向量;w为各节点的气体注入向量；τ为各压缩机消耗流量值向量；
[0030] 3)获取能源中心的参数信息，包括：各能源中心输入输出与电力网络及天然气网 络的连接情况，各能源中心负荷以及各能源中心调度因子约束；
[0031] 多输入多输出能源中心模型可以用矩阵方程描述：
[0032]
[0033] 其中：P和L分别为输入输出向量；矩阵C被称为親合矩阵；
[0034] 列出能源中心输入输出平衡方程：
[0036] 其中：η !?表不变压器效率；n CTe表不燃气轮机气转电的效率；CTh表不燃气轮机 气转热的效率；n F表示燃气锅炉的效率；
[0037] 4)以总的能源成本作为目标函数f (X)，选取控制变量U和状态变量无.，根据各种 约束条件列写等式约束和不等式约束，建立电气混联系统非线性规划数学模型并用PDIPM 求解；
[0038] 建立电气混联系统优化调度模型：
[0039] min f (X);
[0040] s. t. h (X) = 0 ;
[°041] g(x) ^ gmax；
[0042] 其中：h表示等式约束；g表示不等式约束；g_，g_分别表示不等式约束的上、下 限；
[0043] 5)引入广义松弛变量1和u，将模型中不等式约束转化为等式约束；
[0044] 引入广义松弛变量I = [I1,…，1JT, u = [U1,…，uJT将广义不等式转化为等式：
[0045] g(x)+u-gnax= 0 ；
[0046] g(x)-1-gmin= 0 ；
[0047] 应满足：u>0, 1>0 ;
[0048] 6)为了保证目标函数在可行域内取得最小值，对目标函数引入对数障碍参数μ， 将模型转化为只含有等式约束的模型；
[0049]引入松弛变量和障碍参数将模型转化成只有等式约束的模型：
[0054] 其中：扰动因子（障碍参数）μ > 0 ;
[0055] 引入拉格朗日乘子得到拉格朗日函数：
[0057] 7)用拉格朗日乘子法求解上述等式约束模型，引入拉格朗日乘子z、w和y，得到拉 格朗日函数，根据拉格朗日极值存在必要条件（KKT条件）列写非线性方程组；
[0058] 根据拉格朗日极值存在条件（KKT条件）得到一组非线性方程组，用牛顿-拉弗逊 法求解，其一阶修正方程为：
为KKT方程上次迭 代的残差；和▽&(·*)分别为h (X)和g (X)的海森矩阵；
[0061] 8)定义对偶间隙Gap = ItZ-UtW和扰动因子
、其中〇 = [0, 1]为中心 参数；
[0062] 9)用牛顿法求解上述非线性方程组，计算雅可比矩阵、海森矩阵和常数项等，求解 修正方程组，得到各原变量和对偶变量的修正量，乘上步长对变量进行修正，直到对偶间隙 Gap小于收敛精度（ε = 10 6)，否则不收敛；
[0063] 求解修正方程得到修正量，计算原变量和对偶变量步长：
[0068] 10)输出优化调度结果，包括：电力网络发电机有功、无功出力和各节点压力，天 然气