考虑灵活性需求的电-气综合能源系统源网协同规划方法

本发明涉及电-气综合能源系统领域，尤其涉及一种考虑灵活性需求的电-气综合能源系统源网协同规划方法。

背景技术：

1、随着可再生能源渗透率越来越高，可再生能源将逐渐成为电力电量供应的主体，传统的电力系统正在逐渐演变为以可再生能源为主导的新型能源系统。在高比例可再生能源渗透背景下，净负荷（原始负荷减去风、光等可再生能源出力）爬坡更加频繁、峰谷差异更加显著，可再生能源出力的不确定性、随机性和波动性给新型绿色能源系统的安全稳定运行带来了巨大的挑战。

2、针对于高比例可再生能源渗透下的综合能源系统，现有技术中通常都是按照一定指标对电力系统、可再生能源系统、天然气系统内各类设备的配置以及出力进行规划，不考虑系统灵活性需求，这会导致电力系统在适应可再生能源的不确定性和间歇性特性方面存在灵活性不足问题。电力系统的灵活性是指在面对不断变化的电力供需情况下，实现电力的稳定、可靠和高效供应所需的能力，包括从发电、传输到配送等各个层面的灵活性，以确保电力系统能够适应能源转型、可再生能源的集成以及负荷变化等，同时保持系统的稳定性和经济性。系统的灵活性可以被视为对净负荷变化的一种快速响应能力。配备足够灵活的电力系统可以消除不平衡的电力，使电力系统的运行更加稳定和经济。而系统灵活性不足将会导致严重的弃风、弃光和弃负荷现象，影响系统的安全稳定运行。

技术实现思路

1、本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种实现操作简单、成本低、灵活性强的考虑灵活性需求的电-气综合能源系统源网协同规划方法，能够考虑综合能源系统灵活性需求，保障综合能源系统供需平衡和安全稳定运行，避免运行阶段因系统灵活性不足引起弃风、弃光和弃负荷等现象。

2、为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：

3、一种考虑灵活性需求的电-气综合能源系统源网协同规划方法，包括：

4、构建电力系统运行约束条件、天然气系统运行约束条件以及考虑上调、下调灵活性裕量时的电力系统供需平衡约束条件，形成电-气综合能源系统优化规划模型；

5、以可再生能源弃能、弃负荷、综合能源系统内各类发电机组和气源设备的出力以及成本最小为目标，构建所述电-气综合能源系统优化规划模型的目标函数，所述目标函数为综合能源系统内发电机组与气源设备的出力、各类能源设备的配置数量以及可再生能源弃能量、弃电负荷量、弃气负荷量的函数，所述能源设备包括新建电源、输电线路以及输气管道；

6、构建的所述电-气综合能源系统优化规划模型的目标函数为：

7、，

8、式中： r为利率；为新建风电机组、光伏发电机组、输电线路和输气管道的成本；为综合能源系统内各类发电机组和气源设备的出力；为可再生能源弃能量；为弃电负荷量；为弃气负荷量；分别为新建电源、输电线路和输气管道全寿命周期；为新建电源单位容量投资成本；和分别为输电线路和输气管道投入成本；、和分别表示新建电源、输电线路和输气管道是否建设的0-1变量；为电源投资容量；分别为新建风光等可再生能源发电机组、输电线路、输气管道、典型运行场景、已建设发电机组和气源出力的集合；

9、获取综合能源系统中各类能源设备的配置数量的初始值，输入至所述电-气综合能源系统优化规划模型的目标函数中进行求解，得到综合能源系统内各发电机组与气源设备的出力最优解以控制各发电机组、气源设备的协调运行。

10、作为一种可选的实施方式，所述电力系统运行约束条件包括电力系统各个节点源荷平衡约束、电力系统输电线路潮流容量约束、电压相角约束、输电线路潮流约束、输电线路潮流容量约束、发电机组出力约束、弃电负荷约束、弃可再生能源约束、电力系统和天然气系统耦合设备燃气轮机出力关联约束中任意一种或多种。

11、作为一种可选的实施方式，所述电力系统各个节点源荷平衡约束为：

12、，其中，分别为燃煤机组、燃气机组、可再生能源发电机组和新建发电机组在场景 s下 t时刻的机组出力；

13、分别为在场景 s下 t时刻的实际电负荷和弃电负荷；

14、为输电线路 l在场景 s下 t时刻的直流潮流，i表示序号，、和分别为燃煤发电机组、燃气发电机组和可再生能源发电机组的集合，为新建发电机组的集合；

15、所述电力系统输电线路潮流容量约束为：

16、，其中，和分别为输电线路 l直流潮流容量的上、下界，为输电线路 l在 t时刻的直流潮流容量，为待建输电线路的集合;

17、所述电压相角约束为：

18、，

19、其中，和分别为节点i处电压相角上、下限，为节点 i处在场景 s下 t时刻的电压相角。

20、作为一种可选的实施方式，所述输电线路潮流约束包括：

21、，

22、其中，为节点 i处在场景 s下 t时刻的已建输电线路 l的潮流， s( l)、 r( l)分别为输电线路 l的首节点、末节点， s( l+)、 r( l+)分别为待建输电线路 l+的首节点、末节点；为输电线路的电纳，为电压相角，为待建输电线路的集合，为节点 i处在场景 s下 t时刻的待建输电线路 l+的潮流， m为一预设正数，为新建输电线路是否建设的0-1变量，和分别为待建输电线路 l+潮流的上、下界，为待建输电线路 l+在场景 s下 t时刻的潮流容量；

23、所述发电机组出力约束包括：

24、，

25、其中，、和分别为燃煤发电机组、燃气发电机组和可再生能源发电机组的集合，、、分别为燃煤发电机组、燃气发电机组和可再生能源发电机组在场景 s下 t时刻的出力，、分别为燃煤发电机组出力的上、下限，为新建电源是否建设的0-1变量，为新建发电机组的集合，为新建发电机组在场景 s下 t时刻的出力，为新建发电机组出力的上限。

26、作为一种可选的实施方式，所述弃电负荷约束为：

27、，

28、其中，、分别为节点 i处在场景 s下 t时刻的实际电负荷和弃电负荷；

29、所述弃可再生能源约束为：

30、，

31、其中，为在场景 s下 t时刻的弃可再生能源，和分别为可再生能源发电机组 re在场景 s下 t时刻的可用出力和实际出力，为可再生能源发电机组 re的集合，为新建发电机组的集合；

32、所述电力系统和天然气系统耦合设备燃气轮机出力关联约束为：

33、，

34、其中，为燃气轮机发电效率，为燃气发电机组在场景 s下 t时刻的出力，为能量转换系数，为燃气轮机 gt在场景 s下 t时刻的用气量。

35、作为一种可选的实施方式，所述天然气系统运行约束条件包括天然气系统各节点源荷平衡约束、气源出力约束、节点气压约束、输气管道气流量容量约束以及输气管道气流量与节点气压关联约束中任意一种或多种，所述天然气系统各节点源荷平衡约束为：

36、，

37、其中，为输气管道 p在场景 s下 t时刻的气流量，为天然气负荷节点 m在场景 s下 t时刻的实际天然气负荷需求，为天然气负荷节点 m在场景 s下 t时刻的弃气负荷，为燃气轮机 gt在场景 s下 t时刻的用气量，为气源 n在场景 s下 t时刻的出力，为气源的集合，为燃气轮机的集合， s( p)、 r( p)分别为输气管道 p的首节点、末节点， j为序号；

38、所述气源出力约束为：

39、，

40、其中，和分别为气源 n出力的上、下限，为气源 n在场景 s下 t时刻的出力；

41、所述节点气压约束为：

42、，

43、其中，和分别为节点 j气压平方的上、下限，为节点 j在场景 s下 t时刻的气压平方；

44、所述输气管道气流量容量约束包括：

45、，

46、其中，为在场景 s下 t时刻已建输气管道 p中气流方向，为在场景 s下 t时刻已建设输气管道 p气流量的上限， m为预设正数；为输气管道是否建设的二进制变量，和分别为在场景 s下 t时刻待建设输气管道气流量的上限和下限，为在场景 s下 t时刻待建设输气管道气流量,为待建设输气管道的集合；

47、所述输气管道气流量与节点气压关联约束为：

48、，

49、其中， j( p)和 k( p)分别表示已建输气管道 p的首、末端节点为 j和 k；

50、和分别为辅助变量；为天然气管道系数，表示在场景 s下 t时刻已建输气管道 p在节点 j的气压。

51、作为一种可选的实施方式，所述考虑上调、下调灵活性裕量时的电力系统供需平衡约束条件为：

52、，

53、其中，和分别为在场景 s下 t时刻系统灵活性上调和下调裕量，为在场景 s下 t时刻电力系统总上调灵活性供给约束，为在场景 s下 t时刻电力系统总下调灵活性供给约束，和分别为系统上调灵活性需求和下调灵活性需求；

54、电力系统总上调灵活性供给约束的计算表达式为：

55、，

56、其中，，分别为燃煤机组和燃气机组上调灵活性供给约束，为弃电负荷灵活性供给约束，计算表达式分别为：

57、，

58、其中，和分别为燃气轮机 gt煤机组 g的上爬坡率；为时间间隔，、分别为燃煤机组、燃气机组在场景s下t时刻的机组出力，、分别为燃煤机组、燃气机组的机组出力最大值；

59、电力系统总下调灵活性供给约束的计算表达式为：

60、，

61、其中，、分别为燃煤机组和燃气机组下调灵活性供给约束，和分别为燃气轮机 gt和燃煤机组 g的下爬坡速率，为弃可再生能源提供下调灵活性供给；

62、系统上调灵活性需求和下调灵活性需求和的计算表达式为：

63、，

64、其中，为场景 s下 t时刻系统净负荷。

65、作为一种可选的实施方式，对构建的所述目标函数进行求解包括：

66、将所述目标函数中非线性非凸部分使用辅助变量进行转化后形成转化后目标函数，，为电源投入容量，为新建电源是否建设的0-1变量；

67、将转化后目标函数采用benders-割平面算法进行分解，由成本函数作为主问题目标函数、出力函数作为子问题目标函数，所述电-气综合能源系统优化规划模型作为所述子问题目标函数的约束条件；

68、先求解所述主问题目标函数，得到辅助变量的最优解；

69、将求解出辅助变量的最优解传递给子问题目标函数，求解所述子问题目标函数，得到综合能源系统内各发电机组与气源设备的出力最优解。

70、作为一种可选的实施方式，所述主问题目标函数为：

71、，

72、约束条件包括：

73、，

74、所述子问题目标函数为：

75、，

76、约束条件包括：

77、，

78、求解出所述主问题目标函数后，得到辅助变量和松弛辅助变量的最优解；

79、根据变量更新子问题目标函数的上界，同时传递给上层主问题进行迭代；判断当前是否收敛，如果是则得到最终的最优解输出，否则返回继续执行迭代。

80、与现有技术相比，本发明的优点在于：本发明在可再生能源和输电网协同规划阶段，先构建电力系统运行约束条件、天然气系统运行约束条件，同时考虑系统上调和下调灵活性需求构建电力系统供需平衡约束条件，形成电-气综合能源系统优化规划模型，然后以可再生能源弃能、弃负荷、综合能源系统内各类发电机组和气源设备的出力以及成本最小为目标构建模型的目标函数，对模型的目标函数进行求解得到各类设备出力的最优解，实现综合能源系统源网协同优化规划，能够有效保障综合能源系统供需平衡和安全稳定运行，避免运行阶段因系统灵活性不足引起弃风、弃光和弃负荷等现象。