一种蓄热罐容量规划方法和电转气参数敏感性分析方法与流程

本申请涉及电力系统规划技术领域，尤其涉及一种蓄热罐容量规划方法和电转气参数敏感性分析方法。

背景技术：

世界能源正处于大调整、大变革时期，我国也已走上从“扩能保供”向“提质增效”的能源变革之路。面对化石能源的日益短缺，能源消费结构必须做出改变。从提高各类能源的利用效率出发，综合能源系统(integratedenergysystem，ies)成为新的能源发展方向与研究热点。

电转气(powertogas,p2g)实现了能量从电网向天然气网的流动，从而在燃气轮机等耦合元件促成天然气-电力能量流流向的基础上实现了电-气耦合系统能量双向流动，p2g的弃风消纳作用与削峰填谷作用是其中关注的热点。鉴于p2g的运行成本在未来短期内无法大幅降低，对于p2g的研究开始侧重于考虑其运行成本条件下的容量规划与经济调度。然而，在对电转气的研究中，其强放热的反应特性尚未得到充分关注与利用，这也使得电转气与热网的互动研究尚未开始

另一方面，中国弃风问题依然严峻，据统计，2017年“三北”地区仍有五省弃风率超10％，其中甘肃省弃风率高达33％。面对不断增长的风电装机容量和成为隐患的弃风困境，如何最大化的消纳风电出力，成为运营商和风电企业都非常关心的问题。为了解决热电联产(combinedheatandpower,chp)最小出力难以压缩因而难以给风电提供消纳空间的难题，蓄热罐(heataccumulator,ha)作为重要的热电解耦元件，其弃风消纳价值受到了广泛研究。

在传统研究分析中，往往在分析蓄热罐对系统的风电消纳及运行成本的影响时，大都将容量设为给定值或使其足够大，容量选取方式不够合理，且未能考虑电转气设备热量回收对综合能源系统中蓄热罐容量的影响，导致在计算系统总投资运行成本时，不符合实际应用要求。

技术实现要素：

本申请提供了一种蓄热罐容量规划方法和电转气参数敏感性分析方法，以提高风电的利用率以及综合能源系统蓄热罐投资和运行的经济性。

为了解决上述技术问题，本申请实施例公开了如下技术方案：

第一方面，本申请实施例公开了一种蓄热罐容量规划方法，包括：初始化系统，输入网络拓扑的节点信息、支路的电阻电抗值和风机节点的风电出力数据；

确定蓄热罐投资决策经济性目标函数，所述蓄热罐投资决策经济性目标函数包括：蓄热罐建设成本，火电、热电联产、蓄热罐、电转气、燃气锅炉、气源运行成本和弃风成本；

确定弃风率目标函数和约束条件；

根据所述蓄热罐投资决策经济性目标函数和所述弃风率目标函数，构建蓄热罐投资决策经济性和弃风率多目标模型；

通过法线边界交叉法对所述多目标模型求解。

可选的，所述蓄热罐投资决策经济性目标函数为：

cop＝cop,tpp+cop,chp+cop,ha+cop,p2g+cop,gfb+cop,gs

式中：下标wind、tpp、chp、p2g、ha、gb、gs分别表示风机机组、火电机组、chp机组、p2g机组、ha、燃气锅炉、气源；fcost为投资规划总成本；cinv、cop、cwind分别为投资成本、运行成本和弃风成本；n为计算周期数；k为年份；τ为夏/冬季典型日负荷场景数；t为时段数；κ为折现率；cinv、cop、cwind分别为ha建设、运行、弃风成本；σha为ha建设的0-1变量(1表示建设)；cha、δt、ω、kha分别为ha规划容量、高温供水和低温回水的温差、蓄热容积率、热损失因数；uha为ha建设成本；ufix、uvar分别为机组运行的固定、可变成本；cper为机组单位运行成本；c^e、ε、c^m分别为p2g用电电价、生成单位天然气所需co2系数、co2价格系数；ζ为单位弃风成本；分别为节点i风机在场景τ下第t时段的理论出力、实际出力。

可选的，所述约束条件包括：电力系统约束、天然气网络约束、热力网络约束。

可选的，所述热力网络约束包括：供热约束和蓄热罐运行约束，其中，所述供热约束的表达式为：

hchp,a+δhhha,a+hgb,a+hp2g,a≥hl,a

其中：hchp,a、hha,a、hgb,a、hp2g,a、hl,a分别表示a节点的热电联产、蓄热罐、锅炉、电转气机组的热出力和热负荷；δh表示蓄热罐的蓄/放热状态；hha表示蓄热罐的热出力的下限，表示蓄热罐的热出力的上限。

可选的，所述通过法线边界交叉法对所述多目标模型求解包括：

将经济性模型、弃风率模型归一化；

通过改变权重系数，将原目标优化问题转化为一系列单目标优化问题；

通过对一系列单目标问题的寻优，解得pareto前沿。

可选的，还包括：在matlab中采用yalmip和gurobi进行建模求解，利用判断是否满足收敛条件，未满足则返回重新计算，若满足则输出最优解。

第二方面，本申请实施例公开了一种电转气参数敏感性分析方法，包括：

采取投资规划经济性最优为目标函数进行分析；

分析电转气单位运行成本对系统运行策略的影响；

分析电转气放热效率对系统运行策略的影响。

可选的，所述分析电转气单位运行成本对系统运行策略的影响包括：

定义电转气的运行成本系数，确定运行成本系数的上限与仿真步距；

仿真得到蓄热罐规划容量随电转气单位成本变化的曲线图；

在曲线图中标记出多个表现出不同规划策略的运行点；

得到所述运行点处的电转气出力策略、蓄/放热策略，并与不接入电转气的情况对比，得出接入电转气以及电转气单位运行成本对系统运行策略的影响；

输入电转气单位运行成本并得到对应的各机组出力成本，得到了“蓄热罐规划容量-电转气单位运行成本图”。

可选的，所述分析电转气放热效率对系统运行策略的影响包括：

定义电转气的放热效率并设置电转气放热效率的区间0～1.2；

按照预定步距输入放热效率的值得到对应的不同p2g放热效率下的蓄热罐出力时刻值，绘制成曲线，讨论得到电转气放热效率对蓄热罐容量规划的影响。

与现有技术相比，本申请的有益效果为：

本申请提供了一种蓄热罐容量规划方法，包括：初始化系统，输入网络拓扑的节点信息、支路的电阻电抗值和风机节点的风电出力数据；确定蓄热罐投资决策经济性目标函数，所述蓄热罐投资决策经济性目标函数包括：蓄热罐建设成本，火电、热电联产、蓄热罐、电转气、燃气锅炉、气源运行成本和弃风成本；确定弃风率目标函数和约束条件；根据所述蓄热罐投资决策经济性目标函数和所述弃风率目标函数，构建蓄热罐投资决策经济性和弃风率多目标模型；通过法线边界交叉法对所述多目标模型求解。建立了同时考虑弃风率与规划经济性的多目标优化模型，使电转气与蓄热罐协调配合，考虑电转气热回收的综合能源系统蓄热罐容量规划方法，可以加深电、气、热三网耦合，减少蓄热罐投资与弃风率。同时创新性的考虑了计及电转气热回收对蓄热罐容量规划与系统运行策略的影响。

应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本申请。

附图说明

为了更清楚地说明本申请的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请实施例建立的综合能源系统能量流示意图；

图2为本申请实施例提供的蓄热罐容量规划方法流程示意图；

图3为本申请实际算例分析中的9节点综合能源系统结构示意图；

图4为多目标求解后的pareto前沿；

图5为不同p2g单位成本下的蓄热罐规划容量图；

图6为不同p2g放热效率下的弃风率及蓄热罐规划容量图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请中的技术方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本申请保护的范围。

结合图1所示，为本申请实施例建立的综合能源系统能量流示意图，箭头方向为综合能源系统能量流动方向。

如图2所示，为本申请实施例提供的蓄热罐容量规划方法流程示意图，本申请提供了一种综合能源系统蓄热罐容量规划方法，包括：

初始化系统，输入网络拓扑的节点信息、支路的电阻电抗值和风机节点的风电出力数据。

确定蓄热罐投资决策经济性目标函数，所述蓄热罐投资决策经济性目标函数包括：蓄热罐建设成本，火电、热电联产、蓄热罐、电转气、燃气锅炉、气源运行成本和弃风成本。

所述蓄热罐投资决策经济性目标函数为：

cop＝cop,tpp+cop,chp+cop,ha+cop,p2g+cop,gfb+cop,gs

式中：下标wind、tpp、chp、p2g、ha、gb、gs分别表示风机机组、火电机组、chp机组、p2g机组、ha、燃气锅炉、气源；fcost为投资规划总成本；cinv、cop、cwind分别为投资成本、运行成本和弃风成本；n为计算周期数；k为年份；τ为夏/冬季典型日负荷场景数；t为时段数；κ为折现率；cinv、cop、cwind分别为ha建设、运行、弃风成本；σha为ha建设的0-1变量(1表示建设)；cha、δt、ω、kha分别为ha规划容量、高温供水和低温回水的温差、蓄热容积率、热损失因数；uha为ha建设成本；ufix、uvar分别为机组运行的固定、可变成本；cper为机组单位运行成本；c^e、ε、c^m分别为p2g用电电价、生成单位天然气所需co2系数、co2价格系数；ζ为单位弃风成本；分别为节点i风机在场景τ下第t时段的理论出力、实际出力。

以下各公式中相同的参数代表意义相同，不再一一赘述。

其中：

1)火电成本函数：

式中，tpp表示火电机组；ufix、uvar分别表示运行的固定成本和可变成本；p表示火电机组出力；cper表示机组单位运行成本；τ表示夏/冬季典型日负荷场景。

2)热电联产成本函数：

式中，chp表示热电联产机组。

3)蓄热罐成本函数：

式中，ha表示蓄热罐；c^e表示电价；ρha表示电泵蓄/放单位热量时的耗电量；hha表示蓄热罐热出力。

4)电转气成本函数：

式中，α、c^m分别表示生成单位天然气所需co2系数、co2价格系数。

5)燃气锅炉成本函数：

6)气源成本函数：

7)弃风成本成本函数：

式中，ζ表示单位弃风成本；分别表示风机在τ场景下的理论发电量和实际发电量。

确立投资规划经济性目标函数，为各机组运行成本、弃风成本和蓄热罐建设成本之和。采用等年金法，将总成本分摊到蓄热罐寿命期内的各年年末。

蓄热罐建设成本：

式中，uha表示蓄热罐建设费用，σha表示ha建设的0-1变量，cha、kha、δt、ω分别表示蓄热罐规划容量、热损失因数、高温供水与低温回水的温差、蓄热容积率。

蓄热罐投资规划经济性目标函数：

式中，fcost表示投资规划总成本，n为计算期，κ为折现率，cinv、cop、cwind分别表示蓄热罐建设、运行和弃风成本。

确定弃风率目标函数和约束条件。

其中：确立弃风率目标，令某一时刻的弃风量等于该时刻的理论风电发电量与实际发电量之差。因此规划期每一年的最小化弃风率目标可以表示为：

式中，表示弃风率；分别表示风机在τ场景下的理论发电量和实际发电量。

确定约束条件，约束条件主要表现为针对系统的约束，包括电力系统约束、天然气网络约束、热力网络约束。

1.电力系统约束

(a)电功率平衡约束：

其中，σha为ha的建设状态；ρha为电泵蓄、放单位热量时的耗电量；ω(p)为所有与电力节点p相连的电力节点集合；pl,pq为节点p和节点q之间的线路潮流。

(b)电力线路潮流约束：

θref＝0

-plmax≤pl≤plmax

其中，θ为节点相角，θref为平衡节点电压相角参考值；x为线路电抗；plmax为线路潮流上限。

(c)热电联产出力约束：

其中，为chp出力上限，pchp,p为chp出力下限。

(d)电转气出力约束：

其中，为p2g出力上限，pp2g,p为p2g出力下限

(e)机组爬坡约束：

其中，pg,up、pg,down分别为chp和火电机组上行、下行爬坡功率。

2.天然气网络约束：

(a)天然气功率平衡约束。

其中，g为各机组天然气出力或天然气消耗；pl(m)为与燃气节点m连接的所有节点集合；fpl,mn为节点m和节点n之间的天然气潮流。

(b)管道流量约束。

其中，f为管道流量；sgn(fprem,fpren)为节点m、节点n间的气流方向，fpre为节点气压大小；k为管道传输系数；f、分别为管道流量下、上限；fpre、分别为节点气压下、上限。

(c)气源出力约束：

其中，ggs、分别为气源出力的下、上限。

3.热力网络约束：

(a)供热约束：

hchp,a+δhhha,a+hgb,a+hp2g,a≥hl,a

其中：hchp,a、hha,a、hgb,a、hp2g,a、hl,a分别表示a节点的热电联产、蓄热罐、锅炉、电转气机组的热出力和热负荷；δh表示蓄热罐的蓄/放热状态；hha、分别表示蓄热罐的热出力上下限。

其中：将电转气的总反应过程分为电解制氢和甲烷化两大部分考虑，建立了单位时间内的电转气甲烷产率与反应放热模型，具体包括步骤：

假设电转气的甲烷化过程中不生成支路产物，因此电转气的总反应可以分解为以下两步反应：

4h2(g)+co2(g)——→ch4(g)+2h2o(g)

建立单位时间内电转气的甲烷生产模型(考虑电转气出力的功率单位与化学反应中的体量单位之间的换算)：

建立单位时间内电转气的反应放热模型：

参数的参考值如下：

甲烷热值甲烷、氢气密度为甲烷、氢气摩尔质量为电转氢气速率即反应热注入热网比重

(b)蓄热罐运行约束。

hha,t＝(1-kha)sha,t-1-sha,t

sha,t≤sha,max,sha(0)＝sha(t)

其中，sha,t表示ha在t时刻的容量状态，单位为mw·h；hha表示蓄热罐出力；sha,t≤sha,max,sha(0)＝sha(t)表示周期t(h)结束时蓄热罐的储热量等于其初始的储热量；kha表示蓄热罐热损失因数。

将目标函数和约束条件中的非线性模型线性化，比如天然气管道模型、供热约束等。

根据所述蓄热罐投资决策经济性目标函数和所述弃风率目标函数，构建蓄热罐投资决策经济性和弃风率多目标模型。通过法线边界交叉法对所述多目标模型求解。具体步骤包括：

1)将蓄热罐投资决策经济性模型、弃风率模型归一化；

应用法线边界交叉法(normalboundaryintersection，nbi)对投资规划经济性、弃风率目标归一化后，有：

式中，分别表示归一化后的规划成本、弃风率目标；分别表示规划成本、弃风率目标函数单独优化时的最优解。

2)通过改变权重系数，将原目标优化问题转化为一系列单目标优化问题；

将权重系数表示为β1，则转化后的单目标优化问题可表示为：

maxλ

式中，g(x)＝0、c(x)≤0分别表示模型中的等式约束和不等式约束。

3)通过对一系列单目标问题的寻优，解得pareto前沿。

在matlab中采用yalmip和gurobi进行建模求解，利用判断是否满足收敛条件，未满足则返回重新计算，若满足则输出最优解。

本申请还提供了一种电转气参数敏感性分析方法，具体如下：

1.采取投资规划经济性最优为目标函数进行分析。

2.分析电转气单位运行成本对系统运行策略的影响：

定义电转气的运行成本系数，确定运行成本系数的上限与仿真步距。

取p2g单位运行成本与成本基值的比值为p2g运行成本系数，并以p2g运行成本系数表示影响运行策略的p2g成本参数，取成本基准值为1000元/mw·h。

仿真得到蓄热罐规划容量随电转气单位成本变化的曲线图。

在曲线图中标记出多个表现出不同规划策略的运行点，本实施例中在曲线图中标记出6个表现出不同规划策略的运行点。

比较典型运行点处的电转气出力策略、蓄/放热策略，并与不接入电转气的情况对比，得出是否接入电转气以及电转气单位运行成本对系统运行策略的影响。

输入电转气单位运行成本并得到对应的各机组出力成本，得到了“蓄热罐规划容量-电转气单位运行成本图”，取p2g单位运行成本与成本基值的比值为p2g运行成本系数，并以p2g运行成本系数表示影响运行策略的p2g成本参数，取成本基准值为1000元/mw·h。从“蓄热罐规划容量-电转气单位运行成本图”可分析得到各扰动点形成原因。

3.分析电转气放热效率对系统运行策略的影响：

定义电转气的放热效率并设置电转气放热效率的区间0～1.2；

考虑到p2g的放热效率与p2g的运行效率、反应热注入热网的比例成正相关。因此将p2g放热效率定义为：

其中，ηp2g分别表示电转氢效率、甲烷化效率、反应热注入热网比例和p2g运行效率。

取为基准值，放热效率上限取为了使p2g出力最大化，取p2g成本系数cper,p2g＝0。

以0.1为步距输入放热效率的值，得到对应的不同p2g放热效率下的蓄热罐出力时刻值，绘制成曲线，讨论得到电转气放热效率对蓄热罐容量规划的影响。

以下通过一个实际算例对本申请作进一步详细描述。

算例采用如图3所示的9节点综合能源系统，图3中：黑色线条代表电力系统；灰色线条代表天然气网络，箭头代表热负荷，tpp代表火电机组，wt代表风机机组，p2g代表电转气机组，gs代表气源，chp代表冷热电联产，ha代表蓄热罐，gfb代表燃气锅炉。

其中节点1接入常规火力发电机，节点3接入chp机组和ha，节点4建设有风电场和p2g，节点6接入燃气锅炉设备，用户电/热负荷分布于5,7,9节点，气源建设于1,2节点。年等金法中计算期n取20年，ha在第一年建设并投入使用。在求解多目标优化结果时，p2g成本仅取二氧化碳成本，为90美元/t，放热效率取基值0.68。

设置优化目标：1)得到多目标优化的pareto前沿和折中解；2)研究p2g单位运行成本对系统运行策略的影响；3)研究p2g放热效率对ha容量优化的影响。

多目标优化结果：解得的pareto前沿如图4所示。求得能最大程度满足各目标函数的折中解权重系数为β1＝0.5555，此时优化结果为：系统运行成本为1.8906×10⁸元，弃风率ηwt＝2.12％，规划容量为93.8864mw。

根据图5，蓄热罐规划容量呈现随cper,p2g的降低而减小的趋势。但是变化曲线并非一条平滑曲线，这说明蓄热罐的运行策略会随p2g单位运行成本发生改变。

根据图6不同p2g放热效率下的弃风率及蓄热罐规划容量，随着p2g放热效率的提高，首先，蓄热罐规划容量从不计热回收转变为计及热回收时，弃风率发生跃升，蓄热罐规划容量发生突降。原因为：(1)计及p2g热回收后，p2g在出力同时可以向蓄热罐蓄热，但由于蓄热罐存在蓄/放热不能同时进行的限制，因此蓄热罐在放热时p2g将不出力(7～9,16～20时段)，这使得风电消纳空间暂时性压缩，从而造成了弃风率的跃升；(2)计及p2g热回收后，蓄热罐将采取负荷低谷时段利用p2g平稳蓄热的策略，从而替代不计p2g热回收时的负荷高峰时段利用chp机组增发出力的“临时”蓄热策略，这造成了蓄热罐热出力峰值的削减，使得蓄热罐容量突降。

为了在电-气-热协同调度系统中规划容量经济且合理的ha，本申请建立了同时考虑弃风率与规划经济性的多目标优化模型，并创新性的考虑了计及电转气热回收对蓄热罐容量规划与系统运行策略的影响。首先，通过场景对比研究，初步描述了接入ha和p2g对风电消纳的促进作用，并着重分析了ha的运行方式。在对多目标优化模型求解后，针对得到的不均匀pareto前沿，在规划经济性最佳的单目标决策场景下研究了不同p2g运行参数对系统运行策略的影响。基于较为典型的算例研究，得出了以下结论：(1)随着p2g单位运行成本降低，系统将增发p2g出力，从而增大风电消纳空间，此时ha会一改未接入p2g(或不计p2g热回收)时在负荷高峰时段利用增发chp机组和燃气锅炉出力的“临时”蓄热策略，转变为在p2g出力时段利用p2g放热的“稳定”蓄热策略。(2)随着p2g放热效率的提高，ha的蓄热峰值被逐渐削减，放热峰值则逐渐增大，当放热峰值增大至代替蓄热峰值而成为ha容量规划的主导因素时，ha容量将需要提高。

由于以上实施方式均是在其他方式之上引用结合进行说明，不同实施例之间均具有相同的部分，本说明书中各个实施例之间相同、相似的部分互相参见即可。在此不再详细阐述。

需要说明的是，在本说明书中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的电路结构、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种电路结构、物品或者设备所固有的要素。

本领域技术人员在考虑说明书及实践这里发明的公开后，将容易想到本申请的其他实施方案。本申请旨在涵盖本发明的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本申请的一般性原理并包括本申请未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本申请的真正范围和精神由权利要求的内容指出。

以上所述的本申请实施方式并不构成对本申请保护范围的限定。