一种考虑虚拟储能的综合能源系统协同恢复优化方法与流程

本发明涉及综合能源系统协同恢复，尤其涉及一种考虑虚拟储能的综合能源系统协同恢复优化方法。

背景技术：

1、

2、随着电力系统逐步发展，配电网发生故障后对人类生活的影响越来越大，为应对化石能源的匮乏与环境污染，加大可再生能源与清洁能源的发展变为世界共同关注的目标。2012—2040年，中国燃气比例预计将从2％增长到12％，截至2016年底，中国燃气机组装机容量达70080mw，占全国总装机容量的4.3％，同比增长6.1％，随着燃气轮机的大规模并网，电网与气网的联系日益紧密。在综合能源配电网中天然气通过管道进行运输，利用管存与储气罐作为电气系统的备用能源，避免交通问题。针对配电网故障持续时间较长或失电负荷量大的问题，利用综合能源多能利用特性，以气替电保障用户用电。

3、除此之外，综合能源系统作为多能源耦合和供应的典型应用之一，对于促进电力系统恢复供电、提高恢复速度等有着极大的促进作用。

技术实现思路

1、鉴于上述现有存在的问题，提出了本发明。

2、因此，本发明提供了一种考虑虚拟储能的综合能源系统协同恢复优化方法，可以得到系统的最优恢复策略。

3、为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案，一种考虑虚拟储能的综合能源系统协同恢复优化方法，包括：

4、根据天然气系统的管存特性和热力系统的延时特性和感知模糊性建立综合能源系统虚拟储能模型；根据综合能源系统的灵活性裕度，分析虚拟储能给离散型电力负荷带来的柔性；建立考虑虚拟储能的综合能源系统协同恢复模型；运用matlab的yalmip工具包调用gurobi求解器对上述调度模型进行求解，得出综合能源系统的最优恢复策略。

5、作为本发明所述的考虑虚拟储能的综合能源系统协同恢复优化方法的一种优选方案，其中：所述建立综合能源系统虚拟储能模型包括，供热网络由供水管道和回水管道组成，通过供水管道进行分析热网的传输延时特性，设一个调度时段δt内，流入管道的热水体积称为质块，则一根长为lp的管道的出口处的第k块wm记为wmk，设wmk从进入管道到流出管道所花费的时间为则k、和的表达式如下：

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10、式中，lp、sp和qp分别为管道p的长度、底面积和质量流率；ρw为水的密度；

11、热水经过管道p的时间τp可能不是δt的整数倍，而是介于和之间，则在当前时刻t流出管道p的热水体积应由质块wmk和wmk+1各取一部分来构成，因此，管道p出口处的水温是两个质块的温度按其质量的加权值：

12、

13、式中，是t时刻管道p的出口温度；和分别是wmk和wmk+1的出口温度；和分别为管道p中的wmk和wmk+1的温度；

14、若管道p出口只接有1根管道，则qp＝qp+1，若接有多根管道，则qp＝∑qp+1；

15、考虑到环境温度的影响，热网管道中的热水在传输过程中会与外界产生热交换造成热能损耗，wmk的温度损耗可表示为：

16、

17、式中，是wmk的入口温度，kp是管道p的温度损失系数；tenv是环境温度；

18、考虑到管道的延时特性，wmk和wmk+1的出口温度与入口温度的关系如下：

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21、将上面两式带入动态特性质量加权方程，可得到考虑延时特性和温度损耗的管道p的出口温度和入口温度的关系式：

22、

23、其中，w1、w2、w3的表达式分别为：

24、

25、

26、

27、作为本发明所述的考虑虚拟储能的综合能源系统协同恢复优化方法的一种优选方案，其中：所述感知模糊性包括，假设热负荷的柔性调节能力满足：

28、时段t负荷节点i吸收的热量在一定范围内；

29、t'个时段内，热交换站消耗的总热量与用户最理想供热需求总量相等，即：

30、

31、

32、其中，t'越大，说明可以在一个越大的时间尺度上调整供热需求，t'＝1即意味着严格按照用户最理想需求供热；

33、定义热网的虚拟储热功率如下：

34、

35、式中，为t时刻的热网虚拟储热功率，正值表示热网虚拟放热；npipe为供热网络中，管道的数量；和分别为供水管道和回水管道在t时刻的管道出口温度；和分别为供水管道和回水管道在t时刻的管道入口温度；

36、由于所述热网的虚拟储热特性，使得热负荷具有较大的柔性，电-热能量转换设备将电能转化为热能，因此对于电力系统而言，电热耦合设备是电力系统的负荷，通过电热耦合设备能够将热负荷的柔性耦合至电力系统中，从而使得电力系统在恢复过程中的负荷也具有一定的灵活性，所带来的电力系统负荷恢复的灵活性裕度为：

37、

38、式中，为由于热网虚拟储能特性为电力系统带来的负荷柔性裕度，ηe-h为电-热转换效率。

39、作为本发明所述的考虑虚拟储能的综合能源系统协同恢复优化方法的一种优选方案，其中：所述虚拟储能模型包括，由于天然气传输速度很慢并且具有压缩性，管道首端注入的天然气流量和末端输出流量不同，首末端相差的天然气流量暂时存储于管道中，称为管存，其表达式为：

40、

41、式中，为管道l在时刻t的管存；和分别为管道l进口处和出口处的气流量，满足weymouth稳态潮流方程，即管道中天然气流量和两端的气压之间满足：

42、

43、式为非凸、非线性方程，难以利用商业求解器求解，因此采用增量分段线性化的方式对等式左侧进行线性化处理，处理后式可由式-表示：

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47、

48、式中，z用于表示离散点所处的分段区间，z＝1,2,…,z，共有z-1个分段段数，z个离散点；将气压的平方项用一个变量整体替换，即是取值在0～1之间的连续变量，用于表征离散点在第z个分段区间上的位置；是辅助二进制变量，通过式来保证分段线性化时从左至右连续地填满整个分段区间；

49、天然气系统的管存使其具有天然的虚拟储能特性，天然气的可压缩性使得天然气负荷具有较大的柔性，并且与热力系统类似，通过气电耦合设备可以将天然气系统的柔性耦合传递至电力系统中，由于天然气系统虚拟储能特性为电力系统带来的灵活性裕度为：

50、

51、式中，为由于天然气系统虚拟储能特性为电力系统带来的负荷柔性裕度，ηg-e为气-电转换效率。

52、作为本发明所述的考虑虚拟储能的综合能源系统协同恢复优化方法的一种优选方案，其中：所述灵活性裕度包括，分析虚拟储能给离散型电力负荷带来的柔性，过程如下：

53、电力系统中的负荷通过变压器、变电站等接入，当某个变电站节点恢复供电时，当前节点的负荷功率并非是连续可变的，而是接入的若干个离散负荷组合而成的，当配电网中某变电站节点通过变电站连接其下的n个离散负荷，负荷大小分别为l1、l2、…、ln-1、ln，而在当前节点恢复过程中，当前节点的恢复量并非可以连续取值，而需要在当前节点所连的l1～ln中若干个负荷的组合值中选取；

54、综合能源系统的虚拟储能特性为电力系统恢复过程中的离散性负荷带来了一定的柔性，不考虑ies的虚拟储能时，当前节点在负荷恢复决策中仅能在16种离散的负荷组合值所组成的集合中选择；而考虑了ies的虚拟储能特性后，当前节点的负荷恢复决策中在负荷组合值的基础上，叠加了一个大小为的柔性裕度，的值可正可负，为正表示当前节点的负荷在原先的组合值的基础上可以减少为负则反之；经过虚拟储能的处理，当前节点的负荷恢复值在一系列区间值中选择，通过对热力系统和天然气系统的合理调度使待恢复负荷值取到期望的值。

55、作为本发明所述的考虑虚拟储能的综合能源系统协同恢复优化方法的一种优选方案，其中：所述综合能源系统协同恢复模型包括，恢复模型的建立如下：

56、恢复模型目标函数，恢复的目标函数为负荷恢复量和恢复负荷重要度指标最大，即

57、

58、式中，ibus,n是各节点的重要度指标；

59、恢复模型约束条件包括，在恢复过程中，电源出力随着恢复负荷的投入而增加，在电源出力提升的过程中，爬坡率要满足约束：

60、

61、式中，是t+1时刻电源s的出力，是电源爬坡率上限，ωgen是电源集合；

62、在整个恢复过程中，电源的出力应该满足上下限约束，即

63、

64、式中，和分别为电源s的最小技术出力和最大出力；

65、网架恢复过程中已恢复的节点和线路不能再断电：

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67、

68、式中，和分别为节点n和线路l的二进制辅助变量，其值为1则表示节点n或线路l被恢复；ωbus和ωline分别为系统中的节点集合和线路集合；ωtime为整个恢复过程中的时步集合；

69、某条线路恢复的必要不充分条件为首端和末端节点已被恢复，即

70、

71、式中，是与节点n相连的线路的集合；

72、另外，节点恢复的必要条件是至少有一条与其相连的线路已被恢复：

73、

74、考虑到人工操作和线路合闸时间的实际因素，当某条线路的相邻线路均未恢复时，线路也无法恢复，即

75、

76、式中，是与线路k相临的线路集合；

77、在恢复阶段的后期，主要恢复目标是进行负荷的恢复，只有一个节点被恢复之后，负荷才能够被恢复：

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79、式中，使表示节点n的负荷恢复状态的二进制辅助变量，具体来说，当时表示节点n的负荷开始恢复，否则未开始恢复；

80、对于恢复过程中的刚性负荷不能再被切除，约束如下所示；而恢复过程中的非刚性负荷则可以通过需求响应机制再次被切除，如所示：

81、

82、

83、式中，是节点n恢复的负荷功率；为节点n的最大负荷值；和分别为刚性负荷和非刚性负荷的节点集合；

84、考虑到线路潮流约束的实际因素，每个时步恢复的负荷应当不超过设定上限水平：

85、

86、式中，pl,ramp是每时步恢复负荷量的上限；

87、在实际的恢复过程中，不同恢复阶段之间通常没有明显的边界。

88、作为本发明所述的考虑虚拟储能的综合能源系统协同恢复优化方法的一种优选方案，其中：所述综合能源系统协同恢复模型还包括，对天然气网络中的各个部分分别进行建模：

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90、式中，为气源点r在时刻t的流量，和分别为气源点r的流量上下限；

91、储气罐的运行与储能装置类似，其约束如下：

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97、式中，为储气罐s在时刻t的储气量，为储气罐s的储气量上限；和分别为储气罐s在时刻t的进气量和出气量，和分别为储气罐进气量上限和出气量上限，和分别为储气罐s储气效率和放气效率；t为一天内的调度时刻数量；

98、加压站的主要装置为压缩机，压缩机消耗的天然气与通过天然气的流量和压缩比相关，能量消耗表达式为一个非凸、非线性表达式，采用线性近似替代的方法对加压站模型进行简化处理，其中加压站简化模型如下：

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102、式中，为在时刻t流过压缩机q的天然气流量，和分别为压缩机q允许流过的天然气流量上下限；为压缩机q在时刻t消耗的天然气流量，kq为压缩机q的耗气系数；假设经过压缩机q的天然气由节点m流向节点n，和分别为压缩比的上下限；

103、天然气网络中各节点的气压均应满足上下限约束，为了与式的线性化过程保持一致，节点气压仍采用平方项来替代，因此节点气压应满足如下约束：

104、

105、式中，为节点j的气压的平方，和分别为节点j气压上下限的平方。

106、作为本发明所述的考虑虚拟储能的综合能源系统协同恢复优化方法的一种优选方案，其中：所述综合能源系统协同恢复模型还包括热力系统运行约束，其中换热首站约束为：

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108、式中，和分别为t时刻chp机组和eh的热功率；为t时刻的tss功率，正值表示储热，负值表示放热；mfir为一个调度时段内流经换热首站的热水质量；和分别为t时刻流经换热首站的供水管道入口温度和回水管道出口温度；

109、换热站的热功率即为以当前节点为末端的供水管道与以当前节点为始端的回水管道中热水的热量差，第i个换热站的约束如下：

110、

111、式中，为第i个换热站在t时刻的热负荷功率；mtra为一个调度时段内流经第i个换热站的热水质量；和分别为t时刻流经第i个换热站的供水管道出口温度和回水管道入口温度；

112、供水和回水管道均适用如下的节点温度混合约束：

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114、式中，和分别为以节点n为末端和始端的热力管道集合；和分别为t时刻管道j的入口温度和管道k的出口温度；qj和qk分别为管道j和管道k的质量流率；

115、供水管道及回水管道中的热水温度需要满足以下约束：

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118、式中，和分别为供水温度上、下限；和分别为回水温度上、下限。

119、作为本发明所述的考虑虚拟储能的综合能源系统协同恢复优化方法的一种优选方案，其中：所述综合能源系统协同恢复模型还包括，采用distflow模型对系统中电力潮流进行建模，模型如下：

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128、式中，pdg,n和qdg,n分别是节点n的有功出力和无功出力，pload,n和qload,n分别是节点n的有功负荷和无功负荷，[n,j]是从节点n到节点j的线路，而[m,n]则是从节点m到节点n的线路，pnj和qnj分别是线路[n,j]上流过的有功功率和无功功率，而pmn和qmn分别是线路[m,n]上流过的有功功率和无功功率，rmn和xmn分别是线路[m,n]的电阻和电抗，lmn和lnj分别是线路[m,n]和[m,n]流过电流幅值的平方，vn和vj分别为节点n和j的电压幅值的平方，vmax和vmin分别是电压幅值平方的上下限，和分别为线路有功功率的上下限，和分别为线路无功功率的上下限，是线路电流幅值平方的上限；

129、由于模型是一个非线性方程且以上的distflow模型是一个非凸模型，因此难以求得模型的全局最优解，为了解决问题，通过以下不等式来进行松弛：

130、

131、在替代后，distflow模型被松弛为一个二阶锥模型，因此可以被成熟的商用求解器来进行求解。

132、作为本发明所述的考虑虚拟储能的综合能源系统协同恢复优化方法的一种优选方案，其中：所述综合能源系统协同恢复模型还包括，

133、在整个恢复过程中，整个网架中的频率应当满足安全性约束，即系统中频率应当在一定范围内：

134、

135、式中，fmax和fmin是系统能够容许的频率上下限，是线路l流过电流的频率。

136、本发明的有益效果：本发明方法可以得到综合能源系统的最优恢复策略。本发明所提方法基于天然气系统的管存特性和热力系统的延时特性和热负荷的感知模糊性，建立了综合能源系统中的虚拟储能模型，并在电力系统的恢复过程中计及虚拟储能，能够充分利用综合能源系统的协同耦合特性，提高综合能源系统的恢复能力，提高负荷恢复速度和负荷恢复量，加速综合能源系统的恢复进程，减少由于停电带来的损失，可以为综合能源恢复领域的研究提供重要参考价值。