考虑供能可靠性的电-气综合能源系统规划方法

白桦， 郁丹， 刘臻， 赵家悦， 郭创新， 李海疆

(1.浙江华云电力工程设计咨询有限公司，浙江 杭州 310014；2. 浙江大学 电气工程学院，浙江 杭州 310027； 3. 中国联合工程有限公司，浙江 杭州 310056)

0 引 言

近年来，随着能源枯竭和环境污染问题的日益严峻，弃风弃光的现象屡有发生[1]。为缓解长期的能源压力，解决可再生能源消纳问题，提出了能源互联网的概念[2]。能源互联网使得可再生能源、电力系统、天然气系统、热力系统和交通系统等多个系统能够协调而可靠地运行[3]。电网与气网分开规划不仅会降低可再生能源的消纳能力，也会影响其经济性[4]。因此，考虑电-气综合能源系统联合规划是十分有必要的[5]。文献[6]考虑电转气技术(power to gas,PtG)和燃气轮机(gas turbine ,GT)对电-气综合能源系统进行建模，解决可再生能源出力的不确定性问题。文献[7]考虑了综合能源系统中存在的多个投资商，提出一种联合规划的动态博弈模型。

另一方面，随着系统规模的愈发庞大与架构的愈发复杂，如何维护可靠性成为了一项重要的前瞻性工作[8]。分布式能源的并入与柔性负荷的灵活调度也为可靠性规划带来了新的机遇与挑战。文献[9]考虑极端自然灾害下配电网抵御灾害的能力对网架进行规划。文献[10]根据线路综合故障率完成电网线路的差异化规划。以上文献均为面向配电网进行高可靠性规划，缺乏对电-气综合能源系统可靠性规划的讨论与研究。

综上，本文提出了一种考虑供能可靠性的电气综合能源系统规划方法。在风电和光伏等分布式电源接入的背景下，计及各项投资成本和运行成本，通过对柔性负荷引入惩罚系数，考虑系统的能量短缺成本，建立系统规划模型。对模型进行线性化处理建立整数线性规划模型，通过对改进的12节点配电网系统和10节点配气网系统进行仿真，实现对配电线路、天然气管道及冷热电三联供机组厂站等的选址和定容，验证本文提出方法的可行性和有效性。

1 电-气综合能源系统模型说明

含有冷热电三联供(combined cooling, heating and power system, CCHP)的电-气综合能源系统物理模型如图1所示。配电网、配气网和CCHP机组共同组成了待规划的电-气综合能源系统。

图1 待规划的电-气综合能源系统

1.1 CCHP机组模型

CCHP机组通过能量的梯级利用，提升系统的能源利用率。本文考虑以天然气为原料，输出为电能的CCHP机组模型，采用燃气机组耗气一次模型，如式(1)所示。

Pe,GT=ηGTPgas,GT

(1)

式中：ηGT为燃气轮机的能量转换系数;Pe,GT为燃气轮机输出到配电网的电量;Pgas,GT为配气网输入到燃气轮机的气量。

1.2 能量短缺成本

1.2.1 柔性负荷模型

本文所考虑的柔性负荷包含可削减负荷和可转移负荷。削减的负荷量不高于负荷总量：

(2)

可转移负荷要求负荷总量保持不变：

(3)

1.2.2 能量短缺成本

根据不同的负荷性质构建损失函数fi：

(4)

由此描述能量短缺成本Crel为：

(5)

1.2.3 可靠性约束

要求满足切负荷量和转移负荷量不超过规定的最大值，对于∀y,∀s,∀h：

(6)

(7)

长时间的转移负荷会增加系统调度成本。故要求负荷转移不能超过规定时长：

(8)

2 协同规划模型

2.1 目标函数

传统的配电网规划的目标函数从经济角度出发，一般包括投资成本与维护成本。本文在此基础上构建含有CCHP的电-气系统综合能源物理模型目标函数，将系统可靠性转化为经济性。故协同规划模型的目标函数描述为：

minf=Ccap+Cmain+Crel

(9)

(10)

(11)

(12)

2.2 约束条件

电-气综合能源系统协同规划约束包含四部分：配电网约束、天然气网约束、CCHP约束和状态变量约束。

2.2.1 状态变量约束

考虑状态变量约束如下：规划年限内一条通道只会选择一种类型进行建设，且在规划年限内不被拆除。

对于∀i∈Ωi,∀θ∈Ωtype在规划年间安装状态可描述为：

(13)

Xy-1,i,θ≤Xy,i,θ

(14)

Xy-1,i≤Xy,i

(15)

式中:Xy,i为在第y年是否存在通道或设备i，值为1时表示存在，值为0时表示不存在。

2.2.2 CCHP耦合约束

考虑CCHP耦合约束如下：

(1) CCHP能量转换约束。对于∀i∈ΩECCHP,m∈ΩGCCHP，∀y,∀s,∀h,有：

(16)

(2) CCHP输出约束。对于已存在的CCHP设备，∀y,∀s,∀h，有：

(17)

对于待投建的CCHP设备，∀y,∀s,∀h，有：

(18)

2.2.3 配电网约束

考虑配电网约束如下：

(19)

(20)

(2) 线路容量约束。对于∀i∈Ωel，∀y,∀s,∀h，线路有功和无功功率应满足：

(21)

(22)

(3) 变电站容量约束。对于∀i∈Ωes，∀y,∀s,∀h，变电站的有功和无功功率应满足：

(23)

(24)

2.2.4 配气网约束

考虑配气网约束如下：

(25)

(2) 管道容量约束。对于∀i∈Ωgl，∀y,∀s,∀h，管道输送潮流应满足：

(26)

(3) 配气站容量约束。对于∀i∈Ωgs，∀y,∀s,∀h，配气站输入输出应满足：

(27)

2.2.5 辐射状约束

为了满足配网辐射状运行的要求，需满足以下约束：

zysh,ij≥0

(28)

zysh,im=0 ∀m∈Ωs

(29)

(30)

(31)

2.3 求解算法

(32)

(33)

(34)

式中:L为下限;U为上限。

(35)

(36)

可将该项线性化处理为：

(37)

本文调用Gurobi求解器对该优化问题进行求解。

3 算例分析

浙江省某区域综合能源系统拓扑如图2、图3所示，分别为12节点配电网和10节点配气网，配电网与配气网之间通过2处CCHP设备耦合。算例采用浙江省分时电价。规划期为6年，分为2阶段，每阶段3年，待投建设备可于每阶段第一年年初投建。浙江省的负荷增长率为5%，投资折现率为5%。每类设备有3种容量及费用不同的投建类型可选。风电和光伏分别建于配电

图2 待规划的配电网拓扑结构

图3 待规划的配气网拓扑结构

网节点3和节点5。对于削减负荷和转移负荷的能量短缺成本分别为1.27 元/kW·h和0.57 元/kW·h。

算例场景设置如下。

场景1：配电网与配气网独立规划。

场景2：通过CCHP耦合的电-气互联系统网架规划。

场景3：在场景2基础上考虑系统可靠性的电-气互联系统网架规划。

3种场景下的最优规划方案分别如表1～表3所示，括号内表示投建的通道或设备型号，1～3代表容量由小到大。表4展示了3种场景下的最优规划方案成本比较。

表1 场景1下的最优规划方案

表2 场景2下的最优规划方案

表3 场景3下的最优规划方案

表4 3种场景下最优方案成本比较 万元

与场景1相比，场景2通过CCHP耦合配电网与配气网，因为加入了CCHP设备，故系统投资成本有所上升,总成本也呈上升趋势。与场景1中的拓扑相比，场景2中新增了一台CCHP设备，连接了配电网节点6和配气网节点5。配电网节点8从由节点4供电变为由与CCHP相连的节点7供电。节点3从由风电和节点2供电变为由风电和CCHP供电。设备容量上，线路1-2容量降低，但10-12容量升高。

与场景2相比，场景3将系统可靠性纳入考虑，验证了考虑可靠性的电-气互联系统网架的优越性。高可靠性需要牺牲一定的经济性，场景3的总成本与场景2相比增加了82.7万元。一方面是因为引入了一项新的成本，即可靠性成本；另一方面是线路容量增加导致。考虑系统供能可靠性之后，电-气互联系统通过配电网节点10和配气网节点7处的CCHP耦合；配电网节点3从由风电和CCHP供电变为由风电和节点2供电；线路1-2、4-8、5-9容量升高，故投资成本和维护成本都有明显提升。

通过以上算例可以说明，电-气互联可以提升系统对风光等可再生能源的消纳水平。同时，高可靠性会使经济性有一定的损失，越高的惩罚因子会带来越高的可靠性，但相应的经济性就会降低。实际工程中，切负荷可能会带来其他的经济损失和安全问题，因此考虑供能短缺场景是更加合理和有效的。

4 结束语

本文在可再生能源接入的背景下考虑了供能可靠性对电-气综合能源系统规划的影响，建立了典型的电-气综合能源系统耦合设备模型，构建了系统规划模型的目标函数与约束条件。将方法应用于12节点配电网和10节点配气网的耦合系统的规划，最终求解得到适应性最强的规划方案。结果表明：考虑供能可靠性的电-气综合能源系统规划方法有一定的优越性。通过CCHP耦合的综合能源系统从长远来看降低了系统的维护成本，有利于整体规划的经济性。考虑能量短缺成本有效提升系统的供能可靠性。进一步提升可再生能源利用率与系统主动性，实现电气耦合系统中各种设备的最优选址和定容。