考虑柔性负荷的电-气综合能源系统低碳经济调度方法

靳瑞强，马广昭，周喜超

(国网综合能源服务集团有限公司，北京 100021)

能源的充分利用是社会经济可持续发展的前提，当前，电、气能源的广泛应用，还是通过传统燃烧化石煤炭的火力发电厂进行供给[1]。一定程度上，传统的电、气使用模式，既不利于经济的长期、稳定发展，其燃烧化合物也为周边环境带来严重污染问题。因此，构建电-气综合能源的互补利用系统以解决上述问题。

电-气综合能源系统能够促进能源间的双向有效流动，加速电、气能源网络的互联耦合发展，进而实现能源单独分布使用向能源互联的智能电网转变[2]。此外，随着电-气综合能源系统的快速发展，使得电力系统中高峰期负荷值呈增长趋势，直接加大了低碳经济调度的运行难度。

负荷具有区域性、不确定性以及不唯一性等特性，使得负荷增长在电力系统的低碳经济调度中长期处于主导地位，其发电量往往是根据负荷侧的硬性需要进行定量[3]。然而，过于频繁的系统调度不仅考验着电力系统的调节能力，还直接提高了电力系统的运行成本。因此，实现考虑柔性负荷的低碳经济调度，需要明确柔性负荷与电气并网，以及火电机组出力等影响因素的关系，并在降低污染化合物释放量的基础上，平衡电-气综合能源系统的各时段功率。

1 电-气综合能源系统低碳经济调度方法

1.1 分析电-气综合能源系统工作流程

电力系统与天然气系统在P2G设备以及燃气轮机的共同作用下，实现了电-气综合能源系统的闭环运行[4]。为进一步结合传统能源与可再生能源，电-气综合能源系统需要通过不断地协调以及智能优化。与传统单一分布的电力系统，以及天然气系统相比，该能源系统具有环保性、多维性、阶梯性以及灵活互联等特性[5]。电-气综合能源系统的具体工作过程如图1所示。

图1 电-气综合能源系统工作过程图

在电-气综合能源系统内，为了不断加深电力与天然气的耦合程度，需要建立天然气管存、管道流量暂态和稳态模型、驱动压缩机模型、燃气轮机模型以及电-气设备模型等多个模型。

电-气综合能源系统中的电力网络，可以通过计算电网的节点，以及列写回路方程实现。具体的电-气综合能源系统内的电力网络的功率表达式如式(1)所示。

(1)

式中：Pm为电力网络的有功功率，kW；Qm为电力网络的无功功率，kW；m为电力节点；Vm为电压幅值,V；θmn为相角差；Gmn为实部参数；Bmn为虚部参数。

电-气综合能源系统中的天然气网络构成结构较为复杂，为了尽可能减少天然气能源在传输过程中的压力值，具体由负荷、气源、加压站，以及天然气网络节点等多个部分组成。考虑到在电-气综合能源系统中，天然气能源受到管道流量以及管道两端压力的影响[6]，构建天然气管道流量稳态模型。利用非线性方程表示电-气综合能源系统中的天然气管道流量如式2所示。

(2)

式中：a、b为天然气网络节点；Fp,ab为天然气网络运输管道a-b的流量；Sab为天然气网络中天然气流向的变量；σ为运输管道的定值参数；pa、pb分别为天然气网络节点a、b的压力值,MPa。

因此，在电-气综合能源系统中主要包括电、气传输设备、电-气转化设备以及电、气能源的存储设备三部分[7]。通过不同的转化路径实现电-气能源的有效转化，一定程度上为电-气综合能源系统提供了配置自由度，使其具有明显灵活性、多样性，能够在一定的周期内实现气能源的协同互补。

1.2 建立考虑柔性负荷的调度模型

随着电-气综合能源系统的广泛推广，电、气互联的能源渗透率日益提高。在节约运行成本的同时，电力系统调度周期内的高峰期负荷也呈上升趋势，导致电力系统内的负荷值波动越来越大[8]。因此，为了实现电-气综合能源系统的低碳经济调度，就需要将柔性负荷充分融入系统内。将特定区域内的柔性负荷与电气并网相结合，并建立适应源侧，以及源侧的随机变量的正态分布结构图(见图2)。

图2 考虑柔性负荷的调度结构

建立考虑柔性负荷的调度模型，首先需要考虑柔性负荷在电-气综合能源系统中实际数值，与预测数值之间的差异性。看作是服从均值为0的正态分布的柔性负荷预测误差，能够得到具体表达式如式(3)所示。

(3)

为了保证电-气综合能源系统在实际生活中的平稳应用，需要在低碳经济调度方法实施之前，对随机变量柔性负荷进行条件约束，进而得到特定的系统内约束条件成立的概率性。具体关于柔性负荷的机会约束规划表达式如式(4)所示。

(4)

通常情况下，在整个电-气综合能源系统选取24小时作为一个调度周期，并根据柔性负荷的预测数据进行低碳经济调度方法的预测。考虑柔性负荷的电力系统通过削减、平移，以及转移三种方式，实现在约束条件下柔性负荷概率发生最小化[10]。因此，得到考虑柔性负荷的电力系统总经济成本表达式，具体如式(5)所示。

minf1=fc+fs+fcut+fsh+ftr

(5)

式中：f为考虑柔性负荷的电力系统总经济成本；fc为常规火电机的运行成本；fs为常规火电机停止运行的成本；fcut为可削减柔性负荷的补偿费用；fsh为可平移柔性负荷的补偿费用；ftr为可转移柔性负荷的补偿费用。

基于此，在建立考虑柔性负荷的调度模型时，需要充分考虑负荷削减、转移，以及平移这三种方式[11]。在既定的补偿条件下，柔性负荷通过不同方式参与电-气综合能源系统的调度，得到的相应补偿也是不同的。

1.3 运用目标函数实现低碳经济有效调度

在考虑柔性负荷的电-气综合能源系统中，应用互联网大数据技术，能够实现电-气能源流，以及系统信息流的快速传递。在电-气综合能源系统中利用常规发电机组实现电、气能源的有效输入；通过耦合转化设备，整合电、气两种能源共同输出[12]。为了实现该系统的低碳经济有效调度，能够多次利用电-气能源，极大地提高了电-气能源转化的渗透率[13]。

通常情况下，电-气综合能源系统的低碳调度最好建立在24小时内，既能够实现调度方法的经济性，也能够保证电-气综合能源系统的运行低碳性[14-15]。在考虑弃风成本，以及污染物排放成本的基础上，获取电-气综合能源系统低碳经济调度方法的目标函数最小值如式(6)所示。

(6)

式中：T为该系统的调度周期；NGF为火电机组集合；Ns为天然气网络中气源集合；N为常规发电机组集合；f(Pi,t)为运行费用函数；Qgs,k,t为天然气气源出力；fwp,t为经济调度中惩罚成本；fc,t为经济调度中污染物排放成本。

此外，经济调度中惩罚成本，以及经济调度中污染物排放成本能够得到具体表达式，如式(7)所示。

(7)

综上所述，基于电-气互联条件，设置柔性负荷的约束性条件发生概率，在电-气综合能源系统中应用非线性优化算法，使得柔性负荷具有多样性，进而实现该系统的低碳经济有效调度。

2 实 验

2.1 实验准备环节

为验证所提方法的有效性，设计对比实验进行验证。以某地区电-气综合能源系统为研究对象，其中，电力系统包括5组发电机组，天然气系统包括11个节点。在风电场、电转气设备，以及燃气轮机的互联平衡作用下，对电-气综合能源系统进行实验分析。

将1、2号火电机组改造为6个气源点连续运行燃机机组、20个设备节点、21条互联管道、2座加压站。因此，在电-气综合能源系统中得到天然气网中气源点，以及储气罐相关参数值，具体如表1所示。

表1 天然气网中气源点以及储气罐相关参数值

在电-气综合能源系统中，压缩机压缩比范围在1.1～2，其单元特征常数规定为0.1。在本次试验中，电力系统风电装机容量为100 MW；而天然气系统内装机容量为200 MW。通过电-气综合能源系统内基准值的选取，以及平衡点的计算，可以得到该能源系统内的污染物排放参数，具体如表2所示。

表2 电-气综合能源系统污染物排放参数

本次考虑柔性负荷的电-气综合能源系统低碳经济调度方法有效性的实验，其所有程序都是在MATLAB仿真软件平台进行编码，以及测试。本次实验的操作系统为Linux系统的同时，为了满足于CPLEX 12.6的商业求解器版本，需要在64GB RAM内存的服务器，以及中央处理器为Intel(R) Xeon(R) CPU ES-2620 v3(2.4 GHz)的基础上，进行模拟实验。

2.2 实验分析过程

电-气能源的转换还与风速变化息息相关，而风速的数值变化又极易受到外界环境的影响。想要实现电-气综合能源系统的低碳经济调度，设计能源系统内储能装置，以及通过LNG冷能实现阶梯式利用。随着电力系统日益增长的高峰期负荷，需要综合考虑电转气设备的需求响应，进而实现电-气综合能源的协调互动调度。

充分考虑柔性负荷的电-气综合能源系统，能够有效降低发电侧大功率机组在负荷高峰期的出力值。而P2G可以有效降低电-气综合能源系统内的弃风成本，为了实现该系统的低碳经济调度，机组出力碳排量较大，需要将其向燃气轮机进行转移。

2.3 实验结果

实验过程中将设置三种经济调度模式进行分析，具体可以分为：不考虑P2G，且仅考虑电-气综合能源系统经济性的方法称为调度方法1；考虑P2G，且仅考虑电-气综合能源系统经济性的方法称为调度方法2；同时考虑考虑P2G以及柔性负荷的电-气综合能源系统低碳经济调度的本文实验方法。

综上所述，在已知的风电场容量，以及P2G设备容量为50 MW的基础上，对三种调度方法的实验测试结果进行对比。不同调度方法的具体对比结果如表3所示。

表3 不同经济调度方法的结果对比

根据实验的对比结果可知，在不考虑P2G设备的前提下，仅考虑电-气综合能源系统经济性的调度方法综合成本最高。而基于P2G设备的调度方法2单纯考虑其经济性，并没有将电-气综合能源系统内的机组有效转换为燃气轮机。

基于此，调度方法2的P2G成本较高，使综合成本明显高于本文的调度方法。综上所述，本文方法的综合成本相比最少，仅为2.241。一定程度上，本文调度方法在实现低碳的基础上，有效降低了运行成本。

3 结 语

在煤炭等传统的能源燃烧过程中，产生过量污染化合物气体，既影响了周边环境，也不利于低碳经济的平稳运行。电力系统与天然气系统互联的电-气综合能源系统，其耦合程度不断增加，使得该低碳经济调度方法具有多维变量性、多时段优化性等特性，从而在一定程度上能够有效降低模型收敛速度，提高研究方法的实用性。