[发明专利]计及多能耦合影响的电-气-热系统灵活性评估方法

权利要求书

1.一种计及多能耦合影响的电-气-热系统灵活性评估方法，其特征在于：包括以下过程：

获取电-气-热系统的参量数据；

根据获取的参量数据，得到不同观测时间点的上调灵活性指标和下调灵活性指标；

将上调灵活性指标和下调灵活性指标在一个调度周期内取平均值，得到电-气-热系统的平均灵活性指标；

根据得到的不同观测时间点灵活性指标及平均灵活性评价指标，进行电-气-热响应风电变化的能力评估；

灵活性评估体系是由系统各部分的灵活性指标和综合评价指标两部分构成；系统各部分灵活性指标用于量化可调用的灵活性资源；

可调度的灵活性资源在响应时间上存在差异；火电机组出力具有较大的调节范围，但是爬坡速度慢，需要按照一定的计划发电并且希望避免频繁的调整；储能设备能够在短时间内快速响应系统变化；需求响应通过转移负荷提供调度的灵活性，但也需要提前制定计划；天然气网在短时间内能够提供暂时的储能，可用于应对不确定因素的变化；能量转换设备与常规机组相比具有较高的转化速率，能够快速响应系统波动；因此，系统灵活性的衡量可以分为长时间尺度和短时间尺度，如日前调度和日内调度，不同的时间尺度可采用不同的调度方法；

灵活性资源的评价指标

火电机组：

对于火电机组，其输出主要受到允许边界出力值和边界爬坡率两个因素的限制；火电机组上调灵活性和下调灵活性的计算公式如下：

储能设备：

在电力系统中储能是重要的灵活性资源，可用于削峰填谷，提高能源利用效率，优化系统调度策略；以电储能为例，电储能设备有充电和放电两种工作状态，且两种工作状态不会同时存在；电储能设备所能提供的灵活性也受到装置容量和最大充放电速率的限制，储能的上调灵活性和下调灵活性的计算公式如下：

在PGHIS中包含多种能量类型的储能设备，如蓄电池、储气罐、储热设备，其上调和下调灵活性的计算方法原理与电储能相同；

能量转换设备：

能量转换设备是连接多个能源系统的纽带，能够实现不同能量间的转化，天然气系统和热力系统的灵活性和约束也能够通过能量转换设备在电力系统指标中得到体现；主要考虑的能量转换设备是热电联产机组和电转气设备，具体分析如下：

热电联产机组：

热电联产机组(CHPs)可以认为是燃气轮机和热锅炉的组合；由于燃气轮机的爬坡速度快，因此不考虑热电联产机组的爬升过程，主要研究机组的能量输出情况；可以用公式(5)-(8)对工作区域进行描述；

公式(5)表示同一热量下机组的电出力范围，公式(6)是燃料消耗量的最大和最小值约束，公式(7)是热出力的最大和最小值约束；

热电联产机组有两种运行模式：背压式和抽气式；CHP机组背压式工作的边界是以固定斜率r_g进行电热生产；c_v的物理意义是在消耗相同天然气的情况下，增加生产单位热量对应的发电的减小量；公式(8)是c_v的计算方法；

热电联产机组连接多个能源系统，不同能源系统的运行约束将限制热电联产机组的运行区域；在电力系统中，需要考虑与能量转换设备相连的节点的最大允许输入功率，在天然气系统中，节点的压力也应保持在安全范围内；不同能量系统的约束如下式所示:

在供应相等热负荷的情况下，可以用下列公式来计算热电联产热机组所提供的灵活性；假设热电联产机组运行在以热定电状态，且热电联产机组的发电能力不足以满足所有电力负荷的需求；

电转气设备：

电转气(P2G)的作用实现电能到天然气的转换；当风力发电处于较高水平时，无法被系统消纳的部分电能将被转化为天然气输入气网，用以满足天然气负荷需求，这样可以提高能源利用率，增加经济效益，大大提高多能量耦合系统的灵活性；

P2G设备的运行还需要考虑公式(9)和(10)所描述的约束条件；P2G设备的灵活性计算如下：

需求响应：

需求响应(DR)是一种通过改变电价和电力政策来改变用户用电习惯的策略；该方法实现了负荷在时间上和类别上的平移，对削峰填谷起到了重要作用；替代型需求响应优化了能量转换设备的运行模式，以满足用户相同质量的用能需求；替代型需求响应模型可用以下公式表示：

ΔD_C,b,t＝-γΔG_C,b,t   (17)

需求响应所提供的灵活性可用以下指标来衡量：

短时间内替代型需求响应的灵活性主要体现在能量转换设备工作状态的改变上，可以在CHP机组和P2G设备的灵活性指标上体现出来；

系统灵活性的综合评价指标

在上述系统各部分灵活性指标的基础上，将其结合起来可以得到系统整体的灵活性量化指标，如公式(23)-(26)所示；

当存在弃风时，为增加风电消纳可采取的措施包括：

(1)减小火电机组出力；

(2)储能设备存储电能；

(3)提高热电联产机组的热电比；

(4)增加电转气设备的出力；

基于上述分析，公式(23)-(24)代表系统在不同观测时间点的可调节容量；在一个调度周期内，将系统不同观测时间点的灵活性取平均值，可用于表示调度周期内系统的平均灵活性水平，如公式(25)-(26)所示；

电-气-热综合系统优化运行建模

目标函数

PGHIS优化的目标函数如下所示：

minC_sys＝C_ele+C_gas+C_wind   (27)

选择系统经济性最优作为目标函数，由三部分组成：火电机组燃料成本如公式(28)、天然气成本如公式(29)、弃风惩罚成本如公式(30)；

电力系统模型

对于电力系统的建模，相应的等式和不等式约束如公式(31)-公式(40)所示：

节点功率平衡约束：

直流潮流计算：

发电机组出力上下限约束：

P_i,min≤P_i,t≤P_i,max   (33)

传输线路传输容量约束：

P_l,min≤P_ij,t≤P_l,max   (34)

机组爬坡率约束：

储能设备的充放电可运行范围可以由以下公式进行描述：

储能设备能量平衡约束：

充放电功率限制：

储能设备最大容量限制：

0≤S_t≤S_max   (38)

储能周期平衡约束条件：

S_T＝S₁   (39)

充放电关系约束：

天然气系统模型

与电力系统相似，天然气系统的建模考虑节点气流量平衡及相应设备运行的上下限约束；

天然气节点流量平衡约束：

天然气源出力约束：

G_g,min≤G_g,t≤G_g,max   (42)

天然气流量的计算采用Weymouth方程，如公式(43)所示；

由于公式中存在非线性项，有必要对天然气流量公式进行线性化处理，可以采用增量线性化的方法；

节点气压约束：

π_i,min≤π_i,t≤π_i,max   (44)

天然气传输容量约束：

G_l,min≤G_ij,t≤G_l,max   (45)

热力系统模型

热力系统建模考虑热力管网热流量平衡和传输容量限制，如公式(46)和公式(47)所示；

H_l,min≤H_ij,t≤H_l,max   (47)

能量转换设备模型

考虑了热电联产机组、电转气机组两种能量转换设备类型，简化后的设备能量转换关系如下所示：

本实施例中，各参数含义如下：

t时刻机组i提供的上调和下调灵活性；

P_i^max,P_i^min：机组i的最大和最小出力功率；

P_i,t：t时刻机组i的输出功率；

r_i^up,max,r_i^dn,max：t时刻机组i的最大向上和向下爬坡率；

Δt：两个观测点之间的时间间隔；

t时刻由储能设备e提供的上调和下调灵活性；

储能设备e的最大和最小容量；

S_e,t：t时刻储能设备e已使用的储能容量；

储能设备e的最大充、放电功率；

t时刻机组e的充、放电功率；

储能设备e的充、放电能量转换效率；

t时刻CHP机组c产生的电量和热量；

CHP机组c发电的最大和最小功率限制；

t时刻CHP机组c消耗的天然气燃料；

CHP机组c发电和产热的燃料消耗率；

t时刻电力系统中节点e允许变化的功率值；

t时刻CHP机组c的发电量；

t时刻天然气系统节点g允许变化的气流量；

t时刻CHP机组c的天然气消耗量；

t时刻CHP机组c提供的上调和下调灵活性；

t时刻P2G设备提供的上调和下调灵活性；

P_i^p2gmax,P_i^p2gmin：P2G设备i的最大和最小输出功率；

t时刻P2G设备i的输出功率；

L_t：t时刻的负荷；

ΔD_C,b,t,ΔG_C,b,t：需求响应引起的电负荷和热负荷的增加；

γ：能量转换系数；

W_e,W_g：单位电力和天然气的热值；

t时刻由需求响应提供的上调和下调灵活性；

t时刻系统的上调和下调灵活性；

AF^up,AF^dn：系统平均上调和下调灵活性；

T：时间段数量；

N_p：机组数量；

N_g：天然气源数量；

N_w：风电机组数量；

a_i,b_i,c_i,g_i,c_w：火电机组、天然气和弃风的成本系数；

P_ij,t、G_ij,t、H_ij,t：t时刻节点i与节点j之间传输的功率、天然气和热量；

δ_i：节点i的相角；

x_ij：节点i与节点j间传输线路的等值电抗；

表征储能设备充放电状态的0-1变量；

π_i,t：t时刻节点i的气压；

CHP机组c的热电比。