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清华大学电机系乔铮等:电力-天然气耦合系统建模与规划运行研究综述

原文发表在《全球能源互联网》2020年第1期,欢迎品读。(点击查看)


该文受国家自然科学基金委项目(51537006、51621065)资助。


作者:乔铮,郭庆来,孙宏斌


单位:清华大学电机工程与应用电子技术系



文章导读

随着燃气机组的广泛应用和电转气技术的快速发展,电力系统与天然气系统之间的互动日益密切,电力-天然气耦合系统是在该背景下形成的用于描述两个能源系统紧密耦合的系统形式。该耦合系统除了具有两个能源系统分别的运行特性和安全约束外,还因系统间的耦合互动产生了新的特点和约束,亟需新的分析和控制方法,近年来已经获得了国内外众多专家学者的关注和深入研究。文章从电力-天然气耦合系统的建模仿真、优化规划、运行分析(优化调度、安全评估)的角度对当前的主要研究成果进行了综述,同时总结了目前国内外学者对耦合市场的探索,最后对当前研究的不足和未来的研究方向进行了探讨。


文章亮点



1

针对当前电力系统与天然气系统耦合日益密切的现状,总结了国内外专家学者在该研究领域的主要研究进展,研究涉及耦合系统的建模、仿真、规划、优化调度、安全分析及市场分析等方面。

2

根据电力-天然气耦合系统方面的研究现状指出了在当前研究的不足和对未来研究的展望,以期为后续研究提供一些思路和帮助。




主要内容

电力-天然气耦合系统综合建模方面的研究较多,2007年苏黎世Göran Andersson教授提出energyhub模型用于描述多种能量之间转换、耦合关系,是一种抽象出的输入-输出端口模型,随后发展出了energyhub拓展模型、母线通用模型、能源路由器模型等。近年来考虑物理网络传输约束的联合建模方法开始出现,但由于电力系统与天然气系统的传输时间尺度差异,考虑流体网络的动态过程及分布参数特性的模型研究较好,且求解难度校稿,如何建立多时间尺度模型并高效求解仍然是一个挑战。

在仿真方面,目前比较成熟的仿真软件主要针对耦合元件如多种燃气机组等,而对电力系统与天然气系统的联合仿真仍处在探索阶段,尚未有通过测试被工业界或学术界广泛接受或认定的成熟商业软件,如何在同一平台上搭建两大系统的联合仿真或通过某种协议及接口实现不同平台上两大系统仿真信息的交互将是未来亟待解决的难题。

在优化规划方面,大部分的研究是针了具体地区的具体场景进行分析,国内外均已形成了一些成果。但在我国,目前耦合规划方面的研究缺乏实际数据的支持,考虑电力网络与天然气网络的双向互动,达到各方利益最大化,并尽可能减少风电的负面影响将是未来耦合规划的重要问题。

优化调度方面的研究众多,不同调度周期可用的调度资源有所区别,如图1所示。优化调度研究建立的模型大多为非凸非线性优化模型,目前的求解方法主要以松弛法和分解法为主,但如何有效、高效的求解这些大规模复杂模型仍然是未来研究的难题和重要方向。

图1 不同调度周期的优化资源小结

耦合系统的安全评估与控制方面已经得到国内外愈来愈多学者的关注和重视,并形成了一些初步的研究成果,但当前的研究仍然非常基础和分散,大多数以电力系统的安全分析方法为基础,较少考虑天然气系统的特性及耦合系统的新特点,主要以静态分析为主,并未针对耦合系统的特点形成适应于耦合系统的完整安全评估及控制的框架和理论方法。

电力系统与电-气耦合系统安全分析对比

市场探索的模式主要分为两种,一种是独立的电力市场与天然气市场之间的相互作用,另一种是在综合能源市场背景下,主要市场参与者参与市场调节,以实现自身利益最大化。虽然由于政策和行业壁垒,建立完善的电力-天然气综合能源市场在未来较长时间内可能仍然无法完成,但研究电力市场与天然气市场的互动和相互影响,通过市场信息引导能源传输和用户响应,对于保证能源的供应可靠性和经济性具有非常重要的意义,并且必然成为未来的发展趋势和研究热点。

图2 耦合市场探索模式小结



本文引文信息

乔铮,郭庆来,孙宏斌. 电力-天然气耦合系统建模与规划运行研究综述[J]. 全球能源互联网,2020,3(1):14-26.


QIAO Zheng, GUO Qinglai, SUN Hongbin. Research Survey on the Modeling, Planningand Operational Analysis of Electricity-Natural Gas Coupling System[J]. Journal of Global Energy Interconnection, 2020,3(1):14-26.(in Chinese).

研究团队

清华大学“电气工程”专业连续多年全国排名第一,拥有“电力系统与发电设备控制与仿真”国家重点实验室,具备RTDS数字仿真平台,30kW风力发电平台、7kW太阳能光伏发电平台等为间歇式能源运行和控制研究提供了优越条件。电机系目前拥有院士3人,长江学者特聘教授4人,IEEE/IETFellow16人,具有雄厚的人才基础和研究实力。

电网调度自动化课题组研究团队一直聚焦于电网调度与控制领域的研究,是我国最早开始能量管理系统研究的团队之一。首创开发了“EMS/DTS一体化设计”、“图模库一体化建模”等创新技术成为能量管理领域的主流。主持了科技部973计划“源网荷协同的智能电网能量挂你和运行控制基础研究”项目,提出了智能电网能量管系统家族的概念,同时承担了国家自然科学基金委“多能流能量管理的基础研究”项目,内容涵盖状态估计、安全分析与控制、优化调度等多个内容,已取得多项研究成果。


作者简介



乔铮


清华大学电机系,博士生


主要研究方向为综合能源系统,多能流耦合,电力-天然气耦合系统建模、优化与安全分析。

E-mail:

qiaomuzi@163.com


郭庆来


清华大学电机系副教授,博士生导师


主要研究方向为能源互联网,智能电网,电力系统运行与控制。

E-mail:

guoqinglai@tsinghua.edu.cn


孙宏斌


清华大学电机系教授,博士生导师,教育部长江学者


主要研究方向为能源互联网,智能电网,电力系统运行与控制。

E-mail:

shb@tsinghua.edu.cn


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编辑:张鹏

审核:白恺


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