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华南理工大学唐文虎等:电-气综合能源系统的综合灵敏度指标构建方法和应用研究

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电-气综合能源系统的综合灵敏度指标构建方法和应用研究

李维维,钱瞳,唐文虎*,郑杰辉

(华南理工大学电力学院)

本文发表在《全球能源互联网》2022年第2期“面向碳达峰、碳中和的综合能源系统”专题上,欢迎点击品读。受国家重点研发计划项目(2018YFE0208400)与国家电网有限公司总部科技项目资助。

文章导读

燃气轮机(gas turbine, GT)和电转气(power-to-gas, P2G)技术的快速发展使得电力系统和天然气系统的耦合程度不断加深,促进可再生能源消纳和提高能源利用率的同时也会使故障耦合传播的风险增加。由于多能流耦合系统的结构更为复杂,能源子系统中的扰动会通过耦合元件传播到其他子系统,因此相对传统电力系统来说,多能流系统的安全分析具有更大的挑战。

文章亮点

1)建立了电-气综合能源系统的统一潮流模型,结合牛顿拉夫逊法和牛顿下山法实现了潮流求解,解决了气网潮流计算的初值敏感性问题;

2)构建了关于节点电压和节点气压的综合灵敏度指标,可以定量评估系统多种扰动对系统运行的共同影响。

摘要

燃气轮机和电转气(power-to-gas, P2G)技术的日益成熟逐渐加深电力系统和天然气系统的耦合程度。在电-气综合能源系统的联合运行中,子系统的扰动会通过耦合元件跨系统传播,从而影响整个系统的安全运行。为研究电-气综合能源系统中子系统间的相互影响,基于牛顿拉夫逊法建立了统一潮流模型并实现了联合求解,其中天然气系统的状态变量采用牛顿下山法更新,一定程度上避免了初值敏感性。随后,基于统一潮流模型构建了节点电压/节点气压-注入节点功率综合灵敏度指标,同时获取了规范化的电压/气压灵敏度矩阵,可以定量评估系统多种扰动的共同影响并分析耦合系统的相互作用机理。算例分析验证了潮流算法和所提指标的有效性,并讨论了燃气轮机和P2G装置耦合作用下子系统间的影响关系。

主要内容

系统当前状态已知,通过求解系统灵敏度矩阵和综合灵敏度指标,可以定量分析系统中的不确定因素对系统运行的影响。图1为电-气综合能源系统灵敏度分析的流程图,首先针对系统当前状态进行多能流计算,然后给定负荷扰动计算系统灵敏度矩阵和综合灵敏度指标,通过分析指标结果即可实现系统扰动机理分析和薄弱环节辨识。

⬆ 图1  IEGS灵敏度分析流程图

为研究燃气轮机耦合作用下的影响机理,通过改变燃气轮机的容量占比,初始设置燃气轮机的容量为机组总容量的30%,改变占比后的气压综合灵敏度指标的计算结果见图2,可以看出随着燃气轮机容量占比的增加,在电负荷变化的扰动下气压综合灵敏度指标不断增加,说明天然气系统的运行受电力系统中扰动的影响越大。图3为改变电力系统平衡机组的接入位置时气压综合灵敏度指标的变化情况,从结果可知当平衡机组接在天然气系统的末端负荷节点13时,电力系统中的扰动对天然气系统运行的影响更大。

⬆ 图2  气压综合灵敏度指标在不同GT容量占比的变化量

⬆ 图3  气压综合灵敏度指标在不同GT1接入位置的变化量

基于提出的综合灵敏度指标分析储能装置对系统运行的影响,图4为在天然气系统薄弱负荷节点(气压综合灵敏度值高的节点)增加储气罐后的电压综合灵敏度指标的变化量,图5为在电力系统薄弱负荷节点(电压综合灵敏度值高的节点)增加储电装置后的气压综合灵敏度指标的变化量。从两个图的结果可以看出,在一个能源子系统的薄弱负荷节点增加储能装置后,另一个能源子系统的运行安全性有所提升。

⬆ 图4  增加储气罐后的电压综合灵敏度指标的变化量

⬆ 图5  增加储电装置后的气压综合灵敏度指标的变化量

为对比传统牛顿拉夫逊法和牛顿下山法求解天然气系统潮流的收敛特性,采用原始数据进行潮流计算的不平衡量变化曲线见图6(a)和(b),调整天然气系统初值后进行潮流计算的不平衡量变化曲线见图6(c)和(d),显然采用牛顿下山法的收敛性能更好。

⬆ 图6  两种方法的不平衡量变化曲线

本文引文信息

李维维,钱瞳,唐文虎,郑杰辉. 电-气综合能源系统的综合灵敏度指标构建方法和应用研究[J]. 全球能源互联网,2022,5(2):118-126.

LI Weiwei, QIAN Tong, TANG Wenhu, ZHENG Jiehui. Research on Construction Method and Application of Composite Sensitivity Index for Integrated Electricity and Natural Gas Systems [J]. Journal of Global Energy Interconnection, 2022, 5(2): 118-126 (in Chinese).

 研究团队

唐文虎,博士,教授,博导,华南理工大学电力学院院长。兼任第十一届中国电机工程学会理事会理事、《CSEE Journal of Power and Energy Systems》期刊编委、南方电网专家委员会委员、中国电机工程学会电力防灾减灾专委会委员、中国电机工程学会能源互联网专委会委员。主要研究领域包括新能源电力系统运行优化和人工智能在电力能源系统中的应用。主持了国家级重大人才工程青年项目、英国工程物理委员会基金项目、国家重点研发计划项目课题、国家自然科学基金面上项目、国家863项目子任务、国重开放课题等项目。获省部级奖励3次,公开发表学术论文/文章170余篇和科研专著2本,获授权专利10项。

唐文虎教授所在的“智能能源网及其自动化团队”是广东省第二批海外引进科研创新团队,2011年从英国利物浦大学引进,主要从事能源系统运行优化与控制、人工智能、片上系统、智能计算、计算机学习、多代理系统、电机电器故障诊断、电力市场、电力系统信号处理、数学形态学等领域的研究。团队现有教授4名、副教授5名、博士后3名。团队拥有1个广东省智能能源网微自动化工程技术研究中心和7个实验室,包括:智能能源网动态物理模拟实验室、电机电器状态监测与故障诊断实验室、智能能源自动化芯片研究中心、国网许继电力电子应用实验室、能源知识大数据实验室、德州仪器能源嵌入式系统实验室。

作者简介

李维维

博士研究生

博士研究生,研究方向为综合能源系统建模与安全分析

E-mail: 

epweiwei.li@mail.scut.edu.cn

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钱瞳

助理研究员

研究方向为分布式协调控制运行,多代理系统,微电网控制运行

E-mail:

qian.tong@mail.scut.edu.cn

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唐文虎

教授,IEEE高级会员,IET Fellow,华南理工大学电力学院院长

研究方向为复杂电力系统运行优化、人工智能在电力能源系统中的应用。通信作者

E-mail:

wenhutang@scut.edu.cn

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郑杰辉

副教授

研究方向为综合能源系统运行优化与运行决策,电力系统经济调度

E-mail:

zhengjh@scut.edu.cn

编辑:张宇

审核:周舟

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