考虑电转气装置的电‑气互联系统可靠性建模及其评估方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了考虑电转气装置的电‑气互联系统可靠性建模及其评估方法。针对现有的电‑气互联系统可靠性评估的能流模型、负荷削减模型、可靠性评估指标的不足，提出考虑P2G装置的电‑气互联系统可靠性建模及其评估方法。本发明专利技术在能流模型中，将风电场弃风量和P2G装置模型中的消耗电功率、注入气流量引入电力系统有功平衡方程；在负荷削减模型中，优化模型的目标函数中加入热负荷削减量、弃风量变量；在可靠性评估指标中，建立可评估P2G装置对系统可靠性指标贡献度设备级指标。

【技术实现步骤摘要】
考虑电转气装置的电-气互联系统可靠性建模及其评估方法
本专利技术属于综合能源系统领域，目的是实现电-气互联系统可靠性评估，具体涉及基于电转气装置和燃气机组的能流模型、考虑风电弃用的电/气/热负荷削减优化模型、电-气互联系统可靠性评估指标内容。
技术介绍
近年来，随着气电装机规模的不断提升以及电转气(power-to-gas，P2G)技术的日趋成熟，电力、天然气系统间的耦合关系愈加深化。引入P2G装置不仅实现了电、气子系统间能量的双向流动，而且为风电的大量存储与运输提供了新的解决思路，因此，含P2G的电-气互联系统成为未来能源领域发展的重要趋势之一。然而，含P2G的电-气互联系统具有的规模大、设备类型繁多/运行特性各异、随机性强烈特征，大大增加了系统可靠性评估的建模、计算复杂度。目前，电力、天然气系统可靠性评估的研究多局限于电、气子系统，忽略了系统间的耦合与转化关系，难以实现系统供电、供气可靠性水平以及弃风严重程度的准确量化。因此，亟需展开含P2G的电-气互联系统可靠性评估的研究，为系统规划建设、安全运行提供更加科学、合理的决策依据。目前针对含P2G的电-气互联系统可靠性评估方面的研究还处于起步阶段。可靠性评估包括三个基本步骤：系统状态选取、系统状态分析、可靠性指标计算，其中系统状态分析包括能流计算和负荷削减计算两部分内容。从系统状态分析模型来看，现有能流模型和负荷削减模型中，均存在未考虑实际系统中存在的弃风问题，以及未计及P2G装置在弃风时开启的实际运行特性的缺点；此外，现有负荷削减模型还未计及燃气热电联产机组热负荷的削减情况。从可靠性指标来看，现有研究提出负荷削减概率和损失严重程度的系统级指标，而未对P2G装置的利用情况及其对系统可靠性影响的设备级指标进行量化分析。由此可知，在含P2G的电-气互联系统可靠性评估的相关研究中，无论是能流模型、负荷削减优化模型还是可靠性评估指标都有待进一步研究，以准确、全面地评估含P2G的电-气互联系统的可靠性水平。现有可靠性评估存在以下问题：一是忽略了实际系统中存在的“弃风限电”现象，二是没有考虑P2G装置的实际运行特性，三是没有考虑燃气热电联产机组的热负荷削减情况，四是缺乏设备级可靠性指标。
技术实现思路
本专利技术的目的是针对现有的电-气互联系统可靠性评估的能流模型、负荷削减模型、可靠性评估指标的不足，提出考虑P2G装置的电-气互联系统可靠性建模及其评估方法。为实现本专利技术目的而采用的技术方案是这样的，首先计及弃风现象，建立基于P2G装置和燃气机组的能流模型、考虑风电弃用的电/气/热负荷削减优化模型；其次，从系统、设备两个角度出发，建立电-气互联系统的电力不足期望、气量不足期望、热力不足期望和弃风期望的系统级可靠性指标，以及P2G利用概率、P2G容量利用率和P2G贡献系数的设备级可靠性指标；再次，在所建的能流模型、负荷削减模型和评估指标的基础上，进一步考虑元件故障、电/气/热负荷和风电功率多种随机性因素，提出含P2G的电-气互联系统可靠性评估的步骤与流程图；最后，在MATLAB平台上通过程序实现含P2G的电-气互联系统可靠性评估的计算与分析工作。(1)其具体方法步骤如下：建立基于P2G装置和燃气机组的能流模型基于电力系统、天然气系统以及各耦合元件(P2G装置、燃气机组)的数学模型，构建含P2G的电-气互联系统能流模型(以下i和j为电力节点，m和n为天然气节点)：其中，式(1)是电力系统节点有功平衡方程，式(2)是电力系统节点无功平衡方程，式(3)是天然气系统节点流量平衡方程。式中，PG,i、QG,i分别为电力系统节点i的非燃气常规机组的有功出力和无功出力；PGAS,i、QGAS,i分别为电力系统节点i的燃气发电机组的有功出力和无功出力；PCHP,i、QCHP,i分别为电力系统节点i的燃气热电联产机组的有功出力和无功出力；PD,i、QD,i分别为电力系统节点i的有功负荷和无功负荷；Pi、Qi分别为电力系统节点i的注入有功功率和无功功率；PW,i、ΔPW,i分别为电力系统节点i的风电场的风电功率和弃风量；QC,i、PP2G,i分别为电力系统节点i的无功电源功率和P2G装置消耗电功率；FGAS,m、FCHP,m分别为天然气系统节点m的燃气发电机组的消耗气流和燃气热电联产机组的消耗气流；FP2G,m为天然气系统节点m的P2G装置的注入气流；FG,m、FD,m分别为天然气系统节点m的气源注入气流和节点气负荷；Fm为天然气系统节点m的注入气流。Ne、Nm是电力系统节点和天然气系统节点的总数。以下是所建能流模型的P2G装置和燃气机组模型以及节点注入功率、气流方程。1)P2G装置模型当电-气互联系统存在弃风现象时，通过开启P2G装置可将富余风电转化为天然气，注入天然气系统的输气管道进行存储和运输。因此，P2G装置的消耗电功率与注入气流之间的关系如下(以下k为P2G装置和燃气机组的序号)：其中，PP2G,k、FP2G,k分别为P2G装置k的消耗电功率和注入气流，ηP2G,k为P2G装置k的转化效率；GHV为天然气高热值，取值1015Btu/SCF；ΔPW,i为电力系统节点i的风电场弃风量。Nw、Nc是风电场和P2G装置的总数。2)燃气机组模型燃气发电机组与燃气热电联产机组是电-气互联系统中常见的燃气机组。我国燃气热电联产机组一般采用“以热定电”的运行模式。两种燃气机组的消耗气流与输出电功率之间满足如下方程：FCHP,k＝PCHP,k/(ηCHP,kGHV),k＝1,2,...,Nb(6)PCHP,k＝HCHP,k/νCHP,k,k＝1,2,...,Nb(7)其中，PGAS,k、FGAS,k分别为燃气发电机组k的有功出力和消耗气流；PCHP,k、FCHP,k分别为燃气热电联产机组k的有功出力和消耗气流。αg,k、βg,k、γg,k为燃气发电机组k的耗量系数；ηCHP,k、vCHP,k分别为燃气热电联产机组k的转化效率和热电比；HCHP,k为燃气热电联产机组k的热负荷。Na、Nb是燃气发电机组和燃气热电联产机组的总数。3)节点注入功率、气流方程电力系统节点i的注入有功功率Pi和注入无功功率Qi，以及天然气系统节点m的注入气流Fm计算公式如下：式中，Vi和Vj分别是电力系统节点i和j的电压幅值；Gij和Bij分别为节点导纳矩阵Y中第i行第j列元素的实部和虚部；θij是电力系统节点i与j的电压相角差；Amr是节点-管道关联矩阵A中第m行第r列元素；Emq是节点-压缩机关联矩阵E中第m行第q列元素；Tmq是节点-压缩机入口节点关联矩阵T中第m行第q列元素。Nl、Np分别为输气管道和压缩机支路的总数。Lr为流过天然气输气管道r(以下r为输气管道的序号)的流量，Cq为流过天然气压缩机支路q(以下q为压缩机支路的序号)的流量，τq为压缩机支路q消耗的流量，三者具体计算公式如下：对于天然气系统中输气管道r，稳态条件下管道流量Lr为式中，m和n分别为输气管道的首端节点和末端节点；πm、πn分别为节点m和n的气压；Kr为输气管道r的管道系数；smn表征气体流动方向。天然气在管道输送的过程中，会存在一定的压力损失，因此系统中常配置一定数量加压站。加压站较为经济选择是采用燃气压缩机来升高压力，其工作中消耗的本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种考虑电转气装置的电‑气互联系统可靠性建模方法，其特征在于，包括以下步骤:(1)建立所述基于P2G装置和燃气机组的能流模型基于电力系统、天然气系统、P2G装置、燃气机组，构建含P2G的电‑气互联系统能流模型(以下i和j为电力节点，m和n为天然气节点)：

【技术特征摘要】
1.一种考虑电转气装置的电-气互联系统可靠性建模方法，其特征在于，包括以下步骤:(1)建立所述基于P2G装置和燃气机组的能流模型基于电力系统、天然气系统、P2G装置、燃气机组，构建含P2G的电-气互联系统能流模型(以下i和j为电力节点，m和n为天然气节点)：其中，式(1)是电力系统节点有功平衡方程，式(2)是电力系统节点无功平衡方程，式(3)是天然气系统节点流量平衡方程。式中，PG,i、QG,i分别为电力系统节点i的非燃气常规机组的有功出力和无功出力；PGAS,i、QGAS,i分别为电力系统节点i的燃气发电机组的有功出力和无功出力；PCHP,i、QCHP,i分别为电力系统节点i的燃气热电联产机组的有功出力和无功出力；PD,i、QD,i分别为电力系统节点i的有功负荷和无功负荷；Pi、Qi分别为电力系统节点i的注入有功功率和无功功率；PW,i、ΔPW,i分别为电力系统节点i的风电场的风电功率和弃风量；QC,i、PP2G,i分别为电力系统节点i的无功电源功率和P2G装置消耗电功率；FGAS,m、FCHP,m分别为天然气系统节点m的燃气发电机组的消耗气流和燃气热电联产机组的消耗气流；FP2G,m为天然气系统节点m的P2G装置的注入气流；FG,m、FD,m分别为天然气系统节点m的气源注入气流和节点气负荷；Fm为天然气系统节点m的注入气流。Ne、Nm是电力系统节点和天然气系统节点的总数。1)P2G装置模型P2G装置的消耗电功率与注入气流之间的关系如下(以下k为P2G装置和燃气机组的序号)：其中，PP2G,k、FP2G,k分别为P2G装置k的消耗电功率和注入气流，ηP2G,k为P2G装置k的转化效率；GHV为天然气高热值，取值1015Btu/SCF；ΔPW,i为电力系统节点i的风电场弃风量。Nw、Nc是风电场和P2G装置的总数。2)燃气机组模型燃气机组的消耗气流与输出电功率之间满足如下方程：FCHP,k＝PCHP,k/(ηCHP,kGHV),k＝1,2,...,Nb(6)PCHP,k＝HCHP,k/νCHP,k,k＝1,2,...,Nb(7)其中，PGAS,k、FGAS,k分别为燃气发电机组k的有功出力和消耗气流；PCHP,k、FCHP,k分别为燃气热电联产机组k的有功出力和消耗气流。αg,k、βg,k、γg,k为燃气发电机组k的耗量系数；ηCHP,k、vCHP,k分别为燃气热电联产机组k的转化效率和热电比；HCHP,k为燃气热电联产机组k的热负荷。Na、Nb是燃气发电机组和燃气热电联产机组的总数。3)节点注入功率、气流方程电力系统节点i的注入有功功率Pi和注入无功功率Qi，以及天然气系统节点m的注入气流Fm计算公式如下：式中，Vi和Vj分别是电力系统节点i和j的电压幅值；Gij和Bij分别为节点导纳矩阵Y中第i行第j列元素的实部和虚部；θij是电力系统节点i与j的电压相角差；Amr是节点-管道关联矩阵A中第m行第r列元素；Emq是节点-压缩机关联矩阵E中第m行第q列元素；Tmq是节点-压缩机入口节点关联矩阵T中第m行第q列元素。Nl、Np分别为输气管道和压缩机支路的总数。Lr为流过天然气输气管道r(以下r为输气管道的序号)的流量，Cq为流过天然气压缩机支路q(以下q为压缩机支路的序号)的流量，τq为压缩机支路q消耗的流量，三者具体计算公式如下：对于天然气系统中输气管道r，稳态条件下管道流量Lr为式中，m和n分别为输气管道的首端节点和末端节点；πm、πn分别为节点m和n的气压；Kr为输气管道r的管道系数；smn表征气体流动方向。加压站燃气压缩机消耗的流量τq计算公式如下：式中，m和n分别为压缩机支路的进口节点和出口节点；Hq为压缩机支路q消耗的电功率；Cq为流过压缩机支路q的流量；Bq为压缩机支路q的压缩机系数；Zq为压缩机支路q的进口气体压缩因子；α为绝热系数；αc,q、βc,q、γc,q为压缩机q的耗量系数。(2)建立考虑风电弃用的电/气/热负荷削减优化模型①目标函数式中，Ce,i是电负荷节点i的负荷削减变量；Cg,m是气负荷节点m的负荷削减变量；Ch,k是燃气热电联产机组k的热负荷削减变量；ΔPW,i是风电场i的弃风变量；Nd是电负荷节点的总数，Ng是气负荷节点的总数；λe,i为表征各电负荷重要性的权重因子，λg,m为表征各气负荷重要性的权重因子，λh,k为表征各热负荷重要性的权重因子，λw,i为表征各风电场弃风严重性的权重因子。②式约束考虑电负荷削减变量Ce,i、气负荷削减变量Cg,m、热负荷削减变量Ch,k和弃风变量ΔPW,i以及电转气装置，基于电力系统中的节点有功平衡方程(1)、无功功率平衡方程(2)和天然气系统中的节点流量平衡方程(3)，以及燃气热电联产机组方程(7)，建立如下式约束：PG,i+PGAS,i+PCHP,i+PW,i+Ce,i-PP2G,i-ΔPW,i-PD,i-Pi＝0,i＝1,2,...,Ne(16)QG,i+QGAS,i+QCHP,i+QC,i-QD,i+Ce,i(QD,i/PD,i)-Qi＝0,i＝1,2,...,Ne(17)FG,m+FP2G,m+(Cg,m/GHV)-FGAS,m-FCHP,m-FD,m-Fm＝0,m＝1,2,...,Nm(18)PCHP,k＝(HCHP,k-Ch,k)/νCHP,k,k＝1,2,...,Nb(19)式中，各变量的定义和...

【专利技术属性】
技术研发人员：余娟，马梦楠，郭林，赵霞，颜伟，
申请(专利权)人：重庆大学，
类型：发明
国别省市：重庆,50