一种考虑电转气和不确定性的区域综合能源系统运行鲁棒优化方法技术方案

本发明专利技术公开了一种考虑电转气和不确定性的区域综合能源系统运行鲁棒优化方法，包括根据电化学反应的原理对电转气过程详细建模，基于能源中心模型用矩阵的形式分析不同能量形式之间的耦合关系；建立考虑多种负荷预测功率不确定性的区域综合能源系统运行优化模型，并根据多面体形式的不确定区间建立两阶段鲁棒优化模型；将两阶段鲁棒优化模型分解为主问题与子问题，将子问题转化为单一目标的优化问题，并进行迭代求解得到综合能源系统鲁棒优化方案。本发明专利技术充分挖掘多种能源形式之间互补互济、柔性调度的潜力，能够减小弃风，提高综合能源系统运行的经济性和灵活性；能够根据区域综合能源系统实际情况协调运行风险和成本间的矛盾。

A Robust Optimization Method for Regional Integrated Energy System Operations Considering Electric Turnover and Uncertainty

【技术实现步骤摘要】
一种考虑电转气和不确定性的区域综合能源系统运行鲁棒优化方法
本专利技术属于综合能源系统运行优化领域，具体涉及一种考虑电转气和不确定性的区域综合能源系统运行鲁棒优化方法。
技术介绍
综合能源系统(RIES)被认为是未来人类社会能源的主要承载形式。其通过实现多种异质能源子系统之间的协调规划和互补互济，在满足系统内多元化用能需求的同时，有效地促进可再生能源就地消纳。由于RIES含有多样化的负荷类型，功率预测不确定性和时变性强，综合能源系统能量优化调度方式与传统微电网的调度方法相比面临更大的挑战。电转气(P2G)技术作为RIES的重要支撑技术之一，通过电-气网络的深度融合，为解决弃风消纳问题提供了有效途径。已有的关于电转气技术在综合能源系统中的应用，侧重于利用P2G技术的能量转换和时空平移特性解决可再生能源过剩的问题；或侧重于电-气混联综合能源系统的协同规划。当前研究通常将电-气-氢耦合考虑为固定效率，对氢储能建模采用广义储能模型。实际中，作为P2G技术核心能源转换装置的电解槽在运行过程中受输入功率、额定容量等因素影响转换效率并不固定；氢储能的充放过程分为压缩-存储-再压缩3个阶段，压缩机的工作过会带来耗能问题，这与蓄电池的充放电过程有所区别。区域综合能源系统还需考虑供需侧不确定性因素给系统调度带来的风险。处理不确定量的优化方法包括：基于概率分布的随机规划、机会约束优化、鲁棒优化等。其中，RIES中不确定变量众多，随机规划、机会约束优化很难获得较为精确的概率分布函数，影响方法的精确性。鲁棒优化只需知道不确定参数的波动范围，通过一个不确定集合表征参数的波动，当在不确定集合中取值时，鲁棒优化模型就一定能得到确定的可行解。由于无需获得其精确的概率分布，计算量明显降低。在经济调度问题中，鲁棒优化方法按照建模思路的不同可分为两阶段鲁棒优化模型和工程博弈模型。目前有关不确定性因素对电力网络的影响及分析方法已有较多研究，相比而言，不确定性因素对综合能源系统的影响分析尚处于起步阶段。因此，一种考虑电转气和不确定性的区域综合能源系统运行鲁棒优化方法急需提出。
技术实现思路
专利技术目的：为了解决现有区域综合能源系统运行技术中对电转气环节和不确定性因素考虑不足的问题，本专利技术提供一种考虑电转气详细建模和源荷不确定性的区域综合能源系统运行鲁棒优化方法。技术方案：为实现上述专利技术目的，本专利技术采用以下技术方案：一种考虑电转气和不确定性的区域综合能源系统运行鲁棒优化方法，包括以下步骤：(1)根据电化学反应的原理对电转气过程详细建模，基于能源中心模型用矩阵的形式分析不同能量形式之间的耦合关系；(2)建立考虑风电出力和电、热、天然气、氢气多种负荷预测功率不确定性的区域综合能源系统运行优化模型，并根据多面体形式的不确定区间建立两阶段鲁棒优化模型；(3)将步骤(2)得到的两阶段鲁棒优化模型分解为主问题与子问题，使用KKT条件和bigM方法将子问题转化为单一目标的优化问题，并进行迭代求解得到综合能源系统鲁棒优化方案。进一步的，步骤(1)包括：(11)根据电化学反应的原理对电转气过程详细建模，其中电解槽制氢气是一切电转气工艺的基础，电解输出氢气的量由如下的数学模型表示：uEL,e,tPEL,e,min≤PEL,e,t≤uEL,e,tPEL,e,max；其中，表示电解槽效率函数，是关于电解槽t时刻消耗电功率PEL,e,t与额定电功率PEL,rated比值的二次函数；aEL、bEL、cEL分别表示与电解槽效率相关的常数；EEL,H2,t表示电解槽装置在t时段制得氢气的量；πEL,rated表示电解槽模块的额定容量；uEL,e,t是表征电解槽在t时段启停状态的0-1变量，uEL,e,t＝1表示启动，uEL,e,t＝0表示停机；PEL,e,max和PEL,e,min表示用于电解制氢的电功率上下限约束；(12)能源中心(EH)是具有多种输入和输出的能源传输和转化中心，其内部包括能量的传输、转换、存储三种元素，假设输入端有ξ种能源载体，输出端有种能源载体，用EH表示的多能源平衡方程表示如下：式中，L表示能源中心的负荷向量；P表示能源中心的输入向量；耦合系数Cab表示输入的b能源经过EH内部各种设备转换到a能源的系数，该耦合系数由转换单元的的运行效率和EH的调度系数共同决定。更进一步的，步骤(11)中电转气详细建模包括：1)储氢罐与压缩机模型储氢罐存储模型表达式为：EHT,t＝EHT,t-1+EHT,in,t-EHT,out,t；EHT,min≤EHT,t≤EHT,max；其中，EHT,t表示储氢罐在t时段存储氢气的量；EHT,min、EHT,max表示储氢罐存储容量的最小值和最大值；EHT,in,t和EHT,out,t分别为t时段存入、输出储氢罐的氢气的量；前压缩过程能耗模型与当前时段输入氢气量EHT,in,t相关，关系式为：Ppre,e,t＝λpre,eEHT,in,t；0≤EHT,in,t≤EHT,pre,max；其中，Ppre,e,t表示前压缩机需要的电能；λpre,e是前压缩设备的能耗系数；EHT,pre,max表示前压缩机允许的氢气量上限；储氢罐内部压强数学关系式为：其中，Ptank,t表示t时段高压容器内部压强；EET,t为t时段储氢罐内氢气的量；R为理想气体常数；Zh表示输入端的压缩系数；Ttank是储氢罐内的热力学温度；V表示储氢罐的容积；后压缩过程的能耗与高压储氢罐内部压强和输出的氢气流量有关，模型如下：0≤EHT,out,t≤EHT,post,max；式中，Wpost,t表示压缩机t时段每压缩1kmol氢气的能耗；Ppost,e,t为后压缩机在t时段消耗的电能；表示输出端压缩系数；Rcomp表示输出端气体常数；k是氢气的热容比常数；Pout是储氢罐输出端压强；ηpost表示后压缩机输出效率；EHT,post,max表示经由后压缩装置输出的氢流量上限；2)甲烷化反应模型为简化计算，采用如下的氢气制甲烷模型：其中，PM,g,t表示t时段甲烷化过程制得的天然气功率；ηm是反应转化效率；表示参与甲烷化反应的氢气输入量；HL表示天然气低热值；4是氢气的摩尔质量，可用来折算出生成天然气的量；κ表示天然气管网内的气体密度；和分别表示参与甲烷化反应的氢气输入量最大、最小值；是表示甲烷化反应在t时段是否启动的0-1变量，为1表示启动，为0表示停机。进一步的，步骤(2)包括：(21)建立考虑风电和负荷功率不确定性的区域综合能源系统日前优化模型；日前经济调度的目标函数为：其中，T为调度的时段数，对于日前优化调度T＝24；Pe,t为综合能源系统t时段从电网购电的功率；ce,t表示从电网购买的实时电价；Pg,t为综合能源系统t时段从天然气网购气的功率；cg,t表示天然气单位售价；为t时段风电出力的预测值；Pwind,e,t表示t时段RIES实际利用的风电功率；β表示弃风惩罚费用系数；各时段约束条件包括不确定性功率区间约束、系统功率平衡约束、外网传输功率限制、可再生能源出力约束、储能单元约束、热电联供机组运行约束、电转气过程运行约束以及锅炉运行约束；(22)约束条件中建立的不确定集是一个多面体有界集合，不确定变量在该有界集合内任意变化时，需要始终保证优化方案的可行性；选本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种考虑电转气和不确定性的区域综合能源系统运行鲁棒优化方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)根据电化学反应的原理对电转气过程详细建模，基于能源中心模型用矩阵的形式分析不同能量形式之间的耦合关系；(2)建立考虑风电出力和电、热、天然气、氢气多种负荷预测功率不确定性的区域综合能源系统运行优化模型，并根据多面体形式的不确定区间建立两阶段鲁棒优化模型；(3)将步骤(2)得到的两阶段鲁棒优化模型分解为主问题与子问题，使用KKT条件和bigM方法将子问题转化为单一目标的优化问题，并进行迭代求解得到综合能源系统鲁棒优化方案。

【技术特征摘要】
1.一种考虑电转气和不确定性的区域综合能源系统运行鲁棒优化方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)根据电化学反应的原理对电转气过程详细建模，基于能源中心模型用矩阵的形式分析不同能量形式之间的耦合关系；(2)建立考虑风电出力和电、热、天然气、氢气多种负荷预测功率不确定性的区域综合能源系统运行优化模型，并根据多面体形式的不确定区间建立两阶段鲁棒优化模型；(3)将步骤(2)得到的两阶段鲁棒优化模型分解为主问题与子问题，使用KKT条件和bigM方法将子问题转化为单一目标的优化问题，并进行迭代求解得到综合能源系统鲁棒优化方案。2.根据权利要求1所述的一种考虑电转气和不确定性的区域综合能源系统运行鲁棒优化方法，其特征在于，步骤(1)包括：(11)根据电化学反应的原理对电转气过程详细建模，其中电解槽制氢气是一切电转气工艺的基础，电解输出氢气的量由如下的数学模型表示：uEL,e,tPEL,e,min≤PEL,e,t≤uEL,e,tPEL,e,max；其中，表示电解槽效率函数，是关于电解槽t时刻消耗电功率PEL,e,t与额定电功率PEL,rated比值的二次函数；aEL、bEL、cEL分别表示与电解槽效率相关的常数；EEL,H2,t表示电解槽装置在t时段制得氢气的量；πEL,rated表示电解槽模块的额定容量；uEL,e,t是表征电解槽在t时段启停状态的0-1变量，uEL,e,t＝1表示启动，uEL,e,t＝0表示停机；PEL,e,max和PEL,e,min表示用于电解制氢的电功率上下限约束；(12)能源中心(EH)是具有多种输入和输出的能源传输和转化中心，其内部包括能量的传输、转换、存储三种元素，假设输入端有ξ种能源载体，输出端有种能源载体，用EH表示的多能源平衡方程表示如下：式中，L表示能源中心的负荷向量；P表示能源中心的输入向量；耦合系数Cab表示输入的b能源经过EH内部各种设备转换到a能源的系数，该耦合系数由转换单元的的运行效率和EH的调度系数共同决定。3.根据权利要求2所述的一种考虑电转气和不确定性的区域综合能源系统运行鲁棒优化方法，其特征在于，步骤(11)中电转气详细建模包括：1)储氢罐与压缩机模型储氢罐存储模型表达式为：EHT,t＝EHT,t-1+EHT,in,t-EHT,out,t；EHT,min≤EHT,t≤EHT,max；其中，EHT,t表示储氢罐在t时段存储氢气的量；EHT,min、EHT,max表示储氢罐存储容量的最小值和最大值；EHT,in,t和EHT,out,t分别为t时段存入、输出储氢罐的氢气的量；前压缩过程能耗模型与当前时段输入氢气量EHT,in,t相关，关系式为：Ppre,e,t＝λpre,eEHT,in,t；0≤EHT,in,t≤EHT,pre,max；其中，Ppre,e,t表示前压缩机需要的电能；λpre,e是前压缩设备的能耗系数；EHT,pre,max表示前压缩机允许的氢气量上限；储氢罐内部压强数学关系式为：其中，Ptank,t表示t时段高压容器内部压强；EET,t为t时段储氢罐内氢气的量；R为理想气体常数；Zh表示输入端的压缩系数；Ttank是储氢罐内的热力学温度；V表示储氢罐的容积；后压缩过程的能耗与高压储氢罐内部压强和输出的氢气流量有关，模型如下：0≤EHT,out,t≤EHT,post,max；式中，Wpost,t表示压缩机t时段每压缩1kmol氢气的能耗；Ppost,e,t为后压缩机在t时段消耗的电能；表示输出端压缩系数；Rcomp表示输出端气体常数；k是氢气的热容比常数；Pout是储氢罐输出端压强；ηpost表示后压缩机输出效率；EHT,post,max表示经由后压缩装置输出的氢流量上限；2)甲烷化反应模型为简化计算，采用如下的氢气制甲烷模型：其中，PM,g,t表示t时段甲烷化过程制得的天然气功率；ηm是反应转化效率；表示参与甲烷化反应的氢气输入量；HL表示天然气低热值；4是氢气的摩尔质量，用来折算出生成天然气的量；κ表示天然气管网内的气体密度；和分别表示参与甲烷化反应的氢气输入量最大、最小值；是表示甲烷化反应在t时段是否启动的0-1变量，为1表示启动，为0表示停机。4.根据权利要求1所述的一种考虑电转气和不确定性的区域综合能源系统运行鲁棒优化方法，其特征在于，步骤(2)包括：(21)建立考虑风电和负荷功率不确定性的区域综合能源系统日前优化模型；日前经济调度的目标函数为：其中，T为调度的时段数，对于日前优化调度T＝24；Pe,t为综合能源系统t时段从电网购电的功率；ce,t表示从电网购买的实时电价；Pg,t为综合能源系统t时段从天然气网购气的功率；cg,t表示天然气单位售价；为t时段风电出力的预测值；Pwind,e,t表示t时段RIES实际利用的风电功率；β表示弃风惩罚费用系数；各时段约束条件包括不确定性功率区间约束、系统功率平衡约束、外网传输功率限制、可再生能源出力约束、储能单元约束、热电联供机组运行约束、电转气过程运行约束以及锅炉运行约束；(22)约束条件中建立的不确定集是一个多面体有界集合，不确定变量在该有界集合内任意变化时，需要始终保证优化方案的可行性；选择鲁棒优化方法处理上述考虑不确定性的区域综合能源系统日前调度问题，将上述运行优化模型写成两阶段鲁棒模型的形式，如下所示：式中，F是原目标函数；x、y为优化变量；u为定义的源、荷不确定量，U为不确定集；外层问题的决策变量x是RIES各可控单元的调度方案，即等效EH的耦合矩阵系数；内层问题的决策变量是风电和各类型负荷的波动程度；对于某一个固定的外层问题解x和不确定量u，内层问题的可行域为Ω(x,u)；内...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴在军，宋卉，胡秦然，李培帅，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32