基本介紹
研究背景,天然氣網路模型,天然氣網路和電源、電網聯合規劃模型,
研究背景
隨著人類社會和經濟的發展，環境問題和能源危機日益突顯。為此，世界各國紛紛提出構建以最大限度開發利用新能源、最大幅度提高能源綜合利用效率為使命的新一代能源系統。發展清潔高效的能源系統成為各國政府能源政策的核心戰略， “能源網際網路”的概念應運而生。
在我國，研究者提出了構建以電網為核心的新一代能源系統，該能源系統的目標是克服我國長期存在的各類能源計畫單列、條塊分割，缺乏有效的能源市場配置等缺陷，實現多元能源結構相互協同生產、供應和規劃， 進而達到各類能源綜合利用、 供需互動、高效運行。相較於傳統的電力系統，以電網為核心的新一代能源系統通過燃氣機組將電力網路和天然氣網路緊密地聯繫在一起。此時，如果忽略兩個能源系統之間的相互影響，單獨規劃電力網路或天然氣網路很難保證規劃方案的經濟性、安全性和可靠性。因此，在以電網為核心的新一代能源系統即將到來的研究背景下，開展電力網路和天然氣網路聯合規劃的理論研究，將為未來電力系統規劃提供重要的理論基礎，是一項具有重大意義的前瞻性工作。
國外已有專家學者開始對天然氣網和電網的聯合運行和規劃展開研究。在天然氣網和電網的聯合運行方面，研究成果主要分為氣電聯合潮流計算和氣電聯合經濟調度兩類。在氣電聯合潮流研究方面，有天然氣網路和電力網路聯合模型的穩態潮流分析計算方法，並分別在模型中計及了溫度變化和分散式多平衡節點對天然氣網路潮流分布的影響。另外，還有電網和氣網聯合運行的最優潮流模型。
在氣電聯合經濟調度方面，也有研究在計及安全約束的機組組合問題中考慮了天然氣傳輸網路的影響。後來，分別考慮了需求側回響和風電出力不確定性對氣電聯合機組組合問題的影響。這些研究成果為天然氣網和電網耦合後的規劃工作奠定了堅實的基礎。目前，在天然氣網和電網聯合規劃的研究方面也取得了一定的成果。
按照對天然氣管道氣流的建模類型進行劃分，可分為忽略節點氣壓的線性模型和考慮節點氣壓的非線性模型兩類。在第一類模型方面，又有研究提出了多時段天然氣網路和電網聯合規劃模型，該模型是一個混合整數最佳化問題，求解後可以得到電源、輸電線路、天然氣管道和天然氣源的投資位置，以及投資容量和投建時間。文獻[16]在一個能源工程仿真平台上搭建了一個考慮電力市場和天然氣市場交易的天然氣網路和電網聯合規劃模型。在第二類模型方面，研究建立了多階段電源、電網和天然氣網路聯合規劃模型，並提出了一種天然氣潮流計算方法來校驗天然氣網路的安全性。然而，該天然氣潮流計算方法僅適用於輻射性結構的天然氣網路。為了得到低碳運行的英國能源系統，研究建立了一個對天然氣系統精確建模的天然氣和電網聯合規划動態模型，該模型不僅可以得到電網和天然氣管道的投資決策，還可以得到加壓器和天然氣存儲器的決策結果。研究提出了考慮社會福利最大化的電網和天然氣網聯合規划動態模型，為了提高規劃方案在不同場景下的魯棒性，自適應成本被作為目標函式來量化規劃中負荷預測、燃料費用等不確定性因素帶來的風險。另外，為達到將大量分散式燃氣機組更加合理地接入配電網的目標，研究提出了電力配電網絡和天然氣網路聯合規劃的方法。然而，上述兩種天然氣管道氣流模型要么忽略氣壓，建模太簡單，導致得到的規劃結果與實際不符；要么建模太複雜，只能採用智慧型算法求解，不能保證最優解。本文提出了採用分段線性化的方法來對天然氣管道氣流建模，該方法能夠在誤差可控的條件下，保證求解的規劃模型可以得到全局最優解。
天然氣網路模型
天然氣網路如圖1所示，主要由天然氣源、天然氣管道、加壓器、存儲器和天然氣負荷組成。天然氣被開採和加工後主要通過天然氣管道輸送給用戶，然而由於天然氣氣流在流動過程中會和管道壁發生摩擦，經過一定的傳輸距離後(通常為80~160km)，氣壓會逐漸下降。為保證天然氣能夠正常輸送到負荷側，天然氣系統中需要安裝加壓器進行升壓。加壓器在天然氣網路中的作用類似於電力系統中的變壓器。由於規劃是個長時間尺度問題，儲能約束的作用主要體現在短時間尺度運行問題。為了避免計算量過大，所以本文在長時間尺度建模中忽略了對儲能的建模。下面對天然氣網路中的其他元件進行建模。
圖1
圖11） 天然氣源。
式中：WShbt為氣源h在t水平年b負荷分區的出氣量；WShmax、WShmin分別為氣源h出氣量的上下限；SWS為所有氣源節點的集合。
2）節點氣壓約束。
天然氣網路各節點的氣壓必須在安全合理的運行範圍內，其數學表達式如式下所示。
式中：πimax、πimin分別代表節點i氣壓的最大值和最小值；SGB表示天然氣網路節點的集合。
3）天然氣管道氣流模型。
本文採用Weymouth穩態潮流模型來刻畫天然氣氣流和兩端氣壓的關係，具體表達式為
式中：fppbt、πibt和πjbt分別代表管道p在t水平年b負荷分區流過的天然氣流和管道p兩端的氣壓；φp、sgnp分別代表管道p的氣流傳輸參數和氣流流向；maxFp代表管道傳輸的容量上限；SP表示天然管道集合。
4）加壓器模型。
加壓器原有模型是一個描述加壓器升壓比例和能量消耗關係的非凸非線性表達式。由於本文的重點在於研究天然氣管道的擴建，且加壓器消耗的能量(電能或天然氣)很少，因而對加壓器模型進行了簡化處理，即忽略加壓器運行時消耗的能量，僅保留加壓器進氣端和出氣端之間的升壓關係，以及加壓器的傳輸容量限制。
式中：fccbt、πibt和πjbt分別為t水平年b負荷分區時加壓器c流過的氣流、進氣口和出氣口端的氣壓；Γc為加壓器c的升壓比例；maxFc為加壓器的傳輸容量上限。
5）節點氣流平衡方程。
式中：A、U、C和D分別表示天然氣管道、加壓器、天然氣源、天然氣負荷和天然氣網路節點的關聯矩陣；WLrbt表示t水平年b負荷分區時的天然氣負荷。
天然氣網路和電源、電網聯合規劃模型
本文所提模型的規劃目標是在規划水平年內最小化天然氣網路和電力系統的投資費用和運行費用淨現值，同時滿足天然氣網路和電力網路的安全運行約束。其中，投資費用包括電源投資費用、輸電線路投資費用以及天然氣管道的投資費用。需要注意的是，發電機的運行費用僅考慮非燃氣機組，燃氣機組的運行費用計及到購買天然氣的費用。該目標函式的具體表達式如下：
主要有6種約束條件，分別為：
1）設備投資約束；
2）電力網路潮流約束；
3）發電機出力約束；
4）電力網路節點功率平衡約束；
5）天然氣網路約束；
6）新建天然氣管道氣流約束。
