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基于条件风险价值的电-热-气综合电力能源系统经济调度

时间:2018-04-24 21:21来源:www.e-lunwen.com 作者:lgg 点击:
本文是一篇电力工程论文,电力工程即与电能的生产、输送、分配有关的工程,广义上还包括把电作为动力和能源在多种领域中应用的工程。
本文是一篇电力工程论文,电力工程即与电能的生产、输送、分配有关的工程,广义上还包括把电作为动力和能源在多种领域中应用的工程。(以上内容来自百度百科)今天为大家推荐一篇电力工程论文,供大家参考。
 
第 1 章 绪 论
 
1.1 课题研究背景及意义
能源是人类社会发展的基础。人类对能源的利用经历了柴薪时代、煤炭时代、油气时代和电气时代,与之相伴随地经历了以蒸汽机为代表的第一次工业革命和以电气化为代表的第二次工业革命。目前,随着新能源利用技术的飞速发展,人类又开始了以新能源为主的新一轮的能源革命,进入第三次工业革命[1]。随着化石能源的日益枯竭和大气污染的日益严重,能源、环境问题越来越受到人们的关注,人类开始思考在经济飞速发展的同时如何实现对能源的有效利用并减少对环境的污染。为此,能源互联网的概念被提出。能源互联网(energyinternet)可理解是综合运用先进的电力电子技术、信息技术和智能管理技术,将大量由分布式能量采集装置、分布式能量储存装置和各种类型负载构成的新型电力网络、热力网络、石油网络和天然气网络等互联起来,以实现能量双向流动的能量对等交换与共享网络。综合能源系统(integrated energy system, IES)作为能源互联网的基本组成部分,可以在一个区域内(如一个城市、社区或工业园区等)实现对不同能源的有效调度和高效利用。IES 指在规划、建设和运行等过程中,通过对能源的产生、传输与分配(能源供应网络)、转换、存储、消费等环节进行有机协调与优化后所形成的能源产供销一体化系统[2]。从物理层面上,IES 的组成部分可分为能源系统和信息系统两部分,能源系统对冷、热、电和天然气等不同能源进行输送、存储、分配和转换,完成能源的整个流动过程;信息系统负责信息的传递和控制信号的下发,对能源系统的各环节的状态进行实时的监测和控制,保证能源系统的安全、经济运行。从能源流通的过程来看,IES 由能源的生产环节、输送环节、存储环节、转换环节和消费环节组成。能源生产环节包括各类集中式的天然气站、供热站和基于传统能源的电厂等,以及基于传统能源或新能源的分布式电源,它们将分布于不同区域内的各类能源输入 IES,由 IES 进行统一调动;输送环节包括集中式的天然气管网、热力管网和输配电网等,负责将能源从生产侧传递至能量转换设备和各类负荷;转换环节由可以实现不同能源间转换的设备组成,如内燃机(油-电、气-电转换)、冷热电三联供机组(气-电-冷热)、电热泵(电-热)、吸收式冷热水机组(低品位冷热、电-高品位冷热)和燃料电池(气-电)等,这类设备可根据安全、可靠、经济等不同需求实现多种能源间的转换;存储环节主要包括电储能和冷热储能,如蓄热水池和各类电池、超级电容、飞轮储能等;消费环节包括分布于用户侧的各类能源的消耗设备。
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1.2 国内外研究现状综述
 
1.2.1 国内外综合能源系统的发展现状
在能源和环境的双重压力下,世界主要国家和地区先后出台了一系列政策法案,在政策层面上对 IES 的研究和发展进行鼓励并提供了一系列保证。欧洲最早提出了 IES 的概念,并将其付诸实践。从 1998 年至今,欧洲先后发布了数个系列性的发展计划,致力于在未来的几十年通过 IES 有效提高能源的综合利用率,并实现能源替代的目标。Energie 项目致力于在传统的化石能源与清洁的可再生能源之间实现优势互补和替代,Microgrid 项目侧重利用微网实现用户侧分布式能源的综合利用。在 FP5 的基础上,第六框架(FP6)(2002 年~2006 年)[4]和第七框架(FP7)(2007 年~2013 年)[5]进一步深化了对 IES 的研究,实施了诸如 Microgrids and More Microgrids、Trans-European Networks 和 Intelligent Energy等项目,在世界范围内产生了重要影响。欧洲各国根据自身的发展特点也制定了有针对性的发展计划。作为一个对外部能源具有依赖性的岛国,英国长期致力于提高其自身能源系统的安全性和可持续性,实施了诸如 Highly Distributed Power Systems 和 Highly Distributed EnergyFuture 等项目,以研究在智能电网中集中式能源和分布式可再生能源的协同发展问题[6];丹麦的风能资源丰富,风电在社会发电量中的占比超过 50%,为消纳大量清洁的风电,丹麦进行了多种能源系统相互融合的研究[7];德国 E-Energy 项目围绕能源系统和信息系统的交互制定了一系列研究计划,以期望通过信息通信技术(information communication technology, ICT)实现提高能源系统的安全性和效率[8]。
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第2章 电-热-气综合能源系统的供能设备与网络建模
 
2.1 概述
电-热-气 IES 由分布于同一区域内的电力子系统、热力子系统、天然气子系统和作为耦合环节的多能源转换设备组成,如图 2-1 所示。电力网络将 PV、WT和 CHP 等分布式电源所发出的电能传输到负荷侧,并能够根据系统中电能的供需情况从大电网中购买电能或向大电网输送电能,电储能设备能够根据电能供需情况和经济性选择充电或放电;热力子系统由供热热源、供热网络、回热网络和热负荷组成,热量以高温热水为介质通过供热网络从热源传输到热负荷处,经散热器传输给用户后,其温度降低后再通过回热网络流回热源再次加热;天然气系统由气源、供气网络、压缩机和天然气负荷构成,天然气网络将天然气从气源输送到用户和其他燃气供热、发电设备,压缩机通常由燃气轮机或电动机驱动以提高供气压力从而保证供气量。为提高系统的经济性和灵活性,在耦合系统中安装有 CHP 机组、热泵(heat pump, HP)、燃气锅炉(gas boiler, GB)等多种类型的能源转换设备,此类设备能够根据不同能源的供需情况并考虑经济性实现电、热、气之间的转换,从而提高系统运行效率和灵活性。本章针对 IES 中的供能设备和电、热、天然气子系统的供能网络分别进行建模。其中,供能设备包括基于可再生能源的光伏发电和风力发电设备,也包括以天然气为一次能源的供电、供热设备。考虑到储能设备的特殊性,本文暂不予以考虑。通过建模可得到描述各设备和元件上相关物理量之间关系的数学公式。
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2.2 供能设备数学模型
太阳能是最具有开发潜力的可再生能源。目前,利用太阳能发电主要有 PV和光热发电两种途径,由于光热发电的成本远高于光伏发电的成本,因此近期PV 仍将是利用太阳能的主要形式。光伏电池是 PV 的核心部件,其输出功率与器件的温度、光照强度等密切相关。由于光照强度具有随机性和波动性,因此光伏电池的输出也是随机和波动的。微燃机[46]是一种新兴的单机功率在 25~300kW 的小型燃气轮机,它以汽油、酒精、天然气、氢气等为燃料,进行高效燃烧推动转子带动永磁发电机发电。微燃机与传统燃气轮机最大的不同在于其运行时利用空气轴承使转子悬空,在运行时只存在风阻摩擦,因而机械损耗非常小,转速可达 50000~120000r/min。由于微燃机发电直接输出高频的交流电,因此,需要经变流器 AC-DC-AC 变换才能并网。微燃机发电效率一般在 30%以下,将微燃机同排气再燃型嗅化锂吸收式冷温水机(嗅冷机)组成 CHP 机组进行热电联供,其综合效率可达 70%以上。由于微燃机 CHP 机组所具有的优点,未来将广泛应用于 IES 的供电和供热中。
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第 3 章 综合能源系统多能流计算方法 ...............17
3.1 概述 ..........17
3.2 综合能源系统稳态多能流模型......17
3.3 基于 Newton-Raphson 法的多能流计算方法..........21
3.4 算例分析 ...............24
3.5 本章小结 ...............29
第 4 章 基于条件风险价值的综合能源系统经济调度 ....30
4.1 概述 ..........30
4.2 供能设备与负荷的不确定性建模...............30
4.3 VaR 和 CVaR 的数学描述和计算方法 ........34
4.4 基于 CVaR 的综合能源系统经济调度数学模型 ....36
4.5 模型求解方法 .......41
4.6 本章小结 ...............45
第 5 章 算例分析 ............46
5.1 算例描述 ...............46
5.2 仿真结果 ...............48
5.3 本章小结 ...............52
 
第 5 章 算例分析
 
5.1 算例描述
以图 5-1 所示的小型 IES 为例,使用本文建立的基于 CVaR 的经济调度模型对其进行日前经济调度。图中,电力子系统通过节点 EB12 与外部电网(Grid)相连,在 EB3 和 EB8 处分别安装有一组额定功率为 160kWp 和 240kWp 的 PV,在EB4 安装有一台额定功率 1000kW 的 WT,CHP 工作于 FEL 模式。IES 中各可控供能设备参数如表 5-1 所示。IES 与外部电网进行电能交换的分时电价如表 5-2所示,天然气价格为 2.51 元/m3,各时段 PV、WT 及总的电负荷、热负荷功率预测值如表 5-3 所示,各电负荷节点功率之比为 2:4:3:4:3,功率因数均为 0.9,各热负荷节点功率之比为 3:4:8:8。电负荷和热负荷的功率预测误差服从   =5% 的正态分布。电力线路型号均为 LJ95,系统网架参数见表 5-4~表 5-6。设供电设备和供热设备的单位功率调整费用分别为 0.52 元/kW 和 0.42 元/kW,中断单位电负荷和热负荷的补偿费用分别为 0.612 元/kWh 和 0.452 元/kWh,浪费单位电能和热能的惩罚费用分别为 0.32 元/kWh 和 0.22 元/kWh1。
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总结
 
随着能源、环境问题日益突出,提高对多种类型能源的综合利用效率、降低污染物的排放已成为我国构建清洁低碳、安全高效的现代能源体系需要解决的关键问题。作为社会能源系统的重要组成部分,传统的电力系统、热力系统和天然气系统是单独规划设计和相互独立运行的,割裂了不同类型能源之间的联系,限制了能源系统运行的灵活性。综合能源系统作为新一代能源系统的重要形式,涵盖了供电、供热和供气等能源系统,在源、网、荷等不同环节实现了不同类型能源的耦合,具有运行方式灵活、低碳高效、可再生能源消纳率高等优点,受到人们的高度重视。由于光伏、风电等基于可再生能源的发电设备的出力受天气的影响,具有间歇性和波动性,同时电、热负荷与人们的生产生活习惯有关,也具有不确定性。供能侧和负荷侧的不确定性给综合能源系统的经济调度带来挑战,增加了可控设备的调整策略复杂性,从而使对应的风险费用增加。为降低系统所面临的风险,本文建立了基于条件风险价值的电-热-气综合能源系统经济调度模型,并进行了相关的研究。主要成果如下:
(1)建立了电-热-气综合能源系统中供电和供热设备的数学模型,并基于支路的元件特性和网络基本定律建立了电、热、气子系统的网络模型;
(2)为解决综合能源系统调度问题中由控制量计算状态量的问题,对电力系统潮流计算中常用的 Newton-Raphson 法进行推广,将其运用到电-热-气综合能源系统的多能流计算中,提出了基于 Newton-Raphson 法的综合能源系统的多能流计算方法,算例证明了所提出的方法具有很好的收敛性,并且能用于不同场景下综合能源系统的多能流计算;
(3)分析了电-热-气综合能源系统中由于供能侧和负荷侧不确定性的存在所面临的调度风险,建立了基于 CVaR 并考虑设备运行约束和多能流约束的经济调度数学模型,通过对数学模型进行分析提出了基于快速粒子群和内点法的求解方法;以一个小型的电-热-气综合能源系统为例进行仿真分析表明,随着置信水平的提高,系统所面临的调度风险也逐渐增加,但所生成的调度方案可保证系统的安全运行,并且当设备的单位功率调整费用发生变化时,利用本文提出的调度模型可有效防止调度风险的增加。
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参考文献(略)
(责任编辑:gufeng)
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