碳中和背景下综合能源系统的优化调度

主要内容：系统而全面地针对传统火电系统、水电-火电系统、水电-火电-风电系统、含可再生能源及电转气的电网-天然气综合能源系统，进行了细致而深入的研究，包括背景分析、理论研究（模型及算法）-算例分析及结论。特色：内容丰富且系统性很强，由单一系统到复杂的多元互补综合能源系统，由简入难，层层递进，紧紧围绕可再生能源、节能减排、碳中和，考虑了电转气技术在电网中的应用，并给出了不同综合能源系统的优化运行方案，此外还设计了基于黑洞理论的多目标随机黑洞粒子群优化算法，可以更快更高效地对多目标优化问题进行求解；读者：非常适合电气工程专业电力系统自动化方向（新能源、优化运行等）的硕士生以及博士生或者从事该领域研究的其他科研人员阅读。

刘静，女，博士，2002年-2012年本硕博均就读于西安交通大学电气工程学院；2012年-至今，在中国矿业大学（北京）任教，讲师，2017年9月-2018年9月前往英国爱丁堡大学，访问学者。一直从事含可再生能源的多元互补综合能源系统优化运行问题的研究工作，主要涉及水电（梯级水电站）、火电、新能源（风电/光伏）、热能、氢能源、电转氢气和电转甲烷、天然气系统等，研究内容包括梯级水电站优化运行、水火电系统环境经济优化运行、风电-光伏-蓄电池综合能源系统的z优容量配置、含电转气和风电的电网-天然气综合能源系统的低碳经济运行方案、含电转气、风电、储气罐的电网-天然气-热能综合能源系统的灵活性、电转氢气/电转甲烷对于电网系统的影响等，通过上述研究，深入掌握了含可再生能源的多元互补综合能源系统的构架及运行机理，在优化问题的模型构建、复杂约束条件的处理、智能优化算法研究及实例仿真方面积累了丰富的经验。基于上述研究成果以第一作者发表了SCI期刊论文3篇、EI期刊论文2篇、国际会议论文2篇，以唯一发明人授权发明专利1项，登记软件著作权2项。

前言

为应对能源危机、环境污染、温室效应等一系列人类面临的重大问题，能源将朝着清洁化、低碳化和高效协同化的方向纵深发展。以多种能源形式协同优化利用为主要特征的综合能源系统已成为“双碳”目标下我国能源转型和能源变革的重要探索方向之一。通过综合利用电、气、热、冷等多种能源形式，实现多能源间的互补互济、互联互通、协调优化，可有效提升能源利用效率和系统运行可靠性、减少碳排放及污染物排放，促进能源的清洁低碳可持续发展。因此，构建综合能源系统并研究其优化调度问题，对于推动能源转型、助力“双碳”目标的实现具有重大意义和研究价值。本书主要针对水火电综合能源系统和含电转气(power to gas, P2G)的电气热综合能源系统的优化调度问题进行了系统而深入的研究，包括模型构建、算法求解、约束处理以及实例仿真。主要研究内容如下：

(1) 设计了基于黑洞理论的多目标随机黑洞粒子群优化(multiobjective random blackhole particle swarm optimization, MORBHPSO)算法，可以更快更高效地对多目标优化问题进行求解。在多目标优化问题中，采用传统的帕累托占优条件所得解未必在可行区域内，针对这一缺陷，给出带等式约束的帕累托占优条件，使算法在可行域内以较快的速度搜索最优解。为加速收敛进程，提出一种处理非占优解的聚类技术。上述优化算法和带等式约束的帕累托占优条件是求解优化调度问题的基础。

(2) 针对水火电综合能源系统，为兼顾系统的经济效益与环境效益，建立了短期水火电综合能源系统环境经济优化调度问题的单目标优化模型和多目标优化模型。为有效规避多目标优化问题中的局部极值点，给出相应的变异方法。此外，为解决梯级水电站由于变量间的时间耦合性和空间相关性而造成的耦合性约束的处理难题，给出了相应的启发式处理方法。通过算例仿真，验证了上述约束条件处理方法的有效性，以及本书算法相比于进化规划法、差分进化算法和常规粒子群优化算法在求解短期水火电系统环境经济优化调度中的极大优越性。

(3) 烟气脱硫装置已被广泛采用以减少污染排放，针对这一现状，建立了含烟气脱硫装置的燃煤发电厂年利润计算模型，设计了一种脱硫奖惩机制以获得更为合理的SO2排污费和脱硫电价。并在此基础上给出了考虑烟气脱硫装置的短期优化调度模型，为节能减排要求下考虑烟气脱硫装置的发电优化调度提供了新的思路与方法。

(4) 为更好地指导短期优化调度方案，在分析常用的年径流预测方法的基础上，建立了长期水火电综合能源系统优化调度问题的两种确定性模型，分别以全年水电总发电量最大和计及燃料费用、启停机费用和排污费的综合费用最小为优化目标。为使模型与实际情况更吻合，添加了城市供水和农田灌溉用水量约束。针对长期规划中水文的特点，给出了相应的库容限制约束和动态水量平衡约束的处理方法。通过典型工程算例，验证了上述约束条件处理方法和优化算法用于长期水火电系统优化调度的可行性和有效性。

(5) 针对含新能源和P2G的电气综合能源系统，建立了综合考虑运行成本、污染气体排放量以及系统可靠性的多目标优化调度模型，计及了电网、天然气网络以及P2G的各类运行约束，给出了氢气和天然气混合气体的高热值计算方法，并提出“气负荷动态调整策略”处理天然气节点的气体压力约束以及处理氢气比例越限的方法。通过IEEE 39节点的电力系统和比利时20节点的高热值天然气系统进行了仿真分析，验证了所提优化运行模型以及约束条件处理方法的可行性、有效性，并且表明了MORBHPSO算法用于求解电气综合能源系统多目标多约束优化运行问题的可行性以及信赖域法和LM法求解非线性气体流量方程组的有效性。

(6) 针对含新能源和P2G的电气热综合能源系统，提出一种同时考虑经济效益和环境效益的优化运行模型，并给出了基于管存和储气装置气体冗余度的灵活性评价模型，细化为7种场景下的灵活性评价指标的计算模型。通过对IEEE 39节点的电力系统和比利时20节点的高热值天然气系统的仿真分析，表明了P2G的加入，可显著提高综合能源系统的灵活性，不仅增加了风电消纳量、减少碳排放、减少SOx等污染物的排放、降低运行成本，还保证了燃气轮机的出力、减轻了系统对气源点供气量的依赖以及有效避免了天然气系统中气体压力在负荷高峰期的大幅跌落。

本书内容是作者在西安交通大学读博期间以及在中国矿业大学(北京)工作期间的研究成果。首先，感谢导师罗先觉教授的悉心指导，感谢在爱丁堡大学做访问学者期间，Harrison教授和孙炜副教授对我的指导和帮助； 其次，感谢华北电力大学刘永前教授以及葛铭纬教授对我的帮助和支持，感谢我的同事王聪教授、程红教授、王彦文教授、卢其威教授、查雯婷、梁营玉、杨彦从、于甲英等一直以来的鼓励和帮助； 最后，本书参考了大量的文献资料，感谢Clegg先生、卫志农先生等学者对综合能源系统做出的贡献，对本书内容有很大启发。由于作者水平有限，本书难免存在不妥和待完善之处，欢迎专家学者和读者朋友批评指正，给予宝贵意见，将不胜感激。

作者

2022年6月于北京

目录

第1章绪论

1.1碳中和背景下的新型电力系统

1.1.1碳中和背景

1.1.2发电装机容量的现状及发展趋势

1.2综合能源系统简介

1.2.1综合能源系统的概念及作用

1.2.2综合能源系统的主要构成

1.2.3综合能源系统的优化调度

1.3短期火电系统优化调度综述

1.3.1短期火电系统经济优化调度

1.3.2短期火电系统环境经济优化调度

1.4考虑烟气脱硫装置的发电优化调度综述

1.5短期水火电系统优化调度综述

1.5.1短期水火电系统经济优化调度

1.5.2短期水火电系统环境经济优化调度

1.6长期水火电系统优化调度综述

1.6.1河川径流预测模型

1.6.2长期优化调度的模型

1.6.3长期优化调度的算法

1.7含新能源及电转气的短期电气综合能源系统优化调度综述

第2章随机黑洞粒子群优化算法

2.1引言

2.2单目标随机黑洞粒子群优化算法

2.2.1粒子群优化算法

2.2.2粒子群优化算法的参数设置

2.2.3黑洞理论

2.2.4随机黑洞粒子群优化算法

2.2.5改进随机黑洞粒子群优化算法

2.3多目标最优化技术

2.3.1帕累托最优

2.3.2帕累托占优条件

2.3.3带等式约束的帕累托占优条件

2.3.4聚类技术

2.4多目标随机黑洞粒子群优化算法

2.4.1多目标随机黑洞粒子群优化算法简介

2.4.2Gbest与Pbest的选取方法

2.4.3折中最优解的选取方法

2.4.4增加算法多样性的方法

2.5小结

第3章短期火电系统的优化调度

3.1引言

3.2短期火电系统环境经济优化调度模型

3.2.1目标函数

3.2.2约束条件

3.2.3数学模型

3.3MORBHPSO算法在短期火电系统环境经济优化调度中的应用

3.3.1初始化

3.3.2算法中的粒子速度限制

3.3.3多目标规划中的变异方法

3.3.4折中最优解的选择

3.3.5流程图

3.4仿真算例及结果分析

3.4.1IEEE 30节点系统

3.4.2IEEE 118节点系统

3.5小结

第4章考虑烟气脱硫装置的短期优化调度

4.1引言

4.2烟气脱硫装置简介

4.3脱硫奖惩机制

4.3.1SO2排污费

4.3.2脱硫电价

4.4含烟气脱硫装置的燃煤发电厂年利润计算模型

4.4.1脱硫前年利润计算模型

4.4.2脱硫后年利润计算模型

4.5考虑烟气脱硫装置的短期优化调度模型

4.6仿真算例及结果分析

4.6.1脱硫奖惩机制的算例验证及分析

4.6.2烟气脱硫装置对于短期优化调度影响的算例结果及分析

4.7小结

第5章短期水火电系统的优化调度

5.1引言

5.2短期水火电系统环境经济优化调度模型

5.2.1目标函数

5.2.2约束条件

5.2.3数学模型

5.3基于启发式方法的约束条件处理方法

5.3.1不等式约束的处理

5.3.2实时负荷平衡约束的处理

5.3.3动态水量平衡约束的处理

5.3.4库容限制约束的处理

5.4仿真算例及结果分析

5.4.1初始化

5.4.2算例1的仿真结果及分析

5.4.3算例2的仿真结果及分析

5.5小结

第6章长期水火电系统的优化调度

6.1引言

6.2长期水火电系统优化调度模型

6.2.1全年水电发电量最大化模型

6.2.2计及燃料费用、启停费用和排污费的综合费用最小化模型

6.3约束条件处理方法

6.3.1负荷平衡约束的处理

6.3.2动态水量平衡约束的处理

6.3.3处理库容限制约束的“冗余排序法”

6.4径流预测模型介绍

6.4.1一般自回归模型

6.4.2门限自回归模型

6.5仿真算例及结果分析

6.5.1算例数据

6.5.2初始化

6.5.3仿真结果及分析

6.6小结

第7章含新能源及P2M的综合能源系统优化调度

7.1引言

7.2含新能源及P2M的电气综合能源系统环境经济优化调度模型

7.2.1考虑P2M的电力系统环境经济优化调度

7.2.2考虑P2M的天然气系统低碳经济优化运行

7.3约束条件的处理方法

7.3.1等式约束的处理方法

7.3.2不等式约束的处理方法

7.4总流程图

7.5仿真算例及结果分析

7.5.1算例参数

7.5.2仿真结果及分析

7.6小结

第8章含新能源及P2H/P2M的综合能源系统优化调度

8.1引言

8.2含新能源及P2H/P2M的电气综合能源系统经济优化调度模型

8.2.1目标函数

8.2.2约束条件

8.3约束条件的处理方法

8.4总流程图

8.5仿真算例及结果分析

8.5.1算例参数

8.5.2结果分析

8.6小结

第9章含新能源及P2G的综合能源系统的灵活性评价

9.1引言

9.2灵活性的概念

9.3主要的灵活性资源及其特性

9.3.1电源侧灵活性资源及其特性

9.3.2电网侧灵活性资源及其特性

9.3.3负荷侧灵活性资源及其特性

9.4含P2G的电气热综合能源系统中各气体流量的计算方法

9.4.1供给热负荷和燃气轮机的气体流量

9.4.2电转气输出的气体流量

9.4.3管道的气体流量方程

9.4.4压缩机消耗的气体流量

9.5含新能源、P2G及储气装置的电气热综合能源系统优化运行模型

9.5.1目标函数

9.5.2约束条件

9.6含新能源、P2G及储气装置的电气热综合能源系统灵活性评价

模型

9.6.1灵活性评价模型

9.6.2流程图

9.7仿真算例及结果分析

9.7.1算例数据

9.7.2P2G对电气热综合能源系统的运行影响

9.7.3P2G对电气热综合能源系统灵活性的影响

9.8小结

参考文献

附录A长期水火电系统优化调度算例数据

附录B缩写词列表