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近年來，為緩解能源短缺與環(huán)境污染等問題，可再生能源的大量并網(wǎng)已成為發(fā)展趨勢，但因可再生能源無法消納而導致的棄風、棄光問題尚待解決。2021年全國能源工作會議強調(diào)，要加快風電光伏發(fā)展，大力提升新能源消納和儲存能力，進一步優(yōu)化完善電網(wǎng)建設。隨著“能源互聯(lián)網(wǎng)（energy internet）”概念的提出，基于多能流耦合互補提高清潔能源消納與推動能源體系轉(zhuǎn)型升級受到業(yè)界重視。

在多能耦合的各種形式中，天然氣良好的經(jīng)濟效益與環(huán)境效益使其地位突出。國家統(tǒng)計局發(fā)布的生產(chǎn)情況指出，2020年生產(chǎn)天然氣1888億m3，連續(xù)四年增產(chǎn)100億m3。隨著近年來電轉(zhuǎn)氣（Power to Gas, P2G）技術(shù)的發(fā)展，電力系統(tǒng)與天然氣系統(tǒng)耦合日益加深。電-氣互聯(lián)系統(tǒng)（Integrated Electricity-Gas System, IEGS）作為多能流耦合互補的新模式，受到專家學者的廣泛關(guān)注。

電-氣互聯(lián)系統(tǒng)包含電力網(wǎng)絡、天然氣網(wǎng)絡與使其相互轉(zhuǎn)換的能量轉(zhuǎn)換裝置，如燃氣輪機、電轉(zhuǎn)氣裝置等，能夠有效地提高系統(tǒng)的新能源消納能力，提高系統(tǒng)運行效率。如圖1所示，電-氣互聯(lián)系統(tǒng)由電力網(wǎng)絡與天然氣網(wǎng)絡通過燃氣輪機與電轉(zhuǎn)氣設備耦合形成，火電機組、風電機組與燃氣輪機向電力網(wǎng)絡供應電能。當系統(tǒng)中電能過多以及風電充足電力網(wǎng)絡無法消納時，可通過電轉(zhuǎn)氣設備轉(zhuǎn)換為天然氣輸送至天然氣網(wǎng)絡。

圖1 電-氣互聯(lián)系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)

華北電力大學電氣與電子工程學院的研究人員指出，現(xiàn)階段我國電力網(wǎng)絡與天然氣網(wǎng)絡屬于不同運營商管理，存在信息壁壘與利益沖突。為進一步提高能源利用效率與源網(wǎng)經(jīng)濟性，未來可能的方向是政府從經(jīng)濟性、環(huán)境效益等角度出發(fā)，打破電網(wǎng)與天然氣網(wǎng)絡管理方之間的約束邊界與壁壘，以大統(tǒng)籌的方式進行統(tǒng)一管理。統(tǒng)一調(diào)度機構(gòu)將兩個網(wǎng)絡看作整體進行優(yōu)化，根據(jù)電力網(wǎng)絡與天然氣網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)信息構(gòu)建優(yōu)化目標，形成調(diào)度指令，實現(xiàn)電-氣互聯(lián)系統(tǒng)的整體優(yōu)化。

隨著環(huán)保意識的提高，電力市場的改革，電-氣互聯(lián)系統(tǒng)的優(yōu)化調(diào)度不能僅局限于經(jīng)濟目標，需要同時考慮污染物排放、系統(tǒng)削峰填谷能力、購電費用等。實際上，電-氣互聯(lián)系統(tǒng)多目標優(yōu)化調(diào)度模型包含多個目標且具有非凸非線性的特點，復雜程度大，求解困難。

研究人員認為，電-氣互聯(lián)系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度應在保證系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行的同時，合理配置資源，提高設備利用率和系統(tǒng)經(jīng)濟效益。若僅以系統(tǒng)運行成本為優(yōu)化目標，能有效減少煤耗、棄風量，但節(jié)能調(diào)度可能導致購電成本上升，增加企業(yè)運營壓力，也難以保證污染氣體排放量的優(yōu)化。因此，在發(fā)電調(diào)度中，降低系統(tǒng)運行成本、降低污染氣體排放量、降低購電購氣費用等多個目標的重要程度應有所不同，隨實際運行情況而改變。同時，電轉(zhuǎn)氣的接入使電-氣互聯(lián)系統(tǒng)具有一定的削峰填谷能力，能夠有效平抑凈負荷波動，提高系統(tǒng)可靠性。

研究人員以電-氣互聯(lián)系統(tǒng)運行成本、污染氣體排放量、削峰填谷指標及購電購氣費用作為優(yōu)化目標，電力網(wǎng)絡約束、天然氣網(wǎng)絡約束與耦合約束作為約束條件，構(gòu)建了一個考慮風電接入，以燃氣輪機、電轉(zhuǎn)氣設備耦合的電-氣互聯(lián)系統(tǒng)安全約束四目標優(yōu)化調(diào)度模型。

圖2 電-氣互聯(lián)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

他們通過分段線性化方法處理非線性目標函數(shù)，解決將目標函數(shù)轉(zhuǎn)換為約束條件導致的模型非凸問題；引入McCormick 方法與二階錐（Second Order Cone, SOC）松弛處理管道流量方程，將非凸非線性模型轉(zhuǎn)換為混合整數(shù)凸優(yōu)化模型，加入氣壓差懲罰系數(shù)使約束收緊；并提出一種將ε-約束法與法線平面交叉法（Normal Boundary Intersection,NBI）結(jié)合的方法求解四目標優(yōu)化調(diào)度模型，得到一系列均勻分布的Pareto前沿集，根據(jù)熵權(quán)雙基點法得到綜合最優(yōu)方案。

研究人員指出，1）在管道流量方程二階錐松弛的同時，將目標函數(shù)中加入氣壓差懲罰項，能大大降低松弛誤差，可通過cplex等商用求解器高效求解；2）結(jié)合ε-約束法與NBI法的模型求解方法能生成一系列均勻分布的Pareto前沿，采用熵權(quán)雙基點法確定的折中最優(yōu)解綜合考慮了調(diào)度人員主觀意愿與不同解各自熵權(quán)值，能夠為調(diào)度人員的決策提供依據(jù)；3）通過該模型與求解算法得出的最優(yōu)方案能夠?qū)崿F(xiàn)電轉(zhuǎn)氣與燃氣輪機的靈活調(diào)度，大大降低了系統(tǒng)棄風量，提高了系統(tǒng)削峰填谷能力，并降低了污染氣體排放量。

另外，他們表示，電轉(zhuǎn)氣與燃氣輪機的靈活調(diào)度對促進電-氣互聯(lián)系統(tǒng)低碳運行的能力值得進一步深入研究。

本文編自2022年第11期《電工技術(shù)學報》，論文標題為“基于分段線性化與改進二階錐松弛的電-氣互聯(lián)系統(tǒng)多目標優(yōu)化調(diào)度”。本課題得到了本科研業(yè)務費專項資金和國家自然科學基金青年科學基金資助項目的支持。