[发明专利]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

权利要求书

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；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；P_e,t为综合能源系统t时段从电网购电的功率；c_e,t表示从电网购买的实时电价；P_g,t为综合能源系统t时段从天然气网购气的功率；c_g,t表示天然气单位售价；为t时段风电出力的预测值；P_wind,e,t表示t时段区域综合能源系统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是区域综合能源系统各可控单元的调度方案，即等效能源中心的耦合矩阵系数；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)；内层问题为max-min形式，其中min部分表示对于某一个固定的x和u求解最小化的内层问题目标，而max部分则表示对于整个不确定集合中，求内层目标所有可能情况下最小值之中的最大值，即max-min最差的情况；

约束条件具体为：

1)不确定性功率区间约束

式中，分别为考虑不确定性的电负荷、热负荷、天然气负荷、氢负荷功率值；为基于日前功率预测的值；为功率波动系数，即每种功率相对预测值的最大偏差；Γ^wind、Γ^e,L、Γ^h,L、Γ^g,L、为负荷功率不确定性预算控制参数，Γ^e,L，Γ^h,L，Γ^g,L，具体的取值根据实际情况而定；

2)系统功率平衡约束

综合能源系统涉及的电能、热能、天然气、氢气四种能源形式，平衡关系式如下：

其中，P_GT,e,t、P_bt,ch,t、P_bt,dis,t、P_EB,e,t、P_EL,e,t、P_pre,e,t、P_post,e,t是与电能平衡相关的量，分别表示t时段燃气轮机发电功率、蓄电池充电功率、蓄电池放电功率、电锅炉功率、电解制氢耗电功率、前压缩机耗电功率、后压缩机耗电功率；P_tst,ch,t、P_tst,dis,t、P_GB,h,t、P_EB,h,t、P_GT,h,t是与热能平衡相关的量，分别表示t时段储热单元充热功率、放热功率、燃气锅炉发热功率、电锅炉发热功率、燃气轮机发热功率；P_GB,g,t、P_GT,g,t、P_M,g,t是与系统内天然气平衡相关的量，分别表示t时段燃气锅炉用气功率、燃气轮机用气功率、甲烷化反应制得天然气的功率；E_HT,in,t、E_HT,out,t分别为t时段电解水制得的氢量、参与甲烷化反应用到的氢量、注入储氢罐的氢量、从储氢罐释放的氢量；氢能平衡式中的4表示氢气摩尔质量折算系数；

3)外网传输功率限制

综合能源系统与电网、气网的最大交互功率受到网络传输能力的限制：

P_e,min≤P_e,t≤P_e,max；

P_g,min≤P_g,t≤P_g,max；

其中，P_e,max和P_e,min表示区域综合能源系统与电网联络线功率的最大、最小值；P_g,max和P_g,min表示区域综合能源系统与天然气系统传输功率的最大、最小值；

4)可再生能源出力约束

5)储能单元约束

蓄电池和蓄热槽的建模采用储能通用模型；

6)热电联供机组运行约束

燃气轮机的电、热输出功率与燃气输入采用线性数学模型，考虑爬坡约束；

7)电转气过程运行约束

8)锅炉运行约束

电锅炉和燃气锅炉输入、输出采用线性模型，考虑爬坡约束；

(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；

包括：

(31)采用计算效率和求解性能都较优的列约束生产算法将考虑不确定性的区域综合能源系统日前调度模型分解；分解为主问题和子问题；

主问题：

MP:minη

式中，η为求解目标和s.t.为约束条件，分别表示区域综合能源系统之中电能、热能、天然气、氢气能量的各个可以优化调度的变量之和；采用此种算法时，步骤(2)中考虑不确定性的变量分别被替换为P_e,L'、P_h,L'、P_g,L'、P_H2,L'，表示由子问题求解所获得的最恶劣波动情况下的电负荷、热负荷、天然气负荷和氢能负荷的值；

主问题是在外网传输功率、储能单元、热电联供机组、锅炉和电转气过程约束条件下以综合能源系统日前调度成本最小为目标进行优化，决策变量是各可控单元的机组调度方案；通过子问题不确定性集合中有限个可能的波动场景，将主问题中涉及不确定量的约束条件用部分枚举场景替代，由此可知主问题即为单目标的混合整数线性规划问题；

子问题：

s.t.潮流方程、电压方程、运行上下限和功率区间约束

上式中，燃气锅炉、燃气轮机、电解槽、甲烷化反应元件的机组启停计划已在主问题求出，为已知变量；

子问题目标函数包含max-min双层目标，较难直接求解；由于子问题为线性问题，满足强对偶条件，因此选择增加KKT条件将内层min问题转化为max问题，从而获得单一max问题，增加相应的对偶约束和互补松弛约束并使用big-M方法进行线性处理；转化后的子问题目标函数如下所示：

(32)根据分解原两阶段鲁棒优化模型得到的主问题和子问题，设计迭代方法求解鲁棒优化方案。