本發(fā)明屬于綜合能源系統(tǒng)運行領域，涉及一種氣電綜合能源配網(wǎng)系統(tǒng)的協(xié)調運行方法。

背景技術：

隨著分布式發(fā)電技術的快速普及，分布式風電以及光伏接入配電網(wǎng)的比例不斷上升。然而，新能源發(fā)電的輸出功率具有波動性，若不對其進行抑制，功率波動會通過聯(lián)絡線傳遞給輸電網(wǎng)，從而對輸電網(wǎng)形成沖擊。同時，由于社會經(jīng)濟的發(fā)展以及政策的刺激，在配網(wǎng)側構建區(qū)域氣-電綜合能源系統(tǒng)成為未來能源供應的新模式。綜合能源系統(tǒng)利用耦合元件，將電力系統(tǒng)和天然氣系統(tǒng)緊密的聯(lián)系起來，從而使得利用慣性較大的天然氣系統(tǒng)為電網(wǎng)調節(jié)新能源的功率波動成為可能。目前中國已建成的分布式綜合能源系統(tǒng)包括北京燃氣集團大樓、上海浦東機場、青島中德生態(tài)園、廣州大學城等。根據(jù)中國國家能源局發(fā)布的電力發(fā)展“十三五”規(guī)劃，在未來的五年中，中國將著力推動多能互補、協(xié)同優(yōu)化的新能源電力綜合開發(fā)。推廣應用分布式氣電，重點發(fā)展冷熱電三聯(lián)供(cchp)。到2020年，中國氣電機組總裝機計劃達到1.1億千瓦以上，其中冷熱電多聯(lián)供1500萬千瓦。在未來綜合能源的背景下，傳統(tǒng)的配電網(wǎng)和配氣網(wǎng)獨立運行的模式已不能滿足多種能源互補的運行要求。

天然氣系統(tǒng)和電力系統(tǒng)的相互協(xié)調是當前的研究熱點之一，已有大量學者在其規(guī)劃、運行、控制等方面進行了深入探討。在輸電網(wǎng)和輸氣網(wǎng)層面上，氣電協(xié)調運行策略的目的為降低綜合能源系統(tǒng)的運行成本，在原有的電網(wǎng)調度模型的基礎上，考慮氣網(wǎng)中的氣體水利計算以及壓縮機的工作狀態(tài)。但在氣電綜合配網(wǎng)系統(tǒng)中，由于配網(wǎng)系統(tǒng)本身的結構特征，其運行策略與輸網(wǎng)有本質的區(qū)別。配電網(wǎng)和配氣網(wǎng)一般采用輻射狀結構，且配電網(wǎng)線路的r/l值較大。這就使得在輸電網(wǎng)中常用的直流潮流模型在配電網(wǎng)中不再適用。并且配氣網(wǎng)中一般無壓縮機和調壓閥門，因此在氣網(wǎng)中難以靈活調節(jié)各節(jié)點氣壓。已有方法僅對區(qū)域內部的經(jīng)濟性進行優(yōu)化，而未考慮具有功率波動特性的新能源接入后對系統(tǒng)的影響。已有的協(xié)調運行方法依賴主網(wǎng)的調節(jié)能力平抑新能源的功率波動，但隨著分布式新能源滲透率的不斷提高，這樣的運行方式會對系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行產(chǎn)生不利影響。同時，氣電綜合能源系統(tǒng)由于將慣性較大的天然氣系統(tǒng)與電力系統(tǒng)相結合，其本身具有一定的功率波動平抑能力。但已有運行策略未對綜合能源系統(tǒng)的功率波動平抑能力進行定量分析。

冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)作為新一代綜合能源系統(tǒng)中的核心耦合部件，其多能耦合特性使得配電網(wǎng)、配氣網(wǎng)、制冷系統(tǒng)以及供熱系統(tǒng)緊密的聯(lián)系起來。目前針對cchp系統(tǒng)的研究集中在建模，規(guī)劃，運行策略以及經(jīng)濟效益等方面，從一次能源利用率、運行及投資經(jīng)濟性以及環(huán)保層面對cchp系統(tǒng)進行分析。但在綜合能源配網(wǎng)系統(tǒng)中，cchp系統(tǒng)作為分布式電源和用氣負荷，起運行狀態(tài)會對配電網(wǎng)和配氣網(wǎng)產(chǎn)生影響?，F(xiàn)有的配網(wǎng)運行方法均未考慮利用cchp系統(tǒng)的多能耦合特性來平抑由分布式新能源造成的聯(lián)絡線功率波動。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的上述技術問題主要是通過下述技術方案得以解決的：

一種氣電綜合能源配網(wǎng)系統(tǒng)的協(xié)調運行方法，其特征在于，

步驟1：對cchp系統(tǒng)的多能耦合外特性進行數(shù)學建模，建立cchp系統(tǒng)電輸出功率、天然氣消耗流量、制冷功率以及供熱功率之間的數(shù)學映射關系，基于以下定義：

模型一，微型燃氣輪機建模：

微型燃氣輪機的耗氣流量與其電輸出功率直接相關，用函數(shù)來表示。同時微型燃氣輪機發(fā)電產(chǎn)生煙氣的流速eri,t和溫度eti,t也和其電輸出功率有關，用函數(shù)和來描述。

參考微型燃氣輪機的技術參數(shù)，采用二次函數(shù)擬合fgas，擬合優(yōu)度達到0.9998。擬合結果為：

模型二，吸收式制冷機建模：

吸收式制冷機的制冷功率與微型燃氣輪機排出煙氣的流速和溫度有關。采用函數(shù)來描述制冷功率和eri,t、eti,t之間的關系。因此微型燃氣輪機的輸出功率和制冷機的制冷功率之間的關系如式(1)所示。

由于eri,t、eti,t均與近似線性相關，而可近似等于一個關于eri,t的一次函數(shù)乘上一個關于eti,t的二次函數(shù)，因此采用三次函數(shù)擬合fcold。擬合結果為：

模型三，余熱回收鍋爐建模：

燃氣輪機排出的煙氣中殘留的能量與其流量和溫度有關，采用函數(shù)來描述。而煙氣的流量和溫度又和燃氣輪機的輸出功率有關。因此和

余熱回收鍋爐將煙氣中的能量重新利用，因此余熱回收鍋爐的產(chǎn)熱功率也與相關，如(3)所示。

其中ηre為余熱回收鍋爐的熱回收效率。

采用二次函數(shù)擬合余熱回收鍋爐產(chǎn)熱功率和燃氣輪機發(fā)電功率之間的關系。擬合結果為：

模型四，電制冷解和輔助鍋爐建模：

當由吸收式制冷機和余熱回收鍋爐的制冷和供熱功率不足時，cchp系統(tǒng)將會使用電制冷機和輔助鍋爐來保證冷量和熱量的供需平衡。因此cchp系統(tǒng)總制冷功率和供熱功率如(4)和(5)所示。

其中，為電制冷機的制冷功率，為輔助鍋爐的凈產(chǎn)熱功率。為離心式制冷機的功率消耗，為輔助鍋爐的耗氣流量。cop為制冷機能效比。

模型五，儲水箱建模：

儲水箱儲存未被及時使用的冷水和熱水，從而進一步保證了制冷/供熱系統(tǒng)的實時供需平衡，提高了cchp系統(tǒng)的能源利用效率。在ccp模式下采用式(7)描述水箱內的能量平衡，chp模式下則采用式(8)。式(9)用于保證在一天結束時水箱中儲存的能量等于起始值。

esi,start＝esi,end(9)

其中，esi,t為儲水罐中儲存的冷/熱水的能量；為用戶該時刻使用的冷/熱量。利用溫差方程來確定冷熱需求量，如(10)所示。

其中和分別為室內和室外溫度。ε為溫度慣性系數(shù)。a為導熱系數(shù)。

基于以上建模，得到了cchp系統(tǒng)的電輸出功率耗氣流量之間的關系，為步驟2中綜合能源系統(tǒng)中氣網(wǎng)和電網(wǎng)的耦合提供依據(jù)。

步驟2：建立氣電綜合能源系統(tǒng)協(xié)調優(yōu)化運行模型，考慮配電網(wǎng)中的交流潮流模型以及配氣網(wǎng)中的氣體水利計算，在滿足系統(tǒng)電/氣/冷/熱負荷的前提下，通過優(yōu)化cchp系統(tǒng)的運行，抑制由分布式新能源造成的聯(lián)絡線功率波動，該氣電綜合能源系統(tǒng)協(xié)調優(yōu)化運行模型基于目標函數(shù)：

其中，為輸電網(wǎng)和配電網(wǎng)聯(lián)絡變壓器下網(wǎng)的有功功率；為輸入到配氣網(wǎng)的天然氣總量；和分別為失電負荷量和失氣負荷量；為聯(lián)絡線功率的波動量；ρele,t和ρgas,t分別為電價和天然氣價格；ρres為主網(wǎng)輔助調節(jié)功率波動的費用,其取值與主網(wǎng)的結構以及綜合能源系統(tǒng)中分布式新能源接入的滲透率相關；ρelecut和ρgascut為失電負荷和失氣負荷的經(jīng)濟代價。

步驟3：針對協(xié)調運行優(yōu)化模型所對應的混合整數(shù)非線性規(guī)劃問題，利用兩階段優(yōu)化算法對問題進行求解。包括：

步驟3.1、松弛cchp系統(tǒng)中微型燃氣輪機的出力下限約束，求解得到其理想工作點。

步驟3.2、進一步判斷燃氣輪機啟停狀態(tài)，并二次求解非線性規(guī)劃問題。

本發(fā)明創(chuàng)造性的提出一種氣電綜合能源配網(wǎng)系統(tǒng)的協(xié)調運行策略，同時考慮配電網(wǎng)中的交流潮流和配氣網(wǎng)中的氣體水利計算。在對cchp系統(tǒng)的非線性多能耦合外特性進行數(shù)學建模的基礎上，通過對系統(tǒng)中的cchp系統(tǒng)的運行進行協(xié)調優(yōu)化，將分布式新能源的功率波動轉移到配氣網(wǎng)和冷/熱供應系統(tǒng)中。對于上述模型對應的混合整數(shù)非線性規(guī)劃問題(minlp)，本發(fā)明提出一種兩階段優(yōu)化算法進行求解。仿真算例證明在保證系統(tǒng)新能源利用率的前提下，該方法在不同季節(jié)場景下均能有效抑制聯(lián)絡線上的功率波動。

在上述的一種氣電綜合能源配網(wǎng)系統(tǒng)的協(xié)調運行方法，所述步驟2中，考慮配電網(wǎng)中的交流潮流模型以及配氣網(wǎng)中的氣體水利計算，并滿足系統(tǒng)電/氣/冷/熱負荷是考慮配電網(wǎng)約束和配氣網(wǎng)約束兩部分，其中，

約束一，配電網(wǎng)約束包括：

約束條件1：

交流潮流約束，基于公式(12)(13)，其中i∈nc，t∈t，為電網(wǎng)變壓器下網(wǎng)的無功功率；和分別cchp中燃氣輪機的有功和無功出力；和分別為新能源的有功和無功出力；和為各節(jié)點的有功和無功負荷；為切負荷量；和分別為電制冷機的有功功率和無功功率；gij和bij分別為導納矩陣的實部和虛部；ei,t和fj,t分別為節(jié)點電壓的實部和虛部。

約束條件2：

聯(lián)絡線交換功率約束，基于式(14)(15)。其中，為變壓器容量；為聯(lián)絡線上功率波動的上限。

約束條件3：

各cchp中微型燃氣輪機的出力上下限約束和爬坡約束，基于式(16)(17)。其中，ii,t為0-1變量，表示燃氣輪機的啟停狀態(tài)；和分別表示燃氣輪機的最小和最大出力；為燃氣輪機有功出力爬坡上限。

約束條件4：

節(jié)點電壓約束，基于式(18)。其中，和分別為節(jié)點電壓下限和上限。(19)用于計算分布式新能源的實際出力情況。為新能源有功預測出力；為新能源棄置量。

約束二，配氣網(wǎng)約束包括：

約束條件1：

氣體水利計算約束，基于式(20)。用于描述節(jié)點氣壓和網(wǎng)絡氣流之間的關系，其中為管道中的天然氣流量；pi,t為節(jié)點的氣壓。λ為達桅擦因數(shù)，取0.033；z為氣體壓縮系數(shù)，在配氣網(wǎng)中取1；temp為氣體流動平均溫度系數(shù)；δh為節(jié)點間的海拔差；di,j為兩節(jié)點間的天然氣管道的直徑；li,j為天然氣管道的長度；c＝2g/zrtemp，其中g為重力加速度。

約束條件2：

氣流平衡約束，基于式(21)。其中，為各節(jié)點的天然氣負荷氣流量。為cchp系統(tǒng)中微型燃氣輪機的用氣流量；為cchp系統(tǒng)中輔助鍋爐用氣流量。

約束條件3：

節(jié)點氣壓約束，基于式(22)。其中，和分別為節(jié)點氣壓下限和上限。式(23)用于描述燃氣輪機用氣量和其有功輸出功率的關系。

在上述的一種氣電綜合能源配網(wǎng)系統(tǒng)的協(xié)調運行方法，所述步驟3.1的具體操作方法是：

步驟3.11、定義cchp系統(tǒng)中燃氣輪機的電功率輸出從0至最大有功出力連續(xù)變化；

步驟3.12、將原協(xié)調優(yōu)化模型中的燃氣輪機啟停0-1變量松弛為取值范圍為0到1的連續(xù)變量；

步驟3.13、原協(xié)調優(yōu)化模型在變量松弛后由混合整數(shù)非線性規(guī)劃問題下降為非線性規(guī)劃問題，本發(fā)明基于matlab平臺，利用tomlab/snopt商業(yè)求解器對簡化后的非線性規(guī)劃問題進行求解，得到微型燃氣輪機的理想工作點

步驟3.14、微型燃氣輪機的理想工作點將進一步代入步驟4中，對其中取值在0到機組最小出力的實際不可行點進行修正。

在上述的一種氣電綜合能源配網(wǎng)系統(tǒng)的協(xié)調運行方法，所述步驟3.2的具體操作方法是采用少開機的運行策略，以保證燃氣輪機的高效性和經(jīng)濟性，具體是構建向量at，滿足當時，說明此時所有機組的理想輸出功率均大于其最小出力，所有機組開機。當時，存在某些機組的理想輸出功率不可行，因此需進一步判斷該類機組的運行狀態(tài)。一旦此類機組全部關機，判斷由此造成的電能功率缺額是否可分攤給其他機組。如果可以，則該類機組在此時刻全部關機；否則，在開機數(shù)量最小的原則下，按機組理想輸出功率從大到小依次開機。機組開關狀態(tài)判斷邏輯如(24)所示。

其中number(·)求向量元素個數(shù)，

在各微型燃氣輪機的啟停狀態(tài)確定后，原問題中所有變量為連續(xù)變量。在第二階段，已知燃氣輪機啟停的協(xié)調優(yōu)化模型為nlp問題，本文同樣采用tomlab/snopt進行二次求解，從而得到配電網(wǎng)、配氣網(wǎng)以及各cchp系統(tǒng)的運行狀態(tài)。

因此，本發(fā)明具有如下優(yōu)點：本發(fā)明通過在33節(jié)點配電網(wǎng)和24節(jié)點配氣網(wǎng)的綜合能源系統(tǒng)中進行的算例仿真分析，驗證了本發(fā)明所提出的方法在不同季節(jié)場景下均能在保證分布式新能源利用率的前提下，有效抑制聯(lián)絡線上的功率波動。。

附圖說明

圖1是本發(fā)明綜合能源配網(wǎng)系統(tǒng)中的能量流動關系。

圖2是本發(fā)明兩階段算法的示意圖。

圖3a是本發(fā)明算例中系統(tǒng)電網(wǎng)結構圖。

圖3b是本發(fā)明算例中系統(tǒng)氣網(wǎng)結構圖。圖4是本發(fā)明算例中電負荷和天然氣負荷的預測曲線圖。

圖5a是本發(fā)明算例中分布式風電的功率預測曲線圖。

圖5b是本發(fā)明算例中分布式光伏的功率預測曲線圖。圖6a是本發(fā)明算例中夏季電網(wǎng)交換功率。

圖6b是本發(fā)明算例中冬季電網(wǎng)交換功率。圖7a是本發(fā)明算例中微型燃氣輪機的出力條形圖(夏季微型燃氣輪機輸出功率)。

圖7b是本發(fā)明算例中微型燃氣輪機的出力條形圖(冬季微型燃氣輪機輸出功率)。

圖8a是本發(fā)明算例中氣網(wǎng)節(jié)點氣壓(夏季氣網(wǎng)節(jié)點氣壓圖)。

圖8b是本發(fā)明算例中氣網(wǎng)節(jié)點氣壓(冬季氣網(wǎng)節(jié)點氣壓)。

圖9a是本發(fā)明算例中電制冷機和吸收式制冷機的輸出功率。

圖9b是本發(fā)明算例中余熱鍋爐和輔助鍋爐的輸出功率。

具體實施方式

下面通過實施例，并結合附圖，對本發(fā)明的技術方案作進一步具體的說明。

實施例：

1、cchp系統(tǒng)外特性數(shù)學建模。

含cchp系統(tǒng)的綜合能源配網(wǎng)系統(tǒng)中的能量流動關系如圖1所示。cchp系統(tǒng)是整個能源互聯(lián)系統(tǒng)中的核心耦合設備，它將配電網(wǎng)、配氣網(wǎng)以及制冷/供熱系統(tǒng)緊密聯(lián)系在一起。

cchp系統(tǒng)由微型燃氣輪機、吸收式制冷機、余熱回收鍋爐、離心式制冷機、輔助鍋爐以及儲冷/熱水箱組成。微型燃氣輪機從氣網(wǎng)獲取天然氣能源進行發(fā)電，發(fā)出的電能供本地電負荷使用或注入電網(wǎng)。在夏季，一般熱負荷較小，cchp工作在ccp模式。微型燃氣輪機發(fā)電后排出的煙氣通入吸收式制冷機，吸收式制冷機利用殘留在高溫高壓煙氣中的能量制冷，同時當制冷功率不足時利用離心式制冷機進行補充。而在冬季，冷負荷較小，cchp工作在chp模式。煙氣中的能量會被余熱回收鍋爐重新利用制熱，同時輔助鍋爐可直接燃氣供熱，從而保證熱能供應的平衡。儲冷/熱水箱用于儲存冷/熱水，從而提高cchp系統(tǒng)制冷/供熱的靈活性。cchp系統(tǒng)各部件的建模過程如下所示：

(1)微型燃氣輪機建模。

微型燃氣輪機的耗氣流量與其電輸出功率直接相關，本文用函數(shù)來表示。同時微型燃氣輪機發(fā)電產(chǎn)生煙氣的流速eri,t和溫度eti,t也和其電輸出功率有關，用函數(shù)和來描述。

參考微型燃氣輪機的技術參數(shù)，采用二次函數(shù)擬合fgas，擬合優(yōu)度達到0.9998。擬合結果為：

(2)吸收式制冷機建模。

吸收式制冷機的制冷功率與微型燃氣輪機排出煙氣的流速和溫度有關。本文用函數(shù)來描述制冷功率和eri,t、eti,t之間的關系。因此微型燃氣輪機的輸出功率和制冷機的制冷功率之間的關系如式(1)所示。

由于eri,t、eti,t均與近似線性相關，而可近似等于一個關于eri,t的一次函數(shù)乘上一個關于eti,t的二次函數(shù)，因此采用三次函數(shù)擬合fcold。擬合結果為：

(3)余熱回收鍋爐建模。

燃氣輪機排出的煙氣中殘留的能量與其流量和溫度有關，本文用函數(shù)來描述。而煙氣的流量和溫度又和燃氣輪機的輸出功率有關。因此和之間的關系如(2)所示。

余熱回收鍋爐將煙氣中的能量重新利用，因此余熱回收鍋爐的產(chǎn)熱功率也與相關，如(3)所示。

其中ηre為余熱回收鍋爐的熱回收效率。

采用二次函數(shù)擬合余熱回收鍋爐產(chǎn)熱功率和燃氣輪機發(fā)電功率之間的關系。擬合結果為：

(4)電制冷解和輔助鍋爐建模。

當由吸收式制冷機和余熱回收鍋爐的制冷和供熱功率不足時，cchp系統(tǒng)將會使用電制冷機和輔助鍋爐來保證冷量和熱量的供需平衡。因此cchp系統(tǒng)總制冷功率和供熱功率如(4)和(5)所示。

其中，為電制冷機的制冷功率，為輔助鍋爐的凈產(chǎn)熱功率。為離心式制冷機的功率消耗，為輔助鍋爐的耗氣流量。cop為制冷機能效比。

(5)儲水箱建模。

儲水箱儲存未被及時使用的冷水和熱水，從而進一步保證了制冷/供熱系統(tǒng)的實時供需平衡，提高了cchp系統(tǒng)的能源利用效率。在ccp模式下采用式(7)描述水箱內的能量平衡，chp模式下則采用式(8)。式(9)用于保證在一天結束時水箱中儲存的能量等于起始值。

esi,start＝esi,end(9)

其中，esi,t為儲水罐中儲存的冷/熱水的能量；為用戶該時刻使用的冷/熱量。利用溫差方程來確定冷熱需求量，如(10)所示。

其中和分別為室內和室外溫度。ε為溫度慣性系數(shù)。a為導熱系數(shù)。

2、氣電綜合能源配網(wǎng)系統(tǒng)協(xié)調運行模型。

氣電綜合能源配網(wǎng)系統(tǒng)的協(xié)調運行優(yōu)化模型包括目標函數(shù)、電網(wǎng)約束以及氣網(wǎng)約束三個部分，在直角坐標系下考慮配電網(wǎng)的交流潮流計算，以及配氣網(wǎng)中的氣體水利計算。

2.1、目標函數(shù)。

本發(fā)明以綜合能源系統(tǒng)運行成本最低為目標。該系統(tǒng)的運行費用主要包括：1.向能源供應商支付的電費和天然氣費用；2.能源供應不平衡所帶來的經(jīng)濟損失；3.電網(wǎng)輔助調節(jié)分布式新能源功率波動的費用。因此，協(xié)調運行優(yōu)化模型的目標函數(shù)如下所示：

其中，為輸電網(wǎng)和配電網(wǎng)聯(lián)絡變壓器下網(wǎng)的有功功率；為輸入到配氣網(wǎng)的天然氣總量；和分別為失電負荷量和失氣負荷量；為聯(lián)絡線功率的波動量；ρele,t和ρgas,t分別為電價和天然氣價格；ρres為主網(wǎng)輔助調節(jié)功率波動的費用,其取值與主網(wǎng)的結構以及綜合能源系統(tǒng)中分布式新能源接入的滲透率相關；ρelecut和ρgascut為失電負荷和失氣負荷的經(jīng)濟代價。

2.2、配電網(wǎng)約束。

本文采用直角坐標系下的交流潮流模型進行計算，在含有新能源和cchp的綜合能源系統(tǒng)中，電網(wǎng)相關的約束包括(12)-(19)，其中i∈nc，t∈t。各cchp系統(tǒng)作為分布式電源，其輸出功率調整會改變配電網(wǎng)中的潮流分布及節(jié)點電壓。模型中的新能源和微型燃氣輪機均采用恒功率因數(shù)方式運行。

(12)和(13)為電網(wǎng)中各節(jié)點的潮流平衡等式。其中，為電網(wǎng)變壓器下網(wǎng)的無功功率；和分別cchp中燃氣輪機的有功和無功出力；和分別為新能源的有功和無功出力；和為各節(jié)點的有功和無功負荷；為切負荷量；和分別為電制冷機的有功功率和無功功率；gij和bij分別為導納矩陣的實部和虛部；ei,t和fj,t分別為節(jié)點電壓的實部和虛部。

(14)和(15)對配電網(wǎng)和主網(wǎng)聯(lián)絡線上的交換功率進行限制。其中，為變壓器容量；為聯(lián)絡線上功率波動的上限。

(16)和(17)為各cchp中微型燃氣輪機的出力上下限約束和爬坡約束。其中，ii,t為0-1變量，表示燃氣輪機的啟停狀態(tài)；和分別表示燃氣輪機的最小和最大出力；為燃氣輪機有功出力爬坡上限。

(18)為節(jié)點電壓約束。其中，和分別為節(jié)點電壓下限和上限。

(19)用于計算分布式新能源的實際出力情況。為新能源有功預測出力；為新能源棄置量；

2.3、配氣網(wǎng)約束。

本發(fā)明中采用的配氣網(wǎng)約束由(20)-(23)構成，其中i∈ng，t∈t。

(20)為氣體水利方程，用于描述節(jié)點氣壓和網(wǎng)絡氣流之間的關系，其中為管道中的天然氣流量；pi,t為節(jié)點的氣壓。λ為達桅擦因數(shù)，取0.033；z為氣體壓縮系數(shù)，在配氣網(wǎng)中取1；temp為氣體流動平均溫度系數(shù)；δh為節(jié)點間的海拔差；di,j為兩節(jié)點間的天然氣管道的直徑；li,j為天然氣管道的長度；c＝2g/zrtemp，其中g為重力加速度。

(21)為氣網(wǎng)中各節(jié)點的氣流量平衡等式。其中，為各節(jié)點的天然氣負荷氣流量。為cchp系統(tǒng)中微型燃氣輪機的用氣流量；為cchp系統(tǒng)中輔助鍋爐用氣流量。

(22)為氣網(wǎng)中各節(jié)點的壓力范圍約束。其中，和分別為節(jié)點氣壓下限和上限。

(23)用于描述燃氣輪機用氣量和其有功輸出功率的關系。

3、兩階段優(yōu)化算法。

(1)-(23)構成了綜合能源配網(wǎng)系統(tǒng)的協(xié)調運行優(yōu)化模型。該模型中出現(xiàn)了多處非線性項，除了傳統(tǒng)配電網(wǎng)和配氣網(wǎng)協(xié)調運行所考慮的交流潮流計算(12,13)以及氣體水利計算(20)外，還包括cchp系統(tǒng)的非線性多能耦合關系，如(1)-(5)所示的cchp發(fā)電功率與其耗氣流量和其制冷供熱功率之間的關系。同時，在含多個cchp的綜合能源系統(tǒng)中，需要考慮各機組之間的啟停配合，引入了0-1變量ii,t。因此該模型在數(shù)學上歸為混合整數(shù)非線性規(guī)劃問題(minlp)，是規(guī)劃領域中最難求解的問題之一，屬于np難問題。由于本發(fā)明重點討論功率波動問題，波動量的數(shù)學描述使得不同時刻的變量相互影響，因此該模型由各時間斷面獨立求解的靜態(tài)優(yōu)化問題轉變?yōu)槎鄷r間斷面耦合的動態(tài)優(yōu)化問題。由于需對各時間斷面的變量進行統(tǒng)一求解，變量維數(shù)大幅增加，對計算效率和內存形成挑戰(zhàn)。

為得到滿足實際工程需求的求解精度和速度。本發(fā)明采用一種兩階段優(yōu)化算法，將原優(yōu)化問題進行簡化，從而減低求解難度。本文模型中微型燃氣輪機的啟停變量ii,t是造成求解困難的重要原因。在第一階段中，本文松弛微型燃氣輪機的出力下限約束，假設其功率輸出可從0至連續(xù)變化。在此基礎上對上述模型進行求解，得到微型燃氣輪機的理想工作點在該假設的前提下，第一階段的優(yōu)化問題中不再包含0-1變量，模型被簡化為非線性規(guī)劃問題(nlp)。一般研究采用智能算法求解nlp，但智能算法對初始參數(shù)設置敏感，無法保證求解穩(wěn)定性。因此，本發(fā)明采用成熟的商業(yè)軟件tomlab/snopt進行求解，該軟件采用稀疏矩陣存儲計算和高效算法，較已有的智能算法，其求解過程更加穩(wěn)定，可求得近似最優(yōu)解。

根據(jù)微型燃氣輪機參數(shù)擬合的結果可知，其耗氣量與電能輸出功率之間呈二次函數(shù)關系，發(fā)電效率會隨著電能輸出功率的上升而提高。結合第一階段求得的微型燃氣輪機理想工作點本方法采用少開機的運行策略，以保證燃氣輪機的高效性和經(jīng)濟性。

構建向量at，滿足當時，說明此時所有機組的理想輸出功率均大于其最小出力，所有機組開機。當時，存在某些機組的理想輸出功率不可行，因此需進一步判斷該類機組的運行狀態(tài)。一旦此類機組全部關機，判斷由此造成的電能功率缺額是否可分攤給其他機組。如果可以，則該類機組在此時刻全部關機；否則，在開機數(shù)量最小的原則下，按機組理想輸出功率從大到小依次開機。機組開關狀態(tài)判斷邏輯如(24)所示。

其中number(·)求向量元素個數(shù)，

在各微型燃氣輪機的啟停狀態(tài)確定后，原問題中所有變量為連續(xù)變量。在第二階段，已知燃氣輪機啟停的協(xié)調優(yōu)化模型為nlp問題，本文同樣采用tomlab/snopt進行二次求解，從而得到配電網(wǎng)、配氣網(wǎng)以及各cchp系統(tǒng)的運行狀態(tài)。兩階段算法的示意圖如圖2所示。

4、算例分析。

為證明本發(fā)明提出的運行策略能有效平抑配電網(wǎng)聯(lián)絡線上的功率波動，采用兩種不同的運行策略對綜合能源系統(tǒng)的電網(wǎng)、氣網(wǎng)以及各cchp的運行情況進行仿真分析，兩種運行方法分別在夏季工況和冬季工況下對比。兩種運行策略如下：

scheme1：采用本發(fā)明提出的氣電協(xié)調運行策略

scheme2：采用目前實際配電網(wǎng)和配氣網(wǎng)的運行策略，即兩套系統(tǒng)獨立運行。cchp系統(tǒng)跟蹤電價的變化情況，不考慮電網(wǎng)和氣網(wǎng)的狀態(tài)。

4.1、仿真系統(tǒng)介紹。

本發(fā)明采用改進的ieee33節(jié)點配電網(wǎng)和24節(jié)點配氣網(wǎng)模型進行仿真分析。其中，如圖3所示。假設系統(tǒng)中所有節(jié)點的海拔高度相同。配電網(wǎng)模型中，取0號節(jié)點為平衡節(jié)點。4個cchp系統(tǒng)接入點分別為7、12、15、24號節(jié)點，風電和光伏接入點分別為14和30號節(jié)點。配氣網(wǎng)模型包括23個用氣負荷點，1號節(jié)點為天然氣注入點。圖3中黑色和灰色的線路分別為dn100和dn50型號的天然氣管道，在配氣網(wǎng)中不考慮壓縮機和閥門，且氣壓范圍應在0.2mpa到0.4mpa之間。cchp的接入位置對應在配氣網(wǎng)中的第3、4、7、22節(jié)點。冬夏兩季的電負荷和天然氣負荷的大小，如圖4所示，其中天然氣負荷的單位根據(jù)其熱值換算為mw。風電和光伏電站裝機容量都為0.8mw，功率因數(shù)取0.85，其預測數(shù)據(jù)源自中國某風電場和某光伏電站的實際數(shù)據(jù)，如圖5所示。仿真采用分時電價，從9：00到21：00電價為0.1$/kwh，其他時刻電價為0.07$/kwh，主網(wǎng)功率調節(jié)費用為0.04$/kwh。天然氣價格為0.0425$/m3。切電負荷的懲罰價格設置為3.5$/kwh。協(xié)調運行模型以一天24小時為時間周期，并以15分鐘為步長計算。

系統(tǒng)中的4個cchp系統(tǒng)為相同的規(guī)格，其中微型燃氣輪機為capstonec200lp型號機組。cchp系統(tǒng)中的離心式制冷機的能效取3.08，采用恒功率因數(shù)運行模式，此處取功率因數(shù)為0.8。余熱回收鍋爐的熱能回收效率為0.8，輔助鍋爐的產(chǎn)熱效率為0.9，儲水箱的容積為400l。冷水的儲存溫度為39.2℉，熱水為176℉，水的比熱容取4.2×10³j/(kg·℃)。

4.1、仿真結果分析。

圖6對比了scheme1和scheme2中配電網(wǎng)聯(lián)絡線交換功率的波動情況。scheme2由于配電網(wǎng)中的新能源具有波動性，而系統(tǒng)內的cchp系統(tǒng)出力沒有根據(jù)新能源的波動而調節(jié)，所以功率的波動通過聯(lián)絡線傳遞給了主網(wǎng)。scheme1因為采用了本文提出的協(xié)調運行策略，在配網(wǎng)中將部分的新能源波動性進行了轉移，從而使得電網(wǎng)交換功率的波動被抑制在0.025mw/15min以內。

cchp系統(tǒng)中微型燃氣輪機的輸出功率如圖7所示，在scheme2中燃氣輪機的出力情況主要由該時刻的能源價格以及冷/熱需求量決定。這種運行策略使得c200機組的功率快速調節(jié)能力沒有被充分利用。而在scheme1中燃氣輪機的出力根據(jù)新能源的功率輸出而調整。

用氣量的波動會導致配氣網(wǎng)中各節(jié)點的氣壓出現(xiàn)改變，配氣網(wǎng)末端節(jié)點的氣壓為系統(tǒng)中氣壓的薄弱點，所以重點考察配氣網(wǎng)中的第11和第24節(jié)點的氣壓是否低于氣壓下限，如圖8所示。在夏季，scheme1和scheme2中的節(jié)點氣壓均在0.2mpa到0.4mpa之間，滿足配氣網(wǎng)運行的要求。采用本發(fā)明的運行策略會使得氣網(wǎng)中氣壓的波動性增大，但在夏季天然氣基本負荷較小，氣壓的波動不會影響到配氣網(wǎng)的安全運行。在冬季，由于基礎氣流量的增大，天然氣管網(wǎng)末端的氣壓處于較低水平，接近節(jié)點氣壓的下限。采用scheme2時，由于cchp系統(tǒng)的運行未考慮到天然氣網(wǎng)絡的約束，所以在氣壓處于臨界位置時依然給cchp系統(tǒng)分配了較大用氣量，最終使得氣壓在19:00到21:00時出現(xiàn)越限。在實際的天然氣調度過程中，操作員會切除部分用于發(fā)電的天然氣負荷來保證配氣網(wǎng)的穩(wěn)定，這就導致電網(wǎng)出現(xiàn)功率缺額。而在scheme1中，采用協(xié)調運行策略，各系統(tǒng)之間可進行互補，從而避免了切負荷事件。

圖9對比了兩種運行策略下，電制冷機和輔助鍋爐的工作情況。由于一部分新能源的波動性轉移到了制冷/供熱系統(tǒng)中，scheme1中電制冷機和輔助鍋爐需及時調整其輸出功率，從而保證了系統(tǒng)的冷/熱負荷平衡。

針對含新能源配電網(wǎng)的聯(lián)絡線交換功率波動問題，本發(fā)明在含cchp系統(tǒng)的綜合能源配網(wǎng)系統(tǒng)中提出了一種配電網(wǎng)和配氣網(wǎng)的協(xié)調優(yōu)化運行策略。通過對cchp系統(tǒng)的運行進行聯(lián)合優(yōu)化，將配電網(wǎng)中新能源輸出功率的波動性轉移到了配氣網(wǎng)和冷/熱供應系統(tǒng)中，實現(xiàn)了多種能源形式的相互調節(jié)。仿真計算證明采用該方法可在保證系統(tǒng)新能源消納的前提下，有效平抑配電網(wǎng)聯(lián)絡線上的功率波動。

本文中所描述的具體實施例僅僅是對本發(fā)明精神作舉例說明。本發(fā)明所屬技術領域的技術人員可以對所描述的具體實施例做各種各樣的修改或補充或采用類似的方式替代，但并不會偏離本發(fā)明的精神或者超越所附權利要求書所定義的范圍。