計(jì)及新能源出力不確定性的電氣設(shè)備綜合能源系統(tǒng)協(xié)同優(yōu)化（Matlab代碼實(shí)現(xiàn)）

發(fā)布時(shí)間：2023-06-14 16:12:59

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運(yùn)行視頻及運(yùn)行結(jié)果：

計(jì)及碳排放成本的電-氣-熱綜合能源系紛充節(jié)點(diǎn)能價(jià)計(jì)算方法研究（Matlab代碼實(shí)現(xiàn)）_嗶哩嗶哩_bilibili

計(jì)及碳排放成本的電-氣-熱綜合能源系紛充節(jié)點(diǎn)能價(jià)計(jì)算方法研究（Matlab代碼實(shí)現(xiàn)）

第一部分文獻(xiàn)一《計(jì)及新能源出力不確定性的電氣設(shè)備綜合能源系統(tǒng)協(xié)同優(yōu)化》

0 引言

１新能源出力不確定性處理

1.1 新能源出力預(yù)測(cè)誤差分布

1.2 新能源出力的時(shí)間相關(guān)性

1.3 場(chǎng)景生成

２計(jì)及溫控負(fù)荷調(diào)節(jié)能力的電氣綜合能源系統(tǒng)協(xié)同優(yōu)化建模

2.2.1 氣網(wǎng)管道氣流非線性約束

３混合整數(shù)非線性模型的轉(zhuǎn)化

3.1氣網(wǎng)管道氣流非線性約束

第二部分電-氣-熱綜合能源系統(tǒng)子系統(tǒng)建模

2.1 引言

2.2 電力子系統(tǒng)建模

2.3 天然氣系統(tǒng)

2.3.1 天然氣子系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)模型構(gòu)建

2.3.2天然氣管道流量方程線性化

2.3.3 天然氣管道模型

2.4 熱力子系統(tǒng)模型

2.4.1 熱源模型

2.4.2 熱網(wǎng)模型

2.4.3 熱負(fù)荷模型

2.4.4 復(fù)雜的管道流量損失轉(zhuǎn)化

第三部分計(jì)及碳排放成本的綜合能源系統(tǒng)最優(yōu)多能流求解

3.1 引言

3.2 綜合能源系統(tǒng)耦合元件建模

3.3 電-氣-熱綜合能源最優(yōu)多能流模型

3.3.1 目標(biāo)函數(shù)

3.3.2 約束條件

3.3.3 求解方法

3.4 算例分析

3.4.1 PJM-5節(jié)點(diǎn)電力系統(tǒng)-7節(jié)點(diǎn)天然氣系統(tǒng)-6節(jié)點(diǎn)熱力系統(tǒng)算例

3.4.2 IEEE-39節(jié)點(diǎn)電力系統(tǒng)-比利時(shí)20節(jié)點(diǎn)天然氣系統(tǒng)-6節(jié)點(diǎn)熱力系統(tǒng)算例

第五部分 Matlab代碼、數(shù)據(jù)、文章講解

第一部分文獻(xiàn)一《計(jì)及新能源出力不確定性的電氣設(shè)備綜合能源系統(tǒng)協(xié)同優(yōu)化》

0 引言

電氣綜合能源系統(tǒng)是通過(guò)配電網(wǎng)、天然氣網(wǎng)、風(fēng)機(jī)、光伏和冷熱電聯(lián)產(chǎn)(CCHP)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)多

種能源的互補(bǔ)梯級(jí)利用的一種系統(tǒng)。

１新能源出力不確定性處理

新能源出力的不確定性主要是指出力的預(yù)測(cè)誤差。為了對(duì)其進(jìn)行刻畫，以此提高日前調(diào)度精準(zhǔn)度，

本文首先采用預(yù)測(cè)箱對(duì)歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，以對(duì)預(yù)測(cè)誤差分布進(jìn)行建模。然后通過(guò)遞歸估計(jì)協(xié)方差矩陣刻畫風(fēng)電和光伏的時(shí)間相關(guān)性。最后生成新能源可能出力的場(chǎng)景，并對(duì)多場(chǎng)景進(jìn)行削減以降低求解難度。

1.1 新能源出力預(yù)測(cè)誤差分布

1.2 新能源出力的時(shí)間相關(guān)性

1.3 場(chǎng)景生成

２計(jì)及溫控負(fù)荷調(diào)節(jié)能力的電氣綜合能源系統(tǒng)協(xié)同優(yōu)化建模

2.2.1 氣網(wǎng)管道氣流非線性約束

由于天然氣流量方程是非線性的，因此要對(duì)其進(jìn)行線性化處理。對(duì)方程進(jìn)行變形之后進(jìn)行分段線性化。

３混合整數(shù)非線性模型的轉(zhuǎn)化

第⒉部分建立的電氣綜合能源系統(tǒng)協(xié)同優(yōu)化模型為混合整數(shù)非線性規(guī)劃(MINLP)問題﹐其具
有NP-hard的特性。求解MINLP問題的難點(diǎn)主要為:

①難以判斷得到的解為全局最優(yōu)解﹔2決策變量包括整數(shù)變量與連續(xù)變量;3問題的非線性。求
解MINLP問題的算法有:智能算法、互補(bǔ)法、分支定界算法、Benders分解算法﹑模型轉(zhuǎn)化算法[22]等。模型轉(zhuǎn)化算法的一種思路是將MINLP問題通過(guò)線性化處理轉(zhuǎn)化為混合整數(shù)二階錐規(guī)劃問題或二階錐線性規(guī)劃問題,再調(diào)用成熟的商業(yè)求解器對(duì)問題進(jìn)行求解。該算法相比其他算法具有能在解決離散變量的同時(shí),在較短時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)求取全局最優(yōu)解的優(yōu)勢(shì)。因此,本文采用分段線性化以及二階錐松弛對(duì)模型的非線性部分進(jìn)行線性化處理。

模型含有六部分非線性項(xiàng),分別為管道氣流Weymouth 等式,CCHP三個(gè)非線性約束,以及電網(wǎng)潮流的兩個(gè)非線性約束。

由于天然氣流量方程是非線性的，因此要對(duì)其進(jìn)行線性化處理。對(duì)方程進(jìn)行變形之后進(jìn)行分段線性化。

3.1氣網(wǎng)管道氣流非線性約束

分段m=50（管道流量方向的前提下）；如果不知道流量的 m=100，在一、三象限各50。

（文獻(xiàn)cajP18-P19也有weymouth方程的分段線性化處理，方法一樣。）

第二部分電-氣-熱綜合能源系統(tǒng)子系統(tǒng)建模

2.1 引言

2.2 電力子系統(tǒng)建模

綜合能源系統(tǒng)中的電力子系統(tǒng)常采用交流潮流模型，其模型如式(2-1)所示。

式中，P、Q分別為節(jié)點(diǎn)的有功功率和無(wú)功功率;Y表示電力子系統(tǒng)的節(jié)點(diǎn)導(dǎo)納矩陣;U為節(jié)點(diǎn)電壓向量。為降低求解難度和后續(xù)研究需要，電力子系統(tǒng)模型采用線性模型，即直流潮流模型，不考慮電力子系統(tǒng)中的無(wú)功功率和電壓。直流潮流方程可表示如下:

式中，fll表示線路l上，從m點(diǎn)流向n點(diǎn)的功率;B為線路l的電納參數(shù);

分別為線路l兩端節(jié)點(diǎn)m和n的電壓相角。為了保證電力子系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行電力子系統(tǒng)需滿足一定的約束條件，包括發(fā)電機(jī)出力約束、機(jī)組爬坡約束、支路潮流約束和節(jié)點(diǎn)功率平衡約束，具體表達(dá)如下:

2.3 天然氣系統(tǒng)

2.3.1 天然氣子系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)模型構(gòu)建

天然氣子系統(tǒng)主要由天然氣源、天然氣管道、壓縮機(jī)和天然氣負(fù)荷組成，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖2-2所示。

天然氣子系統(tǒng)的建模包括系統(tǒng)中各個(gè)元件的建模和天然氣管道流量的建模，其建模方
法可類比于電力子系統(tǒng)中各元件和線路潮流的建模方法，該類比關(guān)系如表2-1所示。

?編輯天然氣在管道傳輸中會(huì)受到溫度、流速、管道摩擦力等因素的影響，這些因素導(dǎo)致了節(jié)點(diǎn)氣壓和管道流量的變化。為減少計(jì)算量，綜合能源系統(tǒng)中天然氣子系統(tǒng)通常采用穩(wěn)態(tài)模型，忽略上述因素對(duì)節(jié)點(diǎn)氣壓和管道流量的影響。

1)天然氣源

?編輯

2)節(jié)點(diǎn)氣壓約束

3)天然氣管道流量

天然氣管道流量與管道的直徑、溫度、壓力等多種因素有關(guān)，且呈非線性關(guān)系。描述天然氣管道流量方程的公式有多種，包括美國(guó)燃?xì)鈪f(xié)會(huì)公式、Colebrook-White 公式、Panhandle A公式、Weymouth 公式等。本章采用Weymouth穩(wěn)態(tài)模型[23l來(lái)描述天然氣管道流量，即流量?jī)H與管道兩端的壓力有關(guān),且由壓力高的節(jié)點(diǎn)流向壓力低的節(jié)點(diǎn)。以圖2-2中管道k-n為例，流過(guò)該管道的天然氣流量與節(jié)點(diǎn)氣壓的具體表達(dá)式為:

4）壓縮機(jī)

由于天然氣在傳輸過(guò)程中受到自身材料和外界因素的影響，會(huì)產(chǎn)生壓力下降。為了使節(jié)點(diǎn)氣壓維持在正常水平，同時(shí)也減少天然氣管道在燃?xì)庳?fù)荷高峰時(shí)出現(xiàn)輸氣阻塞的幾率，需在天然氣管道沿線安置壓縮機(jī)。常見的壓縮機(jī)通常分為燃?xì)鈮嚎s機(jī)和電壓縮機(jī)[24]兩類。由于壓縮機(jī)所消耗的能量(電能或天然氣)較少，本文為簡(jiǎn)化計(jì)算，僅保留壓縮機(jī)兩端的節(jié)點(diǎn)氣壓關(guān)系，不考慮壓縮機(jī)消耗的能量。具體表達(dá)式如下:

（壓縮比取值1.5）

5)節(jié)點(diǎn)流量平衡方程

2.3.2天然氣管道流量方程線性化

為了降低天然氣子系統(tǒng)模型的求解難度，同時(shí)也降低電力子系統(tǒng)和天然氣子系統(tǒng)耦合的復(fù)雜度，本節(jié)通過(guò)分段線性化的方法對(duì)非線性的天然氣管道流量方程進(jìn)行線性化處理，進(jìn)而將現(xiàn)有天然氣子系統(tǒng)模型轉(zhuǎn)化為混合整數(shù)線性規(guī)劃模型。

上述分段線性化過(guò)程是在直角坐標(biāo)系的第一象限內(nèi)進(jìn)行的，在管道中天然氣流向可定的前提下，上述分析方法適用于任何節(jié)點(diǎn)的天然氣系統(tǒng)。而在某些天然氣系統(tǒng)中，如比利時(shí)20節(jié)點(diǎn)天然氣系統(tǒng)，當(dāng)管道中天然氣正負(fù)流向不能確定時(shí)，該分段線性化方法將不再適用。因此，為了得到適用性更高的分段線性函數(shù)，將上述分段線性化過(guò)程改為在第一、三象限內(nèi)進(jìn)行，即將線性分段數(shù)N=100平均在第一和第三象限內(nèi)各取50段，其他分析過(guò)程相同，以保證管道中的天然氣在正負(fù)流向時(shí)均適用。改進(jìn)的分段線性化示意圖如圖2-4所示。

2.3.3 天然氣管道模型

模型含有六部分非線性項(xiàng),分別為管道氣流Weymouth 等式,CCHP三個(gè)非線性約束,以及電網(wǎng)潮流的兩個(gè)非線性約束。

由于然氣流量方程是非線性的，因此要對(duì)其進(jìn)行線性化處理。對(duì)方程進(jìn)行變形之后進(jìn)行分段線性化。

分段m=50（管道流量方向的前提下）；如果不知道流量的 m=100，在一、三象限各50。

（文獻(xiàn)cajP18-P19也有weymouth方程的分段線性化處理，方法一樣。）

2.4 熱力子系統(tǒng)模型

熱力子系統(tǒng)主要由熱源、熱網(wǎng)和熱負(fù)荷組成，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖2-5所示。其中，熱網(wǎng)是由拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)完全相同的供水網(wǎng)絡(luò)和回水網(wǎng)絡(luò)組成的，通過(guò)熱媒(熱水或熱汽，本章中設(shè)定熱媒為熱水)在管網(wǎng)中的流動(dòng)，熱網(wǎng)將熱源產(chǎn)生的熱量傳送到各個(gè)熱負(fù)荷。圖2-5中，1表示熱源，2表示熱負(fù)荷，實(shí)線表示供水系統(tǒng)，虛線表示回水系統(tǒng)。下面對(duì)熱力子系統(tǒng)的各個(gè)組成部分進(jìn)行詳細(xì)建模。

2.4.1 熱源模型

常見的熱源包括熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組(combined heat and power,CHP)、電鍋爐(electric boiler,EB)等。

(1)CHP機(jī)組模型

CHP機(jī)組的效率以及容量與爬坡限制如下圖所示（來(lái)自其他文獻(xiàn)，只用效率即可）：

0.35 50 0 1.5

CHP機(jī)組輸出的電功率。CHP機(jī)組余熱鍋爐產(chǎn)生的熱功率

= 2.58（2.58是個(gè)經(jīng)驗(yàn)數(shù)值）

天然氣低熱值

?編輯為9.7kwh/m3；Cng是天然氣價(jià)格單位：美元/m3，天然氣燃料費(fèi)用如下：

燃?xì)廨啓C(jī)的天然氣消耗量：

(2)電鍋爐模型(EB)

本文效率取0.85 。

2.4.2 熱網(wǎng)模型

2.4.3 熱負(fù)荷模型

2.4.4 復(fù)雜的管道流量損失轉(zhuǎn)化

第三部分計(jì)及碳排放成本的綜合能源系統(tǒng)最優(yōu)多能流求解

3.1 引言

3.2 綜合能源系統(tǒng)耦合元件建模

電力子系統(tǒng)和天然氣子系統(tǒng)通過(guò)燃?xì)獍l(fā)電機(jī)相互耦合，燃?xì)獍l(fā)電機(jī)具有爬坡快、啟停靈活等特點(diǎn)。與常規(guī)燃煤發(fā)電機(jī)組不同，燃?xì)獍l(fā)電機(jī)消耗天然氣，發(fā)出電功率。在電力子系統(tǒng)中，燃?xì)獍l(fā)電機(jī)作為電源出現(xiàn)，在天然氣子系統(tǒng)中則作為負(fù)荷出現(xiàn)。一般情況下，燃?xì)獍l(fā)電機(jī)發(fā)出的電功率僅考慮有功功率，而與無(wú)功功率無(wú)關(guān)。燃?xì)獍l(fā)電機(jī)消耗的天然氣與發(fā)出的有功功率有如下關(guān)系:

式中，Hg表示燃?xì)獍l(fā)電機(jī)消耗的天然氣量; ag表示燃?xì)獍l(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)化系數(shù);Pgas表示燃?xì)獍l(fā)電機(jī)發(fā)出的有功功率。

典型CHP機(jī)組的燃燒渦輪機(jī)通過(guò)燃燒天然氣、石油或沼氣發(fā)電，并使用熱回收裝置從渦輪機(jī)中捕獲熱量。為了加強(qiáng)電力、天然氣和熱力之間的耦合效果，本章算例中將熱力子系統(tǒng)中的CHP機(jī)組設(shè)為燃?xì)釩HP機(jī)組，將電、氣、熱三種能源通過(guò)燃?xì)?CHP機(jī)組進(jìn)行耦合。與燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組相同，燃?xì)釩HP機(jī)組消耗天然氣，發(fā)出有功功率，兩者間的轉(zhuǎn)化關(guān)系與也為

3.3 電-氣-熱綜合能源最優(yōu)多能流模型

為了實(shí)現(xiàn)綜合能源系統(tǒng)的低碳經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，本節(jié)構(gòu)建了計(jì)及碳排放成本的綜合能源系統(tǒng)多時(shí)段最優(yōu)多能流線性求解模型，該模型以最小化綜合能源系統(tǒng)總運(yùn)行成本和碳排放成本為目標(biāo)函數(shù)，其總運(yùn)行成本包括燃煤發(fā)電機(jī)組、燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組、CHP機(jī)組的運(yùn)行成本和天然氣源的出力成本。同時(shí)，由于不同的發(fā)電機(jī)組消耗的燃料不同，發(fā)出每單位電功率排放的二氧化碳量也是不同的。本節(jié)使用碳排放系數(shù)來(lái)計(jì)算不同發(fā)電機(jī)組的碳排放量，并通過(guò)碳稅(carbon tax)計(jì)算綜合能源系統(tǒng)碳排放成本。

3.3.1 目標(biāo)函數(shù)

3.3.2 約束條件

本節(jié)建立的綜合能源系統(tǒng)最優(yōu)多能流優(yōu)化調(diào)度模型除需要滿足第2章中提到的電力子系統(tǒng)、天然氣子系統(tǒng)和熱力子系統(tǒng)的基本等式約束和不等式約束條件之外，同時(shí)還需要滿足耦合環(huán)節(jié)約束條件。此外，還需要滿足電、氣、熱能量平衡約束。

3.3.3 求解方法

本文第2章中對(duì)天然氣管道流量方程進(jìn)行了線性化處理，將綜合能源系統(tǒng)模型轉(zhuǎn)化為混合整數(shù)線性規(guī)劃模型。針對(duì)本章構(gòu)建的綜合能源系統(tǒng)優(yōu)化模型，選用分支定界法進(jìn)行求解，并通過(guò)GAMS軟件調(diào)用Cplex求解器對(duì)本章所構(gòu)建的模型進(jìn)行統(tǒng)一求解。

3.4 算例分析

3.4.1 PJM-5節(jié)點(diǎn)電力系統(tǒng)-7節(jié)點(diǎn)天然氣系統(tǒng)-6節(jié)點(diǎn)熱力系統(tǒng)算例

本節(jié)對(duì) PJM-5節(jié)點(diǎn)電力系統(tǒng)、7節(jié)點(diǎn)天然氣系統(tǒng)和6節(jié)點(diǎn)熱力系統(tǒng)耦合而成的綜合能源系統(tǒng)進(jìn)行研究。耦合而成的電-氣-熱綜合能源系統(tǒng)示意圖如圖3-1所示。

在該算例中，將PJM-5節(jié)點(diǎn)電力系統(tǒng)中的1節(jié)點(diǎn)的兩臺(tái)發(fā)電機(jī)均設(shè)為燃?xì)獍l(fā)電機(jī)，所消耗的天然氣分別由7節(jié)點(diǎn)天然氣系統(tǒng)的節(jié)點(diǎn)1和節(jié)點(diǎn)3提供;5節(jié)點(diǎn)處的發(fā)電機(jī)設(shè)置為CHP機(jī)組，該CHP機(jī)組同時(shí)作為熱源連接在6節(jié)點(diǎn)熱力系統(tǒng)的節(jié)點(diǎn)1處。7節(jié)點(diǎn)天然氣系統(tǒng)包含2個(gè)氣源和3個(gè)天然氣負(fù)荷。熱力系統(tǒng)中的熱源包括兩臺(tái)CHP機(jī)組和一臺(tái)電鍋爐，電鍋爐所消耗的電功率由CHP機(jī)組提供。將兩臺(tái)CHP機(jī)組均設(shè)為燃?xì)鈾C(jī)組，所消耗的天然氣由天然氣系統(tǒng)的節(jié)點(diǎn)2提供。電力子系統(tǒng)、天然氣子系統(tǒng)和熱力子系統(tǒng)的詳細(xì)網(wǎng)絡(luò)參數(shù)見附錄A，其中熱力子系統(tǒng)的參數(shù)參照文獻(xiàn)[37]。

3.4.2 IEEE-39節(jié)點(diǎn)電力系統(tǒng)-比利時(shí)20節(jié)點(diǎn)天然氣系統(tǒng)-6節(jié)點(diǎn)熱力系統(tǒng)算例

由P.JM-5節(jié)點(diǎn)電力系統(tǒng)、7節(jié)點(diǎn)天然氣系統(tǒng)和6節(jié)點(diǎn)熱力系統(tǒng)耦合而成的綜合能源系統(tǒng)已經(jīng)證明了所提模型在降低碳排放和降低總成本上的準(zhǔn)確性和有效性。本節(jié)繼續(xù)對(duì)由IEEE-39節(jié)點(diǎn)電力系統(tǒng)、比利時(shí)20節(jié)點(diǎn)天然氣系統(tǒng)和6節(jié)點(diǎn)熱力系統(tǒng)耦合而成的綜合能源系統(tǒng)進(jìn)行研究，耦合而成的電-氣-熱綜合能源系統(tǒng)示意圖如圖3-5所示。

該算例將IEEE-39節(jié)點(diǎn)電力系統(tǒng)中的33、37節(jié)點(diǎn)的兩臺(tái)發(fā)電機(jī)均設(shè)為燃?xì)獍l(fā)電機(jī)，所消耗的天然氣分別由比利時(shí)20節(jié)點(diǎn)天然氣系統(tǒng)的節(jié)點(diǎn)6和節(jié)點(diǎn)19提供;30 節(jié)點(diǎn)處的發(fā)電機(jī)設(shè)置為CHP機(jī)組，該CHP機(jī)組同時(shí)作為熱源連接在6節(jié)點(diǎn)熱力系統(tǒng)的節(jié)點(diǎn)1處。比利時(shí)20節(jié)點(diǎn)天然氣系統(tǒng)包含6個(gè)氣源和9個(gè)天然氣負(fù)荷。6節(jié)點(diǎn)熱力系統(tǒng)中的熱源包括一臺(tái)CHP機(jī)組和一臺(tái)電鍋爐，電鍋爐所消耗的電功率由CHP機(jī)組提供。為了增加電、氣、熱之間的耦合強(qiáng)度，將CHP機(jī)組設(shè)為燃?xì)鈾C(jī)組，所消耗的天然氣由天然氣系統(tǒng)的節(jié)點(diǎn)3提供。IEEE-39節(jié)點(diǎn)電力子系統(tǒng)數(shù)據(jù)取自MATPOWER工具包中的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)，天然氣子系統(tǒng)詳細(xì)網(wǎng)絡(luò)參數(shù)見附錄B，熱力子系統(tǒng)數(shù)據(jù)與上一節(jié)相同。

(1)電力數(shù)據(jù)

（二階錐模型，數(shù)據(jù)與matpower39節(jié)點(diǎn)相同，其中2臺(tái)發(fā)電機(jī)改成燃?xì)獍l(fā)電機(jī)）

總共10臺(tái)發(fā)電機(jī)組，總裝機(jī)容量6967MW，總電力負(fù)荷5941.5MW。

電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)33	燃?xì)廨啓C(jī)	氣網(wǎng)節(jié)點(diǎn)6供氣
電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)37	燃?xì)廨啓C(jī)	氣網(wǎng)節(jié)點(diǎn)19供氣
電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)30	CHP機(jī)組	氣網(wǎng)節(jié)點(diǎn)3供氣	是熱網(wǎng)節(jié)點(diǎn)1的熱源
其余7個(gè)電源節(jié)點(diǎn)	燃煤機(jī)組

IEEE-39節(jié)點(diǎn)電力系統(tǒng)包含10臺(tái)發(fā)電機(jī)組，總裝機(jī)容量為6967MW，總電力負(fù)荷為5941.5MW。燃煤機(jī)組和燃?xì)鈾C(jī)組的發(fā)電成本系數(shù)如表3-5所示。