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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，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)化完善電網建設。隨著“能源互聯(lián)網（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)布的生產情況指出，2020年生產天然氣1888億m3，連續(xù)四年增產100億m3。隨著近年來電轉氣（Power to Gas, P2G）技術的發(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注。

電-氣互聯(lián)系統(tǒng)包含電力網絡、天然氣網絡與使其相互轉換的能量轉換裝置，如燃氣輪機、電轉氣裝置等，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)由電力網絡與天然氣網絡通過燃氣輪機與電轉氣設備耦合形成，火電機組、風電機組與燃氣輪機向電力網絡供應電能。當系統(tǒng)中電能過多以及風電充足電力網絡無法消納時，可通過電轉氣設備轉換為天然氣輸送至天然氣網絡。

圖1 電-氣互聯(lián)系統(tǒng)基本結構

華北電力大學電氣與電子工程學院的研究人員指出，現(xiàn)階段我國電力網絡與天然氣網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經濟性，未來可能的方向是政府從經濟性、環(huán)境效益等角度出發(fā)，打破電網與天然氣網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)一調度機構將兩個網絡看作整體進行優(yōu)化，根據電力網絡與天然氣網絡的數(shù)據信息構建優(yōu)化目標，形成調度指令，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)化調度不能僅局限于經濟目標，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，電力網絡約束、天然氣網絡約束與耦合約束作為約束條件，構建了一個考慮風電接入，以燃氣輪機、電轉氣設備耦合的電-氣互聯(lián)系統(tǒng)安全約束四目標優(yōu)化調度模型。

圖2 電-氣互聯(lián)系統(tǒng)結構

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）結合的方法求解四目標優(yōu)化調度模型，得到一系列均勻分布的Pareto前沿集，根據熵權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，采用熵權雙基點法確定的折中最優(yōu)解綜合考慮了調度人員主觀意愿與不同解各自熵權值，能夠為調度人員的決策提供依據；3）通過該模型與求解算法得出的最優(yōu)方案能夠實現(xiàn)電轉氣與燃氣輪機的靈活調度，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，電轉氣與燃氣輪機的靈活調度對促進電-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。