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近年來(lái)，為緩解能源短缺與環(huán)境污染等問(wèn)題，可再生能源的大量并網(wǎng)已成為發(fā)展趨勢(shì)，但因可再生能源無(wú)法消納而導(dǎo)致的棄風(fēng)、棄光問(wèn)題尚待解決。2021年全國(guó)能源工作會(huì)議強(qiáng)調(diào)，要加快風(fēng)電光伏發(fā)展，大力提升新能源消納和儲(chǔ)存能力，進(jìn)一步優(yōu)化完善電網(wǎng)建設(shè)。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(bǔ)提高清潔能源消納與推動(dòng)能源體系轉(zhuǎn)型升級(jí)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(jì)效益與環(huán)境效益使其地位突出。國(guó)家統(tǒng)計(jì)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(lái)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(bǔ)的新模式，受到專(zhuān)家學(xué)者的廣泛關(guān)注。

電-氣互聯(lián)系統(tǒng)包含電力網(wǎng)絡(luò)、天然氣網(wǎng)絡(luò)與使其相互轉(zhuǎn)換的能量轉(zhuǎn)換裝置，如燃?xì)廨啓C(jī)、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(yùn)行效率。如圖1所示，電-氣互聯(lián)系統(tǒng)由電力網(wǎng)絡(luò)與天然氣網(wǎng)絡(luò)通過(guò)燃?xì)廨啓C(jī)與電轉(zhuǎn)氣設(shè)備耦合形成，火電機(jī)組、風(fēng)電機(jī)組與燃?xì)廨啓C(jī)向電力網(wǎng)絡(luò)供應(yīng)電能。當(dāng)系統(tǒng)中電能過(guò)多以及風(fēng)電充足電力網(wǎng)絡(luò)無(wú)法消納時(shí)，可通過(guò)電轉(zhuǎn)氣設(shè)備轉(zhuǎn)換為天然氣輸送至天然氣網(wǎng)絡(luò)。

圖1 電-氣互聯(lián)系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)

華北電力大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院的研究人員指出，現(xiàn)階段我國(guó)電力網(wǎng)絡(luò)與天然氣網(wǎng)絡(luò)屬于不同運(yùn)營(yíng)商管理，存在信息壁壘與利益沖突。為進(jìn)一步提高能源利用效率與源網(wǎng)經(jīng)濟(jì)性，未來(lái)可能的方向是政府從經(jīng)濟(jì)性、環(huán)境效益等角度出發(fā)，打破電網(wǎng)與天然氣網(wǎng)絡(luò)管理方之間的約束邊界與壁壘，以大統(tǒng)籌的方式進(jìn)行統(tǒng)一管理。統(tǒng)一調(diào)度機(jī)構(gòu)將兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)看作整體進(jìn)行優(yōu)化，根據(jù)電力網(wǎng)絡(luò)與天然氣網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)信息構(gòu)建優(yōu)化目標(biāo)，形成調(diào)度指令，實(shí)現(xiàn)電-氣互聯(lián)系統(tǒng)的整體優(yōu)化。

隨著環(huán)保意識(shí)的提高，電力市場(chǎng)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(jì)目標(biāo)，需要同時(shí)考慮污染物排放、系統(tǒng)削峰填谷能力、購(gòu)電費(fèi)用等。實(shí)際上，電-氣互聯(lián)系統(tǒng)多目標(biāo)優(yōu)化調(diào)度模型包含多個(gè)目標(biāo)且具有非凸非線性的特點(diǎn)，復(fù)雜程度大，求解困難。

研究人員認(rèn)為，電-氣互聯(lián)系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度應(yīng)在保證系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的同時(shí)，合理配置資源，提高設(shè)備利用率和系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)效益。若僅以系統(tǒng)運(yùn)行成本為優(yōu)化目標(biāo)，能有效減少煤耗、棄風(fēng)量，但節(jié)能調(diào)度可能導(dǎo)致購(gòu)電成本上升，增加企業(yè)運(yùn)營(yíng)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(yùn)行成本、降低污染氣體排放量、降低購(gòu)電購(gòu)氣費(fèi)用等多個(gè)目標(biāo)的重要程度應(yīng)有所不同，隨實(shí)際運(yùn)行情況而改變。同時(shí)，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(fù)荷波動(dòng)，提高系統(tǒng)可靠性。

研究人員以電-氣互聯(lián)系統(tǒng)運(yùn)行成本、污染氣體排放量、削峰填谷指標(biāo)及購(gòu)電購(gòu)氣費(fèi)用作為優(yōu)化目標(biāo)，電力網(wǎng)絡(luò)約束、天然氣網(wǎng)絡(luò)約束與耦合約束作為約束條件，構(gòu)建了一個(gè)考慮風(fēng)電接入，以燃?xì)廨啓C(jī)、電轉(zhuǎn)氣設(shè)備耦合的電-氣互聯(lián)系統(tǒng)安全約束四目標(biāo)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(guò)分段線性化方法處理非線性目標(biāo)函數(shù)，解決將目標(biāo)函數(shù)轉(zhuǎn)換為約束條件導(dǎo)致的模型非凸問(wèn)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(biāo)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(diǎn)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(shí)，將目標(biāo)函數(shù)中加入氣壓差懲罰項(xiàng)，能大大降低松弛誤差，可通過(guò)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(diǎn)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?yàn)檎{(diào)度人員的決策提供依據(jù)；3）通過(guò)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?xì)廨啓C(jī)的靈活調(diào)度，大大降低了系統(tǒng)棄風(fēng)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?xì)廨啓C(jī)的靈活調(diào)度對(duì)促進(jìn)電-氣互聯(lián)系統(tǒng)低碳運(yùn)行的能力值得進(jìn)一步深入研究。

本文編自2022年第11期《電工技術(shù)學(xué)報(bào)》，論文標(biāo)題為“基于分段線性化與改進(jìn)二階錐松弛的電-氣互聯(lián)系統(tǒng)多目標(biāo)優(yōu)化調(diào)度”。本課題得到了本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專(zhuān)項(xiàng)資金和國(guó)家自然科學(xué)基金青年科學(xué)基金資助項(xiàng)目的支持。