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该文2017年5月发表于MPCE第5卷第3期。

引文信息：

HE Chuan, LIU Tianqi, WU Lei, et al. Robust coordination of interdependent electricity and natural gas systems in day-ahead scheduling for facilitating volatile renewable generations via power-to-gas technology[J]. Journal of Modern Power Systems and Clean Energy, 2017, 5(3): 375-389

Robust coordination of interdependent electricity and natural gas systems in day-ahead scheduling for facilitating volatile renewable generations via power-to-gas technology

考虑采用电转气技术促进可再生能源接入的气电系统鲁棒协同日前调度

DOI: 10.1007/s40565-017-0278-z

作者：何川，刘天琪，吴磊，Mohammad Shahidehpour

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天然气系统与电力系统的关系如何?

由于燃气发电机组具有高效、运行灵活和投资成本低等优点，近年来其安装容量持续增长，作为最重要的一次能源之一的天然气在电力系统中的能源消耗比例也因而明显上升。在2005年至2016年的11年间，美国天然气在电力系统中的能源消耗比例由27%上升到了39%。可以预见，未来的能源系统必将呈现天然气系统与电力系统高度耦合的特征，天然气系统的运行将直接影响电力系统运行的经济性及可靠性。另一方面，在未来大规模发展可再生能源的环境下，不稳定可再生能源（如风能）的发电比例会大幅提升，运行灵活的燃气发电机组可调节出力来抵消部分风能波动，因此，天然气系统将面临来自燃气机组的波动较大的负荷。另外，由于新兴的“电转气”（Power-to-Gas）技术可以将电力系统中无法消纳的可再生能源转化为甲烷，再注入天然气系统进行消纳或存储，这也为可再生能源的消纳提供了一条很有前景的途径。

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如何建模气电能源枢纽?

气电能源枢纽指电能和天然气之间的转换和储存中心，由燃气机组、电转气设备和天然气储存设备组成，如图1所示。能源枢纽可以在多时间尺度上平衡可再生能源的不稳定出力，进而保持电力系统安全稳定运行。即当可再生能源出力比较低的时候，燃气机组可以适当增大出力以满足负荷；而当可再生能源出力比较大而负荷水平又比较低的时候，电转气设备可将过剩的可再生能源转换成天然气。这部分天然气可以通过天然气网络送到用户侧，或者直接储存在能源枢纽中的天然气储存设备中。因此，未来的电力系统与天然气系统之间将会呈现双向的能量流动，天然气网络与电力系统将实现高度耦合，共同构成综合能源系统的重要组成部分。

图1  气电系统能源枢纽示意图

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如何建立天然气系统与电力系统的鲁棒协同调度?

气电协调调度优化运行的核心思想是将电力系统输电网络、天然气网络、燃气机组与电转气设备等在宏观层面统一协调考虑，以实现电力系统和天然气系统的联合最优运行。针对电力负荷与可再生能源出力的不确定性，本文应用可调节鲁棒优化来实现天然气系统与电力系统的协同调度。可调节鲁棒优化的特点是根据预测负荷和可再生能源出力的基础场景来进行优化，并且保证系统在预先设定的负荷和可再生能源出力不确定区间之内的安全性和稳定性。本文所提出的气电鲁棒协同调度问题在数学上可以抽象成一个多阶段混合整数规划模型，其优化目标为最小化气电这两个系统的运行成本之和，并且计入气电两个系统的相关运营约束。其中，天然气网络约束主要包括节点气量平衡约束、储气设施气量平衡约束、储气设施容量约束、输气管道潮流Weymouth等式约束。通过气电协调优化调度，可以确定电力系统机组启停和出力安排，以及天然气系统的天然气井和储气设备的生产安排。模型具体细节请参见原文。

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鲁棒协同调度效果如何?

利用协同优化调度模型对IEEE 24节点RTS和天然气12节点系统进行求解。计算结果表明：

1）电转气技术能够有效降低弃风，并且把多余的风能转换为可储存的天然气。

2）与抽水蓄能类似，能源枢纽能够有效地增加电力系统运行的灵活性，如图2所示。图2中，功率为负表示电转气设备运行并从电网接受功率，功率为正表示燃气机组工作，向电网输送功率。

3）气电系统协同优化能提高整个气电系统的可靠性，有效促进互动、经济、可靠、安全的气电系统协同运行。

图2  能源枢纽基础场景和最坏场景联合出力

作者介绍

何川：四川大学电气信息学院博士研究生，克拉克森大学访问学者。主要研究方向：电力系统运行与优化、可再生能源并网、天然气系统、鲁棒优化。

刘天琪：博士，四川大学电气信息学院教授，博士生导师。主要研究方向：电力系统分析计算与稳定控制、高压直流输电和调度自动化。

吴磊：博士，克拉克森大学电气与计算机工程学院副教授。主要研究方向：电力系统优化运营与控制、多系统协调调度和智能微电网。

Mohammad Shahidehpour：博士，美国伊利诺伊理工大学电气与计算机工程学院教授，Robert W. Galvin电力创新中心主任，可持续发展与能源研究所副主任，IEEE Fellow，美国工程院院士。主要研究方向：能源系统优化与控制、综合资源规划、微电网和能源枢纽、信息物理系统和大规模可再生能源一体化。

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【MPCE】2017年第5卷第3期

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