[发明专利]计及电-气耦合系统约束的燃气电厂储气容量计算方法

摘要

本发明涉及一种计及电‑气耦合系统约束的燃气电厂储气容量计算方法，属于多能流耦合系统的规划优化技术领域。本方法采用优化的方法，为燃气电厂配置储气设备的容量提供了最佳方案。一方面同时考虑了电力系统和天然气网的运行约束，避免过小容量的储气方案给电力系统带来的安全隐患；另一方面考虑了储气设备的成本问题，避免了过大容量的储气方案造成的经济浪费。该方法可以应用于燃气电厂储气设施的规划中，为管理和设计人员提供了储气设备容量的配置依据，有助于提高燃气电厂供电的安全性和经济性。

主权项

一种计及电‑气耦合系统约束的燃气电厂储气容量计算方法，其特征在于该方法包括以下步骤：(2)建立一个电‑气耦合系统中的燃气电厂发电成本的优化目标函数如下：C=ΣyearCcoal(Gcoal)+Cgas(Lgas)+Cstorage(V)/Tlife]]>Ccoal(Gcoal)＝Pcoal×GcoalCgas(Lgas)＝Pgas×Lgas其中，C为电力系统运行的总成本，Ccoal(Gcoal)为燃煤成本，Gcoal为耗煤量，Pcoal为煤炭的价格，Cgas(Lgas)为燃气成本，Lgas为耗气量，Pgas为天然气的购买价格，Cstorage(V)为储气成本，V为储气设备的容积，Tlife为储气设备的使用年限；(2)建立电‑气耦合系统稳态安全运行的等式约束方程，包括：(2‑1)一个电‑气耦合系统中电力系统的潮流方程如下：Pi=UiΣj∈iUj(Gijcos(θi-θj)+Bijsin(θi-θj)),i,j=1,2,...nQi=UiΣj∈iUj(Gijsin(θi-θj)-Bijcos(θi-θj)),i,j=1,2,...n,]]>其中，Pi为电力系统中第i个节点的注入有功功率，Qi为电力系统中第i个节点的注入无功功率，Gij为与电力系统的节点导纳矩阵Y中第i行、第j列相对应的电导，Bij为与电力系统的节点导纳矩阵Y中第i行、第j列相对应的电纳，电力系统节点导纳矩阵Y从电力系统调度中心获取；(2‑2)一个电‑气耦合系统中天然气网中管道的水力方程如下：fkm=sgnp(pk,pm)×(77.54Tnpn)(Dkm)2.5(1LkmγGTakmFZg)0.5(pk2-pm2),]]>其中，fkm为天然气网中第k个节点和第m个节点之间的管道中天然气体积流量，pk，pm分别为第k个节点和第m个节点的压强，Dkm和Lkm分别为第k个节点和第m个节点之间管道km的管道直径和管道长度，F为管道内壁的摩擦系数，F由公式计算得到，Ef为管道的效率系数，Ef取值为0.92，Re为雷诺数，由公式计算得到，ρ为天然气密度，μm为天然气的动力粘度系数(与天然气密度有关，可查表获得)，γG为天然气比重，0＜γG＜1，Ta为天然气平均温度，Tn和pn分别为标准状态下天然气的温度和压力，Zg为天然气平均可压缩系数，0.9＜Zg＜1.5，上述天然气网中管道的水力方程中，当时，上式中的sgnp(pk,pm)＝1，当时，sgnp(pk,pm)＝‑1；(2‑3)一个电‑气耦合系统的天然气网中压缩机的能量消耗方程如下：BHPkm=fCinckηC(ck-1)[(pmpk)ck-1ck-1],]]>其中，pk，pm分别为天然气网中第k个节点和第m个节点的压强，BHPkm为第k个节点和第m个节点之间的压缩机的能量消耗，为该压缩机的入口体积流量，ηc为该压缩机的总效率，ck为该压缩机的多变系数，ηc和ck从压缩机的出厂说明书获取；(2‑4)一个电‑气耦合系统中通过燃气轮机耦合的电力系统与天然气网之间的耦合方程如下：μPTur＝Hgas×[fTur+(Vt‑1‑Vt)]，其中，fTur为燃气轮机由管道输入的燃气的体积流量，PTur为燃气轮机的有功功率输出，Vt为储气设备在t时刻的天然气储量，Hgas为天然气的燃烧热值，取值为37.59MJ/m3，μ为燃气轮机的效率系数，由燃气轮机的出厂说明书获取；(2‑5)一个电‑气耦合系统中天然气网的节点气流平衡方程如下：AGf＝L，其中，AG为天然气网的节点‑支路矩阵，f为天然气网支路的体积流量，L为天然气网节点的气体负荷，L根据天然气网历史运行数据得到；(3)设定电‑气耦合系统稳态安全运行的不等式约束条件，包括：(3‑1)电力系统中发电机组的输出功率Pigen大于或等于0，小于或等于该发电机组出厂铭牌上给出的最大功率即：0≤Pigen≤Pmaxgen;]]>(3‑2)电力系统第i个节点的电压幅值Ui在设定的电力系统安全运行电压的上限值和下限值Ui之间运行，Ui为第i个节点额定电压的0.95倍，为第i个节点额定电压的1.05倍，即：U‾i≤Ui≤U‾i;]]>(3‑3)电力系统中第l条线路的传输容量Sl小于或等于设定的电力系统安全运行传输容量的最大值即：Sl≤S‾l;]]>(3‑4)天然气网中第k个节点的压强pk在设定的管道安全运行气压的上限值、下限值pk、内，即：p‾k≤pk≤p‾k;]]>(3‑5)天然气网中第b个管道的流量fb在设定的管道安全运行流量的上限值、下限值fb、内，即：0≤fb≤f‾b;]]>(3‑6)天然气网中气源供气量fs小于或等于该气源能提供天然气流的最大值fs,max，即：fs≤fs,max；(3‑7)天然气网中的压缩机安全运行的约束条件：1<S<Smax(S=poutpin),fcompin≤fc,maxin,pout≤pc,max,]]>其中：S是该压缩机的升压比，Smax是该压缩机的最大升压比，Smax由压缩机的出厂铭牌获取，为该压缩机的入口的体积流量，为该压缩机的入口最大允许体积流量，由压缩机的出厂铭牌获取，pout为压缩机的出口压力，pc,max为压缩机的出口最大允许压力，pc,max由压缩机的出厂铭牌获取；(3‑8)燃气电厂中储气设备在t时刻的储量应大于等于0，小于等于储气设备的最大容积：0≤Vt≤Vmax；(4)利用优化算法，求解由上述步骤(1)为目标函数、上述步骤(2)和步骤(3)为约束条件的优化模型，得到储气设备在预测年负荷下的月最优储气容量曲线，最优储气容量曲线中的横坐标为12个月，最优储气容量曲线中的纵坐标为月储气容量；(5)根据上述步骤(4)的最优储气容量曲线，求取容量的期望值，将最接近期望值的容量作为燃气电厂中储气设备的最优容量。