[科普中国]-天然气网络和电源、电网联合规划

研究背景

随着人类社会和经济的发展，环境问题和能源危机日益突显。为此，世界各国纷纷提出构建以最大限度开发利用新能源、最大幅度提高能源综合利用效率为使命的新一代能源系统。发展清洁高效的能源系统成为各国政府能源政策的核心战略， “能源互联网”的概念应运而生。

在我国，研究者提出了构建以电网为核心的新一代能源系统2，该能源系统的目标是克服我国长期存在的各类能源计划单列、条块分割，缺乏有效的能源市场配置等缺陷，实现多元能源结构相互协同生产、供应和规划， 进而达到各类能源综合利用、 供需互动、高效运行。相较于传统的电力系统，以电网为核心的新一代能源系统通过燃气机组将电力网络和天然气网络紧密地联系在一起3。此时，如果忽略两个能源系统之间的相互影响，单独规划电力网络或天然气网络很难保证规划方案的经济性、安全性和可靠性。因此，在以电网为核心的新一代能源系统即将到来的研究背景下，开展电力网络和天然气网络联合规划的理论研究，将为未来电力系统规划提供重要的理论基础，是一项具有重大意义的前瞻性工作。

国外已有专家学者开始对天然气网和电网的联合运行和规划展开研究。在天然气网和电网的联合运行方面，研究成果主要分为气电联合潮流计算和气电联合经济调度两类。在气电联合潮流研究方面，有天然气网络和电力网络联合模型的稳态潮流分析计算方法，并分别在模型中计及了温度变化和分布式多平衡节点对天然气网络潮流分布的影响。另外，还有电网和气网联合运行的最优潮流模型。

在气电联合经济调度方面，也有研究在计及安全约束的机组组合问题中考虑了天然气传输网络的影响。后来，分别考虑了需求侧响应和风电出力不确定性对气电联合机组组合问题的影响。这些研究成果为天然气网和电网耦合后的规划工作奠定了坚实的基础。目前，在天然气网和电网联合规划的研究方面也取得了一定的成果。

按照对天然气管道气流的建模类型进行划分，可分为忽略节点气压的线性模型和考虑节点气压的非线性模型两类。在第一类模型方面，又有研究提出了多时段天然气网络和电网联合规划模型，该模型是一个混合整数优化问题，求解后可以得到电源、输电线路、天然气管道和天然气源的投资位置，以及投资容量和投建时间。文献[16]在一个能源工程仿真平台上搭建了一个考虑电力市场和天然气市场交易的天然气网络和电网联合规划模型。在第二类模型方面，研究建立了多阶段电源、电网和天然气网络联合规划模型，并提出了一种天然气潮流计算方法来校验天然气网络的安全性。然而，该天然气潮流计算方法仅适用于辐射性结构的天然气网络。为了得到低碳运行的英国能源系统，研究建立了一个对天然气系统精确建模的天然气和电网联合规划动态模型，该模型不仅可以得到电网和天然气管道的投资决策，还可以得到加压器和天然气存储器的决策结果。研究提出了考虑社会福利最大化的电网和天然气网联合规划动态模型，为了提高规划方案在不同场景下的鲁棒性，自适应成本被作为目标函数来量化规划中负荷预测、燃料费用等不确定性因素带来的风险。另外，为达到将大量分布式燃气机组更加合理地接入配电网的目标，研究提出了电力配电网络和天然气网络联合规划的方法。然而，上述两种天然气管道气流模型要么忽略气压，建模太简单，导致得到的规划结果与实际不符；要么建模太复杂，只能采用智能算法求解，不能保证最优解。本文提出了采用分段线性化的方法来对天然气管道气流建模，该方法能够在误差可控的条件下，保证求解的规划模型可以得到全局最优解1。

天然气网络模型天然气网络如图1所示，主要由天然气源、天然气管道、加压器、存储器和天然气负荷组成。天然气被开采和加工后主要通过天然气管道输送给用户，然而由于天然气气流在流动过程中会和管道壁发生摩擦，经过一定的传输距离后(通常为80~160km)，气压会逐渐下降。为保证天然气能够正常输送到负荷侧，天然气系统中需要安装加压器进行升压。加压器在天然气网络中的作用类似于电力系统中的变压器。由于规划是个长时间尺度问题，储能约束的作用主要体现在短时间尺度运行问题。为了避免计算量过大，所以本文在长时间尺度建模中忽略了对储能的建模。下面对天然气网络中的其他元件进行建模。

1） 天然气源。

天然气从气井被开采后，需要通过精炼厂提纯。由于气井处气压和设备容量限制，单位时间内天然气源的出气量上下限如式所示。

式中：WShbt为气源h在t水平年b负荷分区的出气量；WShmax、WShmin分别为气源h出气量的上下限；SWS为所有气源节点的集合。

2）节点气压约束。

天然气网络各节点的气压必须在安全合理的运行范围内，其数学表达式如式下所示。

式中：πimax、πimin分别代表节点i气压的最大值和最小值；SGB表示天然气网络节点的集合。

3）天然气管道气流模型。

本文采用Weymouth稳态潮流模型来刻画天然气气流和两端气压的关系，具体表达式为

式中：fppbt、πibt和πjbt分别代表管道p在t水平年b负荷分区流过的天然气流和管道p两端的气压；φp、sgnp分别代表管道p的气流传输参数和气流流向；maxFp代表管道传输的容量上限；SP表示天然管道集合。

4）加压器模型。

加压器原有模型是一个描述加压器升压比例和能量消耗关系的非凸非线性表达式。由于本文的重点在于研究天然气管道的扩建，且加压器消耗的能量(电能或天然气)很少，因而对加压器模型进行了简化处理，即忽略加压器运行时消耗的能量，仅保留加压器进气端和出气端之间的升压关系，以及加压器的传输容量限制。

式中：fccbt、πibt和πjbt分别为t水平年b负荷分区时加压器c流过的气流、进气口和出气口端的气压；Γc为加压器c的升压比例；maxFc为加压器的传输容量上限。

5）节点气流平衡方程。

式中：A、U、C和D分别表示天然气管道、加压器、天然气源、天然气负荷和天然气网络节点的关联矩阵；WLrbt表示t水平年b负荷分区时的天然气负荷1。

天然气网络和电源、电网联合规划模型本文所提模型的规划目标是在规划水平年内最小化天然气网络和电力系统的投资费用和运行费用净现值，同时满足天然气网络和电力网络的安全运行约束。其中，投资费用包括电源投资费用、输电线路投资费用以及天然气管道的投资费用。需要注意的是，发电机的运行费用仅考虑非燃气机组，燃气机组的运行费用计及到购买天然气的费用。该目标函数的具体表达式如下：

式中：GIC、LIC、PIC分别为发电机、输电线路和天然气管道的投资费用；xit、ylt和zpt分别表示第t个水平年发电机i、输电线路l和天然气管道p的建设状态，其中1表示投建，0表示未投建；POCi、GOCh分别表示发电机i的发电成本和天然气源h的生产成本；pgibt表示发电机i在t水平年b负荷分区时的出力；DTbt表示t水平年b负荷分区的持续时间；d为资金折现率；SCG、SCL和SCP分别表示待选发电机、输电线路天然气管道的集合；SG为不含燃气机组的待选和已有发电机的集合；SBt为t水平年的负荷分区。

主要有6种约束条件，分别为：

1）设备投资约束；

2）电力网络潮流约束；

3）发电机出力约束；

4）电力网络节点功率平衡约束；

5）天然气网络约束；

6）新建天然气管道气流约束1。