第一章 绪论
1.1 研究背景及意义
随着可再生能源的不断开发，将逐渐减少化石能源的使用，这对于能源短缺、环境污染等一系列历史遗留问题的解决具有重要意义[1]。我国电力系统的电能生产及消费结构随着可再生能源的快速发展也发生了深刻的变革，“能源互联网”[2-3]、“综合能源系统”[4-5]的概念在这一时代背景下顺应提出。在能源和环境问题日益凸显的今天，传统且能源形式单一的电力网络将难堪重负[6]，天然气以其清洁高效的特点将气网与电力网通过燃气机组、电转气设备等耦合元件紧密联系形成的电−气综合能源系统(Integrated Electricity and Natural Gas System, IENGS)[7]将成为能源体系绿色转型[8]、提高能源综合利用率的重要途径，在未来能源战略中将扮演重要角色[9]。可见，随着多能耦合系统的不断革新推进，亟待开展能源结构优化和多能流耦合的建模研究。
近年来，全球变暖被认为是导致极端气候事件的罪魁祸首，而诱发全球变暖的主要原因是煤炭等化石燃料燃烧产生的二氧化碳等温室气体的大量排放[10]。基于此，“碳中和”[11-12]、“碳达峰行动”[13]等一系列绿色经济理念顺应提出。随着世界电气化水平的不断提升，电力部门碳排放占比达 42%，成为世界碳排放的主要来源。加快电力行业绿色转型、提高行业低碳经济性刻不容缓[14]。在能源转型的背景下，传统的电−气综合能源系统仅仅是单纯的电气两网之间的耦合，仍然存在高碳排放量的问题，因此，开展综合能源系统如何低碳经济运行的研究对未来电力行业绿色转型有重要意义。
在多能耦合的综合能源网络背景下，新能源发电将在能源系统中扮演重要角色[15]。风电出力特性受季节、气候等自然因素的影响具有不确定性，随着风电并网的规模不断增大，电力系统运行的稳定性、安全性将受制于风电的不确定性因素，风电接入和消纳问题阻碍了风电的发展[16]。在统筹协调风电、储能和火电等出力来实现优化调度时需考虑这一不确定因素，系统中电转气设备及其他储能装置的应用，可减少该不确定性对电力系统经济运行产生的影响，增加系统的新能源消纳[17]。在系统调度模型中，对于含风电的电力系统优化调度结果在不同风电不确定性水平下将有所不同，系统的经济性、可靠性也将受其影响[19]。
..........................
1.2 国内外研究现状
1.2.1 综合能源系统发展现状
随着可再生能源发电系统的不断开发，将逐渐减少化石能源的使用，这对于能源短缺、环境污染等一系列历史遗留问题的解决具有深刻意义。我国电力系统的电能生产及消费结构随着可再生能源的快速发展也发生了深刻的变革，“能源互联网的概念”在这一时代背景下顺应提出。2010 年 4 月德国弗劳恩霍夫学会在发表的公报上首次提出了“电转气”(Power to gas, PtG/P2G)的概念[23]，之后我国周孝信院士等人也相继提出构建能源转型过程中以电网为核心的新一代多能源形式共存的智能电网[8]。电−气综合能源系统以其供需互动、综合能源利用率高且运行高效的特点在全世界尤其是国外被广泛应用于能源供应系统[24]。
相比于传统单独运行的电力网络，电−气综合能源系统通过耦合元件电转气设备和燃气轮机实现电网和天然气网之间的能流转换和耦合，将二者紧密结合在一起。天然气在综合能源中因其高热值、清洁高效且安全的特性具有不可替代的作用[25]。天然气网络与电力网络在传统综合能源系统中仅仅只通过燃气轮机进行能量交互，近几年随着电转气装置的广泛应用，电−气综合能源系统结构逐渐优化，不再依赖于单一的耦合元件，而是利用电转气设备以及燃气轮机两个耦合元件之间的双向电气耦合，形成电−气−电的能量闭环流动圈[26-27]。此外，伴随着一系列能源、环境问题的出现，清洁的新能源并网比例逐年上升。新能源快速发展的同时弃风问题也随之出现，对于抽水蓄能、压缩空气储能等常规储能方式，对新能源消纳虽有一定的优势，但在应对大容量、长周期储能需求时尚有不足之处[28]。若系统中风电功率配合其他出力单元满足负荷需求后还有剩余，为避免弃风，此部分弃风电量可作用于电转气设备中，先进行电解水制氢，再利用氢气与二氧化碳合成甲烷注入天然气系统中，为风电消纳提供了新的途径。可见，电−气综合能源系统相较于传统电网络不仅在环境保护、能源的节约上有重要贡献，而且在应对新能源高比例渗透时弃风问题的解决上也提供了新的途径[29]。
电气自动化论文参考
第二章 电−气综合能源系统结构及单元建模
2.1 引言
我国电力系统的电能生产及消费结构随着可再生能源的快速发展发生了深刻的变革，能源互联网的概念在这一时代背景下顺应提出，世界范围内开启了多能耦合的混合能源时代[58]。传统的电−气综合能源系统包含电力系统及天然气系统[59]，并通过耦合元件燃气轮机和电转气设备将独立的电、气两网紧密联系，形成电力流、天然气流等异质能流转换的双向耦合能源系统。国内外关于传统综合能源网络的结构已有大量研究，在此背景下，本章首先构建了综合能源系统的典型物理架构，再对其核心组成部分电力系统、天然气系统及耦合元件三个模块分别建模，为后文电−气综合能源系统的改进研究提供理论基础。
天然气系统是世界上最大、最复杂的非线性系统之一。如图 2-2 所示天然气输送系统由气井、输气管道、压缩机、储气设施和气负荷组成[61]。天然气从气井中生产出来，通过压缩机推动的管道输送至气负荷集。天然气储气设施提供了一个缓冲区，以协调在多个时期的气体使用。
综合能源系统碳排放主要来源于化石燃料机组发电。综合能源系统一方面可通过加装碳捕集机组改良发电厂，调整出力方式，从源头减少二氧化碳的排放，并进一步与电转气设备中的甲烷化反应形成碳循环，提高二氧化碳利用率，增强经济效益；另一方面，在综合能源系统电网侧提高可再生能源出力上网比例，不但可以减少化石燃料机组出力，电转气设备及相应的储能元件还可实现新能源电力消纳，减少弃风弃光等现象，实现经济性与环保性的双赢。
..........................
2.2 综合能源系统典型架构
电气自动化论文怎么写
...............................
第三章 含碳捕集的电−气综合能源系统低碳经济调度...........................................17
3.1 引言....................................... 17
3.2 碳捕集机组建模研究.................................17
第四章 考虑不确定性的电−气综合能源系统低碳经济调度...................................39
4.1 引言.................................. 39
4.2 区间非线性优化数学转换模型................39
第五章 结论与展望..................................... 59
5.1 结论................................... 59
5.2 展望.............................. 60
第四章 考虑不确定性的电−气综合能源系统低碳经济调度
4.1 引言
目前不确定问题的求解方法主要包括模糊规划、随机规划及区间规划[46-47]。然而，将随机规划和模糊规划应用于实际问题时，事先需分别知道随机变量满足的分布及模糊数的隶属度，而两者往往很难获取。因此，这两种方法的应用范围有较大的限制。反之，区间规划问题所含的参数取值以区间的形式表示，求解时只需掌握区间的半径和中点（或上下限）。求解时，一般较容易获得这些参数的取值，且随机和模糊优化问题中的随机变量、模糊数可分别经置信水平、截集水平转化为区间，进而转化为区间优化问题。因此，在实际优化问题中常采取区间优化的方法进行求解，如路径规划、电力调度等。
在电−气综合能源系统运行中需要考虑气网和电网之间高度的相互依赖性。综合能源网络的运行调度与传统电网有较大差别，新能源发电的不确定性给电−气综合能源系统的运行带来了新的挑战。不仅能源供应端，能源消费端由于电、气两网负荷的多样性也具有极高的不确定性，使电、气两网之间的耦合更为复杂。
基于此，为提高系统整体运行效率，优化能量流，本章提出了考虑不确定性的电−气综合能源系统区间优化协同运行环境经济调度模型。在第三章所提含碳捕集的电−气综合能源系统环境经济调度模型的基础上，计及风电、负荷的不确定性，采用区间优化模型对综合能源系统进行优化分析。首先阐述区间非线性模型转换为确定性模型的方法理论，再基于预测误差构建风电与负荷区间模型，基于此再搭建电−气综合能源系统协同运行区间优化模型。最后根据模型求解流程通过优化软件编程求解，仿真分析电网、气网因不确定性产生的耦合变化及运行影响，为调度决策提供区间参考，使得综合能源系统在不确定性条件下仍能取得较大经济效益，并高效运行。
...............................
第五章 结论与展望
5.1 结论
本文立足于电、气多能耦合的统一建模，首先在提高风电消纳、降低碳排放的背景下，提出含碳捕集的电−气综合能源系统低碳经济调度模型。其次针对系统中高比例新能源发电及负荷侧的不确定性问题，将区间优化方法应用于电−气综合能源系统协调运行优化模型中，解决风电及负荷不确定性问题。最后分别在两个系统中利用 Gurobi 求解器对模型进行求解分析。本文取得成果如下：
(1)传统电−气综合能源系统物理架构及单元建模研究
首先构建综合能源系统的物理架构，对电力系统和天然气系统通过耦合元件进行异质能流转换的双向耦合作用进行分析。再基于此架构，分别对电力网络、天然气网络及耦合元件三个部分进行建模。构建供需互动、能源综合利用率高且运行高效的电−气综合能源系统。
(2)含碳捕集的电−气综合能源系统低碳经济调度研究
在风电消纳、碳中和的背景下，为使电转气设备、碳捕集系统能够更好的发挥消纳风电、降低碳排放的优势，提出一种计及储碳、储氢设备的联合运行模式，并构建含碳捕集的电−气综合能源系统低碳经济调度模型。联合运行模式下，系统基本实现了风电的全额消纳。且储碳、储氢设备的加入提高了碳捕集系统、电转气设备运行的灵活性，实现碳循环、优化能量流，使得系统综合运行成本、碳排放量均为最优。在多能耦合的综合能源系统背景下，该模型的提出对系统能够经济、环保的运行具有重要意义。
(3)源荷两侧不确定性问题对综合能源系统优化调度影响的分析研究。
针对风电及负荷的不确定性问题，提出一种基于区间规划的电−气综合能源系统协同运行区间优化模型。与确定性模型相比，考虑不确定性条件将导致系统综合成本增加，且随着不确定性水平的提高成本区间宽度也增加，但期望值位于区间内；此外，燃气机组作为电、气两网之间的耦合元件，在调节风电不确定性方面具有重要作用。随着风电不确定水平的增加，为缓解风电不确定性，机组出力区间以及气井产气区间宽度随之增加，最优调度值却随之减少。区间优化为决策者提供了不确定性水平下的调度区间及利润区间，对系统在不确定性的变化下高效经济运行具有重要参考价值。
参考文献（略）