本文是一篇电气自动化论文，本文首先介绍了当前电-气互联综合能源系统中电力系统ATC的主要计算方法和研究现状，介绍了ATC的基本概念。
第1章 绪论
1.1 课题的研究背景及意义
能源是人类生存的根本，是社会发展的动力[1-2]。科学技术的不断进步使我们可以更好地开发利用能源，同时我们对能源的依赖程度也不断加强。能源与科学技术的发展相辅相成同时也相互制约[3]。科学技术的快速发展使各行各业的产能不断增加，不可再生能源煤炭和天然气的使用量大幅增长，能源危机日益增加[4]。此外，人类在获得温饱生活的同时开始对环境质量有了更高的要求。传统的燃煤机组由于对环境的污染大不能满足人们对环保、低碳的要求。与煤炭相比天然气具有储存量大、存储方便和高效环保等优势。因此，燃气发电机所占比例逐渐增加[5]，并且依靠燃气轮机响应速度快和可灵活调节的优势来平衡风电等可再生能源的出力波动[6-7]，有助于可再生能源的消纳，从而使电力系统与天然气系统之间的联系更加密切[8]。在不可再生能源储量有限的情况下，风电作为可再生、清洁能源开始逐渐吸引人们的眼球，得到大力开发，在发电侧所占的比例逐年增加[9-10]。
燃气发电机在电力系统中得到广泛应用，对低碳电力做出重大贡献[11]。同时，气网中的故障和扰动也会通过燃气轮机传递到电网中[12-14]。一方面，当天然气网络中管道出现故障后将会导致部分燃气轮机失去燃料供应停止发电，电网中将会丧失大量电源，进而对电力系统的安全运行造成威胁；另一方面，当天然气网络中短时间内有大型负荷接入或压缩机出现故障导致天然气网中节点压力不满足安全运行要求时，管道中传输的天然气量将会受到约束，燃气轮机由于不能获得足够的天然气在电网中的出力减少，使电网受到扰动[15-17]。因此，在电-气互联系统进行可用输电能力（ATC）计算时，要考虑天然气系统安全运行约束的影响。
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1.2 可用输电能力的基本概念
（1）可用输电能力（ATC）
在输电网络中，当两个区域之间联系较为密切时，一个区域的负荷缺额功率可以由另一个发电能力较强的区域供给。此时，从经济层面考虑，希望线路得到高效利用且运行的费用低；从保证系统安全、可靠运行的角度出发，为应对突发的严重故障，希望联络线上有足够的剩余传输能力。在此情况下，提出可用输电能力（ATC）来缓解经济性与安全性之间的冲突。上世纪九十年代，北美可靠性委员会（NERC）首次给出可用输电能力的概念并对其做出详细的说明。ATC的定义为：ATC是在考虑网络中现存输电协议（ETC）的基础上，物理输电网络中剩余的、可进一步用于商业使用的线路富余的传输容量[29]，是一个电力市场环境下的概念。
裕度TRM（Transmission Reliability Margin）是针对电力系统中存在的各种不确定性而预留的区域间输电容量，为输电可靠性裕度。
裕度CBM（Capacity Benefit Margin）—容量效益裕度，指电力系统发生故障或扰动的情况下，可以从其它区域获得电能的能力，预留足够容量效益裕度可保证可靠供电。容量效益裕度反映电力系统在突发情况下保证可靠供电的能力。
ETC（Existing Transfer Capability）—现存输电协议容量，表示输电交易双方合同中签订的输电量，在可用输电能力计算过程中通常选取系统在基态运行点时两区域间的功率交换值作为现存输电协议容量。
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第2章 电-气互联系统稳态模型及能量流计算
2.1 引言
电-气互联综合能源系统的组成包括：输气系统、输电系统、耦合元件（燃气轮机、电转气设备）。燃气轮机的输入为天然气输出为电能，在电力系统中等同于发电机，在天然气系统中等同于各节点的负荷。电转气设备的工作原理是将水电解产生氢气，再让二氧化碳与氢气进行化学反应生成甲烷注入到天然气系统中。电转气设备在电力系统中属于一种电力负荷，其负荷量的大小与未被消纳的可再生能源（风电、太阳能）的量有关；在天然气系统中属于气源，但其供应天然气的量不是恒定不变的，而是受电力系统中可再生能源出力变化的影响。天然气系统与电力系统具有一些相同的特点：第一，电能、天然气均是由源经过传输网络传送到远端的负荷；第二，电能、天然气均是沿着节点状态量（电压或压力）下降的方向传递；第三，电力系统中每个节点的注入功率等于流出功率，天然气网络中每个节点的流入天然气量等于流出天然气量；第四，为了使用户能够持续、可靠地使用电能和天然气，电力系统和天然气系统均应运行在安全范围内。同时，天然气系统与电力系统之间也存在不同之处：
1）传输速度：电力系统中电能的传输速度快，传输过程是瞬时完成的。电力系统规模的大小、电源与负荷之间距离的远近对电能传输的时间没有影响。在天然气系统中，只有在系统的规模较小、气源与负荷之间的距离近时，天然气在网络中的传输才可看作瞬时完成。当天然气系统的规模增大、气源与负荷之间的距离增大时，天然气传输不能再看作瞬时完成，其慢动态特性必须加以考虑。
2）能量存储：电力系统中发电、输电、用电是同时完成的，没有储能设备能直接对电能进行大规模储存，只能通过抽水蓄能电站、电转气设备将电能先转化为势能或化学能，在负荷量增大的时候通过水力发电机、燃气轮机将势能、化学能转换为电能，但这种能量之间的转换会伴随着大量的能量损耗。天然气系统中由于有储气罐、管存现象存在，气源出力与总的负荷值之间允许有一定的出入。可以将负荷低谷期的多余天然气储存在储气罐或管道中，在负荷峰值期释放出来供给负荷使用，以此来减小气源出力的波动。
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2.2 电力系统模型
电力系统是由发电机、输电线路、负荷及变压器组成。图2-1为电力系统的结构图。在进行电-气互联系统的能量流计算时，可以将系统中的元件用等值电路进行替代，使计算过程简化
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在电力系统进行潮流计算时，电力系统的运行状态通常由节点电压和复功率描述，当系统中共含有en个节点时，运行参数有4en个。每个节点则是由4个表征节点运行状态的量：V、θ、P、Q加以表征，每个节点的4个状态变量中有两个已知、两个未知。电力系统每个节点均有两个平衡方程（电压平衡方程或功率平衡方程），通过潮流计算求解平衡方程可以求得两个未知量。
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第3章 计及输气系统延时的电-气互联系统ATC计算 ...................... 15
3.1 引言 .................................... 15
3.2 天然气系统的延时特性 ....................................... 15
3.3 基于ASBM的电-气互联系统ATC计算 ............................. 16
第4章 风电并网电-气互联系统ATC计算分析 ......................... 28
4.1 引言 ..................28
4.2 风电场出力模型 ................................ 28
结论 .............................. 41
第4章 风电并网电-气互联系统ATC计算分析
4.2 风电场出力模型
4.3.2 基于功率增量最大值点特征的ATC计算模型
（1）风电并网对电-气互联系统的影响
风电并网电-气互联系统后，系统中原有的发电机出力将会发生变化。因此，在风电并网电-气互联系统后，系统的基态运行点将会发生改变，同时送电区域发电机功率增量最大值点发生改变，使得根据系统基态运行点及送电区域发电机功率增量最大值点信息求取的ATC值也随着发生变化。如图4-2所示（以2维的为例进行说明）：
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A点为系统的基态运行点，风电并入电-气互联系统后，系统中发电机出力发生变化，系统的运行点转移到B点。同时，系统中1 2P +P最大值点从C点转移至D点。系统的基态运行点及送电区域发电机功率增量最大值点均发生变化，即系统的ATC发生变化。
综上所述，为求取风电并网后电-气互联系统ATC，需要得到变化后的送电区域发电机功率增量最大值点。为了搜索到该点，下面给出该点的特征作为搜索的依据。
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结论
本文首先介绍了当前电-气互联综合能源系统中电力系统ATC的主要计算方法和研究现状，介绍了ATC的基本概念。对电力系统、天然气系统及两系统之间的耦合元件进行建模，为后续可ATC计算奠定基础。随后，在考虑天然气系统延时特性的基础上对电-气互联系统进行了ATC的计算，并提出了基于二分法原理的自适应步长法提高计算效率。最后，在考虑风电并入电-气互联系统的基础上对电-气互联系统ATC进行计算分析。分析风电不同并网情况对电-气互联系统ATC的影响。
相关结论如下：
1）在燃气轮机被大量使用时，由于燃气轮机的出力上限受到天然气系统的安全运行约束限制，使得电-气互联系统的安全运行边界小于电力系统单独运行时的安全运行边界，所以电-气互联系统的ATC值将小于电力系统单独运行的ATC值。在计算电-气互联系统的ATC时，需要将天然气网的安全运行约束加以考虑。
2）当天然气网络增大、气源与负荷之间的距离变远时，天然气系统从一个稳态过度到另一个稳态时会有一定的时间延时，当网络较大时延时会达到几十分钟甚至超过1个小时。为此，当天然气系统中有负荷变动时，需要考虑延时过程中各个不同时刻天然气网节点压力、管道流量不同于稳态，电-气互联系统ATC值将会受到影响。因此，当天然气网络增大时，计算电-气互联系统ATC时应考虑天然气系统的延时特性，以便给出更加准确的ATC值以供参考。经过本文验证得出：考虑天然气网的延时特性会提高电-气互联系统ATC值。
3）在风电场接入电-气互联系统时，不同的接入情况会对电-气互联系统的ATC值产生不同的影响。当不同容量的风电场接入同一点时，风电场的容量越大电-气互联系统ATC的期望值越大，说明风电场并网使电-气互联系统的ATC增加。与风电场接在送电端相比，相同容量的风电场接在受电端时，电-气互联系统ATC的期望值更大，但是电-气互联系统ATC的方差也更大。说明风电场接在受电端对电-气互联系统ATC影响更大。
参考文献（略）