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🔥 内容介绍

一、研究背景与系统架构设计

结合此前5节点电力系统潮流计算的研究基础，在“双碳”目标驱动下，高比例风电、光伏等新能源大规模接入电网，传统以化石能源为主的电力系统正快速向电气互联的新型电力系统转型，电网络与热力网络、天然气网络、交通网络等多能源系统深度耦合，系统的运行特性发生了根本性变化。高比例新能源的强随机性、反调峰特性，给系统的有功功率供需平衡与无功电压稳定带来了双重挑战，传统的有功、无功独立优化模式已经无法适配碳中和目标下的系统运行需求，极易出现新能源消纳不足、电压越限、运行损耗偏高等问题，严重制约双碳目标的落地推进。电气互联系统的核心特征是电网络与其他能源网络通过耦合设备实现深度互联，典型的耦合单元包含电制热设备、电制氢设备、燃气机组、新能源发电单元等，不同能源网络的运行特性可以通过耦合设备实现互补互济。本研究构建的电气互联系统以区域级电网为核心，耦合热力子网与天然气子网，系统总装机包含200MW风电、150MW光伏、3台50MW燃气机组、100MW电锅炉与50MW电制氢装置，覆盖区域内12万居民用户与30家工业用户的电、热、气综合负荷，系统的运行目标在传统安全稳定运行的基础上，新增新能源最大化消纳、系统运行碳排放最小化的双碳导向目标。传统的有功优化仅关注有功功率的经济调度，完全忽略无功电压约束，容易出现节点电压越限、系统网损过高的问题；传统的无功优化仅针对电网侧的无功补偿设备进行调节，无法调动多能源耦合设备的灵活调节潜力，优化空间极其有限。本研究构建有功-无功协同优化模型，将多能源耦合设备的有功调节能力与电网侧的无功调节资源统一纳入优化框架，在保证系统安全稳定运行的前提下，最大化新能源消纳水平，最小化系统的运行碳排放，完全适配碳中和目标下的新型电力系统运行需求。

二、系统多网络运行特性与耦合单元建模

电气互联系统包含电力网络、热力网络、天然气网络三个子网络，不同子网络的运行特性差异显著，通过统一的耦合单元模型实现多网络的能量流动映射。电力网络的运行特性采用交流潮流模型精确描述，结合此前5节点潮流计算的研究基础，考虑系统的有功、无功功率平衡约束，节点电压幅值上下限约束，支路传输容量约束，所有节点的功率注入满足基尔霍夫定律，同时将风电、光伏的出力不确定性通过场景集的方式纳入模型，覆盖新能源出力的全时段波动范围。热力网络采用水力-热力准稳态模型描述，热力介质在管道中的传输满足流量连续性方程与压力损失方程，热力负荷的供需平衡通过供水、回水的温度差实现，热力网络的天然热惯性可以实现长达数小时的延时调节，为电力系统提供极强的平移负荷能力，是电气互联系统最重要的灵活调节资源之一。天然气网络采用稳态气流模型描述，天然气在管道中的流动满足压力降方程，燃气储气罐具备跨时段的储气调峰能力，可以平抑天然气源的出力波动，为燃气机组的灵活调峰运行提供稳定的气源支撑。多能源耦合单元是实现多网络协同优化的核心枢纽，本研究对核心耦合设备完成精细化建模：燃气机组同时作为天然气网络的负荷与电力网络的电源，其有功出力与天然气消耗量满足严格的函数映射关系，同时燃气机组的同步电机具备极强的无功调节能力，可以在进相、迟相区间内连续调节无功出力；电锅炉作为电力网络的负荷与热力网络的热源，其有功消耗与输出热功率满足电热转换效率约束，同时电锅炉的电力电子接口可以实现动态无功补偿，具备连续可调的无功支撑能力；新能源发电单元通过并网逆变器接入电网，在输出有功功率的同时，可以独立调节无功出力，无需额外消耗有功容量，是系统内潜力巨大的分布式无功调节资源。所有耦合单元的有功-无功运行边界都被纳入统一的约束框架，打破了传统不同能源子系统独立优化的壁垒，为协同优化提供了充足的调节空间。

三、碳中和导向的有功-无功协同优化模型构建

本研究构建的协同优化模型以系统综合运行成本最小化为目标函数，目标函数中重点引入碳排放成本项，将碳中和目标直接转化为可量化的优化目标，目标函数具体形式为：min⁡F=Cgrid+Ccouple+Closs+CcarbonminF=Cgrid+Ccouple+Closs+Ccarbon其中CgridCgrid为电网侧的常规机组、新能源弃电惩罚成本，CcoupleCcouple为多能源耦合设备的运行成本，ClossCloss为电网的有功网损成本，CcarbonCcarbon为系统的总碳排放成本，碳排放成本根据系统内所有化石能源的消耗量乘以对应的碳排放因子与碳交易价格计算得到，直接将碳中和目标嵌入优化目标中。模型的约束体系分为四大类：第一类是电力系统运行约束，包含节点有功、无功功率平衡约束，节点电压幅值上下限约束，支路传输容量约束，发电机有功、无功出力上下限约束，无功补偿设备的调节容量约束；第二类是热力网络运行约束，包含热力节点的热功率平衡约束，管道流量约束，供水、回水温度上下限约束；第三类是天然气网络运行约束，包含天然气节点的气流平衡约束，管道压力上下限约束，储气罐的充放气约束；第四类是多能源耦合单元的运行约束，包含所有耦合设备的有功出力约束、无功调节边界约束、设备运行特性约束。针对高比例新能源的强不确定性，本研究采用鲁棒优化方法处理风电、光伏的出力波动，设置新能源出力的不确定调节区间，保证在新能源出力在区间内任意波动的场景下，系统的优化调度方案都可以满足所有安全稳定约束，避免传统确定性优化方案在新能源实际出力偏离预测值时出现的电压越限、功率失衡问题。为了提升模型的求解效率，本研究采用二阶锥松弛技术对原始的非凸交流潮流约束完成凸化处理，将原本的非凸非线性规划模型转化为高效可解的二阶锥规划模型，保证模型可以在多项式时间内得到全局最优解，完全适配区域级电气互联系统的实时优化调度需求。

⛳️ 运行结果

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