气、电联合系统中储能的鲁棒协调规划方法研究

The natural gas system and power system are most important energy infrastructures in modern society. Meanwhile, energy storage technologies play the essential role in the energy systems nowadays. This proposed project studies the bi-level optimization techniques for the planning of energy storages in the integrated gas and power system. The two optimization problems for both storage planning and system operation are included in the bi-level optimization and solved through the iterative process. At the storage planning level, info-gap decision theory (IGDT) is applied so that given the planning budget, the size of the robust region can be determined. The quantitative relationship between the robustness of the planned system and the total investment cost will be built. At the operation optimization level, the dynamic optimal energy flow will be formulated for the integrated gas and electrical system considering their different time-constants. Robust transformation will be used with bi-directional energy conversion. After the success of this project, a comprehensive method will be proposed for the coordinated planning of energy storages in the integrated gas and electrical systems. The proposed project can also contribute to the researches on energy system integration and deployment of energy storages in the future.

天然气和电力系统在现代能源体系中占有重要地位，储能又是现代能源系统中不可或缺的重要环节。为此，本课题研究气、电联合系统中储能协调规划方法。提出两层级储能规划框架，分储能规划和系统运行两个层面分别构造优化问题，然后运用分解协调算法迭代求解。在储能规划层面，基于信息间隙理论计算在给定的预算条件下系统所能够承受的最大允许扰动范围，定量描述最优规划决策下系统鲁棒性和规划预算之间的关系；在系统运行层面，考虑天然气系统和电力系统在时间常数上存在的差异，建立联合系统的多时段动态最优潮流模型，并研究联合系统中双向能量交换下的鲁棒对等转换。通过本课题研究，最终形成一套气、电联合系统中储能协调规划的理论方法。研究成果预期为储能的推广应用和多能源网的协调提供技术支持和理论支撑。

天然气和电力在现代能源传输体系中占有重要地位，世界各国均通过建设高压输电和输气网络在广阔的地域范围内激励资源的优化调配。随着燃气机组和电力制氢制气的推广，天然气和电力系统的耦合也在不断增强。为此，本项目围绕天然气-电力联合系统开展系统性的研究。 .首先,建立了能够反映天然气系统和电力系统差异性的气-电联合系统动态最优潮流模型。该模型从描述天然气动态过程的流体力学基础理论出发，通过系列的推导和简化，实现了模型的精度、数学性质和计算效率之间的权衡，不仅能够精确地计及管道储气的时空分布，且数学性质优、计算效率高，适用于大规模广域系统。.第二，提出了考虑风电不确定性的动态价格补贴鲁棒更新策略，根据经典的对偶理论量化了天然气系统辅助电力系统消纳可再生能源的贡献。所设计的动态补偿策略既有严格的数学推导，又具有明确的物理意义，能够激励燃气发电厂和P2G电站积极参与风电消纳，提升电力系统灵活性，可为综合能源服务工程实际提供量化参考。.在气-电联合系统动态最优潮流的基础上，本项目创新提出了基于函数空间优化理论的建模方法，利用正交多项式推导了代数解空间和函数解空间的变换。区别于目前普遍采用的代数优化模型，函数空间优化问题的解是显含时间和空间的连续函数，不仅更加真实地反应了系统演化的轨迹，还可以精确地表达优化变量的微分和积分，为综合能源系统中广泛存在偏微分方程约束的优化问题提供了一个新的建模思路。 .最后，提出了融合电力制氢和超导磁储能的大容量复合储能技术——液氢超导共融储能：共用液氢作为储能介质和超导磁体冷媒，共用杜瓦承载超导磁体和储存液氢，共用多端口变换器实现电-氢-热-冷的能量转换。以此融合超导磁储能的快速充放电和氢储能长时间大容量的优势，既能够为电力能源系统提供短时功率支撑，又能够实现长时能量型应用。在能源互联网促进大规模可再生能源消纳的趋势下，液氢超导共融储能可以作为耦合天然气和电力系统的能源路由器。