衛(wèi)志農(nóng)，梅建春，孫國(guó)強(qiáng)，臧海祥，陳 勝，陳 霜

（河海大學(xué) 能源與電氣學(xué)院，江蘇 南京 211100）

0 引言

隨著社會(huì)的發(fā)展和能源消耗的不斷增加，化石能源短缺以及環(huán)境污染等問題不容忽視。為了解決能源利用的難題，美國(guó)學(xué)者杰里米·里夫金在其著作《第三次工業(yè)革命》中提出能源互聯(lián)網(wǎng)（EI）這一概念［1］。天然氣作為一種清潔能源，具有儲(chǔ)量豐富、高效環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，在世界范圍內(nèi)得到大量開發(fā)。燃?xì)廨啓C(jī)是電力系統(tǒng)和天然氣系統(tǒng)傳統(tǒng)的耦合元件，隨著新型燃?xì)廨啓C(jī)和聯(lián)合循環(huán)燃?xì)廨啓C(jī)的快速發(fā)展，電力系統(tǒng)和天然氣系統(tǒng)之間的聯(lián)系日趨緊密。近年來出現(xiàn)的電轉(zhuǎn)氣（P2G）技術(shù)為電力儲(chǔ)能提供了新的方向，具有極大的應(yīng)用前景，同時(shí)，該技術(shù)的使用也使電-氣互聯(lián)綜合能源系統(tǒng)（IPGES）能量的雙向流動(dòng)成為可能［2-3］。因此對(duì)IPGES的研究成為了EI發(fā)展的必然趨勢(shì)［1，4-5］。

目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)IPGES的研究尚處于起步階段。文獻(xiàn)［6］利用電力系統(tǒng)潮流的計(jì)算方法計(jì)算天然氣系統(tǒng)能量流。文獻(xiàn)［7-9］研究了IPGES的穩(wěn)態(tài)能量流。電力系統(tǒng)和天然氣系統(tǒng)之間的耦合導(dǎo)致電力系統(tǒng)對(duì)天然氣系統(tǒng)的依賴性增強(qiáng)，文獻(xiàn)［10］以此為背景，研究了天然氣供應(yīng)可靠性對(duì)電力系統(tǒng)的影響。文獻(xiàn)［11］將電力系統(tǒng)概率潮流計(jì)算推廣到IPGES，進(jìn)行綜合能源系統(tǒng)的概率能量流分析。在文獻(xiàn)［6］的基礎(chǔ)上，文獻(xiàn)［12］研究了IPGES的最優(yōu)能量流，文獻(xiàn)［13］提出了一種IPGES概率最優(yōu)能量流模型，文獻(xiàn)［14］對(duì)互聯(lián)系統(tǒng)的最優(yōu)調(diào)度進(jìn)行了研究。然而，電網(wǎng)與氣網(wǎng)在動(dòng)態(tài)時(shí)間尺度上存在顯著差異，上述研究主要基于天然氣系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)能量流模型，忽略了天然氣管網(wǎng)慢過程的動(dòng)態(tài)特性，可能導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果偏離真實(shí)運(yùn)行狀態(tài)。文獻(xiàn)［15］提出了一種暫態(tài)條件下，以最小化壓縮成本為目標(biāo)函數(shù)的有效調(diào)度方案。文獻(xiàn)［16-17］計(jì)及了天然氣管道的管存特性，建立了互聯(lián)系統(tǒng)混合整數(shù)線性規(guī)劃模型，以保證短期運(yùn)行時(shí)的天然氣能源供應(yīng)充足。文獻(xiàn)［18］研究了天然氣系統(tǒng)暫態(tài)模型下IPGES的協(xié)調(diào)調(diào)度。

隨著電力系統(tǒng)和天然氣系統(tǒng)之間的耦合加深，一方面，天然氣系統(tǒng)的不確定性對(duì)電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行提出了挑戰(zhàn)；另一方面，天然氣系統(tǒng)對(duì)電力系統(tǒng)具有削峰填谷和輔助調(diào)頻等積極作用，因此研究電力系統(tǒng)和天然氣系統(tǒng)的聯(lián)合仿真具有重要意義［19-20］。與電力系統(tǒng)潮流計(jì)算類似，能量流計(jì)算是研究IPGES的基礎(chǔ)，然而目前國(guó)內(nèi)外研究主要基于天然氣系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)能量流模型，鮮有對(duì)互聯(lián)系統(tǒng)多時(shí)段暫態(tài)能量流的研究［5］。因此，為了更準(zhǔn)確地描述IPGES的真實(shí)運(yùn)行狀態(tài)，本文基于天然氣網(wǎng)暫態(tài)模型，同時(shí)考慮能量的雙向流動(dòng)，即通過燃?xì)廨啓C(jī)和P2G耦合電力系統(tǒng)和天然氣系統(tǒng)，建立完整的IPGES暫態(tài)能量流模型。最后通過算例分析，驗(yàn)證了互聯(lián)系統(tǒng)暫態(tài)能量流可以更準(zhǔn)確地反映天然氣系統(tǒng)的狀態(tài)變化，并分析了電力系統(tǒng)和天然氣系統(tǒng)之間的相互影響。

1 天然氣系統(tǒng)暫態(tài)模型

天然氣管網(wǎng)由許多元素構(gòu)成，包括氣源、負(fù)荷、管道、加壓站、閥門和調(diào)壓閥等［7，15］。 閥門和調(diào)壓閥用于控制管道中天然氣的流通或截止，本文假定天然氣管網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)一定，因此不考慮閥門和調(diào)壓閥的作用。天然氣大部分管網(wǎng)中還存在儲(chǔ)氣設(shè)施，不同時(shí)刻其可以作為穩(wěn)定的氣源或負(fù)荷。天然氣系統(tǒng)簡(jiǎn)單模型如圖1所示。對(duì)天然氣系統(tǒng)的建模，主要考慮3個(gè)方面：天然氣管道流量、加壓站和節(jié)點(diǎn)流量平衡方程［6］。

圖1 天然氣系統(tǒng)簡(jiǎn)單模型Fig.1 Simplified model of natural gas system

1.1 天然氣管道流量

天然氣管道流量與管道兩端壓力、管道物理特性、溫度、天然氣壓縮因子等因素有關(guān)。天然氣管道流量暫態(tài)模型由表征質(zhì)量守恒、能量守恒和牛頓第二定律的偏微分方程描述，其中，假設(shè)管道天然氣流量溫度與環(huán)境溫度相等，即不存在能量交換，因此能量守恒公式可以忽略［15-18，21］。 其具體描述如下：

其中，l為管道長(zhǎng)度；t為時(shí)間；ρ為天然氣密度；υ為天然氣軸向流速；π為天然氣壓力；G為重力加速度；H為高程；F為摩擦因子；D為管道內(nèi)徑。假設(shè)不同地區(qū)管道水平相同，即高程H相同，則式（2）中Gρ?H／?l為 0。 同時(shí) ?（ρυ）／?t和 ?（ρυ2）／?l對(duì)式（2）的影響可以忽略不計(jì)，故式（2）可轉(zhuǎn)換為：

天然氣壓力可由式（4）表示。其中，Z為天然氣平均壓縮因子；R為氣體常數(shù)；T為管道中天然氣平均溫度。式（5）是由壓力、密度和天然氣軸向速度表示的天然氣管道質(zhì)量流f，其中ρ0為標(biāo)準(zhǔn)條件下的天然氣密度。

將式（4）、（5）代入式（1）和式（3），得：

其中πl(wèi)，t和 fl，t分別為 t時(shí)刻管道長(zhǎng)度 l處的壓力和流量。

當(dāng)連接節(jié)點(diǎn) i、 j的管道分段為 1， fl，t表示管道流量時(shí)，穩(wěn)態(tài)情況下式（7）可簡(jiǎn)化為：

式（8）即為穩(wěn)態(tài)Weymouth公式，Sij表示管道流量的方向，πi≥πj時(shí)為 1，πi＜πj時(shí)為-1。

式（6）和式（7）為時(shí)空偏微分方程，描述了天然氣管道氣流的動(dòng)態(tài)特性。由于顯式方法僅僅是通過t時(shí)刻的變量值來求解t+1時(shí)刻的數(shù)值，而隱式方法在計(jì)算t+1時(shí)刻變量值的過程中綜合考慮了t和t+1時(shí)刻變量值的影響，所以本文在求解氣網(wǎng)暫態(tài)能量流時(shí)，采用隱式有限差分法求解偏微分方程式（6）、（7）以保證數(shù)據(jù)精度［18］。

天然氣系統(tǒng)每條管道分為NP段，則管道分段步長(zhǎng)為Δl=l／NP，管道分段后的節(jié)點(diǎn)數(shù)為NP+1（包括兩端節(jié)點(diǎn)）。假設(shè)時(shí)間步長(zhǎng)為Δt，時(shí)間周期為24 h，則有NT=24／Δt個(gè)時(shí)間點(diǎn)。將0時(shí)刻作為初始時(shí)刻，假定所有待求變量初值已知。偏微分方程式（6）、（7）差分后可由如下代數(shù)方程表示：

其中分別為 t時(shí)刻第 L 條管道長(zhǎng)度為 l處的壓力和流量，t∈｛1，2，…，NT｝；L∈｛1，2，…，N｝，N 為天然氣網(wǎng)管道數(shù)。

1.2 加壓站

加壓站簡(jiǎn)單模型如圖2所示。

實(shí)際高壓天然氣管網(wǎng)中，管道摩擦和熱交換導(dǎo)致的能量損耗會(huì)造成節(jié)點(diǎn)壓力損失，影響天然氣管道的傳輸能力，因而需要安裝加壓站來提高管道壓力［9］。加壓站由燃?xì)廨啓C(jī)、發(fā)動(dòng)機(jī)和壓縮機(jī)組成［7］，燃?xì)廨啓C(jī)從加壓站首端（或末端）汲取天然氣為壓縮機(jī)工作提供所需電能。近年來，歐洲部分國(guó)家為了達(dá)到溫室氣體減排的目標(biāo)，開始使用直接由電網(wǎng)提供電能的壓縮機(jī)替代傳統(tǒng)的燃?xì)怛?qū)動(dòng)壓縮機(jī)［22］。 壓縮機(jī)消耗的能量為：

圖2 加壓站簡(jiǎn)單模型Fig.2 Simplified model of compression station

其中，BHP為壓縮機(jī)消耗的能量；fc為流經(jīng)加壓站c的流量；B為與天然氣溫度、壓縮機(jī)效率、天然氣熱值等有關(guān)的常量；z為與天然氣熱值和天然氣壓縮因子有關(guān)的常量。

由消耗的能量BHP可以計(jì)算消耗的天然氣［6］：

其中，τc為加壓站 c 消耗的天然氣流量；αk、βk、γk為能量轉(zhuǎn)換效率常數(shù)，分別取為0、0.0002、0。

加壓站加壓比Rc即為加壓站末端與首端壓力之比，如式（15）所示，且πj≥πi，即對(duì)應(yīng)的加壓站流量必然從首端流向末端。

1.3 節(jié)點(diǎn)流量平衡方程

對(duì)于天然氣系統(tǒng)任一節(jié)點(diǎn)k，其暫態(tài)模型中節(jié)點(diǎn)流量平衡方程表示為：

其中，∑fk-source為與節(jié)點(diǎn)k相連的天然氣源流量，天然氣源包括天然氣井、P2G、儲(chǔ)氣設(shè)施等；∑fk-load為與節(jié)點(diǎn)k相連的天然氣負(fù)荷流量，天然氣負(fù)荷包括民用氣、工業(yè)用氣、燃?xì)廨啓C(jī)和儲(chǔ)氣設(shè)施；Sc為加壓站流量的方向，流入k節(jié)點(diǎn)為1，反之則為-1；管道支路流量為連接節(jié)點(diǎn) i、k 的管道末端流量，為連接節(jié)點(diǎn) k、 j的管道首端流量［18］，而穩(wěn)態(tài)模型中管道分段為1，其首末端流量相等，即穩(wěn)態(tài)模型節(jié)點(diǎn)流量平衡方程中管道支路流量為整條管道的流量。

2 電力系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)模型

電磁波在電網(wǎng)中以光速傳播，因此電網(wǎng)的暫態(tài)時(shí)間常數(shù)比氣網(wǎng)小，所以在研究IPGES的暫態(tài)能量流仿真時(shí)，電網(wǎng)可以采用穩(wěn)態(tài)模型。通過潮流方程求解各節(jié)點(diǎn)電壓幅值U、相角θ，繼而可以求得電力系統(tǒng)潮流分布［11］。 對(duì)于節(jié)點(diǎn) m，有：

其中，Pm和Qm分別為節(jié)點(diǎn)m的有功和無功計(jì)算值；Gmn和Bmn分別為支路mn的電導(dǎo)和電納；Um和Un分別為節(jié)點(diǎn)m和n的電壓幅值；θmn為節(jié)點(diǎn)m和n的電壓相角差；Pm，gen和 Qm，gen分別為節(jié)點(diǎn) m 上的發(fā)電機(jī)及其他無功補(bǔ)償裝置發(fā)出的有功和無功；Pm，load和Qm，load分別為節(jié)點(diǎn)m上的有功和無功負(fù)荷。

3 電網(wǎng)與氣網(wǎng)耦合模型

IPGES的耦合元件包括燃?xì)廨啓C(jī)和P2G。燃?xì)廨啓C(jī)中的能量是由天然氣系統(tǒng)流向電力系統(tǒng)，P2G中能量流方向與之相反。

3.1 燃?xì)廨啓C(jī)

燃?xì)廨啓C(jī)是IPGES中的重要耦合元件，由天然氣系統(tǒng)提供燃料，發(fā)出功率并注入電力系統(tǒng)。和燃煤發(fā)電機(jī)相比，燃?xì)廨啓C(jī)具有熱效率高、成本低、可靠性高和對(duì)環(huán)境影響小等優(yōu)點(diǎn)［10］。

本文對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)行建模，得到其消耗的天然氣e與其發(fā)電量PG呈如下關(guān)系［14］：

其中，M1、M2、M3為天然氣供應(yīng)系數(shù)，分別為 0、0.005 Mm3／（D·MW）、0。

3.2 P2G技術(shù)

由于風(fēng)能和太陽(yáng)能等新能源存在間歇性和可控性差等缺點(diǎn)，實(shí)際并網(wǎng)時(shí)存在一定的“棄風(fēng)”和“棄光”現(xiàn)象［2］。在此背景下，P2G的發(fā)展為新能源的消納提供了契機(jī)。P2G分為電轉(zhuǎn)氫氣和電轉(zhuǎn)甲烷，由于要考慮熱能和反燃等問題，天然氣管網(wǎng)中注入的氫氣在管道氣體中所占比例存在一定的限制，而注入甲烷不受該約束限制［2，23-25］。 P2G消耗的功率與天然氣（甲烷）產(chǎn)量的一般關(guān)系式為：

其中，fP2G為P2G產(chǎn)生的天然氣流量；PP為消耗的功率；μP為 P2G 的轉(zhuǎn)換效率，取 62%［24］；HG為天然氣熱值。

4 多時(shí)段暫態(tài)能量流仿真

電力系統(tǒng)以節(jié)點(diǎn)電壓幅值U和相角θ為狀態(tài)變量，天然氣系統(tǒng)取節(jié)點(diǎn)壓力、管道分段流量和壓力以及流經(jīng)加壓站的流量作為狀態(tài)變量。以穩(wěn)態(tài)能量流計(jì)算結(jié)果作為初始時(shí)刻天然氣系統(tǒng)各狀態(tài)量初值。計(jì)算得下文天然氣系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)1—20壓力初值分別為：57.00、56.89、56.71、54.37、49.06、49.09、50.98、55.00、55.00、54.51、53.88、53.43、52.99、52.96、52.36、51.82、53.87、53.87、53.32、53.32 bar。 計(jì)算得到管道流量初值，連接節(jié)點(diǎn)1-2有2條管道，管道流量初值均為0.44875 Mm3／h；連接節(jié)點(diǎn)2-3有2條管道，管道流量初值均為 0.46458 Mm3／h；連接節(jié)點(diǎn) 3-4、5-6、6-7、7-4、4-14所對(duì)應(yīng)的管道流量初值分別為0.7925、-0.02333、-0.220 83、-0.37542、0.41708 Mm3／h；連接節(jié)點(diǎn)9-10有2條管道，管道流量初值分別為0.41167、0.05042 Mm3／h；連接節(jié)點(diǎn)10-11有2條管道，管道流量初值分別為 0.41167、0.05042 Mm3／h；連接節(jié)點(diǎn)11-12、12-13、13-14、14-15、15-16、11-17、18-19、19-20所對(duì)應(yīng)的管道流量初值分別為0.27042、0.27042、0.21083、0.63167、0.37458、0.01333、0.01292、0.00667 Mm3／h。計(jì)算得到連接節(jié)點(diǎn)8-9、17-18所對(duì)應(yīng)的加壓站流量初值分別為0.81743、0.08921 Mm3／h。暫態(tài)模型下，管道分段節(jié)點(diǎn)壓力初值假設(shè)為兩端節(jié)點(diǎn)壓力平方和在管道分段節(jié)點(diǎn)上的等差分布，管道分段節(jié)點(diǎn)流量初值假設(shè)與穩(wěn)態(tài)管道流量相等。

綜合能源系統(tǒng)暫態(tài)能量流計(jì)算等式如下：

其中，Ng為天然氣管網(wǎng)節(jié)點(diǎn)數(shù)；Nc為氣網(wǎng)中加壓站數(shù)量；NPV和NPQ分別為電網(wǎng)中PV和PQ節(jié)點(diǎn)數(shù)；為天然氣系統(tǒng)誤差向量；ΔPm和ΔQm為電力系統(tǒng)誤差向量。

上述等式均為非線性代數(shù)方程組，故本文利用牛頓-拉夫遜法求解互聯(lián)系統(tǒng)多時(shí)段暫態(tài)能量流，圖3為其算法流程圖。

對(duì)于某個(gè)時(shí)間斷面，能量流仿真主要分為兩部分：首先，計(jì)算電力系統(tǒng)潮流，根據(jù)潮流數(shù)據(jù)計(jì)算燃?xì)廨啓C(jī)消耗以及P2G產(chǎn)生的天然氣體積；然后，進(jìn)行天然氣系統(tǒng)能量流計(jì)算。每個(gè)時(shí)間斷面的能量流計(jì)算所得結(jié)果作為下一時(shí)間斷面的已知量，通過與時(shí)空有關(guān)的非線性代數(shù)方程組，完成時(shí)間周期內(nèi)所有時(shí)間斷面的能量流仿真。

5 算例分析

5.1 算例說明

圖3 電-氣互聯(lián)綜合能源系統(tǒng)多時(shí)段暫態(tài)能量流仿真流程圖Fig.3 Flowchart of multi-period transient energy-flow simulation for IPGES

本文采用如圖4所示的修改的IEEE 24節(jié)點(diǎn)電力系統(tǒng)和比利時(shí)20節(jié)點(diǎn)高壓天然氣系統(tǒng)構(gòu)造IPGES進(jìn)行算例分析。圖中，燃?xì)鈾C(jī)組接在電力系統(tǒng)的節(jié)點(diǎn)1、13、22上，燃煤機(jī)組接在電力系統(tǒng)的節(jié)點(diǎn)2、7、16、18、21、23 上，天然氣系統(tǒng)中的實(shí)線、虛線分別表示高壓、低壓天然氣。IEEE 24節(jié)點(diǎn)電力系統(tǒng)具體參數(shù)由Matpower 4.1提供，比利時(shí)20節(jié)點(diǎn)天然氣系統(tǒng)參數(shù)參考文獻(xiàn)［26］。圖4中，假設(shè)在電力系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)13、22和1上通過燃?xì)廨啓C(jī)分別和天然氣系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)5、6和14互聯(lián)，電力系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)6、17上均接有容量為800 MW的風(fēng)電機(jī)組，同時(shí)節(jié)點(diǎn)6和17通過P2G分別與天然氣系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)13和10相連。風(fēng)電出力、電力負(fù)荷和天然氣負(fù)荷24 h曲線如圖5所示。

5.2 暫、穩(wěn)態(tài)能量流對(duì)比分析

首先，不考慮天然氣系統(tǒng)和電力系統(tǒng)之間的耦合，假設(shè)在天然氣系統(tǒng)暫態(tài)和穩(wěn)態(tài)模型下天然氣管網(wǎng)不同時(shí)段的氣源及負(fù)荷相同，然后計(jì)算天然氣系統(tǒng)在文獻(xiàn)［13］中采用的穩(wěn)態(tài)模型和本文建立的暫態(tài)模型下的多時(shí)段能量流并進(jìn)行對(duì)比，天然氣管網(wǎng)節(jié)點(diǎn)5在暫、穩(wěn)態(tài)模型下不同時(shí)段壓力值對(duì)比如圖6所示。

圖4 IEEE 24節(jié)點(diǎn)電力和比利時(shí)20節(jié)點(diǎn)天然氣互聯(lián)系統(tǒng)Fig.4 IPGES of IEEE 24-bus power system and Belgian 20-node gas system

圖5 不同時(shí)段風(fēng)電出力、電力負(fù)荷和天然氣負(fù)荷Fig.5 Daily wind power，electricity load and gas load

圖6 天然氣節(jié)點(diǎn)5在暫態(tài)和穩(wěn)態(tài)模型下的壓力Fig.6 Pressures of gas node 5 calculated by steady-state and transient models

天然氣管網(wǎng)節(jié)點(diǎn)5的壓力在2種模型下具有相似的時(shí)間變化趨勢(shì)，但相比穩(wěn)態(tài)模型，暫態(tài)模型下的氣網(wǎng)節(jié)點(diǎn)壓力時(shí)間變化曲線更為平緩。這是由于在暫態(tài)模型中，管道的管存特性平抑了部分天然氣負(fù)荷的波動(dòng)。理論上，如果時(shí)間步長(zhǎng)Δt和管道分段步長(zhǎng)Δl取足夠小，則計(jì)算結(jié)果更符合實(shí)際情況，但相應(yīng)的計(jì)算量會(huì)顯著增大，計(jì)算時(shí)間會(huì)增長(zhǎng)。

5.3 風(fēng)電消納定量評(píng)估

風(fēng)功率的大范圍波動(dòng)可能導(dǎo)致支路容量或節(jié)點(diǎn)電壓幅值越限，而P2G可以將電網(wǎng)難以消納的風(fēng)電轉(zhuǎn)化為天然氣存儲(chǔ)到氣網(wǎng)中，減小風(fēng)電并網(wǎng)對(duì)電網(wǎng)安全性的影響。

不同時(shí)段電壓幅值（標(biāo)幺值）和支路輸電能力的變化情況分別如圖7與圖8所示。由圖7、8可知，在08∶00—24∶00時(shí)間段內(nèi)，風(fēng)電接入導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)6電壓幅值接近或超過其上限（1.05 p.u.），而P2G的接入有效降低了其電壓幅值；對(duì)于支路17-16，風(fēng)電接入導(dǎo)致其支路輸電能力越限（500 MV·A），配置P2G后有效緩解了輸電阻塞問題，促進(jìn)了新能源的消納，避免了電網(wǎng)的不安全運(yùn)行。

圖7 風(fēng)電和P2G對(duì)電力節(jié)點(diǎn)6電壓的影響Fig.7 Effects of wind power and P2G on voltage of power bus 6

圖8 風(fēng)電和P2G對(duì)電力支路17-16輸電能力的影響Fig.8 Effects of wind power and P2G on transmission capacity of power branch 17-16

5.4 風(fēng)電波動(dòng)對(duì)天然氣系統(tǒng)的影響

燃?xì)廨啓C(jī)具有經(jīng)濟(jì)性和高可靠性等優(yōu)點(diǎn)，當(dāng)電力系統(tǒng)出現(xiàn)波動(dòng)時(shí)，天然氣系統(tǒng)可以通過燃?xì)廨啓C(jī)對(duì)電力系統(tǒng)進(jìn)行快速調(diào)節(jié)。以風(fēng)電為例，由于風(fēng)電具有較強(qiáng)的不確定性，當(dāng)風(fēng)電波動(dòng)時(shí)，通過調(diào)節(jié)燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電量可以使電力系統(tǒng)保持平衡。假設(shè)節(jié)點(diǎn)6上風(fēng)電機(jī)組在06∶00和17∶00所發(fā)功率小于預(yù)期值，在 12∶00、13∶00 和 21∶00 高于其預(yù)期值，調(diào)節(jié)燃?xì)廨啓C(jī)所發(fā)功率，得到有、無風(fēng)電波動(dòng)對(duì)天然氣系統(tǒng)的影響如圖9所示。

圖9 風(fēng)電波動(dòng)時(shí)天然氣節(jié)點(diǎn)5壓力變化Fig.9 Pressure variations of gas node 5，with and without wind-power fluctuation

燃?xì)廨啓C(jī)是電力系統(tǒng)的電源，同時(shí)也是天然氣系統(tǒng)的負(fù)荷。當(dāng)風(fēng)電出力小于預(yù)期值時(shí)，為了保證電力系統(tǒng)電源出力和負(fù)荷的平衡，燃?xì)廨啓C(jī)需要增加出力，氣網(wǎng)負(fù)荷增加，由圖9可知，天然氣管網(wǎng)節(jié)點(diǎn)壓力降低；當(dāng)風(fēng)電出力高于其預(yù)期值時(shí)，燃?xì)廨啓C(jī)減小出力以保證電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，此時(shí)天然氣負(fù)荷減小，天然氣系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)壓力增大。

6 結(jié)論

考慮到電力系統(tǒng)和天然氣系統(tǒng)動(dòng)態(tài)時(shí)間尺度差異較大，本文基于天然氣系統(tǒng)暫態(tài)模型和電力系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)模型，以燃?xì)廨啓C(jī)和P2G耦合電力系統(tǒng)和天然氣系統(tǒng)，研究了IPGES多時(shí)段暫態(tài)能量流的仿真，有望為綜合能源系統(tǒng)后續(xù)的規(guī)劃、運(yùn)行與控制奠定基礎(chǔ)。通過算例分析可得如下結(jié)論：

a.相比于天然氣系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)模型，天然氣系統(tǒng)暫態(tài)模型下的能量流仿真可以更準(zhǔn)確地描述天然氣系統(tǒng)的實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)；

b.P2G對(duì)風(fēng)電消納具有積極作用，緩解了輸電線路阻塞問題，從而保證了電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行；

c.電力系統(tǒng)中的隨機(jī)性（特別是間歇性風(fēng)電的隨機(jī)性）通過燃?xì)廨啓C(jī)傳播至天然氣系統(tǒng)，從而對(duì)天然氣系統(tǒng)的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行造成影響，因而在綜合能源系統(tǒng)運(yùn)行規(guī)劃與實(shí)時(shí)調(diào)度中，需充分計(jì)及不確定因素的影響。

隨著燃?xì)廨啓C(jī)所占比例的提高，天然氣供應(yīng)對(duì)電力系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響逐漸加強(qiáng)，天然氣網(wǎng)絡(luò)故障等不確定因素可能導(dǎo)致部分機(jī)組停運(yùn)，電力系統(tǒng)失去平衡。后續(xù)將針對(duì)這些問題，以IPGES暫態(tài)模型為基礎(chǔ)，建立安全約束模型，進(jìn)行事故分析。

參考文獻(xiàn)：

［1］董朝陽(yáng)，趙俊華，文福拴,等.從智能電網(wǎng)到能源互聯(lián)網(wǎng)∶基本概念與研究框架［J］. 電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2014，38（15）：1-11.DONG Zhaoyang，ZHAO Junhua，WEN Fushuan，etal.From smart grid to energy internet：basic concept and research framework ［J］.Automation of Electric Power Systems，2014，38（15）：1-11.

［2］王業(yè)磊，趙俊華，文福拴,等.具有電轉(zhuǎn)氣功能的多能源系統(tǒng)的市場(chǎng)均衡分析［J］. 電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2015，39（21）：1-10，65.WANG Yelei，ZHAO Junhua，WEN Fushuan，et al.Market equilibrium of multi-energy system with power-to-gas functions［J］.Automation of Electric Power Systems，2015，39（21）：1-10，65.

［3］王璟，王利利，林濟(jì)鏗，等.能源互聯(lián)網(wǎng)結(jié)構(gòu)形態(tài)及技術(shù)支撐體系研究［J］. 電力自動(dòng)化設(shè)備，2017，37（4）：1-10.WANG Jing，WANG Lili，LIN Jikeng，et al.Energy internet morphology and its technical support system ［J］.Electirc Power Automation Equipment，2017，37（4）：1-10.

［4］張勇軍，陳澤興，蔡澤祥，等.新一代信息能源系統(tǒng)：能源互聯(lián)網(wǎng)［J］. 電力自動(dòng)化設(shè)備，2016，36（9）：1-7.ZHANG Yongjun，CHEN Zexing，CAI Zexiang，et al.New generation of cyber-energy system：energy internet［J］.Electirc Power Automation Equipment，2016，36（9）：1-7.

［5］王偉亮，王丹，賈宏杰，等.能源互聯(lián)網(wǎng)背景下的典型區(qū)域綜合能源系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)分析研究綜述［J］.中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2016，36（12）：3292-3305.WANG Weiliang，WANG Dan，JIA Hongjie，et al.Review of steadystate analysis of typical regional integrated energy system under the background of energy internet［J］.Proceedings of the CSEE，2016，36（12）：3292-3305.

［6］LI Q，AN S，GEDRA T W.Solving natural gas load flow problems using electric load flow techniques［C］∥Proc of the North American Power Symposium.Rolla，USA：［s.n.］，2003：1-7.

［7］張義斌.天然氣電力混合系統(tǒng)分析方法研究［D］.北京：中國(guó)電力科學(xué)研究院，2005.ZHANG Yibin.Study on the methods for analyzing combined gas and electricity networks［D］.Beijing：China Electric Power Research Institute，2005.

［8］MARTINEZ-MARESA，F(xiàn)UERTE-ESQUIVEL C R.Integrated energy flow analysisin naturalgasand electricity coupled systems［C］∥North American Power Symposium（NAPS）.Boston，MA，USA：IEEE，2011：1-7.

［9］MARTINEZ-MARES A，F(xiàn)UERTE-ESQUIVEL C R.A unified gas and power flow analysis in natural gas and electricity coupled networks［J］.IEEE Transactions on Power Systems，2012，27（4）：2156-2166.

［10］MUNOZ J，JIMENEZ-REDONDO N，PEREZ-RUIZ J，et al.Natural gas network modeling for power systems reliability studies［C］∥2003 IEEE Bologna Power Tech Conference.Bologna，Italy：IEEE，2003：1-8.

［11］陳勝，衛(wèi)志農(nóng)，孫國(guó)強(qiáng)，等.電-氣混聯(lián)綜合能源系統(tǒng)概率能量流分析［J］. 中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2015，35（24）：6331-6340.CHEN Sheng，WEI Zhinong，SUN Guoqiang，et al.Probabilistic energy flow analysis in integrated electricity and natural-gas energy systems［J］.Proceedingsofthe CSEE，2015，35（24）：6331-6340.

［12］AN S，LI Q，GEDRA T W.Natural gas and electricity optimal power flow［C］∥2003 IEEE PES Transmission and Distribution Conference.Dallas，TX，USA：IEEE，2003：138-143.

［13］孫國(guó)強(qiáng)，陳霜，衛(wèi)志農(nóng)，等.計(jì)及相關(guān)性的電-氣互聯(lián)系統(tǒng)概率最優(yōu)潮流［J］. 電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2015，39（21）：11-17.SUN Guoqiang，CHEN Shuang，WEI Zhinong，et al.Probabilistic optimal power flow of combined natural gas and electric system considering correlation［J］.Automation of Electric Power Systems，2015，39（21）：11-17.

［14］UNSIHUAY C，LIMA J W M，SOUZA A C Z D.Modeling the integrated natural gas and electricity optimal power flow［C］∥2007 IEEE Power Engineering Society General Meeting.Tampa，F(xiàn)L，USA：IEEE，2007：1-7.

［15］MAK T W K，HENTENRYCK P V，ZLOTNIK A，et al.Efficient dynamic compressor optimization in natural gas transmission systems［C］∥IEEE American Control Conference.Boston，MA，USA：IEEE，2016：7478-7483.

［16］CHAUDRY M，JENKINS N，STRBAC G.Multi-time period combined gas and electricity network optimization［J］.Electric Power Systems Research，2008，78（7）：1265-1279.

［17］CORREA-POSADA C M，SANCHEZ-MARTIN P.Integrated power and natural gas model for energy adequacy in short-term operation［J］.IEEE Transactions on Power Systems，2015，30（6）：3347-3355.

［18］LIU C，SHAHIDEHPOUR M，WANG J.Coordinated scheduling of electricity and natural gas infrastructures with a transient model for natural gas flow［J］.Chaos，2011，21（21）：599-606.

［19］余曉丹，徐憲東，陳碩翼，等.綜合能源系統(tǒng)和能源互聯(lián)網(wǎng)簡(jiǎn)介［J］. 電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2016，31（1）：1-13.YU Xiaodan，XU Xiandong，CHEN Shuoyi，et al.A brief review to integrated energy system and energy internet［J］.Transactions of China Electrotechnical Society，2016，31（1）：1-13.

［20］SHAHIDEHPOUR M，F(xiàn)U Y，WIEDMAN T.Impact of natural gas infrastructure on electric power systems［J］.Proceedings of the IEEE，2005，93（5）：1042-1056.

［21］NOORBEHESHT N，GHASEMINEJAD P.Numerical simulation of the transient flow in natural gas transmission lines using a computational fluid dynamic method［J］.American Journal of Applied Sciences，2013，10（1）：24-34.

［22］吳建中.歐洲綜合能源系統(tǒng)發(fā)展的驅(qū)動(dòng)與現(xiàn)狀［J］.電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2016，40（5）：1-7.WU Jianzhong.Drivers and state-of-the-art of integrated energy systems in Europe［J］.Automation of Electric Power Systems，2016，40（5）：1-7.

［23］QADRDAN M，ABEYSEKERA M，CHAUDRY M，et al.Role of power-to-gas in an integrated gas and electricity system in Great Britain［J］.International Journal of Hydrogen Energy，2015，40（17）：5763-5775.

［24］HEINISCH V，LE A T.Effects of power-to-gas on power systems：a case study of Denmark［C］∥IEEE Eindhoven PowerTech，PowerTech 2015.Eindhoven，Netherlands：IEEE，2015：1-6.

［25］王一家，董朝陽(yáng)，徐巖，等.利用電轉(zhuǎn)氣技術(shù)實(shí)現(xiàn)可再生能源的大規(guī)模存 儲(chǔ)與傳 輸［J］. 中 國(guó) 電 機(jī)工程 學(xué) 報(bào)，2015，35（14）：3586-3595.WANG Yijia，DONG Zhaoyang，XU Yan，et al.Enabling largescale energy storage and renewable energy grid con-nectivity：a power-to-gas approach［J］.Proceedings of the CSEE，2015，35（14）：3586-3595.

［26］WOLF D D，SMEERS Y.The gas transmission problem solved byan extension ofthesimplexalgorithm［J］.Management Science，2000，46（46）：1454-1465.