机组运行可靠性分析论文提纲

2022-08-28

论文题目:计及故障传播的电-气耦合系统可靠性分析及备用优化研究

摘要:在“碳排放力争2030年前达峰,2060年力争实现碳中和”的背景下,电-气耦合系统作为多能源系统的基本表现形式,对于可再生能源的消纳和碳排放的减少将起到重要的支撑作用。电力与天然气系统间的交互耦合在促进能源行业提效减碳的同时,也给系统运行引入了新的风险因素,即多能耦合引起的故障跨系统传播。2021年美国德克萨斯等大停电事故的起因是天然气系统中气源产气下降、管道停运等故障造成天然气机组供气中断,电力发电容量骤降。与此同时,备用容量作为系统可靠性管理的重要资源,可为调度机构提供调节充裕度以保证系统发用平衡。然而,在上述大停电事故中,由于备用容量的长期规划及运行优化结果忽略了故障跨系统传播,导致系统调节资源不足,进一步扩大了故障的影响范围。因此,如何准确地评估电-气耦合系统的可靠性,并提出有效的备用优化方法,已成为保障能源系统安全可靠运行的重要科学问题。相较于传统电力系统,电-气耦合系统包含的各能源设备特性迥异且存在复杂的交互作用,导致可靠性分析与备用优化面临诸多挑战。首先,各子系统可靠性同时受耦合元件影响,耦合元件可靠性模型与子系统间可靠性交互关系尚不明确,适用于电-气耦合系统可靠性分析的通用建模方法尚未建立。其次,电力与天然气系统间故障传播随机且不受控,电、气网络惯性的差异使得故障传播具有复杂动态过程,如何将故障传播过程考虑至可靠性分析较为困难。此外,故障传播使得子系统可靠性间交互影响,如何构建考虑故障传播的可靠性约束,建立经济性与可靠性协调的长期容量规划模型较为困难。最后,电力与天然气耦合既可导致故障传播,也能使得各子系统备用通过耦合元件共享,如何在保障系统可靠性的同时实现电、气备用的协同优化面临巨大挑战。针对上述关键问题,本论文从四个方面开展研究工作,主要内容总结如下:(1)针对耦合系统可靠性分析问题,基于通用生成函数技术提出了系统可靠性通用建模方法,创建了“独立元件-天然气系统-耦合元件-电力系统”的“分块化”建模思路。针对气源等不同元件的运行特征,建立了独立元件的可靠性模型;通过定义天然气最优潮流算子将独立元件的可靠性模型组合,构建天然气系统的可靠性模型;通过定义气转电算子,将天然气系统随机故障耦合至电力系统可靠性模型中。建立节点可靠性分析指标体系,有效量化分析电力与天然气系统间可靠性的交互关系。(2)针对电转气装置接入引起的故障双向传播,即连锁效应问题,建立了考虑连锁效应动态过程的电-气耦合系统可靠性分析框架,挖掘了故障传播机理及对系统可靠性的影响。考虑电力系统与天然气系统间不同的动态行为特征,提出了动态连锁效应分析模型来描述故障的时空传播过程;结合连锁效应的传播特征,定义了连锁效应停止的判定依据;基于蒙特卡洛模拟技术将故障双向传播考虑至系统可靠性分析框架中,并定义可靠性动态评估指标,量化连锁效应对系统可靠性的影响。(3)针对规划层面的系统可靠性管理问题,建立了经济性与可靠性协调的电-气耦合系统长期容量规划模型。引入了模糊集理论对系统负荷变化与元件故障进行模糊建模,减少系统状态数和降低模型复杂度;考虑故障传播过程,依次构建了天然气与电力系统的概率可靠性约束,并将其耦合至系统长期容量规划模型中;针对所构建模型含模糊数与可靠性约束难以直接求解的情况,提出基于乐观系数和Benders分解相结合的模型解算策略。(4)针对运行层面的系统可靠性管理问题,提出了考虑可靠性约束的电、气备用的协同优化模型。建立了发电机组和气源提供备用的多状态模型,精准不同故障状态的备用提供量;综合考虑风电波动和故障传播等因素构建概率可靠性约束,量化电、气备用与可靠性指标的关联度;建立考虑可靠性约束的运行备用优化模型,实现电、气备用间的协同优化;针对模型非凸、非线性等特征,采用大M法与分段线性化相结合的方法将其转化求解。

关键词:电-气耦合系统;故障传播;可靠性分析;长期容量规划;运行备用优化;概率可靠性约束

学科专业:电力系统及其自动化

致谢

摘要

Abstract

第一章 绪论

1.1 课题背景及研究意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 电-气耦合系统可靠性分析研究概述

1.2.2 电-气耦合系统容量规划研究概述

1.2.3 电-气耦合系统运行备用优化概述

1.3 论文的主要内容

第二章 电-气耦合系统的可靠性通用建模方法

2.1 引言

2.2 电-气耦合系统可靠性分析框架

2.3 独立元件可靠性建模

2.3.1 气源可靠性建模

2.3.2 压缩机可靠性建模

2.3.3 储气装置可靠性建模

2.3.4 燃煤机组可靠性建模

2.4 电-气耦合系统可靠性建模

2.4.1 天然气系统可靠性建模

2.4.2 耦合元件(天然气机组)可靠性建模

2.4.3 考虑天然气系统影响的电力系统可靠性建模

2.5 算例分析

2.5.1 测试系统与参数设置

2.5.2 案例1:耦合程度对电-气耦合系统可靠性的影响

2.5.3 案例2:储气装置容量水平对系统可靠性的影响

2.5.4 案例3:UGF技术与MCS法在大规模系统中对比

2.6 本章小结

第三章 考虑连锁效应的电-气耦合系统可靠性分析

3.1 引言

3.2 考虑P2G装置接入的电-气耦合系统连锁效应描述

3.2.1 考虑P2G装置接入的电-气耦合系统架构

3.2.2 考虑连锁效应的故障传播过程刻画

3.3 连锁效应时空动态传播建模

3.3.1 初始故障

3.3.2 耦合元件建模

3.3.3 天然气系统再调度模型

3.3.4 电力系统再调度模型

3.3.5 连锁效应停止的判定依据

3.4 考虑连锁效应的电-气耦合系统可靠性分析方法

3.4.1 可靠性指标

3.4.2 基于MCS法的可靠性分析流程

3.5 算例分析

3.5.1 测试系统与参数设置

3.5.2 案例1:连锁效应对系统可靠性的影响分析

3.5.3 案例2:大规模测试系统可靠性分析

3.6 本章小结

第四章 计及经济性与可靠性协调的电-气耦合系统容量规划

4.1 引言

4.2 负荷与元件故障的模糊模型

4.2.1 模糊负荷持续曲线模型

4.2.2 模糊元件状态持续曲线模型

4.3 协调经济性与可靠性的电-气耦合系统容量规划模型

4.3.1 目标函数

4.3.2 考虑故障传播的概率可靠性约束构建

4.3.3 系统建设投资约束构建

4.3.4 系统运行约束构建

4.4 求解方法

4.4.1 模糊数处理方法

4.4.2 规划模型分解求解算法

4.4.3 容量规划模型求解流程

4.5 算例分析

4.5.1 测试系统与参数设置

4.5.2 案例1:考虑不同故障类型的规划结果比较分析

4.5.3 案例2:可靠性要求对规划结果影响的灵敏度分析

4.6 本章小结

第五章 考虑概率可靠性约束的电-气耦合系统运行备用优化

5.1 引言

5.2 考虑故障传播的电-气耦合系统概率可靠性约束构建

5.2.1 发电机组与气源提供备用的多状态模型

5.2.2 风电机组的多状态模型

5.2.3 考虑故障传播的概率可靠性约束

5.3 含概率可靠性约束的电、气备用协同优化模型

5.3.1 目标函数

5.3.2 天然气系统运行约束

5.3.3 电力系统运行约束

5.3.4 可靠性约束

5.4 求解方法

5.4.1 可靠性约束线性化

5.4.2 天然气潮流方程线性化

5.5 算例分析

5.5.1 测试系统与参数设置

5.5.2 案例1:不同故障类型下备用优化结果分析

5.5.3 案例2:可靠性要求变化对备用优化结果的灵敏度分析

5.6 本章小结

第六章 总结与展望

6.1 全文总结

6.2 未来工作展望

参考文献

作者简历

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