配电网-天然气互联系统可靠性评估模型研究

燃气发电机和电转气(Power to Gas,P2G)装置使能量在电力系统和天然气系统之间双向流动成为可能,同时也使电-气互联系统之间的耦合关系变得愈加紧密和复杂,这种耦合也会对电-气互联系统的可靠性产生影响。目前,只针对单独系统的可靠性评估已经不能满足多能源互联系统的发展需求,亟需对考虑系统之间耦合的多能源系统可靠性评估展开探索研究。将天然气网和配电网通过燃气发电机和电转气装置相连,实现电和气的协同优化与互补,同时以储能装置来平滑配电网中分布式电源出力的波动性,可以有效提高能源利用率和供能可靠性。因此本文以配电网-天然气互联系统为研究对象,对配电网-天然气互联系统的可靠性评估模型展开探索研究。论文主要研究工作如下:(1)根据天然气网中各元件的物理特性,建立天然气管道、压缩机的稳态气流模型。然后根据元件稳态气流模型和基尔霍夫第一定律,对天然气各节点列写气流量平衡方程,并给出平衡方程组雅可比矩阵的计算公式,实现了稳态气流的计算,从而为天然气系统的可靠性评估提供了分析基础。(2)目前,对电力系统的可靠性评估已经十分成熟,但定量评估天然气系统可靠性水平的研究较少,为了与配电网-天然气互联系统的可靠性水平进行比较,有必要先对单独的天然气系统开展可靠性评估。基于天然气系统与电力系统的相似性,将大电网可靠性评估基本理论应用到天然气系统中,提出适用于天然气系统可靠性评估指标和最优气负荷削减模型。采用序贯蒙特卡洛仿真法对11节点天然气系统进行仿真分析,并将可靠性计算结果同解析法和非序贯蒙特卡洛法的计算结果进行比较,验证了所提指标、模型的正确性与有效性,为进一步开展配电网-天然气互联系统可靠性评估奠定了基础。(3)考虑到电-气互联系统之间的耦合,同时计及储能(蓄电池、储气罐)的接入,对配电网-天然气互联系统的可靠性评估展开研究。分别对互联系统中的分布式电源、负荷、燃气发电机、电转气装置建立数学模型,对蓄电池建立考虑充放电约束的充放电模型;根据Bernoulli定律,通过一系列数学推导,得到储气罐最大充放气速率与储气罐当前气体存储量关系的解析表达式,并建立计及最大充放气速率约束和罐内储气量约束的储气罐充放气模型。为了平抑互联系统分布式电源出力的波动,提出相应的储能策略。对于削负荷状态下,配电网中孤岛负荷削减顺序,定义了负荷点削减系数,天然气网负荷削减量则根据改进的气负荷削减模型计算得到。通过对算例RBTS-BUS6-F4-NGS11互联系统、单独的RBTS-BUS6-F4配电网和11节点天然气网的序贯仿真结果进行比较,分析了互联系统同单一系统可靠性水平的差异。最后研究结果表明,配电网-天然气互联系统的可靠性水平将优于单独的天然气、配电系统,并且分布式电源、储能装置的接入,会进一步提升天然气-配电网互联系统的可靠性水平。