【摘 要】
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近年来,为应对能源环境危机、实现低碳可持续发展,构建以电力系统为中心的、多能互补多网融合的综合能源系统（integrated energy system,IES）逐渐成为国内外能源领域的新趋势。电-气综合能源系统（integrated electricity and natural gas system,IEGS）由电力系统和天然气网通过燃气机组、电转气装置（power to gas,P2G）和电
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近年来,为应对能源环境危机、实现低碳可持续发展,构建以电力系统为中心的、多能互补多网融合的综合能源系统（integrated energy system,IES）逐渐成为国内外能源领域的新趋势。电-气综合能源系统（integrated electricity and natural gas system,IEGS）由电力系统和天然气网通过燃气机组、电转气装置（power to gas,P2G）和电驱动压缩机等耦合形成,是IES的一种典型形式,电-气协同规划与运行也逐渐发展成为IES的重要研究领域。电-气能流计算及状态估计是IEGS稳态分析的基本工具,而状态估计是IEGS能量管理系统的基础模块,两者都属于IEGS的基本问题,受到学术界和工业界的广泛关注。目前,国内外学者围绕IEGS能流模型及计算方法开展了大量研究,针对IEGS状态估计问题也取得了一些研究成果。然而,现有关于IEGS能流计算和状态估计的研究还存在以下问题:（1）对于天然气网中广泛采用的定速控制离心式压缩机,现有能流计算及状态估计方法均无法直接适用;（2）现有IEGS状态估计方法以加权最小二乘（weighted least squares,WLS）状态估计和双线性方法为代表,然而,现有的WLS状态估计方法对气网初值的依赖性大,而双线性方法对气网量测冗余度要求较高、工程适应性有局限。针对以上问题,本文首先研究适用于定速控制压缩机的电-气综合能流计算方法;在此基础上,将WLS状态估计视为“广义能流”问题,进一步研究适用定速控制压缩机的IEGS状态估计方法。主要工作和成果如下:（1）提出适用于定速控制压缩机的电-气综合能流计算方法。针对离心式压缩机的工作特性和定速控制模式,建立定速控制压缩机的支路特性和耗量特性方程;在此基础上,基于天然气网水力计算的节点法和回路法,提出适用于定速控制压缩机的扩展节点法、解节点-支路法和扩展节点-回路法,并将其推广应用于电-气综合能流计算中。分别用三个不同结构和规模的气网算例和两个IEGS算例,验证了所提能流计算方法的有效性,并对比分析了三种方法的计算性能和适用场景。（2）提出电-气综合能源系统的全变量加权最小二乘状态估计方法。针对现有WLS状态估计方法对气网初值依赖性大的问题,提出以节点气压和支路流量为气网状态变量的全变量方案,结合定速控制压缩机支路特性和管道支路特性虚拟量测方程,提出天然气网及IEGS的全变量WLS状态估计方法。考虑不同初值方案和量测配置方案,分别用气网和IEGS算例验证了所提全变量WLS状态估计方法的有效性,并通过电-气联合状态估计与电网/气网状态估计的对比分析,验证了联合估计在改善系统可观测性、提升估计精度方面的作用。（3）提出基于Karush-Kuhn-Tucker（KKT）条件分解的电-气综合能源系统分布式状态估计方法。在全变量WLS状态估计方法基础上,进一步考虑电力子系统和天然气子系统的决策主体独立性和商业数据私密性,提出IEGS的分布式状态估计方法。该方法以全变量WLS状态估计模型的KKT条件分解为基础,通过电-气耦合元件状态信息的顺序交互,实现IEGS的分布式状态估计。用IEGS算例验证了所提分布式状态估计方法的有效性,并分析了不同量测配置方案及耦合元件信息交互策略对所提分布式状态估计方法计算性能的影响。
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