1 引言

随着能源结构转型与可再生能源的快速发展，电-热-气多能源耦合系统在提升能源利用效率、促进可再生能源消纳方面展现出显著优势。传统单一能源系统在运行过程中存在调节能力有限、应对不确定性能力不足等问题，难以满足多元化能源需求与低碳发展目标。电-热-气耦合的综合能源系统通过多能源的互补与协同优化，能够有效提升系统运行的经济性、灵活性与环保性。本文围绕该类系统的优化调度展开研究，旨在建立科学合理的系统模型与调度策略，实现多能源的高效利用与协调运行。通过构建电-热-气网络及耦合设备的数学模型，明确运行约束与安全边界，设计多目标优化调度方法，并采用高效求解算法获得最优调度方案。研究成果可为综合能源系统的规划与运行提供理论依据与技术支持，推动能源系统向清洁、高效、低碳方向发展。

2 系统建模与约束条件

2.1 电-热-气耦合系统结构

电-热-气耦合系统由电力网络、热力网络、天然气网络以及多种能源转换与存储设备构成，通过能量转换器实现不同能源形式之间的相互转换与协调供应。电力网络承担电能传输与分配功能，连接各类电源与电力负荷；热力网络负责热能的输送与分配，满足建筑采暖、生活热水等需求；天然气网络为燃气机组、燃气锅炉等设备提供燃料，并可通过燃气管网实现能量的长距离输送^[1]。

系统中设置了电转气装置、燃气轮机、余热锅炉、热泵等耦合单元，实现电能、热能与天然气之间的灵活转换。同时，配备储能系统如蓄电池、蓄热罐与储气设施，增强系统调峰能力与运行灵活性。各子系统之间通过耦合设备和控制系统实现信息与能量的双向流动，形成相互支撑、互为备用的多能源互补体系。

2.2 设备与能源转换模型

设备与能源转换模型是综合能源系统优化调度的基础，需准确描述各类设备的输入输出特性与运行约束。燃气轮机模型反映燃料输入与电、热输出之间的关系，考虑启停特性与运行效率变化；余热锅炉模型描述利用燃气轮机排气余热产生蒸汽或热水的过程；电锅炉与热泵模型体现电能向热能的转换效率及调节范围；电转气装置模型反映电能转化为天然气的化学反应过程与能量损耗。

储能设备模型包括蓄电池充放电特性、蓄热罐的热损失与传热特性、储气设施的注入与释放约束等。各模型需考虑设备的运行上下限、爬坡速率、启停时间等动态约束，以及能源转换过程中的效率变化与损耗特性。通过建立精确的设备模型，可为优化调度提供可靠的数学基础，确保调度方案的可行性与准确性^[2]。

2.3 运行约束与安全边界

运行约束与安全边界是保障系统稳定可靠运行的重要条件，涵盖电力、热力与天然气网络的安全约束，以及设备运行的物理与操作限制。电力网络需满足潮流平衡、节点电压范围、线路传输容量等约束，确保电网安全稳定；热力网络需满足供回水温度限制、管道热损失与水力平衡要求，保证供热质量与系统安全；天然气网络需满足气压约束、管道输气能力与储气设施的容量限制，避免压力异常与供气中断。

设备运行约束包括启停次数限制、最小运行时间、最大调节幅度等，防止频繁启停与剧烈调节对设备造成损害。此外，系统还需考虑可再生能源出力波动、负荷预测误差等不确定性因素，设置合理的备用容量与调节裕度。通过综合考虑各类约束条件，可在保证系统安全性与可靠性的前提下，实现多能源的协调优化运行。

3 优化调度策略与求解方法

3.1 调度目标与优化指标

调度目标需综合考虑经济、能源与环境等多方面因素，以实现系统整体最优运行。经济性目标旨在降低系统运行成本，包括燃料采购成本、设备运行维护成本以及与外部电网的交易成本等。能源利用目标侧重于提升可再生能源消纳率，减少弃风弃光现象，提高多能源互补利用效率。环境目标则以降低碳排放与污染物排放为核心，推动能源系统向低碳方向发展。

为平衡多目标之间的相互制约关系，采用加权综合或多目标优化方法，将不同目标转化为统一的优化函数或形成帕累托最优解集，供决策者根据实际需求选择。同时，引入运行可靠性指标，如能源供应保障率与设备可用率，确保在追求经济与环保效益的同时，不降低系统的安全稳定运行水平。

3.2 调度策略设计

调度策略应结合系统运行特点与多能源耦合关系，实现不同能源的协调分配与互补利用。日前调度阶段根据负荷与可再生能源出力预测，制定设备运行计划与能源转换路径，合理安排储能充放，以降低成本并提升可再生能源接纳能力。实时调度阶段针对预测偏差与突发情况，通过调节燃气机组、储能系统与可调节负荷，维持功率平衡与网络安全^[3]。

同时，考虑电-热-气网络的耦合特性，制定跨网络协调控制策略，实现能源灵活转换与互济。例如，在电力供应紧张时，通过电转气装置将电能转化为天然气储存，或利用燃气机组与热泵增加电力与热力供应。调度策略需兼顾设备运行约束与网络安全边界，确保调度指令的可行性与安全性。

3.3 求解算法与实现步骤

求解算法的选择需兼顾计算效率与解的质量，常用方法包括线性规划、非线性规划、混合整数规划以及智能优化算法等。对于含整数决策变量的调度模型，采用混合整数规划方法可有效处理设备启停与离散控制问题；对于非线性与复杂约束问题，可采用智能优化算法如粒子群优化、遗传算法等，在可接受时间内获得满意解。

实现步骤包括模型构建、参数设置、算法选择、求解与结果分析等环节。首先，根据系统结构与设备特性建立数学模型，明确目标函数与约束条件；其次，设置模型参数与优化权重，选择合适的求解算法并进行程序实现；最后，对求解结果进行可行性检验与灵敏度分析，验证调度方案的有效性与鲁棒性。通过合理的算法选择与严谨的实现步骤，可确保调度模型高效求解并获得切实可行的优化方案。

4 结语

本文围绕考虑电-热-气耦合的综合能源系统优化调度展开研究，建立了系统模型与约束条件，设计了多目标优化调度策略，并提出了相应的求解方法。通过算例分析验证了所提方法在提升经济性、能源利用效率与低碳环保方面的有效性。研究成果为综合能源系统的优化运行提供了理论支撑与实践参考，具有一定的应用价值与推广前景。

参考文献

[1]王利猛,王硕,王娜,马语泽,李扬.垃圾焚烧电厂-电转气协同运行下考虑余热利用的综合能源系统低碳优化调度[J].太阳能学报,2025,46(2):299-308.

[2]吕东,冒烨颖,丁敏.考虑热-电-气-氢-碳耦合与源荷响应的综合能源系统优化调度[J].电力需求侧管理,2025,27(3):65-70.

[3]杨胡萍,何涛,李向军,龚家宁,徐慧琳.绿证-碳耦合机制下考虑新型碳捕集电厂的综合能源系统优化调度[J].南昌大学学报(理科版),2025,49(1):88-95.