多能互补分布式能源系统优化设计研究进展

构建冷、热、电等不同形式能源在生产、传输、消纳等多环节协同优化的多能互补分布式能源系统是未来能源互联网的发展所需。首先,介绍了多能互补分布式能源系统的基本概念、供能类型及关键技术,结合国内外试点经验,阐述了系统的发展现状及其在我国能源变革中的重要地位。其次,梳理了系统优化的内容和路径,探讨了优化路径中的现有研究方法及其不足。最后,总结了多能互补分布式能源系统发展所面临的关键问题,并对其未来研究方向进行了展望。     

考虑预测不确定性的风–光–水多能互补系统调度风险和效益分析

风电、光伏与水电(简称风光水)互补发电系统是提高清洁能源整体利用效益的重要创新模式,随着风电、光伏发电渗透率的增加,如何解决大规模风光接入所带来的不确定性是多能互补系统研究的核心和难点。作者重点探讨日前风光出力预测的不确定性对于多能互补系统风险和效益的综合影响。首先,从可靠性、稳定性和经济性3个方面提出风光水多能互补系统调度运行风险和效益评价体系;建立多能互补系统短期优化调度模型,在日前风光出力预测结果基础上,编制系统日前发电计划;根据风光实际出力情况,滚动更新和模拟水电站实际调度过程。最后,对比分析各电站计划和实际调度运行情况,评价日前风光出力预测不确定性对于多能互补系统风险与效益的综合影响。以接入209万kW光伏和104.9万kW风电的雅砻江流域锦屏一级多能互补系统为实例进行研究。相比风光水独立运行,风光水互补后系统的发电效益提高了37.13%,且系统出力过程更为稳定。互补系统在年尺度上具有良好的可靠性,但在水库低水位时期,系统失负荷天数明显增多,占全年失负荷天数的96%以上,系统可靠性降低;在汛期,互补后水库的下泄流量最大增加了47.06%,出现水量集中下泄的情况,这给电力部门、下游用水部门以及防护对象带来一定的防洪风险。     

面向规模化风电消纳的电-气-氢能源互联系统协同规划

高比例风电接入系统趋势下，考虑将规模化新能源转化为氢气等清洁气体，配合燃气设备发电，以解决可再生能源消纳和减少碳排放问题。首先介绍了电-气-氢能源互联系统能流结构框架和关键设备运行模型；其次，计及源、荷的不确定性，构建含燃气机组、储氢装置、燃料电池以及电转气(Power To Gas, P2G)设备的优化规划模型，通过二阶锥松弛和分段线性法将其转化为混合整数线性规划模型进行求解；最后采用IEEE-9节点电力网络和7节点天然气网络联合系统进行算例验证。结果表明，储氢装置及燃料电池的应用，降低规划总成本的同时能够提升风电消纳和减少碳排放，且考虑不确定性的规划方案能够提高系统灵活性，保证系统可靠运行。     

考虑预测不确定性的风-光-水多能互补系统调度风险和效益分析

风电、光伏与水电（简称风光水）互补发电系统是提高清洁能源整体利用效益的重要创新模式,随着风电、光伏发电渗透率的增加,如何解决大规模风光接入所带来的不确定性是多能互补系统研究的核心和难点。本文重点探讨日前风光出力预测的不确定性对于多能互补系统风险和效益的综合影响。首先,从可靠性、稳定性和经济性三个方面提出风光水多能互补系统调度运行风险和效益评价体系;建立多能互补系统短期优化调度模型,在日前风光出力预测结果基础上,编制系统日前发电计划;根据风光实际出力情况,滚动更新和模拟水电站实际调度过程。最后,对比分析各电站计划和实际调度运行情况,评价日前风光出力预测不确定性对于多能互补系统风险与效益的综合影响。本文以雅砻江流域锦屏一级多能互补系统为实例进行研究。相比风光水独立运行,风光水互补后系统的发电效益提高了37.13%,且系统出力过程更为稳定。互补系统在年尺度上具有良好的可靠性,但在水库低水位时期,系统失负荷天数明显增多,占全年失负荷天数的96%以上,系统可靠性降低;在汛期,互补后水库的下泄流量最大增加了47.06%,出现水量集中下泄的情况,这给电力部门、下游用水部门以及防护对象带来一定的防洪风险。     

基于EnergyPLAN模型的城市可再生能源应用规划研究

随着经济社会快速发展,能源应用与环境问题日益突出,以高比例可再生能源利用为主体的区域能源规划成为国内外研究热点。基于EnergyPLAN模型,以江苏省扬州市为研究对象,以当前能源消费、能源供给数据和城市政策规划目标为基础,以2035为目标,构建三种未来能源系统场景,定量分析目前发展模式下扬州可再生能源利用状况,并通过比较提出发展绿色城市能源应用规划的相关建议。     

基于Benders分解优化算法的区域能源供给服务网络系统规划方法研究

能源互联网是实现我国能源革命目标的关键手段之一,然而其多能互补的特点增加了能源供应的复杂性,从而影响到区域范围内系统能源供应的协调有序。为探索这一问题的解决方法,针对小范围内的能源供给服务网络的系统规划问题开展了研究,建立了以总成本函数为目标函数、考虑多能互补的系统负荷约束、系统安全性约束函数为主要约束的区域能源供给服务网络优化模型,运用Benders算法将问题分解为主问题和子问题并对模型进行求解。以华北某市郊区的区域能源规划为案例进行能源供给服务网络的规划,并与传统规划模式进行对比分析。结论表明,由于考虑了热电负荷之间的耦合关系,并在需求约束中引入了电转热替代环节,使得所提出的模型能够在系统的规划和运行阶段都选择更优的策略,从而在经济性上相较于传统工业规划方法具有更强的竞争力。     

包含多投资主体的综合能源系统容量配置

包含风电、光伏等新能源的综合能源系统以实现电、热、冷等多能互补供能而备受关注.当多个投资者作为独立主体参与综合能源系统运营时，如何对各设备进行合理的容量配置，以更好地消纳新能源和实现各投资主体的利益最大化，是值得关注的问题.本文基于博弈论的纳什均衡原理，针对由风电设备、光伏设备以及冷热电联供设备3个投资者组成的综合能源系统，构建容量配置博弈模型，并采用粒子群算法（PSO）进行求解.在非博弈、非合作博弈以及合作博弈3种不同场景下的对比分析结果表明，在合作博弈场景下，各方投资者收益相对最大、容量配置相对最小，系统具有最大的整体收益，各参与者有明显的合作可能性.研究结果为多方参与供能市场提供了解决思路.     

清洁能源发展场景下电动汽车入网对区域碳排放的系统动力学建模与分析

在"碳达峰、碳中和"发展背景下,电动汽车的推广为实现双碳目标提供有力的支撑.为研究电动汽车对碳排放的影响,首先分析电动汽车规模、区域能源构成及车网互动技术与碳排放之间的耦合关系;然后根据清洁能源发展规律构建区域清洁能源发展路径;最后基于系统动力学原理建立考虑清洁化能源变化下,电动汽车入网对区域碳排放演化的动力学反馈模型.最后,以中国西南某城市的数据为例进行动力学演化仿真,其中以电动汽车的发展规模及清洁能源的发展路径为主要变量,分析多种场景下电动汽车入网对区域碳排放的影响.此外,还通过灵敏度试验验证电动汽车入网具有一定的碳减排效益.上述仿真结果表明,清洁能源的发展对碳减排的影响最显著,且电动汽车车网互动技术具有巨大的碳减排潜力.     

考虑核电参与的多能联合调峰系统低碳经济调度北大核心

随着“低碳经济”的发展,核电、风电等大规模接入电网已是必然趋势,但风光等间歇性能源渗透率的提高以及核电机组满发运行的方式,导致了负荷峰谷差的不断加大。为了满足系统调峰需求和核电安全性要求,建立了多能互补的风-核-火-气-抽水蓄能联合优化调度模型。所建模型在传统经济调度基础上引入碳交易机制,以联合调峰成本最低为目标,计及系统约束和各电源运行约束,对联合调峰系统消纳风电的能力以及核电调峰模式的改变进行了分析。基于核电机组实际运行特点,用0-1变量对核电调峰模型进行表征,并利用GUROBI求解器对该混合整数规划问题进行求解,算例仿真验证了所建模型对于促进风电消纳、缓解系统调峰压力、优化核电机组调峰模式、协调系统经济性与低碳性的作用。     

基于势博弈的综合能源系统用户能量管理优化方法

随着综合能源系统的发展,能源耦合程度不断加深,尤其在售能侧将形成多能耦合的价格机制.针对具有多能耦合价格机制的综合能源系统,提出一种基于非合作博弈的能量管理优化策略.首先,根据综合能源系统能源耦合价格机制建立基于条件风险价值(CVaR)的用户用能成本模型.随后,建立综合能源系统中用户之间的非合作博弈模型,通过构建势函数将原问题转换为单目标二次规划问题,并证明纯策略博弈均衡存在且唯一.最后,通过算例分析显示用户的用能均有所下降,从而验证所提模型与方法的有效性.     

计及能源网络特性的综合能源系统最优协调规划

对综合能源系统进行协调规划,可以提升整个系统运行的安全性与经济性,实现多种能流互补共济,并改善总的能源利用效率。在此背景下,对含天然气与热力管网的IES的规划问题进行研究。首先,在计及气网管存效应、热网延时效应与热网热量损失的情况下,构建含多个能源中心(energy hub,EH)的IES模型;然后,提出以规划期内投资和运行总成本最小为目标的IES协调优化规划的混合整数非线性优化模型,以确定EH设备和能源网络的优化配置方案;接着,采用增量法将所构建的最优协调规划模型转化为混合整数线性优化问题,并采用商业求解器Yalmip/Gurobi求解;最后,以包含6个EH的IES为例对所提协调规划方法进行验证。算例结果表明,在IES规划中考虑天然气与热力管网特性是必要的,所提方法是可行的。     

偏远海岛多能互补智慧能源系统应用研究

长期以来,偏远海岛的用电保障都十分困难,大陆远距离送油发电是目前解决海岛供电问题的主要途径。但该方式成本高且易受外界因素制约,因此,依靠海岛自身条件来解决能源保障才是根本。针对偏远岛屿应用提出了一种多能互补智慧能源系统。该系统是一种柴光储微网系统,在整个电网系统中,以光伏+储能为主要电源,柴油发电机则提供备用电源,既能够并网运行,也能够离网运行,能够适应多重常用负载。通过在南海海岛进行示范应用研究,验证了该多能互补智慧能源系统的可行性。     

考虑不确定性的电热耦合多能微网系统概率潮流计算

多能微网系统结构及设备耦合关系复杂，接入新能源的不确定性为系统运行带来巨大挑战。基于Beta拟合的光伏发电模型和两参数威布尔分布的风力发电模型，采用分解求解法进行了多能耦合潮流计算。然后对33节点电网和33节点热网耦合的多能源系统进行了算例分析，利用蒙特卡洛法提取不确定性样本，进一步提出了考虑光伏、风电和电、热负荷不确定性的概率潮流计算方法。最后运用该方法完成了概率潮流的算例分析，从概率潮流计算方法和各子网络的潮流计算结果两方面验证了方法的有效性。     

多能互补综合能源电力系统的建设模式初探

全球能源转型正处于关键阶段,发展多能互补综合能源电力系统是实现能源转型的重要途径。在此背景下,首先针对不同场景探讨多能互补综合能源电力系统的建设模式,并分别以城市级大系统和园区级小系统为载体,结合各自能源结构特点,提出适用于各场景下的综合能源电力系统建设模式。接着,对这些建设模式的投资效益和能源综合利用效率进行测算。最后,对人工智能在综合能源电力系统中的潜在应用,和泛在电力物联网的发展对综合能源电力系统建设的影响进行简要展望。     

区域综合能源系统两阶段鲁棒博弈优化调度

在区域综合能源系统的基本架构上,为了提升系统经济性与可再生能源并网能力,研究混合储能、冷热电联供机组（CCHP）、能量转换装置在多能互补下的两阶段优化运行模型. 利用虚拟能量厂（VEP）,平抑发、用电不确定性;采用鲁棒理论,构建灵活调整边界的不确定合集;引入条件风险理论,构建考虑多种不确定关系耦合下基于Copula-RCVaR的能量管理风险模型. 针对上述模型特点,提出基于滤子技术的多目标鲸鱼算法进行求解. 分析不同可再生能源渗透率及集群效应对系统收益结果和运行策略的影响. 结果表明,引入虚拟能量厂可以提高利润1.9%,在保证稳定运行的前提下合理选择荷、源不确定变量的置信概率,可以提高利润5.9%.     

高渗透率分布式电源接入对配电网电压稳定性的影响研究

针对分布式电源(DG)接入配电网容量的不断增大,传统配电网中节点电压越限、系统双向潮流、短路电流升高等问题不断凸显,为提升配电网对可再生能源的消纳能力,提出最优接入方案和最大程度利用并网逆变器剩余容量参与电压调控的方法。通过建立含DG多种接入方式的配电网压降计算模型,分析了单点和多点DG接入对配电网电压分布的影响;基于Matlab搭建了IEEE33节点系统模型,分别对DG的接入方式、接入位置、渗透率、功率因数四个方面对电压分布产生的影响进行了研究,并以三维可视化的方式呈现电压分布,更加直观对比不同方案的优劣。研究表明,DG多点均匀分布接入电网并充分利用并网逆变器剩余容量可有效改善配电网电压分布,为提高可再生能源消纳提供了参考依据。     

电-冷-热融合的虚拟能源站综合评价技术

在能源转型战略不断发展的背景下，虚拟能源站以其能够实现多种能源耦合互补的特性，成为了高效清洁的能源载体，同时也为能源站的规划、配置、运营等提出了更高的要求。针对虚拟能源站，从经济性、能效性、环境效益、可靠性4个方面，构建了多层次的综合评价指标体系，利用主客观相结合的层次分析法-熵权法科学客观地评价虚拟能源站的规划运营情况。最后，以某园区虚拟能源站实际运营数据进行算例分析，验证了所构建的评价模型能够科学有效地对能源站发展情况展开评估工作，同时也能为虚拟能源站未来的发展建设提供一定指导性建议。     

考虑多种能源耦合载体的综合能源系统建模

电能和热能通常由化石燃料源产生,但热损耗的存在导致相应载体能源利用效率较低,且可再生能源的并入在较大程度上影响了现代电力系统的可靠性和灵活性。因此,通过构建多能耦合载体,以解决多能源系统中能源利用率低以及可再生能源所带来的不确定性与波动性的问题。研究方法主要包括热电联产、热泵、需求响应和多种形式储能的耦合,能量枢纽中的这些耦合节点促使电力系统转型为集成能源系统。首先,利用EnergyPlan对2020年我国的电力、区域和独立热能综合能源系统进行建模;其次,分析了在不同情况下添加热泵、蓄热和需求响应以最小化年度成本、燃料消耗和CO2排放;最后,在计算临界和可输出过剩电力生产时,对产能单元的优化运行进行技术方案模拟。仿真实验结果表明所搭建智慧能源枢纽具有优越性。     

能源产供系统之热利用准则

分析了终端用能的主体是低品位的热能,一次能源释放第一能量形态的主体是高品位的热能,提出了放热能源和释力能源的概念.以热力学第一和第二定律为基础,建立一次能源的最大利用价值模型,给出一次能源利用品质价值因子、终端用能投资利用价值因子及判别因子,并对多种方案进行评价.指出现代大能源系统存在问题的核心,是没有抓住以热为主体的合理转化与利用以及建在用户处的工业锅炉和热水锅炉没有进行能级梯级利用所带来的弊端,提出合理地转换与利用是一切能源产供系统合理利用能源的生命线.在此基础上,提出一次能源之热利用准则.最后建议,与时俱进,“大小结合,协调发展“实行“两条腿走路“,创建“以热利用为核心的一能多用、多能互补的具有中国特色的现代化分布式能源产供系统“.     

计及可转移负荷的电-气综合 能源系统多目标优化

可再生能源发电、电转气(power to gas, P2G)技术和电动汽车等的快速发展,促进了电-气综合能源系统(integrated electricity-gas energy system, IEGES)的形成和发展。IEGES可以提升多能源系统的经济运行,但同时也引起了新的问题和挑战。在此背景下,研究包括P2G装置、间歇性可再生能源发电机组和电动汽车的IEGES系统的协调运行策略。首先,构建计及可转移负荷的IEGES多目标优化模型,以最小化系统运行成本、弃风弃光量和配电系统网损为优化目标,并考虑配电系统和配气系统相关的运行约束等;然后,应用模糊集理论将多个目标分别转化为隶属度函数,并采用加权综合指标法将多目标转化成单目标,之后采用AMPL/IPOPT商业求解器求解;最后,以修改的54节点配电系统和19节点配气网络所构成的IEGES为例,对所构建的优化模型和采用的求解方法进行说明。