集成数据中心的综合能源系统能量流–数据流协同规划综述及展望

集成数据中心的综合能源系统(integratedenergy system,IES)成为能量流–数据流深度融合、双向互动的物理载体。IES为数据中心高效低碳供能,并利用数据中心的用能时空可调特性提质增效;数据中心推动IES数字化转型,并促进IES发展数据服务实现业务增值。该文对集成数据中心的IES能量流–数据流协同规划进行综述与展望。首先,梳理并总结了数据中心的数据网络分层架构、计算能耗建模方法和热力学过程建模方法;其次,分析了数据中心用能时空可调特性,探究了集成数据中心的IES能量流–数据流耦合机理;在此基础上,构建了能量流–数据流协同规划广义模型,并分别从跨区级、区域级和用户级3个层次进一步探究了集成数据中心的IES规划模型特点,提炼了规划模型的建模要素;最后,对集成数据中心的IES能量流–数据流协同规划未来发展方向进行了展望。     

熵分析在水电能源系统管理中的应用

水电能源系统是一个典型的开放系统,与外界环境存在着频繁的物质和能量交换。根据热力学熵的基本概念及熵概念泛化的基本特性,提出了水电能源系统熵的定义,并进行了系统电站熵变分析;结合水电能源系统电站的特点,提出了径流调节过程中基于决策出流量的水头、水量潜在熵增计算表达式;建立了系统电站发电量优化规划即熵增最小目标方程,应用凸规划原理及凸函数性质论证了目标方程存在最优解;最后提出了水电能源系统优化规划模型,实例验证该模型符合实际规划需求。     

非侵入式综合能源系统源荷状态联合感知方法

区域(如园区或楼宇)综合能源系统(integrated energy system,IES)的多能流源荷协调运行与优化调控潜力评估分析对整体提升能源互联网的能源利用效率、促进可再生能源规模化发展具有重要意义。然而在实际工程中,普遍可获取的是用户IES与外部能源网络进行能量交换的端口处采集的粗粒度总量运行数据,据此往往难以对用户IES运行状态和特性进行准确分析,无法满足不断提高的IES运行调控需求。对此,以园区电/气/热IES为研究对象,提出基于耦合消元准则的IES非侵入式源荷设备状态联合感知方法,它仅利用在园区与外部电/气/热能源网络进行能量交换的端口处采集到的总量电/气/热运行数据及气象数据,辨识园区内部主要源荷设备的运行状态。总体上,基于IES内部各能源子系统间的耦合特性,按照气-电-热的顺序分别对每个子系统中主体设备的工作状态和(等效)运行功率进行非侵入式辨识。基于实测数据的实验结果表明,所提方法能够以“非侵入”的方式联合感知多能源荷设备的运行状态,精细化辨识园区IES内部主体设备的(等效)功率,具有较强的工程实用性,可为IES的仿真分析和运行决策提供细粒度大数据源。     

水电能源系统最小熵增模型及其求解

本文借助热力学熵增表达式,阐述了水电能源系统电站的熵增一般表达式;根据“先蓄水后发电少弃水”的发电量最大调节规则,建立了改进的基于当前时段决策出流量的电站潜在水头、弃水最小熵增模型;最后归纳了水电能源系统的最小熵增模型及其求解算法。实例证明该模型对于水电站群的组合方式没有限制,适合求解大型的水电站群规划。     

基于最大熵原理的电-气综合能源系统概率能量流分析

随着电力系统与天然气系统间耦合程度的日益增强,能源系统间的不确定性因素对电-气综合能源系统(integrated energy systems,IES)运行状态的影响日趋显著,需在其能量流分析中予以考虑。为此,提出一种基于最大熵原理的电-气综合能源系统概率能量流计算方法。首先,考虑燃气机组和电驱动压缩机作为耦合元件,构建电力系统和天然气系统的稳态能量流模型,并提出对应的顺序求解方法;然后,基于风电和不同系统负荷的不确定性模型,提出输出状态变量半不变量的计算方法;在此基础上,基于最大熵原理法计算得到不同系统中节点和支路状态量的概率密度;最后,采用IES 118-20节点和IES 2383-60节点综合能源测试系统对所提算法的准确性和有效性进行分析验证,结果表明,所提算法可实现电–气综合能源系统概率能量流的快速准确计算。     

基于碳熵指标的电-热互联综合能源系统碳轨迹追踪方法

“碳达峰·碳中和”目标背景下，节能减排成为中国能源改革的首要任务。碳排放(简称碳排)的宏观计量无法满足能量系统碳排深入研究的需求，精细化的用能侧碳排特征能够有效指导用户低碳用能。文中基于碳熵指标提出了电-热互联综合能源系统的碳轨迹追踪方法。首先，基于“熵”与“碳排”的相似特征引入了“碳熵”概念，用以描述碳排随能量流动的无序化，研究源与荷的碳熵关系。其次，基于电、热系统的叠加特性建立了电-热互联综合能源系统的碳熵模型，形成源荷作用关系的显式表达式，对电-热互联综合能源系统进行碳轨迹追踪，并分析单个碳源作用于用户侧的碳熵分量。最后，以中国吉林省某地区电-热互联综合能源系统为例进行算例分析，验证了碳熵模型的优势及有效性。     

综合能源系统源网荷储动态建模技术进展

综合能源系统（IES）为多种能源的高效协同和互补利用提供了重要平台。源网荷储动态建模技术是IES实现动态多时间尺度仿真和优化计算的重要因素,也是确保IES安全和稳定运行的必要前提。在介绍IES中源网荷储侧主要的动态模型及源荷不确定性模型的基础上,分析了源网荷储动态建模技术在统一建模研究及框架中的运用现状,展望了动态建模的发展方向。源网荷储各类动态模型需要进一步平衡精度和时间复杂度,并引入统一动态建模框架中,最终构建统一仿真平台和数字孪生系统。     

基于PSASP的综合能源仿真分析系统

综合能源系统(integrated energy systems,IES)近年来在世界范围内得到广泛关注。基于电力系统分析综合程序(power system analysis software package,PSASP)的图模一体化平台,开展了IES仿真系统的研究,功能包含生产模拟分析、能量流稳态计算和动态仿真。生产模拟采用混合整数线性优化(mixed integer linear programming,MILP)方法,对包含传统电力、风电和光伏可再生能源、天然气、热力、储能等的IES实现多阶段优化分析。IES稳态能量流计算采用电-气-热能源子系统交替顺序求解方式实现,天然气、热力流体网络采用回路方程形式。以天然气为例,对回路法进行了分析,给出了IES稳态能量流分析的计算流程。对生产模拟、稳态能量流计算和动态仿真的一些关键技术环节进行了分析。     

计及相关性的电-气-热综合能源系统概率最优能量流

由电力系统、天然气系统和热力系统耦合构成的综合能源系统(IES)是"能源互联网"的重要组成部分,是构建更加经济、环保、高效能源系统的必经之路。该文提出了一种计及相关性的电-气-热IES概率最优能量流计算方法。首先,以IES运行成本为优化目标,综合考虑电力系统、天然气系统、热力系统的运行约束及能量耦合约束,建立了IES最优能量流模型;针对IES中风电接入背景下的不确定性因素,并考虑其相关性,建立IES概率最优能量流模型,并采用基于Nataf变换的三点估计法对该模型进行求解。对由修改的IEEE 24节点电力系统、比利时20节点天然气系统和巴里岛32节点热力系统构成的IES进行仿真分析,仿真结果验证了该文所建立模型的可行性与有效性。     

基于碳势-能源价格双响应的综合能源系统低碳经济调度

利用电-气-热多元负荷节点碳势引导需求响应是实现综合能源系统(IES)低碳运行的有效手段。IES中多能流耦合关系复杂、动态特性交织,碳排放特性难以准确表达。文中针对IES中低碳运行潜力挖掘不足的问题进行了研究,提出了一种基于节点碳势-能源价格双响应的经济调度方法,用于IES源-荷协同,实现低碳运行。一方面,通过剖析气、热动态特性对碳排放流的影响机理,引入动态特性等价替换思想,得出计及动态特性的碳排放流模型,进而得到负荷节点的碳势,实现碳排放责任的分摊;另一方面,从碳视角出发,考虑多元负荷的碳排放责任,设计了基于多元负荷节点碳势-能源价格双响应的IES源-荷低碳互动机制,充分挖掘IES中多元负荷的低碳潜力。通过对IES中碳排放产生、传输、消费全过程的追踪与计量,制定兼顾经济性与低碳性的调控策略。以电网14节点-热网6节点-天然气网6节点(E14-H6-G6)和E57-H12-G12测试系统为例,验证了所提模型和方法的有效性。     

考虑双重需求响应及阶梯型碳交易的综合能源系统双时间尺度优化调度EI北大核心CSCD

安全稳定、低碳清洁是全球能源发展的主流方向,如何充分发挥需求侧资源响应潜力以及降低系统源、荷不确定因素对实现能源可持续发展具有重要意义。为此,提出了一种考虑双重需求响应和阶梯型碳交易机制的综合能源系统(IES)双时间尺度优化调度策略。针对电、热、气负荷的可调度特性和不同时间尺度下的响应差异性,提出了双重激励的综合需求响应(IDR)模型。为实现IES低碳经济运行,建立了基于日前价格型IDR策略和阶梯型碳交易机制的IES日前低碳优化调度模型。考虑日前源、荷预测误差对IES调度的影响,基于模型预测控制和日内激励型IDR策略,建立了以购能成本、各设备出力调整成本和阶梯型激励补贴成本之和最小为目标的日内滚动优化调度模型,并采用CPLEX对所提模型进行求解。仿真结果验证了所提模型能有效兼顾系统经济性和环保性,同时提高了系统平抑源、荷功率波动的能力。     

交通能源互联网体系架构及关键技术

在能源互联网的发展背景下,基于能源互联网的特征,针对电气化交通系统的分布及负荷特性以及存在的问题,构建了交通能源互联网。首先阐述了交通能源互联网的体系架构,通过"源–网–荷–储"系统、传感与通信网络、大数据与云计算以及应用服务平台,实现横向多源互补与纵向"源–网–荷–储"协调。其次阐述了交通能源互联网的关键技术,通过"源–荷–储"协同规划对系统进行统一的规划,通过"源–荷–储"协同运行与控制对系统实现系统功率的动态平衡,构建中压直流牵引供电系统实现可再生能源、储能电源等的即插即用,运用先进储能技术平抑发电–负荷之间的供需差异,通过多级协调式能量管理系统,对系统的能量流进行分级协调管理。最后,以成都未来交通系统发展为背景,阐述了成都市交通能源互联网的协同规划与调度。     

基于配网节点电价的综合能源系统随机优化

综合能源系统(integrated energy system,IES)以可再生能源为核心,为配电网环境下多能源的接入和耦合利用提供有效载体。为了促进多元能源之间的高效能量转换,首先,引入交直流混合微网结构,建立了基于能量枢纽的IES模型。然后,根据上层配电网和下层能量枢纽之间的交互关系,构建一种二层递归式优化模型。配电网运营商(distribution system operator,DSO)利用能量枢纽的灵活性来提高系统经济收益,能量枢纽则依据配电网节点电价(distribution locational marginal price,DLMP)和用户负荷进行内部运行优化,从而形成配电网与能量枢纽之间利益的制约和平衡。同时,考虑分布式可再生能源出力以及用户用能行为不确定性,采用多场景随机规划方法,实现基于交直流混合型能量枢纽的IES随机优化。最后,结合IEEE-33节点配网算例进行仿真分析,仿真结果验证了该模型的鲁棒性和经济性。     

综合能源系统优化运行技术研究综述

综合能源系统(integrated energy system,IES)是未来能源消费方式的重要发展方向,对提升能源的综合用能能效和可再生能源的消纳将发挥越来越重要的作用。然而,由于IES中能源系统的高度耦合以及源-网-荷-储各个环节存在的不确定性,使得IES的动态过程极其复杂,给IES的优化运行带来巨大挑战。针对IES的优化运行问题,首先简要介绍了IES的概念,分析了其主要特点;其次总结和概括了IES运行基础信息感知、混合时间尺度动态协调优化调度体系及其求解算法三个方面的国内外研究现状,并指出了现有研究的不足之处;最后展望了IES优化运行未来的研究方向,为该方向的后续研究提供参考。     

全可再生能源热电气储耦合供能系统优化调控模型研究

针对全可再生能源热电气储耦合供能系统源、荷双侧不确性、多能耦合等问题,文中基于分层递阶理论建立了针对系统复杂的优化调度决策和快速的实时控制问题的分层调控框架及多时间尺度优化调控模型。在日前优化中通过鲁棒算法解决可再生能源出力及负荷预测不确性对系统安全运行的影响,在日内优化中基于模型预测控制原理对日前优化结果进行反馈校正与滚动优化,应对可再生能源出力及负荷随机性波动,从而实现系统的安全经济运行。     

大规模综合能源系统电-气-热多能潮流建模与计算方法

为了提高能源利用效率与实现能源清洁供应,综合能源系统IES已成为支撑能源转型的重要技术。研究掌握IES多能流耦合机理,对开展后续系统规划、优化和分析问题的研究具有重要意义。本文提出了一种适用于含电、气、热网络的大规模综合能源系统电-气-热多能潮流计算方法。首先,建立了电力网络、热力网络、天然气网络的稳态数学模型;建立了基于通用能量母线模型的IES耦合环节数学表达形式;在此基础上,采用牛顿-拉夫逊方法对大规模综合能源系统多能潮流计算模型进行解耦求解;最后,通过算例分析验证了所提出方法的有效性。     

基于熵指标的热能传输动态特性建模与仿真分析EI北大核心CSCD

为研究集中供热管网的物理特性和动态热力特性,以熵的输运为基础,基于传热规律和热力学定律提出温度-广义熵流模型。类比经典电路分析理论,以温度为强度量,熵流为广延量,建立热能传输的分布参数电路等值模型和集中参数模型,对热能传输过程中的损耗和时延特性进行精确建模。所得模型通过与热路供热流动的偏微分方程求解结果进行对比,验证了模型的正确性。另外,利用能量守恒定律和熵的不守恒原理,以熵为标度,提出热网中管道和节点处可用热功率及其损失的计算方法,衡量热网中热能传输过程中能量的数量与品质,可直观展示热网中热能可用功率的变化情况。     

基于多时间尺度和多源储能的综合能源系统能量协调优化调度

考虑源荷不确定性及储能设备配置对综合能源系统IES(integrated energy system)优化调度的影响,提出基于多时间尺度和多源储能的IES能量协调优化调度策略。该策略以系统运行经济最优、滚动控制时域内购能成本与储能惩罚成本之和最低以及设备输出功率调整量最小为目标,分别建立了日前、日内滚动和实时反馈3个时间尺度的优化调度模型。在日前考虑多种储能模式对IES经济性的影响;日内利用场景分析法描述滚动预测的不确定性来提高系统经济运行稳定性;再基于模型预测控制方法,构建日内与实时的反馈闭环优化,平抑由预测误差导致的系统功率波动。仿真结果表明:多源储能模式有助于提高IES的经济性;多时间尺度调度既可以保证IES运行的经济性,又能有效降低不确定性对系统实际运行的影响,减轻电网平抑功率波动负担。     

计及储能全寿命周期运维的综合能源系统优化配置

传统的能源系统难以满足不断变化的发电结构及用户用能需求,包含冷、热、电等多能流的综合能源系统(integrated energy system, IES)可以充分发挥多种能量耦合互补优势,促进系统资源的高效利用。为此提出综合考虑经济性和环保性,以系统全寿命周期成本最低及一次能源消耗最少为目标,构造IES优化配置模型。首先计及储能的全寿命周期运维,综合考虑储能系统的充放电损耗、容量衰减、荷电状态、能量存储时间、削峰填谷效率等因素,建立计及储能的全寿命周期运维的IES优化配置模型;继而通过算例对比分析所提优化方案与传统方案的优劣性及多目标函数权重的影响。结果表明,所提方法具有削峰填谷、促进分布式能源消纳、改善电能质量、提升供电可靠性的功能和加强IES资源高效利用的优势。     

区域气电综合能源系统同质化网络流优化方法

现有综合能源系统(integrated energy systems,IES)优化研究缺乏统一同质化工作,且主要集中于输电网,不适用于电阻电抗比值较高的配电网。网络流模型具有统一表示输配电网、天然气网能量流动和分配情况的能力,并能以可视化的形式将能量流清晰展现。文章基于IES能量传递的内部本质相同和外部特征相似等特性,构建了以系统总经济成本最小化为目标和系统安全为约束的气电综合能源系统(gas-electricity integrated energy system,GEIES)统一同质化网络流模型,将异质能源同质化到统一网络流平台进行计算。算例分析表明,该模型不受网架结构限制且形式清晰直观,对应算法求解速度快且能保证线性收敛。所提模型能够合理反映涵盖配电网IES的稳态特性,为多能流同质化统一优化调度提供参考。