区域综合能源系统若干问题研究

区域综合能源系统对提高社会能源利用效率、促进可再生能源规模化开发、提高社会基础设施利用率和能源供应安全,以及实现中国节能减排目标具有重要意义,已成为国际能源领域重要的战略研究方向。区域综合能源系统是符合国家重大战略发展需求的重要研究课题。围绕区域综合能源系统规划和运行优化这一专题,分别对区域综合能源系统的通用建模理论、综合仿真理论与方法、规划理论与方法、安全性理论与方法、运行优化与控制、效益评估与运营机制等方面问题进行了系统归纳,对各问题所涉及的国内外研究方向和现状、存在的问题分别进行了概括和分析。最后结合中国的综合能源战略和未来发展现状,对区域综合能源技术在中国的发展前景和典型应用形式需求进行了探讨。     

基于粒子群算法的区域综合能源系统规划及运行优化

针对现有综合能源系统规划中存在的规划技术单一、资源类型设置少等问题,通过构建区域综合能源系统规划和运行优化模型,建立了规划和运行两阶段优化模式,并采用粒子群算法对综合能源系统进行优化,求得系统设备的最优配置方式。仿真分析结果表明,与采用传统规划配置方式的供能系统相比,本文构建的区域综合能源系统年总运营成本最低、经济性最好。     

数字孪生技术在区域多能源系统中的应用展望

区域多能源系统是一种综合了多种能源的新形态,可以采用多能互补、能源梯级利用等方式,最大限度地提升能源利用效率和消纳可再生能源。而且随着云计算、大数据、物联网、人工智能等技术的发展,未来的能源系统不仅是能源的互联,更应是能源与信息耦合的系统。文中分析了目前区域多能源系统研究现状,总结区域多能源系统在规划、运行及仿真建模中存在的问题,提出将数字孪生技术引入到区域多能源系统研究中,并从区域多能源系统仿真建模、规划、运行、检修方面提出了数字孪生技术的应用展望,为今后构建区域多能源系统的数字孪生体的研究提供参考。     

考虑储能峰谷价差套利的综合能源系统策略性经济配置

计及储能系统分时电价峰谷价差套利,提出了综合能源系统的供热/冷、供电策略,并以此作为经济配置模型的内层仿真优化内核。基于全寿命周期理论和策略性仿真优化内核,建立了综合能源系统双层规划模型:外层兼顾综合能源系统经济与环境效益,以系统年总规划成本最小为优化目标;内层优化模型采用年仿真时域(8760 h)以增强电源侧发电出力与用能侧负荷的匹配特性,提升配置结果的有效性和经济性。运用增强精英保留遗传算法调用内层仿真优化内核对双层配置模型仿真求解,算例分析验证了所提出的综合能源系统策略性经济配置方法的有效性,并探讨了适合配置储能系统能源套利的临界峰谷电价差,可为相关工程项目提供项目前期分析参考。     

基于p-中位模型的区域综合能源系统能源站优化规划

综合能源系统能够实现能源的优化利用,有效提高能源使用效率,缓解环境污染问题。以往对于综合能源系统能源站规划的研究主要集中在设备容量的优化配置方面,较少对能源站位置及管网路径的优化规划进行分析。研究了考虑电、热供应的区域综合能源系统能源站选址及能源传输管网路径优化布局问题。首先,根据p-中位模型建立了能源站选址及管网路径布局的优化规划模型。其次,考虑能源站、管网设备初始投资及施工费用,建立了区域综合能源系统投资费用模型。最后,基于枚举法提出了一种改进求解方法对规划模型进行求解,并以某园区为实例进行仿真分析,验证了所提模型及方法的有效性。     

计及全生命周期碳成本的园区综合能源系统优化规划方法

建立综合能源系统是实现“双碳”目标的有效途径之一,其规划、建设及运行需要兼顾经济成本与低碳效益。为了全面评估综合能源系统的综合效益,提出一种将能源和设备在生产制造、运输、运行等全生命周期过程中的碳排放成本纳入优化目标的规划方法。对某园区综合能源系统进行逐时仿真优化,通过分析不同碳成本情景对综合能源系统综合效益的最优配置和运行方案的影响,为综合能源系统的设计规划提供一定参考。     

区域综合能源系统规划研究综述

区域综合能源系统作为能源互联网的重要物理载体,对提高综合能源利用效率、消纳可再生能源、保障供能安全可靠及节能减排具有重要意义。对区域综合能源系统进行合理有效规划,要打破行业壁垒,从技术、政策、地域等多方面实现突破。文中对区域综合能源系统规划中的多能耦合理论、负荷预测方法、技术经济性分析、规划优化建模与求解等关键问题进行了系统地总结归纳,对各问题所涉及的国内外研究现状、存在问题及难点进行了分析与概括。结合目前最新研究进展,概括了全面涵盖区域综合能源系统源、网、荷、储等环节的通用性能流模型、规划模型及求解流程,并对未来的研究方向进行了展望。     

多区域综合能源系统的两阶段容量优化配置方法

综合能源系统(integrated energy system,IES)是能源体制改革的重要内容,对多区域IES进行统一规划与调度能够进一步改善IES的经济性与环保性。针对IES容量规划与运行问题,提出一种多区域IES两阶段优化方法。第一阶段优化是一个多目标规划问题,其目的是使经济成本和环境成本最小;第二阶段优化是一个运行问题,其主要作用是确定系统的最优运行方案。将多区域IES联合规划的结果与独立规划的结果进行比较,仿真结果表明,多区域综合能源系统联合规划更加经济实用。     

结合热网模型的多区域综合能源系统协同规划

综合能源系统可实现各类能源的优化利用,有效解决环境污染与能源浪费等问题,具有良好的发展前景。文中重点研究基于冷热电联供(CCHP)系统和热网构建的多区域综合能源系统的规划问题。首先针对各区域CCHP系统之间的环状热网,建立了考虑节点流量平衡、热能—流量约束及热损平衡约束的热网模型。结合CCHP系统能量平衡约束和热网模型,建立了多区域CCHP系统容量协同优化配置的混合整数线性规划模型。最后以天津市某综合区域为例进行仿真分析,结果表明多区域协同规划和运行能大幅提高燃气轮机利用率,降低燃气锅炉配置容量,最小化热能传输损耗,从而显著降低运行费用。     

考虑不确定性及电/热储能的综合能源系统两阶段规划-运行联合优化方法

随着高比例可再生能源接入综合能源系统,在系统规划及运行优化过程中充分考虑不确定性及电/热储能灵活性的问题至关重要。提出了一种考虑可再生能源及多能负载不确定性的综合能源系统两阶段规划-运行联合优化方法。充分挖掘电/热储能的灵活性与上述不确定性的关系,进行互补平衡并改善系统的可靠性与经济性。所提出的两阶段优化问题在第一阶段主要考虑综合能源系统及储能设备的规划问题,包含0-1变量;第二阶段考虑系统运行问题,包含不确定性参数及多种连续变量。通过仿真算例分析了多类型储能配置对综合能源系统规划问题的影响和不确定性参数的场景数量在两阶段随机优化问题中的影响,并对比分析了两阶段随机优化与两阶段鲁棒优化的优缺点。分析结果为综合能源系统灵活配置电/热储能设备、考虑不确定性参数问题提供建模求解的策略及建议。     

考虑区域综合能源系统拓扑特性的能源站和管线规划

为科学指导区域综合能源系统中能源站的建设数量、位置以及供能管线布局,研究了考虑区域综合能源系统拓扑特性的能源站和管线规划方法。首先总结了区域综合能源系统的拓扑特性,根据城市规划方案和地理信息系统获得可供选择的能源站站址和管线通道。进而基于能流平衡约束和热网特性建立能源系统的拓扑描述模型,以初期投资建设和后期运行成本最小化为目标,建立能源站和供能管线布局规划模型,并利用正交多项式逼近等方法对优化模型进行合理的简化处理。算例分析结果表明所提方法可得到更为经济的规划方案。     

碳交易在综合能源系统规划与运行中的应用及展望

由于化石能源的大规模消耗和随之而来的碳排放,能源与环境问题在世界范围内日益突出.引入碳交易和发展综合能源系统成为实现能源行业低碳化和可持续发展的重要手段,两者如何结合促进应予以重点关注.文中聚焦碳交易在综合能源系统中的应用问题,总结了碳交易关键要素和碳市场发展状况,分析了碳交易对综合能源系统规划与运行的影响过程,全面梳理了考虑碳交易的综合能源系统规划与运行模型的组成要素和研究现状,从影响机理、交易机制和应用模式三个方面对碳交易与区域综合能源系统的协同发展进行了探讨和总结.     

计及动态氢价和不确定性的区域综合能源系统规划—运行两阶段优化

综合能源系统对提高能源利用率、推进能源转型和节能减排具有重要意义。随着可再生能源大规模接入和电、氢、热等能源需求多样化,综合能源系统面临供需侧的多重不确定性。因此,提出一种计及动态氢价和不确定性的区域综合能源系统规划-运行两阶段优化方法。首先,提出了一种具有实际物理意义的非线性动态氢定价机制,实现售氢价随可再生能源占比动态变化,以促进可再生能源发电制氢。随后,将该机制引入规划-运行两阶段协同优化过程中,通过配置合理的设备容量和制定经济的运行计划,最小化系统建设及运行成本。同时,基于模糊机会约束规划方法描述可再生能源出力及负荷需求的不确定性,以增强系统稳健性。最后,通过算例仿真验证所提优化模型及方法的有效性。     

考虑调频补偿效果的区域综合能源系统调频服务优化策略

辅助服务对维持含有高比例可再生能源电力系统的安全稳定运行至关重要。含有储能设备的区域综合能源系统作为优质调频资源,可以有效调节可再生能源接入电力系统后导致的不可忽略的频率偏移,帮助解决电力系统频率稳定性问题。文中建立了在市场机制下考虑调频补偿效果的区域综合能源系统运行优化模型,并采用YALMIP+CPLEX在MATLAB中进行了仿真分析,求得了不同调度模式下的总运行成本。通过采用实际运行中的宾夕法尼亚—新泽西—马里兰(PJM)调频市场模型和参数来指导区域综合能源系统中调频资源的优化配置,在电能与调频服务市场收益之间进行权衡,实现了利润的最大化。     

与电力系统协同区域型分布式冷热电联供能源系统集成方案

在分析了分布式冷热电联供系统(DES/CCHP)的研究和发展面临的新机遇的基础上,提出了与电力系统协同的区域型DES/CCHP的总体集成思路和技术集成方案。通过变结构的集成方式来实现系统结构与功能的协同优化,提出了多个区域型DES/CCHP、区域内其他形式的分布式能源系统、多源链式微网、多源环状热网和大电网的整合集成技术,并通过能源利用流程的动态组合,提出了协同互补运行方式。为清洁能源的高效、梯阶、互补利用及分布式可再生能源的规模化应用提供一种通用的集成方案。该集成方案将在湖南省创建国家示范性工程中得到应用。     

用户级综合能源仿真分析系统研究与开发

为了在规划阶段合理把控综合能源系统布局,充分发挥综合能源系统高效运行优势,结合分布式综合能源站的实际建设需求,提出用户级综合能源仿真分析系统的逻辑构架、仿真方法和功能模块等设计思路,并采用Visual Studio企业应用平台对综合能源仿真分析系统进行开发。系统的仿真分析以整体经济效益、运营环节效益、综合能效为可选优化目标,综合考虑不同季节负荷水平、系统运行方式、系统资源配置等因素,通过负荷分析、容量配置以及优化运行,实现综合能源系统最优配置方案的自动生成,并具备不同优化方案设计对比功能。以某用户级综合能源园区为例进行仿真分析,计算分析结果与实际分布式能源站项目可研报告中的拟建设规模基本一致,充分表明了仿真分析系统的有效性与实用性。     

分布式能源站的系统集成与优化运行

国家863 计划课题“MW级燃气轮机分布式冷电联供技术集成与示范研究”以佛山供电局季华路大院3 栋大楼为依托,建成一个具有代表性的高效天然气冷电联供示范系统。以该示范系统为例,通过对分布式能源站的系统集成与优化运行控制策略的研究,提出了分布式能源站在经济工况下高效运行的方案。该方案可有效降低分布式能源站的投资和运行费用,大大促进分布式能源技术的应用和推广。     

特高压分级式可控并联电抗器工程应用技术

2020年底投运的张北特高压站汇集的5 000 MW电力均为新能源。从新能源出力的不确定性角度来看,张北—北京西线路潮流将在0~5 000 MW之间变化。针对该不确定性,首次应用了特高压分级式可控并联电抗器(controllable shunt reactor,CSR)成套装置,解决了特高压输电系统中无功补偿和限制过电压对并联电抗器不同需求之间的矛盾,降低了无功损耗,提高了系统调控灵活性,为张北地区新能源外送创造有利条件。示范应用中在工程选点、集成设计、设备研制等方面均有创新。如可结合新能源外送特高压通道上电压波动频繁且幅度较大等问题开展工程选点;特高压CSR本体、晶闸管阀等设备的集约化设计思路提高了产品经济性。通过分析系统试验阶段以及设备投运一年来的数据,提出了特高压分级式CSR工程应用技术的优化方向。