Potential evaluation of energy supply system in grid power system,commercial, and residential sectors by minimizing energy cost

If the economic activity in the commercial and residential sector continues to grow, improvements in energy conversion efficiencies of energy supply systems is necessary for CO₂ mitigation. In recent years, the electricity driven hot water heat pump (EDHP) and the solar photovoltaic (PV) have been commercialized. The fuel cell (FC) of co‐generation system (CGS) for the commercial and residential sector will be commercialized in the future. Copyright © 2004 Wiley Periodicals, Inc. The aim is to indicate the ideal energy supply system of the users sector, which manages both the economical cost and CO₂ mitigation, considering the grid power system. In this paper, cooperative Japanese energy supply systems are modeled by linear programming. It includes the grid power system and energy system of five commercial sectors and a residential sector. The demands of sectors are given by the objective term for 2005 to 2025. Twenty‐four‐hour load for each three annual seasons are considered. The energy systems are simulated to minimize the total cost of energy supply, and to mitigate the CO₂ discharge. As a result, the ideal energy system at 2025 is shown. The CGS capacity grows to 30% (62 GW) of the total power system, and the EDHP capacity is 26 GW, in commercial and residential sectors. © 2007 Wiley Periodicals, Inc. Electr Eng Jpn, 160(2): 9–19, 2007; Published online in Wiley InterScience ( www.interscience.wiley.com ). DOI 10.1002/ eej.20361     

考虑热惯性的热电联产系统两阶段优化调度方法

热电联产(CHP)系统具有环保、经济、运行方式灵活的突出优势,有较好的发展前景。文中基于电、热在传输和存储方式上的不同特性,提出一种考虑热惯性的CHP系统两阶段优化调度方法。第一阶段考虑供热网络结构和运行特性,建立基于模型预测控制(MPC)的CHP系统优化调度模型,优化日内可控设备出力及电网交互功率策略;第二阶段以CHP系统内各单元出力调整量最小为目标,综合考虑可再生能源及负荷的实时预测误差,动态调整第一阶段日内调度策略。算例表明,该两阶段优化调度模型可提高系统运行的经济性,弥补供需不平衡;结合系统热惯性,建筑物根据负荷需求和分时电价进行蓄热或放热可降低可再生能源及负荷不确定性对调度的影响,平抑功率波动,促进热电互补。     

风荷组合场景下计及调峰效益的电锅炉和储热系统容量优化配置

储热系统具有良好的调峰特性,可以打破热电联产机组以热定电的刚性约束。合理的配置电锅炉和储热系统能够有效提高地区电网消纳风电的能力。综合考虑风荷不确定性,构建基于启发式矩匹配方法的风-荷组合场景,在此基础上,建立计及调峰效益的电锅炉和储热系统优化配置双层规划模型,上层以待规划热电厂年化调峰净收益最大为目标,下层以组合场景S下总燃料成本和弃风惩罚成本最小为目标,以电热系统相关约束作为约束条件,最后采用粒子群优化方法对该模型进行优化求解,获得最优电锅炉和储热系统配置方案。算例结果表明,合理配置电锅炉和储热系统,可以有效的提高风电消纳率以及整体收益。     

考虑综合需求响应的电热系统调度

随着综合能源中电、热负荷不断增长以及热电联产(CHP)装置、风机等电源迅速发展,弃风现象愈发严重。为解决弃风问题,提出考虑电、热综合需求响应的优化模型。首先,在负荷侧分析电、热负荷的可调度价值,对电负荷建立实时电价模型,并采用价格型需求响应进行调整;其次,采用自回归滑动平均(ARMA)模型描述热负荷的传输延迟特性,并考虑模糊性供热舒适度,使得热负荷具有一定的弹性,即热力需求响应,通过2种响应模式对电、热负荷进行调整可增大风电上网空间;然后,在源侧增加电锅炉和储热装置,增加系统的灵活性,解耦CHP“以热定电”的刚性需求;最后,以系统的日运行费用与弃风成本最小为目标,在Matlab中调用CPLEX对模型进行求解。算例表明,所提方法可显著提升风电消纳能力,降低系统运行成本,提高能源利用效率。     

利用建筑物与热网热动态特性提高热电联产机组调峰能力

提出了综合考虑建筑物与集中供热管网热动态特性的热电联合运行模式,解决了因传统"以热定电"运行模式而导致的热电联产机组调峰能力不足的问题。详细介绍了基于建筑物与热网热动态特性的热电联合系统的构成方案;着重对比分析了考虑建筑物与热网热动态特性前后的热电联产机组运行点的变化情况,在此基础上明确了其能够提高机组调峰能力的机理;给出了综合考虑建筑物与热网热动态特性的热电联合调度模型。算例结果表明,所述综合模型可以显著提高机组的上调节和下调节容量,其效果优于仅考虑建筑物或者热网单一环节热动态特性的模型。进一步,将系统源侧"热电耦合"特性扩展到荷侧,利用系统"源荷协调控制"实现了机组"热电解耦"。     

考虑综合需求响应的电热系统优化调度

考虑配电网中电、热负荷的不断增长,以及热电联产装置(Combined heat and power,CHP)和风机等分布式电源的迅速发展,提出考虑电、热综合需求响应的优化模型。首先,在负荷侧分析电负荷和热负荷的可调价值,电负荷建立实时电价模型,采用价格型需求响应进行调整；热负荷是考虑热负荷的传输延迟特性,采用自回归滑动平均(ARMA)模型描述和计及模糊性供热舒适度特性,使得热负荷具有一定的弹性,即热力需求响应,通过这两种响应模式对电、热负荷进行调整,增大风电上网的空间；其次在源侧增加电锅炉和储热装置,增加系统的灵活性,解耦CHP“以热定电”的刚性需求,最后以系统的日运行费用与弃风成本最小为目标,在Matlab中调用CPLEX对模型进行求解。算例结果表明,在源侧采用CHP+电锅炉和储热相比于传统的CHP+储热,风电的消纳能力有显著提升；在荷侧考虑电、热综合需求响应相比于传统的考虑单一需求响应,可有效的降低系统的运行成本,提高能源的利用效率。     

基于机会维修的热电联产机组检修计划

多能流耦合是综合能源系统的显著特点,当热电联产（combined heat and power,CHP）机组故障时,其影响会扩散传播到多个能源系统,因此,提高热电联产机组运行的可靠性非常重要。针对该问题,提出了一种基于机会维修的热电联产机组检修决策模型。首先,从机组供电和供热耦合机理出发,考虑不同设备间经济关联,推导了计及机会维修的热电联产机组供电和供热可用度表达式,在此基础上,为量化不同检修策略对系统运行的影响,综合考虑系统削减电负荷损失和热负荷损失,给出系统运行风险指标表达式,进一步,计及检修约束条件,建立热电联产机组检修决策模型。算例分析表明,所提模型能够提高热电联产机组运行的可靠性和系统整体效益。     

考虑多类型需求响应负荷的热电联供系统协调优化运行

综合需求响应（integrated demand response, IDR）是综合能源系统灵活调度的重要途径,对需求响应负荷、能源生产转换设备进行协同优化有利于提升能源利用率并降低用电用能成本。文章首先分析需求响应负荷特性,将需求响应负荷细分为可中断电负荷、可转移电负荷和可调节热负荷;其次采用能源枢纽建模方法对热电联供（combined heat and power,CHP）系统进行建模,并将多类型需求响应负荷纳入其中;在此基础上,构建考虑多类型需求响应负荷的CHP系统运行策略,以日运行费用与能源消耗量最小为目标对调度模型进行求解;最后,在2种不同场景下对算例进行对比,结果显示：需求响应负荷参与调度,可以实现削峰填谷,使得供需更趋于平衡;通过协调各能源设备及需求侧负荷运行策略,系统的日运行费用节约5.4%,能源转化率提高2.6%,实现了CHP系统的经济优化运行。     

考虑风电消纳的含P2G-CCS虚拟电厂优化调度

针对热电联供（CHP）运行过程中产生大量CO2以及“以热定电”运行方式导致的弃风问题,提出一种考虑风电消纳的含电转气和碳捕集系统（P2G-CCS）虚拟电厂优化调度方案。首先,在虚拟电厂（VPP）中引入P2G-CCS耦合模型,并使其与CHP能源流动形成循环,将CO2作为CHP的燃料来源;其次,在VPP中加入地源热泵（GSHP）,与P2G-CCS协同运行,实现CHP的热电解耦,促进风电消纳;最后,将电、气综合需求响应引入负荷侧,进一步促进风电消纳。以华北某地区VPP为例进行算例分析,结果表明所提调度方案可以有效促进风电消纳,同时碳排放和运行成本也更低。     

考虑热负荷二维可控性的微网热电协调调度

考虑到区域内用户的热、电需求,近年来以微型燃气轮机为核心的热电联供系统在微网中得到广泛应用。如何协调调度微网的供热、供电,是提高可再生能源吸纳率、降低微网热电联供成本的关键。文中从用户供热舒适度的模糊性、微网供热系统的热惯性角度考虑,提出采用室内热舒适度指标将热负荷需求由传统的曲线转换为区间,从而使热负荷在各时间点上具有弹性;同时以自回归滑动平均(ARMA)模型描述供热系统多时段间的耦合关系,使供热量在时间轴上具有一定的可调节性。文中将上述两个特性统称为热负荷的二维可控性。算例分析了考虑热负荷二维可控性后,微网在孤网/并网运行时微型燃气轮机运行平稳性、弃风/光、购/售电量等方面,结果显示所述方法可有效减少热—电刚性耦合,为实现微网中热—电的时间平移和优化匹配提供了一种新思路。     

基于需求侧综合响应的热电联供型微网运行优化

热电联供型微网具有能源利用率高、灵活可靠的特点,成为实现能源生产和消费转型、解决环境问题的重要手段。热电联供型微网热、电紧密耦合,给其运行的灵活性和经济性带来了不利影响,为此提出基于需求侧综合响应的热电联供型微网运行优化方法。需求侧综合响应包含热负荷响应和电负荷响应,可为热电联供型微网的热、电生产提供优化空间。热负荷响应建模根据建筑物热工模型,建立供暖功率与室内温度的关系方程。电负荷响应考虑可转移负荷。在此基础上建立热电联供型微网运行优化混合整数线性规划模型,采用CPLEX软件进行求解。算例分析结果表明,需求侧综合响应的应用提高了热电联供型微网热、电生产的灵活性,同时给系统运行带来了可观的经济效益。     

基于采暖需求侧管理的电网节能调度研究

提出某省级电网热电联产机组远程调度系统和针对终端采暖负荷的远程控制系统,利用空调热泵分担部分传统散热器采暖负荷,调节热网总采暖负荷和电网总电力负荷的比例。通过改变负荷约束条件进行采暖需求侧管理,在热电联产机组和纯凝汽火电机组之间、热电联产机组和风力发电机组之间实现新的最优化负荷分配。建立数学模型,计算了采暖与电力综合调度方法的潜在节能效益。     

Development of power system reliability analysis program with consideration of system operation

This paper describes a new program which analyzes the reliability of composite power systems with consideration of power system operational aspects. It uses the sequential Monte Carlo method and calculates annual risk indices for each load point. The program deals with the system problems involved in load flow, voltage, frequency, and small‐signal stability if necessary. The distinctive feature of the program is consideration of power system operation in a sequential manner, such as generation dispatch and system restoration after equipment failure. This makes possible the evaluation of both power system planning and operation from the reliability point of view. Several new methods of reducing calculation time are developed and implemented, including the concurrent LP/load flow method, which improves solvability. © 2005 Wiley Periodicals, Inc. Electr Eng Jpn, 153(4): 20–31, 2005; Published online in Wiley InterScience ( www.interscience.wiley.com ). DOI 10.1002/eej.20138     

考虑风电消纳的综合能源系统“源-网-荷-储”协同优化运行

针对因传统的热电联产(Combined Heat and Power, CHP)"以热定电"运行方式导致的弃风问题,提出一种考虑风电消纳和运行经济效益的综合能源系统"源-网-荷-储"协同优化运行方法。在源侧通过热泵和储能设备解耦CHP"以热定电"运行约束,在网侧构建了稳态电-热潮流,在负荷侧考虑了综合需求响应,提升系统的风电消纳空间。系统以建设运行总成本最小为目标,考虑了能量平衡、稳态电-热潮流和CHP出力等约束条件,构建了考虑风电消纳的综合能源系统"源-网-荷-储"优化运行模型。最后,通过风机的33节点电网和8节点热网构成的综合能源系统验证所提方法的正确性和有效性。多场景仿真结果表明,该方法可有效提升风电消纳空间和系统经济效益。     

考虑用户舒适度的虚拟电厂热电联合调度模型

热电联产（combined heat and power，CHP）机组“以热定电”的运行模式极大制约了系统调峰能力，导致弃风限电形势严峻，突破CHP机组热电间刚性耦合关系成为促进风电消纳的关键。基于此，采用虚拟电厂模式聚合CHP机组等分布式能源作为整体参与电网运行，充分考虑用户舒适度，将固定负荷曲线转换为需求区间，使热、电负荷在时间轴上具备柔性可调能力，在满足用户舒适度的同时灵活调整CHP机组出力，有效缓解弃风现象。此外，采用多场景法处理风电出力不确定性，以虚拟电厂自身收益最大化为目标构建热电协调调度随机规划模型，实现热、电系统的协调优化运行。最后，通过算例验证所构建模型的有效性和合理性，结果表明：考虑用户舒适度能够有效促进风电消纳，提升虚拟电厂经济效益。     

CHP Plants in Russia: the Necessity for Technological Renovation

The role of combined heat and power (CHP) plants in the electric power industry of Russia is shown. The operational efficiency analysis of public service CHP plants and the fuel, power, and age structure of the existing CHP plants are carried out. Their main problems, such as underuse of generating equipment, excessive production in the condensing mode, high degree of equipment wear, and technological heterogeneity, are identified. The necessity of technological renovation of the CHP plants is shown. The energy efficiency of the combined production of electric and thermal energy by the existing CHP plants is compared to modern technologies for their separate gas and coal production. It is shown that the thermal capacity of the CHP plants in Russia exceeds the required capacity by almost two times. Estimates of the CHP plant thermal capacity necessary to cover the current heat loads are obtained for Russian regions. Main directions of the CHP plants' renewal based on the use of competitive domestic equipment and operation according to the heat load schedule are determined. Systemic impacts achieved by technological renewal are determined for gas-fired CHP plants with allowance for the climatic and load features of the Russian regions. It is shown that the technological renewal of gas-fired CHP plants will allow saving up to 16% of today’s fuel consumption, reducing the total CHP thermal capacity by 47.5% with the same volume and heat supply mode. The operation of a CHP plant according to the heat load schedule leads to a reduction in the electric capacity of the CHP plant by 20% with an increase in electricity generation by 11%. As a result, the consumption of the installed electric and thermal capacity of the CHP plant increases dramatically as does the fuel efficiency and the annual loading balance of external gas-fired condensing power plants. The needs for GTPs and CCGTs required for the technological renovation of the CHP plants is assessed. The necessity for developing competitive domestic medium and high power GTPs is considered.     

智能电网环境下负荷响应对系统消纳风电能力影响的研究

随着可再生能源的跨越式发展,大规模风电并网消纳不畅问题导致了严重的风电弃风现象。智能电网环境中自我响应负荷具有良好的弹性,对于减小风电波动性对电网安全的影响,提高风电资源的利用率十分有益。根据负荷需求响应的特点,建立了基于市场供需比的负荷弹性模型,分析了负荷弹性对系统消纳风电能力的影响。并以10机系统和一个风电场的数据为依据进行了算例分析,即对含风电系统的三种模式下的日前风电消纳情况进行了对比,最后结果表明,负荷弹性可有效减少弃风,提高系统对风电的消纳能力,为电力系统的安全经济运行提供可靠保障。     

考虑电热多种负荷综合需求响应的园区微网综合能源系统优化运行

区域综合能源系统是解决社会能源利用效率低以及可再生清洁能源难以消纳问题的有效途径之一。基于电力负荷与热力负荷在综合能源管理中具有相似的可调度价值,提出了一种考虑电热多种负荷综合需求响应的园区微网综合能源系统优化模型。首先,在电力负荷价格型需求响应的基础上,分析了热力负荷具有传输延迟、供热舒适度模糊性等固有特点,可作为柔性负荷参与到优化调度中,即热力需求响应;其次建立了包含风电、光伏、燃气轮机、余热锅炉、储能设备、燃气锅炉、以及电热负荷构成的热电联供型园区微网模型,以系统综合运行成本最小为目标函数。算例仿真结果表明,综合需求响应的应用提高了园区微网热电生产的灵活性,考虑电热力多负荷综合需求响应比单一考虑需求响应可有效地减少弃风、弃光,降低需求侧用户的总能源消耗成本以及系统的运行成本,提高能源利用效率,实现系统环保经济运行。     

A Two‐Stage Stochastic Mixed‐Integer Programming Approach to the Smart House Scheduling Problem

A “smart house” is a highly energy‐optimized house equipped with photovoltaic (PV) systems, electric battery systems, fuel cell (FC) cogeneration systems, electric vehicles (EVs), and so on. Smart houses are attracting much attention recently because of their enhanced ability to save energy by making full use of renewable energy and by achieving power grid stability despite an increased power draw for installed PV systems. Yet running a smart house's power system, with its multiple power sources and power storages, is no simple task. In this paper, we consider the problem of power scheduling for a smart house with a PV system, an FC cogeneration system, and an EV. We formulate the problem as a mixed‐integer programming problem, and then extend it to a stochastic programming problem involving recourse costs to cope with uncertain electricity demand, heat demand, and PV power generation. Using our method, we seek to achieve the optimal power schedule running at the minimum expected operation cost. We present some results of numerical experiments with data on real‐life demands and PV power generation to show the effectiveness of our method. © 2013 Wiley Periodicals, Inc. Electr Eng Jpn, 186(4): 48–58, 2014; Published online in Wiley Online Library ( wileyonlinelibrary.com ). DOI 10.1002/eej.22336     

基于用电采集数据的需求响应削峰潜力评估方法

目前,电网规划按规划年最大负荷场景对电网网架进行规划设计。需求侧响应能达到削减年度尖峰负荷的效果,对电网规划产生影响。文章提出了一种基于用电采集数据的需求响应削峰潜力评估方法。首先,利用统计分析确定峰荷时段。其次,提出利用K-means聚类算法,以日负荷率、日峰谷差率、峰期负荷率、平期负荷率、谷期负荷率5个关键指标,对单一负荷进行降维聚类分析,从而确定适用于评估需求响应能力的用户典型日负荷曲线。在此基础上,综合考虑负荷所在行业的需求响应降负荷率和负荷峰谷差,量化评估负荷的削峰潜力。最后,根据拓扑结构,通过逐层叠加计算总需求响应的潜力及对峰值负荷的总影响。此文提出的方法可以帮助电网规划人员有效量化需求响应对系统峰荷的影响潜力,从而在规划时能考虑需求响应的影响,制定合理的未来电网投资方案。