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。     

计及多能耦合的区域综合能源系统最优能流计算

摘要：为了提高能源利用效率与实现能源清洁供应,区域综合能源系统已成为支撑能源转型的重要技术。研究掌握区域综合能源多能耦合机理,对未来实现系统的有序规划、运行具有重要研究意义。文中提出了一种区域综合能源系统中具有分布式能源的最优能流模型和方法。提出了基于能源集线器模型并充分考虑能耗（太阳能,燃料油,生物质能）的电力系统、天然气系统、热力系统的优化策略。采用基于内点法对区域综合能源系统模型进行求解。通过利用辅助燃烧设备（Supplemental firing equipment,SFE）调节热电联产（Combined heat and power,CHP）单元的热电比,建立了带有SFE的生物质能CHP模型,从而增加了CHP供能比例,最终实现了系统的经济运行。     

基于规划运行多场景一体化建模的多区域综合能源配电系统设备优化配置方法研究

为刻画多种类能源相互耦合与相互支撑配合对综合能源配电系统IEDS(integrated energy distribution system)的影响,提出基于规划运行多场景一体化建模的多区域IEDS设备优化配置方法。首先,对区域电网、热网模型和能源耦合部分完成基于广义母线的冷热电综合一体化建模与能流分析。其次,基于传统规划运行双层优化模型,通过增加年投资成本和状态变量约束,构建以年度为单位的多区域IEDS设备容量优化配置问题的规划运行多场景一体化优化模型,并通过K-means实现典型场景抽取与场景缩减。最后,选用SCIP数学规划求解器实现规划运行问题的一体化求解,同时得到不同情形下的规划结果和系统最优运行方式。比较分析了热网的引入对配电系统的影响,验证了所提方法的有效性。     

双碳目标下考虑最优建设时序的区域综合能源系统低碳规划

在碳达峰、碳中和的双碳目标下,从能源供应、耦合、消费等多视角出发,分析区域综合能源系统的减碳路径并对其进行整体规划,是电力行业碳减排、助力“双碳”目标实现的重要抓手。为此,在碳目标约束下,提出了一种考虑最优建设时序和需求响应的区域综合能源系统长期规划模型。首先,通过基准线法分配了区域碳排放配额,建立了区域碳交易模型;然后,基于统一母线结构,建立了含碳捕集热电机组的电-热-气区域综合能源系统拓扑结构;随后,分别针对电、热负荷建立了价格型需求响应模型;在以上基础上,通过目标倒逼机制,研究了在不同碳排放目标下,区域综合能源系统各设备的最优建设时序及容量配置;最后,建立了多个典型场景,通过Julia语言调用Gurobi优化求解器求解了不同场景下的混合整数规划模型,并对各项成本进行了联合对比。对比结果验证了所提模型在促进新能源消纳、降低整体碳排放、节约系统成本等方面的优越性,对后续研究提供了一定支撑。     

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。     

考虑多能负荷不确定性的区域综合能源系统鲁棒规划

提出了一种考虑冷电热多能负荷不确定性的区域综合能源系统鲁棒规划方法。基于能源集线器(energy hub,EH)模型,建立了含冷电热三联供、燃气锅炉、集中式制冷站在内的区域综合能源系统模型;根据历史/预测年8 760 h多能负荷数据,通过k-means聚类分群方法得到多个典型日负荷场景,以上下界区间描述负荷不确定性,形成鲁棒规划模型;将相应鲁棒规划模型等价转化、形成子问题为凸的混合整数规划模型求解。算例结果证明了该规划方法的有效性,同时体现了综合能源系统多能互补集成优化效益。     

考虑碳交易的区域综合能源系统经济调度研究

由电力、天然气、热力等多类型能源组合而成的区域综合能源系统能够对电力系统、天然气系统、供热系统及可再生能源等进行统一管理与调度,提高能源利用效率,具有巨大潜力。构建了以系统成本最小为目标函数,含光伏、风电、微型燃气轮机、储能设备、配电网等联合供电、供热/冷的区域综合能源系统经济调度模型,并在模型中考虑了碳交易问题。针对可再生能源及负荷预测的不确定性,将预测误差表示为服从均值为零的正态分布。运用布谷鸟搜索算法对4种情况分别求解,通过对比分析发现,所建立的模型在满足区域综合能源系统经济性要求的同时,能在一定程度上降低碳排放量。     

区域能源供给网络热电协同规划模型与算法

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。针对区域内能源供给网络的系统规划问题开展了研究,建立了以考虑投资、运行、经济、环境综合成本为目标函数,考虑电网、热网多元约束和电、热能源互补的区域能源供给网络规划模型,运用正态分布量子粒子群算法对模型进行求解。以华北某市郊区的区域能源规划为案例进行能源供给网络的规划,并与传统规划模式进行对比分析。结论表明,所提出的模型能够对至少含有煤电、气电和热能的区域综合能源供给网络进行规划,且规划方案的成本要低于传统规划方案。此外,所应用的正态分布量子粒子群算法在解决此类规划问题时具有较强的性能,具有较广阔的应用空间。     

基于广义多能流模型的综合能源系统多阶段规划

综合能源系统打破了不同能源子系统之间的壁垒,提高了供能可靠性和能源利用效率。在工程中,综合能源系统规划周期较长,并以单阶段规划方法为主。但该方法易造成规划前期设备利用效率不高、规划后期设备容量不足与供能可靠性下降等问题。针对单阶段规划方法的不足,提出了一种基于广义多能流模型的综合能源系统多阶段规划方法。首先建立了广义多能流(multi-energy flow,MEF)模型;其次以全生命周期成本最小为目标、以广义多能流网络方程为约束,建立了综合能源系统多阶段规划模型,采用混合整数线性规划算法对其进行求解,从而得到各规划阶段的设备和线路配置方案;最后,以华北某待建园区综合能源系统为例进行了仿真分析,验证了多阶段规划的有效性和经济性。     

考虑多能互补的区域综合能源系统多种储能优化配置

在区域综合能源系统中配置多种储能装置可提高系统的经济效益,是区域综合能源系统规划的重要研究方向。基于区域综合能源系统的基础架构和模型,研究了蓄冷、储热、储电和混合储能在冷热电联供(CCHP)机组和电制冷等设备多能互补协同运行情况下的盈利策略,讨论了系统配置不同储能的经济性和可行性,建立了全寿命周期的冷热电储能调度规划双层优化模型,并利用确定性迭代算法进行求解。针对某实际区域综合能源系统的多个供能季不同日负荷曲线,应用双层优化模型求解运行调度方案和储能配置容量。算例结果表明:配置蓄冷和储热在多能互补协同运行系统中有较大的盈利空间,而配置储电的利润空间较小,且考虑多能互补的混合储能方法可以进一步挖掘系统的盈利能力。     

多主体利益协调的区域综合能源系统综合评价

如何对区域综合能源系统（regional integrated energy system， RIES）进行科学有效的评估是发展RIES亟需解决的问题。为此，文章提出一种基于物元可拓模型的RIES综合效益评价模型。首先，对RIES的多参与主体的利益关系进行分析，并在此基础上建立了涵盖政府、电网、RIES投资运营商、用户多主体利益驱动的RIES综合效益评价指标体系，其指标反映了RIES的能源、环境、经济、安全等特性。其次，对于该指标体系存在的多主体利益相矛盾、指标值易受不确定性因素影响的特点，提出一种集值迭代法与反熵权法主客观组合赋权的物元可拓评估决策模型，以实现对RIES综合效益的定量评价。最后，通过算例验证了所提方法的有效性。     

含电—热—气—冷子系统的区域综合能源系统多场景优化调度

针对当前区域综合能源系统(RIES)研究中未详细考虑含电—热—气—冷子系统(PHGCS)协调运行效果的现状,研究计及能源子系统关键特征变量的RIES多场景优化问题。首先,基于能源集线器概念对以区域混合能源站为核心的能源耦合环节进行能源比例分配建模及分析,分别建立RIES中PHGCS数学模型。然后,提出考虑效率指标最大化、费用指标最小化、排放指标最小化及多目标综合性能指标最优的多场景运行模式,建立在不同负荷结构、多时段、多场景运行模式下的优化分析模型。其次,采用峰谷分时电价机制对RIES整体和分时段性能指标、子系统及耦合环节关键特征变量进行综合分析。最后,通过算例验证了该模型与优化方法的合理性和有效性。     

区域综合能源系统的能效定义及其相关性分析

首先,考虑多种能源的能级水平,将区域综合能源系统分为能源供应、能源转换、能源传输、能源存储和能源需求5个环节,提出了适用于评价区域综合能源系统能效的能源利用效率表达式。然后,通过对能源利用效率相关因素的理论分析,指出5个环节中可再生能源渗透率、能源转化设备效率和容量配置结构、冷/热/电负荷需求结构是影响综合能源系统能源利用效率的核心要素。最后,依托中国某地示范园区展开实例分析,算例结果表明能效表达式能够准确反映区域综合能源系统多能互补耦合和梯级利用的特色,并通过分析区域综合能源系统能效展示了合理配置能源转化设备和优化冷/热/电负荷需求结构的重要性和方法,与理论分析结果一致,说明了所提区域综合能源系统能源利用效率表达式的有效性。     

An explainable framework for load forecasting of a regional integrated energy system based on coupled features and multi-task learning

To extract strong correlations between different energy loads and improve the interpretability and accuracy for load forecasting of a regional integrated energy system (RIES), an explainable framework for load forecasting of an RIES is proposed. This includes the load forecasting model of RIES and its interpretation. A coupled feature extracting strat egy is adopted to construct coupled features between loads as the input variables of the model. It is designed based on multi-task learning (MTL) with a long short-term memory (LSTM) model as the sharing layer. Based on SHapley Additive exPlanations (SHAP), this explainable framework combines global and local interpretations to improve the interpretability of load forecasting of the RIES. In addition, an input variable selection strategy based on the global SHAP value is proposed to select input feature variables of the model. A case study is given to verify the effectiveness of the proposed model, constructed coupled features, and input variable selection strategy. The results show that the explainable framework intuitively improves the interpretability of the prediction model.     

基于改进最小叉熵法的区域综合能源系统经济效益评估

区域综合能源系统（regional integrated energy system,RIES）作为一种可充分利用多种能源的有效网络形式,其组成方案的经济效益评估意义重大。文章首先分析了RIES的架构,搭建了RIES经济性评价指标体系。为提高指标权重融合的合理性,本文提出可反映主客观权重内在联系的改进最小叉熵法;并结合优劣解距离法（Technique for order preference by similarity to ideal solution,TOPSIS）和秩和比法（Rank-sum ratio,RSR）,进行RIES投资方案的多准则评价排序并选出最优方案。最后,选取某工业园区不同系统组成方案作为算例进行经济效益评估验证,结果证明了该方法的工程实用性,对RIES规划、改造等项目的经济效益评价具有一定的参考价值。     

含冷热电联供及储能的区域综合能源系统运行优化

利用区域综合能源系统提高负荷侧运行灵活性是提升电力系统内高比例可再生能源消纳能力的重要技术手段,并且区域综合能源系统内的储能设备可以通过解耦热电联系来有效降低运行成本。用场景分析法对可再生电源出力随机性进行建模,以揭示可再生能源的随机波动性对含有冷热电联供的区域综合能源系统的运行优化所带来的影响。在考虑系统内设备特性后,建立了包含能源转换设备、能源储存设备在内的区域综合能源系统模型,并采用Yalmip工具箱和商业软件Cplex在MATLAB中进行了仿真分析,求得了系统内各个单元最佳出力、机组组合和不同调度模式下总运行成本。仿真算例表明,含有冷热电联供的区域综合能源系统可以通过储能设备有效解耦其热电运行约束,充分发挥区域综合能源系统依附能源互联网运行所带来的经济优势,提高能源利用效率。     

考虑综合需求响应的楼宇综合能源系统能量管理优化

针对楼宇综合能源系统（RIES）能量管理时未充分考虑影响室温因素及其对负荷建模的影响和刚性捆绑RIES、用户从而未全面考虑用户舒适度和用能支出的问题,文中提出了冷、热负荷参与阶梯型补贴和电负荷参与电价型综合需求响应的RIES能量管理优化模型及其求解方法。首先,综合考虑影响室温因素,得到离散化的楼宇热平衡方程,建立楼宇的柔性而非固定的冷、热、电负荷数学模型。其次,建立冷、热负荷参与的阶梯型补贴和电负荷参与的电价型综合需求响应机制。然后,考虑RIES向用户售能的收益、从外部购能的成本和支付用户的补贴费用,构建了以最大化RIES运行利润为目标、计及设备和系统运行约束的能量管理优化数学模型,并采用CPLEX对线性化后的模型进行求解。最后,通过算例仿真表明：计及综合需求响应的楼宇综合能源系统能量管理优化能统筹协调供需两侧资源,提升系统与用户的经济效益。     

基于重复博弈的区域综合能源系统优化运行分析

文中提出了一种基于重复博弈的区域综合能源系统(RIES)优化运行方法。首先,对RIES各环节进行建模与分析。将配电网重构结合电容器投切作为优化调控手段之一,以微能源网与配电网为博弈参与者,微能源网日运行费用和配电网综合满意度为各自效用函数,建立RIES重复博弈优化模型。然后,通过双方之间的互动博弈动态改变能量交互边界和双方策略集,并采用自适应粒子群算法进行求解,最终得到RIES博弈均衡优化结果。最后,以典型RIES为例对所提博弈模型进行仿真验证,结果表明,所提方法充分发挥了配电网在RIES运行优化中的作用,兼顾了微能源网和配电网的利益,有效降低了微能源网日综合运行成本,实现了RIES的协同经济优化运行。