基于可行域投影理论的新能源电力系统协同运行方法

随着新能源逐步成为电力系统的主体,传统电网体系的深层缺陷也日益显露。跨省区资源优化配置困难和分布式能源利用率低等能源协同体系的不足成为制约新型电力系统建设的瓶颈。为此,该文通过基于外割法的可行域投影等值算法刻画区域系统可行域,并通过并行伞约束辨识法剔除模型冗余约束,进而提出一种基于投影等值理论的新能源电力系统协同运行模式,通过可行域的交互实现各级调度体系间的高效协同,并提出了三种应用场景:配电网/虚拟电厂可行域聚合、省间多通道安全域计算和多时段输配电网协同运行。算例结果表明,所提算法和模式能够有效地降低区域电网规模,从而降低区域电网与调度中心的信息交互量,提升新能源电力系统运行优化效率。

计及精细化氢能利用的综合能源系统多时间尺度鲁棒优化策略

能源结构改革背景下,构建以氢能驱动、电-热为主体的综合能源系统(HEH-IES)具有重要意义。为提高含电氢耦合单元的IES运行灵活性,同时减小功率波动对系统的影响,提出含多元储能与综合需求响应的氢能精细化利用两阶段调度方法。首先,分析电制氢(P2H)两阶段运行过程与电氢耦合单元运行特性,对氢能的用能过程与设备进行精细化建模;其次,计及多元储能与综合需求响应提出了日前-日内两阶段多时间尺度优化策略,日前阶段充分考虑能源系统的不确定性,构建数据驱动的分布鲁棒优化(DRO)模型,日内阶段遵从日前计划,考虑多能流在灵活性调节时间尺度上的差异,通过多时间尺度的滚动优化降低功率波动的影响;最后,仿真算例证明了所提模型与策略对提升IES的运行灵活性具有积极作用。

基于可行域投影的多区域电力市场交易模型与算法研究

随着跨省输电规模日益扩大,跨省跨区间输电通道数目逐渐增加且耦合紧密,传统可用输电容量(available transmission capacity,ATC),无法反映省内安全约束对跨区输电功率范围的影响和区域联络线之间的耦合关系。基于可行域投影理论,提出了省间多通道联络线可传输功率安全域的概念,以及考虑省级发电情况、负荷特性和网络约束条件的省间多通道联络线安全域刻画方法,实现了对多联络线、大规模省间电力系统模型可行域的高效、精细刻画。提出了基于安全域的省间市场优化出清模式,既可满足省间市场出清目标需求,又可兼顾省内约束,并且实现了跨区域无迭代的高效协同运行。基于IEEE 39与IEEE 118节点的互联系统模拟了跨区电力交易,算例结果验证了所提模式的有效性。

特约主编寄语

国家发展改革委发布的《关于推进电力源网荷储一体化和多能互补发展的指导意见》(发改能源规〔2021〕280号)指明了“源网荷储一体化”和“多能互补”发展对于推动我国新型能源体系建设和经济社会发展的重要意义,同时也给我国电力行业的运营管理带来全新挑战。一方面,新能源“弱稳定性”和“低惯量”特点突出,系统运行情况日益复杂,电网安全稳定运行面临严峻挑战;另一方面,多能源接入下的清洁高效消纳将带来不同时空尺度功率平衡问题。如何挖掘新型电力系统源网荷储各环节灵活性,实现清洁能源源端占比灵活可调、电网灵活切换、柔性负荷主动管理、多级储能协同、电动汽车负荷聚合管控是应对上述挑战的重要解决方案,近年来已成为学术和工业界的关注焦点。

中国能源系统能流、㶲流与能效分析

能源领域贡献了中国近90%的碳排放,对能源系统能流与能效的多维刻画及分析对碳中和路径的顶层设计具有极其重要的作用。能量具有“数量”与“品质”的双重属性,将能量的数量分析法和品质分析法相结合,分别从热力学第一定律能流和热力学第二定律㶲流的视角,研究并刻画了2010年和2020年中国能源系统的能流图和㶲流图。并从能源生产、加工、转换、消费等角度,对比分析了中国能源系统能源各链条能流、能效与损失的特征。发现2010年和2020年中国终端能源效率从74.52%提升至79.04%,同时能源结构向绿色低碳转型。但同期中国能源系统的㶲效率仅分别为17.44%和23.91%,能源转换的㶲损失仍较大,存在大量的电能低质利用、热能不匹配利用、能源原料燃烧利用等过程。最后,就双碳目标下中国能源效率从能流视角走向㶲流视角的提出了相关建议。

考虑风电不确定性的调频辅助服务市场多时间尺度出清调度策略

与传统水火电机组相比,参与调频辅助服务市场的风电资源具备灵活性强和调节速率快等优势。然而,风电资源存在不确定性的缺点,影响可调容量与调频性能,干扰调频市场出清与调度,引发调频安全风险。基于此,该文通过分析风电不确定性对不同调频市场运行阶段的影响,结合特定市场运行阶段的目标,提出考虑安全风险与调频性能的多时间尺度出清与调度策略。首先,在日前和日内时段,分别使用条件风险价值方法量化风电可调容量不确定性风险;其次,根据考虑风电资源参与的调频风险与调节成本,构建调频市场出清模型;最后,量化分析风电不确定性对调频精度指标的影响,提出考虑综合调频性能指标最优的调度策略。仿真算例分析表明,所提出清策略下的日前累计风险成本相较于传统策略降低35%;所提调度策略可以最大限度地保证调频综合调频性能好的资源优先参与调度。

欧洲能源危机成因、影响与应对措施

能源安全是国家安全的重要组成部分,在世界格局动荡、气候风险不断升高的当下,保证国家能源安全具有重要意义。2021年,欧洲爆发能源危机,为各国政治经济带来巨大挑战。新冠疫情后的经济复苏、极端天气导致供暖需求增加、欧洲各国激进的能源转型政策以及俄乌冲突导致的能源格局变化是这次能源危机的主要原因。欧洲能源危机对中国在能源转型过程中的政策制定、科技创新等方面带来一定启示。文中首先分析了近年来欧洲能源危机的现状、成因及影响因素;然后,研判欧洲各国采取的能源韧性提升措施;最后,归纳总结应对能源危机的解决策略,对中国能源安全战略发展提出政策建议。

新型电力系统形态特征与关键技术

新型电力系统建设是电力系统全面转型升级的重大机遇。为深化贯彻落实习近平总书记“构建新型电力系统”的重大决策,需要尽快统一电力全行业思想,形成推动能源电力转型的强大合力,构建清洁低碳安全高效的能源体系。该文从技术层面出发,以我国重大需求为牵引,调研和分析世界各国和我国电力系统的发展现状,指出构建新型电力系统面临的技术挑战。明确新型电力系统的核心内涵和特征,并提出未来5~15年我国需要重点支持和发展的关键技术,以及需要前瞻培育的技术。提出我国构建新型电力系统的主要策略和实施方案,旨在推动国家层面制定新型电力系统发展战略,明确阶段性目标任务,并为国家在电力行业的科研布局和规划提供决策依据。

支撑中国能源安全的电氢耦合系统形态与关键技术

氢能作为新兴的零碳二次能源,对于推动中国能源体系转型、支撑中国能源安全具有重要意义。为进一步推动氢能与电力系统的深度融合,支撑中国高比例新能源发展,对电氢耦合系统形态与关键技术展开研究。首先,构建了电氢耦合系统的技术框架。然后,从氢能供应链的制-储-输-用4个方面评述相关技术发展趋势,进而从发电侧、电网侧和消费侧3个角度出发论述氢能对电力系统典型场景的关键支撑技术,分析支撑中国能源安全的电氢耦合系统形态。最后,针对当前电氢耦合系统发展中的问题进行阐述并给出相关政策建议。

计及碳配额交易的氢电混动汽车集群调度方法

氢电混动汽车(fuel-cell hybrid electric vehicles,FCHEV)的出现克服了电动汽车充电缓慢、续航焦虑的问题,而且其灵活多样的用能方式有利于缓解电力系统调峰压力,能够促进能源–交通系统深度融合与绿色低碳转型,助力我国早日达成“30×60双碳目标”。该文建立了FCHEV等效里程模型,将里程作为衡量其充电加氢状态的指标;并建立了考虑电碳耦合的能源交通融合系统优化调度模型,使得机组运行成本和环境成本最低。基于我国某省实际数据分析了电-碳市场下FCHEV的接入对提高电力系统灵活性和推动碳减排的积极作用,挖掘了氢电混动载运技术创造的产业价值,研究了大力发展新能源对碳减排的积极影响,并根据研究结果提出了促进碳市场环境下能源–交通系统发展的建议。

基于成本-效益分析的温控负荷需求响应模型与方法

传统的需求响应研究基于经济学中的需求价格弹性系数,而由于历史数据匮乏,该系数难以准确获取,难以准确反映用户的响应行为。为此,文中提出基于成本—效益分析的经济驱动需求响应模型与方法,以制冰蓄冷设备为例,研究温控负荷用户中长期需求响应的投资决策行为。根据历史运行数据,辨识用户消费粘性参数,建立经济驱动的需求响应模型,基于年度多场景用电曲线开展投资优化决策。通过场景削减技术,提取年度典型场景,有效降低模型维数,提升优化求解效率。精细分析用户参与需求响应的成本效益,生成用户的需求响应函数,从而精准判断用户的响应行为。基于某地区工业用户投资制冰蓄冷设备的算例分析表明,所提出的模型与方法能够辨识用户粘性参数,生成需求响应函数,反映用户真实响应行为,实现用户中长期需求响应投资的科学决策。

基于用户互动能力的优化用电模式与方法

现阶段有序用电存在一定的主观性和经验性,可能导致电力用户不公平承担供电缺口的问题。为此,提出一种基于用户互动能力的优化用电模式与方法。在分析用户负荷特性和用电约束的基础上,归类为4种优化用电类型,供用户匹配选择。通过分层序列法(lexicographic method),综合考虑用户负荷特性与社会效益,动态生成电力用户的优化用电序位表。由于用户数量较大,为高效求解优化用电形成的大规模混合整数规划模型,文章提出一种动态可行域优化的高效求解算法。根据优化用电序位表,确定优化用电的寻优空间,通过迭代逐步扩展寻优空间,在不牺牲精度的前提下高效制定用户的优化用电计划。基于某省工业园区配电系统的算例分析表明,提出的模式与方法能够高效制定优化用电方案,确保电力用户公平均衡参与优化用电,有效消除配电网供电阻塞。

基于价值公平分配的电力市场竞争机制设计

有序推进电价机制改革,构建"公平、开放、有序、竞争、完整"的电力市场体系,是中国新一轮电力体制改革的关键任务。目前国外电力市场普遍采用边际价格出清的交易机制,然而理论与实践均证明,边际价格机制难以促进市场成员真实报价,难以解决电力系统信息不对称的难题。为促进市场成员理性报价、实现电力资源优化配置,提出一种基于价值公平分配的电力市场竞争机制。首先,分析了边际价格难以保证发电机组真实报价、导致市场效率损失的现象和原因;进而,基于Vickrey-Clarke-Groves(VCG)机制设计理论,提出适应电力日前市场的价值公平分配机制,理论证明所提机制满足激励相容、个体理性以及系统成本最小化,并解释了该机制实现激励相容原理的经济学意义。基于IEEE 30节点和118节点系统的算例分析验证了该机制的有效性。

基于多市场均衡的综合能源市场机制设计

近年来,我国综合能源技术与产业蓬勃发展,已有诸多研究和实践探索基于集中竞价、统一决策的综合能源市场模式。然而,大统一的市场改革与运作可能产生由于体制重组、决策过程不透明和复杂信息交互引起的交易成本。为避免颠覆性改革成本、防止信息不对称产生的市场失灵,该文设计基于多市场均衡的综合能源市场体系,提出综合能源跨商品套利、跨区(市)套利、跨期套利以及期现套利的交易模式。进而,构建综合能源服务商参与多市场套利和交易的双层优化模型,以综合能源服务商为主体,通过披露不同能源当量价格信息,激励其套利和交易行为,由此促进多能市场之间的均衡。基于我国广东省的实证分析表明,市场成员套利交易行为能够促进不同能源市场之间的价格均衡,以最小的改革成本获取最大的市场效益。

地热发电在新型电力系统中的定位及参与模式

构建以新能源为主体的新型电力系统是实现我国"双碳"目标的关键路径,以稳定、清洁著称的地热发电如何在新型电力系统生态中发挥作用,关系地热发电的机遇与挑战。基于能源互联网"系统化"理念,初步分析了我国地热发电与风、光发电接入新型电力系统的热工、经济及环境效益,讨论了地热发电参与新型电力系统的模式与机制,认为从电力系统平衡及全系统度电成本看,地热发电技术能够通过替代煤电及碳捕集技术、作为灵活性托底电源以及参与电力市场辅助服务等手段,有效支撑新型电力系统的规划与运行。118个节点的风光火地新型电力系统案例分析结果表明,当20%的火电机组被地热发电替代后,系统30 a的总经济成本约降低14%。最后指出,除缺失顶层设计以及地热发电资源量评估等问题外,中低温水热型发电、二氧化碳增强型地热发电以及地热发电系统的热经济优化等技术依然是制约我国地热发电发展的关键问题。

主辅电力市场外部性价值优化定价方法

新能源高比例并网对电力系统备用提出了新的要求,需要火电机组提供辅助服务以优化系统运行。然而,广泛应用的边际价格机制难以辨识新能源及负荷的外部性价值、难以辨识火电机组提供的辅助服务价值。为此,采用Vickey-Clarke-Groves(VCG)机制量化市场成员外部性价值,基于替代效益对火电机组提供的辅助服务成本进行精准辨识。为提升VCG机制计算效率,提出基于最优基替换的加速算法,使用对偶单纯形法在初始最优基的基础上进行最优基替换,得到移除发电机组后新问题的最优解。IEEE 57节点系统和IEEE 118节点系统算例的计算结果表明,基于最优基替换的加速算法显著提高了VCG机制的优化计算效率。

高比例可再生能源渗透下的电力市场价值分配机制设计

大力发展可再生能源、构建清洁高效的能源体系已成为贯彻落实能源革命的必然选择。在电力市场环境下,随着可再生能源渗透率的持续提升,传统火电份额被不断占据。由于尚未建立合理的市场机制保障火电提供容量的基本收益,火电企业缺乏为高比例可再生能源提供辅助服务的动力。市场价值分配的核心思想在于按照“谁创造的价值谁分享,谁产生的成本谁承担”来量化市场成员的贡献和价值,并分配利益。为此,提出一种高比例可再生能源渗透下的电力市场价值分配机制。基于Vickrey-Clarke-Groves(VCG)机制,定义一台火电机组的价值为该机组对其他发电资源的替代效益,精准辨识火电为可再生能源并网消纳付出的真实成本,从而激励火电机组真实报价,主动预留辅助容量,形成高比例可再生能源电力市场互利共济的格局。

激励火电提供灵活性的容量补偿机制设计

近年来,在中国电力系统低碳化转型以及电力市场化改革快速推进的同时也暴露了一些问题,其中较为典型的就是以煤电为代表的火电企业普遍大面积亏损,甚至濒临破产清算的困境,这一现象主要归因于大规模新能源零边际成本占据火力发电份额,以及火电提供灵活性以保障新能源消纳产生的外部成本没有得到充分回报,部分火电企业甚至还贷难以为继,亟须建立合理的容量机制保障火电这部分外部成本的回收。因此,文中首先对比了国内外主流的容量补偿机制及其对中国的适应性。然后建立了考虑火电企业退出市场的双层决策模型,分析了不同可再生能源渗透率下,容量补偿价格对火电企业决策以及市场运行的影响,包括出清电价、辅助服务成本等。最后,通过IEEE 30节点系统和中国某省级实际电网,验证了所提模型的有效性。算例结果表明,制定合理的容量补偿机制能够有效保证火电企业收益,并激励其提供灵活性,从而提升电网整体经济性和运行效率。

基于全成本电价的电网规划方案评估与优选

针对电网企业在新电改形势下面临的实际挑战和迫切需求,基于传统节点电价机制,分别采用潮流追踪法和邮票法分摊电网建设成本和运维成本,提出了一种计及电网建设成本与运维成本的全成本电价模型。基于全成本电价模型提出了兼顾安全性与经济性的电网规划方案评估流程,并采用IEEE 14和IEEE 33节点系统验证了所提方法的有效性。算例结果表明,所提全成本电价模型能够在纵向实现不同电压等级线路规划方案的评估,在横向实现不同配网投资项目的组合优选,可为电网公司在新电改背景下的投资规划提供量化分析方法和辅助决策工具。

风力发电与光热发电联合运行经济效益研究

风力发电和光热发电在多数工业化国家中应用广泛,但风力发电存在不稳定和波动等问题。光热发电的热储存能力可以有效减少风力发电的不稳定性,因此建立了风力发电与光热发电联合运行的模型。其中联合运行策略用两阶段随机优化模型来表示,其目的是在考虑实时不平衡结算的情况下,将日前市场收入最大化。为了更加直观地展示该模型给电网带来的经济效益,分别建立了风力发电与光热发电独立运行和联合运行2种情况下的模型,并通过算例对两者的总收益进行对比。算例表明,风力发电与光热发电联合运行系统可以有效地缓解实时不平衡问题,并明显提高了收益。