能源集线器关键技术及其应用

能源集线器是综合能源系统中的重要组成部分,具有能源转化、存储和分配等功能。文章阐述了能源集线器的概念、原理,描述了其系统层面的模型,介绍了设备层面的应用范围、设备应具备的特点、涉及的关键技术以及当前在我国的应用情况。

基于能源集线器的微能源网能量流建模及优化运行分析

讨论了微能源网的概念,提出了全新的子能源集线器建模结构,包括集电器,集热器和集冷器;该结构考虑了储电、蓄冷、储热3种储能装置,可以实现能量的汇集、分配及存储;对能源集线器进行了详细的建模,并总结给出了广义储能装置的通用模型;提出一种实时电价模型,并以此建立需求响应模型;综合考虑微能源网能耗成本和环境成本,建立了微能源网的优化调度模型,计算分析了不同场景下微能源网中电、热、冷、气能源的优化调度结果,对提出的建模方法及优化调度模型的合理性和实用性进行了验证。

基于能源集线器的区域综合能源系统分层优化调度

针对时变电价且运行方法灵活的中小型区域综合能源系统,提出一种基于能源集线器的分层优化模型。研究区域综合能源系统耦合关系和热电比可调机理,建立能源集线器扩展模型。计及包括用能替代的综合需求侧响应,以综合用能成本较低和用能能效较高为目标建立双层优化模型,采用Lagrange乘子法将下层目标KKT条件作为上层优化的可行性度量进行求解。对于具体ICES网络拓扑,考虑能量连接器的动态过程并计算混合潮流,选取电/热/气网运行状态评价指标,对多目标问题进行Pareto决策面搜索,应用模糊综合决策方法在机组分配方案中择优。算例验证了所提方法的有效性。

不完全信息下计及环境成本的多能源集线器博弈优化调度

为解决综合能源系统内多个能源集线器间的不完全信息以及竞争制约关系给系统经济与环境优化调度带来的挑战,建立了经济和环境协同的综合能源系统优化调度模型,并分析了动态价格机制下多能源集线器间的制约关系,采用决策博弈方法对多能源集线器进行优化调度。针对能源集线器间热电联产运行模式的不完全信息,采用贝叶斯博弈对多能源集线器间的不完全信息博弈关系进行建模,并给出了博弈算法描述,获得计及环境成本的多能源集线器间贝叶斯博弈优化调度方案。仿真分析表明,依据不完全信息下多能源集线器间的博弈模型所得综合能源系统经济与环境优化调度方案趋近于实际情况,能够在提高经济效益的同时兼顾环境污染问题,具有合理性和可行性。

基于差分QPSO的多能源集线器系统优化调度

针对多能源集线器系统优化调度中强耦合、约束复杂和高维度等问题,提出了一种差分进化量子粒子群优化算法。该算法将差分进化算法中的变异、交叉和选择操作与量子粒子群算法中粒子位置更新公式相结合,进而增加了量子粒子群算法中种群的多样性,解决了粒子在搜索中后期易陷入局部最优的问题,提高了算法全局搜索的能力。采用标准测试函数对该算法进行测试,测试结果表明新算法具有良好的收敛性和全局搜索能力。将上述算法应用于多能源集线器系统优化调度中,计算结果表明上述算法的有效性和适用性。

基于机会约束规划的能源集线器系统气电购置优化建模

随着能源集线器概念和多能协同互补思想的提出,由能源集线器之间的耦合与联接构成的能源集线器系统,对于共享、互补、经济、高效的能源传输和利用至关重要。由于气电购置量直接关系到系统的经济高效运行,其值可由系统与主网之间天然气管道和电力联络线上流过的能量来量化,但对于二者的常规约束过于保守,通过机会约束规划可以使约束具有一定的弹性,且在置信水平高于特定的置信水平时可在一定程度上保证系统的安全可靠性。基于此,在计及能源集线器内可再生能源不确定性出力下,将传统主要应用于对电力联络线交互功率的机会约束限制,延伸到对天然气管道传输功率的机会约束限制。该约束克服了常规约束保守性的问题,可调节系统气、电资源的合理分配。同时,建立电负荷需求响应模型,考虑能源集线器内各设备出力约束,以气电购置费用最小为目标,并在一定调度周期内将机会约束规划问题转化为确定性问题进行优化求解。优化结果证明对天然气管道和电力联络线上的气、电交互传输量进行机会约束限制会对能源集线器系统向主网的气电购置费用产生影响,并且重点讨论了分别对电力联络线交互功率和天然气管道传输功率实施机会约束限制以及不同置信水平参数设置对气电购置结果的影响。

计及多能源集线器的电热综合能源系统分布式优化

由于电热综合能源系统各主体信息不共享、存在隐私保护等,区域内不同主体的自治决策和通信安全变得至关重要。为此,提出一种基于交替方向乘子法(ADMM)的电热综合能源分布式优化方法,以实现电热综合能源系统中能源集线器(EH)的自治决策和分布式优化。建立了电热综合能源系统与EH的优化调度模型,并建立了基于ADMM的电热综合能源系统分布式优化模型,实现了综合能源系统运营商与多个EH运营商的分布式功率交互。同时,采用自适应步长的方法求解所建立的模型,提高了算法的收敛性。

基于能源集线器的微能源网建模与多目标优化调度

提高能源利用率是实现能源可持续发展的重要举措。基于能源集线器的概念,提出了微能源网的通用化建模方法,得到线性的功率平衡方程。进一步地,以系统总收益最大化和能源利用率最大化为优化目标,构建了微能源网多目标优化调度模型。结合加权和法在Matlab和GAMS软件上求解得到多目标优化调度模型的Pareto前沿,并采用模糊隶属度函数求取最优折中解,作为多目标优化调度方案。最后,构建典型的微能源网进行验算。结果表明,所提出的通用化建模方法具有直观性和通用性,所提出的多目标优化调度模型能为调度决策者提供多维度的调度方案,兼顾了系统运行的经济性和高效性。

基于能源集线器矩阵化建模的冷热电多能流优化调度

为研究综合能源系统多能流交互耦合特性对于优化多能流的调度方案,提高能源系统整体效率的作用,通过能源集线器构建通用能量交换分析模型,并分解为分配矩阵和转化矩阵;提出冷热电三联供系统能源集线器矩阵化模型,针对燃气轮机、电制冷机、辅助锅炉等内部元件进行矩阵化建模;考虑能源集线器内部元件的工况实时变化,一体化描述多能流的输入输出耦合关系;以能源服务商利润最大化为目标,优化每个时隙的能源输入量和分配参数。利用Yalmip+fmincon进行算例分析,验证了所述矩阵化模型在多能流耦合优化调度方面的作用。

能源集线器控制体模型及其生长型场景模拟分析

基于原有能源集线器建立的静态综合能源系统模型已不能适用供用能生长型需求。为此,本文提出更为优化的能源集线器控制体的概念,并对该控制体进口边界的典型设备进行分类建模,结合考虑网侧约束的异质能量流模型及用户生长型负荷需求约束,建立综合考虑系统"源-网-荷"生长型变化的能源集线器控制体系统模型。通过对典型生长型案例的仿真分析,验证了本文模型的准确性,得出综合能源系统在生长型的变化下,各用户节点的能源供应状态以及系统内的能量流动,为系统未来规划以及调度决策提供支持。

考虑综合需求响应的多区域综合能源系统协同优化调度模型

新型电力系统大背景下,风光接入规模不断扩大,需求侧负荷类型愈发多样化。为提高综合能源系统的多能耦合转换能力,匹配源荷两侧供需关系,文章提出一种考虑综合需求响应的多区域综合能源系统协同优化调度模型。建立了考虑多种可调负荷的综合需求响应负荷模型和成本及收入模型;构建能源流向为“源侧出力-输入端能源节点-能源集线器-输出端能源节点-终端负荷”的多区域综合能源系统能流拓扑,并建立其能源耦合矩阵;在此基础上,以系统总调度成本最小为优化目标,建立考虑区域间电能交互的多区域综合能源系统协同优化调度模型;通过对冬夏典型日下的多种调度方案进行算例对比分析,证明所提模型能够增强总系统的多能耦合转换能力,进而有效提高系统整体经济性、灵活性和可靠性。

考虑源-荷不确定性的微能源网日前鲁棒优化调度

微能源网集成园区/社区的分布式能量系统、多元荷载及控制装置,能够实现多能源联产联供功能,有利于提升各类能源网络运行灵活性和经济性。为有效应对微能源网内部负荷和新能源出力的不确定性,首先建立多面体不确定集刻画负荷和光伏出力波动情况,构建描述微能源网网络拓扑和能流耦合关系的能源集线器(energy hub,EH)耦合矩阵。然后,以最小化系统运行成本为目标建立微能源网在并网和孤岛运行模式下的两阶段鲁棒优化经济调度模型,并运用线性决策规则(linear decision rule,LDR)和对偶理论制定模型求解策略。最后,基于IEEE 33节点配电网改进设计的微能源网进行算例验证分析。结果表明,LDR能够在一定精度范围内通过线性仿射函数有效近似刻画决策变量和不确定变量间的关系,降低两阶段鲁棒优化经济调度模型的求解难度。

基于灵敏度分析的电-气-热综合能源系统安全控制策略

基于电-气-热综合能源系统的灵敏度参数,研究了电-气-热综合能源系统的交互耦合机理和运行安全性,并提出了改善综合能源系统安全状态的调控措施。首先分别建立了电-气-热综合能源系统中各子系统模型,同时建立了能源集线器模型,将各能源子系统进行耦合;然后采用分步求解法计算综合能源系统多能流,并识别安全越限节点。在此基础上,采用灵敏度分析方法,找出可最大幅度改善越限节点状态量的调控节点。进一步提出改善电-气-热综合能源系统运行安全性的控制策略。最后通过算例对提出的灵敏度分析方法及安全策略进行分析验证,证明了其正确性和有效性。

计及虚拟储能的电-水-热综合能源系统日前优化调度方法

针对包含高比例波动性光伏、光热等可再生能源的电-水-热综合能源系统(EWH-IES),提出一种计及虚拟储能(VES)的EWH-IES日前经济调度方法。首先,为有效利用供水子系统储水特性与供热水子系统储热水特性所带来的灵活性,建立了EWH-IES中电-水和电-热之间的两类VES模型,定义了其虚拟充放电功率、虚拟电容量和虚拟荷电状态3项虚拟储能参数,以发掘储水与储热水能力参与EWH-IES的优化运行。然后,建立了融合VES模型和耦合电-水、电-热之间能量流与物质流的扩展能源集线器模型,以描述EWH-IES能量流与物质流转换的数学关系。在此基础上,提出计及两类VES虚拟充放电能力的EWH-IES日前经济优化调度方法,通过对两类VES的灵活性利用,共同支撑EWH-IES的优化运行。最后,通过算例验证了所提方法在提升EWH-IES运行经济性和可再生能源消纳方面的有效性。

计及碳交易的区域综合能源不完全信息博弈优化调度

减缓全球变暖,减少二氧化碳的排放已经成为能源部门的一个紧迫问题,在此背景下,区域综合能源系统的优化调度成为实现节能减排目标的重要途经。但是区域综合能源系统内能源集线器(energy hub,EH)间存在复杂的利益交互关系和市场不完全信息,这给系统的运行调控带来巨大的困难和影响,如何实现能源集线器间的制约和平衡成为关键。针对计及碳交易的多能源集线器区域综合能源系统,提出基于不完全信息博弈的优化调度策略。在考虑碳交易的基础上,引入电-气(power to gas,P2G)技术和碳捕集系统(carbon capture systems,CCS)耦合技术,以寻求系统低碳经济双赢。结果表明:所构建的优化调度模型,采用碳交易和碳捕集系统协调配合控碳,在保证系统经济效益的同时,碳排放量也下降了6.4%。

综合能源系统潮流分析模型与方法的研究综述

多能流潮流分析是研究综合能源系统(IES)状态估计、安全分析与优化控制的重要基础工作。为方便以潮流分析方法研究电、气、热(冷)等能源间的相互转化与耦合联供,综合分析了IES潮流分析的2个主要研究方向,其一为在某确定工况下根据已知参数计算系统的运行状态,包括稳态和动态潮流;其二为在前者基础上考虑系统不确定性参数对系统运行影响的不确定性潮流,并主要以概率潮流解法进行讨论,指出目前多能流混合潮流的研究进展与解耦方法与局限性,总结了最优潮流的求解方式和应用现状。结果表明,目前多能流稳态计算已较为成熟;动态潮流模型多以差分法求解,但准确度和求解效率仍有待提高;不确定性潮流对数据要求较高,无法兼顾计算精度和效率;最优潮流研究多集中于单一目标优化,较少涉及多目标并考虑不确定因素约束的复杂模型。最后,提出目前混合能源潮流计算在模型约束和算法难度等方面的局限性与未来发展前景。

考虑需求响应的典型场景综合能源系统规划研究

对区域综合能源系统(regional integrated energy system,RIES)的规划工作广泛涉及电能、热能、冷能等多类型能源耦合,面临很多挑战。实现多种能源间供给、需求协同互补并计及需求灵活性是综合能源规划过程中必须考虑的问题,因此提出一种考虑需求响应的区域综合能源规划方法。首先,分析工业园区、学校、医院和港区四类综合能源典型应用场景的能源配置和负荷需求,给出典型场景设备配置方案;其次,分别建立价格引导的电、热、冷负荷需求响应模型;最后,基于能源集线器(energy hub,EH)模型,建立以设备投资、运行成本和需求响应补偿成本之和最小为目标的综合能源规划模型,并采用线性化的方法对模型进行求解。相关算例表明所提方法能够有效开展典型场景下的综合能源系统规划,并降低规划成本。

能源互联网背景下的典型区域综合能源系统稳态分析研究综述

能源是国民生产的关键要素,能源互联网概念的提出促进了能源发展理念的进一步革新。该文以能源互联网能源侧重要组成部分—综合能源系统为研究对象,首先对含电力/热力/天然气的典型能源系统进行层次划分,对其中关键组件进行分类,通过能源集线器及其扩展模型对综合能源系统进行集成建模分析,在此基础上,对能源系统涉及到的能量流、优化、规划、需求侧管理等稳态问题进行总结与归纳,并结合算例阐述能源集线器在能量流分析中的作用,其目的是提出一种基于能源集线器概念和多能互补思想的综合能源系统研究思路,为能源互联网背景下的能源发展提供一些建议。

区域综合能源系统电/气/热混合潮流算法研究

随着热电联产系统、中央空调及燃气锅炉的广泛使用,区域综合能源系统中电力、天然气和热力系统的耦合和联系日益紧密。为充分反映不同能源系统之间的交互影响,文中基于能源集线器理论,构建热电联产系统模型;科学考虑不同耦合形式和能源供应模式下电力网络和燃气管网的相关约束,给出区域综合能源系统的完全解耦、部分耦合以及完全耦合3种运行模式,并提出适用的混合潮流算法。测试结果表明,所发展的算法能够合理反映区域综合能源系统的稳态特性,适用于含有电/气/热3种能源系统的综合能源系统潮流计算。

考虑配电网重构的区域综合能源系统最优混合潮流计算

随着热电联产系统、中央空调及燃气锅炉等单元的广泛使用,区域综合能源系统(ICES)中电力、天然气和热力系统的耦合和联系日益紧密。从"源—网—荷"全环节出发,提出了融合配电网重构的ICES最优混合潮流算法来对ICES进行优化调度。首先,基于能源集线器理论,构建了ICES中能量中心(EC)的数学模型。然后,考虑ICES中三相不平衡配电系统、燃气管网及EC的相关约束,以运行成本最小为目标,提出了融合配电网重构能力的ICES最优混合潮流模型及求解方法。最后,利用典型ICES算例系统测试结果表明,所述方法通过将配电网可重构网络拓扑这一灵活可控元素作为控制变量有效集成到ICES"源—网—荷"最优混合潮流算法中,进一步降低了ICES的运行成本。