LEAP2000软件——一体化能源-环境综合系统分析新工具

一、开发的指导思想 能源政策的研究从单一的能源生产、运输、分配和使用以及能源的价格和安全等方面,扩展到今天的市场改革、可持续发展和全球气候变化方面来.决策者更多地考虑是扩大合理价格和可靠的能源供应、尽量减少对环境的影响、改善能源效率、吸引投资、刺激地方经济的发展和平衡众多利害关系等事项上.涉及到这些问题,就需要对能源在满足经济的、社会的和环境的目标所起作用进行广泛的观察,还需要对许多政策和计划进行实际的理解,从广泛的经济政策(如税收、价格的改革)到许多专门的措施(如农村电气化、低排放汽车技术).美国SEI-波士顿中心(Stockholm Environment Institute-Boston Center)参与了五项国际领先的研究和制度的培训,为一体化能源-环境系统分析建立一套新的工具--LEAP2000软件,它能满足全世界能源和环境专业人员的需要.它包括一个新的软件工具(LEAP2000)、一个技术和环境数据库(TED),还有一套有创造活力的培训教材.它已用来开发地方的、国家的和地区的能源战略、进行温室气体减排评估和进行可持续能源分析.20多年来,LEAP软件一直是世界所有主要地区国家和地区能源机构培训教程中的重要工具,2000版是在原有基础上作了很大改进.

基于层次分析-模糊综合评价法的新能源电力系统储能技术评价

以某新能源电力系统为例,从技术、经济、安全3个方面构建新能源电力系统储能技术评价指标体系,采用层次分析-模糊综合评价法评价该新能源电力系统的储能技术。结果表明,该新能源电力系统的储能技术水平比较好,同时,针对该新能源电力系统在储能技术中存在的问题,从研发合作、功能强化、体制机制等方面提出对策与建议。

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。

基于Spearman相关性阈值寻优和VMD-LSTM的用户级综合能源系统超短期负荷预测

由于用户级综合能源系统(integrated energy system,IES)的多元负荷序列之间复杂的耦合关系及易受外部因素影响等原因,综合能源系统多元负荷的精准预测面临很大困难。为此,提出一种基于Spearman相关性分析阈值寻优(threshold optimization,TO)和变分模态分解结合长短期记忆网络(variational mode decomposition based long short-term memory network,VMD-LSTM)的多元负荷预测方法。首先,使用斯皮尔曼等级(Spearman rank,SR)相关系数定量计算多元负荷间以及负荷与其他气候因素间的相关关系并通过循环寻优确定最优相关阈值,然后采用VMD算法将以最优阈值筛选出的负荷特征序列分解成更简单、平稳、有规律性的本征模态函数(intrinsic mode function,IMF)后与最优气象特征一起输入LSTM模型进行负荷预测。通过某用户级IES的实际数据对所提方法的有效性进行了验证,结果表明,所提方法能有效提高IES的多元负荷预测精度。

基于多能流耦合规律的综合能源系统潮流及流分析

从能量流和流两个角度分析综合能源系统的多能流耦合规律,建立系统能流稳态潮流模型和流模型,根据模型特点研究系统潮流和流分布计算方法,以算例验证计算方法的可行性并分析计算数据,验证流机理模型相比于黑箱模型在局部分析方面的优越性。以算例数据为例,分析其潮流及流分布特点,结果表明:算例系统中能源转换环节的地方损最大,为系统薄弱环节,值得着重改进;同时电、热网络也有部分管段损较大,优化局部网络时也应纳入考虑。

计及设备变负载率特性的综合能源系统“源-荷-储”协同优化调度策略

针对传统综合能源系统忽略设备变负载率特性建模而导致调度方案经济性降低等问题,提出了一种计及设备变负载率特性的综合能源系统“源-荷-储”协同优化调度策略。文章基于对系统“源-储”两侧设备运行特性的研究,建立了设备的变负载率模型,以减少传统恒定效率模型带来的调度误差;引入主从博弈理论分析了综合能源系统供需两侧之间的交互过程,建立了计及设备变负载率特性的供需两侧主从博弈模型,进而证明了所提模型存在唯一博弈均衡,并提出相应求解流程;最后,对某园区综合能源系统进行仿真分析。结果表明:所提策略能够实现综合能源系统“源-荷-储”协同运行,提升供给侧与需求侧的经济效益。

考虑碳-绿证耦合机制的电-气-热综合能源系统分布式鲁棒低碳经济调度

为了保护综合能源系统中不同运营主体的信息隐私,权衡系统运行低碳性和经济性,解决天然气网络鲁棒模型难以求解的问题,提出了考虑碳-绿证耦合机制的电-气-热综合能源系统分布式鲁棒低碳经济调度方法。考虑天然气网络和热力网络的动态特性、碳-绿证耦合机制,构建综合能源系统动态低碳经济调度模型;为了保护各网络运营商的数据隐私,根据能量耦合关系对综合能源系统解耦,建立电-气-热网络的分布式协同优化模型;在此基础上,考虑风电出力和多能负荷的不确定性,提出基于一致性交替方向乘子法的分布式鲁棒优化框架,并利用二阶锥对偶理论与交替优化方法实现含二阶锥约束和二元变量的鲁棒子问题求解。以修改的IEEE 39节点电力网络、比利时20节点天然气网络和15节点热力网络为算例进行仿真分析,验证所提方法能够在源荷不确定性条件下实现综合能源系统各网络分散自治运行,同时兼顾系统运行的低碳性和经济性。

面向电-气综合能源系统的MEAV抗差状态估计法

为了实现电-气综合能源系统更为协调精确的状态估计,参考电网状态估计方法,基于最大指数绝对值(Maximum Exponential Absolute Value,MEAV)状态估计建立了电力-燃气网络的稳态模型。采用牛顿法作为基本算法,对系统进行能流计算以及MEAV等价模型的求解。最后,通过30个电网节点和22个燃气节点的耦合系统的仿真实验,验证了所提出的方法在获得电-气互联网络准确运行信息和抑制不良数据方面的能力。

基于信息间隙决策理论-分布鲁棒优化的含电-氢-热混合储能综合能源系统需求响应策略

混合储能系统具有储能容量大、调节能力强等优点,有助于提高综合能源系统(integrated energy system,IES)的需求响应能力。首先,构建了一种电-氢-热混合储能系统(electric-hydrogen-thermal hybrid energy storage system,EHT-HESS),其中采用电解槽(electrolytic cell,EC)、蒸气重整反应(steam methane reforming,SMR)装置、储氢、热电联产氢燃料电池(hydrogen fuel cell,HFC)设备,实现电、气向氢能的转换,以及以氢能作为中间模态的“制氢-储氢-放氢/电/热”功能。其次,建立考虑EHT-HESS的IES需求响应策略优化模型,其中考虑IES响应电价和气价,同时根据富余风电量,进行购电、购气、用电、用热、用氢等策略决策的综合需求响应(integrated demand response,IDR)行为;并采用信息间隙决策理论(information gap decision theory,IGDT)计入概率分布未知的风电严重不确定性,采用基于综合范数的分布鲁棒优化(distributionally robust optimization,DRO)方法计入概率分布不完备的电价严重不确定性。最后,算例验证了模型和方法的合理性及有效性,并表明IES装设热电联产HFC构建EHT-HESS可实现氢能向电能与热能的转换,有助于增加风电消纳量,增加IDR决策的鲁棒性。

计及需求侧管理与碳排放的综合能源系统光-储设备优化配置方法

合理调整综合能源系统(IES)的配置结构能够有效提升其低碳经济运行水平,基于此,提出了一种计及需求侧管理与碳排放的IES光-储设备优化配置方法。基于IES典型拓扑及供能设备的工作机理,建立其冷-热-电-气能流模型;根据不同柔性负荷特点,从不同维度构建用能体验的评价指标,并提出一种考虑用户综合满意度的需求侧能量管理策略;在此基础上,为进一步提升系统的低碳性能,设计了一种计及全寿命周期碳排放的奖惩阶梯型碳交易机制;在同时考虑所提需求侧管理与碳交易机制的前提下,以设备全寿命周期内创造的总收益最大为优化目标,构建了从运行到规划层面的源-网-荷-储多环节协同的光-储设备优化配置模型及运行方案;基于某真实IES开展算例研究,结果验证了所提方法在避免设备冗余配置、减碳与提高经济运行水平方面的有效性。

基于CHP机组碳排放分析的综合能源系统低碳调度优化方法

针对现有研究对于热电联产(CHP)机组碳排放计算不符合实际物理特性的问题,提出了基于CHP碳排放分析的综合能源系统(IES)低碳调度优化方法。从CHP机组内部结构入手,分析CHP机组内部各部分之间能量的传递过程,绘制CHP机组功率与碳排流向图,列写各个部分的功率平衡方程,得到CHP机组排放废气的等效热功率;计及碳排放量与废气排放速率的关系,结合废气排放的热力学方程,得到CHP机组废气排放速率与输入气流量及输出功率的关系;提出基于CHP机组碳排放分析的IES低碳调度优化模型,以总运行成本最小为目标,求解IES低碳调度优化结果;通过算例分析不同CHP机组运行方式下的优化调度结果,并与现有方法进行对比,验证了所提模型在降低碳排放方面的有效性。

基于需求侧用户响应分析的电-气-热综合能源系统低碳经济调度

在低碳经济的背景下,为充分发挥供需双侧的互动潜力,提出一种考虑综合需求响应(IDR)和碳交易的电-气-热综合能源系统(EGH-IES)双层低碳经济调度模型。首先,提出考虑多能负荷自身特性、耦合特性和反弹效应的IDR模型和用户权衡经济效益、响应方式和用能偏好的综合效益模型。基于此,建立上层模型为引入奖惩阶梯型碳交易机制的EGHIES低碳经济调度,下层模型为IDR策略的双层优化调度模型。然后,通过Karush-Kuhn-Tucker(KKT)条件、对偶定理和线性化方法将双层模型转换为混合整数线性规划问题进行求解。最后,算例分析表明,综合考虑碳交易和多元负荷特性能促进供需双侧的联合优化,充分发挥EGH-IES的经济低碳性。

多主体参与的区域综合能源系统集中-分布式需求响应机制

区域综合能源系统是能源互联网建设背景下能源供给体系的重要发展方向,随着城镇区域内微能源网、虚拟电厂等具备电网互动能力的新用能主体相继出现,该文针对区域综合能源系统需求响应这一重要调控问题,提出一种考虑区域系统运营商与区域内多用能主体利益协调的实现机制。首先,针对传统集中式调度在保护用户信息和控制自主权方面的不足,构建了由运营商集中调度、新用能主体分布协同的集中-分布式架构。其次,针对运营商和各新用能主体的调峰责任分配和利益协调问题,引入区域调峰需求响应市场,并设计了相应的奖惩机制,在激励用户的同时,规范市场行为。此外,考虑供能安全性和新能源不确定性,建立区域供能系统和新用能主体双层用能优化模型,实现多能互补和能源梯级利用。最后,通过算例验证了所提机制的合理性和有效性,运营商和各新用能主体获得更高收益,且数据交互量少、业务流程简便,适用于现行市场机制下的实际应用场景。

电-热-氢综合能源系统鲁棒区间优化调度

储能技术与风电相结合实现电能的时空平移是解决系统运行稳定性问题的有效手段。氢储能具有储存容量大、可实现电热联产联供的优点,具有很大的发展潜能。然而由于风电存在不确定性,氢储能系统在频繁切换工作模式时面临着不确定的热能需求。因此,文中综合考虑氢储能在间歇模式下的热能需求,首先,介绍了氢储能系统接入的电-热综合能源系统基本结构,将风电场与氢储能相结合构成风-氢混合系统;然后,提出考虑风-氢混合系统热平衡需求不确定性的电-热综合能源系统鲁棒区间优化调度模型;最后,基于对偶理论,对所提出的模型转化求解,通过算例对比分析各类情况优化结果,验证了氢储能在促进风电消纳、提高系统能源综合利用率方面的有效性,并证明了考虑电解槽和燃料电池工作温度能提高系统的工作效率并提高风电场并网功率。

考虑综合需求响应及绿证-碳交易机制的能源系统低碳经济调度

“双碳”背景下,考虑电热需求响应并结合市场交易机制有助于综合能源系统低碳经济运行,由此,提出一种电热需求响应配合绿证-碳交易机制的综合能源系统模型并进行低碳经济调度。首先,通过加装储液罐的方式改造碳捕集电厂,建立以碳捕集电厂、电转气设备为主要能源耦合设备的综合能源系统数学模型;其次,为降低系统电热负荷峰谷差,进一步降低高碳排机组出力,引入电热需求响应机制;再次,建立阶梯式碳交易机制与绿证交易机制数学模型并将其引入系统低碳经济调度中;最后,以系统运行成本最小为目标函数建立低碳经济调度模型;算例表明,所提模型在系统总成本全面下降的同时实现了风电全额消纳,大幅提高了系统运行的低碳经济效益。

基于特征筛选的综合能源系统多元负荷日前-日内预测

负荷预测是指导综合能源系统调度与运行的前提。为更加经济高效地实施系统日前计划、日内优化,提出一种基于特征筛选的多元负荷日前-日内预测方法。首先,结合特征工程中3类特征筛选方法筛选预测模型输入特征,简化模型的同时能够保存下最重要的特征,针对日前-日内预测策略分别确立输入特征集;然后通过多任务学习硬共享机制,采用长短期记忆神经网络建立预测模型,实现不同子任务信息共享,并通过随机搜索方法优化网络参数以提高预测精度;最后以北京某产业园区供暖季电、热负荷为案例进行分析,日前、日内预测综合精度分别达到91.3%和95.2%。分析结果表明,该预测方法能够为系统日前调度和日内运行优化提供良好支撑,且预测结果优于未经特征筛选预测和单独负荷预测,证明了该预测方法具有更高的预测精度。

基于风光气互补的园区综合能源系统性能分析及优化调控

园区综合能源系统在满足用户冷、热、电等多种能量需求的前提下,可提高系统效益、能源利用效率和可再生能源消纳比例。该文构建基于风光气的园区综合能源系统,并建立燃气轮机精细化数学模型,研究多场景下综合能源系统互补调度特性,得到多目标优化调控方案。结果表明环境温度对燃机性能及综合能源系统的调控方案有较大影响。基于夏季典型日制冷工况和冬季典型日供热工况,以总成本费用最低为目标函数,对燃机、热泵、电锅炉容量进行优化。分别以运行总成本最低和一次能源利用效率最高为目标函数,研究供热和供冷模式下,综合能源系统的优化调控方案。

基于时间Petri网的电-气综合能源系统薄弱环节辨识

为有效辨识电-气综合能源系统薄弱环节,防止级联性重大事故,提出一种基于时间Petri网的电-气综合能源系统薄弱环节辨识方法。利用Petri网对系统做抽象化建模,确定故障源的关联区域子系统,并构建基于级联故障路径的时间Petri网模型,描述电-气系统故障传播的动态特性和时序差异,将级联危害评价计算融入到Petri网的运行过程中,寻找引发级联失效的关键环节,以IEEE30节点和25节点天然气系统组成的电-气耦合系统仿真分析,验证所提方法的有效性。

计及自适应阶梯碳势-碳价与供需双响应基于主从博弈的综合能源系统低碳经济调度

针对碳流视角下综合能源系统(integrated energy system,IES)低碳化调度潜能挖掘不充分和用能侧碳排放责任承担不足的问题,提出了计及自适应阶梯碳势-碳价与供需双响应基于主从博弈的IES低碳经济调度策略。首先,设计自适应阶梯碳势-碳价模型,并构建基于能量枢纽矩阵标准化模型的IES碳流模型,获取用户侧各能源负荷节点碳势,进而完成碳势分级下碳价区间的划分;其次,兼顾源荷两侧的灵活调整及响应机制,建立用户侧参与的IES主从博弈低碳经济调度模型,上层IES运营商通过制定动态变化的负荷节点碳势-碳价,引导下层用户聚合商低碳化用能;最后,提出改进霜冰优化算法(improved rime optimization algorithm,IRIME),利用其独特阶梯式逐步搜索策略与主从博弈迭代过程相贴合的特性,并改进权重系数设计与选择策略,实现主从博弈模型的高精度、快速求解。仿真结果表明:所提自适应阶梯碳势-碳价模型提升了用户侧的碳势感知能力,与阶梯型碳排放固定碳价模型相比可进一步降低4.76%的碳排放量,结合供需双响应机制可提高1.13%的IES运营商收益和降低0.81%的用户聚合商成本;IRIME提升了模型求解的快速性,同时改善了主体间博弈结果的均衡性;所提调度策略实现了碳排放责任的流动转移与两主体间的协同低碳经济运行。

基于改进交替方向乘子法的电-气综合能源系统优化调度

在电-气综合能源系统分布式优化调度中,非线性非凸的Weymouth方程给问题求解带来了巨大挑战。一方面,目前许多研究采用二阶锥松弛Weymouth方程,较为复杂;另一方面,主流分布式算法即交替方向乘子法(ADMM)的计算效率并不高。对此,该文提出一种精确近似的Weymouth方程线性化模型和多参数规划改进ADMM算法以解决上述两个问题。Weymouth方程线性化模型基于泰勒展开,利用一簇切线松弛Weymouth方程。特别地,增加了惩罚项以收紧松弛间隙,通过变量替换的方法减少切线的数量,并给出了一种有效的切线选取方法。对于多参数规划改进ADMM算法,其通过多参数规划得到子问题最优解的解析式。迭代过程中,若参数落在临界域内,可直接将参数代入最优解解析式获得子问题的最优解,无需求解子问题,提高了迭代速度。此外,该文还对多参数规划中难以避免的退化问题进行了处理,提升了算法的通用性。最后在两个不同规模的系统中验证了Weymouth方程线性化模型的精确性和多参数规划改进ADMM算法的高效性。