PDF《能源互联网及优化运行调度简述》

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9 年01月ElectricP o w e r E n g i n e e r i n gT e c h n o l o g y 第38卷第1期能源互联网及优化运行调度简述 杨济如

1 ,高赐威

1 ,苏卫华

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1 .

东南大学电气工程学院, 江苏 南京

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9 6 ;

2 . 国网上海市电力公司松江供电公司, 上海

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0 0 ) 摘要: 能源互联网能够综合利用多种能源, 利用能量输送路径的冗余性进行优化调度, 提高能源利用率和运行经 济性.在梳理能源互联网基本运作机制与架构设计的基础上, 阐述了能源互联网的 4类优化运行调度模型, 分别 是稳态运行的基本模型、 考虑能源差异性的暂态模型、 考虑能源相似性的统一模型及考虑系统随机性的优化模型, 并对各类优化调度模型的应用场景、 建模特点、 求解方法等进行了介绍. 关键词: 能源互联网;

多能系统;

优化运行;

调度模型 中图分类号: T M

7 3 文献标志码: A 文章编号:

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0 7 收稿日期:

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修回日期:

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1 0 基金项目: 国家自然科学基金资助项目(

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0 引言 目前, 能源危机的加重及能源供需多样性的发 展引发了对于单能源系统弊端的思考: 单能源系统 束缚了需求的可变性与系统的灵活性, 限制了能量 的自由流动, 不仅损害了能量利用效率, 而且降低 了系统供能经济性.可见, 唯有将能源系统与单一 的能源形式解绑, 才能改善能源危机的窘境. 相较于单能源系统, 能源互联网能够提高系统 弹性, 降低特定能源的依赖性与供能风险;

具备更 多的调度方案, 能够灵活地保持更高的能量利用效 率;

在形式、 地域等因素影响下出现能源价格差异 时, 能源互联网也能充分利用多能流形式降低运行 成本 [

1 ―2 ] . 目前世界各国已涌现出多样化的能源互联与 综合利用的研究与实践.美国提出了综合能源系 统的开发计划, 欧盟制定了跨能源、 交通、 农业、 化 学等多领域的互联政策 [

3 ] .丹麦计划通过电、 热、 气的综合应用来实现能源网络所需的灵活性 [

4 ] . 德国 E E n e r g y 项目分别开展了

6 项具有不同针对 性的能源互联交易试点.为推进能源互联网发展, 中国国家发改委也发布了《 关于推进 互联网+ 智 慧能源发展的指导意见》 , 计划在

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2 5年初步建成 设备智能、 多能协同、 信息对称、 供需分散、 系统扁 平、 交易开放的能源互联网产业体系.

1 能源互联网基本概念 能源互联网是利用人类生产生活用能需求的 多样性、 转换性、 替代性, 将化石燃料、 可再生能源、 需求侧资源及其他类型一次能源直接利用或间接 多次转换为二次能源利用, 并利用储能技术存储过 程性能源的混合动力系统.能源互联网是包括能 源生产、 输送、 调配、 存储、 使用的完整系统, 具有多 能、 互动、 分散、 开放、 信息化等特点.

1 .

1 能源互联网运作机制 一般将能量的传输、 存储及转换作为能源互联 网的基本组成环节.如图 1所示, 能源互联网将待 用的能源按照一定的优化条件分配到系统存储、 传 输和转换环节中, 满足各传输网络上的负荷要求. 图1能源互联网运作机制 F i g .

1 T h eo p e r a t i o nme c h a n i s m o f t h ee n e r g yI n t e r n e t 其中, 能源的传输技术决定了能源是否构成传 输网络, 在长时期的发展过程中社会生产生活用能 主要依赖的能源为电、 气、 热等, 而不利于传输的化 石能源、 核能等通常就地消纳或转换为其他类型能 源, 在能源互联的趋势下也有更多新型传输技术的 出现, 如利用液化天然气作为高温超导电缆的冷却 工质, 同路传输天然气和电力 [

5 ] 等.能源的转换技 术则是支撑能源互联的关键, 包括常规发电机组、 冷热电联供、 电转气等, 将不易传输的能源转换为 易传输能源入网, 将不便利用能源转换为易利用的 传输类型, 有利于能源互联网中能源的梯级利用,

9 4 提高能量利用率.目前能源的转换效率不断提高, 冷热电联供系统的能源综合利用率一般可达

8 0 % 以上 [

6 ] , 电转气装置根据不同的技术类型能源转化 效率在

7 0 %~

9 5 %.能源的存储技术包括电池、 储热、 抽蓄电站等设备, 目前过程性能源的存储如电 能存储仍是发展中的技术难题, 成本过高往往是众 多现有能源系统无法使用储能的主要原因. 在提高系统能源利用的效率, 达到更高经济效 益的同时, 依据互联目标的不同其实施方式也存在 区别, 如表

1 所示, 可将能源互联网的运作机制分为

3 种类型. 表1能源互联网运作机制分类 T a b l e1 T h r e et y p e so f t h eo p e r a t i o n me c h a n i s m o f t h ee n e r g yI n t e r n e t 序号 实施方式 目标 实例

1 其他能源辅助 完成能源利用 弥补能源利 用上的缺陷 将不便储存的电能 转化为天然气储存 或使用、 抽蓄电站

2 无法使用的 能源转化形 式加以利用 利用原本将被 废弃的能源, 降低能源浪费 热电联产 或利用储能 设备消纳风电

3 多种能源整 体优化互联 利用互补性、 替代性和转换性, 实现能源的梯级利用 冷热电联供系统 等综合能源系统

1 .

2 能源互联网架构设计 能源互联网中源节点与荷节点分别为能量的 输入和输出节点, 源荷节点为不同质的能源网络之 间的耦合节点.根据互联的紧密程度主要存在

3 种 能源互联网架构: 通过源荷节点互联的单向耦合互 联架构、 双向耦合互联架构及完全耦合架构. 单向耦合互联架构一般是由现有能源体系的 自然要求衍生出来的被动互联, 仅存在 源 荷 对 应关系而各网络的运行互不影响.各网络相对独 立, 能源互联网的荷网络如同一个黑箱, 系统并不 关心其内部运行, 只了解其负荷需求并反馈给源网 络, 即荷网络能量的潮流、 价格等因素能够反映在 其需求上从而影响源网络的运行调度, 而源方网络 的调度、 交易情况并不会改变荷网络的运行.因此 这种架构中能源网络的联系是单向影响的, 源荷网 络并不会协同运行.例如电热互联 [

7 ] 的网络运行, 其中热网络作为电力网络的负荷, 建立分解网络模 型, 仅考虑电力网络的优化运行调度, 而忽略热水 网络的调度.文献[

8 ] 仅以一个源荷节点作为电气 互联网络的输入 输出端口, 求解网络的最优潮流. 在双向耦合互联架构中各能源网络则互为源 荷, 源荷节点可容纳不同质能源双向交流, 每个能 源网络兼具源网络与荷网络的作用, 不同能源网络 之间互相影响、 协同运行, 通常是为提高能源的利 用效率、 提升市场活跃度和提高经济效益而产生的 主动互联.由于双向耦合的互联架构能够在传统 能源网络基础上, 建立起多种异质能源网络的紧密 联系, 从而成为了主流研究方向.目前已出现众多 较完整的架构模型, 主要可分为两种类型: 以信息 为中心的能源互联网架构与基于能源集成模块的 能源互联网架构.以信息为中心的能源互联网架 构注重能量流与信息流的融合, 体现了信息- 能源 设施一体化的趋势;

基于能源集成模块的能源互联 网架构则以能源网络为物理实体, 以信息网络控制 能源网络, 例如基于能源集线器( e n e r g yh u b ) [

9 ] 、 能 源细胞( e n e r g yc e l l ) 、 能源中心( e n e r g yc e n t e r ) [

1 0 ] 等 能源集成模块的架构类型, 更加注重对于能源网络 的设计. 通过源荷节点互联的单双向耦合架构通常以 现有网络为基础, 利用相关能源模块的设计作进一 步的网络互联与功能扩展.除此以外, 一些研究试 图打破现有能源网络的框架, 重构一个完全耦合的 新型统一能量体系.例如文献[

1 1 ] 以统一形式的 能量表达式为基础与前提, 提出了能量网络的传递 规律, 建立了统一能量的网络方程.完全耦合的互 联一般属于为实现能源的无差别流通和自由交易 而产生的主动互联.

2 能源互联网优化运行调度 系统内部多样的能源流动路径创造了自由度 较高的运行方案, 内部路径的冗余性为系统的优化 调度提供可能性.目前已有许多能源互联网优化 运行调度的研究.

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1 调度模型

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1 基本稳态模型 基本稳态优化模型考虑系统正常运行时的网 络及潮流情况, 以经济性、 环保性、 新能源消纳等为 优化调度目标.其数学表达如下式所示: m a x f ( P ) s . t . L=C S P , C S =S C L m i n≤ L ≤ L m a x , P m i n≤ P≤ P m a x g ( P )≤ c ? ? ? ? ? ? ? (

1 ) 式中: f ( P )表示不同优化目标下的目标函数, 例如 调度收益、 减排效益及新能源入网量等;

L=C S P为 系统能量的运行约束, 满足供需守恒;

S为系统各组 成部分的开关状态变量, C为所有部分的耦合系数, C S为实际系统耦合系数;

L m i n≤ L≤ L m a x表示系统 输出量满足负荷要求, 其中多种能源的需求量会由

0 5 于能量转化而存在一定的弹性;

P m i n≤ P≤ P m a x表 示系统的输入量满足能源供应的约束;

g ( P ) ≤ c 表 示其他不等约束, 包括网络约束、 设备约束等. 目前已有许多典型调度场景下的优化模型, 例 如多能输入的居民能源互联系统 [

1 2 ] , 利用冷热电联 供、 蓄电池及储能等设备, 结合电动汽车充放电调 控及需求响应技术 [

1 3 ―1

4 ] , 建立供用电两侧的能源互 联优化调度模型, 探究居民用能转化性、 互补性对 系统调度和废气排放的影响.在热电互联的场景 下, 以传统热电联供为基础, 提出引入灵活热源 [

1 5 ] 、 旁路补偿供热、 电加热补偿、 储能补偿供热 [

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1 8 ] 、 区 域性供热网接入 [

1 9 ] 等多样化电热互联方案.此外, 利用电转气 [

2 0 ] 、 电锅炉储热 ........