PDF《城市能源互联网的技术架构及在厦门市的实践探索》

2 城市能源互联网发展现状与挑战 城市能源互联网是一个电、气、热等多能源网 络与信息网络相耦合的系统,是未来城市能源系统 转型和发展的方向,其涉及运行、规划和运营等多 个层面.通过对城市能源互联网的发展现状与挑战 进行归纳总结,以期为国家未来的建设工作提供理 论参考. 2.1 运行层面 UEI 的优化运行涉及元件建模、 不确定性优化、 多时间尺度特性建模等问题.现有建模主要是基于 苏黎世联邦理工学院提出的能量枢纽模型[12] ,该模 周敬东 城市能源互联网的技术架构及在厦门市的实践探索 -

167 - 型利用耦合矩阵来表示电、气、热等多种能源形式 间的转化、存储、传输关系.文献[13-15]利用能量 枢纽模型对居民区、商业楼宇、工厂的各种用电设 备进行建模, 并在考虑用户偏好和用能特点的同时, 实现了整体供能成本的优化.文献[16]基于多个能 量枢纽模型对配网进行建模,并从电力运营商的角 度使日前调度计划达到最优. 能源互联网在生产、传输、转化和消费等各个 环节都存在不确定性因素,在优化模型中合理地计 及不确定性因素影响是十分必要的.文献[17-19]研 究了分布式电源出力、能源需求、实时价格等不确 性因素对供用能策略和运行成本的影响,并提出了 相应的鲁棒优化、随机优化模型.文献[20]在考虑 需求侧、发电侧各参与方不同利益需求基础上,提 出一种含主C从博弈的分布式能量管理模型,并将 其融入到模型预测控制架构中,以有效应对可再生 能源输出间歇性、波动性带来的不利影响.电动汽 车作为未来城市电网中的重要参与元素,其充电需 求特性会对运行造成一定的影响.文献[21]基于模 糊理论研究了计及集群电动汽车充电负荷不确定性 的电-气-热多能源系统协同优化调度问题,并分析 了不同负荷充电模式和不同电动汽车接入数量下的 调度策略及收益.文献[22-23]研究了电价驱动下的 电动汽车充放电行为对于电网运行的影响. 此外,由于不同能源系统具有不同惯性时间常 数,例如电力系统相比热网系统和气网系统,其惯 性时间常数小很多,因此,能源互联网运行具有明 显的多时间尺度特性.文献[24]在计及天然气慢动 态特性的基础上,提出了一种基于模型预测控制的 多时间尺度优化调度策略,以日前优化调度的结果 作为参考值,利用模型预测控制进行日内多时段滚 动优化,使得机组出力与气源产气控制过程更为平 滑.文献[25]构建了可再生能源与热电联供混合微 网的多时间尺度模型,基于各典型分布式能源的功 率响应特性分析,得到具有有效性及可行性的多时 间尺度的系统优化运行策略. 能源互联网具有较明显的非线性特征,如电力 系统潮流约束非线性、气管道气流传输约束非线性 等,因此优化模型通常为非凸非线性模型,求解难 度较大.针对这些难点,不同的文献根据各自模型 的特点,采取了相应的模型简化方法和求解算法, 主要有:1) 利用智能算法求解,如粒子群算法[26] 、 遗传算法[27-28] 等;

2) 对部分非线性约束条件进行线 性化处理,以建立混合整数线性规划模型[29] ;

3) 对 非凸约束进行凸松弛,以建立混合整数二阶锥规划 模型[30-31] . 目前, 能源互联网运行研究已取得了许多成果, 但也还面临着一些关键问题与挑战. 1) 复杂不确定性因素建模.能源互联网具有多 重和复杂的不确定性.多重性体现在:不确定源在 电、热、气等的生产、传输、转化、甚至消费等各 个环节都存在.复杂性则体现在:各种不确定性之 间可能存在复杂相关性. 2) 考虑多时间尺度特性的建模.电-气-热各个 系统暂态过程持续时间不同,热、天然气具有较大 惯性,易于存储,气、热储能设备可以增加系统在 时间尺度和空间维度上的可控性,如何利用热、气 系统的惯性来平抑可再生能源的波动性的影响、实 现清洁能源的消纳仍是一个亟待解决的问题. 3) 信息物理耦合交互影响.现有能源互联网研 究主要立足于不同能源系统的物理互联,信息互联 及信息与物理系统间的交互影响尚待探索. 2.2 规划层面 UEI 的系统规划涉及负荷预测、选址定容、多 网融合等问题.电、气、热等多种能源的负荷预测 是规划建模的基础条件之一,UEI 规划建模可以概 括为综合考虑安全、经济、技术等因素,通过增加 电源、气井、热电联产等装置或者新建线路、管道 以满足用户的多元化用能需求.文献[32-33]提出了 一种基于需求响应的负荷预测新方法,并探讨了激 励策略对于不同负荷类型的影响.然而激励策略相 对单一,在多能耦合的背景下影响用户用能需求的 手段复杂且多样,除考虑需求响应外,还需考虑不 同激励策略之间的关联特性.文献[34-37]采用神经 网络、贝叶斯网络等大数据、数据挖掘新兴方法提 升负荷预测的精度. 文献[38-41]分别研究了分布式电源、 储能系统、 变压器变电站选址定容问题,并分析了不确定性因 素如分布式电源出力对规划方案的影响.文献 [42-43]研究了天然气网络与城市电网协同规划问 题,将两者作为一个整体,有机地结合两者数学模 型和运行约束, 实现了电-气耦合下的城市能源系统 扩展规划.文献[44]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.更进一步地,文献[45]提出了一种计及分布 式电源不确定性的电-气-热综合能源协同规划模 型,在实现清洁能源消纳的同时保证了供能的可靠 性.近年来,电动汽车保有量将呈现规模化增长趋 势[46] ,其时空分布特性给城市能源系统的规划与运 行带来了挑战,因........