考慮需求響應的能源互聯(lián)網(wǎng)優(yōu)化運行研究

潘霞　蘇曉云

摘要：在“第三次工業(yè)革命”的推動下，現(xiàn)代能源系統(tǒng)已發(fā)展為以電力系統(tǒng)為核心，同時融合了天然氣、熱力、交通等多系統(tǒng)的能源互聯(lián)網(wǎng)。多種能源網(wǎng)絡(luò)的相互作用和影響，使得系統(tǒng)調(diào)度運行的難度加大。另一方面，隨著電力市場政策的推進，需求側(cè)響應得以更積極靈活地參與到調(diào)度運行中來，并為系統(tǒng)經(jīng)濟、安全、穩(wěn)定運行提供新的調(diào)控手段?；谝陨媳尘埃疚膹目紤]需求響應的能源互聯(lián)網(wǎng)優(yōu)化運行研究，僅供參考。

關(guān)鍵詞：需求響應;能源互聯(lián)網(wǎng);運行;優(yōu)化

1 引言

能源互聯(lián)網(wǎng)中多能融合特點加深，為系統(tǒng)的建模分析帶來新的挑戰(zhàn)。而電力市場機制的建立和現(xiàn)代通信技術(shù)的發(fā)展，也為需求側(cè)資源參與到能源互聯(lián)網(wǎng)運行提供了政策支持和物理條件。如何面向能源互聯(lián)網(wǎng)背景，分析新環(huán)境下需求響應的數(shù)學模型和作用機理，建立相應的優(yōu)化控制模型，對于提升發(fā)、輸、用各側(cè)的多向互動具有重要作用。此外，如何量化并降低風電波動等隨機因素對系統(tǒng)運行的影響，并考慮不同能源系統(tǒng)解耦自治決策這一現(xiàn)實需求，也是值得研究的問題。

2 能源互聯(lián)網(wǎng)中的需求響應

隨著多種能源的深度耦合，能源互聯(lián)網(wǎng)背景下系統(tǒng)將存在多能互補、協(xié)同共濟的特點，傳統(tǒng)電力需求響應也將逐步發(fā)展為適用于綜合能源系統(tǒng)的綜合需求響應。近年來，國內(nèi)外學者也對此類新興的需求響應進行了初步探討。在能源互聯(lián)網(wǎng)運行環(huán)境下，系統(tǒng)新增的能源轉(zhuǎn)化設(shè)備有利于能量在不同能源系統(tǒng)的梯級利用和相互轉(zhuǎn)換。冷熱電聯(lián)產(chǎn)可通過改變自身出力特性，調(diào)整電、氣、冷、熱間的轉(zhuǎn)化關(guān)系，實現(xiàn)廣義上的需求響應。電轉(zhuǎn)氣裝置將系統(tǒng)中的多余電能（如棄風、棄水、棄光）轉(zhuǎn)化為天然氣儲存，同樣可作為能源需求調(diào)整的手段，其在系統(tǒng)削峰填谷、風電消納、選址定容中的作用已得到有效驗證。此外，包括蓄電池、儲氣罐、熱泵等在內(nèi)的儲存設(shè)備可在系統(tǒng)負荷低谷時將富余能源進行儲存，以緩解峰時用能緊張情況，對能源互聯(lián)網(wǎng)的運行經(jīng)濟性、調(diào)度靈活性和安全可靠性均有裨益，豐富了能量跨時間尺度消納的手段。盡管儲能單元的引入可為系統(tǒng)運行提供緩沖，但就目前而言，如何提升儲能設(shè)備的轉(zhuǎn)化效率、節(jié)約建設(shè)投資和運營成本、延長設(shè)備使用周期仍是值得關(guān)注的問題。

3 能源互聯(lián)網(wǎng)優(yōu)化運行策略

3.1 促進保障能源安全供應，夯實城市高質(zhì)量發(fā)展基礎(chǔ)

從基礎(chǔ)設(shè)施看，城市能源互聯(lián)網(wǎng)采用成熟可靠、技術(shù)先進、自動化程度高的配電設(shè)備，建成堅強合理、靈活可靠、標準統(tǒng)一的城市配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)，并通過多能源品種互濟提高城市能源資源供給的穩(wěn)定性。從運行優(yōu)化上看，城市能源互聯(lián)網(wǎng)通過源網(wǎng)荷儲靈活互動提高了城市能源安全可靠性、減少故障區(qū)域停電時間。離網(wǎng)型微電網(wǎng)和并網(wǎng)型微電網(wǎng)兩個微電網(wǎng)示范工程為未來城市主動配電網(wǎng)中大量分布式電源廣泛接入提供了堅實的技術(shù)支撐。實際運營效果表明，相關(guān)技術(shù)提升了供電保障能力，解決了長期以來夏季用電高峰期供電能力不足的難題。

3.2 能源站協(xié)同規(guī)劃

新型城鎮(zhèn)能源系統(tǒng)“源荷”種類多樣、耦合形式復雜，在進行能源系統(tǒng)規(guī)劃時需要針對電力、天然氣及供熱（冷）系統(tǒng)的“源—網(wǎng)—荷—儲”進行精準建模。在目前的研究工作中缺少能夠有效反映能源特性的模型。對于新型城鎮(zhèn)能源站建模的研究，可采用在線性化處理上具有優(yōu)勢的標準化矩陣建模理論，研究區(qū)域能源站節(jié)點—支路—端口特性，構(gòu)建能量平衡模型?？紤]風電、光伏、分布式電儲能、電蓄熱、變配電站、三聯(lián)供及地源熱泵等多種分布式能量單元，通過對能源站各耦合環(huán)節(jié)能量交互方式的分析，建立能源設(shè)備詳細模型，研究多能互補能源站供用能拓撲結(jié)構(gòu)優(yōu)化與關(guān)鍵組件優(yōu)化配置方法。在求解方法方面，隨著對綜合能源系統(tǒng)模型的精準建模，規(guī)劃模型往往是非線性模型，不僅求解難度加大，同時也增加了求解時長?？梢酝ㄟ^例如拓撲圖理論、矩陣變換等將規(guī)劃模型由非線性松弛為線性模型，從而加快模型求解效率。同時也可以對智能算法進行改進，提出新的高效求解算法。

3.3 可持續(xù)發(fā)展下的城市能源互聯(lián)網(wǎng)

相比于傳統(tǒng)能源系統(tǒng)的使用，能源互聯(lián)網(wǎng)在工業(yè)發(fā)展中的應用更適應可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略。（1）為海水淡化設(shè)備提供高壓蒸汽制備淡水。高壓蒸汽系統(tǒng)輸出的蒸汽比原系統(tǒng)所采用的余熱蒸汽溫度高、壓力大，因此海水淡化設(shè)備的制水量相比原系統(tǒng)大大提高。（2）能夠?qū)⒅苽涞母邏赫羝斔徒o工業(yè)園區(qū)，為工業(yè)園區(qū)的生產(chǎn)提供便捷條件。從改進系統(tǒng)可以看出，由于能源互聯(lián)網(wǎng)在工業(yè)生產(chǎn)中投入，二氧化硫、氮氧化物、煙塵等污染物的排放為零。能源互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)對清潔能源的利用，不僅避免了對化石能源的依賴，減少了污染物和衍生物的排放，而且增加了能源的使用率，提高了生產(chǎn)效率、生活的質(zhì)量。

3.4 需求側(cè)響應領(lǐng)域

首先，能源互聯(lián)網(wǎng)接入設(shè)備能夠自動并且精準識別參與響應的負荷容量;其次，能源互聯(lián)網(wǎng)接入設(shè)備的可控性使得其參與需求側(cè)響應的速度非?？?再次，能源互聯(lián)網(wǎng)接入設(shè)備的計算能力使得需求側(cè)響應可以由設(shè)備自動完成，無須人員干預;最后，能源互聯(lián)網(wǎng)接入設(shè)備由于其需求側(cè)響應的自動性和快速性，將大大影響到需求側(cè)響應的理論，為自動需求響應奠定基礎(chǔ)。

3.5 多能流系統(tǒng)建模和狀態(tài)感知

目前，在電、氣、冷、熱等各自傳統(tǒng)領(lǐng)域，其相應的建模方法較為成熟完善。電力網(wǎng)絡(luò)模型主要遵循電磁學定律，用電網(wǎng)潮流模型來描述，并有整套的網(wǎng)絡(luò)分析方法。天然氣網(wǎng)絡(luò)模型主要遵循流體力學定律。供熱（冷）網(wǎng)絡(luò)模型遵循流體力學定律和熱力學定律，用熱力和水力兩個主要模型進行描述。狀態(tài)感知分析在電力系統(tǒng)領(lǐng)域較為成熟，而由于能源特性不同，各能流呈現(xiàn)出不同的運行特性，無法直接將電力系統(tǒng)中的相關(guān)狀態(tài)感知分析方法套用在燃氣、供熱（冷）系統(tǒng)中。為實現(xiàn)多能流系統(tǒng)的運行優(yōu)化調(diào)度，需要從基礎(chǔ)模型出發(fā)，分析電、氣、熱（冷）等多種異質(zhì)能源流、物質(zhì)流、信息流特征，分析電量、熱量和質(zhì)量輸運、儲存和轉(zhuǎn)換過程的共性規(guī)律，建立多能流系統(tǒng)中能量/工質(zhì)在輸—儲—轉(zhuǎn)換過程的本構(gòu)關(guān)系，形成多能流系統(tǒng)驅(qū)動勢、流、阻/容抗之間的“廣義歐姆定律”，并考慮系統(tǒng)運行方式，挖掘多能流系統(tǒng)的能量耦合特性，分析不同能流之間的相互耦合和轉(zhuǎn)換關(guān)系，建立能量轉(zhuǎn)換器耦合矩陣，形成能源流、物質(zhì)流與信息流之間的動態(tài)耦合機制?；诋惓?shù)據(jù)辨識方法和數(shù)據(jù)校正方法，結(jié)合多能流系統(tǒng)分布式狀態(tài)估計算法，對多時間尺度耦合模型進行自適應更新。

4 結(jié)束語

能源互聯(lián)網(wǎng)接入設(shè)備為未來能源互聯(lián)網(wǎng)下用戶設(shè)備的即插即用提供了技術(shù)方案，也為市場環(huán)境下的綜合能源管理與多種交易模式提出了新的見解。未來發(fā)展能源互聯(lián)網(wǎng)接入設(shè)備將面臨諸多挑戰(zhàn)，其概念和技術(shù)特征也需進一步完善和豐富，對于關(guān)鍵技術(shù)的攻克將為能源互聯(lián)網(wǎng)接入設(shè)備的實現(xiàn)奠定堅實的基礎(chǔ)。期待本文拋磚引玉，引起業(yè)內(nèi)相關(guān)專家學者興趣，共同為未來廣泛能源互聯(lián)網(wǎng)下終端用戶各類設(shè)備的高效便捷入網(wǎng)做出更加深入的研究。

參考文獻：

[1] 甄曉晨，陳子來，李佳琪，劉景青，耿璇.面向能源互聯(lián)網(wǎng)的可再生能源發(fā)電管理模式及關(guān)鍵技術(shù)分析[J].河北電力技術(shù)，2018，37（03）：19-22.

[2] 李媛，馮昌森，文福拴，王珂，黃裕春.含電動汽車和電轉(zhuǎn)氣的園區(qū)能源互聯(lián)網(wǎng)能源定價與管理[J].電力系統(tǒng)自動化，2018，42（16）：1-10+192-196.

[3] 王培懿. 能源互聯(lián)網(wǎng)安全穩(wěn)定控制研究[D].重慶理工大學，2018.

[4] 石文浩. 軟件定義架構(gòu)下支持能量交換的通信協(xié)議設(shè)計與實現(xiàn)[D].北京郵電大學，2018.