綜合能源系統(tǒng)優(yōu)化運(yùn)行技術(shù)研究綜述

駱釗，劉德文，沈鑫，王鋼，喻品欽，李釗

(1.昆明理工大學(xué)電力工程學(xué)院，昆明市 650500；2.云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司計(jì)量中心，昆明市 650051)

0 引 言

隨著全球性能源資源短缺和環(huán)境污染，各國(guó)倡導(dǎo)大力發(fā)展綠色、低碳、可持續(xù)的能源[1]。2020年，我國(guó)提出了力爭(zhēng)2030年前實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰，努力爭(zhēng)取2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和的節(jié)能減排目標(biāo)，加速能源領(lǐng)域朝著低碳化方向發(fā)展[2]。“雙碳”背景下，能源系統(tǒng)的本質(zhì)特征在于高比例新能源的滲透，然而隨著高比例新能源的接入，能源系統(tǒng)面臨著能源利用率低、可再生能源難以消納等難題[3-4]。

在傳統(tǒng)的能源系統(tǒng)中，各種能源耦合不緊密，不同的能源網(wǎng)絡(luò)相對(duì)獨(dú)立，如電網(wǎng)、交通網(wǎng)、熱網(wǎng)、天然氣網(wǎng)絡(luò)等由不同的公司管理和運(yùn)營(yíng)，導(dǎo)致整體能源利用效率低[5]。此外，隨著風(fēng)、光等可再生能源技術(shù)的快速發(fā)展，源荷兩側(cè)的能源多樣化促進(jìn)了能源系統(tǒng)的進(jìn)一步耦合[6]。因此，為了提高能源的總體利用效率和實(shí)現(xiàn)可再生能源的大規(guī)模開(kāi)發(fā)利用，對(duì)多類(lèi)能源互聯(lián)集成和互補(bǔ)融合的需求日益迫切[7]。在當(dāng)前能源系統(tǒng)面臨的新形勢(shì)下，發(fā)展綜合能源系統(tǒng)(integrated energy system，IES)勢(shì)在必行。2014年習(xí)近平主席提出“四個(gè)革命、一個(gè)合作”的能源發(fā)展戰(zhàn)略思想[8]，為IES的發(fā)展提供了政策支持。隨著未來(lái)IES的發(fā)展，其能源子系統(tǒng)間的高度耦合以及系統(tǒng)中存在的各種不確定性給IES的優(yōu)化運(yùn)行帶來(lái)諸多挑戰(zhàn)，如何實(shí)現(xiàn)IES的優(yōu)化運(yùn)行，發(fā)揮其能源梯級(jí)利用和多能互補(bǔ)融合的優(yōu)勢(shì)，成為亟待解決的問(wèn)題。

IES是未來(lái)能源消費(fèi)方式的重要發(fā)展方向，受到國(guó)內(nèi)外研究人員的廣泛關(guān)注。然而在IES綜合能源高效利用、多能源優(yōu)化協(xié)調(diào)等方面研究和實(shí)踐相對(duì)較少，未能全面體現(xiàn)IES帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，尤其是在提升多能源整體利用效率方面的研究和實(shí)踐力度還不夠。

基于此，針對(duì)IES優(yōu)化運(yùn)行問(wèn)題，本文綜述了IES優(yōu)化運(yùn)行技術(shù)的研究現(xiàn)狀。首先簡(jiǎn)要概括IES的概念和特點(diǎn)；其次總結(jié)了IES基礎(chǔ)信息感知、混合時(shí)間尺度動(dòng)態(tài)協(xié)調(diào)優(yōu)化調(diào)度體系和混合時(shí)間尺度動(dòng)態(tài)協(xié)調(diào)優(yōu)化調(diào)度體系求解算法三個(gè)方面的現(xiàn)有研究成果，并分析了現(xiàn)有研究的不足之處。值得注意的是，IES優(yōu)化運(yùn)行基礎(chǔ)信息感知是混合時(shí)間尺度動(dòng)態(tài)協(xié)調(diào)優(yōu)化調(diào)度的基礎(chǔ)，求解方法是解決措施；最后展望了未來(lái)的研究方向。

1 綜合能源系統(tǒng)概念和特點(diǎn)

1.1 綜合能源系統(tǒng)概念

IES以電、氣、冷、熱多個(gè)能源子系統(tǒng)耦合互補(bǔ)為主要特征，在源側(cè)整合多種能源資源，實(shí)現(xiàn)不同能源系統(tǒng)之間的統(tǒng)一規(guī)劃、統(tǒng)一調(diào)度、優(yōu)化運(yùn)行和互補(bǔ)互濟(jì)，在有效提升能源利用效率的同時(shí)促進(jìn)可再生能源的消納，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排。典型的IES如圖1所示，該IES由配電子系統(tǒng)、天然氣子系統(tǒng)、供冷/熱子系統(tǒng)等供能網(wǎng)絡(luò)相互耦合互連而成，并以能源轉(zhuǎn)換、分布式儲(chǔ)能、主動(dòng)配電網(wǎng)等技術(shù)為核心，在能源傳輸、分配、轉(zhuǎn)換和平衡上起著“承上啟下”的作用。

在能源類(lèi)型上，IES源側(cè)整合風(fēng)、光等可再生能源，并利用其互補(bǔ)特性，實(shí)現(xiàn)能源梯級(jí)利用，促進(jìn)清潔能源的消納；荷側(cè)實(shí)現(xiàn)供電、供氣、供冷、供熱的一體化，滿足用戶對(duì)多類(lèi)能源的需求。在設(shè)備類(lèi)型上，IES中包含風(fēng)電機(jī)組、光伏等分布式發(fā)電設(shè)備，燃?xì)鈾C(jī)組、電轉(zhuǎn)氣設(shè)備、電制冷機(jī)、吸收式制冷機(jī)、電鍋爐等能源轉(zhuǎn)換設(shè)備，蓄電池、蓄熱槽、冰蓄冷等儲(chǔ)能設(shè)備。

1.2 綜合能源系統(tǒng)特點(diǎn)

相比于傳統(tǒng)能源系統(tǒng)，IES具有以下特點(diǎn)：

1)不同能源網(wǎng)絡(luò)各有不同的建模、分析和控制方法以及具有顯著不同的動(dòng)態(tài)過(guò)程。IES耦合電、氣、冷、熱多個(gè)能源網(wǎng)絡(luò)，不同能源網(wǎng)絡(luò)物理特性差異較大，其模型和分析方法分屬不同物理學(xué)范疇。此外，電網(wǎng)中電能以電磁波形式傳播，速度為光速，而熱網(wǎng)由于熱慣性，其傳輸相對(duì)較慢。這意味著IES中各能源網(wǎng)絡(luò)到達(dá)穩(wěn)態(tài)的時(shí)間相差較大。

圖1 綜合能源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of the structure of an integrated energy system

2)不同能流系統(tǒng)分屬于不同的管理主體。IES中，用戶的供電、供氣、供冷和供熱由不同公司和管理主體負(fù)責(zé)，存在信息隱私、操作差異、目標(biāo)差異等行業(yè)壁壘[7]。

3)以電網(wǎng)為核心，與熱網(wǎng)和氣網(wǎng)高度耦合。IES中的各能源網(wǎng)絡(luò)通過(guò)燃?xì)鈾C(jī)組、熱電聯(lián)供機(jī)組、電轉(zhuǎn)氣設(shè)備和電熱泵等耦合設(shè)備相聯(lián)系，解決了傳統(tǒng)能源系統(tǒng)耦合不緊密的問(wèn)題。隨著耦合設(shè)備的大量接入，IES發(fā)展成為一個(gè)以電網(wǎng)為核心，高度耦合熱網(wǎng)和氣網(wǎng)的多能源耦合系統(tǒng)。

此外，IES涉及的理論與技術(shù)基礎(chǔ)包括物理、化學(xué)、材料科學(xué)、控制科學(xué)、人工智能技術(shù)、優(yōu)化理論和經(jīng)濟(jì)學(xué)原理等，屬于多學(xué)科、多領(lǐng)域交叉的范疇；在空間尺度上，IES可分為區(qū)域級(jí)、園區(qū)級(jí)和用戶級(jí)IES，不同層級(jí)的IES所側(cè)重的部分和能源間的耦合程度各不相同；在關(guān)鍵技術(shù)層面，IES涵蓋了多能發(fā)電技術(shù)、多能輸送技術(shù)、能量轉(zhuǎn)換技術(shù)和儲(chǔ)能技術(shù)等，如圖2所示。

2 IES優(yōu)化運(yùn)行技術(shù)研究現(xiàn)狀分析

IES作為近年來(lái)電力領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者已開(kāi)展大量研究，然而IES存在多種能源形式、多種能源轉(zhuǎn)化環(huán)節(jié)、多種運(yùn)行方式以及多樣性的用戶用能需求，給研究工作造成困難。就IES優(yōu)化運(yùn)行而言，它涉及很多方面，本文主要綜述綜合能源系統(tǒng)運(yùn)行基礎(chǔ)信息感知、綜合能源系統(tǒng)混合時(shí)間尺度動(dòng)態(tài)協(xié)調(diào)優(yōu)化調(diào)度體系和混合時(shí)間尺度動(dòng)態(tài)協(xié)調(diào)優(yōu)化調(diào)度體系求解三個(gè)方面的內(nèi)容。

2.1 IES優(yōu)化運(yùn)行基礎(chǔ)信息感知

IES優(yōu)化運(yùn)行的核心基礎(chǔ)是對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行基礎(chǔ)信息進(jìn)行充分的感知，以支撐系統(tǒng)整體的建模、分析和能量的合理優(yōu)化管理，然而負(fù)荷和可再生能源的波動(dòng)性、冷/熱/電/氣的耦合性、多能源之間的多時(shí)間尺度互補(bǔ)特性等給構(gòu)建系統(tǒng)運(yùn)行基礎(chǔ)信息感知帶來(lái)極大難度。雖然國(guó)內(nèi)外不乏有大量關(guān)于綜合能源系統(tǒng)運(yùn)行基礎(chǔ)信息感知的文章，但是就目前的研究成果而言，已有的系統(tǒng)運(yùn)行基礎(chǔ)信息感知需要從精確性、有限復(fù)雜度、統(tǒng)一集成性等方面進(jìn)行完善。IES具有獨(dú)特的運(yùn)行特性：分布式發(fā)電設(shè)備、耦合設(shè)備及儲(chǔ)能設(shè)備三類(lèi)設(shè)備的運(yùn)行狀況分析以各自的數(shù)學(xué)模型為基礎(chǔ)，并且耦合設(shè)備的輸入、輸出為異質(zhì)能源；作為高度耦合的能源系統(tǒng)，IES各能源子系統(tǒng)通過(guò)耦合設(shè)備相聯(lián)系，并且相互影響；IES的優(yōu)化運(yùn)行是實(shí)現(xiàn)源側(cè)與荷側(cè)在不同時(shí)間尺度上能源互補(bǔ)的基礎(chǔ)。

基于此，本文詳細(xì)介紹關(guān)于多能源核心設(shè)備建模及交互轉(zhuǎn)換接口、多能源單元及網(wǎng)絡(luò)之間的耦合特性與交互作用機(jī)理、多能源之間的多時(shí)間尺度互補(bǔ)特性的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀。

1)多能源核心設(shè)備建模及交互轉(zhuǎn)換接口。IES中的核心設(shè)備包括聯(lián)產(chǎn)設(shè)備(燃?xì)廨啓C(jī)/內(nèi)燃機(jī))、新能源(光伏電源/氫燃料電池)、儲(chǔ)能設(shè)備(蓄電池/蓄熱槽/蓄冰槽)、能源耦合設(shè)備(壓縮機(jī)/水泵)等，由于設(shè)備建模是大多數(shù)技術(shù)研究的基礎(chǔ)，故目前國(guó)內(nèi)外對(duì)上述核心設(shè)備的建模研究已較為成熟[9-20]。文獻(xiàn)[9]建立天然氣供氣流量調(diào)整模型，并分析了該模型對(duì)系統(tǒng)供氣流量的波動(dòng)性的影響。文獻(xiàn)[10]提出了包括電力電子轉(zhuǎn)換器、風(fēng)機(jī)、熱電聯(lián)產(chǎn)設(shè)備、熱交換器和熱泵等設(shè)備的分布式能源站模型。文獻(xiàn)[11]提出的能源集線器(energy hub，EH)模型將多種能源的供給和需求通過(guò)能源中心進(jìn)行轉(zhuǎn)換交互，并通過(guò)全局優(yōu)化得出最佳的能源供給方式。文獻(xiàn)[12]考慮到氣網(wǎng)的慢動(dòng)態(tài)特性，提出了電-氣互聯(lián)綜合能源系統(tǒng)的多時(shí)段暫態(tài)能量流仿真模型，并分析了天然氣系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)模型與暫態(tài)模型在短時(shí)間尺度存在的差異性。文獻(xiàn)[13]通過(guò)分析電采暖鍋爐及集中供熱系統(tǒng)的蓄能特性，提出了熱電互聯(lián)綜合能源系統(tǒng)的優(yōu)化調(diào)度模型，該模型有助于減少棄風(fēng)量和降低熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組的煤耗。文獻(xiàn)[14]在對(duì)熱網(wǎng)熱損方程進(jìn)行線性化處理的基礎(chǔ)上，建立了含有熱網(wǎng)的多區(qū)域綜合能源系統(tǒng)混合整數(shù)線性規(guī)劃模型，并分析了天然氣價(jià)格的影響。文獻(xiàn)[15]針對(duì)當(dāng)前集中供熱管網(wǎng)規(guī)劃方法不適用于冷熱聯(lián)供的區(qū)域型IES 的問(wèn)題，提出了一套基于集中質(zhì)-量調(diào)節(jié)運(yùn)行模擬的 IES 供能管網(wǎng)管徑優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，該調(diào)節(jié)方式根據(jù)當(dāng)前時(shí)刻負(fù)荷比最大的用戶負(fù)荷情況調(diào)節(jié)綜合能源站的供水流量和溫度，較好地貼近用戶負(fù)荷曲線。文獻(xiàn)[16]介紹了能源集線器的基本概念及其建模方法，給出了典型的能源集線器建模示例。文獻(xiàn)[17-19]從核心設(shè)備建模、多能源傳輸網(wǎng)絡(luò)模型和交互轉(zhuǎn)換接口等角度對(duì)綜合能源系統(tǒng)運(yùn)行基礎(chǔ)信息進(jìn)行感知，并對(duì)核心設(shè)備、能源傳輸網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了線性化處理。在上述文獻(xiàn)中，盡管對(duì)綜合能源系統(tǒng)內(nèi)核心設(shè)備的建模研究以及交互轉(zhuǎn)換接口研究取得了較大的進(jìn)展，但尚未建立涵蓋多種接口形式、考慮多能源傳輸網(wǎng)絡(luò)、體現(xiàn)多能源耦合關(guān)系的統(tǒng)一集成的基于能源集線器的核心設(shè)備模型庫(kù)。

圖2 綜合能源系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)Fig.2 Key technologies of integrated energy system

2)多能源單元及網(wǎng)絡(luò)之間的耦合特性與交互作用機(jī)理。目前，國(guó)內(nèi)外在綜合能源系統(tǒng)內(nèi)部耦合關(guān)系和交互作用機(jī)理方面已取得部分研究成果，文獻(xiàn)[20]提出的考慮冷熱電需求耦合響應(yīng)的園區(qū)綜合能源系統(tǒng)優(yōu)化運(yùn)行模型能夠提高系統(tǒng)運(yùn)行的靈活性，并促進(jìn)分布式可再生能源的消納。文獻(xiàn)[21]研究了含光伏陣列的分布式熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的耦合問(wèn)題，并且還包括了熱管網(wǎng)的特性分析。文獻(xiàn)[22]研究了冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)的模型，將風(fēng)力發(fā)電與超級(jí)電容器相結(jié)合，使用PSCAD搭建仿真模型，研究了“源-儲(chǔ)”之間的交互機(jī)制。文獻(xiàn)[23]研究了光-風(fēng)、光-柴油機(jī)等互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的特性，證實(shí)了互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)能夠以最小的成本獲得最大的電能輸出，比單獨(dú)發(fā)電系統(tǒng)更具優(yōu)勢(shì)。文獻(xiàn)[24]提出了一種考慮區(qū)域供熱網(wǎng)絡(luò)儲(chǔ)熱特性的線性熱-電聯(lián)合調(diào)度方法，協(xié)調(diào)電力-區(qū)域熱力系統(tǒng)短時(shí)優(yōu)化運(yùn)行，提升電力系統(tǒng)調(diào)度靈活性以適應(yīng)大規(guī)模風(fēng)電隨機(jī)接入。文獻(xiàn)[25]在分析綜合能源園區(qū)的需求側(cè)用戶互補(bǔ)聚合響應(yīng)模型和傳輸側(cè)熱能傳輸延時(shí)模型的基礎(chǔ)上，提出了一種運(yùn)營(yíng)商兩階段短期優(yōu)化調(diào)度策略。文獻(xiàn)[26]研究了供熱系統(tǒng)中的熱慣性，建立了熱網(wǎng)傳輸時(shí)延模型及房屋蓄熱模型，并提出了考慮熱慣性的綜合能源系統(tǒng)優(yōu)化模型，證明了利用供熱系統(tǒng)熱慣性可有效提升系統(tǒng)運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性，顯著降低凌晨及夜間時(shí)段棄風(fēng)量。文獻(xiàn)[20-26]對(duì)多能源的耦合特性進(jìn)行分析，但未能全面對(duì)各能源單元和子系統(tǒng)的耦合關(guān)系進(jìn)行全面深入的探討；已有研究針對(duì)不同能源之間的交互特性進(jìn)行分析，但未從數(shù)學(xué)角度深入研究各能源之間的交互機(jī)理。

3)多能源之間的多時(shí)間尺度互補(bǔ)特性。充分挖掘多能源之間的互補(bǔ)潛力是提高可再生能源消納能力和系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性的有效途徑。文獻(xiàn)[27]針對(duì)氣電聯(lián)合系統(tǒng)中天然氣系統(tǒng)和電力系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間尺度不同的問(wèn)題，提出了一種可以考慮天然氣系統(tǒng)動(dòng)態(tài)過(guò)程的氣電聯(lián)合系統(tǒng)多時(shí)段優(yōu)化運(yùn)行模型，并分析了天然氣系統(tǒng)和電力系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間尺度上的差異性。文獻(xiàn)[28]考慮風(fēng)電資源的時(shí)空互補(bǔ)性來(lái)提高多能源之間的互濟(jì)能力，針對(duì)可再生能源與熱電聯(lián)供混合微網(wǎng)的能量協(xié)調(diào)優(yōu)化，基于對(duì)可再生能源、微型燃?xì)廨啓C(jī)以及儲(chǔ)能等典型分布式能源的功率響應(yīng)特性分析，提出多時(shí)間尺度的能量協(xié)調(diào)優(yōu)化方法。文獻(xiàn)[29]分析美國(guó)天然氣與電力系統(tǒng)之間的交互影響，考慮了天然氣管道運(yùn)行約束的電力風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估和考慮風(fēng)電隨機(jī)性的電力機(jī)組日前調(diào)度等內(nèi)容。文獻(xiàn)[30] 基于電網(wǎng)和天然氣管網(wǎng)的穩(wěn)態(tài)模型，分別構(gòu)建了優(yōu)化調(diào)度模型，通過(guò)松弛能量流的概念，作為兩種能源網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)優(yōu)化調(diào)度的手段。文獻(xiàn)[31]考慮了能源站電、熱能間的多能互補(bǔ)特性，對(duì)供能網(wǎng)絡(luò)布局以及能源站的數(shù)量、位置和設(shè)備容量配置進(jìn)行規(guī)劃。文獻(xiàn)[32]在考慮風(fēng)電接入、天然氣網(wǎng)絡(luò)和水電系統(tǒng)間影響的基礎(chǔ)上，研究了電力系統(tǒng)機(jī)組組合問(wèn)題。文獻(xiàn)[33]提出了計(jì)及綜合需求響應(yīng)的IES多能協(xié)同優(yōu)化調(diào)度策略，并分析了綜合需求響應(yīng)對(duì)電、氣、冷、熱多能協(xié)同互補(bǔ)的影響。文獻(xiàn)[34]提出了一種能量感知優(yōu)化策略，通過(guò)對(duì)復(fù)雜約束進(jìn)行降階處理，實(shí)現(xiàn)最大限度降低系統(tǒng)用能功耗。文獻(xiàn)[34]考慮分布式集中供熱及供冷系統(tǒng)的儲(chǔ)能特性，提出了一種基于能源資源的區(qū)域綜合能源系統(tǒng)協(xié)調(diào)優(yōu)化調(diào)度模型，通過(guò)分析并網(wǎng)和離網(wǎng)兩種場(chǎng)景，證明其有效性。文獻(xiàn)[27-34]在分布式風(fēng)光互補(bǔ)、電氣熱能源的互補(bǔ)利用方面已有一定的研究基礎(chǔ)，但未從供-用-儲(chǔ)各環(huán)節(jié)入手，研究電、氣、熱各能源的之間的互補(bǔ)互濟(jì)及協(xié)同消納能力。

2.2 IES混合時(shí)間尺度動(dòng)態(tài)協(xié)調(diào)優(yōu)化調(diào)度體系

IES包含電網(wǎng)、氣網(wǎng)、冷網(wǎng)和熱網(wǎng)多個(gè)異質(zhì)能源網(wǎng)絡(luò)，各能源網(wǎng)絡(luò)具有不同的動(dòng)態(tài)過(guò)程，到達(dá)穩(wěn)態(tài)所需的時(shí)間相差較大，難以實(shí)現(xiàn)IES在同一時(shí)間尺度下的優(yōu)化調(diào)度。此外，IES中存在的負(fù)荷和可再生能源等不確定性因素和儲(chǔ)能等靈活性資源使得IES實(shí)際調(diào)度中必然存在調(diào)度誤差。圍繞上述難點(diǎn)，為了降低IES中的不確定因素對(duì)系統(tǒng)調(diào)度的影響，并提高IES的靈活性，混合時(shí)間尺度動(dòng)態(tài)協(xié)調(diào)優(yōu)化調(diào)度模型應(yīng)運(yùn)而生，其框架如圖3所示。該框架包括日前調(diào)度計(jì)劃、日內(nèi)動(dòng)態(tài)協(xié)調(diào)優(yōu)化和實(shí)時(shí)反饋策略三個(gè)時(shí)間尺度，能夠在實(shí)現(xiàn)IES準(zhǔn)確調(diào)度的前提下提高IES運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性、靈活性和能源綜合利用效率，并降低氣體排放量。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者在IES混合時(shí)間尺度優(yōu)化調(diào)度方面亦進(jìn)行了大量有益探索。文獻(xiàn)[35]基于IES用戶預(yù)測(cè)誤差、設(shè)備響應(yīng)特性和調(diào)度可靠性，提出一種考慮能量特性差異的混合時(shí)間尺度經(jīng)濟(jì)調(diào)度策略，以實(shí)現(xiàn)IES更靈活、平穩(wěn)地調(diào)度。文獻(xiàn)[36]建立了包含混合分辨率建模與混合指令周期的綜合能源系統(tǒng)混合時(shí)間尺度運(yùn)行優(yōu)化框架，兼顧源/荷側(cè)的多重不確定性，以實(shí)現(xiàn)電、氣、熱異質(zhì)能流網(wǎng)絡(luò)和設(shè)備協(xié)同運(yùn)行。文獻(xiàn)[37]提出了一種基于供需博弈交互的混合時(shí)間尺度能源優(yōu)化調(diào)度模型，并采用基于自適應(yīng)參考點(diǎn)的大規(guī)模多目標(biāo)鯨魚(yú)優(yōu)化算法求解。文獻(xiàn)[38]提出了綜合考慮長(zhǎng)短期互補(bǔ)特性的綜合能源系統(tǒng)協(xié)調(diào)優(yōu)化框架，并通過(guò)一個(gè)多能源互補(bǔ)基地驗(yàn)證了利用風(fēng)電、光伏、水電互補(bǔ)的特點(diǎn)，共同利用各類(lèi)能源資源，可以有效提高能源資源的利用率。

就目前而言，計(jì)及電/熱/氣網(wǎng)絡(luò)的IES優(yōu)化調(diào)度模型，以及通過(guò)多時(shí)間尺度優(yōu)化調(diào)控策略削弱各能源網(wǎng)絡(luò)出力不確定性帶來(lái)的不利影響和相應(yīng)的求解算法研究尚且較少，同時(shí)對(duì)能源網(wǎng)絡(luò)中各設(shè)備動(dòng)態(tài)特性建模未進(jìn)行深入研究，無(wú)法適應(yīng)綜合能源系統(tǒng)現(xiàn)實(shí)的應(yīng)用需求。

2.3 IES混合時(shí)間尺度動(dòng)態(tài)協(xié)調(diào)優(yōu)化調(diào)度體系求解

IES混合時(shí)間尺度動(dòng)態(tài)協(xié)調(diào)優(yōu)化調(diào)度模型具有負(fù)荷隨機(jī)擾動(dòng)、能源流分屬不同的管理主體等特點(diǎn)，其求解過(guò)程異常復(fù)雜?；诖?，現(xiàn)有研究借助魯棒優(yōu)化技術(shù)和博弈論來(lái)求解模型。

2.3.1 魯棒優(yōu)化

IES中源-網(wǎng)-荷-儲(chǔ)各個(gè)環(huán)節(jié)均存在不確定性因素。風(fēng)、光等可再生能源的隨機(jī)性、間歇性等特性使得風(fēng)、光等可再生能源發(fā)電出力具有不確定性，以及電、氣、冷、熱負(fù)荷的需求不確定性給系統(tǒng)優(yōu)化帶來(lái)挑戰(zhàn)。如何處理不確定性給系統(tǒng)優(yōu)化運(yùn)行帶來(lái)的影響，對(duì)IES發(fā)揮多能互補(bǔ)、能源梯級(jí)利用優(yōu)勢(shì)有著極為重要的意義?，F(xiàn)有研究關(guān)于IES中的不確定性處理方法主要有隨機(jī)優(yōu)化、魯棒優(yōu)化、模糊優(yōu)化和區(qū)間優(yōu)化[39]。本文主要介紹魯棒優(yōu)化的內(nèi)容。

針對(duì)IES混合時(shí)間尺度動(dòng)態(tài)協(xié)調(diào)優(yōu)化調(diào)度模型中可再生能源發(fā)電出力和負(fù)荷隨機(jī)擾動(dòng)引起的不確定性，基于魯棒優(yōu)化技術(shù)可保證當(dāng)不確定變量在給定不確定集內(nèi)任意變化時(shí)，所得魯棒最優(yōu)解均能滿足系統(tǒng)運(yùn)行需求。魯棒優(yōu)化模型開(kāi)展的相關(guān)研究如表1所示。

圖3 綜合能源系統(tǒng)混合時(shí)間尺度動(dòng)態(tài)協(xié)調(diào)優(yōu)化調(diào)度框架Fig.3 Framework of hybrid time-scale dynamic coordinated optimal scheduling for IES

表1 魯棒優(yōu)化模型對(duì)比Table 1 Comparison of robust optimization model

2.3.2 多主體博弈

IES中各主體往往均是理性地追求各自領(lǐng)域利益的最大化，但是每個(gè)主體之間往往信息不透明不對(duì)稱(chēng)，導(dǎo)致各主體競(jìng)爭(zhēng)無(wú)序化現(xiàn)象特別嚴(yán)重，不利于市場(chǎng)效率的提高。尤其是在電力市場(chǎng)環(huán)境下，多利益主體有各自的運(yùn)行決策空間，同時(shí)主體之間又存在著復(fù)雜的合作或競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系，因此存在著相互博弈的現(xiàn)象。本文整理的博弈論現(xiàn)有研究成果如表2所示，具體分析了所選文獻(xiàn)博弈參與主體、博弈模型及求解算法三個(gè)方面的內(nèi)容。IES混合時(shí)間尺度動(dòng)態(tài)協(xié)調(diào)優(yōu)化調(diào)度體系采用的博弈類(lèi)型可分為合作博弈[52,58]、非合作博弈[52,54-55]、主從博弈[50,57]、Stackelberg博弈[54]、聯(lián)盟博弈[51]及演化博弈[56]等。其中聯(lián)盟博弈屬于合作博弈的分支。合作博弈和非合作博弈經(jīng)常用來(lái)處理主體間的利益關(guān)系，前者顧及個(gè)體和整體利益，能實(shí)現(xiàn)全局最優(yōu)；后者強(qiáng)調(diào)個(gè)體利益，可實(shí)現(xiàn)局部最優(yōu)。若出現(xiàn)領(lǐng)導(dǎo)者和跟隨者等分層決策問(wèn)題，往往采用主從博弈及Stackelberg博弈。聯(lián)盟博弈中，參與主體在合作的基礎(chǔ)上形成聯(lián)盟。演化博弈模型中，根據(jù)生物進(jìn)化論，人不再是完全理性的，而是通過(guò)試錯(cuò)的方法實(shí)現(xiàn)博弈均衡。

基于博弈論的IES運(yùn)行優(yōu)化求解方法主要包括數(shù)學(xué)規(guī)劃方法[50,54-55]、不完全信息博弈的學(xué)習(xí)算法[52]、智能優(yōu)化方法[51,53,56-57]等?；诓┺恼摰目蚣?、理論和方法研究含多種可調(diào)資源的綜合能源系統(tǒng)動(dòng)態(tài)協(xié)調(diào)優(yōu)化的研究相對(duì)較少，且均以關(guān)于日前交互博弈為主，對(duì)考慮多能源協(xié)調(diào)實(shí)時(shí)反饋校正策略的IES博弈模型求解方法尚未見(jiàn)報(bào)道。

3 IES優(yōu)化運(yùn)行展望

作為新一代能源系統(tǒng)，IES可滿足荷側(cè)多元化用能需求，有效提升源側(cè)能源利用效率，促進(jìn)了能源可持續(xù)發(fā)展，受到國(guó)內(nèi)外廣泛關(guān)注。然而，IES因其本身的特點(diǎn)，使得IES內(nèi)各能源系統(tǒng)的優(yōu)化運(yùn)行面臨諸多挑戰(zhàn)，難以發(fā)揮系統(tǒng)多能互補(bǔ)的優(yōu)勢(shì)。在總結(jié)上述綜述內(nèi)容的基礎(chǔ)上，展望IES優(yōu)化運(yùn)行未來(lái)的研究方向。

表2 博弈論研究現(xiàn)狀Table 2 Research status of game theory

3.1 不同形式的能源集線器接口模型

IES包括電、氣、冷、熱多種能源形式，從模型的角度來(lái)講，IES不同能源之間的轉(zhuǎn)化、存儲(chǔ)和分配通過(guò)能源集線器實(shí)現(xiàn)，然而IES中不同設(shè)備組成的能源接口形式多樣，對(duì)應(yīng)不同接口形式的能源集線器接口模型研究尚少，難以滿足當(dāng)前綜合能源系統(tǒng)對(duì)能源集線器接口的要求。

因此，有必要針對(duì)接口設(shè)備組成差異，結(jié)合接口組成設(shè)備的數(shù)學(xué)模型，研究對(duì)應(yīng)不同接口形式的能源集線器接口模型，并基于建立的能源集線器模型，對(duì)比各接口形式在不同負(fù)荷特性下的性能表現(xiàn)，研究不同條件下的最優(yōu)接口選擇策略，為能源集線器劃分及IES能量管理提供支撐。通過(guò)分析不同接口模型的分配矩陣、轉(zhuǎn)換矩陣等研究多能源之間的交互轉(zhuǎn)換關(guān)系，針對(duì)不同需求選取相應(yīng)的能源接口劃分依據(jù)，對(duì)能源接口分類(lèi)，建立多能源傳輸網(wǎng)絡(luò)的支路特性、網(wǎng)絡(luò)特性、傳輸延時(shí)以及網(wǎng)絡(luò)損耗等數(shù)學(xué)模型；結(jié)合能源集線器基本模型與多能源傳輸網(wǎng)絡(luò)模型，建立基于能源集線器的IES集成模型。

3.2 多能源網(wǎng)絡(luò)間耦合程度強(qiáng)弱判據(jù)

IES中多能源單元在供能、使用和儲(chǔ)存過(guò)程中存在耦合，耦合程度影響著不同時(shí)間尺度下多能源之間的互濟(jì)能力和協(xié)同消納能力，如電鍋爐可通過(guò)其效率衡量電熱功率的轉(zhuǎn)換程度，其值影響著電、熱網(wǎng)之間的功率交互大??；而在源側(cè)，能源網(wǎng)絡(luò)間的耦合程度影響著風(fēng)、光等可再生能源的互補(bǔ)潛力，進(jìn)而影響IES對(duì)可再生能源的消納能力。

為充分利用多能源之間的多時(shí)間尺度互補(bǔ)特性，提高能源利用效率，應(yīng)分析多能源網(wǎng)絡(luò)以及包括風(fēng)、光等可再生能源的多能源單元的供用方式、出力特性、轉(zhuǎn)換效率等特性，對(duì)多能源網(wǎng)絡(luò)間耦合強(qiáng)弱程度的判斷依據(jù)展開(kāi)深入研究，以能源網(wǎng)絡(luò)輸入及輸出數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，利用卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、長(zhǎng)短期記憶模型等深度學(xué)習(xí)方式，探究電、氣、冷、熱各能源之間的耦合方式、耦合機(jī)理和耦合強(qiáng)度等相關(guān)特性分析的理論依據(jù)，以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模風(fēng)電等新能源并網(wǎng)后能源系統(tǒng)可再生能源的最大消納，解決棄風(fēng)棄光問(wèn)題。

3.3 混合時(shí)間尺度動(dòng)態(tài)協(xié)調(diào)優(yōu)化調(diào)度體系

包含日前調(diào)度計(jì)劃、日內(nèi)動(dòng)態(tài)協(xié)調(diào)優(yōu)化和實(shí)時(shí)反饋校正策略的IES混合時(shí)間時(shí)間尺度動(dòng)態(tài)協(xié)調(diào)優(yōu)化調(diào)度體系，能夠降低因?yàn)殡?、氣、冷、熱各子系統(tǒng)物理差異較大和系統(tǒng)不確定性引起的調(diào)度誤差。但在日內(nèi)階段，由于可再生能源和負(fù)荷預(yù)測(cè)受多重因素影響，預(yù)測(cè)準(zhǔn)確度隨著預(yù)測(cè)時(shí)間尺度變長(zhǎng)而逐漸降低，日前計(jì)劃往往無(wú)法滿足功率平衡需求。此外，日內(nèi)動(dòng)態(tài)協(xié)調(diào)優(yōu)化雖然減少了可再生能源波動(dòng)對(duì)有源配電系統(tǒng)運(yùn)行的影響，但仍屬于開(kāi)環(huán)的優(yōu)化方法。

圍繞上述問(wèn)題，在日前部分，依托各個(gè)設(shè)備單元的數(shù)學(xué)模型、電/熱/氣網(wǎng)絡(luò)的簡(jiǎn)化數(shù)學(xué)模型以及冷、熱、電負(fù)荷特性曲線，實(shí)現(xiàn)IES的多目標(biāo)能量?jī)?yōu)化管理，并考慮每個(gè)目標(biāo)的重要程度，選取合理轉(zhuǎn)化方法，將多目標(biāo)問(wèn)題轉(zhuǎn)換成單目標(biāo)優(yōu)化問(wèn)題；在日內(nèi)部分，以多能源互補(bǔ)及其對(duì)調(diào)度指令的響應(yīng)特性作為主要輸入信息，以提高IES運(yùn)行靈活性為主要目標(biāo)，深入研究IES各設(shè)備調(diào)節(jié)速率、調(diào)節(jié)深度、響應(yīng)速度及指令下發(fā)后能源網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)過(guò)程，并建立區(qū)域綜合能源系統(tǒng)靈活性量化指標(biāo)與評(píng)估方法；在實(shí)時(shí)階段，剖析各能流系統(tǒng)內(nèi)負(fù)荷波動(dòng)特性之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，并利用集成學(xué)習(xí)技術(shù)建立各能流系統(tǒng)內(nèi)負(fù)荷功率預(yù)測(cè)模型并給予增量學(xué)習(xí)，在對(duì)下一個(gè)控制時(shí)域進(jìn)行負(fù)荷功率預(yù)測(cè)前，先將前幾個(gè)控制時(shí)域內(nèi)量測(cè)到的功率波與其他相關(guān)信息更新至歷史數(shù)據(jù)庫(kù)，并通過(guò)在線增量學(xué)習(xí)機(jī)制對(duì)當(dāng)前預(yù)測(cè)模型進(jìn)行修正。

3.4 混合時(shí)間尺度協(xié)調(diào)優(yōu)化模型求解方法

1) 優(yōu)化模型的重構(gòu)與簡(jiǎn)化。IES混合時(shí)間尺度動(dòng)態(tài)協(xié)調(diào)優(yōu)化模型具有高維非線性、混合整數(shù)、負(fù)荷隨機(jī)擾動(dòng)及多管理主體等特點(diǎn)，造成IES運(yùn)行工況復(fù)雜多變，需要對(duì)其數(shù)學(xué)模型進(jìn)行重構(gòu)與簡(jiǎn)化。筆者認(rèn)為可利用線性化技術(shù)、二階錐優(yōu)化技術(shù)及網(wǎng)絡(luò)約束逐次線性逼近技術(shù)對(duì)混合時(shí)間尺度動(dòng)態(tài)協(xié)調(diào)優(yōu)化模型進(jìn)行重構(gòu)與簡(jiǎn)化，從而降低模型的復(fù)雜度。三種重構(gòu)與簡(jiǎn)化方法如圖4所示。線性化技術(shù)將IES核心設(shè)備模型簡(jiǎn)化為線性模型；二階錐優(yōu)化技術(shù)利用區(qū)域綜合能源系統(tǒng)特有網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，對(duì)能流網(wǎng)絡(luò)約束進(jìn)行松弛，從而將區(qū)域綜合能源系統(tǒng)能流網(wǎng)絡(luò)方程轉(zhuǎn)化為二階錐凸優(yōu)化；網(wǎng)絡(luò)約束逐次線性逼近技術(shù)將優(yōu)化模型中的非線性項(xiàng)進(jìn)行變量替代，減少模型中的非線性項(xiàng)，便于模型能夠用常規(guī)的優(yōu)化軟件進(jìn)行求解。

2) IES最優(yōu)分區(qū)。IES雖然規(guī)模龐大，但其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)具有稀疏性。對(duì)綜合能源系統(tǒng)進(jìn)行分區(qū)后，各區(qū)域高內(nèi)聚低耦合，其求解也相對(duì)容易，圖1所示結(jié)構(gòu)的IES最優(yōu)分區(qū)如圖5所示。在IES最優(yōu)分區(qū)的基礎(chǔ)上，IES優(yōu)化問(wèn)題變?yōu)榉植际絻?yōu)化問(wèn)題。

3) IES最優(yōu)分區(qū)算法。對(duì)于分布式優(yōu)化問(wèn)題，可采用拉格朗日松弛[59]、增強(qiáng)拉格朗日松弛[60]、分布式模型預(yù)測(cè)控制算法[61]和交替方向乘子算法(alternating direction method of multipliers，ADMM)[62]等算法求解，交替方向乘子法因其收斂性好等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于電力系統(tǒng)的分布式優(yōu)化問(wèn)題。在IES最優(yōu)分區(qū)的基礎(chǔ)上，基于交替方向乘子法將綜合能源系統(tǒng)優(yōu)化模型分解成若干子問(wèn)題求解，每一個(gè)分區(qū)對(duì)應(yīng)一個(gè)子問(wèn)題，通過(guò)不斷求解各分區(qū)子問(wèn)題實(shí)現(xiàn)原始問(wèn)題的求解。各分區(qū)子問(wèn)題的求解相互獨(dú)立，即各子問(wèn)題求解實(shí)現(xiàn)異步迭代，僅僅在每個(gè)子問(wèn)題求解收斂后各分區(qū)與相鄰分區(qū)交換分區(qū)邊界節(jié)點(diǎn)迭代結(jié)果，大大降低通信要求和信息傳輸量。

圖4 混合時(shí)間尺度動(dòng)態(tài)協(xié)調(diào)優(yōu)化模型的重構(gòu)與簡(jiǎn)化方法Fig.4 Reconstruction and simplification of hybrid time-scale dynamic coordination optimization model

4 結(jié) 論

IES是未來(lái)實(shí)現(xiàn)高比例可再生能源接入電網(wǎng)的重要應(yīng)用場(chǎng)景與載體，為能源行業(yè)的低碳化發(fā)展提供了一條有效途徑，契合國(guó)家“雙碳”目標(biāo)的需求。IES能夠?qū)崿F(xiàn)多類(lèi)能源的互聯(lián)集成和互補(bǔ)融合，實(shí)現(xiàn)了供電、供氣、供冷、供熱系統(tǒng)的一體化，滿足用戶對(duì)多類(lèi)能源的需求，在降低系統(tǒng)碳排放的同時(shí)兼顧了系統(tǒng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性。因此，推廣IES勢(shì)在必行。實(shí)現(xiàn)IES的優(yōu)化運(yùn)行，有利于統(tǒng)籌系統(tǒng)內(nèi)各個(gè)能源網(wǎng)絡(luò)的動(dòng)態(tài)協(xié)調(diào)優(yōu)化，提升各個(gè)能源網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的綜合用能能效和新能源的消納能力，并通過(guò)集成IES，實(shí)現(xiàn)不同能源網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的可再生能源與負(fù)荷特性互補(bǔ)，進(jìn)一步提升能源利用效率和促進(jìn)可再生能源的消納。深入研究IES優(yōu)化運(yùn)行技術(shù)，有助于及時(shí)解決綜合能源系統(tǒng)井噴式發(fā)展過(guò)程中可能出現(xiàn)的技術(shù)問(wèn)題，發(fā)揮綜合能源系統(tǒng)內(nèi)各種可調(diào)資源的協(xié)同互補(bǔ)優(yōu)勢(shì)，推動(dòng)綜合能源系統(tǒng)能量管理技術(shù)的發(fā)展。

本文綜述了IES優(yōu)化運(yùn)行技術(shù)的研究現(xiàn)狀。圍繞IES優(yōu)化運(yùn)行問(wèn)題，首先介紹了IES的概念和特點(diǎn)；其次從IES基礎(chǔ)信息感知、混合時(shí)間尺度動(dòng)態(tài)協(xié)調(diào)優(yōu)化調(diào)度體系及其求解算法三個(gè)方面梳理和歸納了當(dāng)前IES優(yōu)化運(yùn)行技術(shù)國(guó)內(nèi)外研究動(dòng)態(tài)及不足之處；最后展望了IES優(yōu)化運(yùn)行未來(lái)可深入研究的方向。