基于系統動力學的能源局域網建模研究

郭連海

摘要：能源局域網是能源互聯網的重要組分，更是實現“互聯網+能源”的有效途徑。首先，介紹系統動力學建模的基本概念、關鍵步驟；其次，建立能源局域網的系統動力學模型，為相關管理部門和建設單位提供決策參考。

Abstract： Energy LAN is an important component of the energy Internet， and it is an effective way to achieve "Internet+energy". Firstly， the basic concepts and key steps of system dynamics modeling are introduced. Secondly， the system dynamics model of energy LAN is established to provide decision-making reference for relevant management departments and construction units.

關鍵詞：能源局域網；可再生能源；系統動力學；能源管理

Key words： energy LAN；renewable energy；system dynamics；energy management

中圖分類號：F259.27 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2018）29-0118-03

0 引言

非可再生化石能源因長期大量使用而日趨枯竭，由此導致的環境污染問題也日益突出。此外，可再生能源地理分散、隨機性、波動性等特點，難以大規模集中利用，呈現出“源端并網難、網端利用率低、荷端服務形式單一”的新特點，也給傳統電網的可靠經濟運行帶來安全隱患。如何利用可再生能源解決化石能源因大量使用而導致的自身緊缺和環境污染問題，盡可能多的實現新能源電力可靠并網，滿足可靠系統可靠性條件下“源-網-荷”功率匹配和經濟調度，成為傳統電力能源變革和新能源應用探索面臨的最大挑戰。

近年來，能源網絡和互聯網技術廣泛、深度融合下的“能源互聯網”成為學術界和經濟界共同關注的熱點，被認為是未來解決全球化石能源日趨緊缺、化石能源使用導致環境日益惡化問題的有效途徑。能源互聯網是通過先進的電力電子技術、信息技術和智能管理技術，將大量由分布式能量采集裝置、分布式能量儲存裝置和各種負載構成的新型電力網絡節點互聯起來，實現能量雙向流動的能量對等交換與共享網絡。與傳統電網相比，能源互聯網具有可再生、分布式、互聯性、開放性和智能化的特征。能源互聯網的發展使得電網結構由集中發電、集中供應模式過渡到集中式發電和用戶側分布式可再生能源發電共存的模式。

作為能源互聯網的關鍵組分，能源局域網是通過新能源發電、微能源的采集、匯聚與分享以及儲能或用電消納形成的能源互聯網中的一個“節點”，即能源局域網以節點的形式通過互聯形成能源互聯網的“骨架”，基于該“骨架”實現可再生能源發電信息共享、信息流與能量流的雙向流動、信息流控制能量流，進而實“現源-網-荷”的匹配調度。此外，系統動力學方法被形象的比喻為“政策實驗室”，相比于其他方法在大系統模擬仿真、探究擾動下相關要素的關聯關系和多方案比較中具有諸多優勢，該方法已被廣泛應用于軍事、旅游、區域規劃等領域，然而在能源互聯網、能源局域網等相關研究中還比較少見。本文擬從系統動力學的角度，構建能源局域網的SD模型，通過仿真分析研究不同策略下的運行結果，探索其導致的動因，并試圖將“向系統購電量”與“產能側綜合產能成本”降到最低和“系統總收益”增至最大，結合動因分析提出對應建議以實現該目標。

1 明確建模目的

隨著傳統非可再生能源可使用量日益減少、環境污染問題日趨嚴重，以及能源網絡+互聯網技術的興起，大規模可再生能源廣泛應用的發展趨勢愈加明顯，“能源互聯網”、“互聯網+可再生能源”、“第三次工業革命”等概念為越來越多的人所熟知。本研究基于未來可再生能源規模迅速擴張、產能單元數量龐大且關聯關系復雜化、產/用能過程隨機波動的綜合考慮，提出構建能源局域網的系統動力學模型，借助Vensim PLE軟件進行計算機仿真模擬，分析確定影響能源局域網構建、能量管理過程中涉及的功率平衡、經濟最優及環保等因素，為政府相關部門找到政策切入點、確定區域可再生能源規劃的最佳發展方案提供參考。

2 確定系統邊界

系統動力學通過確定被研究對象的系統邊界能夠將相關關鍵要素劃歸到擬研究問題的模型，以便進行隨后的因果關系分析、模型構建、數據仿真、政策分析及建議等工作。根據系統動力學“基于問題建模”的原則，本研究所建立的能源局域網系統動力學模型將可再生能源產、儲能要素，典型負荷用能要素、系統調控要素，以及與此相關的經濟要素、環保要素劃入系統邊界之內，邊界之外與系統有關聯的風速、光照、系統電網、天然氣價格等因素劃歸為系統環境。其中，處于“樞紐”位置的總量指標將多條不同閉合回路聯系起來構成了被研究對象近似現實的動態行為模式。在此基礎上，將研究對象劃分為可再生能源產能子系統、典型負荷用能子系統、產需平衡調度子系統和環保約束子系統，四大子系統及其之間的關聯關系便構成了能源局域網系統模型的邊界。

3 分析核心要素

能源局域網系統作為能源互聯網的子節點，匯集了系統電網、風機、光伏、天然氣產能單元，系統儲能、風-光儲能單元和倒班制企業、政府與學校、電動汽車、居民小區等典型用能單元，各單元間不僅能夠實現功率的實時平衡，而且能夠通過系統調度實現經濟、可靠運行。由此可見，能源局域網是受到多因素相互影響的復雜動態系統。因此，需要確定并分析影響系統行為的核心要素，并根據能源互聯網系統結構和運行規律探究要素間的關聯關系。結合以上分析，并考慮到后續研究會構建因果關系圖以定性分析和系統流圖以定量分析，現將涉及的核心要素整理、總結如表1所示。

4 能源局域網的SD模型構建

通過以上分析，建立能源局域網的因果關系圖，如圖1所示。

5 結束語

因果關系圖系統地描述了能源局域網各要素之間的因果關系和反饋過程。但是，它并沒有區分出系統中變量的性質及系統的管理、控制過程，不便于對系統有一個清楚、全面的認識。系統流圖是在因果關系圖的基礎上通過更加直觀的符號進一步區分變量的性質、明確系統要素之間的邏輯關系及反饋過程的圖形表示法。因此，能源局域網系統流圖比因果關系圖承載了更完備的信息，所要表達的邏輯關系也更為直觀、準確。

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