考慮需求響應的能源互聯網優化運行研究

潘霞　蘇曉云

摘要：在“第三次工業革命”的推動下，現代能源系統已發展為以電力系統為核心，同時融合了天然氣、熱力、交通等多系統的能源互聯網。多種能源網絡的相互作用和影響，使得系統調度運行的難度加大。另一方面，隨著電力市場政策的推進，需求側響應得以更積極靈活地參與到調度運行中來，并為系統經濟、安全、穩定運行提供新的調控手段。基于以上背景，本文從考慮需求響應的能源互聯網優化運行研究，僅供參考。

關鍵詞：需求響應;能源互聯網;運行;優化

1 引言

能源互聯網中多能融合特點加深，為系統的建模分析帶來新的挑戰。而電力市場機制的建立和現代通信技術的發展，也為需求側資源參與到能源互聯網運行提供了政策支持和物理條件。如何面向能源互聯網背景，分析新環境下需求響應的數學模型和作用機理，建立相應的優化控制模型，對于提升發、輸、用各側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運行的影響，并考慮不同能源系統解耦自治決策這一現實需求，也是值得研究的問題。

2 能源互聯網中的需求響應

隨著多種能源的深度耦合，能源互聯網背景下系統將存在多能互補、協同共濟的特點，傳統電力需求響應也將逐步發展為適用于綜合能源系統的綜合需求響應。近年來，國內外學者也對此類新興的需求響應進行了初步探討。在能源互聯網運行環境下，系統新增的能源轉化設備有利于能量在不同能源系統的梯級利用和相互轉換。冷熱電聯產可通過改變自身出力特性，調整電、氣、冷、熱間的轉化關系，實現廣義上的需求響應。電轉氣裝置將系統中的多余電能（如棄風、棄水、棄光）轉化為天然氣儲存，同樣可作為能源需求調整的手段，其在系統削峰填谷、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、熱泵等在內的儲存設備可在系統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，對能源互聯網的運行經濟性、調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運行提供緩沖，但就目前而言，如何提升儲能設備的轉化效率、節約建設投資和運營成本、延長設備使用周期仍是值得關注的問題。

3 能源互聯網優化運行策略

3.1 促進保障能源安全供應，夯實城市高質量發展基礎

從基礎設施看，城市能源互聯網采用成熟可靠、技術先進、自動化程度高的配電設備，建成堅強合理、靈活可靠、標準統一的城市配電網結構，并通過多能源品種互濟提高城市能源資源供給的穩定性。從運行優化上看，城市能源互聯網通過源網荷儲靈活互動提高了城市能源安全可靠性、減少故障區域停電時間。離網型微電網和并網型微電網兩個微電網示范工程為未來城市主動配電網中大量分布式電源廣泛接入提供了堅實的技術支撐。實際運營效果表明，相關技術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 能源站協同規劃

新型城鎮能源系統“源荷”種類多樣、耦合形式復雜，在進行能源系統規劃時需要針對電力、天然氣及供熱（冷）系統的“源—網—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。對于新型城鎮能源站建模的研究，可采用在線性化處理上具有優勢的標準化矩陣建模理論，研究區域能源站節點—支路—端口特性，構建能量平衡模型。考慮風電、光伏、分布式電儲能、電蓄熱、變配電站、三聯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節能量交互方式的分析，建立能源設備詳細模型，研究多能互補能源站供用能拓撲結構優化與關鍵組件優化配置方法。在求解方法方面，隨著對綜合能源系統模型的精準建模，規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。可以通過例如拓撲圖理論、矩陣變換等將規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 可持續發展下的城市能源互聯網

相比于傳統能源系統的使用，能源互聯網在工業發展中的應用更適應可持續發展戰略。（1）為海水淡化設備提供高壓蒸汽制備淡水。高壓蒸汽系統輸出的蒸汽比原系統所采用的余熱蒸汽溫度高、壓力大，因此海水淡化設備的制水量相比原系統大大提高。（2）能夠將制備的高壓蒸汽輸送給工業園區，為工業園區的生產提供便捷條件。從改進系統可以看出，由于能源互聯網在工業生產中投入，二氧化硫、氮氧化物、煙塵等污染物的排放為零。能源互聯網系統對清潔能源的利用，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，提高了生產效率、生活的質量。

3.4 需求側響應領域

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

3.5 多能流系統建模和狀態感知

目前，在電、氣、冷、熱等各自傳統領域，其相應的建模方法較為成熟完善。電力網絡模型主要遵循電磁學定律，用電網潮流模型來描述，并有整套的網絡分析方法。天然氣網絡模型主要遵循流體力學定律。供熱（冷）網絡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。狀態感知分析在電力系統領域較為成熟，而由于能源特性不同，各能流呈現出不同的運行特性，無法直接將電力系統中的相關狀態感知分析方法套用在燃氣、供熱（冷）系統中。為實現多能流系統的運行優化調度，需要從基礎模型出發，分析電、氣、熱（冷）等多種異質能源流、物質流、信息流特征，分析電量、熱量和質量輸運、儲存和轉換過程的共性規律，建立多能流系統中能量/工質在輸—儲—轉換過程的本構關系，形成多能流系統驅動勢、流、阻/容抗之間的“廣義歐姆定律”，并考慮系統運行方式，挖掘多能流系統的能量耦合特性，分析不同能流之間的相互耦合和轉換關系，建立能量轉換器耦合矩陣，形成能源流、物質流與信息流之間的動態耦合機制。基于異常數據辨識方法和數據校正方法，結合多能流系統分布式狀態估計算法，對多時間尺度耦合模型進行自適應更新。

4 結束語

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

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