多區(qū)域交直流混合綜合能源系統(tǒng)內(nèi)外優(yōu)化調(diào)度

[關(guān)鍵詞]多區(qū)域；交直流混合；綜合能源系統(tǒng)；內(nèi)外優(yōu)化調(diào)度

引言

多區(qū)域交直流混合綜合能源系統(tǒng)[ HIES）的優(yōu)化調(diào)度，是解決能源供應(yīng)多樣化和能效提高問題的關(guān)鍵技術(shù)之一。通過有效整合風(fēng)能、太陽能、化石燃料等多種能源形式，多區(qū)域HIES可以實(shí)現(xiàn)交流（AC）與直流（DC）間的高效轉(zhuǎn)換與輸送，從而提高系統(tǒng)的能源利用效率，增強(qiáng)電網(wǎng)的靈活性和穩(wěn)定性。此外，實(shí)現(xiàn)跨區(qū)域能源的互聯(lián)互通，對促進(jìn)區(qū)域內(nèi)能源平衡、提高系統(tǒng)抗風(fēng)險(xiǎn)能力等方面具有重要意義。

一、一種新的內(nèi)協(xié)調(diào)外調(diào)度的優(yōu)化方案

本研究提出了一種創(chuàng)新的綜合能源系統(tǒng)（IES）優(yōu)化方案，該方案充分結(jié)合了內(nèi)部協(xié)調(diào)控制和外部統(tǒng)一調(diào)度兩大核心策略。針對IES內(nèi)部能量流動的特點(diǎn)，該方案能夠利用內(nèi)部協(xié)調(diào)控制手段，對冷、熱、電、氣等多元化能源的耦合與轉(zhuǎn)換進(jìn)行精細(xì)化規(guī)劃，并對交直流配置進(jìn)行深度優(yōu)化。同時(shí)，該優(yōu)化方案通過采用外部統(tǒng)一調(diào)度策略，能夠?qū)ES視為一個(gè)整體的能源聚合體，從宏觀角度確保能量流動的連續(xù)性。此外，通過優(yōu)化與主網(wǎng)的接入及互聯(lián)方式，可進(jìn)一步提高IES與外部能源系統(tǒng)的協(xié)同效率，實(shí)現(xiàn)能源資源的優(yōu)化配置和高效利用。

（一）綜合能源轉(zhuǎn)化與耦合優(yōu)化

在現(xiàn)代綜合能源系統(tǒng)（IES）中，電能因具備廣泛應(yīng)用性、清潔性和便捷性，在能源轉(zhuǎn)換中占據(jù)核心地位。為了充分利用這些能源特性，本文提出了一套綜合能源轉(zhuǎn)化與耦合優(yōu)化方案。該方案依托于一個(gè)創(chuàng)新的多能源網(wǎng)絡(luò)聯(lián)合優(yōu)化模型，旨在通過高效配置不同種類的能源，充分滿足各種能源需求。

一般來說，借助能量樞紐模型，可闡述能量的相互連接與轉(zhuǎn)換關(guān)系。能量樞紐模型根植于2005年ETH Zurich在IEEE電力與能源會議上提出的能源樞紐理念，旨在構(gòu)建一個(gè)全面高效的能源轉(zhuǎn)換與利用體系。常見的能源轉(zhuǎn)換設(shè)備包括但不限于燃?xì)廨啓C(jī)（CGT）、余熱回收裝置（WHRU）、電鍋爐（EB）以及備用制熱機(jī)組（CHG）等。這些設(shè)備各具特色，能夠在不同場景下發(fā)揮關(guān)鍵作用，實(shí)現(xiàn)能源的高效轉(zhuǎn)換與多元化利用。

為實(shí)現(xiàn)降溫目標(biāo)，能量樞紐模型中引入了多種設(shè)備，包括電動壓縮制冷機(jī)（CEC）、水循環(huán)吸收式冷氣機(jī)（WARG）以及氣體循環(huán)吸收式冷媒機(jī)（GAC）。這些設(shè)備能通過不同的工作原理和技術(shù)路徑，共同構(gòu)建一個(gè)高效可靠的降溫系統(tǒng)，滿足不同場合的降溫需求。

（二）交直流混合優(yōu)化

在多區(qū)域交直流混合綜合能源系統(tǒng)（IES）中，相較于傳統(tǒng)變壓器，電力電子變壓器（PET）作為實(shí)現(xiàn)交直流轉(zhuǎn)換的核心設(shè)備，展現(xiàn)出了顯著的優(yōu)勢，具有體積小、重量輕、環(huán)保無污染、高可靠性及穩(wěn)定輸出等特性。

PET設(shè)備配備交直流連接端口，能夠有效實(shí)現(xiàn)電壓變換、電氣隔離，以及交直流系統(tǒng)間的能量流動。利用其強(qiáng)大的功率調(diào)節(jié)能力，PET能夠精準(zhǔn)控制交直流網(wǎng)絡(luò)間的功率交互，確保主網(wǎng)、直流及交流系統(tǒng)之間的功率轉(zhuǎn)換高效順暢。此外，對PET端口能量的協(xié)調(diào)管理，可以進(jìn)一步提高電能消納效率，優(yōu)化能源利用率。

在制定交直流混合優(yōu)化策略時(shí)，優(yōu)化方案致力于減少AC-DC換流過程中的能量損耗。當(dāng)直流側(cè)的光伏電池發(fā)電量不足以滿足負(fù)荷需求時(shí)，系統(tǒng)可優(yōu)先利用蓄電池進(jìn)行放電補(bǔ)充；若蓄電池的能量釋放仍無法滿足功率需求，系統(tǒng)可從交流側(cè)調(diào)動額外功率進(jìn)行補(bǔ)償；當(dāng)交流側(cè)發(fā)電量超出需求時(shí)，系統(tǒng)可通過PET將多余功率轉(zhuǎn)換至直流側(cè)，以供其他負(fù)荷使用或儲存，從而實(shí)現(xiàn)能源的高效利用。

（三）市場化運(yùn)行

在當(dāng)今的能源體系中，綜合能源系統(tǒng)（IES）通過整合各類能源子系統(tǒng)，形成了一個(gè)多功能的能源網(wǎng)絡(luò)。IES不僅能夠作為發(fā)電廠提供穩(wěn)定的電力輸出，還能像用戶一樣從電網(wǎng)中購電，這種多元化的特性能使得IES在電力市場中具有獨(dú)特的優(yōu)勢。IES能夠參與的電力市場種類繁多，包括日前市場、實(shí)時(shí)市場、輔助服務(wù)市場等，這些市場的運(yùn)作機(jī)制能為IES提供多種交易模式和競價(jià)策略。

在電力市場中，IES可通過電網(wǎng)進(jìn)行天然氣和電力的買賣。在售電時(shí)，IES將內(nèi)部產(chǎn)生的能源輸送至大電網(wǎng)，此時(shí)，IES充當(dāng)發(fā)電企業(yè)的角色；在購電時(shí)，IES則作為電力消費(fèi)者，從大電網(wǎng)中獲取所需能源。此外，IES在發(fā)電量較低時(shí)，會優(yōu)先考慮內(nèi)部的能量消納，只有在滿足市場準(zhǔn)入規(guī)則后，其才能參與更廣闊的能量市場交易。然而，由于IES的規(guī)模相對較小，其對市場價(jià)格的影響力有限。

電力市場涵蓋多種交易形式，如中長期合同、臨近日交易和即時(shí)現(xiàn)貨市場。其中，長期合同穩(wěn)定購電能夠減少價(jià)格波動風(fēng)險(xiǎn)；臨近日交易可以基于預(yù)測提前一天安排交易量；現(xiàn)貨市場能夠提供調(diào)整實(shí)時(shí)誤差的高靈活性。研究指出，結(jié)合長期和現(xiàn)貨市場，采用短周期調(diào)度和多周期優(yōu)化策略，可降低可再生能源的市場和電網(wǎng)風(fēng)險(xiǎn)。

此外，IES在需求響應(yīng)方面也扮演著重要角色。其既可以為電網(wǎng)提供調(diào)頻、備用等輔助服務(wù)，又可以通過激勵機(jī)制和價(jià)格機(jī)制，引導(dǎo)用戶進(jìn)行負(fù)荷轉(zhuǎn)移、峰荷削減等活動，以實(shí)現(xiàn)電力平衡。其中，價(jià)格基礎(chǔ)需求響應(yīng)（Price-basedDemand Response，PBDR）可以通過動態(tài)調(diào)整峰谷電價(jià)，促使用戶自主調(diào)整負(fù)荷曲線，從而平滑負(fù)荷變化，降低系統(tǒng)運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)；激勵基礎(chǔ)需求響應(yīng)（Incentive-based DemandResponse，IBDR）則可以通過簽訂合約，對用戶在調(diào)度中調(diào)整的負(fù)荷進(jìn)行補(bǔ)償，進(jìn)一步優(yōu)化IES的運(yùn)行調(diào)度。

運(yùn)行IES不僅要關(guān)注電力市場，還要積極參與碳排放量交易。通過合法的碳排放量交易機(jī)制，IES可以買賣碳排放配額。同時(shí)，IES可以通過新能源發(fā)電設(shè)備減少碳排放，獲得碳排放配額，當(dāng)配額有剩余時(shí)，可以出售配額，以獲取經(jīng)濟(jì)利益；當(dāng)配額不足時(shí)，則需購買額外的配額。由此可見，碳交易價(jià)格的制定，對于系統(tǒng)碳排放量和總成本具有顯著影響。對此，引入獎懲結(jié)合的碳交易機(jī)制，可以更精確地控制IES的碳排放，平衡環(huán)保性和經(jīng)濟(jì)性。

除了碳排放量交易，IES還參與綠色證書交易。綠色證書是對可再生能源發(fā)電量的認(rèn)證，源自可再生能源配額指標(biāo)。IES中新能源發(fā)電的比例可以轉(zhuǎn)化為綠色證書，當(dāng)綠色證書超過配額時(shí)，IES可以出售證書以獲得利潤；若證書不足，則需要面臨罰款。通過這種方式，綠色證書交易可進(jìn)一步促進(jìn)可再生能源的使用，從而提高整個(gè)能源系統(tǒng)的綠色化水平。

（四）主網(wǎng)接入優(yōu)化

主網(wǎng)接入優(yōu)化是提高系統(tǒng)效率和可靠性的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。IES通過靈活切換并網(wǎng)模式，可實(shí)現(xiàn)與主網(wǎng)的協(xié)調(diào)調(diào)度，包括孤島模式和并網(wǎng)模式。在孤島運(yùn)行狀態(tài)下，IES可自給自足，無需主網(wǎng)輸電支持；同時(shí)，在該模式下，IES發(fā)電設(shè)備能夠滿足全部負(fù)載，從而提高系統(tǒng)的可靠性，大幅降低輸電成本。研究表明，這種運(yùn)行狀態(tài)通常占IES運(yùn)行時(shí)間的28%。而在并網(wǎng)狀態(tài)，IES與主網(wǎng)相連，能夠參與電力市場或提供輔助服務(wù)，并依據(jù)輸電成本和線路容量來決定輸電方案。此時(shí)，柴油機(jī)組暫停發(fā)電，僅為備用，可再生能源設(shè)備持續(xù)運(yùn)行，占總運(yùn)行時(shí)間的70%。

在故障狀態(tài)下，IES可分擔(dān)電網(wǎng)故障帶來的影響，并通過轉(zhuǎn)移負(fù)載，減少停電面積和社會沖擊。若IES本身發(fā)生故障，需在關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)部署充足的柴油發(fā)電機(jī)，并預(yù)設(shè)2%的應(yīng)對措施。此外，IES的模式切換．需遵循切換系統(tǒng)原則，滿足主電網(wǎng)接入點(diǎn)的電壓和頻率標(biāo)準(zhǔn)。

（五）區(qū)域互聯(lián)優(yōu)化

通過連接各園區(qū)的IES，可實(shí)現(xiàn)區(qū)域間的能源互聯(lián)與功能互補(bǔ)，推動經(jīng)濟(jì)發(fā)展和產(chǎn)業(yè)升級。其中，IES按照不同功能需求，被劃分為居住、工作、商業(yè)和工業(yè)區(qū)域，這些區(qū)域在社會角色、建筑特點(diǎn)、土地使用和地理位置上各有特色。而區(qū)域間的互聯(lián)能夠優(yōu)化能源調(diào)度，解決能源與負(fù)荷分布的不均衡問題，通過協(xié)同互聯(lián)，各功能區(qū)的能源利用效率和可再生能源的吸收率得以顯著提高。為解決微電網(wǎng)與外部功率交換的聯(lián)絡(luò)線限制，需要引入機(jī)會約束規(guī)劃方法。同時(shí)虛擬協(xié)調(diào)器可以解耦微電網(wǎng)與主電網(wǎng)的連接，提高區(qū)域互聯(lián)的效率和穩(wěn)定性。

二、多區(qū)域劃分及供用能特性分析

在多區(qū)域交流與直流混合的綜合性能源系統(tǒng)中，優(yōu)化調(diào)度的重要環(huán)節(jié)在于對各區(qū)域能源供應(yīng)與需求特性的深入分析和科學(xué)劃分。該系統(tǒng)能通過充分挖掘不同功能區(qū)在能源供應(yīng)和需求方面的互補(bǔ)優(yōu)勢，有效應(yīng)對可再生能源利用難題、峰谷電力時(shí)段合理分配、設(shè)備使用效率低下以及經(jīng)濟(jì)效益不佳等多重挑戰(zhàn)。

本研究依據(jù)國土資源部規(guī)定及城市土地使用分類準(zhǔn)則，并結(jié)合綜合能源園區(qū)的實(shí)際情況，將園區(qū)劃分為居住、辦公、商業(yè)及工業(yè)四大功能區(qū)。受經(jīng)濟(jì)狀況、政策導(dǎo)向、氣候條件、建筑特色及人口結(jié)構(gòu)等多重因素影響，各功能區(qū)在能源供給方面展現(xiàn)出顯著的差異性，如主要供能時(shí)段、供電、供暖和供冷形式等。各功能區(qū)在能源使用特性上的差異，則體現(xiàn)在負(fù)荷率、最大負(fù)荷使用時(shí)長、日負(fù)荷峰谷差異、負(fù)荷密度及負(fù)荷類型等多個(gè)方面。其中，工業(yè)區(qū)因其生產(chǎn)特性，表現(xiàn)出高負(fù)荷密度及長時(shí)間使用的顯著特點(diǎn)；而居民區(qū)因居民日常活動的規(guī)律性，展現(xiàn)出與其他區(qū)域錯峰的用能特點(diǎn)，從而提高了整個(gè)園區(qū)的能源利用率及新能源消納率。

在典型日的冷、熱、電負(fù)荷分析中，各功能區(qū)亦表現(xiàn)出不同的需求特征。其中，辦公區(qū)、商業(yè)區(qū)及工業(yè)區(qū)的冷負(fù)荷需求主要集中在工作時(shí)段，而居民區(qū)則全天均有冷負(fù)荷需求；在熱負(fù)荷方面，工業(yè)區(qū)在日間熱負(fù)荷需求較高，商業(yè)區(qū)和辦公區(qū)主要在用戶活動頻繁時(shí)段有熱負(fù)荷需求，而居民區(qū)則全天保持穩(wěn)定的熱負(fù)荷需求。此外，電負(fù)荷需求亦呈現(xiàn)類似的日間集中特點(diǎn)，其中，工業(yè)區(qū)電負(fù)荷最重，商業(yè)區(qū)電負(fù)荷需求時(shí)間最長。

三、綜合能源系統(tǒng)評價(jià)體系建立

為確保綜合能源系統(tǒng)（IES）的有效運(yùn)行和規(guī)劃，建立一個(gè)全面的評價(jià)體系很有必要。該評價(jià)體系應(yīng)涵蓋環(huán)保、經(jīng)濟(jì)和能效三個(gè)主要維度，并制定具體的指標(biāo)。這些指標(biāo)既要反映IES自身的性能，也要考慮其與社會環(huán)境的相互作用，以推動IES向低碳、經(jīng)濟(jì)、高效的方向發(fā)展。例如，環(huán)保方面評估的關(guān)鍵指標(biāo)涵蓋污染物排放、可再生能源使用比例和碳排放成本等，其中，二氧化碳的排放量被視為環(huán)境影響的主要衡量標(biāo)準(zhǔn)。經(jīng)濟(jì)性評估指標(biāo)主要分為設(shè)備生命周期成本（LCC）和市場交易收益，其中，LCC涵蓋從研發(fā)、生產(chǎn)、采購、安裝，到運(yùn)營、維護(hù)、升級和最終報(bào)廢等各個(gè)環(huán)節(jié)的費(fèi)用。針對IES參與的市場交易則包括了電力、天然氣、碳排放、綠色證書及需求響應(yīng)市場等方面。能效性的評估主要包括能源的使用效率和供應(yīng)的穩(wěn)定性，能源利用率以新能源發(fā)電損失率（LREG）為基準(zhǔn)，能源供應(yīng)的穩(wěn)定性則需參考負(fù)荷失電率（LPSP）等重要指標(biāo)。

結(jié)語

本研究提出的內(nèi)協(xié)調(diào)外調(diào)度的優(yōu)化方案，能夠?qū)崿F(xiàn)多區(qū)域交直流混合綜合能源系統(tǒng)的高效運(yùn)行與管理，是提高能源系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性和環(huán)保性的有效手段，通過分析多區(qū)域劃分及供用能特性，建立綜合能源系統(tǒng)評價(jià)體系，為多區(qū)域HIES的規(guī)劃與優(yōu)化提供有力支撐，推動清潔能源的發(fā)展和能源系統(tǒng)的智能化建設(shè)。