中國儲能網(wǎng)訊：1、為什么要研究能源互聯(lián)網(wǎng)的規(guī)劃？
人類生產(chǎn)、生活活動對能源有著巨大的需求，但化石能源的儲量有限，不足以支撐社會的長久發(fā)展，同時大規(guī)?；茉吹牡托褂脤Νh(huán)境造成了巨大的污染。能源危機、環(huán)境污染催生了人們對可持續(xù)、清潔、高效的能源系統(tǒng)的迫切需求。隨著能源利用技術(shù)的發(fā)展、信息技術(shù)的進步，兩者的深度融合催生出了新的能源利用體系——能源互聯(lián)網(wǎng)。能源互聯(lián)網(wǎng)通過對多種能源系統(tǒng)進行協(xié)調(diào)優(yōu)化，既可以接納大規(guī)模的可再生能源，也可以提高能源的利用效率。能源互聯(lián)網(wǎng)是未來能源系統(tǒng)的發(fā)展方向，對能源互聯(lián)網(wǎng)進行優(yōu)化規(guī)劃是能源互聯(lián)網(wǎng)從理論到工程實踐的基礎(chǔ)。只有在先進的、合理的能源互聯(lián)網(wǎng)的規(guī)劃理論的指導(dǎo)下，全面大規(guī)模的能源互聯(lián)網(wǎng)的建設(shè)工程才可以順利實施?，F(xiàn)階段，國內(nèi)外的能源互聯(lián)網(wǎng)的眾多示范性項目正在如火如荼的建設(shè)，這些示范性工程的實施又可以幫助逐步完善規(guī)劃理論體系，為之后的能源互聯(lián)網(wǎng)的大規(guī)模工程建設(shè)奠定理論基礎(chǔ)。
2、為什么對能源互聯(lián)網(wǎng)進行結(jié)構(gòu)劃分？
能源互聯(lián)網(wǎng)包含電力、天然氣、熱等多種能源系統(tǒng)，規(guī)模龐大，元件眾多，作為整體進行統(tǒng)一優(yōu)化規(guī)劃難度過大。為了減小規(guī)劃難度，提升規(guī)劃模型的準確性和可行性，本文根據(jù)不同的組成元素、環(huán)節(jié)任務(wù)將能源互聯(lián)網(wǎng)按照能源的生產(chǎn)環(huán)節(jié)（源）-能源的傳輸環(huán)節(jié)（網(wǎng)）-能源的消費環(huán)節(jié)（荷）進行劃分，由此可得能源互聯(lián)網(wǎng)的基本架構(gòu)如圖 1所示。
圖 1 能源互聯(lián)網(wǎng)基本架構(gòu)
基于能源互聯(lián)網(wǎng)劃分的“源-網(wǎng)-荷”結(jié)構(gòu)，考慮各個環(huán)節(jié)的主要任務(wù)、特定約束、應(yīng)用影響因素等，可建立如表 1所示的各個環(huán)節(jié)的規(guī)劃模型。
表 1 能源互聯(lián)網(wǎng)各個環(huán)節(jié)的規(guī)劃模型
3、能源互聯(lián)網(wǎng)規(guī)劃建模的基礎(chǔ)？
能源互聯(lián)網(wǎng)的規(guī)劃是已知規(guī)劃對象的物理特性和相應(yīng)的約束條件，選定合適的數(shù)學(xué)模型描述規(guī)劃對象的物理特性，求解滿足各項指標要求的合適的規(guī)劃方案。因而明確基礎(chǔ)的約束條件和建立描述設(shè)備運行特性、耦合能量流的數(shù)學(xué)模型是能源互聯(lián)網(wǎng)規(guī)劃建模的基礎(chǔ)。規(guī)劃模型的基礎(chǔ)約束條件是用戶的電、氣、熱多種能源的負荷需求。能源互聯(lián)網(wǎng)的規(guī)劃所涉及的數(shù)學(xué)模型主要是多能流的耦合、轉(zhuǎn)化模型和多能流系統(tǒng)的潮流模型。多能流的耦合、轉(zhuǎn)化模型通常采用瑞士蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院提出的能量樞紐模型；因為規(guī)劃研究的是長時間尺度的問題，所以規(guī)劃模型的多能流潮流模型采用穩(wěn)態(tài)潮流模型，即滿足節(jié)點能量平衡等物理特性的代數(shù)方程。
4、對能源生產(chǎn)環(huán)節(jié)規(guī)劃有哪些研究？
能源生產(chǎn)環(huán)節(jié)規(guī)劃的任務(wù)是在滿足用戶的多種用能需求和達到各種技術(shù)經(jīng)濟指標的條件下，充分考慮各種形式能源的耦合和物理特性的互補，確定在何時、何地興建何種類型和何種規(guī)模的能源生產(chǎn)、轉(zhuǎn)換、存儲設(shè)備，使規(guī)劃期內(nèi)能源互聯(lián)網(wǎng)能接納大規(guī)模可再生能源并且具有較好的經(jīng)濟效益。在能源互聯(lián)網(wǎng)中，具有大容量儲能設(shè)備的熱力系統(tǒng)、天然氣系統(tǒng)通過熱電聯(lián)供（CHP）機組、電轉(zhuǎn)氣等能量轉(zhuǎn)換設(shè)備和電力系統(tǒng)互聯(lián)耦合。相比于電力系統(tǒng)，氣、熱系統(tǒng)都具有較大的慣性和時間常數(shù)，具有良好的可控性和可調(diào)性。大容量的儲熱、儲氣設(shè)備使得電力系統(tǒng)能夠在較大的時間尺度和空間范圍內(nèi)平抑可再生能源的間歇性和波動性對能源系統(tǒng)的影響，進而提升系統(tǒng)的可再生能源的消納能力。
以電-熱聯(lián)合的能源生產(chǎn)環(huán)節(jié)的規(guī)劃為例，首先分析電鍋爐、CHP機組的出力特性，結(jié)合傳統(tǒng)的發(fā)電機模型，建立熱源模型和相應(yīng)的設(shè)備輸出功率約束。其次，充分考慮電和熱的互補性，在電力系統(tǒng)、熱力系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)潮流的基礎(chǔ)上，建立合理的電-熱耦合潮流模型。最后通過設(shè)置多場景、多時段等方式模擬系統(tǒng)運行狀態(tài)建立電-熱聯(lián)合系統(tǒng)的混合整數(shù)規(guī)劃模型。
5、對能源的源、網(wǎng)協(xié)同規(guī)劃的研究有哪些？
能源的遠距離傳輸主要以電力網(wǎng)絡(luò)和天然氣網(wǎng)絡(luò)為主，兩個網(wǎng)絡(luò)互連耦合，將能源從源側(cè)向遠端負荷大規(guī)模的傳輸?？稍偕茉吹牡乩矸植驾^為分散，風(fēng)電廠、光伏電站和電轉(zhuǎn)氣廠，需要根據(jù)已有電力傳輸網(wǎng)絡(luò)進行合理的選址，便于能源的傳輸，而燃氣電廠也要根據(jù)天然氣網(wǎng)進行選址，才能保證天然氣的供應(yīng)。所以電-氣聯(lián)合系統(tǒng)的傳輸環(huán)節(jié)不能單一規(guī)劃，需要進行源、網(wǎng)的協(xié)同規(guī)劃。對于源、網(wǎng)環(huán)節(jié)的協(xié)調(diào)規(guī)劃，首先要對源側(cè)、負荷側(cè)的多能源系統(tǒng)進行等效，將多能源的生產(chǎn)等效為氣源和電源（傳統(tǒng)電源、可再生能源），將負荷等效為氣負荷和電負荷，將模型簡化為電-氣聯(lián)合系統(tǒng)。
電-氣聯(lián)合系統(tǒng)的規(guī)劃，基本是以系統(tǒng)投資和運行的經(jīng)濟性最優(yōu)為目標函數(shù)，最基礎(chǔ)的約束是電-氣聯(lián)合系統(tǒng)的運行約束?？紤]不同的影響因素，可對電-氣聯(lián)合系統(tǒng)的規(guī)劃模型構(gòu)造分層迭代的優(yōu)化模型。主問題設(shè)置為能源生產(chǎn)、轉(zhuǎn)換、存儲設(shè)備的投建、選址和電力網(wǎng)絡(luò)、天然氣網(wǎng)絡(luò)的擴建，子問題是典型日或規(guī)劃年的優(yōu)化運行，可分別設(shè)置可靠性、碳排放等子問題約束。主問題向子問題傳遞優(yōu)化后的系統(tǒng)拓撲方案，子問題向主問題傳遞相應(yīng)的割集約束或罰函數(shù)，以保證規(guī)劃方案滿足可靠性、投資成本等問題邊界，通過多次主、子問題協(xié)調(diào)迭代獲得滿足約束的規(guī)劃方案。
6、對能源消費環(huán)節(jié)規(guī)劃有哪些研究？
在能源的消費環(huán)節(jié)，用戶的參與度獲得提升，用戶的積極參與可以幫助實現(xiàn)系統(tǒng)的靈活可控。用戶的參與主要體現(xiàn)在兩方面：1）價格因素主導(dǎo)的需求側(cè)響應(yīng)；2）電動汽車的充電服務(wù)。能源的消費主要集中在城市地區(qū)，城市的多能源系統(tǒng)按照規(guī)?？蓜澐譃閰^(qū)域級的多能源系統(tǒng)和能源微網(wǎng)。區(qū)域級的多能源系統(tǒng)以大片居民區(qū)，商業(yè)區(qū)或工業(yè)園區(qū)為單位，包含CHP機組等能源轉(zhuǎn)換裝備、儲能裝置和多能源供應(yīng)網(wǎng)絡(luò)。能源微網(wǎng)以居民樓、醫(yī)院為單位，主要包含一套冷熱電聯(lián)供裝置和小型儲能設(shè)施。因而能源消費側(cè)的規(guī)劃如圖 2所示可劃分為電動汽車充電站的規(guī)劃，區(qū)域級的多能源系統(tǒng)規(guī)劃和能源微網(wǎng)的規(guī)劃。
圖 2 能源消費環(huán)節(jié)的規(guī)劃內(nèi)容劃分
對于電動汽車充電站的規(guī)劃，首先需要分析電動汽車接入對電源發(fā)展、電網(wǎng)運行的影響，建立電動汽車各個狀態(tài)的數(shù)學(xué)模型，仿真電動汽車的行為。規(guī)劃模型需要考慮的約束條件主要有路網(wǎng)結(jié)構(gòu)、配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)、充電站容量約束、充電等待時長等，目標函數(shù)可以設(shè)定為充電站和配電網(wǎng)的投資最小，系統(tǒng)運行費用最小，充電站俘獲的交通流量最大。在實際生活中，交通系統(tǒng)和電力系統(tǒng)存在著復(fù)雜的交互影響，目前的研究還處于起步階段。
區(qū)域級的多能源系統(tǒng)的規(guī)劃，既需要考慮CHP機組、儲能設(shè)備等裝置的選址、定容，也需要規(guī)劃相應(yīng)的電、氣、熱配網(wǎng)。因而，首先需要建立CHP機組、儲能設(shè)備的功率轉(zhuǎn)化模型，可以采用能量樞紐模型，根據(jù)不同的需求進行不同的配置。其次，將CHP機組等裝置作為耦合元件，以電、氣、熱耦合最優(yōu)潮流為基礎(chǔ)，設(shè)置不同的運行場景，建立不同的規(guī)劃模型，以適應(yīng)實際情況。
能源微網(wǎng)的規(guī)劃主要是對冷熱電聯(lián)供設(shè)備選型和定容。以能源微網(wǎng)的冷、熱、電負荷預(yù)測為基礎(chǔ)，根據(jù)能源價格的變化和用戶可能參與的價格型需求側(cè)響應(yīng)，設(shè)置幾種不同的典型運行方式，以系統(tǒng)的優(yōu)化運行為基礎(chǔ)進行設(shè)備的選型和定容。當(dāng)多個能源微網(wǎng)互聯(lián)協(xié)調(diào)運行時，還需要考慮多能源路由器的協(xié)調(diào)互濟作用。
7、對能源互聯(lián)網(wǎng)規(guī)劃的研究，還有哪些關(guān)鍵問題需要解決？
1）在規(guī)劃模型中分析、仿真可再生能源機組的出力不確定性和用戶對不同能源需求的不確定性，例如風(fēng)電的出力模擬和用戶參與價格型需求側(cè)響應(yīng)的仿真。
2）研究不同能源系統(tǒng)的時間常數(shù)對耦合多能源系統(tǒng)的能源轉(zhuǎn)換的影響。在能源互聯(lián)網(wǎng)中，不同能源系統(tǒng)的暫態(tài)過程持續(xù)時間不同，電能需要瞬時平衡，而氣、熱系統(tǒng)的暫態(tài)過程相對緩慢，以分鐘、小時計。
3）能源互聯(lián)網(wǎng)的規(guī)劃模型中，供能可靠性是重要的約束條件。需要先建立能源互聯(lián)網(wǎng)中能源生產(chǎn)、轉(zhuǎn)換、存儲設(shè)備的可靠性模型，并基于此建立電-氣-熱耦合系統(tǒng)的可靠性評估體系，從而在規(guī)劃模型中加入可靠性約束或可靠性檢驗迭代子模塊。
4）天然氣穩(wěn)態(tài)氣流模型和熱力網(wǎng)的穩(wěn)態(tài)熱力-水力模型具有非凸非線性，使得電-氣-熱耦合系統(tǒng)的規(guī)劃模型是大規(guī)模的混合整數(shù)非線性規(guī)劃模型，具有較大求解難度。因而需要采用線性化、二階錐松弛等方法處理非凸約束，并設(shè)計合理的優(yōu)化算法求解大規(guī)模系統(tǒng)的優(yōu)化規(guī)劃問題。
5）能源價格會對規(guī)劃模型的結(jié)果造成重要影響，能源互聯(lián)網(wǎng)中不同系統(tǒng)、不同環(huán)節(jié)都存在多種多樣的參與者，各類參與者的不同市場參與方式和不同的決策，會造成能源生產(chǎn)、消費的不確定性。因而需要對能源價格因素進行合理建模、分析，以應(yīng)對不同能源價格造成的不確定性因素。
引文信息
別朝紅，王旭，胡源．能源互聯(lián)網(wǎng)規(guī)劃研究綜述及展望[J]．中國電機工程學(xué)報，2017，37（22）：6445-6462.
Bie Zhaohong, Wang Xu, Hu Yuan．Review and prospect of planning of energy internet[J]．Proceedings of the CSEE，2017，37（22）：6445-6462(in Chinese).
團隊介紹
西安交通大學(xué)能源互聯(lián)網(wǎng)研究團隊是由管曉宏院士、別朝紅教授領(lǐng)導(dǎo)，依托陜西省智能電網(wǎng)重點實驗室、教育部智能網(wǎng)絡(luò)與網(wǎng)絡(luò)安全重點實驗室，由電氣工程、系統(tǒng)工程、能源動力等多個學(xué)科教師共同組成的多學(xué)科交叉研究團隊。
研究團隊牽頭了2016年國家重點研發(fā)計劃“智能電網(wǎng)技術(shù)與裝備”重點專項“能源互聯(lián)網(wǎng)的規(guī)劃、運行與交易基礎(chǔ)理論”項目，別朝紅教授為項目負責(zé)人，西安交通大學(xué)為項目牽頭單位，清華大學(xué)、中國科學(xué)院數(shù)學(xué)與系統(tǒng)科學(xué)研究院、東北大學(xué)、香港大學(xué)深圳研究院、上海交通大學(xué)、中國電力科學(xué)研究院和國家電網(wǎng)公司西北分部為參與單位。該項目以能源互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)建模與仿真，能源互聯(lián)網(wǎng)協(xié)同規(guī)劃、市場設(shè)計與機制分析，多能源系統(tǒng)的隨機動態(tài)優(yōu)化調(diào)度、資源分配與競標等為研究內(nèi)容，旨在形成能源互聯(lián)網(wǎng)規(guī)劃、運行與交易的基礎(chǔ)理論，建立仿真平臺，精細模擬多種能源的生產(chǎn)、傳輸、存儲、轉(zhuǎn)換、消費，推進能源互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用。目前，項目進展順利，并在能源互聯(lián)網(wǎng)的信息物理融合系統(tǒng)的建模分析、系統(tǒng)規(guī)劃與交易機制設(shè)計和能源互聯(lián)網(wǎng)的協(xié)調(diào)規(guī)劃三個方面取得了階段性成果。
