【SCI搶鮮】清華大學 王毅,張寧,康重慶等:多能源系統中能量樞紐的標準化建模

電力系統自動化編輯部2018-01-05 10:04:33

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今天帶給大家的是清華大學智慧能源實驗室團隊的研究成果,該文已被IEEE Transaction on Smart Grid錄用並在線發表,歡迎品讀。

文章相關信息

Wang Y, Zhang N, Kang C, et al. Standardized Matrix Modeling of Multiple Energy Systems [J]. IEEE Transactions on Smart Grid, 2017, in press. DOI: 10.1109/TSG.2017.2737662



多能源系統中的標準化建模

DOI: 10.1109/TSG.2017.2737662

王毅,張寧,康重慶,等



多能源系統是指冷、熱、電、氣等多種能源系統在能源生產、傳輸、使用等環節耦合而形成的一種新的能源系統觀。多能源系統充分利用不同形式能源的互濟與互補,提高系統經濟性,提升系統靈活性,增加系統可靠性,挖掘系統互補性。目前對多能源系統的研究主要集中在優化規劃和運行等方面。


電力系統計算機標準化建模是電力系統自動化的重要基礎,同樣地,多能源系統計算機標準化建模是未來多能源系統自動化的重要基礎。能量樞紐是多能源系統的重要組成部分。本文提出了一種能量樞紐標準化建模方法,對能量樞紐元件、拓撲關係進行抽象,構建相應的矩陣,進而為多能源系統靈活性分析、優化運行和優化規劃提供新的視角。


1
基於能量樞紐的多能源系統建模


能量樞紐是對多能源系統的抽象:認為多能源系統是一個多種形式能源輸入Vin,多能能源輸出Vout的雙端口網絡,中間的環節由耦合矩陣C表示:

Vin=CVout


圖1所示是一個由熱電聯產機組和吸收式製冷劑構成的冷熱電三聯供多能源系統。其能源輸入和輸出向量分別為:

圖1  冷熱電三聯供多能源系統


其耦合矩陣為(主要有調度因子和能量轉換效率構成):

能量樞紐由兩部分構成:①能量轉換元件(如CHP機組);②元件的拓撲連接關係,如圖2所示,本文試圖利用圖論中的一些基本概念,對能量樞紐中的元件和拓撲關係進行定義:

圖2  基於圖論的能量樞紐中基本要素的定義


2
若干關鍵矩陣定義


在支路、節點、端口等基本定義的基礎上,我們可以進一步定義端口-支路關聯矢量(矩陣)用以描述能量轉換器件之間的拓撲鏈接關係:


端口-支路關聯矢量Mg,k(port-branch incidence vector)用來表示第g個節點的第k個端口與所有支路的連接關係,若支路連接到輸入端口為1,連接到輸出端口為-1,沒有連接則為0。第g個節點所有端口的關聯矢量構成端口-支路關聯矩陣Ag

還可以定義能量轉換特性矩陣Hg(converter characteristic matrix)用以描述不同類型能量轉換設備本身的轉換特性,不同轉換元件對應不同的矩陣,具體見全文。


進一步定義能量轉換矩陣Zg(Energy Conversion Matrices)用以描述某一能量轉換設備的能量轉換方程:

Zg=HgAg


所有元件的能量轉換矩陣Zg可以構成系統的能量轉換矩陣Z

從而可以推導出能量樞紐的能量轉換方程(類似於電力系統中的KCL):

ZV=0 


再定義輸入關聯矩陣X和輸出關聯矩陣Y用以描述能量樞紐輸入輸出對應的支路,進而得到最終的綜合能量流方程:

以圖1所示冷熱電三聯供系統為例,其綜合能量流方程為:


對於綜合能量流方程,可以進行高斯消元的到VinVout的關係:

在高斯消元過程中需要對矩陣的秩進行分析,從而可以定義多能源系統的靈活性,具體的矩陣定義和相關推導參見原文。


3
面向和儲能元件的拓展


綜合需求響應是在需求側的虛擬能量轉換,可以等效為一個具有一定特性的能量轉換元件:


圖3  綜合需求響應等效


儲能出了充放能行為外,還包括state of charge(SOC)的變化,不滿足能量轉換方程(類似於電力系統中的KCL),需要引入虛擬支路。

圖4  含儲能的多能源系統


4
算例分析


圖5所示為一個有CHP機組,吸收式製冷機,儲熱,氣熱鍋爐,電熱鍋爐構成的冷熱電三聯供多能源系統。


圖5  三聯供多能源系統


可以得到相應的綜合能量流方程:

進一步的,構建能量樞紐的優化運行模型,需要強調的是,僅考慮能量轉換關係情況下,本文提出的標準化建模給出的是一個線性優化問題,而傳統的能量樞紐因為引入調度因子,而使模型變成非線性。設置了四組算例:


#1:考慮儲熱和綜合需求響應

#2:不考慮儲熱

#3:不考慮綜合需求響應

#4:不考慮儲熱和綜合需求響應


下表給出了四組算例下,本文提出方法和傳統能量樞紐建模方法的結果:

可以看出系統增加儲熱裝置和實施綜合需求響應的經濟性以及本文所提建模方法的優越性。


5
未來展望


本文主要是對局部多能源系統(能量樞紐)的規範化建模,沒有充分考慮電網、氣網和熱網等能量傳輸網絡的非線性,如何將這些網絡納入標準化建模中去,如何處理其帶來的非線性性是未來研究的方向。



主要作者及團隊介紹

王毅,清華大學博士研究生,主要研究方向:電力大數據、能源互聯網、負荷預測等。


張寧,清華大學講師,主要研究方向:新能源、電力系統規劃及運行、多能源系統。


康重慶,清華大學電機系教授、黨委書記;IEEE Fellow,IET Fellow, 中國電機工程學會高級會員。國家傑出青年科學基金獲得者,國家“萬人計劃”科技創新領軍人才。主持國家自然科學基金9項,其中3項被評為優秀結題項目。2016年作為項目負責人獲批國家重點研發計劃“高比例可再生能源併網的電力系統規劃與運行基礎理論”1項。擔任國際SCI期刊International Transactions on Electrical Energy Systems共同主編,擔任IEEE Transactions on Power Systems、EPSR等多家國際雜誌編委;擔任Journal of Modern Power Systems and Clean Energy (MPCE)等多家國內期刊編委。專著3部,論文350餘篇,其中SCI收錄90餘篇(含IEEE Transactions文章40餘篇)。獲得2016年第44屆日內瓦國際發明展金獎1項、銀獎1項;2014年獲國家級教學成果二等獎(第1完成人)。


清華大學智慧能源實驗室(Energy Intelligence Laboratory, EILAB)目前主要從事電力系統規劃、調度運行、智能電網、電力市場、負荷預測、新能源、低碳電力和綜合能源系統等領域的研究工作。近5年團隊發表或錄用SCI論文70餘篇,其中50餘篇發表在IEEE Transactions上,近5年EI論文140餘篇。所研發的負荷預測軟件在我國200餘家地市電網得到推廣應用,發電計劃與檢修計劃軟件在全國10餘個省級調度中心應用,電力系統運行模擬軟件在全國10餘個省級經研院或規劃中心應用。


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