综合能源系统运行优化研究综述.pdf
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1、Modeling and Simulation 建模与仿真建模与仿真,2023,12(4),3716-3735 Published Online July 2023 in Hans.https:/www.hanspub.org/journal/mos https:/doi.org/10.12677/mos.2023.124341 文章引用文章引用:潘邦勇,刘敏,陈鑫瑞,蒙昌州.综合能源系统运行优化研究综述J.建模与仿真,2023,12(4):3716-3735.DOI:10.12677/mos.2023.124341 综合能源系统运行优化研究综述综合能源系统运行优化研究综述 潘邦勇潘邦勇,刘刘
2、 敏敏,陈鑫瑞陈鑫瑞,蒙昌州蒙昌州 贵州大学电气工程学院,贵州 贵阳 收稿日期:2023年6月6日;录用日期:2023年7月11日;发布日期:2023年7月18日 摘摘 要要 综合能源系统综合能源系统(integrated energy system,IES)对电、冷、热、气等多种形式的能源实施多层次利用,实对电、冷、热、气等多种形式的能源实施多层次利用,实现各类能源在提高可再生能源消纳率方面的差异互补。由于不同系统之间的紧密耦合和能量流动的复杂现各类能源在提高可再生能源消纳率方面的差异互补。由于不同系统之间的紧密耦合和能量流动的复杂变化,变化,IES在运行优化方面具有独特性。本文全面综述了在
3、运行优化方面具有独特性。本文全面综述了IES优化运行的研究现状。首先,介绍了优化运行的研究现状。首先,介绍了IES设备设备的数学模型和的数学模型和IES运行优化模式。其次,阐述了运行优化模式。其次,阐述了IES优化的求解方法及其特点。最后,对优化的求解方法及其特点。最后,对IES综合效益评价综合效益评价体系进行了详细阐释并对该领域的未来发展进行了展望,以期为今后的研究提供参考。体系进行了详细阐释并对该领域的未来发展进行了展望,以期为今后的研究提供参考。关键词关键词 综合能源系统,运行优化,求解方法,效益评价综合能源系统,运行优化,求解方法,效益评价 Review of Research on
4、Operation Optimization of Integrated Energy System Bangyong Pan,Min Liu,Xinrui Chen,Changzhou Meng School of Electrical Engineering,Guizhou University,Guiyang Guizhou Received:Jun.6th,2023;accepted:Jul.11th,2023;published:Jul.18th,2023 Abstract The integrated energy system(IES)implements multi-level
5、 utilization of various forms of energy such as electricity,cold,heat and gas,and realizes the complementarity of various energy sources in improving the consumption rate of renewable energy.Due to the tight coupling between dif-ferent systems and the complex changes of energy flow,IES is unique in
6、operation optimization.This paper comprehensively reviews the research status of IES optimal operation.Firstly,the ma-thematical model of IES equipment and the optimization mode of IES operation are introduced.潘邦勇 等 DOI:10.12677/mos.2023.124341 3717 建模与仿真 Secondly,the solution method and characteris
7、tics of IES optimization are expounded.Finally,the IES comprehensive benefit evaluation system is explained in detail and the future development of this field is prospected in order to provide reference for future research.Keywords Integrated Energy System,Operation Optimization,Solution Method,Bene
8、fit Evaluation Copyright 2023 by author(s)and Hans Publishers Inc.This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License(CC BY 4.0).http:/creativecommons.org/licenses/by/4.0/1.引言引言 能源领域的技术变革与创新贯穿人类社会发展史1。如何快速开发清洁能源,高效协调多种能源的利用,已成为世界能源领域的研究热点2。世界各国学者提出了多能源系统3、IES 4、能源互联网5等
9、相关概念,并讨论了电、气、热、冷等多种能源的协调互补机制和开发应用模式的结构形式6。随着化石能源过度消费和自然环境问题恶化,推进国家能源转型7,实现能源生产从“一煤独大”向清洁主导的转变。这将改变传统能源系统的能源结构、用能方式和市场模型。从能源利用的角度来看,多种类型的能源系统在不同的时间尺度上是相互联系和互补的,能量的储存和转移可以在多个时间尺度上进行8。因此,在 IES 的能量产生和利用过程中,IES 的运行优化是未来研究的主要方向。本文围绕IES 运行优化这一主题,梳理了 IES 设备单元的静态物理/经济模型,总结了 IES 的基本运行优化模式、IES 的求解方法种类及其特点和 IES
10、 效益评价方法。最后,基于 IES 发展存在的不足,提出了该领域的研究展望,以期为今后的研究提供参考。2.IES 设备模型设备模型 IES 涵盖供电、供热、制冷、供气等多种能源网络,以及相关的信息设备和管理系统。IES 设备复杂多样,不同设备构成的 IES 特性不同,其通用网络架构图如图 1 所示。目前对 IES 中的独立型和双重耦合型设备的数学静态建模已接近实际设备正常运行时的效果。然而随着越来越多不同种类的能源联合运行的快速发展,需要四重以上耦合型设备机组也越来越多,这将使得数学建模变得更加困难,耦合关系也变得更加复杂9,然而目前对其相关的建模未有之。IES 中独立型设备只生产、传输、存储
11、电能、热能、冷能和天然气10。其中相关设备的物理/经济模型见表 1 对应的参考文献。在研究和应用中,系统的耦合模型可分双重耦合设备单元和三重及以上耦合型设备机组。IES 中双重耦合型设备只限于不同的两种能源进行转化,主要有气转电、电转冷、热转冷、气转热、电转热和电转气等。三/四重耦合型设备机组也仅限气转电/热/冷,其相关设备的物理/经济模型见表 2 对应的参考文献。然而,目前对于气、电、冷、热、交通、水等网络彼此之间互联耦合的研究几乎没有触及。3.IES 运行优化模式运行优化模式 IES 的研究涉及多个方面,其中 IES 的建模和运行优化研究是比较重要的。IES 优化运行通常是在保证用户供能需
12、求的前提下,考虑 IES 运行成本最低为目标,以便实现能源供能的总成本最低,保证能源的高效利用,从而实现系统的经济运行。目前,对于电气联供 IES、电热联供 IES 以及电气热Open AccessOpen Access潘邦勇 等 DOI:10.12677/mos.2023.124341 3718 建模与仿真 联供 IES 等运行优化模式的研究已经很成熟。然而,对 IES 能源枢纽的研究甚少。本文主要对电气联供 IES、电热联供 IES 以及电气热联供 IES 进行简单介绍,重点在于介绍 IES 能源枢纽。Figure 1.ES network architecture diagram 图图
13、1.IES 网络架构图 Table 1.System resulting data of standard experiment 表表 1.标准试验系统结果数据 类别 设备 物理/经济模型参考文献 电力 设备 风力发电机 文献11 光伏 DG 文献6 12 13 输配电网络 文献14 储能电池 文献15 充电桩 文献16 超级电容器 文献17 热力 设备 热力管网 文献18 19 20 21 储热罐 文献15 换热器 文献22 余热回收装置 文献23 冷力 设备 冷力管网 文献24 储冷罐 文献25 潘邦勇 等 DOI:10.12677/mos.2023.124341 3719 建模与仿真 C
14、ontinued 天然气设备 天然气管网 文献26 27 28 储气罐 文献29 加气站 文献30 31 Table 2.Physical/economic model of coupled IES equipment and references 表表 2.IES 耦合型设备的物理/经济模型及参考文献 类型 设备 物理/经济模型参考文献 电转冷 电制冷机 文献32 33 冰蓄冷空调 文献34 35 36 气转热 烟气型溴化锂制冷机 文献37 燃气供热锅炉 文献17 38 电转热 热泵 文献39 40 41 电热锅炉 文献42 43 气转电 氢燃料电池 文献44 燃气轮机 文献45 液转电 柴
15、油发电机 文献46 热转冷 吸收式制冷机 文献32 47 电转气 P2G 机组 文献48 49 50 51 气转电/热 CHP 机组 文献52 53 54 气转冷/热/电 CCHP 机组 文献55 56 57 3.1.电电气互联气互联 IES 运行优化运行优化 电气互联 IES 将电力系统和天然气系统通过耦合元件结合到一起,充分将电能和天然气的不足彼此互补,从而提高了电力、天然气系统的稳定性,其通用模型架构如图 2 所示。Figure 2.IES model architecture of electricity-gas intercon-nection 图图 2.电气互联 IES 模型架构
16、潘邦勇 等 DOI:10.12677/mos.2023.124341 3720 建模与仿真 电气互联 IES 的运行机制,一般其目标函数是以系统运行成本和污染物排放最小,并考虑相关的技术约束,其公式表达式见表 3 对应的参考文献。Table 3.IES constraint expression of electrical-gas interconnection and references 表表 3.电气互联 IES 约束表达式及参考文献 类型 I 类型 II 参考文献 电力网络 节点功率平衡约束 文献58 59 60 节点相角约束 文献58 59 CHP 机组出力约束 文献58 59 火电
17、机组出力约束 文献58 59 P2G 机组出力约束 文献58 59 60 风电机组出力约束 文献60 天然气网络 管存平衡约束 文献58 59 60 加压站约束 文献58 59 60 储气罐容量约束 文献58 容量传输限制 文献59 节点气压约束 文献58 59 60 气源出力约束 文献58 59 60 节点流量平衡约束 文献58 59 60 文献61以运行成本与碳排放最小为目标函数和以配电/气网与耦合装置作为约束条件来求解考虑综合需求响应的电气综合能源系统低碳经济调度。文献62以机组成本与气井产气成本和以电力/天然气系统和耦合元件作为约束条件求解考虑精细模型的电气综合能源系统优化运行 3.2
18、.电电热互联热互联 IES 运行优化运行优化 电热互联 IES 耦合了电能和热能,调动了电力、热力系统的互动,其通用模型架构如图 3 所示。Figure 3.Electric-thermal interconnection IES model architecture 图图 3.电热互联 IES 模型架构 潘邦勇 等 DOI:10.12677/mos.2023.124341 3721 建模与仿真 电热互联 IES 的运行机制,一般其目标函数是系统运行成本最小,并考虑相关的技术约束,其公式表达式参考文献43。文献63以发电、弃风/光与储能成本为最小和以电/热平衡、运行设备与储能设备作为约束条件来
19、求解考虑风电消纳的电热综合能源系统优化运行。文献64以煤耗量最小为目标函数,且以电力/热力需求、机组利用率、设备运行和装机作为约束条件来求解电热综合能源系统框架下蒙西电网电源容量最优配比研究。3.3.电电气气热互联热互联 IESIES 运运行优化行优化 电气热互联 IES 耦合了电力、热力以及天然气而组成的一个大型系统,使得系统结构极其复杂,其通用模型架构如图 4 所示。Figure 4.IES model architecture of electricity-gas-heat interconnection 图图 4.电气热互联 IES 模型架构 电气热互联 IES 的运行机制,一般其目标
20、函数是以系统运行成本最小,并考虑相关的技术约束,具体约束条件表达式见表 4 对应的参考文献。Table 4.IES constraint expression of electricity-gas-heat interconnection and references 表表 4.电气热互联 IES 约束表达式及参考文献 类型 I 类型 II 类型 III 参考文献 系统运行约束 功率平衡 电功率平衡约束 文献65 66 67 68 热功率平衡约束 文献65 66 67 68 天然气功率平衡 文献65 66 67 68 系统备用 电功率备用约束 文献66 67 68 热功率备用约束 文献68 气
21、功率备用约束 文献68 潘邦勇 等 DOI:10.12677/mos.2023.124341 3722 建模与仿真 Continued 供能单元运行约束 风机 功率出力约束 文献66 67 68 弃风量约束 文献66 67 68 火电机组 电功率出力约束 文献66 67 68 爬坡功率约束 文献66 67 68 开停时间约束 文献68 燃煤锅炉 热功率出力约束 文献68 气井压缩机 气功率出力约束 文献68 CHP 机组 电功率出力约束 文献66 67 68 爬坡功率约束 文献66 67 68 蓄热电锅炉 转化效率约束 文献66 67 68 电功率出力约束 文献66 67 68 蓄热量上限约束
22、 文献66 67 68 P2G 机组 气功率出力约束 文献66 67 68 燃气锅炉 热功率出力约束 文献66 67 68 文献69以外系统购买的电、气能的费用为目标函数和以能源平衡、储能设备与机组作为约束条件求解计及用户行为的电气热互联 IES 日前经济调度。文献70以系统总运行成本最小为目标函数和以电/气/热网、耦合设备与 CCUS 装置作为约束条件求解考虑 CCUS 的电气热综合能源系统鲁棒优化调度。3.4.IES 能源枢纽运行优化能源枢纽运行优化 IES 能源枢纽是一个允许不同能量流输入和输出、相互转换和储存的单元。目前,应用于 IES 的能源枢纽模型一般只包含用于实现电、热、冷之间转
23、换的部件,其通用模型架构如图 5 所示。电热互联 IES 的运行机制,一般其目标函数是系统运行成本最小,并考虑相关的技术约束,其公式表达式参考文献43。文献63以发电、弃风/光与储能成本为最小和以电/热平衡、运行设备与储能设备作为约束条件来求解考虑风电消纳的电热综合能源系统优化运行。文献64以煤耗量最小为目标函数,且以电力/热力需求、机组利用率、设备运行和装机作为约束条件来求解电热综合能源系统框架下蒙西电网电源容量最优配比研究。文献71以运行费用最低为目标函数和以能量枢纽分配系数、电/热平衡、运行设备作为约束条件,对能量枢纽进行优化运行求解。文献72以安装、运行及可靠性惩罚成本之和最小为目标函
24、数和以电/热平衡、设备、储能、分配系数、负荷旋转备用和可靠性作为约束条件来求解计及可靠性的电气热能量枢纽配置与运行优化。能源枢纽运行优化问题的目标函数和约束条件通常可概括为如下表达方式。3.4.1.目标函数目标函数 能源枢纽总体趋向是主要以考虑日优化调度问题,合理安排各单元在每个时间间隔的处理,以能源枢纽购买电力pC和天然气的费用GC与污染物排放交易成本 F 之和最小为目标,其目标函数为。minGpCCCF=+(1)潘邦勇 等 DOI:10.12677/mos.2023.124341 3723 建模与仿真 Figure 5.Energy hub model architecture 图图 5.
25、能源枢纽模型架构 CCHPGBGTGBgasGttGtPHTC=+(2)()TouPGssPttttCPPT=(3)式中,G、Tout和s分别为购气价格、购电的分时电价和售电价格;PGtP为时刻 t 的购电功率;stP为时刻 t 的售电功率,其中售电只包括新能源生产的电力。3.4.2.约束条件约束条件(1)系统运行约束。系统运行约束表达式如下所示:PGPGmax0tPP (4)GTGBmaxgas0ttfff+(5)式中,PGmaxP和maxgasf分别为能源枢纽的购电、气容量上限。(2)电动汽车约束。电动汽车(electric vehicle,EV)约束表达式如下所示73:EVEVEV.mi
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