浙江大学丁一、王盛：考虑多能互补和负荷不确定性的区域综合能源系统优化定容与资产利用效率分析
发布时间:2019-10-10
本文得到国家重点研发计划（2017YFB0903400）资助。
原文发表在《全球能源互联网》2019年第5期，欢迎品读。
作者：王盛，丁一
单位：浙江大学电气工程学院
研究背景
电、气、热等多种能源的耦合使得区域综合能源系统能够通过多能互补协同利用，提高运行的灵活性和经济性。通过投资能源供给和转换设备能够提升区域综合能源系统运行灵活性，但其与投资成本、设备利用情况之间通常是对立的。本文在充分考虑多能互补和负荷水平不确定性的前提下，对区域综合能源系统进行优化定容和资产利用效率分析。首先，本文基于能源集线器模型构建了区域综合能源系统的多能互补协调优化模型。考虑在长时间尺度内多能互补的执行及负荷不确定性对资产利用效率的影响，本文建立了区域综合能源系统的设备的双层鲁棒优化定容模型。接着，通过定义与量化多能互补策略所实现的收益，评估其资产利用效率。
文章导读
1. 建立了面向区域综合能源系统的双层鲁棒设备优化定容模型，使得规划过程能够同时考虑多能互补协调利用下的运行成本和规划成本，且规划结果能够有效抵制负荷不确定性。
2.量化了区域综合能源系统设备投资的成本-效益，提出了其资产利用效率的分析方法，及其在负荷不确定时的上下界，使得规划的风险与收益更加明确。
重点内容
随着世界范围内对低碳和可持续发展的关注，多种能源的协调优化运行，例如电力、天然气、冷、热等，成为一种新的提高运行效率的可能方式。通过近些年来大力发展的多能源供给与转换设备，例如电热联产机组（combined heat and power，CHP）等，配合完善的多能源配网和日渐健全的信息通信技术，多能互补协调优化运行的条件也日趋成熟。例如，在丹麦，CHP的发电量自2015年至2016年增长了13%，其消耗的化石能源中有25.84%为天然气。美国的GridWise和IntelliGrid，以及欧盟的SmartGrids，都曾组织示范项目，通过给用户提供多种能源选择的方式来提高能源系统的运行效率。
1 区域综合能源系统多能互补优化运行建模
● 典型配置
电热联产机组（combined heat and power plant, CHP）、燃气锅炉（gas boiler, GB）、电锅炉（electric boiler, EB）、热泵（electric heat pump, EHP）、吸收制冷机（absorption chiller, AB）。
⬆ 图1 一种基于能源集线器模型的区域综合能源系统典型配置
● 优化运行
区域综合能源系统在运行时段的目标为，在满足设备运行约束的前提下，通过多能互补的运行策略灵活协调各设备的运行状态，从而以最低的成本满足综合能源负荷的需求。
2 双层鲁棒设备优化定容模型及资产利用效率分析
✔ 采用箱型不确定集（Box uncertainty set）来描述负荷的不确定性。
✔ 鲁棒优化定容的目标为，确定各设备的投资容量，使得总成本最小。
✔ 通过column and constraint generation (C&CG)法求解该具有线性的目标函数和约束条件的双层鲁棒优化模型。
✔ 区域综合能源系统对设备投资带来的收益定义为在给定年限内所节约的运行成本，资产利用效率定义为该收益与设备投资成本的比值。
3 案例分析
该区域综合能源系统所包含的用户负荷如图2所示，负荷不确定性的上下限设置为10%。规划总时长为5年，负荷的年增长率为15%，资金年折现率为5%。各类设备的单位容量投资成本如表1所示。
⬆ 图2 该区域综合能源系统的典型日负荷
⬇ 表1 设备单位容量投资成本
● 定容结果分析
⬇ 表2 不同不确定性参数下的优化定容结果
✔ 负荷不确定性的存在的确对设备定容方案会产生影响，设备的容量需要增加以应对负荷可能的增长。
✔ 随着不确定性参数进一步增加，设备定容方案不再变化。
● 运行状况分析
⬆ 图3 不同不确定性水平下各设备的日运行状况
⬆ 图4 不同不确定性水平下典型设备的平均运行状况
✔ 各设备的日运行状况与日负荷趋势一致。当不确定性参数 从0增加到1时，EHP和AB的制冷功率增加；当不确定性参数从1增加到2时，配网的直接供电功率增加。
✔ 随着不确定性水平的增加，典型设备的平均运行功率增加。这也进一步验证了在规划时，我们需要更大的设备容量支撑该运行功率。
⬇ 表3 不同不确定性参数下的成本
✔ 尽管不确定性参数在1以后投资成本就不再增加，但是其运行成本仍在稳步上升。相较于运行成本，设备投资成本较小，约占总成本的0.67%。
● 资产利用效率分析
⬆ 图5 Γ=3时的资产利用效率敏感性分析
✔ 当假定的COPAC越高，则资产利用效率越低，对区域综合能源系统设备容量的投资的意义越低。
✔ 根据负荷不确定性进行最恶劣情况估计，当COPAC>4.12时，资产利用效率开始小于0，即，不建议进行区域综合能源系统的设备投资；
✔ 假定用户侧制冷/产热设备的能效比COPAC=3，经计算资产利用效率区间为[20.46, 25.21]。即，即使考虑负荷的不确定性，该资产利用效率始终维持在较高的水平。
本文引文信息
王盛，丁一. 考虑多能互补和负荷不确定性的区域综合能源系统优化定容与资产利用效率分析[J]. 全球能源互联网，2019，2(5)：426-432.
Wang Sheng, Ding Yi. Optimal sizing and asset utilization efficiency analysis of a distributed multi-energy system considering energy substitution and load uncertainty[J]. Journal of Global Energy Interconnection, 2019, 2(5): 426-432(in Chinese).
作者简介
丁 一
男，浙江大学电气工程学院教授、博士生导师
主要研究方向为智能电网可靠性分析及风险评估、电力市场。
E-mail: yiding@zju.edu.cn
王 盛
男，博士研究生
研究方向为综合能源系统的建模、运行与可靠性分析。
E-mail：wangsheng_zju@zju.edu.cn
研究团队
浙江大学成立于1897年，前身"求是书院"，是中国人最早自己创办的新式高等学府之一。是首批进入国家"211工程"和"985工程"建设的重点大学之一。在长期的办学过程中，浙江大学以严谨的求是学风培养了大批优秀人才，以执著的创新精神创造出了丰硕成果。
智能电网运行与优化实验室（SGOOL）于清华大学电机系（2009年）与浙江大学电气工程学院（2013年）分别成立。实验室自成立以来，致力于促进中国智能电网与可再生能源的发展，专注于电力系统优化运行与控制、智能电网、可再生能源、电力市场、能源互联网等研究领域，现已成为一支在国际上具有一定影响力的研究团队。丁老师团队目前已发表论文170余篇，其中SCI论文80余篇，已授权发明专利10余项。
编辑：李锡
审核：白恺
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