郭創(chuàng)新，丁筱

綜合能源系統(tǒng)優(yōu)化運(yùn)行研究現(xiàn)狀及展望

郭創(chuàng)新，丁筱

（浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院，浙江省 杭州市 310027）

為了充分消納清潔能源、提高能源利用效率，綜合能源系統(tǒng)的概念應(yīng)運(yùn)而生，相較于傳統(tǒng)的能源單級利用形式，綜合能源系統(tǒng)對電力、冷熱和天然氣等多種形式能源進(jìn)行多級利用，通過多能互補(bǔ)提高綜合能源利用效率。但是綜合能源系統(tǒng)由于系統(tǒng)間耦合緊密，能源流動變化復(fù)雜，在優(yōu)化運(yùn)行方面相較于傳統(tǒng)電網(wǎng)有較大差別。針對綜合能源系統(tǒng)優(yōu)化運(yùn)行問題的研究現(xiàn)狀進(jìn)行了全面整理，首先介紹了綜合能源系統(tǒng)的組成，對電力、熱力和天然氣的網(wǎng)絡(luò)潮流模型的研究現(xiàn)狀進(jìn)行了歸納分析；其次對優(yōu)化運(yùn)行方法進(jìn)行了分類總結(jié)，分析了現(xiàn)有方法的優(yōu)缺點(diǎn)和難點(diǎn)；最后進(jìn)行了展望，指明了綜合能源系統(tǒng)優(yōu)化運(yùn)行未來的研究方向。

綜合能源系統(tǒng)；電氣；電熱；優(yōu)化運(yùn)行；研究現(xiàn)狀

0 引言

國際能源署(international energy agency，IEA)發(fā)布的《世界能源展望2014》[1]報(bào)告對2040年的全球能源圖景進(jìn)行了展望：全球一次能源需求將增長37%，其中石油、天然氣、煤炭和可再生能源的占比將平分秋色，預(yù)測到2030年，天然氣將占到所有一次能源消耗的28%，到2050年將達(dá)到50%。以電力、天然氣、熱力等多種網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)閉環(huán)運(yùn)行為主要特征的能源互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，推動了分布式可再生能源的大規(guī)模利用，也使用戶更廣泛和深入地參與系統(tǒng)運(yùn)行成為可能，從而改變能源利用模式，推動經(jīng)濟(jì)與社會可持續(xù)發(fā)展。相比于煤炭發(fā)電，燃?xì)鈾C(jī)組具有發(fā)電效率高、環(huán)境友好度強(qiáng)及可快速啟停等優(yōu)點(diǎn)。隨著中國能源需求迅猛增長以及天然氣資源進(jìn)入大規(guī)模開發(fā)利用階段，燃?xì)鈾C(jī)組正進(jìn)入“大規(guī)模增長”階段。根據(jù)“十三五規(guī)劃”，全國燃?xì)廨啓C(jī)聯(lián)合循環(huán)機(jī)組裝機(jī)容量將在2020年達(dá)到5500萬kW，是2000年之前50年已建成同類機(jī)組裝機(jī)容量的25倍[2]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，從1980年到2018年，美國天然氣機(jī)組發(fā)電占比提升了64%。天然氣系統(tǒng)與電力系統(tǒng)類似，具有對應(yīng)的發(fā)輸配網(wǎng)絡(luò)，兩者之間可以通過耦合設(shè)備實(shí)現(xiàn)能量雙向傳遞，從而實(shí)現(xiàn)新能源的消納、靈活運(yùn)行。除此之外，為進(jìn)一步提高能源的利用率，對發(fā)電機(jī)組的余熱進(jìn)一步利用，即采用熱泵等電?熱設(shè)備進(jìn)行耦合運(yùn)行。電力系統(tǒng)與天然氣系統(tǒng)、熱力系統(tǒng)在生產(chǎn)、傳輸、分配、使用每個運(yùn)行環(huán)節(jié)都存在深度耦合，電網(wǎng)的運(yùn)行控制也依賴天然氣網(wǎng)絡(luò)和熱力網(wǎng)絡(luò)的配合。多種能源系統(tǒng)間的深度耦合構(gòu)成了現(xiàn)代綜合能源系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)能源的梯級利用和互補(bǔ)互濟(jì)。

綜合能源系統(tǒng)相較于傳統(tǒng)電網(wǎng)有較大差別，能量流動更加復(fù)雜，優(yōu)化運(yùn)行涉及更多的利益主體。當(dāng)前，電力系統(tǒng)與天然氣系統(tǒng)、熱力系統(tǒng)是相互獨(dú)立、高度自治的系統(tǒng)，運(yùn)行控制由各自的運(yùn)營機(jī)構(gòu)獨(dú)立執(zhí)行，傳統(tǒng)的集中式優(yōu)化策略未必適用。同時(shí)隨著負(fù)荷和網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜度增加，綜合能源系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行正面臨巨大挑戰(zhàn)，各種極端外部自然災(zāi)害給能源系統(tǒng)帶來了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。這類災(zāi)難發(fā)生的概率雖小，但發(fā)生后的損失卻可能極為巨大。所以，對于綜合能源系統(tǒng)優(yōu)化運(yùn)行的研究具有十分重要的價(jià)值。本文針對綜合能源系統(tǒng)的優(yōu)化運(yùn)行問題，對其研究現(xiàn)狀進(jìn)行了分析。首先介紹了綜合能源系統(tǒng)的組成和元件模型，對于關(guān)鍵元件、關(guān)鍵技術(shù)做了重點(diǎn)闡述；其次對運(yùn)行方法進(jìn)行了歸納，分析了現(xiàn)有方法的優(yōu)缺點(diǎn)和難點(diǎn)；最后對綜合能源系統(tǒng)的優(yōu)化運(yùn)行進(jìn)行了展望，指明了未來的研究方向。

1 綜合能源系統(tǒng)架構(gòu)與建模

1.1 綜合能源系統(tǒng)的架構(gòu)

綜合能源系統(tǒng)是指以先進(jìn)電力電子控制技術(shù)和高級通信采集技術(shù)為基礎(chǔ)，具有高靈活性、高韌性運(yùn)行特點(diǎn)，多種能源協(xié)調(diào)運(yùn)行的能源供給系統(tǒng)[3]。綜合能源系統(tǒng)具有3種結(jié)構(gòu)類型：跨區(qū)級綜合能源系統(tǒng)、區(qū)域級綜合能源系統(tǒng)和園區(qū)級綜合能源系統(tǒng)?？鐓^(qū)級綜合能源系統(tǒng)主要由輸電網(wǎng)、天然氣骨干網(wǎng)絡(luò)等遠(yuǎn)距離大容量設(shè)備組成。區(qū)域級綜合能源系統(tǒng)主要由中壓配電網(wǎng)、配氣網(wǎng)、配熱網(wǎng)組成，各網(wǎng)絡(luò)呈現(xiàn)輻射狀結(jié)構(gòu)。園區(qū)級綜合能源系統(tǒng)定位于小型范圍內(nèi)的用戶側(cè)能源管理，可以實(shí)現(xiàn)智能用電系統(tǒng)、分布式供熱供水、需求側(cè)管理等功能。本文選擇區(qū)域級綜合能源系統(tǒng)作為分析研究對象。圖1為一個基本的綜合能源系統(tǒng)，包括天然氣、電力、冷熱等能源的配送網(wǎng)絡(luò)以及負(fù)荷和能源轉(zhuǎn)化設(shè)備等。天然氣通過熱電聯(lián)合(combined heat-power，CHP)轉(zhuǎn)化成電力，其中余熱鍋爐通過燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電過程中產(chǎn)生的余熱提供熱力供應(yīng)。電力通過P2G (Power to Gas)設(shè)備轉(zhuǎn)化成天然氣供應(yīng)，同時(shí)通過熱泵轉(zhuǎn)化成熱供應(yīng)，或通過吸收式制冷機(jī)進(jìn)一步轉(zhuǎn)換為冷供應(yīng)。

圖1 綜合能源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

1.2 綜合能源系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)潮流分析

綜合能源系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)潮流分析是優(yōu)化運(yùn)行的基礎(chǔ)，目前主要的網(wǎng)絡(luò)潮流分析包括電力、天然氣和熱力3種形式。

1.2.1 電力網(wǎng)絡(luò)潮流模型

針對綜合能源系統(tǒng)中電力潮流的分析方法，大致分為2種：1）采用傳統(tǒng)的配電網(wǎng)交流潮流；2）更為簡單的輸電網(wǎng)直流潮流。具體采用哪種潮流根據(jù)具體情況而定：當(dāng)綜合能源系統(tǒng)的范圍在區(qū)域或園區(qū)級別時(shí)，一般采用配電網(wǎng)交流潮流，如圖2所示；當(dāng)范圍擴(kuò)大時(shí)，可采用對應(yīng)的輸電網(wǎng)直流潮流。

圖2 電力網(wǎng)絡(luò)潮流

文獻(xiàn)[4-5]采用配電網(wǎng)交流潮流方程對綜合能源系統(tǒng)中的電力網(wǎng)絡(luò)潮流進(jìn)行建模，具有如下的數(shù)學(xué)形式：

式中：P、Q分別為線路上的有功功率、無功功率；V、V分別為節(jié)點(diǎn)、電壓的幅值；G為線路參數(shù)電導(dǎo)；B為線路參數(shù)電納；為線路電壓相角。

文獻(xiàn)[6]從輸電網(wǎng)層面對電力網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行建模，采用了對應(yīng)的輸電網(wǎng)直流潮流方程，即不考慮電壓幅值約束。線路潮流和線路兩端的功角有如下關(guān)系：

式中：、為線路兩端的功角；x為線路電阻。

1.2.2 天然氣潮流模型

天然氣網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖3所示，包含天然氣源、管道和壓縮機(jī)等設(shè)備。天然氣潮流分析方法分為穩(wěn)態(tài)Weymouth潮流模型[7]和動態(tài)潮流模型[8]2種。穩(wěn)態(tài)潮流模型中的參數(shù)(如氣體流速、管道壓力)不隨時(shí)間變化。而動態(tài)潮流模型中的參數(shù)隨時(shí)間變化，具有如下的數(shù)學(xué)形式：

式中：pm,t、pm,t-1分別為t、t?1時(shí)刻管道的氣壓；gmn,t為管道(m,n)的正向流量；gnm,t為管道(m,n)的負(fù)向流量。

若不考慮節(jié)點(diǎn)氣壓的動態(tài)變化特性，式(4)等號的左側(cè)為0，即為穩(wěn)態(tài)潮流方程。雖然穩(wěn)態(tài)潮流模型相對簡單易解，但是對天然氣網(wǎng)絡(luò)的動態(tài)特性未加以考慮，故存在計(jì)算誤差。

1.2.3 熱力網(wǎng)絡(luò)潮流模型

熱力網(wǎng)絡(luò)與電力網(wǎng)絡(luò)建模類似，包含熱源、熱網(wǎng)以及熱負(fù)荷。其中熱力網(wǎng)絡(luò)又包含供水網(wǎng)絡(luò)和回水網(wǎng)絡(luò)。一個熱力網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)如圖4所示。熱力網(wǎng)絡(luò)的潮流模型包含水力模型和熱力模型2部分。文獻(xiàn)[9]提出了一種簡單的熱力網(wǎng)絡(luò)建模方法，但是計(jì)算精度不高，難以得到具體應(yīng)用。文獻(xiàn)[10]提出了相對精準(zhǔn)完備的電?熱聯(lián)合分析模型，但是由于計(jì)算量較大，難以滿足優(yōu)化分析實(shí)時(shí)性的要求?，F(xiàn)有的熱力網(wǎng)絡(luò)潮流分析大多參照電力網(wǎng)絡(luò)潮流分析的方法，建立流量平衡方程、溫度平衡方程，在計(jì)算中未考慮節(jié)點(diǎn)回水溫度的差異和混合回水溫度的影響。文獻(xiàn)[11]雖然考慮了不同管道情況下回水溫度的差異，但是需要對矩陣進(jìn)行求解分析，計(jì)算量較大。文獻(xiàn)[12]參照配電網(wǎng)輻射狀運(yùn)行的特點(diǎn)，采用前推回代法對熱力網(wǎng)的潮流進(jìn)行了求解，同時(shí)計(jì)及回水管道熱損失對回水管道溫度進(jìn)行了修正。

圖4 熱力網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

1.3 綜合能源系統(tǒng)的耦合設(shè)備建模分析

綜合能源系統(tǒng)中耦合設(shè)備眾多，主要涉及電力?天然氣耦合組件、電力?熱力耦合組件兩大類。具體而言，CHP機(jī)組和P2G設(shè)備實(shí)現(xiàn)了電?氣的雙向轉(zhuǎn)換。而CHP機(jī)組、熱泵、電鍋爐等技術(shù)則可實(shí)現(xiàn)電轉(zhuǎn)熱，而CHP機(jī)組中余熱鍋爐的利用有助于進(jìn)一步提高能源利用率，是主要的電熱耦合形式，所以本文選取余熱鍋爐進(jìn)行重點(diǎn)分析。

1.3.1 CHP機(jī)組

1）燃?xì)廨啓C(jī)。

燃?xì)廨啓C(jī)結(jié)構(gòu)如圖5所示，燃?xì)廨啓C(jī)是綜合能源系統(tǒng)中的核心部件，其實(shí)現(xiàn)了將天然氣轉(zhuǎn)化為電?熱的功能。在建模方法上主要分為2類，文獻(xiàn)[13]直接用一次函數(shù)表示發(fā)電量gas與天然氣消耗量gas的關(guān)系：

式中,,是常數(shù)，由實(shí)驗(yàn)曲線得到。雖然此模型相對于一次函數(shù)的線性模型精準(zhǔn)度更高，但是由于其引入了二次項(xiàng)，會在計(jì)算求解上增加難度。

圖5 燃?xì)廨啓C(jī)結(jié)構(gòu)圖

2）余熱鍋爐。

1.3.2 P2G設(shè)備

電解水流程如圖6所示，P2G可以和燃?xì)廨啓C(jī)聯(lián)合運(yùn)行，從而實(shí)現(xiàn)電?氣能量的雙向流動。P2G是將水進(jìn)行電解從而生成氫氣和甲烷的設(shè)備，包括2個化學(xué)過程：1）電解水反應(yīng)生成氫氣；2）氫氣與二氧化碳合成甲烷。

圖6 電解水流程示意圖

P2G產(chǎn)生的氫氣和甲烷都可以直接注入天然氣網(wǎng)絡(luò)或者存儲設(shè)備進(jìn)行利用。其能量轉(zhuǎn)換效率可達(dá)75%~85%?，F(xiàn)有的電解制氫方法主要有2種：堿性電解水制氫和聚合物電解質(zhì)電解水制 氫[17]。電轉(zhuǎn)天然氣是在電轉(zhuǎn)氫的基礎(chǔ)上，在催化劑的作用下將電解水生成的氫氣與二氧化碳反應(yīng)生成甲烷和水，這個過程稱為甲烷化過程，這個過程能量轉(zhuǎn)換效率為75%~80%[18]。甲烷化過程中所需的二氧化碳主要來自環(huán)境空氣或者火電廠煙氣產(chǎn)生的生物氣體。通過上述2個階段化學(xué)反應(yīng)，電轉(zhuǎn)天然氣綜合效率在45%~60%[18]。目前來看，P2G裝置的主要作用為消納新能源，將價(jià)格低廉但波動性較強(qiáng)的綠色能源轉(zhuǎn)換為可儲存的氣體形式，在負(fù)荷高峰時(shí)再轉(zhuǎn)換為電力。P2G裝置作用類似于電力系統(tǒng)中傳統(tǒng)的儲能設(shè)備，由前文綜述可知，目前的P2G轉(zhuǎn)化裝置效率較低，經(jīng)歷過多次轉(zhuǎn)換后能量損失較大。但是P2G裝置能夠?qū)崿F(xiàn)快速響應(yīng)，可以直接將電力轉(zhuǎn)化為氫氣或者甲烷注入到天然氣網(wǎng)絡(luò)中供給本地負(fù)荷，避免了儲氫、運(yùn)氫等復(fù)雜且危險(xiǎn)的技術(shù)環(huán)節(jié)，具有廣闊的應(yīng)用前景。

2 綜合能源系統(tǒng)的優(yōu)化運(yùn)行方法

2.1 綜合能源系統(tǒng)的多時(shí)段優(yōu)化控制

從時(shí)間尺度來說，綜合能源系統(tǒng)的優(yōu)化調(diào)度方法研究經(jīng)歷了從單一時(shí)段優(yōu)化到日前?日內(nèi)優(yōu)化再到滾動優(yōu)化的階段。文獻(xiàn)[19]建立了考慮多種成本的區(qū)域綜合能源系統(tǒng)調(diào)度成本模型，并利用混沌粒子群算法加以求解。文獻(xiàn)[20]綜合考慮了電熱聯(lián)合系統(tǒng)中分布式能源的時(shí)序特征，得出了調(diào)度時(shí)段內(nèi)各可控分布式電源的最優(yōu)出力以及運(yùn)行成本。文獻(xiàn)[21]分析了儲熱消納風(fēng)電的基本機(jī)制，在調(diào)度模型中增加了儲熱運(yùn)行約束。以上文獻(xiàn)都是考慮日前單一時(shí)段的優(yōu)化調(diào)度，在實(shí)際運(yùn)行中可能會與實(shí)際情況發(fā)生偏差，造成違反運(yùn)行約束的情況。所以在日前調(diào)度的基礎(chǔ)上，往往需要日內(nèi)調(diào)度等多時(shí)間尺度調(diào)度的配合。文獻(xiàn)[22]基于模型預(yù)測控制(model predictive control，MPC)的方法，建立了多時(shí)間尺度冷熱電協(xié)同優(yōu)化模型，通過日前?日內(nèi)調(diào)度來控制運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性，通過實(shí)時(shí)調(diào)度來消除可再生能源出力波動性的問題。文獻(xiàn)[23]為了利用熱電聯(lián)合系統(tǒng)消納風(fēng)電，建立了基于日前、滾動和實(shí)時(shí)3個時(shí)間尺度的調(diào)度模型，并改進(jìn)了粒子群算法，通過參數(shù)自調(diào)節(jié)加速了算法的求解速度。

多時(shí)段的優(yōu)化控制具有較好的控制準(zhǔn)確性，但是會造成計(jì)算量增加，難以滿足實(shí)時(shí)性的要求。尤其是在實(shí)時(shí)滾動階段，對算法的時(shí)間復(fù)雜度提出了很高要求。若能對特定場景下的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行針對性優(yōu)化，從而提高算法效率以達(dá)到實(shí)時(shí)性的要求，則多時(shí)段的優(yōu)化控制能得到更好的應(yīng)用。

2.2 綜合能源系統(tǒng)的分布式優(yōu)化控制

面向具有多個平級運(yùn)營商的多能源系統(tǒng)，可采用分布式算法實(shí)現(xiàn)各系統(tǒng)間的協(xié)同運(yùn)行，提升調(diào)度的自治性和靈活性。文獻(xiàn)[24]采用增廣拉格朗日松弛算法，將聯(lián)合優(yōu)化模型分解為電力系統(tǒng)機(jī)組組合子問題和天然氣網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行子問題，電力運(yùn)營商和天然氣運(yùn)營商通過交換對偶乘子信息以滿足耦合約束；文獻(xiàn)[25]采用交叉乘子迭代算法，解耦電、氣能量流以實(shí)現(xiàn)協(xié)同控制，并分析了串行分解方式和并行分解方式的差異性。文獻(xiàn)[26]總結(jié)了近年來能源互補(bǔ)集成的研究成果，對多能系統(tǒng)規(guī)劃、智能調(diào)控、協(xié)同控制等關(guān)鍵技術(shù)和挑戰(zhàn)進(jìn)行了歸納。盡管綜合能源系統(tǒng)協(xié)同運(yùn)行方法已有初步研究，但對綜合能源系統(tǒng)的刻畫還很基礎(chǔ)，在建模中既未考慮天然氣潮流的動態(tài)特性，也未考慮能源轉(zhuǎn)換設(shè)備(如電轉(zhuǎn)氣裝置)和需求響應(yīng)策略。

2.3 綜合能源系統(tǒng)的不確定性優(yōu)化控制

綜合能源系統(tǒng)中包含大量的不確定性因素，包括可再生能源出力的不確定性、負(fù)荷預(yù)測誤差以及量測信息誤差。面對這些不確定性的挑戰(zhàn)，現(xiàn)有的綜合能源系統(tǒng)優(yōu)化運(yùn)行研究中一般采用隨機(jī)優(yōu)化[27]、魯棒優(yōu)化[28]、區(qū)間優(yōu)化[29]3種方法。文獻(xiàn)[30]基于區(qū)間法和可能度的方法，對風(fēng)電不確定性進(jìn)行了描述，同時(shí)考慮了電氣轉(zhuǎn)化，得出的結(jié)論能輔助調(diào)度員對不確定性進(jìn)行處理。文獻(xiàn)[31]在采用k-means聚類方法對歷史聚類的基礎(chǔ)上，利用上下界區(qū)間描述了負(fù)荷的不確定性，通過將魯棒優(yōu)化模型轉(zhuǎn)換為混合整數(shù)凸優(yōu)化問題進(jìn)行求解。文獻(xiàn)[32]結(jié)合魯棒優(yōu)化和隨機(jī)優(yōu)化，針對電轉(zhuǎn)氣設(shè)備進(jìn)行了精細(xì)化建模，得出的調(diào)度結(jié)果能兼顧系統(tǒng)的調(diào)度成本和可靠性。

隨機(jī)優(yōu)化基于預(yù)先假設(shè)的概率分布將不確定性優(yōu)化轉(zhuǎn)化為多個確定性優(yōu)化問題進(jìn)行求解，然而在實(shí)際中隨機(jī)變量的概率分布往往難以準(zhǔn)確刻畫。魯棒優(yōu)化和區(qū)間優(yōu)化則是假設(shè)隨機(jī)變量的變化區(qū)間，通過求取最惡劣場景下的最優(yōu)結(jié)果實(shí)現(xiàn)最優(yōu)控制，但是得到的結(jié)果往往會過于保守。

2.4 綜合能源系統(tǒng)優(yōu)化問題的求解方法

綜合能源系統(tǒng)復(fù)雜的結(jié)構(gòu)和多種能源的相互耦合使優(yōu)化問題的求解困難。求解方法主要有啟發(fā)式算法和數(shù)學(xué)規(guī)劃方法2類：啟發(fā)式算法求解速度快，但得不到最優(yōu)解；數(shù)學(xué)規(guī)劃方法精準(zhǔn)，但是求解難度較高。目前較多研究通過啟發(fā)式算法對綜合能源系統(tǒng)的優(yōu)化問題進(jìn)行求解，如文獻(xiàn)[33]采用模擬退火法對熱電耦合綜合能源系統(tǒng)的優(yōu)化調(diào)度問題進(jìn)行求解。文獻(xiàn)[34]則結(jié)合凸優(yōu)化的最新進(jìn)展，采用凸松弛的手段對多目標(biāo)綜合能源系統(tǒng)的優(yōu)化調(diào)度進(jìn)行求解，在保證求解質(zhì)量的同時(shí)，加快了算法求解速度。文獻(xiàn)[35]則結(jié)合了半不定量法和內(nèi)點(diǎn)法對電?氣互聯(lián)綜合能源系統(tǒng)的最優(yōu)潮流進(jìn)行求解。

3 綜合能源系統(tǒng)研究方向展望

3.1 綜合能源系統(tǒng)建模理論

計(jì)及復(fù)雜約束的綜合能源系統(tǒng)建模理論的研究剛剛起步，還有大量問題值得深入研究，如：如何對各能源的產(chǎn)生、傳輸、轉(zhuǎn)化、儲存和消費(fèi)等環(huán)節(jié)進(jìn)行統(tǒng)籌協(xié)調(diào)，建立含終端能源樞紐和外部能源供應(yīng)網(wǎng)架的綜合能源系統(tǒng)模型；如何基于凸優(yōu)化技術(shù)，對原復(fù)雜非線性的氣網(wǎng)模型進(jìn)行嚴(yán)格凸化松弛，構(gòu)建考慮氣網(wǎng)穩(wěn)態(tài)、動態(tài)特性的綜合能源系統(tǒng)綜合模型。

3.2 綜合能源系統(tǒng)優(yōu)化方法

在綜合能源系統(tǒng)的優(yōu)化運(yùn)行方面，依然有以下問題值得深入研究：1）如何考慮動態(tài)多能流和多類系統(tǒng)要素，基于分布式算法實(shí)現(xiàn)各能源網(wǎng)絡(luò)的分散協(xié)同控制；2）如何面向分區(qū)扁平化的多區(qū)互聯(lián)能源系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)各區(qū)域系統(tǒng)間的自治協(xié)調(diào)控制；3）如何精細(xì)刻畫需求響應(yīng)對綜合能源系統(tǒng)運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性的提升，發(fā)揮用戶主觀能動性以促進(jìn)能源的梯級利用。

3.3 綜合能源系統(tǒng)的風(fēng)險(xiǎn)調(diào)度

風(fēng)險(xiǎn)調(diào)度旨在降低高危場景風(fēng)險(xiǎn)水平，保障電力系統(tǒng)的安全可靠運(yùn)行。目前，國際上對綜合能源系統(tǒng)的風(fēng)險(xiǎn)評估和風(fēng)險(xiǎn)調(diào)度理論方法研究仍處于起步階段，相關(guān)的研究領(lǐng)域還有以下工作值得開展：1）如何綜合考慮電力?天然氣?熱網(wǎng)能量流的損失，對綜合能源系統(tǒng)進(jìn)行整體的風(fēng)險(xiǎn)分析，構(gòu)建合理的風(fēng)險(xiǎn)評估指標(biāo)；2）如何面對多重不確定性因素，制定魯棒的綜合能源系統(tǒng)日前風(fēng)險(xiǎn)調(diào)度策略，提升風(fēng)險(xiǎn)預(yù)控手段的安全性；3）如何制定快速有效的事后校正策略，降低高危風(fēng)險(xiǎn)場景的運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)。

4 結(jié)論

綜合能源系統(tǒng)能提高能源利用效率和可再生能源的消納能力，但是其高度耦合的特性給綜合能源系統(tǒng)的調(diào)度運(yùn)行帶來了困難。結(jié)合國內(nèi)外最新的研究進(jìn)展，介紹了綜合能源系統(tǒng)的基本組成，分析了電力、天然氣、熱力網(wǎng)絡(luò)潮流的建模方法，分類總結(jié)了考慮不同因素的優(yōu)化運(yùn)行方法，分析了現(xiàn)有方法的優(yōu)缺點(diǎn)和難點(diǎn)。最后指出了未來綜合能源系統(tǒng)研究可從建模理論、優(yōu)化方法和風(fēng)險(xiǎn)調(diào)度等方面開展工作。

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Research Status and Prospect of Optimal Operation of Integrated Energy System

GUO Chuangxin, DING Xiao

(College of Electrical Engineering, Zhejiang University, Hangzhou 310027, Zhejiang Province, China)

In order to fully consume clean energy and improve energy efficiency, the concept of integrated energy system was put foward. Compared with the traditional single-stage energy utilization, integrated energy system makes multi-level use of various forms of energy such as power, heat and cold and natural gas, and achieves the improvement of integrated energy utilization efficiency through multi-energy complementarity. However, due to the close coupling between the systems and the complex changes of energy flow, the integrated energy system is quite different from the traditional power grid in terms of optimal operation. The research status of optimal operation of integrated energy system was comprehensively sorted out. Firstly, the composition of integrated energy system was introduced. The research status of power, heat and natural gas network power flow models was summarized and analyzed. Secondly, the optimal operation methods were classified and summarized, and the advantages, disadvantages and difficulties of existing methods were analyzed. Finally, the future research direction of the integrated energy system was pointed out.

integrated energy system; electricity-gas; electricity-heat; optimal operation; research status

10.12096/j.2096-4528.pgt.19132

TK01+9

2019-09-10。

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51877190)。

Project Supported by National Natural Science Foundation of China (51877190).

郭創(chuàng)新(1969)，男，博士，教授，博士生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)橹悄苷{(diào)度及風(fēng)險(xiǎn)調(diào)度、智能信息處理技術(shù)及其在電力系統(tǒng)應(yīng)用的研究，guochuangxin@zju.edu.cn；

郭創(chuàng)新

丁筱(1997)，女，碩士研究生，研究方向?yàn)榫C合能源系統(tǒng)優(yōu)化與運(yùn)行，本文通信作者，401051634@qq.com。

丁筱

(責(zé)任編輯 尚彩娟)