目前,能源结构的转型正处于关键阶段,和新兴可再生能源技术和multienergy设备被广泛使用。如何提高能源效率的综合能源系统(IES)和促进可再生能源的大规模吸收具有重要意义在未来应用程序形式的能源。新的互联网技术和传感器技术的发展提供了强有力的技术支持的优化调度和协调控制。近年来,前辈们正在经历前所未有的变化,它吸引了来自学术界和工业界的极大关注。在这篇文章中,最优控制和操作行为的理论进行了综述。首先,近年来的研究现状进行了总结。然后,不同设备的建模方法,详细分析了。最优操作的用户、地区和跨区域,作为典型研究对象和优化问题的研究现状和操作模式,能源管理规划和电力市场分配进行了总结和分析。最后,关键科学问题及相关前沿技术在前辈们总结道,和未来的研究方向进行了展望。
环境污染的过程中,能量转换和传输和能源可持续发展的要求的要求人类寻求多样化的供应和有效地使用绿色能源。很难维护人类社会的长远发展,由于指数增长的能源消耗,不可再生能源的储量不足。发展可再生能源,如太阳能、风能、水力发电、地热能源、和生物质能源,使能源的可持续利用 尽管可再生能源技术发展迅速,电力系统的最重要的问题是确保可靠和安全的操作。由于固有的周期性波动的可再生能源,直接连接到电力系统将会影响电网的电压和频率 互联网作为能源的一个重要组成部分和主要载体的社会能量,IES集成电力、天然气、冷热系统,而非单一能源系统在传统能源供应形式,这是一种有效的方法解决能源效率低的问题和各种类型的能量的耦合 电、气、热、和其他能源互补IES实现分时利用能源,提高可再生能源消费的范围,改善社会基础设施的利用率和能源供应的灵活性 许多详细的研究理论进行了在不同的国家,包括各种场景建模和规划、优化操作、安全评估和稳态分析。本文主要回顾了相关技术的优化运行和控制的。部分
,各种能源的输入和输出电力,冷热能源,以满足不同用户的能源需求。存在的电力和天然气分布系统,供热和供水管道,和其他相关能源供应网络,形成耦合系统。天然气和电力分配系统之间的耦合和各种能源的互补导致能源组合的复杂性和能源利用的多样性。根据地理区域的大小和能量特征,理论可以分为三种类型:公园(建筑)水平,城市水平,跨区域的水平( 前辈们建筑水平主要考虑多个能量的协调和互补的建筑物或者用户,并以需求响应,预测负荷的需求,电动汽车,和云计算的核心技术。有一个深耦合能量之间的关系网络( 基于能量管理和控制平台,前辈们在公园(建筑)水平涵盖了很多可控资源,如冷、热、电、天然气、和水,以实现多种能源互补。基于多个决策者之间的互动、区域和跨区域IES研究分布式和集中式的运作效率和经济成本决策者(联合调度中心)。同时,最优功率流问题multienergy流传输的过程中应该考虑以确保安全稳定传输的能量。电力系统、天然气系统和热力系统是由不同的利益相关者。有必要分析经济分布在不同的利益相关者,专注于游戏理论和其他相关理论,以提高multienergy流之间的耦合关系。
能源互联网产品的深度集成传统能源系统和互联网思维。在书中“第三次工业革命”,杰里米·里夫金,一位著名的美国学者,首先提出远景能源互联网,相信第三次工业革命与能源互联网为核心将颠覆传统能源的使用 IES一直得到广泛的研究和发展基于不同国家的能源战略需求。2007年,美国成立IES进入能源领域,促进了建设和理论通过额外资金,统一的能源生产,和销售供应商;2013年,国家可再生能源实验室建立了“能源系统集成研究小组”(
理论的发展需要等相关技术领域的支持可再生能源发电,能源存储、电力电子,新传播,multienergy流系统的稳定性分析和控制,以及人工智能。 可再生能源发电引发了能源革命,导致了大规模的新兴生态产业的发展,为理论的推广和应用奠定了基础。能量储存的发展,蓄热,冷藏和氢气存储在可再生能源的吸收起着重要的作用。电力电子技术的发展提高了安全性和可控性的能量传输和分配,和促进能源互连。multienergy流系统的功率流计算的基础multienergy流系统的研究和相关的控制技术研究的前提。面对不确定性,能源系统的随机性和复杂性,人工智能技术的新一代需要开展大量的研究工作等领域全面感知、可靠传输和智能处理的数据信息,机器学习算法,人工智能电力和能源应用的平台。
IES由电力系统、天然气系统和热力系统,这些系统建模的基本物理设备在本节中,其中包括设备在生产过程中,传输,存储,和消费的各种能源,如电、热、冷和天然气。的基本物理结构如图 传统的理论主要包括光伏发电设备,输电和配电网络,储能电池,和电动汽车的核心组件。 光伏发电是直接使用半导体材料的光生伏打效应将太阳能转化为电能。光伏发电系统建设周期短,安装灵活,和广泛的应用场景和人类生活环境不会造成干扰。光伏发电的数学模型通常是如下所示( 光伏阵列的输出功率<我n行-formula>
风力发电的转换是通过风力发电机风的动能转化为电能。风能是成正比的立方风速和风力发电输出的数学模型如下( 电力传输和分销网络模型通常是表达的( 储能电池的典型模型表示为( 充电桩的典型模型表示为( 为核心的电热耦合设备,燃气轮机将天然气转化为电能和复苏余热加热和制冷。燃气轮机的数学模型如下( 热泵系统主要由热交换器、压缩机、节流装置、热贮水箱和温度采集装置,它可以将低品位热能转化为高品位热能通过使用少量的电。典型的热泵如下( 主要的电力系统和天然气系统之间耦合部分燃气轮机和P2G electro-gas实现双向耦合的系统。 P2G设备主要由电解水设备,甲烷化反应装置、加压装置( 目前,主要有三个电解技术,碱性电解,电解质子交换膜(PEM),固体氧化物电解。碱性电解技术是成熟的,但是它的效率很低。高温电解有严格的环保要求,需要与高温工作环境和压力,所以高成本高。目前,PEM技术吸引了广泛关注,因为它的灵活性,更好的机械强度和化学稳定性 PEM电解模型是: 甲烷生成的氢P2G发送到反应堆。反应堆的运行效率受到合成气的组成、氢的比例、工作温度和压力( 电冰箱是一个典型的electro-cooling联结装置;电热锅炉是一个典型的电热耦合装置;燃气锅炉是一个典型的gas-thermal联结装置;和吸附冰箱是一个典型的thermal-cold耦合装置。 燃气轮机的加热不足时,燃气锅炉补充加热。燃气锅炉的数学模型表示为( 在哪里<我n行-formula>
的主要耦合器thermal-cooling系统是吸附冰箱、电动冷却系统的主要耦合器是电冰箱,和主要的电耦合器系统电锅炉。这些建模中可以找到的细节( Geidl和安德森从苏黎世联邦理工学院首先提出了能源中心,代表不同的能源基础设施或负载之间的接口( 能源中心代表能量的输入和输出,连接的一个能量耦合矩阵如下( 在哪里<我n行-formula>
能源中心的优点如下:(1)高度抽象的能量传输,转换,和调度过程,只有相关能源的输入和输出,并具有良好的实用性和可伸缩性。(2)它简化了复杂问题,并提供了一种新的思维方式对联合行动和调度的优化跨地区和市级IES,市场交易机制,利益分配等问题。 缺点:(1)它不能描述系统的动态行为,并只考虑能量的静态分析。(2)当耦合矩阵是奇异的,该模型不能解决。(3)随着各种储能技术的发展,可再生能源技术,需求响应,和P2G技术,能源中心的扩张是必需的。
目前,根据地理区域的大小和能量特征,优化运行的研究对象,分为三个类别:公园,地区和区域。区域理论主要是针对某一区域,这可以是一个城市或一个地区的一部分;跨区域理论主要是指多个城市或区域。 Park-level理论主要是针对工业园区和大型建筑的能源管理。核心研究内容是能量等价和优化配置。互补的形式和最优协调方法的探索,实现灵活的调度“source-network-load”的整个过程。 优化问题的区域和跨区域理论主要关注能源互动分析混合优化的功率流为核心,探索在多个理论之间的协调和优化。优化结果为大规模的优化提供理论指导和事务操作的。 理论的研究与优化运行在公园,地区和区域将在以下部分复审。 在park-level IES,只有一个理论产生、传输和分配能量在一个特定区域。不符点的优化调度问题通常是表示如下: 在哪里<我n行-formula>
一个不符点的优化目标可以概括如下: 大多数理论的优化目标是最小化系统的运营总成本或最大化社会福利( 区域和跨区域IES,多个IES相连的电力传输网络,天然气传输网络和热传输网络。理论主要是一个问题的整体最优调度的最优混合动力multienergy流动。 适当互连可以减少消费和一代,储备能力和充分利用发电设备,这是一个方法,可以使能源设备在任何地区最有效的。将会有各种形式的理论之间的能量交换( 的基础上的最优混合动力流,IES在区域和跨区域层面的问题是计算最优混合动力系统的功率流,从而揭示多个IES的运行机制,优化运行提供理论指导和能源调度理论的区域和跨区域的水平。此外,最优混合动力流计算一般选择系统操作经济优化目标,及其约束能量流方程约束的,能源生产和消费的限制,能量转换和存储设备的限制,同时考虑multienergy耦合设备的能源约束的( 的基本优化模型如下所示: 在哪里<我n行-formula>
优化研究的限制,除了传统电力系统的独立单元,天然气系统和热力系统( 理论的一个重要组成部分,电热耦合系统连接电力系统和热力系统通过耦合元素如CHP单位和电锅炉实现之间的转换电能和热能。然而,有电力输出和热输出之间的相互限制在电热装置,在某些情况下会影响电力系统的峰值调节和吸收能力的风力发电,所以一些研究介绍了热泵和蓄热设备增加电热耦合系统的灵活性。 Park-level IES主要考虑热电联产机组的优化调度。好等。 共和人民党和燃气热电冷联产研究成熟。动力循环相结合,有效地将低品位热能转化为有机郎肯循环(兽人)已成为一个热点研究课题。在[ 研究考虑热网络的特点和温度变化的传热介质,和热泵和蓄热系统的连接也引起了广泛的关注。王等人。 一些研究关注需求响应技术。用户的能源消费行为受到需求反应技术( 合作的电力系统和热力系统优化操作可以打破“电力热”的传统模式,提高能源利用水平。相关研究已经证明了大规模热存储系统可以有效地提高系统的柔性调度能力。然而,新材料蓄热器或相变蓄热器等需要进一步研究[ 电力系统之间的耦合关系和天然气系统主要由P2G设备和燃气轮机。对于电力系统来说,P2G设备负载,和天然气系统,它可以用作气体源的传输。电力系统之间的耦合和天然气系统可以使这两个系统相互支持,提高系统的灵活性( 克莱格和Mancarella [ 造成损失和EI-Taweel 以电力、气体和热量由电力系统、热力系统、和天然气系统与各种耦合CHP等单位,燃气轮机和燃气锅炉。能源中心是multienergy的耦合的关键。最优操作和功率流与能源中心为核心吸引了广泛关注。 multienergy中心的协调优化目标一般都是最优的经济系统,优化整体经济的或者至少碳排放。钟等。 李等人。 功率流计算multienergy流理论是确定每个子系统的功率流分布,这是一个探索耦合特性和优化调度的重要前提。 功率流计算multienergy IES表示为追随者流: 在哪里<我n行-formula>
气体分配制度主要包括两个部分:节点和分支。节点分为pressure-known节点和flow-known节点( 不符点的稳态模型主要包括交流电力系统的功率流模型,天然气管道模型与压缩机和热力系统的稳态模型。 与传统电力系统的功率流模型,经典的交流功率流模型通常用于补贴。节点的功率方程表示如下: 热网络组成的液压模型和热模型。广义基尔霍夫定律应该满足在每个节点,即注入流应该等于输出流( 热力学模型是用来计算的加热和再生温度加热网络节点。加热设备将能量转换成热能通过天然气和其他燃料,通过热网络和传输能量。每个热负荷节点的热功率和节点温度表示如下: 空气流过管道的两端压力取决于管道和表达如下: 目前,牛顿迭代法主要用于解决问题,可分为统一解决方案法和溶液分解法( 在哪里<我n行-formula>
的对角元素<我n行-formula>
分解方法,也称为顺序解决方案方法,解决了功率流方程与天然气系统分开。在当前的功率流程序中,天然气的耦合节点系统和热力系统由PV节点或PQ节点。当解决天然气系统或热力学系统,节点耦合与其他系统相当于源节点或负载节点。 解决multienergy流的混合动力流问题,首先建立了相应的耦合模型,并采用不同的解决方法根据不同的应用场景。在[ 针对electro-gas耦合系统的研究现状,主要有以下困难。 首先,原始系统的变换的基础上,现有的电力系统设备或天然气系统,和选择方案的正确性和经济考虑耦合关系需要进一步分析。因为现有的制度建设是很难想出了一套可扩展的和适用的扩张计划,很容易有问题,如大型投资和小收入。其次,electro-gas multienergy流动耦合的分析和计算系统仍处于研究的初级阶段,缺乏快速、准确、实用的方法。 因为电力系统和天然气系统是由不同的主题,是否有利益冲突和如何分配利益需要研究了博弈论和其他方法。它还有问题不同的科目是否会根据计划实施方案。此外,氢气或甲烷产生的多余电力的价格或通过P2G技术和可再生能源在电力系统是否允许氢气或甲烷直接转化为气体传输和分配管道天然气的主体仍然需要相关研究和调查。 天然气供应的可靠性和电力系统供应仍需进一步研究。单一的天然气供应的可靠性主要受管道和天然气存储容量能力。电力系统的可靠性主要由发电系统的可靠性,传输系统,配电系统,发电厂/变电站的主要电气连接。 一般来说,前辈们的操作需要考虑系统的动态特性,如管道传输的延迟,设备的非线性转换效率,和功率流约束非线性规划问题(
本文首先描述了基本结构和正式的综合能源系统的特点,并介绍了相关技术。本文系统地总结了multienergy耦合理论,经济分析,操作优化和最优控制操作,关注目前学术界和产业界关注的问题。物理设备建模的方法,建模、能源中心multienergy流计算,经济分析,耦合关系,和multienergy流最优解,并分析了从用户级三个层次,分别地方一级,和跨区域的水平。 考虑到综合能源系统能源革命中扮演了重要的角色,这还需要进一步的研究来实现大规模的吸收可再生能源和能源的有效利用。热门的研究问题包括: 的通用建模理论是分析和研究的基础理论。虽然理论系统的相关物理模型表示在前面的部分中,由于缺少深入研究控制规则和优化新设备在实际应用场景的特点,探索具有重要意义的通用建模理论综合的能源资源。如何体现multienergy系统的动态特性和如何构建适应性广的仿真平台仍需进一步研究。
作者宣称没有利益冲突有关的出版。
这项工作是由中国国家自然科学基金支持下批准号。51807179,51777193,51967001。