能源互联网的影响机制和场景模拟过渡

文摘

我们分析的方向从维度的清洁能源革命,电气化、情报,无处不在。在此基础上,我们强调电力能源网络的重要性和分析电网的发展所面临的挑战。然后,我们提出一个electricity-centered能量综合优化模型,建立基线场景和碳中性的情况下,实现系统的模拟能源互联网促进能源过渡的道路。结果表明,能源互联网加速清洁能源供应的过程中,有效促进能源过渡的发展,有助于实现碳中和的目标。仍有许多问题在开发互联网的能量。为了加快转变的能量系统和电力行业,有必要建立健全能源政策体系,鼓励清洁能源的消费和使用能源网络的建设来实现资源的优化配置。

1。介绍

能源是一种重要的生产力基础,支持经济增长和社会发展和经济快速增长往往伴随着严重的问题,如环境污染(1和资源短缺2]。21世纪以来,人们对环境的要求增加了(3],新一轮的能源革命的大规模开发利用新能源已经启动全球(4]。这一轮的能源革命有四个方向。第一个方向是干净的,也就是说,如果要的比例的增加能源在一次能源消费,低碳能源的发展趋势,而不是高碳能源,零排放和能源而不是低碳能源。第二个是实现电气化,这意味着清洁能源发电逐渐取代化石能源发电,电能在终端能源消费的比例增加,和电力的使用扩展。第三是情报,这意味着实现等一系列先进技术的应用数字技术,在能源和电力系统控制技术。第四个是无处不在,这意味着广泛的优化资源配置和multienergy cosupply,使电能分配的范围更广泛。在这个过程中,新技术的应用和开发新业务和新格式、网络互联的趋势之间的互利能源子系统,如电,加热,冷却,油,天然气,交通等等日益突出。“能源互联网”的概念逐渐浮出水面。

自2010年以来,能源互联网已经逐渐改变了从概念到实际行动。2011年,杰里米·里夫金,一位美国科技作家,出版“第三次工业革命”[5]。后来,他出版了专著“零边际成本社会”(6],它描述了能源网络系统中,每个人都可以成为一个“能源的潜在客户,”吸引了广泛的关注和研究能源互联网和已经开始升温。2015年,在联合国发展峰会上,中国国家主席习近平提议建立一个全球能源互联网和提升“中国行动”,以满足全球电力需求在干净和绿色,它收到了国际社会的积极回应。2018年,国家电网公司的中国在世界上率先提出建设能源互联网公司的企业战略目标等进行了一系列积极探索source-network-load-storage协作交互,智能能源服务(新能源云),建设和运营的“电网在线”新能源大数据的应用产业链的发展,智能车联网平台,等等。建设中国ʼ年代能源互联网已经进入了快速发展的新阶段。

2020年,中国提出的“碳中立和碳峰”在第75届联合国大会,二氧化碳排放的努力在2030年之前达到峰值,到2060年实现碳中和,并进一步阐明了,2030年的具体目标将注入强大动力过渡到清洁、低碳能源。加速升级电网的能源网络是中国ʼ年代能源过渡的一个重要方向来实现碳中和。一方面,能源互联网可以有效地满足大规模新能源电网连接,实现互连,高效配置,并综合利用各种能源,如电力,天然气,冷,热,和氢。另一方面,它可以实现源网络负载,协调和互动的存储和存储可以有效地支持各种新的用能设施的“即插即用”。同时,它可以生新能源业务和新业务模型和新模型促进绿色产业的发展,如能源效率服务,平台企业和数字经济,促进整个能源产业系统升级和演进。有三个主要挑战升级电网能源网络。首先是电力供需平衡的挑战。风能和太阳能间歇性的有明显特点,波动性、随机性,和antipeak监管。大规模和高比例接入电力系统后,它提出了一个挑战的平衡调整网格的能力。第二个挑战是保持系统安全稳定。 The “weak moment of inertia” of wind power and the “zero moment of inertia” of photovoltaics have led to a significant reduction in the equivalent moment of inertia of the power system and a decline in antidisturbance capability. Distributed energy, electric vehicles, and other “prosumers and consumers” are connected on a large scale, and the system operation characteristics have changed from a one-way flow mode of power flow from the grid to users to two-way interaction, and the complexity of system control has increased significantly. The third is to meet the challenge of upgrading service demand. With the advancement of energy technology and the penetration of Internet technology, user-side needs have become increasingly diversified, personalized, and interactive, which has brought a huge test to the service capability of the power grid. The design standards and operation modes of traditional power grids (mainly distribution networks) cannot meet the above requirements well.

我们分析面临的挑战从电网过渡到能源网络,构建一个electricity-centered能量综合优化模型,进行仿真分析的能量网络促进能源过渡,并提出相应的对策和建议。论文的创新是electricity-centered能量综合优化模型,并进行比较分析。它不仅能突出能源互联网能源过渡的作用,但它也可以识别当前的挑战和采取相应措施。本文具有重要意义的探索能源互联网的角色转变,发现不足并给出了相应的建议。

剩下的纸是组织如下。部分2简要回顾了相关文献的概念、技术和应用互联网的能量。electricity-centered能量综合优化模型中创建部分3。节4模型的基础上,我们进行的仿真分析能源互联网促进能源过渡。最后,给出了结论和建议部分5;与此同时,我们期待着未来的研究内容。

2。文献综述

能源互联网是能源和互联网的融合的产物,代表新能源系统的生产力,已成为国内外学者关注的焦点。杰里米·里夫金认为深度集成为特征的新能源技术和信息技术,新能源利用系统即将出现,可命名为能源网络。能源互联网是一个分布式、开放和共享的网络基于可再生能源(5,6]。“指导方针促进互联网的发展和智能能源”提出的中国ʼ年代国家发展和改革委员会,国家能源局,和工业和信息化部相信互联网+智能能源网络(能量)是一种新能源产业发展,深深地集成互联网和能源生产、传输、存储、消费和能源市场。智能化设备的主要特点,多功能协作、信息对称、分散的供应和需求,平面系统,打开的事务等等。全球能源并网发展和合作组织认为,全球能源互联网是基于特高压电网为骨干(频道)和由清洁能源的传播,这是一个强大的智能电网与全球互连和普遍性7]。周Xiaoxin认为能源互联网是一个网络化的物理系统,直接或间接地连接生产、传输、存储、和转换设备各种主要和次要的能源,以及他们的信息通信控制和保护装置8]。中国国家电网公司认为能源互联网是集中在电力、基于一个强大的智能电网,并深深集先进的信息和通信技术、控制技术,和先进的能源技术支持清洁能源和电力和低碳转型,优化综合能源利用效率,并连接多个主题灵活、方便。能源互联网是一个智能能源系统清洁、低碳、安全、可靠,无所不在地相互联系,有效地互动,以及智能开放功能。

有四个主要类别的能源网络的概念。第一类强调能源网络的结构的表达。这一认识是基于电网和使用互联网来形成一个新的能源网络的特点是骨干网络,局域网,和相关连接网络9,10]。第二类关注互联网信息的表达,也就是转换现有的能源系统的互联网思维。体现在自由的能量传输的开放互连的多个能源和开放对等访问(11]。第三类强调互联网技术和能源网络的深度结合,实现能量和信息之间的双向沟通(12]。最后一类强调综合传输和优化使用电,热,和化学能量。互联网使用先进能源存储技术等关键技术,新能源发电技术和电力电子技术等实现能源网络的紧密集成电网、气体电网,电网、加热和交通网络13- - - - - -17]。在整个能源互联网的许多概念,核心是相互联系的,如source-network-load-storage平衡,数字技术的广泛应用,信息通信技术和控制技术,用户端的参与,co-construction、共享、开放互连,等等。这充分表明,能源互联网实际上是能源技术的叠加的结果,数字技术和互联网思维。

能源互联网的深入研究,相关的应用技术也成为研究的焦点。分布式发电等多个技术、互联网技术、储能技术、智能技术已经广泛应用于实际工作14,17,18]。张小平和其他人认为,智能电网的关键因素转向虚拟发电厂的能源网络的发展和需求响应技术和虚拟电力系统的概念,提出基于全球电力能源互联网和分配电力能源互联网和比较和分析虚拟电力系统之间的异同和虚拟电厂(19]。咋他和其他人总结和分析了6能源互联网关键技术:先进能源存储技术,电子电力变压器技术,智能能源管理技术、智能故障管理技术,可靠和安全通信技术和系统规划分析技术。相关理论已经有意义的讨论(17]。阳坊和其他人讨论能源互联网的基本概念从能源系统价值的角度,认为信息系统的迅速发展引发能源系统方式的变化值(创建20.]。分析的基础上的研究现状国内外能源互联网项目,田世明等人总结的技术内涵、技术特点、技术元素,和技术形式的能源网络,提出了能源互联网关键技术研究(14]。

总之,尽管有能源互联网上丰富的研究内容,其中大部分集中在能量的概念框架和技术应用互联网和减少对能源互联网的能源转型的影响。能源需求的不断增长导致世界面临许多能源相关的挑战,包括能源可持续发展和全球变暖。这些挑战促进可再生能源的开发和利用(21]。新能源的优势,如被发现在庞大的外汇储备,清洁和可再生,大力发展新能源产业是一项重要的措施来促进能源过渡22]。尽管促进可再生能源的开发和利用是一种常见的趋势在不同国家和地区的能源政策23),互联网是基于未来能源系统的能量。影响下的多个目标的能源发展战略24- - - - - -27)、现实的约束,如成本、风险、资源约束(28),和不确定性29日,30.),能源网络的影响是不同的。因此,我们提出一个electricity-centered能量综合优化模型来模拟和分析互联网促进能源过渡的影响,探索互联网的能源转型。

3所示。Electricity-Centered能量综合优化模型

能源互联网覆盖多个能源系统,如煤炭、石油、天然气、电力和热能。我们建立一个electricity-centered能量综合优化模型,实现多能源的协调和互补的能源开发、传输、转换和综合利用,优化能源结构,促进能源的清洁和低碳转型的系统。我们全面的能源分配优化问题分解为两个模块,即能源系统规划和电力系统规划。这两个模块从上到下逐渐细化。模型的总体框架如图1。

能源系统规划模块可以模拟整个过程各种能源供应、加工、转换和终端的利用率。其中,能源供应领域涵盖煤炭、石油、天然气、电力、等行业,而终端能源利用领域涵盖交通、商业、和其他细分行业31日]。首先,各种行业的能源服务需求可以通过回归分析预测、趋势外推模型,和其他方法。影响因素是经济发展、产业结构、城市化率、人口等等。基于终端能源需求是通过优化终端能源消耗的技术。接着,随着能源供应的总成本最小化的目标,考虑到国家碳排放目标,各种如果能源的发展潜力,和各种能源的经济技术,各种能源资源最优分配给提供边界条件的发电能源消耗,二氧化碳排放,和电力需求计划模块。

电力规划模块详细描述了大规模的新能源发电的波动性通过多个典型场景。的约束下的总二氧化碳排放电力系统,电力能源消耗,和系统操作,不同的未来几年的电力供应情况进行优化,促进转型升级电网的能源网络。

3.1。能源系统规划模块

能源系统规划的优化目标是选择技术组合方案的最低总成本的能源供应,同时满足终端能源需求和各种约束(32,33]。我们有以下目标函数: 在哪里t代表的索引,T规划周期,r是折现率。代表一年的能源系统成本t,包括投资成本、运行和维护成本、碳排放成本和燃料成本的各种行业。年的能源系统的收入吗t,包括设备的残值。

能源系统规划主要考虑约束等能源供应和需求的平衡,技术能力,碳排放、能源消耗和技术利用小时。

3.1.1。限制能源供应和需求的平衡

在某一年,当地生产的煤,石油,天然气,和其他类型的能源产品+外国进口应该平衡消费,出口,以及库存的变化。

在公式(2), 和 代表技术组和能源产品的输出和输入c,是能量的输入或输出的产品c从技术米在今年t,和代表能量的导出和导入卷产品c在今年t分别为,库存变化的能源产品吗c在今年t。电和热的年度库存变化是设置为0。

3.1.2。技术能力约束

各种能源开采、加工、转换和终端利用技术需要满足以下公式:

在公式(3),累计装机容量的技术米在今年t,技术代表了新安装的能力米在今年t,技术退役的能力吗米年t。

对于一个给定的技术,比如新能源发电和CCUS(碳捕集、利用和存储)技术,介绍了以下约束指导发展水平: 在哪里代表技术的发展目标的能力米年t。

3.1.3。二氧化碳排放约束

据中国提出的二氧化碳排放在2030年达到顶峰,到2060年实现碳中和,约束国家ʼ年代中期和长期的二氧化碳排放水平定义和国家ʼ年代二氧化碳排放约束分解为各个部门获取每个行业的二氧化碳排放上限。

在公式(5),代表了二氧化碳排放的电力系统t,Nps代表一组nonpower等行业工业、商业、交通、居民,代表行业的二氧化碳排放x在今年t,代表了国家二氧化碳排放限制t。

3.1.4。能源消耗的约束

根据国家能源消耗控制政策限制,各个领域的能源消费总量是有限的。 在哪里代表了能源的消费产品c在电力系统中t,是能源消费的产品c在工业x年t,能源产品的消费上限吗c在今年t。

3.1.5。技术利用时间约束

为了确保技术经济,介绍了利用小时的限制。 在哪里代表科技的活动水平米年t,代表的平均可用性技术米年t,小时的技术代表了最低利用率米年t,表示之间的转换系数的技术能力和活动水平米。

3.2。电力规划模块

电力规划模块是基于能源系统规划的结果,考虑了各种约束的电力系统规划和运行阶段细化模型。为了考虑大规模新能源输出的波动和季节性差异地区,充分发挥各种能源的互补特征在时间和空间。基于新能源输出的历史数据在不同的地区,我们使用聚类算法(34)获得在每个地区典型的新能源发电场景和使用生产仿真描述电力系统工作特性在不同的场景中,系统电源成本最小化的目的。

电源规划优化目标如下:

在公式(8),代表了电力系统的投资成本t和代表了电力系统的运营成本t。(1)电力系统投资成本如下: 在公式(9),下标z代表了该地区,Z是区域的总数除以这个系统,p电源类型,包括水电、火电,和风能,Ω代表电源类型,表明权力的新装机容量p在该地区z年t,代表了投资成本单位供电的能力p,代表一组区域传播的渠道t,代表区域传输通道的新投资成本l年t。(2)系统运行费用如下:

在公式(10), , , ,和 ,分别代表固定运营成本,不同的运营成本、风险成本和碳排放成本的地区z年t。

系统的固定运营费用表示如下(35]:

在公式(11),是功率的单位容量固定运营成本p在该地区z年t,代表了固定运营成本的渠道l年t,显示累计装机容量的电力p在该地区z年t,代表累积传输通道的能力l年t,区域传输通道的长度吗l。

不同操作系统成本表示如下:

在公式(12),代表权力的利用时间p在该地区z年t,代表一年的天数t,下标年代和n代表新能源发电输出场景和时间段,分别年代是新能源输出的场景设置,N代表时间包含在每个场景的数量,显示场景的发生概率年代在该地区z年t,电源的输出是什么p的场景年代和时间n在该地区z年t, 燃料消耗每千瓦时的电力供应吗p在该地区z年t,代表了单位成本的燃料p在该地区z年t。考虑当地生产的影响和区域交通、平均燃料成本估计如下:

在公式(3), , ,和 ,分别代表了当地生产,国内转移,和外国进口的燃料p在该地区z年t; , ,和 ,分别代表了单位生产成本,国内转移单位成本,和外国进口单位成本的燃料p在该地区z年t。

系统风险成本表示如下: 在哪里代表了风能和太阳能的违约成本系数减少在该地区z年t和是风能和太阳能的数量缩减的区域z年t。

系统碳排放成本表示如下: 在哪里代表碳排放的成本每千瓦小时的电力供应p在该地区z年t。

我们主要考虑规划限制,发电能耗约束,系统操作约束和碳排放约束的电力系统规划。

3.2.1之上。规划的约束

在规划周期,每个地区的能源资源禀赋约束电源装机容量的上限,可以表示如下:

在公式(16),代表了电源装机容量的上限p在该地区z。

3.2.2。发电能耗约束

(1)约束对化石能源消耗如下:为了满足全国能源消费总量约束的总能耗发电煤和天然气等不得超过上限获得根据能源系统规划模块: 在公式(17),代表了上限的燃料p年t。(2)发电能量平衡约束如下(36]: 在公式(18), , ,和 ,分别代表了国内转移出体积,出口量,nonpower行业消耗的燃料p在该地区z年t和代表了初始库存的燃料p在该地区z年t。燃料在每个地区的进出口数量应满足以下公式: 在公式(19),和 ,分别代表全国进出口总额的燃料p年t获得的,这是根据能源系统规划模块。nonpower产业的油耗应该满足以下公式: 在公式(20.),代表了燃料消耗的上限在nonpower行业,这是根据能源系统规划模块获得。燃料转移和转移的总量在全国各个地区应该保持整体平衡。

3.2.3。系统操作的约束

(1)功率平衡约束条件如下: 在公式(22),代表的负载要求的场景年代期n在该地区z年t;和 ,分别代表了储能放电和充电的场景年代期n在该地区z年t,传输通道连接到区域的设置吗z,代表了传动功率的传输通道l的场景年代期n在该地区z年t并设置流入z正方向和流出z负方向。(2)储能充放电约束(37)如下: 在公式(23),代表累积装机容量储能的地区z年t,意味着0 - 1状态变量的存储;当它是1,这意味着存储在放电状态,当它是0,这意味着存储在充电的状态。和 ,分别代表储能充放电效率。代表的能量存储场景年代期n在该地区z年t。和 ,分别代表储存能量的上限和下限。(3)传动功率约束区域的传导渠道如下: 在公式(24),和分别是,上限和下限的传动功率区域传输通道。(4)单位产出约束如下。煤炭等传统的单位功率的输出,天然气,和核能在各个区域应该满足以下公式: 在公式(25),和 ,分别代表的下限和上限电源的输出p在该地区z年t。(5)新能源输出约束如下: 在公式(26),和 ,分别代表的理论输出风能和太阳能发电的场景年代期n在该地区z年t。(6)单位攀登率约束如下: 在公式(27),和 ,分别代表向上和向下攀爬的电源p。(7)其他约束描述如下:其他约束主要包括系统储备约束和缩短率约束。

3.2.4。二氧化碳排放约束

电力系统的总二氧化碳排放量每年不得超过上限获得根据能源系统规划模块为了实现国家的二氧化碳减排目标。

在公式(28),二氧化碳排放每千瓦时的电力供应吗p在该地区z年t。

能量综合优化模型构建是一个混合整数线性规划模型,可以解决与gam等成熟的优化软件。中长期能源转型发展道路可以优化通过改变碳排放约束的上限(方程(5))。

4所示。仿真分析

4.1。场景设计

为了探索可能的路径为能源互联网在未来推动中国ʼ年代能源过渡,基线场景和碳中性的场景设计考虑中长期经济发展和增长潜力,能源发展规划、碳排放约束等各种不确定因素。

基线场景。模型使用2017年为基准年和2060年为目标年。假设终端能效水平稳步上升,电力正在逐步取代终端煤炭,石油和其他化石能源,电气化水平稳步上升。在2030年,如果能源将占一次能源消费的25%以上,以及新能源的装机容量将会扩大。它将在2030年达到12亿千瓦,2060年超过30亿千瓦。

碳中性的场景。考虑能源转换和电气化的加速度过程,大幅增加终端能源效率,并进一步加速新能源的发展,各种碳减排技术如CCUS将开始大规模部署2030年之后。

4.2。仿真结果分析

4.2.1。准备一次能源消费

据计算,在基线情况下,2025年全国一次能源消费总量约57亿吨标准煤。在中长期,全国一次能源消费会增加,然后下降,预计在2030年达到顶峰,峰值约60亿吨标准煤(见图2)。

在碳中性的情况下,随着电气化水平和能源效率水平的大大提高了整个社会,一次能源消费总量的高峰时间是早于基线场景。峰值主要能源消费总量约58亿吨标准煤,约2亿吨低于基线场景。到2060年,全国一次能源消费总量将下降到约51亿吨标准煤(见图2)。

4.2.2。二氧化碳的排放

在碳中性的情况下,二氧化碳排放的能源消费预计将在2025年至2030年之间,峰值和峰值二氧化碳排放量约为104亿吨,6亿吨低于基线场景。据估计,到2060年,与各种碳减排技术的广泛应用,二氧化碳排放量将控制在3亿吨左右,这部分二氧化碳的吸收主要由森林碳汇、海洋碳汇、土壤碳汇,等等(见图3)。

电力系统是最重要的来源的二氧化碳排放。结果显示预测的模型,在碳中性的情况下,中国ʼ年代电力系统二氧化碳排放量将从2020年的38亿吨增加到2030年的44亿吨,约占总数的44%二氧化碳排放的能量系统。此后,煤电的比例的下降和各种碳减排技术的大规模应用,电力系统的二氧化碳排放量逐年下降(见图4)。

4.2.3。电力供应

在基线情况下,据估计,到2025年,2035年和2060年,全国电力装机容量将达到31亿,40亿,和54亿千瓦,分别。风力和太阳能发电装机容量将超过煤炭电力约2035,成为最大的电源(见图5)。煤电的比例预计将从2020年的49%下降到44%,31%,和2025年的11%,2035年和2060年,而风能和太阳能的比例将从2020年的24%上升到32%,42%,和61%,分别。

碳中性的场景下,据估计,到2025年,2035年到2060年,全国电力装机容量将达到32亿,45亿,和65亿千瓦,分别(见图5)。在这种情况下,煤电厂的峰值和退役进步将进一步加速。据估计,到2060年,煤炭电力的比例将降至6%左右,而风能和太阳能的比例将增加到70%。

生产典型场景的仿真结果表明,随着渗透率的增加新能源,风能和太阳能缩减的现象开始出现。以某地区在东部为例。基线场景下,2035年全年缩减率约为0.25%。在碳中性的情况下,作为一个更高比例的新能源被连接起来,风能和太阳能的数量缩减指数将会增加。一年一度的缩减率约为2.2%。有必要协调和配合各种措施如储能的发展,热功率的提高灵活性和需求侧响应应对大规模新能源带来的挑战。

5。结论

我们构造一个electricity-centered能量综合优化模型,进行仿真分析的能量网络提高能源转换通过设置不同的开发场景。研究结果表明,快速发展的能源转换和电气化进程和各种碳减排技术的广泛应用,主要能源消费总量低于基线场景和早高峰时间。的峰值和退役煤炭发电能力加速,和新能源的比例增加了。碳排放峰值与基线相比降低了场景。可以看出,能源互联网可以促进清洁能源代替化石能源,有效地提高整个社会的电气化水平,减少碳排放,促进能源过渡的发展。

能源互联网是第三次工业革命的一个重要支柱,在能源中扮演一个重要的角色转变。目前,能源网络的建设仍然面临着许多挑战,如化石能源消费的比例高,能源利用效率低。主要建议如下:(1)有必要做顶层设计的能量网络在能源过渡,建立健全能源政策制度,逐步提高电力市场。,重要的是建立一个全国性的电力辅助服务市场,建立合理的价格机制和有效的激励模型,并指导用户与清洁能源替代化石能源。这有利于控制化石能源消费从源和确保清洁能源有足够的发展空间。(2)能源互联网的建设可以有效地解决资源分配不合理的问题。中国不合理的能源分配由于地理环境和自然资源的分布不均。互联网可以充分利用能源分配跨时区和地区实现资源的优化配置。(3)等关键技术的研究和发展分布式发电、互联网技术、储能技术和智能技术应该积极开展促进能源的应用互联网技术在能源过渡。

能源互联网和能源过渡的发展是非常重要和紧迫。我们建立一个全面的能源优化模型和分析互联网在促进能源的角色转变。然而,仍有许多问题尚未解决。

互联网和能源转型实际交互。建设能源互联网促进能源转型的进一步发展。与此同时,能源转换为能源互联网也提供了发展机遇。在未来,互联网和能源之间的耦合机制过渡可以进一步研究。和发展的各种因素如何影响也进行了研究。

数据可用性

生成的数据集和分析在当前研究可从相应的作者以合理的要求。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

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