多區域交直流混合綜合能源系統內外優化調度

[關鍵詞]多區域；交直流混合；綜合能源系統；內外優化調度

引言

多區域交直流混合綜合能源系統[ HIES）的優化調度，是解決能源供應多樣化和能效提高問題的關鍵技術之一。通過有效整合風能、太陽能、化石燃料等多種能源形式，多區域HIES可以實現交流（AC）與直流（DC）間的高效轉換與輸送，從而提高系統的能源利用效率，增強電網的靈活性和穩定性。此外，實現跨區域能源的互聯互通，對促進區域內能源平衡、提高系統抗風險能力等方面具有重要意義。

一、一種新的內協調外調度的優化方案

本研究提出了一種創新的綜合能源系統（IES）優化方案，該方案充分結合了內部協調控制和外部統一調度兩大核心策略。針對IES內部能量流動的特點，該方案能夠利用內部協調控制手段，對冷、熱、電、氣等多元化能源的耦合與轉換進行精細化規劃，并對交直流配置進行深度優化。同時，該優化方案通過采用外部統一調度策略，能夠將IES視為一個整體的能源聚合體，從宏觀角度確保能量流動的連續性。此外，通過優化與主網的接入及互聯方式，可進一步提高IES與外部能源系統的協同效率，實現能源資源的優化配置和高效利用。

（一）綜合能源轉化與耦合優化

在現代綜合能源系統（IES）中，電能因具備廣泛應用性、清潔性和便捷性，在能源轉換中占據核心地位。為了充分利用這些能源特性，本文提出了一套綜合能源轉化與耦合優化方案。該方案依托于一個創新的多能源網絡聯合優化模型，旨在通過高效配置不同種類的能源，充分滿足各種能源需求。

一般來說，借助能量樞紐模型，可闡述能量的相互連接與轉換關系。能量樞紐模型根植于2005年ETH Zurich在IEEE電力與能源會議上提出的能源樞紐理念，旨在構建一個全面高效的能源轉換與利用體系。常見的能源轉換設備包括但不限于燃氣輪機（CGT）、余熱回收裝置（WHRU）、電鍋爐（EB）以及備用制熱機組（CHG）等。這些設備各具特色，能夠在不同場景下發揮關鍵作用，實現能源的高效轉換與多元化利用。

為實現降溫目標，能量樞紐模型中引入了多種設備，包括電動壓縮制冷機（CEC）、水循環吸收式冷氣機（WARG）以及氣體循環吸收式冷媒機（GAC）。這些設備能通過不同的工作原理和技術路徑，共同構建一個高效可靠的降溫系統，滿足不同場合的降溫需求。

（二）交直流混合優化

在多區域交直流混合綜合能源系統（IES）中，相較于傳統變壓器，電力電子變壓器（PET）作為實現交直流轉換的核心設備，展現出了顯著的優勢，具有體積小、重量輕、環保無污染、高可靠性及穩定輸出等特性。

PET設備配備交直流連接端口，能夠有效實現電壓變換、電氣隔離，以及交直流系統間的能量流動。利用其強大的功率調節能力，PET能夠精準控制交直流網絡間的功率交互，確保主網、直流及交流系統之間的功率轉換高效順暢。此外，對PET端口能量的協調管理，可以進一步提高電能消納效率，優化能源利用率。

在制定交直流混合優化策略時，優化方案致力于減少AC-DC換流過程中的能量損耗。當直流側的光伏電池發電量不足以滿足負荷需求時，系統可優先利用蓄電池進行放電補充；若蓄電池的能量釋放仍無法滿足功率需求，系統可從交流側調動額外功率進行補償；當交流側發電量超出需求時，系統可通過PET將多余功率轉換至直流側，以供其他負荷使用或儲存，從而實現能源的高效利用。

（三）市場化運行

在當今的能源體系中，綜合能源系統（IES）通過整合各類能源子系統，形成了一個多功能的能源網絡。IES不僅能夠作為發電廠提供穩定的電力輸出，還能像用戶一樣從電網中購電，這種多元化的特性能使得IES在電力市場中具有獨特的優勢。IES能夠參與的電力市場種類繁多，包括日前市場、實時市場、輔助服務市場等，這些市場的運作機制能為IES提供多種交易模式和競價策略。

在電力市場中，IES可通過電網進行天然氣和電力的買賣。在售電時，IES將內部產生的能源輸送至大電網，此時，IES充當發電企業的角色；在購電時，IES則作為電力消費者，從大電網中獲取所需能源。此外，IES在發電量較低時，會優先考慮內部的能量消納，只有在滿足市場準入規則后，其才能參與更廣闊的能量市場交易。然而，由于IES的規模相對較小，其對市場價格的影響力有限。

電力市場涵蓋多種交易形式，如中長期合同、臨近日交易和即時現貨市場。其中，長期合同穩定購電能夠減少價格波動風險；臨近日交易可以基于預測提前一天安排交易量；現貨市場能夠提供調整實時誤差的高靈活性。研究指出，結合長期和現貨市場，采用短周期調度和多周期優化策略，可降低可再生能源的市場和電網風險。

此外，IES在需求響應方面也扮演著重要角色。其既可以為電網提供調頻、備用等輔助服務，又可以通過激勵機制和價格機制，引導用戶進行負荷轉移、峰荷削減等活動，以實現電力平衡。其中，價格基礎需求響應（Price-basedDemand Response，PBDR）可以通過動態調整峰谷電價，促使用戶自主調整負荷曲線，從而平滑負荷變化，降低系統運行風險；激勵基礎需求響應（Incentive-based DemandResponse，IBDR）則可以通過簽訂合約，對用戶在調度中調整的負荷進行補償，進一步優化IES的運行調度。

運行IES不僅要關注電力市場，還要積極參與碳排放量交易。通過合法的碳排放量交易機制，IES可以買賣碳排放配額。同時，IES可以通過新能源發電設備減少碳排放，獲得碳排放配額，當配額有剩余時，可以出售配額，以獲取經濟利益；當配額不足時，則需購買額外的配額。由此可見，碳交易價格的制定，對于系統碳排放量和總成本具有顯著影響。對此，引入獎懲結合的碳交易機制，可以更精確地控制IES的碳排放，平衡環保性和經濟性。

除了碳排放量交易，IES還參與綠色證書交易。綠色證書是對可再生能源發電量的認證，源自可再生能源配額指標。IES中新能源發電的比例可以轉化為綠色證書，當綠色證書超過配額時，IES可以出售證書以獲得利潤；若證書不足，則需要面臨罰款。通過這種方式，綠色證書交易可進一步促進可再生能源的使用，從而提高整個能源系統的綠色化水平。

（四）主網接入優化

主網接入優化是提高系統效率和可靠性的關鍵環節。IES通過靈活切換并網模式，可實現與主網的協調調度，包括孤島模式和并網模式。在孤島運行狀態下，IES可自給自足，無需主網輸電支持；同時，在該模式下，IES發電設備能夠滿足全部負載，從而提高系統的可靠性，大幅降低輸電成本。研究表明，這種運行狀態通常占IES運行時間的28%。而在并網狀態，IES與主網相連，能夠參與電力市場或提供輔助服務，并依據輸電成本和線路容量來決定輸電方案。此時，柴油機組暫停發電，僅為備用，可再生能源設備持續運行，占總運行時間的70%。

在故障狀態下，IES可分擔電網故障帶來的影響，并通過轉移負載，減少停電面積和社會沖擊。若IES本身發生故障，需在關鍵節點部署充足的柴油發電機，并預設2%的應對措施。此外，IES的模式切換．需遵循切換系統原則，滿足主電網接入點的電壓和頻率標準。

（五）區域互聯優化

通過連接各園區的IES，可實現區域間的能源互聯與功能互補，推動經濟發展和產業升級。其中，IES按照不同功能需求，被劃分為居住、工作、商業和工業區域，這些區域在社會角色、建筑特點、土地使用和地理位置上各有特色。而區域間的互聯能夠優化能源調度，解決能源與負荷分布的不均衡問題，通過協同互聯，各功能區的能源利用效率和可再生能源的吸收率得以顯著提高。為解決微電網與外部功率交換的聯絡線限制，需要引入機會約束規劃方法。同時虛擬協調器可以解耦微電網與主電網的連接，提高區域互聯的效率和穩定性。

二、多區域劃分及供用能特性分析

在多區域交流與直流混合的綜合性能源系統中，優化調度的重要環節在于對各區域能源供應與需求特性的深入分析和科學劃分。該系統能通過充分挖掘不同功能區在能源供應和需求方面的互補優勢，有效應對可再生能源利用難題、峰谷電力時段合理分配、設備使用效率低下以及經濟效益不佳等多重挑戰。

本研究依據國土資源部規定及城市土地使用分類準則，并結合綜合能源園區的實際情況，將園區劃分為居住、辦公、商業及工業四大功能區。受經濟狀況、政策導向、氣候條件、建筑特色及人口結構等多重因素影響，各功能區在能源供給方面展現出顯著的差異性，如主要供能時段、供電、供暖和供冷形式等。各功能區在能源使用特性上的差異，則體現在負荷率、最大負荷使用時長、日負荷峰谷差異、負荷密度及負荷類型等多個方面。其中，工業區因其生產特性，表現出高負荷密度及長時間使用的顯著特點；而居民區因居民日?；顒拥囊幝尚裕宫F出與其他區域錯峰的用能特點，從而提高了整個園區的能源利用率及新能源消納率。

在典型日的冷、熱、電負荷分析中，各功能區亦表現出不同的需求特征。其中，辦公區、商業區及工業區的冷負荷需求主要集中在工作時段，而居民區則全天均有冷負荷需求；在熱負荷方面，工業區在日間熱負荷需求較高，商業區和辦公區主要在用戶活動頻繁時段有熱負荷需求，而居民區則全天保持穩定的熱負荷需求。此外，電負荷需求亦呈現類似的日間集中特點，其中，工業區電負荷最重，商業區電負荷需求時間最長。

三、綜合能源系統評價體系建立

為確保綜合能源系統（IES）的有效運行和規劃，建立一個全面的評價體系很有必要。該評價體系應涵蓋環保、經濟和能效三個主要維度，并制定具體的指標。這些指標既要反映IES自身的性能，也要考慮其與社會環境的相互作用，以推動IES向低碳、經濟、高效的方向發展。例如，環保方面評估的關鍵指標涵蓋污染物排放、可再生能源使用比例和碳排放成本等，其中，二氧化碳的排放量被視為環境影響的主要衡量標準。經濟性評估指標主要分為設備生命周期成本（LCC）和市場交易收益，其中，LCC涵蓋從研發、生產、采購、安裝，到運營、維護、升級和最終報廢等各個環節的費用。針對IES參與的市場交易則包括了電力、天然氣、碳排放、綠色證書及需求響應市場等方面。能效性的評估主要包括能源的使用效率和供應的穩定性，能源利用率以新能源發電損失率（LREG）為基準，能源供應的穩定性則需參考負荷失電率（LPSP）等重要指標。

結語

本研究提出的內協調外調度的優化方案，能夠實現多區域交直流混合綜合能源系統的高效運行與管理，是提高能源系統經濟性和環保性的有效手段，通過分析多區域劃分及供用能特性，建立綜合能源系統評價體系，為多區域HIES的規劃與優化提供有力支撐，推動清潔能源的發展和能源系統的智能化建設。