- 頭條福州大學等單位的研究人員提出綜合能源系統優化配置的新方法2022-07-11 作者：高統彤, 邵振國, 陳飛雄 | 來源：《電氣技術》 | 點擊率：導語綜合能源系統中可再生能源的隨機性、間歇性、波動性和負荷的不確定性會影響綜合能源系統的經濟運行。在進行綜合能源系統規劃時，若不考慮風光出力和負荷的不確定性，會造成系統容量配置過于理想化，設備利用率低等一系列問題。 福州大學“數字能源”科研團隊基于園區綜合能源系統的仿射模型，綜合考慮設備投資成本和系統運行成本，建立了園區綜合能源系統協同規劃模型，將仿射優化模型分解為年總綜合成本的中心值最小及在不確定性因素影響下年總綜合成本變化量最小兩個子問題，前者為僅考慮源荷預測功率的確定性優化模型，后者為考慮源荷預測誤差的不確定性優化模型。采用某園區綜合能源系統規劃算例驗證了所提方法的有效性和經濟性。
團隊介紹
福建省“數字能源”專業學位研究生導師團隊于2019年10月由福建省教育廳批準成立。團隊秉承“區域協同創新、技術服務社會”的宗旨，堅持產學研合作，助推科研成果落地。團隊面向能源系統的數字化和物聯化趨勢，依托福建省電器智能化工程技術研究中心、福建省工業大數據應用服務型制造公共服務平臺、福州大學數字能源研究院、福州大學電力安全與質量保障工程技術中心等科研平臺，長期致力于新能源電網安全保障、能源綜合高效利用以及能源大數據的基礎理論研究和工程技術應用。
團隊現有專任教師8名，企業導師9名，其中高級職稱12人，博士9人，已培養碩士研究生30余人，其中2人獲評福建省優秀碩士學位論文、5人獲評福州大學優秀碩士學位論文。團隊近年來承擔科研項目30余項，其中國家重點研發計劃子課題1項、國家自然科學基金項目6項、省級自然科學基金類項目11項、市廳級項目5項、校企合作科研項目多項，研制的電能質量監測儀達到A級表要求。
研究背景
在節能減排的新形勢下，綜合能源系統(Integrated Energy System, IES)因其多能互補和能源利用效率高的優勢，已經被全球70余個國家研究與應用。而IES的規劃方案對系統的實際運行效益產生重大影響。
當能源設備安裝容量過小時，不僅無法滿足用戶的負荷需求，還會導致園區無法發揮多能互補、節能減排的優勢；當能源設備安裝容量過大時，則會導致園區的投資成本過高，設備運行效率低下的同時能量損耗增加。隨著可再生能源滲透率不斷提高，IES中的不確定性因素廣泛存在。
風電、光伏等可再生能源的隨機性、間歇性和波動性，負荷的不確定性給IES的規劃帶來巨大挑戰。在規劃時，若不考慮風光出力和負荷的不確定性，會造成系統容量配置過于理想化，設備利用率低，綜合能源系統無法穩定、安全、經濟運行等一系列問題；而無法合理考慮不確定性因素，同樣會導致設備配置不夠合理，影響園區的高效運行。
論文所解決的問題及意義
現有的研究綜合能源系統不確定性問題的方法，區間優化和魯棒優化只需獲取不確定變量的波動區間，在缺乏統計信息時具有良好的工程應用價值，被廣泛應用于綜合能源系統不確定性研究中。但是以上方法無法定量考慮不確定性因素的影響，可能會導致規劃結果受不確定性因素影響大的同時配置方案的合理性降低。
針對上述問題，本文建立了基于仿射的優化配置模型，將優化配置模型拆分成兩個子問題，分別最小化年總綜合成本的中心值及計及不確定性因素影響的年總綜合成本變化量。通過在規劃過程中，定量考慮不確定性因素的影響，提升規劃結果的合理性和工程實用價值。
論文方法及創新點
確定性優化模型的上層以年綜合成本最小為目標函數，決策變量為各類設備的安裝容量。確定性優化模型的下層為優化調度模型，以園區運行成本最小為目標函數，決策變量為園區中的設備各時刻功率值，園區運行成本包含設備維護成本、能源交互成本、燃料購買成本、碳排放成本。確定性優化模型的約束條件，包含能源功率平衡約束、能源設備運行約束、能源交互功率約束等。其中風電、光伏、負荷功率僅考慮預測值（仿射中心值）。
圖1 優化配置模型流程
不確定性優化模型根據源荷預測誤差，調整儲能設備功率、園區與上游能源網絡的交互功率，優化因源荷預測誤差所導致的儲能容量變化量，從而最小化不確定性因素導致的年總綜合成本變化量。優化模型的約束條件中含有儲能功率、園區與上游能源網絡交互功率的仿射形式。疊加兩個子問題的優化結果，得到綜合能源系統的優化配置方案。
結論
本文提出了一種計及源荷不確定性的綜合能源系統協同優化配置方案。基于仿射優化理論，將園區優化配置模型拆分成確定性優化和不確定性優化，不確定性優化以確定性優化為基礎，交替迭代優化源荷預測誤差導致的儲能配置容量的變化量，通過對比不同方案的系統容量配置結果，得到以下結論：
1）將園區優化配置模型拆分成確定性優化和不確定性優化，以不確定性導致的年總綜合成本最小化為不確定性優化的目標函數有利于降低預測誤差對優化配置方案的影響；在不確定性優化模型中，以運行成本最大化模型預測源荷功率誤差，以運行成本最小化模型調整儲能設備出力、園區與上游能源網絡的交互值，有利于規劃結果盡可能滿足各種運行情況。
2）用仿射研究綜合能源系統的不確定性問題有利于優化綜合能源系統的優化配置，改善優化配置方案因源荷不確定性導致的系統容量配置過于理想化、設備利用率低等問題。
引用本文
高統彤, 邵振國, 陳飛雄. 計及多能流不確定性的綜合能源系統優化配置[J]. 電氣技術, 2022, 23(3): 1-10. GAO Tongtong, SHAO Zhenguo, CHEN Feixiong. Optimal allocation of integrated energy system considering the uncertainty of multi-energy flow. Electrical Engineering, 2022, 23(3): 1-10.
