能源服务网络中的分布式能源模拟_Salavador Acha_9787111571582

《能源服务网络中的分布式能源模拟》介绍了一种对含嵌入式技术的能源服务网络进行集成稳态优化的建模框架。书中开发的新模型称为时间协调优化潮流（TCOPF）模型，此模型可通过一系列必要步骤计算天然气和电力网络的优化能流，同时计算插电式混合动力汽车（PHEV）和热电联产（CHP）装置的优化调度。因此，TCOPF工具可以管理及协调配电网运营商和分布式能源之间的相互关系。《能源服务网络中的分布式能源模拟》中对分布式能源系统应当遵循的优化调度模式进行了描述，这种模式有望改善城市能源服务网络的性能。集成建模为希望有效协调分布式能源运行与能源公用事业运营策略的利益相关方提供了一个新的视角。结尾，本书结合用于模拟PHEV行驶状况的基于agent的模型对TCOPF模型框架进行了扩展，以便更好地评估PHEV所代表的负载灵活性。综上，为开发由多种能源基础设施与嵌入式分布式能源集成的综合模型，《能源服务网络中的分布式能源模拟》涵盖了电力系统工程师所需要关注的各类关键元素。

　　原书前言

　　我们生存的这个世界，资源有限且整个能源供应链效率低下。从获得一次燃料到为数百万消费者提供电力，提高复杂能源系统的性能是一项艰巨任务。对于有意进入这一研究领域的能源研究人员而言，常常缺乏用来模拟此类多层面问题的软件工具，因此需要开发整体的模拟框架来捕捉复杂能源系统所表现出的关键特性。伦敦帝国理工学院近期开展的一系列跨学科研究，正是试图解决多能源网络与有助于

　　提升城市区域内能源基础设施性能的先进技术相互影响所产生的问题。

　　电力系统工程师通常声称建设智能电网系统是为了改革电力输送方式，然而他们忽略了一点，那就是相互依存的基础设施可以使智能电网更加智能。

　　《能源服务网络中的分布式能源模拟》的撰写正是基于这样一种假设，即随着新技术的引进，公用设施现行的管理方法可能会导致其效率更加低下。这是因为即将部署的分布式能源（DER）必将使公用设施的资本运行更具成本效益，所以必须对基础设施进行多重分析以确保其关键服务不被中断。这一特性引发我们的思考，例如，燃气驱动热电联产技术的高度普及是否会对燃气网络带来不利的影响？此类问题便是本书讨论的核心。

　　显而易见，为了确保所需的系统性能得以全部实现，需要进行整体性的分析。因此，填补基础设施相互依存关系领域现有的研究空白是一项值得尝试的工作，可为未来能源系统的设计和运行提供有价值的指导意见。

　　《能源服务网络中的分布式能源模拟》介绍了一种在嵌入式技术存在的情况下对能源服务网络进行集成稳态优化的建模框架。文中开发的新模型称为时间协调最优潮流（TCOPF）模型，此模型可通过一系列必要步骤计算天然气和电力网络的最优能流，同时计算插电式混合动力汽车（PHEV）和热电联产（CHP）装置的最优调度。因此，TCOPF工具可以管理配电网运营商和分布式能源之间的相互关系。

　　《能源服务网络中的分布式能源模拟》中对分布式能源系统应当遵循的优化调度模式进行了描述，这种模式有望改善城市能源服务网络的性能。集成建模为希望有效协调分布式能源运行与能源公用事业运营策略的利益相关方提供了一个新的视角。最终，本书结合用于模拟PHEV行驶状况的基于agent的模型对TCOPF模型框架进行了扩展，以便更好地评估PHEV所代表的负载灵活性。

　　综上，为开发由多种能源基础设施与嵌入式分布式能源集成的综合模型，《能源服务网络中的分布式能源模拟》涵盖了电力系统工程师所需要关注的各类关键元素。《能源服务网络中的分布式能源模拟》的架构如下：

　　第1章：简述进行这项工作的背景和动机。重点阐述全世界范围内不断增长的能源需求，以及为什么城市中心是能源消耗的聚集地，强调以最优方式使用资源对于城市的重要性。

　　第2章：对涉及本研究主题的相关文献进行综述，包括有关能源基础设施与嵌入式技术集成分析的建模方法等。此外，概述前人针对天然气和电力联合网络所进行的分析工作。

　　第3章：从电力和天然气网络建模的数学原理出发，围绕针对这两类基础设施的建模，详细介绍采用牛顿－拉夫逊法的稳态潮流分析，并比较两类系统的相似性。

　　第4章：扩展第3章所搭建的模型框架，引入控制装置和嵌入式技术，控制机理包含天然气系统中的压缩机以及电力系统中的有载分接开关（OLTC）。介绍能量转换与存储技术涉及的概念和公式，并对含热存储的热电联产机组以及含电化学存储的PHEV装置进行分析。

　　第5章：以第3章和第4章中建立的模型框架为基础，使用TCOPF进行能源服务网络的集成优化能流分析。提出多周期TCOPF问题的普适数学表述，由此对目标函数和约束条件的基本特性进行讨论。

　　第6章：通过TCOPF程序对不同运行策略下的案例情景进行分析，说明分布式能源如何影响天然气和电力网络的技术－经济性运行参数，并对仿真所得数据进行详细的分析。特别关注控制、转换和存储装置之间的协调，探索适合未来能源服务网络的运行模式。由此为利益相关者提供关于分布式能源理想化管理的指导意见。

　　第7章：说明如何通过基于agent的模型，将其输出数据连接到TCOPF建模框架以完成车辆行驶的分析。这种方式下，PHEV负载的时间和空间特征可用于潮流问题分析。通过案例研究展示了结果的粒度。

　　第8章：讨论本文的贡献，得出结论，同时探讨该领域未来的不同研究方向。

　　以上章节纲要涵盖了能源模拟的核心基本原理，可供能源研究者参考以制定自己的模拟框架。可以明确的是，在这一研究领域，灵活性是至关重要的，而若每个系统的原理都能得到适当地表述，综合分析也是可以实现的。不过，我认为一些模型假设似乎有些宽泛，尽管如此，我相信本书已经实现了它的价值，也希望能源领域的研究人员能在此基础上做出更多的贡献。

　　任何一本书都不可以凭一己之力完成，《能源服务网络中的分布式能源模拟》也不例外。因此，特别感谢IET出版社对本书原稿所做的贡献。此外，还要感谢所有同事、家人和过去几年对我的研究有积极影响的朋友们，是你们造就了这本书。

　　Salvador Acha

目录译者序原书序原书前言缩略语表符号表第1章能源资源、基础设施和转换技术有效管理所面临的挑战1 1.1全球城市化和能源系统效率1 1.2城市能源系统的演变5 1.3能源系统的综合管理8 第2章集成建模综述12 2.1关于分布式能源的建模问题12 2.1.1分布式发电面临的挑战12 2.1.2热电联产技术对电网的影响14 2.1.3PHEV技术对电网的影响17 2.2模拟多能源网络的方法22 2.2.1多联产分析22 2.2.2综合能源运输系统22 2.2.3能源枢纽建模23 2.2.4天然气和电力的一体化研究24 第3章能源服务网络建模26 3.1电网建模26 3.1.1电力系统的基本原理26 3.1.2定义电力潮流问题27 3.1.3节点公式和导纳矩阵28 3.2天然气网络建模31 3.2.1天然气系统的基本原理31 3.2.2定义天然气潮流问题32 3.2.3节点公式和关联矩阵33 3.3能源服务网络类比36 3.3.1部件和变量的建模36 3.3.2牛顿-拉夫逊算法37 3.3.2.1电力系统的雅可比矩阵38 3.3.2.2天然气系统的雅可比矩阵39 3.3.2.3潮流总结41 第4章能源服务网络中嵌入式技术的建模43 4.1有载分接开关（OLTC）变压器的建模43 4.1.1OLTC变压器的基本原理43 4.1.2OLTC模型方程45 4.2压缩机站建模47 4.2.1压缩机站的基本原理47 4.2.2压缩机模型方程48 4.3热电联产技术建模49 4.3.1热电联产机组的基本原理49 4.3.2含热电联产天然气网络的节点公式56 4.3.3储热管理方程58 4.4PHEV技术建模60 4.4.1PHEV的基本原理60 4.4.2含PHEV电网的节点公式68 4.4.3电化学储能管理方程70 第5章能源服务网络的时序最优潮流73 5.1TCOPF问题概述73 5.1.1问题描述73 5.1.2优化求解75 5.1.3TCOPF工具的输入数据和假设77 5.2TCOPF的目标函数78 5.2.1即插即忘78 5.2.2燃料成本78 5.2.3能量损失78 5.2.4能源成本79 5.2.5综合目标79 5.3TCOPF的数学公式79 5.3.1目标函数的公式79 5.3.1.1即插即忘情景80 5.3.1.2燃料成本最小化情景80 5.3.1.3能量损失最小化情景80 5.3.1.4能源成本最小化情景80 5.3.1.5多目标最小化情景（如现货价格成本与排放成本）81 5.3.2约束条件82 5.3.2.1关于电网82 5.3.2.2关于天然气网82 5.3.2.3关于嵌入电网的PHEV83 5.3.2.4关于嵌入天然气网络的热电联产装置83 5.3.3TCOPF问题和求解的特性84 第6章能源服务网络中的分布式能源优化：案例分析86 6.1TCOPF能源服务网络案例研究86 6.1.1输入数据和假设86 6.1.2案例研究和能源系统参数的说明89 6.2技术-经济性结果93 6.2.1概述93 6.2.2集成与非集成系统94 6.2.3天然气网络96 6.2.4热电联产技术100 6.2.5电网107 6.2.6PHEV技术110 6.3结果综述116 第7章能源服务网络中电动汽车流动性的建模119 7.1PHEV流动性的建模119 7.1.1建模方法119 7.2基于agent的模型与潮流模型的综合120 7.2.1车辆基于agent的模型121 7.2.2PHEV的优化潮流公式122 7.2.2.1PHEV充电成本最小化情景123 7.3PHEV充电的ABM-TCOPF案例研究124 7.3.1输入数据和假设124 7.3.1.1驾驶员资料124 7.3.1.2PHEV特性124 7.3.1.3城市布局124 7.3.1.4电力负载资料和网络特性125 7.3.2案例研究和能源系统参数126 7.4技术-经济性结果127 7.4.1基于agent的模型结果127 7.4.2优化潮流模型结果130 第8章结束语134 8.1总结和贡献134 8.2研究的受益者136 8.3未来的研究方向137 附录139 附录A城市群数据139 附录B英国的能流分析140 附录C电力负载潮流代码142 附录D天然气负载潮流代码145 附录E有载分接开关偏导数147 附录F标幺值148 附录GKKT最优化条件149 附录H牛顿迭代法149 参考文献151

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