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【專題】能源互聯(lián)網(wǎng)從“概念”走向“落地”

2018-04-27 15:11:05 電氣應(yīng)用  點擊量: 評論 (0)
區(qū)域能源互聯(lián)網(wǎng)的主要特征是利用“互聯(lián)網(wǎng)+”思維重置能源網(wǎng)絡(luò)需要,實現(xiàn)能源與信息的高度融合,推進能源網(wǎng)絡(luò)信息化基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)。

       如何實現(xiàn)區(qū)域能源互聯(lián)網(wǎng)在概念上的優(yōu)勢呢,清華大學(xué)的孫宏斌教授系統(tǒng)地提出了:面向區(qū)域能源互聯(lián)網(wǎng)的多能互補綜合能量管理。在2015年小編到清華大學(xué)拜訪孫教授時,他就曾提到該項研究。在2017年12月的國家能源互聯(lián)網(wǎng)大會上,孫教授正式將這一研究成果進行分享、探討。
       追求效益最大化的最優(yōu)控制問題
       如何通過“多能互補、源網(wǎng)荷協(xié)同”實現(xiàn)安全供能前提下的效益最大化,這是在能源互聯(lián)網(wǎng)示范項目的實施中,專家們都很關(guān)心的一個焦點問題。這實現(xiàn)起來并不容易,從技術(shù)層面來看,這個焦點問題可歸結(jié)為復(fù)雜的多能流網(wǎng)絡(luò)的最優(yōu)控制問題。這個最優(yōu)控制問題是要追求效益的最大化,效益=收入-費用,約束前提是安全供能。這里的收入包括了售能、售服務(wù),費用有購能、購服務(wù)等。優(yōu)化的手段分布在冷、熱、氣、電、水、交通,源、網(wǎng)、荷、儲等各個環(huán)節(jié)。約束條件包括供需平衡、運行的物理范圍,以及供能安全等。這個焦點問題最終是通過一套系統(tǒng)來實現(xiàn)的,這套系統(tǒng)就叫做多能互補綜合能量管理系統(tǒng)(Integrated Energy Management System),簡稱IEMS。
       EMS的發(fā)展歷史
       IEMS可以認(rèn)為是第四代能量管理系統(tǒng)(Energy Management System,EMS)。EMS是在電網(wǎng)調(diào)度控制中心應(yīng)用的在線分析、優(yōu)化和控制的計算機決策系統(tǒng),是電網(wǎng)運行的神經(jīng)中樞和調(diào)度指揮司令部,是大電網(wǎng)的智慧的核心。孫教授的課題組研究EMS已有30多年。首先來回顧一下EMS的歷史。
       第一代EMS出現(xiàn)在1969年以前,叫做初期EMS。這種EMS僅包含SCADA供能,只是把數(shù)據(jù)采集起來,沒有實時網(wǎng)絡(luò)分析、優(yōu)化、協(xié)同控制,網(wǎng)絡(luò)分析和優(yōu)化主要靠離線計算,屬于經(jīng)驗型調(diào)度?,F(xiàn)在的園區(qū)管理,絕對不能停留在經(jīng)驗型調(diào)度的水平上,而是需要精益化的管理,提高核心競爭力。
       第二代EMS出現(xiàn)在20世紀(jì)70年代初~21世紀(jì)初,叫做傳統(tǒng)EMS。這一代EMS的奠基者是Dy-Liacco博士,他提出了電力系統(tǒng)安全控制的基本模式,發(fā)展了實時網(wǎng)絡(luò)分析、優(yōu)化、協(xié)同控制,所以在上個世紀(jì)70年代,EMS得到了迅速發(fā)展。我國1988年完成四大電網(wǎng)調(diào)度自動化系統(tǒng)的引進,之后完成消化、吸收、再創(chuàng)新,開發(fā)出自主知識產(chǎn)權(quán)的EMS。當(dāng)時清華大學(xué)承擔(dān)了東北電網(wǎng)EMS的引進、消化和吸收,因為當(dāng)時東北是重工業(yè)基地,東北電網(wǎng)的網(wǎng)調(diào)是最大的,全國負荷最大的就在東北。目前國內(nèi)的EMS已基本國產(chǎn)化,這一時期的調(diào)度已經(jīng)屬于分析型調(diào)度,上升到了新層次。
       第三代EMS是源網(wǎng)荷協(xié)同的智能電網(wǎng)EMS。其出現(xiàn)在大規(guī)??稍偕茉窗l(fā)展之后,這時候還沒有多能橫向的協(xié)同,只有源網(wǎng)荷的協(xié)同。針對大規(guī)??稍偕茉床豢煽?、波動性的特點,需要大量的靈活性資源,從源-輸,轉(zhuǎn)向荷-配,這時候的EMS可集成利用各類分布式資源,發(fā)展分布自律-集中協(xié)同架構(gòu),從源、網(wǎng)到荷,都有相應(yīng)的EMS。源有風(fēng)電場和光伏電站的EMS,荷有電動汽車、樓宇和家庭的EMS,網(wǎng)有輸電、配網(wǎng)、微網(wǎng)的EMS,這些EMS首先是自律,然后通過通信網(wǎng)聯(lián)結(jié)在一起形成協(xié)同,這時候就可以稱為EMS家族了,EMS家族有很多成員,不同成員有不同特點,共同實現(xiàn)智能電網(wǎng)的源網(wǎng)荷協(xié)同。
       第四代或者說下一代EMS,稱之為多能互補的綜合能量管理系統(tǒng),也就是IEMS。這里的綜合是把各種能源集成和綜合。由于各類能源割裂,綜合能效低,所以需要綜合和梯級利用;同時由于靈活性資源嚴(yán)重不足,大量棄風(fēng)、棄水、棄光,所以需要拓展到多種能源互聯(lián),從多種能源里面找到新的靈活性資源,來支持大規(guī)模可再生能源的消納;通過效益最大化的綜合優(yōu)化調(diào)度,在保障供能安全和優(yōu)質(zhì)的前提下,降低用能成本,提高綜合能源服務(wù)的經(jīng)濟效益。
       下圖給出的就是IEMS的示意圖。

【專題】能源互聯(lián)網(wǎng)從“概念”走向“落地”

       它像一個大腦,底下是一個綜合能源系統(tǒng),冷、熱、氣、電、水、交通,各種能流,叫多能流。在英國召開的國際應(yīng)用能源大會(ICAE)上,該系統(tǒng)被大家公認(rèn)在世界上還沒有先例。2017年在清華大學(xué)發(fā)布的最新成果“園區(qū)多能互補綜合能量管理系統(tǒng)”是全球第一個IEMS產(chǎn)品。課題組將做了30年的電網(wǎng)EMS拓展成IEMS非常困難,通過5年的學(xué)習(xí)研發(fā),也基于30年電網(wǎng)EMS的研發(fā)經(jīng)驗,終于成功研制出了IEMS。
       IEMS的主要功能
多能流SCADA。用于實現(xiàn)完整、高性能的準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)實時數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控功能,是后續(xù)預(yù)警、優(yōu)化和控制等功能的基礎(chǔ),并利用系統(tǒng)軟件支撐平臺提供的服務(wù)。多能流SCADA是IEMS的“感官系統(tǒng)” ,基于能源物聯(lián)網(wǎng),采集多能流數(shù)據(jù)(采樣頻率:電為秒級,熱/冷/氣為秒級或分鐘級),完成相應(yīng)的監(jiān)控功能,并將數(shù)據(jù)提供給狀態(tài)估計及后續(xù)高級應(yīng)用功能模塊,接收系統(tǒng)運行調(diào)控指令,并通過遙控/遙調(diào)信號下發(fā)給系統(tǒng)設(shè)備執(zhí)行。多能流SCADA的功能界面包括能流分布、場站接線、系統(tǒng)功能、綜合監(jiān)視、操作信息、分析評估、智能報警等。
       多能流狀態(tài)估計。由于多能流傳感網(wǎng)絡(luò)測點分布廣、量測種類多、數(shù)據(jù)質(zhì)量低、維護難度大、成本敏感度高,所以出現(xiàn)采集數(shù)據(jù)不全、錯誤的情況在所難免。因此多能流網(wǎng)絡(luò)需要狀態(tài)估計技術(shù)提供實時、可靠、一致、完整的網(wǎng)絡(luò)狀態(tài),為IEMS的評估和決策提供基礎(chǔ)。多能流狀態(tài)估計通過補齊量測數(shù)據(jù)、剔除壞數(shù)據(jù),可以實現(xiàn)壞數(shù)據(jù)的可估計、可檢測、可辨識,最終達到減少傳感器安裝數(shù)量、降低通信網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜程度、降低傳感網(wǎng)絡(luò)的投資和維護費用的效果,通過提高基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的可靠性來提高評估與決策的可靠性,降低能源網(wǎng)絡(luò)運行事故風(fēng)險。
       多能流安全評估與控制。安全的重要性不言而喻,而能源系統(tǒng)的安全尤其關(guān)乎生命和財產(chǎn)安全。一方面需要建立“N-1”安全準(zhǔn)則的概念,這個概念就是去關(guān)注最薄弱的環(huán)節(jié),并且做出預(yù)案。上午我們成果的發(fā)布會上舉了一個例子,是說臺灣近期的一次大停電是由氣的閥門故障導(dǎo)致的,那么那個閥門就是氣-電耦合綜合能源系統(tǒng)的一個薄弱環(huán)節(jié)。所以一定要時刻關(guān)注薄弱環(huán)節(jié),出現(xiàn)問題一定要有預(yù)案,否則會面臨巨大的風(fēng)險。另一方面要關(guān)注園區(qū)交易關(guān)口的安全控制,園區(qū)關(guān)口的容量配置和運行的成本是個關(guān)鍵問題,一方面是容量越大變壓器的投資成本越高,另一方面容量越大電網(wǎng)公司收取的容量費也越高。比如:50兆瓦容量和100兆瓦容量投資和運行的總成本相差很大,如果設(shè)計成50兆瓦的容量,萬一實際容量超過了,會燒掉變壓器。該怎么將關(guān)口潮流控制在50兆瓦以內(nèi),這就是安全控制問題。在多能流系統(tǒng)中,不同能源系統(tǒng)相互耦合和影響,某一部分的故障和擾動會影響到多能流系統(tǒng)的其他部分,有可能造成連鎖反應(yīng),因此需要進行耦合分析??梢岳脽帷獾认到y(tǒng)的慣性提供的靈活性,為電系統(tǒng)的安全控制提供新手段,可以利用這些新手段,做協(xié)同安全控制。
       多能流優(yōu)化調(diào)度。這里有幾個重要的概念:啟停計劃、日前調(diào)度、日內(nèi)調(diào)度、實時控制。一個園區(qū)或者是城市的三聯(lián)供、燃氣機組、電鍋爐都是可以啟停的,有一些設(shè)備停下來可以降低成本,這就可以根據(jù)確定日前的最優(yōu)啟停計劃進行啟停。然后在啟?;A(chǔ)上調(diào)節(jié)多少出力,這是日前調(diào)度。而日內(nèi)調(diào)度是由于風(fēng)光出力變了、負荷變了,所以日內(nèi)需要再調(diào)度,以此來適應(yīng)新的適合的發(fā)電出力,維持最優(yōu)的出力和負荷的平衡。最后到了秒級還要進行控制,如對于網(wǎng)絡(luò)安全問題、調(diào)壓問題、調(diào)頻問題,都需要進行實時控制。調(diào)度的時間尺度較長,一般以15分鐘為單位,控制是以秒為單位,時間尺度較短。在多能流系統(tǒng)中,其可調(diào)控的手段比單一能源系統(tǒng)要多,從源網(wǎng)荷儲的角度出發(fā),可實現(xiàn)冷、熱、氣、電等的綜合調(diào)度和控制。
       多能流節(jié)點能價。一個園區(qū)或者是智慧城市,一定要考慮建設(shè)一個非常好的內(nèi)部的商業(yè)模式。內(nèi)部的商業(yè)模式不是對外的,不是對上的,而是對園區(qū)內(nèi)用戶的,這樣的一個商業(yè)模式應(yīng)該是什么樣?最科學(xué)的模式就是節(jié)點能價的模式。節(jié)點能價的模式首先需要通過計算確定各個地方的用能成本是多少,用能成本包括四個部分:一是能量發(fā)出來的成本;二是傳輸損耗的成本;三是網(wǎng)絡(luò)阻塞的成本;四是多能耦合的成本。然后需要科學(xué)精準(zhǔn)地計算各個結(jié)點的能價,包括冷價、熱價、氣價和電價,不同時刻、不同地點的價格,只有通過精準(zhǔn)計算,才能使園區(qū)總的用能成本顯著下降,因為可以用價格的信號來引導(dǎo)用戶用能。這樣整個園區(qū)的用能成本則可以通過柔性的能價手段得到顯著下降。
節(jié)點能價根據(jù)供應(yīng)商的生產(chǎn)邊際成本制定,當(dāng)線路出現(xiàn)阻塞時,各節(jié)點的價格根據(jù)所在位置的不同而呈現(xiàn)不同的價格,實時價格可以激發(fā)用戶側(cè)的靈活性。節(jié)點能價科學(xué)體現(xiàn)了成本,有利于建立公平的內(nèi)部市場機制。
       多能流虛擬電廠。虛擬電廠是對上級市場的商業(yè)模式,整個園區(qū)或城市都可以變成一個大的虛擬電廠,盡管不是物理電廠,但是有很多儲能和冷熱電三聯(lián)供等分布式電源,聯(lián)合起來就可以變成一個大的可調(diào)節(jié)的市場主體。因為分布式資源容量小、數(shù)量多,市場難以單獨管理,通過虛擬電廠的集合,可以通過軟件架構(gòu)實現(xiàn)多個分布式資源協(xié)同優(yōu)化運行,為外部市場提供調(diào)峰、調(diào)頻、調(diào)壓等服務(wù),有利于總體資源的優(yōu)化配置和利用。這樣的商業(yè)模式能夠帶來很高的經(jīng)濟收益,這在美國已經(jīng)成為現(xiàn)實。
虛擬電廠在優(yōu)化調(diào)度的基礎(chǔ)上,可以將園區(qū)內(nèi)的分布式電源、可控負荷和儲能裝置聚合成一個虛擬的可控集合整體,從而園區(qū)可以作為一個整體參與上級電網(wǎng)的運行和調(diào)度。虛擬電廠協(xié)調(diào)上級電網(wǎng)與分布式資源間的矛盾,充分挖掘分布式資源為電網(wǎng)和用戶所帶來的價值和效益,實現(xiàn)與電網(wǎng)的友好互動。
       如下圖所示是多能流虛擬電廠的內(nèi)部組成架構(gòu)。

【專題】能源互聯(lián)網(wǎng)從“概念”走向“落地”

       橫向來看依次是源網(wǎng)荷儲。源側(cè)包括常規(guī)的供電設(shè)備、CHP機組、燃氣鍋爐等設(shè)備,以及外部電網(wǎng)供電、可再生能源接入;網(wǎng)架分為冷熱電等傳輸系統(tǒng);荷側(cè)為園區(qū)內(nèi)部的電、熱、冷負荷;在儲能方面,不同能源子系統(tǒng)均有各自的儲能設(shè)備??v向來看依次是電、氣、熱、冷多能互補運行。不同的能源子系統(tǒng)分別用不同的顏色表示,多種能源轉(zhuǎn)化設(shè)備(熱泵、CHP、燃氣鍋爐、溴化鋰機組)將不同的能源子系統(tǒng)相耦合。園區(qū)內(nèi)部多種能源形式以虛擬電廠的形式組合在一起綜合運行,在保證電、熱、冷負荷可靠供應(yīng)的前提下,實現(xiàn)了能源的梯級利用,提高能效,降低用能成本。并且對于波動性很強的可再生能源而言,綜合能源系統(tǒng)具有更多的靈活性,促進了可再生能源的接納,進一步提高系統(tǒng)經(jīng)濟性。

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責(zé)任編輯:滄海一笑

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