综合能源系统的做功域和做功能力

ThegthIEEEConferenceonDEC.5~8,20251JILIN,CHINAEnergyInternetandEnergySystemIntegration第九届IEEE能源互联网与能源系统集成国际会议 ORGANIZERS主办单位 综合能源系统的做功域和做功能力 汇报人：周天烁汇报单位：天津大学石河子大学汇报日期：2025年12月 The 9th IEEEConference onEnergy Internet andEnergy System Integration, Dec.5-8,2025.Jilin, China 研究背景与意义 做功域与做功能力模型 2 3 结语 研究背景与意义 能源与环境现状 能源综合利用效率的提升需求能量“数量”节能 一是开源：增加“风、光、地热”等可再生能源接入，减少化石能源消耗。 二是节流：减少“跑、冒、滴、漏”的现象，降低损失。能量品质节能 用能的本质是利用其做功能力 用能的核心需求在于能量品质，而非单纯的能量数量。 保障用户能量品质需求的前提下>优化用能策略>可在维持相同功效的同时减少能耗总量 精准匹配用户需求与能量品质，从品质提升的维度进一步挖掘能源利用潜力。 研究背景与意义 能量、与做功能力 能量由(exergy)和炳(anergy)构成 是指当理论上可以全部转换为功的那部分能量，是真正被利用的那部分能量， 不同能量转换为功的能力存在差异 电/气/热对物体所作的机械功为W,>W,>W>W4，如右图所示。 各类能量的品质存在差异，量化了能量转换为功的能力（做功能力）。 研究背景与意义 ■现有研究不足： 现有IES安全域/运行域均基于能流模型而建立，仅刻画了能量数量供应的范围和极限 数量与品质的二元性表明，单纯增加能量的数量供给开不必然提升ES的做功能力。 导致基于传统安全域/运行域开发的优化调度策略，并不一定能够兼顾最优做功能力。因此有必要借鉴域方法，从IES做功能力的角度讨论其最大范围和能力极限， 研究背景与意义 故功域与做功能力模型 2 3 结语 4 做功域与做功能力模型 做功域的工作点 状态变量 源向IES注入流，该部分流为系统的输入，被称为源端负荷获得流，该部分流为系统的输出，被称为负荷拥是量化IES做功能力的物理量，负荷拥量化了用户获得的做功能力。 工作点模型 IES做功域的工作点：决定综合能源系统安全状态的最少状态变量集合，本研究以负荷作为状态变量。 由电力子系统、天然气子系统、热力子系统负荷节点的负荷拥，构成做功域的工作点： 若不加以区分能源的种类，做功域的工作点表示为： Wwr =e,...,e....,其中，e,表示第x个负荷，j=n+o+m 做功域与做功能力模型 做功域的状态空间 基本定义 做功域的状态空间：在状态变量的上、下限范围内，所有可能出现的由负荷作为状态变量构成的工作点的集合。状态空间的维度：状态空间在数学中为多维向量空间，其空间维度由工作点中的变量个数决定。状态空间边界：状态空间中工作点向量在某一或多个状态变量上所能达到的最大或最小取值所构成的界限。 状态空间模型 IES做功域的状态空间： 做功域与做功能力模型 做功域及其安全边界 做功域模型 做功域：系统运行时，所有安全工作点构成的集合，是状态空间中为封闭区域 域具有通用性，针对不同系统的做功域，可对其数学模型可进行一般化表示 不等式约束集合 做功域的安全边界 IES做功域的安全边界：是安全工作点和不安全工作点在状态空间中的分界线，反映了在当前安全准则下IES做功能力的范围。其数学模型可进行一般化表示： 任意状态变量变化后的新工作点！ 做功域与做功能力模型 做功域及其安全边界 做功域与做功能力模型 做功域的安全边界降维求解方法-改进型二分法 求解步骤 基于传统二分法，提出了一种改进型二分法，用以求解降维后的做功域，以求解上边界为例： 步骤1：初始化与降维。确定以做功域的工作点WwR对应的IES运行状态，作为基准观测对象。在Wwr选择e,和e作为观测变量，剩余y-2个状态变量固定为常数，根据e,和e,的上、下限形成二维状态空间，以为采样步长，在o限中生成Y个工作点。 步骤2：二维安全边界搜索素。主要思路是将观测变量e以为步长进行采样，生成若于个值；基于每个e,值分别迭代修正ei，得到临界点，最终得到二维安全边界的上边界。边界搜索过程分为三种情况，后面予以解释说明。 步骤3：二维安全边界图像绘制。将结果绘于e;0-e,平面，得到二维上边界在该平面的图像。 做功域与做功能力模型 做功域的安全边界降维求解方法-改进型二分法 边界点搜寻过程 改进型二分法的边界点搜寻过程，以搜寻上边界点的过程为例，横轴表示观测变量e的采样过程纵轴表示观测变量e,的修正过程： 步骤2-1：获取初始点。令e,=emin，e，= 步骤2-2：由初始状态点搜寻临界点。判断当前工作点是否为临界点。 边界点搜寻过程分为三种情况，分别是： e,在上下限范围内存在有限安全区域（情况I)e,在上下限范围内不存在安全区域（情况IⅡl）；e,在上下限范围内均是安全区域（情况IⅢI）。 步骤2-3：生成下一个初始状态点，执行步骤2-4。 步骤2-4：若e,>emx，则初始状态点在e,方向超出了上限，已得到安全边界的所有上边界点，执行步骤3。否则，返回步骤2-2，修正该初始状态点。 做功域与做功能力模型 做功域与运行域的数学关系 <证明：叠加性和齐次性> 电力节点送于功率因数角的能质函数天然气节点关于理论燃烧温度的能质函数热力节点关于供水温度、出口温度的能质函数 能质函数关系： 定理1：对于同一运行工况下的IES，其做功域的工作点WwR和运行域的工作点Wor为线性映射关系。推论1：对于相同安全准则下的IES，运行域2or和做功域2wr在高维空间中的几何关系，取决于能质函数。 e = f(α) ssef =f(T)-met = f(Tsk,To) -- 相似变换 非线性变换 等距变换 当能质函数了（g）+于（）时，且随运行方式而波动时，得到的2or和2wR在几何上为非线性变换关系。 当能质函数f（9）=f（9）=1时得到的20R和2WR在几何上为等距变换关系。 当能质函数f（g）=f（P）时，且恒等于非零常数时，得到的2r和2wR在几何上为相似变换关系。 2oR和2WR内任意工作点满足欧式距离doR／dwR=l欧式夹角OOR=OWR Q0R和2WR内任意工作点可能不满足：dor / dwR =yOOR=OWR QoR和2WR内任意工作点满足： 做功域与做功能力模型 IES做功能力(TWC)与最大做功能力(TWCmax) 做功能力 满足安全准则时IES的做功能力（Totalworkcapability，TWC）定义为所有节点的负荷所有的电负荷 最大做功能力 最大做功能力（TWCmax）指在当前安全准则下，IES能够向负荷供应的之和的最大值。 对应了做功能力最大的运行方式 TWC点和TWCmax点均是做功域中的工作点，不仅包含了做功能力的数值，还包括相应的负荷拥分布，即工作点数据 做功域与做功能力模型 TWC和TSC的数学关系 推论2：IES的做功能力和供能能力的数学关系，取决于能质函数。 对于满足安全准则的任意工作点： 当能质函数值均恒定为某一常数时，在同一运行状态下，TWC和TSC满足正比例关系; 对于满足安全准则的任意工作点，当能质函数值均不能恒定为某一常数时，同一运行状态下，TWC和TSC不一定满足正比例关系。 TSC、TWC、运行域和做功域的关系示意图 实际IES工程中，能质函数值一般不可能恒等于某一常数不能简单的将做功能力和供能能力视为正相关的关系！ 备注：α表示正比例关系：*表示不一定是正比例关系：兰表示相似变换或等距变换关系；台表示非线性变换关系。 研究背景与意义 做功域与做功能力模型 2 3 结语 测试算例拓扑包括：4节点电力系统5节点天然气系统和3节点热力系统：电力-天然气-热力系统通过三类能源站实现耦合；电力-天然气-热力系统系统管线的参数见右表。 算例验证 算例介绍 >IES中包括4节点配电网、5节点低压天然气配网、3节点环状热网，设定IES的运行方式为以热定电； 将如下图所示的三类典型耦合形态作为算例中的能源站，形成三个典型算例，后简称为Type I、Type II和Type III。其中，Type II的HP利用地热能（GE）; 电力系统功率因数恒定为0.95，线路两端相角差范围为[-10°，10°1 天然气热值为45.574MJ/m3，理论燃烧温度恒定为1973C，环境温度为10℃C 热力系统的热源供水温度100℃，回水温度50℃C， I：CHP和HB的供热分配系数为0.5。 算例验证 做功域与运行域的降维观测 相似变换 (等距变换) 等距变换是相似变换的一种特殊情况且不适用于本算例的交流配电系统，所以不予以讨论。 任意工作点的欧式距离均满足dwR夹角均满足oR=wR=105.25。做功域和运行域之间存在相似变换的几何关系。 任意工作点的欧式距离不一定满足d%/dl=d/dR夹角也不一定满足oR=OWR。故功域和运行域之间存在非线性变换的几何关系IES的做功域和运行域的几何关系，取决于运行状态下的能质函数值，大多数IES呈现为非线性变换关系。 算例验证 做功能力与供能能力 当TypeI处于最大做功能力点时，其供能能力也达到了最大; 当TypeI达到9.4110MW的最大做功能力时，其供能能力仅为13.3546MW，且与最大供能能力相差1.4789MW； 当TypeIII处于最大做功能力点时，其供能能力与最大供能能力相差0.3214MW。 传统基于运行域的优化手段，在追求较高的供能能力时，并不一定能够兼顾做功能力。 三维空间下TypeI-TypeIⅢI的运行域、做功域、做功能力和供能能力 算例验证 当==时，采样法的计算速度比改进二分法更快，这是由！于改进二分法需要多次安全校验，花费了较多时间。但是改！进型二分法的计算结果更接近！于真值。 当采样法的采样步长8=0.01，改！进二分法的采样步长ε=0.2，收！敛精度为1×10-5时，两种方法的！精度基本一致，而在计算速度方面，采样法则需要11376.04s，改进型二分法仅需要763.26s。 改进型二分法兼顾了计算精度和计算时间，通过调节收敛精度，可实现小步长采样法的计算效果，且不会大幅度增加计算耗时。 算例验证 做功能力的求解 直接法：将最大做功能力模型视为最优化问题，直接采用原对偶内点法进行求解； 间接法：首先需要设定运行域的采样步长，建立IES运行域，然后根据运行域和做功域的几何变换关系，映射出完整的做功域后，再对做功域的若于工作点进行筛选，最后得到ES的TWCmax点; 间接法消耗时间是直接法的40~130倍，并且仍未能找到准确的TWCmax点。若减小间接法的采样步长，可能会找到TWCmax点，但必然会花费更多的计算时间，因此十分有必要建立最大做功能力模型。 算例验证 系统运行参数对做功能力的影响 讨论天然气分配比例系数（TypeI）、供热分配系数（TypeIl)供热分配系数（TypeIⅢ）与！TWC.ax和TSCmax的灵敏度。 现象： (a) Type I的 TWC..CHP-GB关系曲线 在处于最大供能能力的运行工况下，其做功能力并不一定达到最大；在处于最大做功能力的运行工况下，其供能能力并不一定达到最大；提升TSC的同时，可能导致TWC的降低。 建议： 传统的优化调度策略，可能影响用！户的用能公平。 在制定运行调度策略时，可同时考虑IES供能能力和做功能力，兼顾！用户的做功能力需求。 (c) Type III的 TWCmax