面向新型城镇用户侧能源互联网规划研究综述_张政斌.pdf

收稿日期：2021-11-22作者简介：张政斌（1998-），男，辽宁抚顺人，硕士研究生。面向新型城镇用户侧能源互联网规划研究综述张政斌1，叶鹏1，张亮2，张明理3，张娜3，程孟增3（1.沈阳工程学院 电力学院，辽宁 沈阳 110136；2.国网辽宁省电力有限公司综合服务中心，辽宁 沈阳 110059；3.国网辽宁省电力有限公司经济技术研究院，辽宁 沈阳 110065）摘要：构建新型城镇用户侧能源互联系统，综合考虑用户侧能源供给、转换、消费特点，优化用户侧能源互联网结构，有利于唤醒用户综合需求响应潜力，是解决小镇级供需平衡的重要手段。首先，提出新型城镇用户侧能源互联网结构；其次，从能源供给、能源转换、能源储存、可延迟负荷、电动汽车5个方面梳理能源设备模型，并在此基础上从基于能源路由器、能源网-交通网融合、综合需求响应3个角度对用户侧能源互联系统规划进行分析；最后，对未来用户侧能源互联网规划时需要考虑的因素进行了简要的探讨、展望。关键词：新型城镇用户侧；能源互联网规划；能源设备模型；能源路由器；综合需求响应中图分类号：TM715文献标识码：A文章编号：1673-1603（2023）01-0008-08DOI：10.13888/ki.jsie（ns）.2023.01.002第 19 卷第 1 期2 0 2 3 年 1 月Vol.19 No.1Jan.2023沈阳工程学院学报（自然科学版）Journal of Shenyang Institute of Engineering（Natural Science）随着我国城镇化水平的快速提高，极大地带动了城镇能源产业结构的转型升级，城镇能源规划得到了快速发展1-2。然而现有的能源系统面临着巨大的难题，如传统化石能源由于其不可再生性而紧缺，分布式发电等可再生能源又由于其间歇性、地域性等问题难以被有效利用3。因此，对城镇的传统电力网络进行转型升级，使其与新一代多能源互联网络高度耦合，建立多能耦合、多网协同、多级调度、多地使用的新型城镇能源互联系统，是城镇能源发展的必然选择4。城镇能源互联系统按其互联区域大小与连接方式，可划分为枢纽、区域、用户3个层级5。用户作为城镇能源的主要终端消费者，对其合理规划可以提高可再生能源利用率，提高可再生能源就地消纳的能力。现阶段，美国和欧盟先后开展了FREEDM6、E-energy7、FINSENY8等能源互联网示范工程项目。日本与加拿大则更加侧重于能源共享网络建设。中国天津率先建成以能源互联网为背景的智慧能源小镇，切实推动了以城镇为应用对象的能源互联技术的发展9。但以上研究多侧重在供能网络、微网及各类分布式资源间的多能互补关系方面，从城镇整体上对能源互联系统进行了规划，未能考虑能源用户数量多、分布广、源-荷距离较近等特点10-11。在能源互联网背景下，能源产销者概念相对模糊，用户不再只作为能源消费环节存在，新能源发电技术衍生出光伏用户群12等参与的发电方式，为城镇能源互联系统的规划带来了挑战。同时，城镇能源用户的多源需求使居民可延迟负荷13、工商业多能柔性负荷14及电动汽车用户15参与调节成为可能。因此，在城镇用户侧建立多元主体参与供给、调节、消费的能源互联系统，易于提高系统新能源消纳能力，对提升系统可靠性与经济性具有十分重要的意义。综上所述，考虑用户侧参与的能源互联系统规划将是未来新型城镇能源规划的重点之一，合理构建用户侧能源互联系统在满足用户多能需求的同时，进一步提高能源利用率。因此，本文以城镇能源互联系统为背景，依据负荷响应特性，首先，将城镇用户划分为居民用户、工商业用户与电动汽车用户，提出新型城镇用户侧能源互联系统基本结构；其次，总结了面向新型城镇用户侧能源互联设备的模型，并在此基础上从源-荷供需关系、用户参与下的能源网-交通网融合及用户的可调节能力问题3个方面对用户侧能源互联系统规划方法进行分析；最后，对用户侧能源互联系统规划的未来研究方向进行了展望。1新型城镇用户侧能源互联网结构新型城镇用户以工商业用户、居民用户为主体，其特点是负荷受限于位置约束。其中，工商业用户侧由多能源转换设备、储能设备组成，是用户侧能源系统能源耦合的核心；居民用户侧由众多能源消费设备组成，是城镇能源主要消费终端。此外，随着新能源发电技术的日益发展，涌现出大量电动汽车用户，其特点是负荷位置随机分散在交通网中。天然气网、热网及电力网深度耦合构成能源互联系统能源流，信息传输技术构成信息流，以能源路由器为核心控制信息流、能源流双向流动的方式构成用户能源微网，可以大幅提高用户侧综合需求响应潜力。用户侧能源互联网结构如图1所示。图1新型城镇用户侧能源互联网结构2新型城镇用户侧能源设备模型对新型城镇用户侧能源互联系统合理建模，有助于协调城镇内各类能源与用户多能负荷间的供需关系，是城镇能源互联网规划的关键步骤。结合新型城镇用户侧能源互联系统结构，从能源供给系统、能源转换装置、能源储存设备、可延迟负荷模型与电动汽车模型等方面对城镇用户侧能源互联系统模型进行分析。2.1能源供给系统针对城镇能源互联系统的发电侧，用户不再只作为能源消费环节存在于能源网络中，可以通过光伏、风机等设备参与发电，以自产自足为目标，实现可再生能源的就地消纳。当用户能源系统产生的电能不足或产能过剩时，用户与能源主网进行实时交易，从而实现能源双向流动。典型能源供给模型如下：1）光伏光伏电池作为居民用户发电的主要设备，其典型数学模型16为PPV=PSTCGT1+kTa+(Tr-20)GT800-TrGSTC（1）式中，GSTC、PSTC分别为标准光照强度及最大输出功率；GT、Ta、PPV分别为实际太阳辐射强度、温度和实际功率；k、Tr分别为参考温度和功率温度系数。2）风电根据地区资源分布情况，部分城镇工业用户以风能作为用户侧能源互联系统的主要供给能源，其典型数学模型17为PWT=0,vW vW,i,v vW,ov3W-v3W,iv3W,N-v3W,i,vW,i vW vW,NPWT,N,vW,N vW vW,o（2）式中，PWT、PWT,N分别为风机输出功率及额定功率；vW、vW,N分别为风速及额定风速；vW,i、vW,o分别为切入和切出风速。第 1 期张政斌，等：面向新型城镇用户侧能源互联网规划研究综述9第 19 卷沈阳工程学院学报（自然科学版）2.2能源转换装置工业用户能源互联系统中通常配置多种能源转换装置，其中热电联产装置及电转气装置是工业用户能源转换的核心，促进多种能源耦合。1）热电联产装置热电联产装置的基本原理是空气与天然气在高温条件下混合燃烧供电，燃烧产生的余热进入到余热锅炉供热，以满足电、热负荷的需求，其典型数学模型18为PH,MTE(t)=PMT(t)(1-MT-L)MT（3）PH,MT(t)=PH,MTE(t)rCo（4）HMT(t)=PH,MT(t)t（5）式中，PH,MTE(t)、PMT(t)、MT及L分别为t时微燃机输出余热功率、输出电功率、发电效率及热损失率；PH,MT(t)、r及Co分别为t时刻制热功率、制热系数及烟气回收率；HMT(t)为t时刻制热量。2）电转气装置电转气装置的工作原理由电转氢过程和电转天然气过程组成，如图2所示。电转气装置可以提升负荷供能率，提高系统可再生能源的消纳能力19-20。图2电转气装置的基本原理目前，电-氢转换效率最高可达到60%，电-气转换效率最高可达到81.8%，系统整体综合能效约为50%21。2.3能源储存设备针对分布式能源具有不确定性等问题，通过配置储能来缓解此类问题是目前城镇用户侧能源规划的常用手段。各类储能工作机理相近，本文将储能设备整合统一，其典型数学模型22-24为St=St-1(1-)+(Pt,chch-Pt,disdis)t（6）式中，St、St-1分别表示t时刻及t1时刻储能电池储电量（储热罐的储热量或储气罐的储气量）；表示储能电池的电损失率（储热罐的热损失率或储气罐的气损失率）；Pt,ch表示储能电池充电功率（储热罐的充热功率或储气罐的充气功率）；Pt,dis表示储能电池放电功率（储热罐的放热功率或储气罐的放气功率）；ch、dis分别表示储能电池充电、放电效率（储热罐储热、放热效率或储气罐储气、放气效率）。2.4可延迟负荷模型将城镇用户侧广泛应用的家用电气设备进行数学化处理，由于其运行响应具有一定的延迟性，统一简化为可延迟负荷模型25，其模型为h=asa(h)=da（7）sa(h)=0,if h 1,H and h a,a0 or 1,if h a,a（8）Pdef(h)=a=1ASa(h)Pa,h 1,2,H（9）式中，a,a表示可延迟电器负荷的允许工作范围；da表示可延迟电器负荷的工作时间段；0、1分别表示可延迟电器负荷处于待机状态及工作状态；h表示一天时间划分为几个相等的时间段，则时间段h 1,2,H；a表示某居民用户可延迟电器负荷个数，则a 1,2,A；Pdef(h)表示可延迟电器负荷总用电功率。2.5电动汽车模型电动汽车用户作为新型城镇能源互联网中重要的一部分，其灵活的充放电特性使其可以以分布式电源的形式在负荷需求较大时参与电网调节，是能源网与交通网耦合的基础，其典型模型26为Si,t=Si,t-1+(Ei)-1 chiPchi,t-(dchi)-1Pdchi,tt（10）式中，Si,t、Si,t-1分别表示电动汽车在t及t1时刻荷电状态；Ei表示电动汽车最大容量；Pchi,t、Pdchi,t分别10表示电动汽车的充、放电功率；chi、dchi分别表示电动汽车的充、放电效率。3新型城镇用户侧能源互联系统规划研究新型城镇用户侧能源互联系统规划旨在合理规划能源元件容量、结构的同时，满足用户需求，充分发挥系统内多种能源与多能用户之间的互动特性。3.1基于能源路由器的新型城镇用户侧能源互联系统规划目前，构建以能源路由器为核心协调控制的能源互联系统被认为是解决高比例可再生能源接入电网后，实现多源协同、智慧调度、供需平衡的重要手段。能源路由器是在电能路由器的基础上涵盖多种能源耦合的载体，具有网络寻址、能量交换、辅助决策、用户交互等多种功能，可以实现能源局域网内能源的双向路由、各能源局域网间能源的双向交互，从而实现能源广域网中能源的互联27。能源路由器的能源传输模型如图3所示。图3能源路由器的能源传输模型针对用户侧基于能源路由器多能规划，文献28 提出将能源耦合设备集成在能源路由器中，以能源路由器作为能源局域网的调度中心，将用户侧能源互联网划分为多个能源局域网后，建立用户侧能源互联系统的二层规划模型，从而实现多个能源局域网多能互补。在此基础上，文献 29 提出虚拟路由器概念，即通过路由算法将多个分散能源路由器集中统一协调优化，建立虚拟路由器多能耦合关联模型，用以实现用户侧能源局域网与能源广域网的能源交互。典型能源路由器多能耦合数学模型为PoutPoutPoutPout=CCCC CCCCCCPinPinPinPin（11）式中，Pin、Pout分别为能源路由器多能源输入、输出矩阵；C为转化矩阵。此外，由于用户侧电、气、热网络特性不同，使得能源系统表现出较强的多时间尺度性，是系统规划需考虑的重要因素。文献 30 提出基于奇异扰动理论消除时间常数不同对系统造成的影响，将电、热网络依据自身特性分解为快响应与慢响应系统，基于物理特性分层优化调度。文献 31 针对工业用户，以能源转换装置热电联供装置为例，搭建考虑电、热网络达到准稳态时间周期差异的能源路由器模型，基于准稳态分区方法求解多时间尺度动态模型，并验证了此方法的有效性。总之，在以能源路由器为核心的用户能源互联系统中，已展开了一些理论研究，但对于在用户侧建立更加符合能量交互密集的用户能源互联系统的问题，仍值得进一步探究。3.2考虑能源网-交通网融合的新型城镇用户侧能源互联系统规划目前，针对城镇用户侧能源网规划研究主要分为电网-气网规划32-34、电网-热网规划35-37、电网-气网-热网规划38-40，而能源网发展促生的交通电气化也是能源互联网规划的重要环节。电气化交通网作为城镇能源的一种特殊能源网络，是能源网的延伸。因此，对能源网-交通网融合规划，也是城镇用户侧能源互联系统规划中极为重要的部分。当前，用户侧能源网-交通网规划研究主要是针对合理规划电动汽车充电站的研究，促进能源网-交通网耦合。文献 41 提出一种综合考虑光伏发电间歇性及充放电经济性的光储充一体化电动汽车充电站，以经济效益、光伏出力情况、储能设备运行状态等最优为目标，以充电站内充电桩容量、个数为决策变量建立多目标规划模型，并通过算例验证了光储第 1 期张政斌，等：面向新型城镇用户侧能源互联网规划研究综述11第 19 卷沈阳工程学院学报（自然科学版）充一体化充电站具有较好的经济性，但未考虑电动汽车用户充电特性。为此，文献 42 提出一种综合考虑光伏出力间歇性及电动汽车用户充电特性的充电站配置策略，通过算例验证了优化配比结果有更好的经济效果，同时促进了能源网与交通网的耦合。随着电动汽车用户的不断增加、充电站规划方法的不断成熟、能源互联网的不断发展，电动汽车用户作为能源互联系统中的小型无规则分布式储能设备（即分散式电源），也是能源网-交通网融合规划的关键部分。如何建立分散式电源模型，模拟其行驶和充电行为，促使电气-交通网高度耦合，值得深入研究。3.3考虑综合需求响应的新型城镇用户侧能源互联系统规划在能源互联网背景下，能源用户参与调峰促生了以用户为中心的能源交易模式43。因此，在用户侧能源互联系统规划的过程中，需要综合考虑用户侧的需求响应潜力。但传统电力需求响应（Demand Response，DR）的模式不足以应对能源互联系统的响应需求，综合需求响应（Integrated Demand Response，IDR）的提出有效地解决了这一问题。IDR是在DR的基础上，考虑高比例新能源接入及各能源互补特性，即用户侧需求不再单方面定义为电需求，而是将电用户扩展为电-热-气等多能源用户。多种能源用户共同参与需求响应，有效地促进了可再生能源的消纳。同时，电力市场也可以更加灵活地引导用户改变用能习惯，提高用户侧的需求潜力。典型综合需求响应模式如图4所示。图4典型综合需求响应模式在计及IDR的居民、工商业用户侧能源互联系统规划中，对于工业用户，文献 44 提出以成本最小为目标，建立一种计及IDR的规划模型，并以热-电耦合工业用户为例，验证了计及IDR的规划模型可以更好地发挥工业园区的互补特性，但是未对其可靠性进行评估。针对此问题，文献 45 提出以IDR贡献系数为指标，验证了考虑 IDR 可以明显地提升系统可靠性。对于居民用户，文献 46 考虑居民用户用电习惯，建立城镇居民用户 IDR优化模型，验证了考虑居民用户 IDR可以提高响应潜力。对于系统稳定性方面，文献 47 提出在DR基础上，综合考虑多能互补特性，提出基于电、热互补的调峰策略，进一步验证了IDR有利于负荷的削峰填谷。针对电动汽车用户IDR的能源互联系统规划，首先要考虑电动汽车用户的充电行为，电动汽车用户受交通拥堵情况、充电收费价格、充电等候时长、剩余续航时间等影响（如图5所示），具有负荷用电位置不固定及随机性的特点。为此，文献 48 提出一种基于蒙特卡洛随机抽样法来模拟电动汽车用户的群体充电行为，采用布谷鸟搜索算法求解出电动汽车负荷有序充电策略，结果表明：有序的充电行为有利于负荷的削峰填谷。在此基础上，文献49 提出采用动态分时定价的交易模式，建立考虑每位电动汽车用户充电成本及参与调峰意愿的多目标优化模型，采用基于粒子群算法求解电动汽车有序充电策略，最后通过算例验证了所提策略可以明显降低负荷的峰谷差，同时减少了电动汽车用户的充电成本。综上所述，考虑用户侧IDR可以在一定程度上提高电网对清洁能源的消纳能力，减少电网的压力。但目前针对用户侧IDR的研究多数从宏观角度出发，将用户侧作为一个整体，研究其对系统可靠性的影响。然而，用户侧的主观意愿、用户舒适度等行为也是不可忽视的问题。12图5电动汽车用户规划时所考虑因素4研究展望4.1考虑用户负荷电气设备直流化协同规划目前，针对用户侧能源互联网规划的相关研究多侧重于多种能源耦合，然而随着电力电子技术的不断发展、光伏发电与储能规模的日益扩大，电器设备逐渐走向了直流化的道路50-51。在用户侧的能源互联系统中，将多种能源耦合的互联系统与低压直流系统联合规划，可以减少可再生能源发电的交直流转换环节，对减少系统传输损耗具有重要意义。因此，在用户能源互联系统规划中，考虑用户侧逐渐直流化因素是不可忽略的问题。4.2考虑用户参与电力现货市场交易协同规划随着高比例新能源的日益接入，用户需求逐渐呈现出多元化的特点，传统的中长期电力市场交易模式已无法兼顾新能源波动性、间歇性的特点。不同于以往通过年、季、月负荷预测曲线开展集中竞价的交易模式，电力现货市场交易将采用日内实时能源交易的机制，有利于促进新能源消纳，实现短时实时能源交易，具有更好的经济效益52。目前，全国各省依次发布针对各省地区产业特色的新一轮电力市场体制改革政策，电力现货市场交易已逐渐进入试点阶段。如何兼顾用户侧需求，实现居民用户以家庭为单位、工商业用户以园区为单位参与竞价的交易模式，构建考虑用户参与电力现货市场交易的能源互联系统，仍需要进一步探究。5结语在城镇化比例不断提高与能源互联技术不断发展的背景下，研究新型城镇用户侧能源互联系统规划对实现全球能源互联网具有深远意义。本文从新型城镇能源用户出发，分析了新型城镇用户侧能源互联系统结构，梳理了用户系统模型，并在此基础上，从基于能源路由器规划、能源网-交通网融合规划、综合需求响应规划3个角度对新型城镇用户侧能源互联系统规划进行分析，最后对未来新型城镇用户侧能源互联系统规划时需考虑的问题等方面进行了展望，为能源互联网规划理论研究及新型城镇用户侧工程项目实践提供参考。参考文献1王雪，陈昕.城市能源变革下的城市智慧能源系统顶层设计研究 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demand at thesmall town level.Firstly,a new urban user-side energy Internet structure is proposed.Secondly,the energyequipment model is sorted out from five aspects,energy supply,energy conversion,energy storage,delayableload and electric vehicles.On this basis,the user-side energy interconnection system planning is analyzed fromthree perspectives,based on energy router planning,considering the integration planning of energy network andtransportation network,and considering the comprehensive demand response planning.Finally,this paperbriefly discusses and prospects the factors that need to be considered when planning the future user-side energyInternet.Key words：New urban user-side;Energy internet planning;Energy equipment modeling;Energy router;Comprehensive demand response第 1 期张政斌，等：面向新型城镇用户侧能源互联网规划研究综述15