多元主体博弈下的用户侧综合能源优化理论与方法研究

项目来源

国家自然科学基金(NSFC)

项目主持人

贾宏杰

项目受资助机构

天津大学

项目编号

U1766210

立项年度

2017

立项时间

未公开

研究期限

未知 / 未知

项目级别

国家级

受资助金额

292.00万元

学科

工程与材料科学-电气科学与工程

学科代码

E-E07

基金类别

联合基金项目-重点支持项目-智能电网联合基金

关键词

用户侧综合能源 ; 多主体博弈 ; 可信调控容量 ; 综合能源优化 ; 联合优化 ; Multi-energy optimization ; integrated energy system in the customer side ; multiple game roles ; combined optimization ; credible regulative capacity

参与者

穆云飞;侯恺;安青松;蒲天骄;陈乃仕;何剑;邓卫;屈慧;叶华

参与机构

中国电力科学研究院有限公司;中国科学院电工研究所

项目标书摘要:构建新一代综合能源系统是实现人类社会能源绿色和可持续供应的关键,而用户侧是电/气/冷/热各类能源消费、转化、使用和获取的主要场所,因此是实施社会综合能源优化的关键。用户侧综合能源系统具有的多元主体博弈特征和大量不确定因素,与各类能源的复杂时空特性交织耦合,使得用户侧综合能源优化面临诸多挑战。本项目将针对用户侧综合能源优化的基础理论、分析方法和相关技术开展研究,重点解决如下五个关键科学问题:1多主体博弈环境下的用户侧多能源时空耦合机理揭示;2用户侧源/储/荷/转环节各调控手段的可信调控容量估算方法;3多主体博弈下的多能源联合优化及综合调控理论与方法;4用户侧综合能源系统多主体博弈的市场互动机制与决策理论;5用户侧综合能源优化仿真用例构建理论与方法。通过本项目研究,希望突破制约用户侧综合能源优化应用的关键理论与技术瓶颈,为我国实施用户侧综合能源优化提供理论支持和技术储备。

Application Abstract: Integrated energy system is regarded as a new generation of energy supply system,which can realize the green and sustainable energy supply to the whole society.Most of the energy conversion,consumption,utilization,storage and access take place in the Customer Side of the Integrated Energy System(CSoIES).There are various game bodies,a lot of uncertainties and various coupled points of multiple energies such as electricity,heating,cooling,and natural gas in CSoIES.All these factors interacting with each other makes the CSoIES as the key point of the whole integrated energy system,and brings a lot of challenges in the this area.This project mainly focuses on the basic theoretic studies of CSoIES’s modelling,mechanism analysis,optimization,control,etc.And five scientific issues faced by CSoIES will be deeply analyzed:1)Research on the spatial-temporal coupling mechanism of CSoIES with multiple game roles;2)Research on the evaluation method of credible regulative capacity in various components in the CSoIES;3)Research on the combined optimization and regulation method to the multi-energy in the CSoIES with multiple game roles;4)Research on the business model and its analysis theory for the CSoIES with multiple game roles;5)Research on the method to build the testbed of CSoIES with multiple game roles.Through this research project,effective solutions to the key challenges faced by CSoIES will be provided,and the research outputs of this project will provide the theoretical support and technical reserve to the further development of CSoIES.

项目受资助省

天津市

项目结题报告(全文)

本项目重点围绕用户侧综合能源系统的多能源耦合机理、可信调控容量估算、多能源联合优化及综合调控、商业及服务模式、仿真用例构建等方面,开展了深入研究。项目构建了多类型分布式电源、电/热/气/氢用能设备及耦合单元、储能单元、负荷侧楼宇与电动汽车等负荷单元的通用模型,形成了基于动态能量集线器的统一建模框架和仿真方法;提出了综合能源系统综合效用多属性评价方法,多能源耦合机理分析模型等实用化分析手段,建立了源—网—荷灵活资源的可调控潜力量化计算模型;提出了随机环境下多能流联合优化调控方法体系,包括多能源联合预测、状态感知与运行优化、多时间尺度运行调控以及安全防控策略;建立了多主体博弈运行与决策机制;形成了具有通用性、可扩展性的仿真用例系统。本项目先后培养博士研究生5人,硕士研究生20人;发表高水平学术论文77篇;申请发明专利31项,授权8项。研究团队与我国多个电力和能源企业开展了深入合作,成果已在我国数百个实际工程中获成功应用,促进了企业在综合能源系统规划运行,风险防控等领域的技术进步和工程应用水平。合作成果先后获9项省部级等各类科技奖励,创造了显著的社会与经济效益。研究团队与国外知名科研机构及高校,开展了深入交流与合作,共同创办了国际学术期刊IET Energy Systems Integration,已成功被EI和SCI收录;在综合能源领域,合作组织了10余个的期刊专辑和多个国际会议,扩大了我国在该领域的国际影响力。项目研究团队成员中,多人入选国家百千万人才工程、政府特殊津贴、国家优青基金等人才奖励计划,研究团队入选了2个省部级创新人才团队,2人晋升教授,项目研究有力地促进了综合能源系统领域的人才培养和队伍建设;此外,项目在科技创新、学生培养、队伍建设、基地建设、国际合作等方面,促进了天津大学电气工程学科的学科建设和学科水平的提升。综上,尽管受到突如其来的新冠疫情的影响,本项目仍按预期研究计划开展了研究工作,取得了预期成效,达到了预期目标。

  • 排序方式:
  • 1
  • /
  • 1.面向多端口交直流混合微电网的功率变换研究

    • 关键词:
    • 中压电网;微电网;多电平变换器;双主动全桥变换器;容错控制;模型预测控制
    • 肖迁
    • 指导老师:天津大学 贾宏杰
    • 学位论文

    随着电力负荷的快速增长及分布式电源的大规模接入,交直流混合的中压大功率微电网已成为未来发展趋势。本文针对多端口交直流混合微电网的功率变换技术开展了研究,主要工作如下:1)提出了一种新型多端口交直流混合微电网结构,可减少功率变换级数并降低硬件成本;提出了一种控制策略,可通过注入零序电压的方式调整相间有功功率分配,保证电网三相电流对称和直流微电网端口电压稳定。通过三端口和五端口交直流混合微电网算例,验证了所提控制策略在电网电压不对称和直流微电网功率不相等工况下的有效性。2)通过分析所提微电网中内部模块的故障情况,提出了一种系统内部故障下的控制策略。当发生故障时,向级联H桥变换器注入零序电压以调整三相参考电压,并注入负序电流以平衡相间有功功率,进而维持直流电容电压均衡,保证系统稳定运行。此外,对所提控制策略下的系统稳定性进行分析并对零序电压注入量进行优选。通过三端口交直流混合微电网算例,验证了所提控制策略的有效性。3)研究了所提微电网中前级组件的子模块故障容错控制策略。针对级联H桥变换器组件,提出了一种故障子模块的配置方式及相应改进的容错控制策略,该策略具有更高的输出线电压和更强的容错能力。针对模块化多电平变换器组件,提出了一种适用于多种子模块故障工况的容错控制策略。当故障模块较少时,可降低故障后模块直流电容电压的增加量;当故障模块较多时,可通过注入基波零序电压,提高其容错能力。此外,提出了一种基于虚拟电压的改进调制方法,避免了发生故障后的载波重构。利用不同组件的仿真和实验结果,验证了所提控制策略的有效性。4)针对所提微电网后级双主动全桥变换器组件,提出了一种新型模型预测控制策略。该策略可自动调整计算步长,具有误差补偿功能和良好的动态响应性能,可在调节输出侧电压的同时,抑制变压器的峰值电流。仿真和实验结果验证了所提策略的有效性。

    ...
  • 2.面向多应用场景的电动汽车集群控制与日前竞价策略研究

    • 关键词:
    • 电动汽车;荷电状态;集群;应用场景;建模方法;状态空间;频率控制;激励机制;日前竞价
    • 王明深
    • 指导老师:天津大学 贾宏杰
    • 学位论文

    近年来,随着电动汽车(Electric Vehicle,EV)的快速发展,大规模EV接入电网的影响受到越来越广泛的关注。由于单台EV的电池容量较小,难以对电网运行产生影响,EV入网后的集群效应更受人们关注。EV接入电网后的运行状况,会受用户交通出行规律、用户用能习惯、电池充放电特性、电力市场等因素的影响,这些因素增加了大规模EV集群建模的复杂度。面向不同的应用场景,由于通讯手段的差异性和市场政策的多样性,在EV集群建模和调控策略设计时,还需考虑应用场景的基础条件、技术可行性、实现目标等因素影响。考虑上述因素,本文主要针对多应用场景下的EV集群建模、控制策略和竞价策略等内容开展研究。主要工作如下:1)面向集群控制中心可以获取各EV完备信息的应用场景:首先,在综合考虑EV用能特征和出行规律的基础上,提出了考虑3种接入状态和4种响应模式的EV单体模型;然后,利用蒙特卡罗抽样算法,获取各EV的参数值,评估各EV在不同响应模式下的可调节容量;然后,构建了EV集群响应能力评估模型来获取集群的输出功率和可调节容量;在该模型的基础上,基于EV的SOC自适应算法,提出了联络线功率平抑控制策略,同时基于潮流追踪算法,提出了EV集群与传统发电机的协同控制策略;仿真结果证明,利用EV集群的可调节容量,可以有效平抑可再生能源的功率波动。2)面向集群控制中心仅可以获取EV有限信息的应用场景,无法与各EV进行高质量独立通讯的应用场景:首先,结合EV的接入状态和SOC状态,利用状态空间和马尔可夫链方法来描述集群的状态分布和转移;然后,结合EV的响应模式,提出了EV集群状态空间模型来预测集群的输出功率和可调节容量;在该模型的基础上,提出了考虑状态分布与自适应控制的EV集群频率控制策略,设计了基于状态空间的全局控制信号,降低了对通讯设施的要求;同时,提出了考虑响应函数与状态恢复的EV集群频率控制策略,设计了基于接入状态的全局控制信号,进一步简化了控制信号和降低了对通讯设施的要求,同时利用用户侧响应函数和全局状态恢复信号来保证用户的充电需求;仿真结果证明,EV集群状态空间模型具有很高的预测和控制精度,具有频率控制的有效性。3)面向EV集群参与日前市场竞价的应用场景:首先,从EV集群运营商的角度,分析了市场环境下补偿电价在不同响应模式下对用户参与度的影响;然后,提出了考虑用户参与度的EV集群价格响应模型,用于评估EV集群的可调节容量和输出功率的成本曲线;结合该模型对用户参与度的分析,开发了考虑市场和EV不确定性的EV充电和放电激励机制,以激励EV用户参与日前市场;同时,考虑到EV和竞价约束在不同时段的差异性,提出了零售商日前最优竞价策略,以帮助零售商获取最优的日前竞价曲线;仿真结果证明,在EV灵活参与下,零售商能够在日前市场中获得更高的竞价收益。

    ...
  • 3.多类型区域综合能源系统可靠性评估与提升策略

    • 关键词:
    • 区域综合能源系统;热负荷特性;可靠性评估;优化控制策略
    • 何哲
    • 指导老师:天津大学 贾宏杰
    • 学位论文

    随着环境污染的加剧和化石能源的枯竭,对电、气、冷、热等多种能源进行综合分配和利用是当前能源领域关注的重点。其中区域综合能源系统在源、网、荷、储等环节均可实现能源的耦合与转化,通过协调不同供能环节的调配和供给,可以有效提升能源的综合利用效率,具有良好的发展前景。由于区域综合能源系统涉及的能源种类不断增加,如何综合考虑不同能源系统的差异化特性,对区域综合能源系统进行准确的可靠性评估,进而充分利用各类可调配资源,提高区域综合能源系统可靠性,是区域综合能源系统科学规划、可靠运行的关键。因此,本文主要针对适用于城市、农村等不同地区的多类型区域综合能源系统进行可靠性评估和提升研究。首先,分析了区域综合能源系统的内涵,根据国内区域综合能源系统的发展状况,将其划分为城市型和农村型;然后,针对城市型区域综合能源系统的发展现状,提出了一种计及热负荷动态特性的可靠性评估模型,通过建立热负荷的动态变化过程,将热负荷的负荷削减情况与热负荷的动态过程结合起来,以使可靠性评估模型更符合实际情况,提高区域综合能源系统可靠性评估的准确性;最后,针对电能替代背景下的农村型区域综合能源系统,考虑到电热泵具有良好的调控能力,提出了一种基于电热泵自调节的电压优化控制策略,充分发挥电热泵在农村配电网的调控潜力,通过实际算例进行了验证。

    ...
  • 4.考虑分布式资源协同的配用电系统时滞稳定性研究

    • 关键词:
    • Electricity-information system(EIS);power distribution-utilization system;energy storage;electric vehicle;power converter;model;stability margin;time-delay stability switching boundary(TDSSB);spectrum;risk;critical impact(CI);Hopf bifurcation;damping drop;enhancement
    • 2021年
    • 学位论文

    With the urgent requirement of energy transformation and widespread deployment of information network represented by 5th generation mobile technology,the distributed resources are gradually merging from individual components to a uniform electricity-information system(EIS).Since the distributed energy renewablization,conversion,storage,and mobility can not be achieved without the information flow,the component coupling inside EIS dominates the degree of evolution.With numerous dynamic components,topologies,demands and management strategies,the whole EIS formulates a complex time-varying system.Despite the bonding benefits of energy and information,challenges also arise in EISs,such as the heterogeneous participants,diversified management strategies,multiple communication targets,and stationary/mobile switching.All of these uncertainties may contribute to stability risks of dynamic system in the manner of the butterfly effect.The tighter of EIS integration,the more vulnerable of defect exposure.However challenging burden may seem,motivated by the lack of EIS model,stability assessment method,margin determination approach,quantified risk,and enhancement strategy,this thesis aims to seek a concise and unified approach to understand this complex time-varying system.This thesis focuses on the stability assessment and enhancement of EIS from the perspectives of modelling,analysis framework,and risk suppression.For each part,various systems and algorithms are demonstrated to check the possibility of unification.The main contributions of this thesis are summarized as follows:1)Modelling establishment.The modelling of electricity-information for electrical system is described in the transmission and microgrid levels as the example.First,unified modelling of direct current(DC)energy,hybrid energy storage(HESS),alternating current(AC)energy,electric mobility,and AC-DC interconnected system are analyzed in the state space.Then,the information network is considered during the operation of the electricity-information system.Due to the uncertainties imposed by the information system,an interface variable,i.e.,information delay,is introduced to reflect the coupling of energy and information systems.By virtue of the proposed interface variable,the temporal relationship of information and energy parts is described.The communication delay,asynchronization of information system,the response speed,aggregation process of energy system,and the integration level of electricity-information system can be concisely reflected through a unified form,which provides the prerequisite for the stability assessment of power states.2)Margin determination.For the determination of the stability region,the searching technique and resultant conditions are developed.First,a critical searching technique is proposed utilizing the transcendental feature in the critical scenario.The time-delay stability switching boundary(TDSSB)is then defined and provided to elaborate the boundary dividing the stable area and unstable area.For the acceleration of the boundary calculation,Dixon resultant condition is established,in which the quasi-polynomial is built for the EIS model.The results in case studies indicate the TDSSB existence and the complete stability map during the evolution of power distribution-utilization system.3)Risk quantification.Although the stability margin and boundary are determined,the intrinsic process for the instability occurrence remains to be revealed,which formulates the stability risk inside EIS systems.To resolve this issue,a delay distorted matrix is formulated to represent the component coupling inside EISs,in which the transcendental impact on the interface is transferred to a polynomial approximation.On the basis of the delay distorted matrix,the damping ratio and parameter sensitivities are extracted to reveal the system oscillation factor.Then,the Newton correction and Krylov subspace are further introduced to accurately locate the oscillation centre and narrow the calculation space.Case studies demonstrate the effectiveness of the critical spectrum extraction.The computation efficiency is also boosted with the Newton iteration and subspace mapping.4)Stability enhancement.According to the oscillation risks induced by the energy and information connection,a multilayer strategy is developed for the stability enhancement covering the design,dynamic,and advanced stages.In the design layer,the whole stability area is separated based on the resultant analysis and two types of boundaries.In the kernel strategy,the EIS is designed to guarantee the good condition of one communication channel.Facing a large information delay,the offspring strategy is proposed to avoid the identical delay value in two channels.In the dynamic layer,a feedback strategy is proposed to enlarge the stability margin of EIS.The necessity and feedback objective are both investigated to build an effective feedback loop.Besides the strategies in the design and dynamic layers,an advanced enhancement approach is established by the proposed indexes of critical angle(CA)and critical impact(CI).It is revealed that the information delay could cause the acceleration process entering the unstable area,which formulates an early-warning structure for the stability enhancement.The proposed model,assessment structure,region,risk,and enhancement strategy of EIS have also been applied and validated mathematically.The simulations and experimental results are both provided to support the investigation.By providing the technical solutions for stability modelling,analysing,and improvement of EIS,this thesis will boost the deeper integration of electricity and information systems for the evolution identifying the interlinking vulnerability.

    ...
  • 排序方式:
  • 1
  • /