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(3)多能流安全评估与控制
安全的重要性不言而喻,而能源系统的安全尤其关乎生命和财产安全。一方面需要建立“N-1”安全准则的概念,这个概念就是去关注最薄弱的环节,并且做出预案。上午我们成果的发布会上举了一个例子,是说台湾近期的一次大停电是由气的阀门故障导致的,那么那个阀门就是气-电耦合综合能源系统的一个薄弱环节。所以一定要时刻关注薄弱环节,出现问题一定要有预案,否则会面临巨大的风险。另一方面要关注园区交易关口的安全控制,园区关口的容量配置和运行的成本是个关键问题,一方面是容量越大变压器的投资成本越高,另一方面容量越大电网公司收取的容量费也越高。比如:50兆瓦容量和100兆瓦容量投资和运行的总成本相差很大,如果设计成50兆瓦的容量,万一实际容量超过了,会烧掉变压器。该怎么将关口潮流控制在50兆瓦以内,这就是安全控制问题。在多能流系统中,不同能源系统相互耦合和影响,某一部分的故障和扰动会影响到多能流系统的其他部分,有可能造成连锁反应,因此需要进行耦合分析。可以利用热、气等系统的惯性提供的灵活性,为电系统的安全控制提供新手段,可以利用这些新手段,做协同安全控制。
(4)多能流优化调度
这里有几个重要的概念:启停计划、日前调度、日内调度、实时控制。一个园区或者是城市的三联供、燃气机组、电锅炉都是可以启停的,有一些设备停下来可以降低成本,这就可以根据确定日前的最优启停计划进行启停。然后在启停基础上调节多少出力,这是日前调度。而日内调度是由于风光出力变了、负荷变了,所以日内需要再调度,以此来适应新的适合的发电出力,维持最优的出力和负荷的平衡。最后到了秒级还要进行控制,如对于网络安全问题、调压问题、调频问题,都需要进行实时控制。调度的时间尺度较长,一般以15分钟为单位,控制是以秒为单位,时间尺度较短。在多能流系统中,其可调控的手段比单一能源系统要多,从源网荷储的角度出发,可实现冷、热、气、电等的综合调度和控制。
(5)多能流节点能价
一个园区或者是智慧城市,一定要考虑建设一个非常好的内部的商业模式。内部的商业模式不是对外的,不是对上的,而是对园区内用户的,这样的一个商业模式应该是什么样?最科学的模式就是节点能价的模式。节点能价的模式首先需要通过计算确定各个地方的用能成本是多少,用能成本包括四个部分:一是能量发出来的成本;二是传输损耗的成本;三是网络阻塞的成本;四是多能耦合的成本。然后需要科学精准地计算各个结点的能价,包括冷价、热价、气价和电价,不同时刻、不同地点的价格,只有通过精准计算,才能使园区总的用能成本显著下降,因为可以用价格的信号来引导用户用能。这样整个园区的用能成本则可以通过柔性的能价手段得到显著下降。
节点能价根据供应商的生产边际成本制定,当线路出现阻塞时,各节点的价格根据所在位置的不同而呈现不同的价格,实时价格可以激发用户侧的灵活性。节点能价科学体现了成本,有利于建立公平的内部市场机制。
(6)多能流虚拟电厂
虚拟电厂是对上级市场的商业模式,整个园区或城市都可以变成一个大的虚拟电厂,尽管不是物理电厂,但是有很多储能和冷热电三联供等分布式电源,联合起来就可以变成一个大的可调节的市场主体。因为分布式资源容量小、数量多,市场难以单独管理,通过虚拟电厂的集合,可以通过软件架构实现多个分布式资源协同优化运行,为外部市场提供调峰、调频、调压等服务,有利于总体资源的优化配置和利用。这样的商业模式能够带来很高的经济收益,这在美国已经成为现实。
虚拟电厂在优化调度的基础上,可以将园区内的分布式电源、可控负荷和储能装置聚合成一个虚拟的可控集合整体,从而园区可以作为一个整体参与上级电网的运行和调度。虚拟电厂协调上级电网与分布式资源间的矛盾,充分挖掘分布式资源为电网和用户所带来的价值和效益,实现与电网的友好互动。
如下图所示是多能流虚拟电厂的内部组成架构。
横向来看依次是源网荷储。源侧包括常规的供电设备、CHP机组、燃气锅炉等设备,以及外部电网供电、可再生能源接入;网架分为冷热电等传输系统;荷侧为园区内部的电、热、冷负荷;在储能方面,不同能源子系统均有各自的储能设备。纵向来看依次是电、气、热、冷多能互补运行。不同的能源子系统分别用不同的颜色表示,多种能源转化设备(热泵、CHP、燃气锅炉、溴化锂机组)将不同的能源子系统相耦合。园区内部多种能源形式以虚拟电厂的形式组合在一起综合运行,在保证电、热、冷负荷可靠供应的前提下,实现了能源的梯级利用,提高能效,降低用能成本。并且对于波动性很强的可再生能源而言,综合能源系统具有更多的灵活性,促进了可再生能源的接纳,进一步提高系统经济性。
5 IEMS的应用案例
(1)成都高新西区的“互联网+”智慧能源(能源互联网)示范项目。成都高新西区是约40平方公里的工业园区,IEMS系统对这里进行综合能源的供应与需求分析,实现多能协同优化。以电、气、冷、热等对能源的需求为主,开展基于清洁能源中枢(天然气冷热电三联供、光伏、风电等)的能源互联网示范园区建设,实现对高新西区内天然气、地热能、风光能、蒸汽、冷水、热水、电等能源实施管理。
(2)广州从化工业园区的综合能量管理系统研发和示范项目。这个园区的核心部分大概12平方公里,也是典型的工业园区。工业园的能源格局呈现大容量、多能流、高渗透等特点,具有开展多能协同、多能优化调度等的良好基础条件,是开展“互联网+”智慧能源综合能源服务业态模式示范较为适宜的区域。在园区内建设IEMS系统,提出虚拟电厂和用户需求侧响应模式,实现灵活性资源集群同步化控制技术,最终系统实现部署应用。
(3)广东东莞立沙岛的智慧能源能量运行控制系统研发项目。东莞立沙岛也是约12平方公里的工业园区,立沙岛智慧能源系统分为以下四个层次:第一,热电耦合下的园区能量调控;第二,政策没有放开的情况下,存在约束条件的园区能量管理;第三,政策完全放开的情况下的区域能量管理;第四,未来和大系统之间的交互(交易),打造综合能源供应商。其中能量管理系统的研发分为四个阶段:第一,整体可观,部分可控;第二,整体可控,部分优化;第三,整体优化,部分交互;第四,整体交互,联合优化。
(4)吉林省多能流综合能量管理与优化控制研究项目。吉林省火电机组占比多,没有抽蓄、燃气等灵活调节电源,并且吉林处于高寒地区,冬季供热期长达半年,90%以上火电机组为供热机组,供热期间,火电最小出力超过本省最小负荷,风电消纳压力大弃风问题非常严重,主要原因是供热机组的热-电制约关系和“以热定电”模式显著降低了其调峰能力,挤占了风电空间。怎么用市场的手段来激发多能流的管控和交易,是最具挑战的问题,为此部署了IEMS系统,来研究多能流综合系统的市场交易机制,研究多元市场主体的成本效益,研究并设计示范区域内的用能替代响应,并提出多能流综合能量管理优化控制技术,在解决大规模风电消纳问题的同时实现清洁供暖。
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