基于个体为本建模的综合能源系统运行优化与动态分析

【摘要】：随着分布式能源发电和混合能源家电的普及,耦合各类能源的综合能源系统越来越受到人们的关注。综合能源系统主要有三个特点,首先是更加复杂并且大型化,系统中不同组成部分具有异质性,其复杂的网络拓扑决定了系统具有层次性结构。其次,综合能源系统不再是一个简单的个体,系统中不同组成部分通常由不同市场主体运营,各主体在市场中竞争协作。最后,其复杂的结构导致了复杂的动态特征,系统中的电能过程、水力过程、热力过程多模态导致其动态分析的复杂性。针对以上问题,建立一个同时考虑到不同能源子系统、不同市场主体、不同时间尺度的各种决策问题要求的综合能源系统模型显得尤为重要。本文针对这一课题进行深入研究,主要包括以下四个方面:(1)本文提出一种以个体为本的复杂系统建模方法(individual-based model,IBM)。以个体为本的建模方法是根据系统异质的物理特性将复杂系统解耦为独立的个体,该建模方法分为个体模型与系统模型,其中个体模型由输入集、知识集、状态集、行为集和输出集的五元体组成,而系统模型则由个体的子集与子个体间的关系表示。个体的行为集用于描述个体特定的物理特性以及个体内部演化机制,即个体具有独立决策的能力,其决策以外部环境的输入和知识集为基础。此外,个体可以通过输入和输出集与其他个体统一交互。(2)本文提出一种以个体为本的分布式并行优化方法(individual-based distributed parallel optimization method,IBDP)用于求解单一主体的复杂综合能源系统。首先文章提炼出综合能源系统四类基础建模单元,基于个体为本的模型可继承出综合能源系统设备层个体模型,设备层个体组成低层系统个体,低层系统个体又进一步的组成高层系统个体。在系统三层个体模型的基础上,应用所提出的分布式并行优化对综合能源系统进行设备层以及低层系统解耦,相应的将复杂大问题分解为多个个体子问题,子个体分别求解,最终收敛到系统最优解。将本文所提以个体为本的分布式并行优化方法应用于不同规模的复杂综合能源系统求解,并与高层系统集中式求解对比,验证了所提方法的模型复用性、计算耗时稳定性、以及算法的鲁棒性。(3)本文提出一种基于个体为本的多主体交互迭代方法(multi-individual interactive method,MIIM)应用于多主体的综合能源市场优化。在开放的能源市场中,综合能源系统中不同组成部分由不同利益主体运营并参与到能源市场竞争中,每个主体以自身利益最大化进行优化决策,并通过输入输出集与其他个体统一交互信息。为了保护每个个体的信息隐私、尊重其操作独立性,同时充分利用有限的交互信息引导个体的决策向全局最优方向趋近,系统中存在局部信息与全局信息,个体内的局部信息使个体操作独立性与信息隐私得到充分的尊重,而环境中的全局信息对每个个体可见,用于向个体传递环境边界信息,引导个体决策。在所提方法中,通过能源定价机制、能源需求等必需信息引导个体决策,系统中不同个体参与一个迭代过程,每个迭代步中个体更新并返回全局信息,直到系统达到平衡。此外,模型中还考虑了发电机组的部分负荷特性、冷水管网的冷能量损失和具有弹性的负荷需求。通过对多个综合能源系统仿真,研究了所提出的多主体交互迭代方法的性能,并将该方法应用于广州大学城的实际案例中,对大学城能源供应商个体的日常运营策略进行了优化,并讨论了该方案的可行性。(4)本文提出一种基于个体为本的多时间尺度动态分析方法(multi-time scale dynamic analysis,MTSDA)应用于综合能源系统动态仿真分析。综合能源系统是典型的多模态系统。电网系统的暂态过程极快,而热网系统的动态过程则是在相当长的时间尺度内的。采用以个体为本的建模方法对系统不同个体单独建立动态模型,在个体规则集中,既可以表示可量化的微分方程,也可以表示不可量化的规则,例如系统模型的进化规则,系统的扰动等信息。个体根据自身的规则集按自身模态发展进化,并通过输入和输出集在特定时间点与其他个体交互。通过这种方法,复杂多模态系统的动态过程可以被精确描述,同时可以方便的提取到系统在每个模态上的动态过程,由此分析系统失稳的原因。采用所提方法对综合能源系统进行多时间尺度动态分析,讨论了系统在四种不同类型扰动和故障下系统动态过程,分别是电力系统负荷暂降扰动、电力系统三相短路故障、热网系统负荷暂降扰动、热管网退出运行故障,验证了所提方法的准确性。