多区域交直流混合综合能源系统内外优化调度

　　颜浩东 琚上纯

　　【摘 要】本研究提出了一套全新的内协调外调度优化方案，旨在实现多区域交直流混合综合能源系统的高效运行与科学管理。该方案涵盖了综合能源转化与耦合优化、交直流混合优化、市场化运行策略、主网接入优化措施以及区域互联优化等多个关键环节，为提高能源系统的经济性和环保性能提供创新的思路与方法。本研究成果可以为多区域交直流混合综合能源系统的内外优化调度，提供有益的参考依据，对于推动清洁能源的广泛应用和能源系统的智能化建设，具有积极意义。

　　【关键词】多区域；交直流混合；综合能源系统；内外优化调度

　　引言

　　多区域交直流混合综合能源系统（HIES）的优化调度，是解决能源供应多样化和能效提高问题的关键技术之一。通过有效整合风能、太阳能、化石燃料等多种能源形式，多区域HIES可以实现交流（AC）与直流（DC）间的高效转换与输送，从而提高系统的能源利用效率，增强电网的灵活性和稳定性。此外，实现跨区域能源的互联互通，对促进区域内能源平衡、提高系统抗风险能力等方面具有重要意义。

　　一、一种新的内协调外调度的优化方案

　　本研究提出了一种创新的综合能源系统（IES）优化方案，该方案充分结合了内部协调控制和外部统一调度两大核心策略。针对IES内部能量流动的特点，该方案能够利用内部协调控制手段，对冷、热、电、气等多元化能源的耦合与转换进行精细化规划，并对交直流配置进行深度优化。同时，该优化方案通过采用外部统一调度策略，能够将IES视为一个整体的能源聚合体，从宏观角度确保能量流动的连续性。此外，通过优化与主网的接入及互联方式，可进一步提高IES与外部能源系统的协同效率，实现能源资源的优化配置和高效利用。

　　（一）综合能源转化与耦合优化

　　在现代综合能源系统（IES）中，电能因具备广泛应用性、清洁性和便捷性，在能源转换中占据核心地位。为了充分利用这些能源特性，本文提出了一套综合能源转化与耦合优化方案。该方案依托于一个创新的多能源网络联合优化模型，旨在通过高效配置不同种类的能源，充分满足各种能源需求。

　　一般来说，借助能量枢纽模型，可阐述能量的相互连接与转换关系。能量枢纽模型根植于2005年ETH Zurich在IEEE电力与能源会议上提出的能源枢纽理念，旨在构建一个全面高效的能源转换与利用体系。常见的能源转换设备包括但不限于燃气轮机（CGT）、余热回收装置（WHRU）、电锅炉（EB）以及备用制热机组（CHG）等。这些设备各具特色，能够在不同场景下发挥关键作用，实现能源的高效转换与多元化利用。

　　为实现降温目标，能量枢纽模型中引入了多种设备，包括电动压缩制冷机（CEC）、水循环吸收式冷气机（WARG）以及气体循环吸收式冷媒机（GAC）。这些设备能通过不同的工作原理和技术路径，共同构建一个高效可靠的降温系统，满足不同场合的降温需求[1-2]。

　　（二）交直流混合优化

　　在多区域交直流混合综合能源系统（IES）中，相较于传统变压器，电力电子变压器（PET）作为实现交直流转换的核心设备，展现出了显著的优势，具有体积小、重量轻、环保无污染、高可靠性及稳定输出等特性。

　　PET设备配备交直流连接端口，能够有效实现电压变换、电气隔离，以及交直流系统间的能量流动。利用其强大的功率调节能力，PET能够精准控制交直流网络间的功率交互，确保主网、直流及交流系统之间的功率转换高效顺畅。此外，对PET端口能量的协调管理，可以进一步提高电能消纳效率，优化能源利用率。

　　在制定交直流混合优化策略时，优化方案致力于减少AC-DC换流过程中的能量损耗。当直流侧的光伏电池发电量不足以满足负荷需求时，系统可优先利用蓄电池进行放电补充；若蓄电池的能量释放仍无法满足功率需求，系统可从交流侧调动额外功率进行补偿；当交流侧发电量超出需求时，系统可通过PET将多余功率转换至直流侧，以供其他负荷使用或储存，从而实现能源的高效利用。

　　（三）市场化运行

　　在当今的能源体系中，综合能源系统（IES）通过整合各类能源子系统，形成了一个多功能的能源网络。IES不仅能够作为发电厂提供稳定的电力输出，还能像用户一样从电网中购电，这种多元化的特性能使得IES在电力市场中具有独特的优势。IES能够参与的电力市场种类繁多，包括日前市场、实时市场、辅助服务市场等，这些市场的运作机制能为IES提供多种交易模式和竞价策略。

　　在电力市场中，IES可通过电网进行天然气和电力的买卖。在售电时，IES将内部产生的能源输送至大电网，此时，IES充当发电企业的角色；在购电时，IES则作为电力消费者，从大电网中获取所需能源。此外，IES在发电量较低时，会优先考虑内部的能量消纳，只有在满足市场准入规则后，其才能参与更广阔的能量市场交易。然而，由于IES的规模相对较小，其对市场价格的影响力有限。

　　电力市场涵盖多种交易形式，如中长期合同、临近日交易和即时现货市场。其中，长期合同稳定购电能够减少价格波动风险；临近日交易可以基于预测提前一天安排交易量；现货市场能够提供调整实时误差的高灵活性。研究指出，结合长期和现货市场，采用短周期调度和多周期优化策略，可降低可再生能源的市场和电网风险。

　　此外，IES在需求响应方面也扮演着重要角色。其既可以为电网提供调频、备用等辅助服务，又可以通过激励机制和价格机制，引导用户进行负荷转移、峰荷削减等活动，以实现电力平衡。其中，价格基础需求响应（Price-based Demand Response，PBDR）可以通过动态调整峰谷电价，促使用户自主调整负荷曲线，从而平滑负荷变化，降低系统运行风险；激励基础需求响应（Incentive-based Demand Response，IBDR）则可以通过签订合约，对用户在调度中调整的负荷进行补偿，进一步优化IES的运行调度[3-5]。

　　运行IES不仅要关注电力市场，还要积极参与碳排放量交易。通过合法的碳排放量交易机制，IES可以买卖碳排放配额。同时，IES可以通过新能源发电设备减少碳排放，获得碳排放配额，当配额有剩余时，可以出售配额，以获取经济利益；当配额不足时，则需购买额外的配额。由此可见，碳交易价格的制定，对于系统碳排放量和总成本具有显著影响。对此，引入奖惩结合的碳交易机制，可以更精确地控制IES的碳排放，平衡环保性和经济性。

　　除了碳排放量交易，IES还参与绿色证书交易。绿色证书是对可再生能源发电量的认证，源自可再生能源配额指标。IES中新能源发电的比例可以转化为绿色证书，当绿色证书超过配额时，IES可以出售证书以获得利润；若证书不足，则需要面临罚款。通过这种方式，绿色证书交易可进一步促进可再生能源的使用，从而提高整个能源系统的绿色化水平。

　　（四）主网接入优化

　　主网接入优化是提高系统效率和可靠性的关键环节。IES通过灵活切换并网模式，可实现与主网的协调调度，包括孤岛模式和并网模式。在孤岛运行状态下，IES可自给自足，无需主网输电支持；同时，在该模式下，IES发电设备能够满足全部负载，从而提高系统的可靠性，大幅降低输电成本。研究表明，这种运行状态通常占IES运行时间的28%。而在并网状态，IES与主网相连，能够参与电力市场或提供辅助服务，并依据输电成本和线路容量来决定输电方案。此时，柴油机组暂停发电，仅为备用，可再生能源设备持续运行，占总运行时间的70%。

　　在故障状态下，IES可分担电网故障带来的影响，并通过转移负载，减少停电面积和社会冲击。若IES本身发生故障，需在关键节点部署充足的柴油发电机，并预设2%的应对措施。此外，IES的模式切换，需遵循切换系统原则，满足主电网接入点的电压和频率标准。

　　（五）区域互联优化

　　通过连接各园区的IES，可实现区域间的能源互联与功能互补，推动经济发展和产业升级。其中，IES按照不同功能需求，被划分为居住、工作、商业和工业区域，这些区域在社会角色、建筑特点、土地使用和地理位置上各有特色。而区域间的互联能够优化能源调度，解决能源与负荷分布的不均衡问题，通过协同互联，各功能区的能源利用效率和可再生能源的吸收率得以显著提高。为解决微电网与外部功率交换的联络线限制，需要引入机会约束规划方法。同时虚拟协调器可以解耦微电网与主电网的连接，提高区域互联的效率和稳定性[6]。

　　二、多区域划分及供用能特性分析

　　在多区域交流与直流混合的综合性能源系统中，优化调度的重要环节在于对各区域能源供应与需求特性的深入分析和科学划分。该系统能通过充分挖掘不同功能区在能源供应和需求方面的互补优势，有效应对可再生能源利用难题、峰谷电力时段合理分配、设备使用效率低下以及经济效益不佳等多重挑战[7-8]。

　　本研究依据国土资源部规定及城市土地使用分类准则，并结合综合能源园区的实际情况，将园区划分为居住、办公、商业及工业四大功能区。受经济状况、政策导向、气候条件、建筑特色及人口结构等多重因素影响，各功能区在能源供给方面展现出显著的差异性，如主要供能时段、供电、供暖和供冷形式等。各功能区在能源使用特性上的差异，则体现在负荷率、最大负荷使用时长、日负荷峰谷差异、负荷密度及负荷类型等多个方面。其中，工业区因其生产特性，表现出高负荷密度及长时间使用的显著特点；而居民区因居民日常活动的规律性，展现出与其他区域错峰的用能特点，从而提高了整个园区的能源利用率及新能源消纳率[9]。

　　在典型日的冷、热、电负荷分析中，各功能区亦表现出不同的需求特征。其中，办公区、商业区及工业区的冷负荷需求主要集中在工作时段，而居民区则全天均有冷负荷需求；在热负荷方面，工业区在日间热负荷需求较高，商业区和办公区主要在用户活动频繁时段有热负荷需求，而居民区则全天保持稳定的热负荷需求。此外，电负荷需求亦呈现类似的日间集中特点，其中，工业区电负荷最重，商业区电负荷需求时间最长。

　　三、综合能源系统评价体系建立

　　为确保综合能源系统（IES）的有效运行和规划，建立一个全面的评价体系很有必要。该评价体系应涵盖环保、经济和能效三个主要维度，并制定具体的指标。这些指标既要反映IES自身的性能，也要考虑其与社会环境的相互作用，以推动IES向低碳、经济、高效的方向发展。例如，环保方面评估的关键指标涵盖污染物排放、可再生能源使用比例和碳排放成本等，其中，二氧化碳的排放量被视为环境影响的主要衡量标准。经济性评估指标主要分为设备生命周期成本（LCC）和市场交易收益，其中，LCC涵盖从研发、生产、采购、安装，到运营、维护、升级和最终报废等各个环节的费用。针对IES参与的市场交易则包括了电力、天然气、碳排放、绿色证书及需求响应市场等方面。能效性的评估主要包括能源的使用效率和供应的稳定性，能源利用率以新能源发电损失率（LREG）为基准，能源供应的稳定性则需参考负荷失电率（LPSP）等重要指标[10]。

　　结语

　　本研究提出的内协调外调度的优化方案，能够实现多区域交直流混合综合能源系统的高效运行与管理，是提高能源系统经济性和环保性的有效手段，通过分析多区域划分及供用能特性，建立综合能源系统评价体系，为多区域HIES的规划与优化提供有力支撑，推动清洁能源的发展和能源系统的智能化建设。

　　参考文献：

　　[1] 林亭君.多区域交直流混合综合能源系统内外优化调度方法研究[D].南京:东南大学,2024.

　　[2] 缪妙.多能源系统交直流混合供能优化研究[D].长沙:湖南大学,2020.

　　[3] 杨萌.多区域协调调度下的物联网异构数据源资源配置方法[J].广州航海学院学报,2023,31(02):64-69.

　　[4] 黄荣泽.源-网-荷-储协调的区域电网日前优化运行[J].广西电力,2022,45(02):7-12+28.

　　[5] 李锦焙.考虑多约束的多区域动态经济调度[J].黑龙江电力,2020,42(01):67-73+78.

　　[6] 李金娟.基于改进遗传算法的多类型物流配送调度算法[J].物流技术,2013,32(19):175-178.

　　[7] 李斌,金雪,王辉,等.苏州某产业园区域交直流混合配电网控制方法研究[J].电工电气,2018,(11):16-21.

　　[8] 辛宇.配电台区交直流混合配电网工程建设研究[J].电子元器件与信息技术,2023,7(12):157-161.

　　[9] 黄鹏.一种交直流混合配电网薄弱线路识别方法设计[J].环境技术,2023,41(11):157-162.

　　[10] 赵洪.分布式电源交直流混合供电的微电网系统研究[J].科技创新与应用,2023,13(06):89-92.