福州大学等单位的研究人员提出一种计及多能流不确定性的综合能源系统优化配置方法

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综合能源系统中可再生能源的随机性、间歇性、波动性和负荷的不确定性会影响综合能源系统的经济运行。在进行综合能源系统规划时，若不考虑风光出力和负荷的不确定性，会造成系统容量配置过于理想化，设备利用率低等一系列问题。福州大学“数字能源”科研团队基于园区综合能源系统的仿射模型，综合考虑设备投资成本和系统运行成本，建立了园区综合能源系统协同规划模型，将仿射优化模型分解为年总综合成本的中心值最小及在不确定性因素影响下年总综合成本变化量最小两个子问题，前者为仅考虑源荷预测功率的确定性优化模型，后者为考虑源荷预测误差的不确定性优化模型。采用某园区综合能源系统规划算例验证了所提方法的有效性和经济性。

团队介绍

福建省“数字能源”专业学位研究生导师团队于2019年10月由福建省教育厅批准成立。团队秉承“区域协同创新、技术服务社会”的宗旨，坚持产学研合作，助推科研成果落地。团队面向能源系统的数字化和物联化趋势，依托福建省电器智能化工程技术研究中心、福建省工业大数据应用服务型制造公共服务平台、福州大学数字能源研究院、福州大学电力安全与质量保障工程技术中心等科研平台，长期致力于新能源电网安全保障、能源综合高效利用以及能源大数据的基础理论研究和工程技术应用。

团队现有专任教师8名，企业导师9名，其中高级职称12人，博士9人，已培养硕士研究生30余人，其中2人获评福建省优秀硕士学位论文、5人获评福州大学优秀硕士学位论文。团队近年来承担科研项目30余项，其中国家重点研发计划子课题1项、国家自然科学基金项目6项、省级自然科学基金类项目11项、市厅级项目5项、校企合作科研项目多项，研制的电能质量监测仪达到A级表要求。

研究背景

在节能减排的新形势下，综合能源系统(Integrated Energy System, IES)因其多能互补和能源利用效率高的优势，已经被全球70余个国家研究与应用。而IES的规划方案对系统的实际运行效益产生重大影响。当能源设备安装容量过小时，不仅无法满足用户的负荷需求，还会导致园区无法发挥多能互补、节能减排的优势；当能源设备安装容量过大时，则会导致园区的投资成本过高，设备运行效率低下的同时能量损耗增加。随着可再生能源渗透率不断提高，IES中的不确定性因素广泛存在。

风电、光伏等可再生能源的随机性、间歇性和波动性，负荷的不确定性给IES的规划带来巨大挑战。在规划时，若不考虑风光出力和负荷的不确定性，会造成系统容量配置过于理想化，设备利用率低，综合能源系统无法稳定、安全、经济运行等一系列问题；而无法合理考虑不确定性因素，同样会导致设备配置不够合理，影响园区的高效运行。

论文所解决的问题及意义

现有的研究综合能源系统不确定性问题的方法，区间优化和鲁棒优化只需获取不确定变量的波动区间，在缺乏统计信息时具有良好的工程应用价值，被广泛应用于综合能源系统不确定性研究中。但是以上方法无法定量考虑不确定性因素的影响，可能会导致规划结果受不确定性因素影响大的同时配置方案的合理性降低。

针对上述问题，本文建立了基于仿射的优化配置模型，将优化配置模型拆分成两个子问题，分别最小化年总综合成本的中心值及计及不确定性因素影响的年总综合成本变化量。通过在规划过程中，定量考虑不确定性因素的影响，提升规划结果的合理性和工程实用价值。

论文方法及创新点

确定性优化模型的上层以年综合成本最小为目标函数，决策变量为各类设备的安装容量。确定性优化模型的下层为优化调度模型，以园区运行成本最小为目标函数，决策变量为园区中的设备各时刻功率值，园区运行成本包含设备维护成本、能源交互成本、燃料购买成本、碳排放成本。确定性优化模型的约束条件，包含能源功率平衡约束、能源设备运行约束、能源交互功率约束等。其中风电、光伏、负荷功率仅考虑预测值（仿射中心值）。

图1 优化配置模型流程

不确定性优化模型根据源荷预测误差，调整储能设备功率、园区与上游能源网络的交互功率，优化因源荷预测误差所导致的储能容量变化量，从而最小化不确定性因素导致的年总综合成本变化量。优化模型的约束条件中含有储能功率、园区与上游能源网络交互功率的仿射形式。叠加两个子问题的优化结果，得到综合能源系统优化配置方案。

结论

本文提出了一种计及源荷不确定性的综合能源系统协同优化配置方案。基于仿射优化理论，将园区优化配置模型拆分成确定性优化和不确定性优化，不确定性优化以确定性优化为基础，交替迭代优化源荷预测误差导致的储能配置容量的变化量，通过对比不同方案的系统容量配置结果，得到以下结论：

1）将园区优化配置模型拆分成确定性优化和不确定性优化，以不确定性导致的年总综合成本最小化为不确定性优化的目标函数有利于降低预测误差对优化配置方案的影响；在不确定性优化模型中，以运行成本最大化模型预测源荷功率误差，以运行成本最小化模型调整储能设备出力、园区与上游能源网络的交互值，有利于规划结果尽可能满足各种运行情况。

2）用仿射研究综合能源系统的不确定性问题有利于优化综合能源系统的优化配置，改善优化配置方案因源荷不确定性导致的系统容量配置过于理想化、设备利用率低等问题。

引用本文

高统彤, 邵振国, 陈飞雄. 计及多能流不确定性的综合能源系统优化配置[J]. 电气技术, 2022, 23(3): 1-10. GAO Tongtong, SHAO Zhenguo, CHEN Feixiong. Optimal allocation of integrated energy system considering the uncertainty of multi-energy flow. Electrical Engineering, 2022, 23(3): 1-10.

下载论文PDF版，请点击左下角“阅读原文”，访问期刊网站。

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