20251222-天津大学-综合能源系统的做功域和做功能力_27页_8mb

第九届IEEE能源互联网与能源系统集成国际会议总结

核心内容

本次会议聚焦于综合能源系统（IES）的做功域与做功能力，旨在通过构建新的模型和方法，提升能源系统的效率和安全性。会议报告人周天烁来自天津大学与石河子大学，主要围绕以下四个部分展开讨论：

• 研究背景与意义
• 做功域与做功能力模型
• 算例验证
• 结语

主要观点

1. 研究背景与意义

• 能源综合利用效率提升需求：当前研究主要关注“数量”节能，即通过增加可再生能源接入、减少能量损失等手段提高能源供应量。
• 能量品质节能：用能的核心在于能量品质，而非单纯的数量。在保障用户能量品质的前提下，优化用能策略可以减少能耗总量。
• 传统安全域模型的局限性：现有IES安全域模型仅关注能量数量，未能反映做功能力的差异，导致优化调度策略可能无法兼顾做功能力。
• 研究意义：提出从做功能力角度研究IES的安全边界和运行域，有助于提升系统运行效率与能源利用潜力。

2. 做功域与做功能力模型

• 做功域定义：系统运行时所有安全工作点构成的集合，是状态空间中的封闭区域。
• 状态变量：以负荷烟作为状态变量，构成做功域的工作点。
• 等式约束与不等式约束：
  • 等式约束：包括电力系统的熵流方程、天然气系统的烟流平衡方程、热力系统的温度与热流方程等。
  • 不等式约束：包括各子系统的压力、温度、流量等物理参数的上下限。
• 安全边界求解：提出改进型二分法，用于求解做功域安全边界，兼顾精度与效率。
• 数学关系：
  • 等距变换：当能质函数恒定时，运行域与做功域具有等距变换关系。
  • 相似变换：当能质函数为非零常数时，两者具有相似变换关系。
  • 非线性变换：当能质函数随运行状态变化时，两者呈现非线性变换关系。
• 做功能力（TWC）与供能能力（TSC）：
  • TWC是用户获得的做功能力，TSC是系统供能能力。
  • TWC与TSC之间存在非正比关系，需分别建模。

3. 算例验证

• 测试算例：包括4节点电力系统、5节点天然气系统和3节点热力系统，通过三类能源站（Type I、II、III）进行耦合。
• 运行方式：以热定电作为主要运行方式。
• 结果对比：
  • 改进型二分法：相比传统采样法，具有更高的计算精度和效率，尤其在大步长采样时表现突出。
  • 直接法与间接法：直接法（内点法）在求解TWCmax时效率更高，而间接法因需要多次采样和映射，耗时较长且精度较低。
  • 系统运行参数影响：在最大供能能力运行工况下，做功能力未必达到最大；反之亦然。
• 局部做功能力衰减：通过做功域可观察到运行域无法体现的局部能量品质下降现象，有助于优化系统规划。

4. 关键信息

• 能量由煤（exergy）和烷（anergy）构成，其中煤为可转换为功的能量，烷为不能转换为功的能量。
• 做功域状态空间：由各子系统的负荷烟作为状态变量，构成一个多维向量空间。
• 安全边界：是安全与不安全工作点的分界线，反映了IES在当前安全准则下的做功能力范围。
• 能质函数：决定了做功域与运行域之间的几何关系，多数情况下呈现非线性变换关系。
• 系统参数对做功能力的影响：
  • 热力管道长度增加会导致温降加剧，做功能力差异增大。
  • 在最大供能能力下，TWC未必达到最大；反之亦然。

结论

• 提出了IES做功域和最大做功能力的概念与模型，为系统安全与高效运行提供了新视角。
• 通过改进型二分法实现了做功域安全边界的高效求解。
• 揭示了做功能力与供能能力之间的非正比关系，以及局部做功能力衰减现象。
• 做功域可更全面地反映系统运行状态，有助于优化调度策略，提升系统整体能效。

关键信息总结

• 做功域：描述系统运行时所有安全工作点的集合，是状态空间中的封闭区域。
• 最大做功能力（TWCmax）：在安全准则下，系统向负荷供应的最大做功能力。
• 改进型二分法：用于求解做功域安全边界，兼顾精度与效率。
• 能质函数：决定了做功域与运行域之间的几何变换关系，多数情况为非线性。
• 运行参数影响：如管道长度、供热分配系数等，对做功能力和供能能力均有显著影响。

参考文献

1. Tianshuo Zhou, Dan Wang, Hongjie Jia, et al. The work region and total work capability of integrated energy system: concepts, models, and mechanisms[J]. Applied Energy, 2025, 394: 126032.
2. Tianshuo Zhou, Dan Wang, Hongjie Jia, et al. Expansion planning of integrated energy systems with distributed hydrogen blending for work capability enhancement[J]. CSEE Journal of Power and Energy System, 2025. (Accepted)
3. 周天烁，王丹,贾宏杰.面向综合能源系统的量质协同状态估计方法[J].电力自动化设备,2025,45(04):133-142.
4. 周天烁，王丹，李家熙，李宜哲，贾宏杰.面向综合能源系统的烟流追踪模型与计算方法[J].电力系统自动化,2023,47(17):75-88.
5. 王丹, 周天烁, 李家熙, 贾宏杰. 面向能源转型的高畑综合能源系统理论与应用[J]. 电力系统自动化, 2022, 46(1): 114-131.

致谢

• 感谢各位专家的聆听与指导。
• 联系方式：tianshuozhou@163.com, tszhou@tju.edu.cn