CESS2019-综合智慧能源系统需求侧能效管理关键技术-朱继忠教授-2019年11月26日

综合智慧能源系统需求侧能效管理关键技术 Key Technologies for Demand Side Energy Efficiency Management of Integrated Smart Energy System 主讲：朱继忠 国家特聘专家，教授 第六届中国储能创新与技术峰会（ CESS2019） 2019年 11月 25日 -26日，中国深圳 Professor Jizhong Zhu South China University of Technology E-mail: Jizhong.zhu@ieee.org 版权归作者所有，勿转发 ISES简介 Introduction of ISES ISES需求侧能效管理关键技术分析 Key technologies analysis for demand-side energy efficiency management of ISES ISES协同优化运行关键技术分析 Key technology analysis of coordinated optimization operation of ISES 结论 Conclusion Contents 2 1. Introduction of ISES 版权归作者所有，勿转发 美国著名学者杰里米 ·里夫金在其新著 《 第三次工业革命 》 一书中 （ 2011 年出版 ） ， 首先提出了能源互联网的愿景 ， 引发了国内外的广泛关注 。 In his new book “The Third Industrial Revolution” (published in 2011), the famous American scholar Jeremy Rifkin first proposed the vision of the Energy Internet, which has aroused widespread concern at home and abroad. 能源互联网应具有如下 4个特征 ： ① 以可再生能源为主要一次能源； ② 支持超大规模分布式发电系统与分布式储能系 统接入； ③ 基于互联网技术实现广域能源共享； ④ 支持交通系统的电气化 。 The energy Internet should have the following 4 characteristics: ✓ Renewable energy as the primary energy source; ✓ Support the access of ultra-large-scale distributed generation systems and distributed energy storage systems; ✓ Wide-area energy sharing based on Internet technology; ✓ Support the electrification of transportation. 3 1. Introduction of ISES 版权归作者所有，勿转发 综合智慧能源系统 ： 以电力系统为核心 ， 以互联网及其他前 沿信息技术为基础 ， 以可再生能源为主要一次能源 ， 与天然 气网络 、 交通网络等其他系统紧密耦合而形成的复杂多网流 系统 。 Integrated smart energy system (ISES): A complex multi-network system that the power system is the core, and the Internet and other cutting-edge information technologies are the basis, with renewable energy as the primary energy and tightly coupled with other systems such as natural gas networks and transportation networks. 4 1. Introduction of ISES 版权归作者所有，勿转发 The characteristics of ISES: ✓ The physical entity consists of a power system, a transportation system, and a natural gas network. ✓ Energy can be transformed into various forms such as electrical energy, chemical energy, and thermal energy. ✓ Due to the large number of distributed devices, the research focus will shift from local consumption to wide-area coordination. ✓ Open information networks such as the Internet will play a greater role. 综合智慧能源系统的特点 ： ① 物理实体由电力系统 、 交通系统和天然气网络共同构成 。 ② 能量可在电能 、 化学能 、 热能等多种形式间相互转化 。 ③ 由于分布式设备数量庞大 ， 研究重点 将由局部消纳向广域协调转变 。 ④ 互联网等开放式信息网络将发挥更大作用 。 5 版权归作者所有，勿转发 ①：节点可调度能力预测技术 Node schedulability prediction technology ◆ 可调度能力预测需要针对节点系统结构 ， 建立部分因 素之间的关系模型 ； ◆ 需要 结合历史实际发生的数据 ， 通过基于大数据的机 器学习 ， 更新完善天气 、 发电 、 用电和可调度能力之 间的关联关系模型 ， 并综合聚合得到节点能量可调度 能力的预测数据 。 2. ISES协同优化运行关键技术分析 ◆ The schedulability prediction needs to establish a relationship model between the partial factors for the node system structure; ◆ It is necessary to combine the historical data and the machine learning based on big data to update the correlation model between weather, power generation, power consumption and schedulability, and comprehensively aggregate the predicted data of node energy schedulability. 6 版权归作者所有，勿转发  可再生能源对经济调度的影响 The impact of renewable energy on economic dispatch: in-dispatchable, random, and anti peak regulation ②：含高比例可再生能源并网的经济调度技术 Economic dispatch technology with high proportion of grid-connected renewable energy. 7 ✓ 提出一种 时空互补的协调调度策略 ，实现多级协调、逐级细化，逐级降低可再生能源的不确定性对经济调度的影响； ✓ 提出一种 计及多重不确定性的先进调度方法 ，有效协调经济性与可靠性，实现社会效益的最大化。 ✓ A coordinated scheduling strategy based on space-time complementarity is proposed. ✓ An advanced scheduling method that takes into account multiple uncertainties is proposed. 2. ISES协同优化运行关键技术分析 版权归作者所有，勿转发 Electric vehicle development plan 澳大利亚： 2020年， 20%EV 新西兰： 2020年， 5%EV 北欧： 2020年， 30万辆 EV 以色列： 2020年， 100万辆 EV 加拿大： 2020年， 80万辆 EV 中国： 2020年， 500万辆 EV 德国： 2020年， 100万辆 EV 美国： 2020年， 180万辆 PHEV 8 ③：支撑大规模电动汽车接入的调度控制技术 Dispatching control technology supporting large-scale electric vehicle access. 2. ISES协同优化运行关键技术分析 版权归作者所有，勿转发频率偏差联络线功率偏差 不同渗透率下无序充电的净负荷曲线 EVs participate in frequency control. •有序充电可以削峰填谷，降低充电负荷对电 网的影响。 •Ordered charging can cut peaks and fill valleys, reducing the impact of charging load on the grid. 结 论 •利用电动汽车储能可以提高电网的频率控制 性能。 •Using EVs to store energy can improve the frequency control performance of the grid. 结 论 有序充电与无序充电的净负荷曲线对比 无序充电 有序充电 EV不参与调频 EV参与调频 EV参与调频 EV不参与调频 9 EVs have an orderly charging strategy. ③：支撑大规模电动汽车接入的调度控制技术 Dispatching control technology supporting large-scale electric vehicle access. 2. ISES协同优化运行关键技术分析 版权归作者所有，勿转发 传统方法的缺点 ： 传统采用发电跟踪负荷的调度方法 ， 无法应对未 来电网的新需求 ， 没有让可控负荷成为电网调节和消纳新能源的重要 手段 。 Disadvantages of the traditional method: The traditional method of using power generation tracking load can not cope with the new demand of the future power grid, and does not make the controllable load an important means for power grid regulation and consumption of new energy. 注：本图摘自 《 智能电网“源 —网 —荷”互动运行控制概念及研究框架 》 10 ④：源 -网 -荷互动的调度运行技术 Source-network-load interaction scheduling operation technology. a）传统电网 b）源 -网 -荷互动的电网 源 -网 -荷互动的内涵： 电源 、 负荷与电网三者间通过 多种交互形式 实 现更经济 、 高效和安全地提高电力系统功率动态平衡能力的目标 。 The connotation of source-grid-load interaction: The power source, load, and grid can achieve goals of economically, efficiently and safely increasing the dynamic balance of power through multiple interactions. 2. ISES协同优化运行关键技术分析 版权归作者所有，勿转发 主要有四个方面研究： 1. 广域内分布式设备的 协调与控制 ； 2. 电力系统与天然气网络 的融合； 3. 电力系统与电气化交通系统 的融合； 4. 能源互联网的 信息物理建模及安全性 。 11 Distributed energy storage devices Distributed power generations Load ⑤：综合能源系统的优化运行技术 Optimized operation technology of integrated energy system. There are four main research areas: 1. Coordination and control in the wide-area distributed equipment; 2. Integration of power system and natural gas network; 3. Integration of power system and electrified transportation system; 4. Information physics modeling and security of the Energy Internet. 2. ISES协同优化运行关键技术分析 版权归作者所有，勿转发 12 综合能源系统的 区域划分 类比电力系统，根据 涵盖地理环境 与 能源功能环节特性 ，可将综合能源系统分为 跨区级综合能源系统 区域级综合能源系统 用户级综合能源系统 *王伟亮 , 王丹 , 贾宏杰 , 陈沼宇 , 郭炳庆 , 周海明 , et al., “能源互联网背景下的典型区域综合能源系统稳态分析研究综述 ,“ 中国 电机工程学报 , vol. 36, pp. 3292-3306, 2016. ➢ 跨区级综合能源系统： 以大型输电 、 气等系统作为骨干网架 ， 主要起 能源远距离传输的作用； ➢ 区域级综合能源系统： 起到能源传输 、 分配 、 转换 、 平衡的 “ 承上启 下 ” 作用 ， 以主动配电网 、 混合储能 、 能源转 换等技术为核心 ， 能源系统之间存在较强耦合； ➢ 用户级综合能源系统： 以智能用电系统 、 分布式 /集中式供热系统 、 供 水系统等网络耦合而成 ， 以需求响应 、 负荷预 测 、 电动汽车等技术为核心 ， 能源网络间存在 深度耦合 。 3. ISES需求侧能效管理关键技术分析 综合能源系统的 实现路径 版权归作者所有，勿转发 13 考虑社会效益、技术发展、实现难易程度等多个因素，综合智慧能源系统建设路径顺序应当为： 用户级 区域级 跨区级 。 *王伟亮 , 王丹 , 贾宏杰 , 陈沼宇 , 郭炳庆 , 周海明 , et al., “能源互联网背景下的典型区域综合能源系统稳态分析研究综述 ,“ 中国 电机工程学报 , vol. 36, pp. 3292-3306, 2016. ⚫ 范围大：涉及范围大 ⚫ 分阶段稳步推进 ⚫ 未来发展方向 ⚫ 范围较大：园区、城镇 ⚫ 前期研究和示范应用 ⚫ 积极推广应用 ⚫ 范围小：学校、工厂、大型 楼宇、商业综合体、家庭 ⚫ 前期基础好 3. ISES需求侧能效管理关键技术分析 需求侧综合智慧能源系统的 组成 版权归作者所有，勿转发 14 需求侧智慧能源系统属于 局域能源系统 ， 是通过对区域或用户能源的生产 、 传 输 、 分配 、 转换 、 存储 、 消费等环节进行有机协调与优化后所形成的能源 产供 销一体化 系统 。 ① 区域级智慧能源系统 由区域智能 配 电系统 ､中低压 天然气系统 、 供热 /冷 /水系统 等供能网络耦合互连组成 ， 起 到能源传输 、 分配 、 转换 、 平 衡的 “ 承上启下 ” 作用 ， 能源 系统之间存在较强耦合关系 。 ② 用户级智慧能源系统 以用户智能用电系统 ､分布式 / 集中式供热系统 、 供水系统 、 储能系统等耦合而成 ， 不同类 型能源间存在 深度耦合 关系 。 ⭐用户级智慧能源系统又可称 为 微能源网 ， 区域级智慧能源 系统内可含有众多的微能源网 。 *王成山 , 王丹 , 李立浧 , 贾宏杰 , and 王伟亮 , “需求侧智慧能源系统关键技术分析 ,“ 中国工程科学 , vol. 20, pp. 132-140, 2018. 源 网 荷 储 转 3. ISES需求侧能效管理关键技术分析 版权归作者所有，勿转发 15 需求侧综合智慧能源系统存在的 挑战 需求侧综合能源管理存在的挑战 ： 实现能源互联网的三个关键 物理互联 、 信息互联 、 商业互联 。 其中 ， 物理互联强调多种能源形式的互联和综 合利用 ， 信息互联则强调通过信息技术实现能源设备万物互联和协调调度 ， 商业互联指寻找一种合理的能源 市场机制促进综合能源智慧发展 。 1 多能互补优势发挥不充分 用户用能多样化但缺乏多能互补的优势 ， 能源利用效率不高 ， 需 促进新能源就地消纳 。 2 综合能源服务成本较高 用户作为能源受体 ， 无法承受昂贵的综合能源转换 、 存储等设备 成本 ， 阻碍多能耦合发展 。 3 能源小数据没有得到充分利用 产生的能源小数据没有得到充分利用 ， 缺乏用户侧数据分析和决 策支持 。 3. ISES需求侧能效管理关键技术分析 版权归作者所有，勿转发 16 需求侧综合智慧能源系统存在的 挑战（续） 4 需求侧能源、设备存在利用率不高现象 需求侧用户缺乏能源互济 、 闲置资产复用的能 源市场机制 。 5 新能源汽车的接入产生新要求 电能 、 氢能等新能源汽车的快速发展对能源网 的调度控制 、 充能设施规划产生新要求 。 6 需求侧协同调度理论及优化方法复杂性 主要体现在多能源 、 多环节 、 多时间尺度 、 多 目标 、 大规模 、 非线性等 。 + 3. ISES需求侧能效管理关键技术分析 版权归作者所有，勿转发 17 需求侧综合智慧能源系统的关键技术 —— ① 综合需求侧响应  Key technologies for ISES on the demand side —— ① Integrated Demand Response (IDR) 随着综合能源系统的出现和不断完善发展 ， 需求响应将从电 力需求响应逐渐演变为综合需求响应 (integrated demand response, IDR)。 依托于用户侧的多能源智能管理系统 ， 通过电力 、 天然气 市场 、 碳交易市场等多个 能源市场价格信号 引导改变用户综合用 能行为 。 With the emergence and continuous improvement of integrated energy systems, demand response will gradually evolve from power demand response to integrated demand response (IDR). Relying on the multi-energy intelligent management system on the user side, the user s comprehensive energy-use behavior is guided through multiple energy market price signals such as electricity, natural gas market and carbon trading market. 3. ISES需求侧能效管理关键技术分析 ② 建设微能源网 需 求 侧 综 合 智 慧 能 源 系 统 的 形 式 之 一 是 集 冷 热 电 联 供 系 统 （ CCHP） 和风光等其他分布式能源 、 储能设备 、 可控负荷 、 控制管 理等为一体的微能网 。 微能源网对所有能源和用户进行统一管理 。 微网规模扩大 、 数目增多 ， 形成微网集群互联互动协调管理系统 ， 成为 多微网 ， 在城市配电网末端具有广阔的应用前景 。 版权归作者所有，勿转发 18 作为综合能源系统的有机细胞 ， 微能源网在不久的将来会对能源市场 产生重大影响 。 目前 ， 实际运行的微能源网项目仍存在与用户用能协 调不足的问题 。 将来应该在 创新性能源交易模式 上进一步探索兼顾各 主体利益的经济性改善策略 。 ② Building micro-energy network As an organic cell in an integrated energy system, the micro-energy network will have a major impact on the energy market in the near future. 3. ISES需求侧能效管理关键技术分析 ③ 需求侧能源小数据分析与决策支持 需求侧综合智慧能源用户主要涉及 家庭居民 、 综合能源楼宇 、 商业园区综合体 、 工业企业 （ 机械电动 、 车间电气设施等 ） 、 城市公共设施 （ 地铁 、 城市照明 、 公共交通等 ） ， 不同类型的用户能源小数据有一定的 差别 ， 其用能的量级和要求也不同 。 版权归作者所有，勿转发 19 需求侧综合智慧能源系统的 关键技术 综合能源楼宇 商业园区综合体家庭综合能源 在为需求侧用户综合 能源调度提供决策支持时 不仅要充分利用好能源数 据 ， 还需要充分考虑不同 类型用户的 特殊性 。 综合能量管理与优化 控制可以概括为一个 高维 、 大规模 、 带复杂非线性 的 优化问题 。 3. ISES需求侧能效管理关键技术分析 版权归作者所有，勿转发 20 ④ 开发基于能源共享的市场机制 能源共享机制要求使用权和所有权相分离 。 由于能源互联网的 关键在于实现能源电力的共享经济模式 ， 因此建立市场机制 、 实现商业互联至关重要 。 通过闲置资产和服务的再分配 、 共享 和重复利用实现资源优化 。 ④ Develop a market mechanism based on energy sharing The energy sharing mechanism requires separation of use rights and ownership. Since the key to the energy Internet is to realize the shared economic model of energy, it is essential to establish a market mechanism and realize business interconnection. Resource optimization through redistribution, sharing, and reuse of idle assets and services. 家 庭 微 电 网 1 大 电 网 家 庭 微 电 网 2 家 庭 微 电 网 3 家 庭 微 电 网 n … … 3. ISES需求侧能效管理关键技术分析 4. Conclusion 版权归作者所有，勿转发 21  In view of the fact that traditional energy systems cannot cope with the three new challenges of “multi- energy flow, multi-scale, multi-agent”, theoretical breakthroughs are urgently needed.  Building an Integrated Smart Energy System can help break barriers between traditional energy systems, address new challenges, and increase the overall efficiency of energy.  In general, the research and construction of integrated smart energy systems is an inevitable choice under the background of increasingly prominent energy and environmental issues. ◆ 针对传统能源系统无法应对 “ 多能流 、 多尺度 、 多主体 ” 三个新挑战 ， 亟需理论突破 。 ◆ 构建综合智慧能源系统有助于 打破传统能源系统间壁垒 、 应对新挑战和提高能源的总体效率 。 ◆ 总的来说 ， 能源与环境问题日益突出背景下 ， 综合智慧能源系统的研究建设是 必然的选择 。 电力系统运行优化参考书 版权归作者所有，勿转发 朱继忠著 《 电力系统运行优化 》 (Optimization of Power System Operation)， IEEE出版社和威立 出版社联合出版， 2009年 8月第一版； 2015年 2月第二 版。另近一年新出的两本中文书。 22 版权归作者所有，勿转发 2019.11.26 Professor Jizhong Zhu