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综合能源系统电-气-热多能源优化及风险研究

秦超  
【摘要】:随着人们对能源的需求越来越多样化,可再生能源的大规模开发利用,以及分布式能源系统技术的进步,包括电力、天然气、热能、风能、太阳能等多种能源形式的综合能源系统正日益受到世界各国的青睐。综合能源系统的提出和发展,提升了能源综合利用效率,促进了多种能源梯级利用、互补互济,解决了能源供求不均衡等问题。电转气技术、分布式能源发电技术以及特高压输电技术的进步,为从园区、城市到区域等各层级综合能源系统的发展奠定了基础,而在综合能源系统的技术经济分析、风险驱动因素的识别与度量等领域有待进一步研究。因此,本文以综合能源系统为研究对象,对系统中的电/气/热多种异质能源转换优化,与传统供能模式的经济环境效益对比分析,以及综合能源系统的风险分析及度量开展研究。优化了可再生能源的接入电网的消纳问题,实现了能源跨区域的协调优化,也为Copula方法解决能源市场风险和各异质能源的耦合风险提供了新的视角,本文的主要研究内容如下:(1)在论文研究背景的基础上,阐述了研究目的与研究意义,随后对本文的主要研究内容分角度开展国内外研究现状及文献综述,最后给出了论文的技术路线、研究难点、关键问题以及论文创新点。论文第二章基于综合能源系统中所包括的电力、天然气与热力的能源消费、价格走势与市场状况,开展相关性分析、平稳性分析以及分位数回归分析,为下文的综合能源系统电-气-热多能源优化及风险研究奠定研究基础。(2)研究综合能源系统电-气-热能源转换优化。综合能源系统将电力、天然气、热力供能网与可再生能源发电相结合,以提升可再生能源发电消纳与平滑负荷需求曲线。由于系统中可再生能源发电出力波动,需求负荷的波动等造成系统因素的不确定性,需充分考虑供给侧风电消纳与需求侧电负荷波动,将优化的多目标设计为系统燃料成本最小,系统弃风电量最小以及电能需求侧峰谷负荷方差最小,结合电力、天然气、热力网络系统约束,构建电-气-热综合能源系统多目标优化模型。(3)研究综合能源系统天然气消费结构优化。在天然气供应能力紧缺情况下,重点考虑气-电转换与气-热转换情形下综合能源系统消费结构的整体优化。在天然气供应不确定性和燃气机组调峰能力约束情况下,综合考虑天然气成本、供给侧风电消纳与天然气供应不确定性三个目标函数,并结合效用理论对天然气消费的社会效用与用户效用计算,构建考虑供应不确定性和调峰能力约束的天然气消费结构多目标优化分配模型。(4)对计及地热能的综合供热系统展开经济环境效益分析。为了更加充分有效地进行资源合理配置,促进可再生能源消纳,推进寒冷地区清洁取暖,在综合能源系统框架下,以热能作为主要着力点,优化了计及地热能的综合供热系统。按照燃气调峰比例以及地热供暖所占基本热负荷比例进行情景分析,对比分析不同情景下的综合供热系统与燃煤锅炉集中供热的环境经济效益。并分别根据能源价格因素、燃气调峰锅炉调峰比例、地源热泵供热的基本热负荷比例对热源展开敏感性分析,以及据此探讨燃气锅炉调峰比例对综合供热系统的经济成本影响。(5)分析了综合能源系统电-气-热多能源故障风险。首先识别资金流、能量流、信息流在内的综合能源系统风险源,以物理实体构成、商业主体运营、虚拟价值分析构建综合能源系统资金-能量-信息风险框架。其次,在风险框架内,开展市场层风险的时序性分析、物理层风险的相关性分析以及信息层风险的稳定性分析。再次,分别研究电力系统、天然气系统以及热力系统的可靠性,分析评估综合能源系统故障风险,并以故障树分析法和灰色关联分析法分析电力系统故障原因。(6)对综合能源系统电-气-热多能源市场与耦合风险进行度量。影响能源市场以及综合能源系统中能源生产、传输、转换的风险驱动因素复杂,例如,能源的价格波动与供需不确定往往会给综合能源系统中能源转换和能量耦合带来风险,本文以能源市场收益率和各类型机组出力作为度量综合能源系统市场风险与能量耦合风险的切入点。首先收集综合能源系统中各风险因子变动的时间序列与各能源机组出力曲线,其次,采用非参数核估计方法确定综合能源系统中各风险因子与机组出力的边缘分布,再次,采用极大似然估计法与最小欧氏距离选择最优Copula函数描述各风险因子之间,以及机组出力之间的非线性的相依结构。最后,通过Copula-CVaR模型测度综合能源系统的市场风险与能量耦合风险。


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