2020年8月3-6日，國際電子電氣工程師協會電力與能源學會年會（IEEE Power & Energy Society General Meeting）在線上舉行。會上，bevictor伟德官网電機系夏清、康重慶教授課題組的論文“Exploiting Integrated Flexibility from a Local Smart Energy Hub”獲最佳論文獎（Best-of-the-Best）。論文第一作者為bevictor伟德官网電機系博士生譚振飛，通訊作者為電機系鐘海旺副教授。

最佳論文獎經2輪評審選出。首先從800餘篇錄用論文中分四個技術領域評選出66篇最佳論文（Best Paper）；再根據口頭報告展示效果從每一個技術領域選出一篇論文授予最佳論文獎（Best-of-the-Best）。2020年共4篇論文獲該榮譽，本文是國内唯一獲獎論文。

該論文聚焦終端多能源微網同時為電網/氣網/熱網提供靈活性的模式與方法，首次提出了綜合靈活性的概念，提出了描述綜合靈活性可行域的數學模型及求解方法。智能能量樞紐（Smart Energy Hub, SEH）是指配備熱電聯産（CHP）、電制熱、燃氣鍋爐等能量轉化設備以及智能通信控制裝置的局域多能源系統。SEH靠近負荷需求終端，從集中式的電網/氣網/供熱系統輸入能量，經由各類能量轉化設備供給終端負荷。典型的SEH包括：智能樓宇、工業園區、能源社區等。利用能量轉換設備，SEH可在不改變終端負荷需求的前提下靈活調節從集中式供能網絡中吸收的功率，從而為系統運行提供靈活性。以下圖所示的SEH為例，其電力需求由本地熱電聯産機組和電網提供，熱負荷由熱電聯産機組、電鍋爐和熱網提供。當電網阻塞或緊急故障時，該SEH可增加本地CHP的電力供應、減少本地電制熱，由此在滿足終端電力需求的同時減少從電網吸收的功率；而當新能源出力較多時，該SEH直接使用網供電供給本地電、熱負荷，由此增加消納新能源發電、減少化石能源消耗。這種能力被稱為綜合靈活性（Integrated Flexibility）。綜合靈活性可在不影響用戶用能需求的同時将集中式電網/氣網/供熱的負荷需求由剛性轉變為彈性、擴大集中式系統的優化空間、進而提升系統運行的經濟性。

圖 1 智能能量樞紐結構示意

激發和利用綜合靈活性需要解決2個關鍵技術問題：

其一，如何刻畫SEH可提供的綜合靈活性範圍？

其二，如何将SEH提供的綜合靈活性嵌入集中式多能源系統的優化運行？

針對第一個問題，論文定義了SEH的綜合靈活性可行域（Integrated Flexible Region, IFR），即SEH在不違反内部設備運行約束條件下可滿足終端負荷的能量輸入可行域。為了計算IFR，論文首先基于能量樞紐标準矩陣模型建立SEH的運行可行域模型，建模過程中考慮了輸入輸出方程、能量轉換方程和各類能量轉換設備的運行約束。其次，将SEH的運行可行域從狀态空間投影到輸入空間，得到IFR模型。計算IFR是一個多面體投影問題，可以用傅立葉消元、塊消元或頂點枚舉法等算法求解。在電網/氣網/熱網協調優化運行中考慮需求側能量樞紐的IFR約束，可以确保優化決策結果和調度指令對各本地能量樞紐是可執行的。圖2展示了一個能量樞紐的IFR。可以看出，IFR是三維坐标系第一象限中的封閉區域，且随着能量樞紐終端負荷的變化而變化。

針對如何将綜合靈活性嵌入集中式多能源系統優化運行的問題，論文提出了一種兩階段的運行模式，如圖3所示。在第一階段，每個SEH評估可提供的綜合靈活性的IFR，并提交給上層系統運行機構；在第二階段，上層系統運行機構以IFR為約束條件優化決策各SEH的能量輸入。運行機構的優化決策問題被建模為一個線性規劃問題，目标函數為運行總成本最小，約束條件包括：各SEH的IFR約束，系統的電/氣/熱供需平衡約束、集中式系統的設備運行約束。

論文構造了包含10個相同SEH的區域多能源系統進行數值模拟和測試。比較了兩種運行模式：S1，不考慮綜合靈活性，即區域多能源系統的終端負荷需求剛性；S2，考慮SEH提供的綜合靈活性。圖4展示了兩種運行模式下SEH的能量輸入。可看到，在考慮靈活性的模式中，SEH在大多數時段内輸入較少的熱能和天然氣；相反，它從外部系統輸入了更多的電力。這一策略促進了可再生能源的消納、減少了化石能源的消耗。圖5對比了不同運行模式下系統運行成本和棄風棄光電量。引入綜合靈活性後，系統運行成本每日降低約7%，棄風棄光電量減少約85%。此外值得注意的是，綜合靈活性利用了不同能源載體之間的互補替代特性，不會影響終端負荷需求和用戶滿意度。

圖4 不同運行模式下智能能量樞紐各時段能量輸入

IEEE電力與能源學會年會是電力與能源領域的頂級國際會議，每年舉辦一次。會議提供了全球最大的電力行業論壇，分享電力領域最新的技術發展，制定标準以指導設備和系統開發，并為業内人士及大衆提供專業培訓。本次會議原定在加拿大蒙特利爾舉辦，但受新冠疫情影響，會議轉為線上舉行。

該研究得到了國家自然科學基金和國家電網科技項目《綜合能源系統多能轉換模拟與綜合能效評估技術研究》的資助。

引文格式：

Z. Tan, H. Zhong, Q. Xia, C. Kang and H. Dai, “Exploiting Integrated Flexibility from a Local Smart Energy Hub,”

2020 IEEE Power & Energy Society General Meeting (PESGM), Montréal, Québec, Canada, 2020, pp. 1-5