耦合系统

《多能智慧耦合系统》报告于2022年09月发布。随着可再生能源（如光伏和风能）的发展，考虑到可再生能源自然是间歇性和随机的，大规模采用可再生能源将对能源供应安全带来技术挑战，而多能源耦合系统可能会缓解这一挑战。多能源耦合系统可以增加整个能源系统的灵活性，平衡可再生能源的波动。此外，多能量耦合系统还可以提高能量利用效率。 该报告阐述了多能源耦合系统和服务的概念、在碳中和背景下面临的机遇和挑战；介绍了多能源智能耦合能源系统的关键技术；分析了多能源智能耦合能源系统国际标准的发展现状、多能源智能耦联能源系统的标准化需求及发展前景。

为推进太阳能、氢能等清洁可再生能源的利用，并使之更好地与虚拟电厂技术融合，针对光伏电站与电解水制氢的耦合系统，进行了规模化聚合资源运行模式构建和计及资源初始投资的相关经济性分析。同时，结合对光伏电站实际工程项目年出力数据的分析，探讨了该类耦合资源作为虚拟电厂资源时，在实现支撑新型电力系统、促进新能源消纳的同时，可以维持并不断优化自身经济性，并指出了其中值得重点关注的运行模式优化要素、设备功能特点和市场条件，供相关研究参考。

针对气电综合能源系统低碳调度问题，气网混氢、碳捕集、电转气均是有效的技术手段，同时碳交易机制也是控制碳排放的有效经济手段。因此，本文构建了含富液罐和贫液罐的碳捕集电厂模型，结合电转甲烷技术模型，灵活回收利用系统中的CO2；同时，构建了气网混氢技术模型提高能效，并考虑气网混氢时节点热值变化约束，以奖励式碳交易成本和运行成本之和为目标函数；最后基于改进的比利时20节点天然气系统和IEEE 39节点电力系统模型开展算例测试，结果显示综合考虑碳捕集、气网混氢和奖励式碳交易机制能提高系统低碳经济调度水平，同时调节碳价和奖励系数能灵活调节系统碳排放水平。

电动汽车(electric vehicle, EV)的大规模发展，使得交通网转变为电动汽车和燃油车(gasoline vehicle, GV)随机混合出行的复杂网络；配电网也转变为供需双侧不确定、“源-网-站-储”高效互动的低碳型电网。在新型交通-配电网耦合系统下，亟需研究交通和配电网的联合规划方法，以满足EV时空充电需求，保障交通和配电网的安全可靠运行。为此，基于EV和GV的实时能耗特性差异，建立了混合交通流分配模型，以充分反映GV对EV出行和充电行为的影响，进而建立了混合交通流下的交通网多阶段规划模型。此外，考虑储能型柔性开关(energy storage integrated soft open points, E-SOP)的运行特性，协同“源-网-站-储”，建立了E-SOP影响的配电网多阶段规划模型。结合交通-配电网物理和“流量-功率”耦合约束，实现了交通-配电网的联合规划。根据Sioux Falls交通网和IEEE 69节点配电网组成的耦合系统算例测试，验证了所提联合规划模型比独立规划的总成本减少了7.21%，并且E-SOP的接入能减少系统无功出力和电压波动。

储能是平抑可再生能源波动的重要手段之一。考虑内部气体跨膜传输现象，基于质子交换膜电解槽的组件结构以及电化学和热平衡原理，构建了可描述质子交换膜电解槽物质传输以及能量转换的精细化仿真模型。在此基础上，建立了包含电化学储能、氢储能的电-氢耦合系统模型。提出了一种考虑电化学储能荷电状态与氢储能氢状态的双层协调控制策略。上层功率分配考虑了系统内电负荷和氢负荷需求变化，将电化学储能荷电状态、储氢罐氢状态作为重要约束因素，确定系统各设备的工作模式。底层控制根据设备的工作特性，采用PQ控制、VQ控制等方法实现功率追踪调整。通过多种不同运行场景的算例仿真验证了所提模型与控制方法的有效性。研究成果可为风光氢储系统控制策略优化提供支撑。

为改善PI控制下模块化多电平变换器(modular multilevel converter, MMC)的控制效果，提出了基于李雅普诺夫直接法的MMC控制策略。首先，建立MMC整流器的数学模型。其次，构造出MMC系统的李雅普诺夫能量函数。然后，在MMC数学模型和能量函数的基础上设计了控制系统。由奈奎斯特稳定判据分析了直流电压稳定性的影响因素，并在经典频域下通过伯德图对比分析了李雅普诺夫控制策略和PI控制策略的控制性能。最后，在负载阶跃、交流侧电压幅值阶跃和交流侧三相电压不平衡工况下对两种控制策略进行了仿真和半实物在环仿真研究。结果表明，李雅普诺夫控制策略较PI控制策略有着更好的控制效果，李雅普诺夫控制策略更适用于MMC此类非线性强耦合系统。

针对风光富集地区大型新能源发电厂的弃风弃光问题，利用可逆固体氧化物燃料电池（reversible solid oxide fuel cell，RSOC）结合氢储能的双向转换特性消纳多余风光资源，提出一种双向可逆的集中式RSOC电氢耦合系统容量优化配置方法。首先构建集中式RSOC电氢耦合系统架构，建立发电系统、电氢转换系统等模型；其次考虑燃料电池特性建立RSOC性能衰减模型，考虑特高压通道可用传输能力不确定性生成典型场景；进而建立集中式RSOC双层容量规划模型，上层以运营期收益最大为目标优化RSOC、储氢库容量配置，下层以综合成本最低为目标优化各设备出力，联合粒子群算法与Cplex求解器进行求解。最后通过算例分析，验证RSOC的加入提高了系统经济性及环境效益，同时投资灵敏度分析表明电池单位容量成本是制约系统经济运行的重要因素。

针对新能源大规模接入给配电网安全运行带来的影响，开展了含混合储能的分布式电氢耦合系统与配电网间的多时间尺度交互策略研究。首先，提出分布式电氢耦合系统与配电网之间的平衡服务机制、需求响应机制等多元交互机制；其次，基于博弈理论，制定了电氢耦合系统与配电网之间的中长期与短期交互策略；最后，以某一典型区域的配电网与分布式电氢耦合系统为例进行仿真分析。算例结果表明：氢储能因其跨周期特性在中长期交互中具有优势；电化学储能响应迅速更适合短期交互；相较于单一形式储能系统，电氢混合储能系统能够有效降低峰谷差，提高系统收益，更契合现有配电网体系。 In response to the impact of the widespread integration of new energy sources on the secure operation of distribution networks, a study is undertaken to explore a multi-time scale interactive strategy for distributed electrohydrogen coupled systems, incorporating hybrid energy storage and distribution networks. Firstly, interactive mechanisms including the balancing service mechanism and demand response mechanism between distributed electro-hydrogen coupled systems and distribution networks are proposed. Secondly, based on game theory, medium-to-long-term and short-term interactive strategies are formulated for electro-hydrogen coupled systems and distribution networks. Finally, a simulation analysis is executed utilizing the distribution networks and distributed electro-hydrogen coupled system in a representative region as an illustrative example. The outcomes of the case study underscore that hydrogen storage exhibits an advantage in medium-to-long-term interactions due to its crossperiod characteristics. Electrochemical storage, distinguished by its rapid response, proves more suitable for shortterm interactions. In comparison to singular energy storage systems, a hybrid electro-hydrogen storage system can effe

富裕风电电解水制氢，耦合高污染的钢铁冶炼过程，既促进炼钢产业低碳转型，又可有效提升风电消纳能力。为了模拟绿氢钢铁冶炼对风电消纳能力的影响，综合考虑钢铁冶炼的可靠性、氢能发展的经济性以及风力发电的环境性，确定绿电-氢能-钢铁冶炼耦合系统内部交互关系和反馈机制；结合钢铁行业发展趋势和绿氢替代潜力，建立了提升风电消纳的绿氢钢铁冶炼系统动力学模型；同时考虑到政府支持力度与制氢技术的发展，构建差异化情景，分析不同条件下的氢能需求规模和风电消纳水平。基于新疆案例表明，加大氢冶金支持力度和提高制氢电解效率，能够有效提升钢铁行业的绿氢替代率并加速绿氢成本降低，进而实现风电的全额消纳，有效解决“弃风”难题。

针对交通事故对电动汽车用户驾驶和充电体验的影响尚未得到充分研究这一现状，提出了一种弱化交通事故对用户不良影响的路径规划和充电导航策略。首先，以电动汽车用户重点关注的行驶能耗和行驶时间两项指标为导向，建立了基于实时交通信息的交通网综合道路阻抗模型，实现了交通流拥塞水平的动态表征。然后，考虑交通流量和道路拓扑的耦合作用，建立了基于交通事故“发生-持续-消散”动态过程的后果评估模型，实现了交通事故后果的精准量化。最后，建立了以提升电动汽车用户体验为目标的路径规划和充电导航优化模型，提出了基于Dijkstra算法的滚动优化算法，实现了模型的快速求解。以配电网与交通网组成的耦合系统进行算例分析，结果表明，所提方法能够有效减少交通事故发生后的电动汽车用户综合出行成本，并缓解交通网拥塞。